Tài liệu Chế tạo và vận hành thực nghiệm mô hình uasb xử lý nước thải chế biến thủy sản

1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây khi mà khoa học ngày càng phát triển thì sức khỏe của con người cũng đang bị đe dọa bởi những căn bệnh hiểm nghèo. Điều này có thể được giải thích bởi sự ô nhiễm môi trường ngày càng tăng. Trong đó ngành Thủy Sản cũng là một trong những nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm của môi trường, ảnh hưởng đến đời sống của động, thực vật và con người. Do đó vấn đề người ta quan tâm là làm sao xử lý được nguồn nước thải làm giảm độ ô nhiễm cho môi trường. Y thức được phần trách nhiệm của mình, ngành Thủy Sản Việt Nam đã có những giải pháp cho vấn đề này. Tuy nhiên hiện nay do sự phát triển mạnh của mặt hàng thủy sản do đó xử lý nước thải vẫn chưa được quan tâm và đầu tư đúng mức. Nhằm góp phần cho quá trình nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thuỷ sản bằng phương pháp sinh hoá. Tôi được khoa Chế Biến trường Đại Học Thủy Sản giao cho đề tài: Chế tạo và vận hành thực nghiệm mô hình UASB xử lý nước thải chế biến thủy sản. Mục đích là làm quen với công việc nghiên cứu xử lý nước thải trên mô hình tại phòng thí nghiệm, sau đó áp dụng vào thực tế sản xuất. Mặt khác giúp sinh viên vận dụng những kiến thức đã học để giải quyết vấn đề thực tế. Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Phước Hòa và sự giúp đỡ của các thầy cô tại trung tâm CNSH và môi trường, bộ môn hoá cơ bản của Trường Đại Học Thủy Sản đã giúp tôi hoàn thành đồ án này. Do thời gian có hạn, kiến thức của bản thân tôi còn nhiều hạn chế nên báo cáo này còn nhiều thiếu sót. Kính mong được sự giúp đỡ của quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp.. Nha Trang, 25/11/2005. Sinh viên thực hiện. Bùi Thị Phượng PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2 CHƯƠNG1 NHỮNG NÉT CƠ BẢN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3 1.1. Nguồn gốc và lưu lượng nước thải ở một số xí nghiệp tại Nha Trang. 1.1.1. Nguồn gốc. Nước thải có nguồn gốc từ nước cấp, ở các xí nghiệp chế biến thủy sản trung bình sử dụng 70 ÷150 m3/tấn sản phẩm để sử dụng trong quá trình sản xuất chế biến thủy sản. Sau quá trình sản xuất lượng nước thải được thải ra với số lượng rất lớn cùng với các chất thải rắn và các chất hữu cơ rất dễ bị phân hủy thành các sản phẩm cấp thấp gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng ảnh hưởng tới sức khỏe con người. 1.1.2. Lưu lượng nước thải ở một số xí nghiệp tại Nha Trang. TT Cơ sở sản xuất Địa chỉ Mặt hàng chính Lưu lượng (m3 /Ng. đêm) 1 Nha Trang Seafood F17 Nha Trang Tôm, cá, mực, ghẹ… 400 2 Doanh nghiệp Việt Thắng Nha Trang Tôm, cá, mực, ghẹ… 3 Công ty thực phẩm Anh Đào Nha Trang 4 XN Dịch vụ khai thác Thuỷ Sản Nha Trang 5 6 7 8 9 10 Công ty Sao Đại Hùng Công ty TNHH Long Shin Công ty Vân Như Công ty Hải Vương Công ty Trúc An Công ty Hải Long Khu công nghiệp Suối Dầu Nha Trang Khu công nghiệp Suối Dầu – Nha Trang Nha Trang Khu công nghiệp Suối Dầu – Nha Trang Khu công nghiệp Suối Dầu – Nha Trang Khu công nghiệp Suối Dầu – Nha Trang Tôm, cá, mực, sò Tôm, cá, mực, ghẹ Đồ hộp cá, gà, hoa quả Tôm, cá, mực Tôm, cá, mực 70 100 40 1000 500 80 500 Cá ngừ đại dương Tôm, cá, mực 400 Cá ngừ đại dương 1.2. Thành phần tính chất và đặc tính của nước thải 1.2.1. Thành phần tính chất của nước thải. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 200 4 Nước thải là hỗn hợp phức tạp trong đó chất bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hoà tan, dạng keo và dạng hoà tan. Thành phần và tính chất của nước thải chế biến thuỷ sản phụ thuộc nhiều yếu tố như lĩnh vực sản xuất nguyên liệu tiêu thụ, quy trình công nghệ, lưu lượng đơn vị tính trên sản phẩm… 1.2.1.1. Đặc điểm vật lý. Nước thải được chia thành. Chất không hoà tan ở dạng lơ lửng kích thước lớn hơn 10-4 mm. Có thể ở dạng huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi… - Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt 10-4 ÷ 10-6 mm. Các tạp chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10-6mm, có thể ở dạng phân tử hoặc phân ly thành ion. Nước thải chế biến thuỷ sản có mùi hôi thối do xuất hiện khí H2S 1.2.1.2. Đặc điểm hoá học. Nước thải chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ như: Fe, Mg, Ca, Si… Nhiều chất hữu cơ sinh hoạt như phân, nước tiểu và các chất thải khác như : cát, sét, dầu, mỡ. Các chất hữu cơ có thể chia thành các chất chứa nitơ và các chất chứa cacbon. Các hợp chất chứa nitơ chủ yếu là: ure, protein, amin, axit amin. Các hợp chất chứa cacbon như mỡ, xà phòng, hyđrocacbon. 1.2.1.3. Đặc điểm sinh vật, vi sinh. Vi sinh trong nước thải chế biến thuỷ sản được chia theo hình dạng, vi sinh xử lý nước thải có thể chia thành 3 nhóm: vi khuẩn, nấm và nguyên sinh động vật. Vi khuẩn dạng nấm ( Fungi Bacteria ) có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong quá trình phân huỷ ban đầu của chất hữu cơ trong quá trình xử lý. - Vi khuẩn dạng nấm phát triển thường kết thành lưới nối trên mặt nước gây cản trở dòng chảy và quá trình thuỷ động học. Nguyên sinh động vật đặc trưng bằng một vài hoạt động trong quá trình sống của nó thức ăn chính của nguyên sinh động vật là vi khuẩn cho nên chúng là chất chỉ thị quá trình thể hiện hiệu quả xử lý của các quá trình xử lý sinh học nước thải. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 1.2.2 Đặc tính của nước thải . Giống như hầu hết các loại nước thải khác, nước thải trong chế biến thuỷ sản chứa hỗn hợp các chất gây ô nhiễm, phần lớn là các chất hữu cơ. Mức độ gây ô nhiễm phụ thuộc vào sự có măt của một số yếu tố quan trọng, nhất là phương pháp chế biến và loại thuỷ sản đươc chế biến. Việc phân tích chi tiết đối với mẫu thành phẩm không có ý nghĩa ( hoặc gần như không thực hiện được) đối với quá trình xử lý nước thải. Người ta có thể thực hiện các phương pháp định lượng các chất hữu cơ cũng như các thông số hoá lý cơ bản, vì đây là một thông số chính về ô nhiễm nước. Các thông số hoá lý cơ bản của nước thải chế biến thuỷ sản. + PH : độ pH tự nó không thể gây ô nhiễm nhưng đóng vai trò là một thông số đặc trưng rất quan trọng, cho biết mức độ nhiễm bẩn và xác định sự cần thiết phải điều chỉnh trước khi xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Nước thải từ các xí nghiệp chế biến thuỷ sản ít khi có tính axít, pH thường bằng 7 học có tính kiềm do quá trình phân huỷ đạm và thải amoniac. + Hàm lượng chất rắn: tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng của nước thải. Nó bao gồm các chất rắn lơ lửng dạng keo và tan. Dạng lơ lửng đáng quan tâm nhất vì nếu có nó sẽ lắng đọng trong ống dẫn nước thải, hiệu quả thải sẽ kém, nếu như lắng trong hồ chứa nước thải sẽ ảnh hưởng tới hệ thực vật đáy và chuỗi thức ăn, nếu nổi cường đô ánh sáng qua bề mặt sẽ giảm đến hệ sinh thái. + Nhiệt độ: Trừ nước thải của quá trình nấu và khử trùng ở các xí nghiệp đồ hộp. + Mùi : Nước thải từ các xí nghiệp chế biến thuỷ sản có mùi do các chất hữu cơ phân huỷ tạo ra các loại khí như amin, diamin, NH3. Nước thaỉ tự hoại có mùi H2S, CH4… Dấu hiệu của mùi rất quan trọng trong việc đánh giá và chấp nhận hệ thống nước thải của xí nghiệp .Mùi có thể gây khó chịu và buồn nôn và khi hàm lượng lớn sẽ ảnh hưởng tới sức khoẻ của con người + Hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải chế biến thuỷ sản. Có nhiều cách đánh giá hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm. Thông dụng nhất là các phương pháp xác định nhu cầu oxy sinh hoá (BOD5) hoặc nhu cầu oxy hoá học (COD) nhưng cũng có thể dùng phương pháp đo cacbon hữu cơ. Số liệu ước tính đầu tiên là lượng oxy cần thiết để ổn định hàm lượng chất hữu cơ trong PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6 chất thải. Hai phương pháp phổ biến nhất là xác định nhu cầu oxy sinh hoá và oxy hoá học. + Nhu cầu oxy sinh hoá ( BOD ): Là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải công nghiệp. BOD được định nghĩa là lượng oxy mà vi sinh sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hoá chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí . Phương trình tổng quát: VSV Chất hữu cơ +O2 → CO2 + H2O + Tế bào mới + sản phẩm cố định. Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan. Vì vậy việc xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là công việc quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước. BOD biểu thị lượng các chất hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật. ••Những hạn chế của phép phân tích BOD: - Yêu cầu mật độ vi sinh vật trong mẫu phân tích phải đủ lớn và các vi sinh vật bổ sung vào cần được thich nghi với môi trường. - Khi chất thải có chứa các chất độc hại cần xử lý sơ bộ trước khi phân tích, đồng thời cần chú ý giảm ảnh hưởng của các vi sinh vật Nitrat hoá - Phép phân tích BOD không có giá trị cân bằng sau khi các chất hữu cơ hoà tan trong dung dịch đã bị sử dụng. - Chỉ đo được hàm lượng các chất hữu cơ có thể bị phân huỷ bằng con đường sinh học. - Thời gian phân tích quá dài, sau năm ngày mới có kết quả. + Nhu cầu oxy hoá học (COD): chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải bị oxy hoá bởi chất oxy hoá và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước. Lượng oxy này tượng đương với hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu nước có thể bị oxy hoá, được sử dụng khi PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 7 sử dụng tác nhân oxy hoá mạnh trong môi trường axit. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp bicromat. - Cơ chế của nó theo phương trình sau: Ag2SO4 Các chất hữu cơ + Cr2O7 2- + H + 0 CO2 + H2O + 2Cr3+ T sôi Lượng Cr2O72- dư được chuẩn độ bằng dung dịch FAS (Fe(NH4)2(SO4)2) và sử dụng dung dịch Feroin làm chất chỉ thị. Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm khi dung dịch chuyển tử màu xanh lam sang màu nâu đỏ nhạt theo phản ứng sau: 6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ → 6Fe3+ +2Cr3+ + 7H2O - Các chất dinh dưỡng trong nước thải chế biến thuỷ sản: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 8 + Hàm lượng Nitơ: Là nguyên tố chủ yếu cần thiết cho vi sinh vật nguyên sinh và thực vật phát triển, chúng được biết đến như là những chất dinh dưỡng hay là kích thích sinh học. Nitơ tồn tại ở các dạng: Nitơ hữu cơ (N-HC), nitơ amoniac (N-NH3), nitơ nitrit (N-NO2), nitơ nitrat (N-NO3) và nitơ tự do. Vì Nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào, tổng hợp Protein, do đó số lượng về Nitơ sẽ rất cần thiết để xác định khả năng có thể xử lý một loại nước thải nào đó bằng các phương pháp sinh học, trong trường hợp không đủ Nitơ, có thể bổ sung thêm để cho chất thải đó có khả năng xử lý bằng phương pháp sinh học. Chỉ tiêu hàm lượng Nitơ trong nước cũng được xem như là chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nước vì NH3 tự do là sản phẩm phân huỷ các chất Protein. Nitơ không những gây ra các vấn đề phù dưỡng môi trường sinh thái vựa nước mà chỉ tiêu N-NO3 trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45mg NO3/l cũng có thể gây ra mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ con người. + Hàm lượng phospho. Phospho tồn tại trong nước thải ở các dạng như: Orthophosphate (PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4) hay polyphosphate và phosphate hữu cơ. Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thuỷ vực. Phospho là một chỉ tiêu có ý nghĩa quan trọng trong cấp nước để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ, ăn mòn và xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Nitơ và phospho thường xuyên có mặt trong nước thải chế biến thuỷ sản nên không cần bổ sung thêm trong quá trình xử lý sinh học. 1.3. Ảnh hưởng của các chất có trong nước thải chế biến thuỷ sản đối với môi trường 1.3.1. Ảnh hưởng của các chất hữu cơ. Các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học bao gồm các hợp chất chứa cacbon, nitơ, phospho ( cacbonhydrat, protein, chất béo…). Khi thải ra thuỷ vực làm tăng độ phù dưỡng của nguồn nước, đồng thời dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật gây mùi thối và giảm oxy hoà tan trong nước ( chỉ số BOD và COD cao ), dẫn đến suy thoái tài nguyên thuỷ sản và giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9 Ngược lại với các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học là các chất hữu cơ bền sinh học ( khó bị phân huỷ sinh học ), chúng có độc tính cao đối với sinh vật và con người. Chúng lại có khả năng tồn tại lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật nên có khả năng tích luỹ và gây tổn hại lâu dài. Ngoài các chất thải là hợp chất hữu cơ, công nghiệp thực phẩm còn thải ra môi trường một lượng lớn vi sinh vật và nồng độ chất rắn cao. Lượng chất lơ lửng nếu không được xử lý trước khi thải ra có thể đọng ở cống thải, làm tắc hệ thống thoát nước, gây ô nhiễm môi trường. Một lượng lớn vi sinh vật từ nước thải của các cơ sở sản xuất chế biến thuỷ sản nếu không có biện pháp quản lý hiệu quả thì rất dễ gây bệnh, gây độc cho nguồn nước sử dụng và những vấn đề khác vì sự phát triển không lường trước được của vi sinh vật thải ra cùng nước thải. 1.3.2. Ảnh hưởng của các chất vô cơ. Chất vô cơ trong nước thải như: NO2-, NH3, SO42-, NO3-, PO43-, các kim loại nặng. Trong đó đặc biệt NO3-, PO4- là môi trường dinh dưỡng cho tảo, rong phát triển. Nếu với nồng độ cao sẽ dẫn đến hiện tượng”nở hoa” trong thuỷ vực ( hiện tượng phiêu sinh thực vật tăng đột ngột nhày nhụa cho thuỷ vực). SO42- gây nhiễm mặn, nước phèn chua làm giảm năng lực nuôi trồng thuỷ sản. NH3 và muối NH4+ làm hư hỏng các vật dụng bằng đồng thau và hợp kim đồng. Ngoài những chất vô cơ thông thường, Clo được xem là chất vô cơ độc, nguy hiểm, các hợp chất của Clo độc hơn 50-100 lần. Việc thải Clo ra môi trường sẽ tạo điều kiện để thu nhận những hợp chất có tính độc cao hơn Clo. Nó được bảo tồn trong tự nhiên và có thể biến đổi dưới các dạng khác nhau với tính năng còn mạnh hơn, nguy hiểm hơn là các chất ban đầu. Theo chu trình sinh học, hóa học, nó tan vào môi trường nước, khí, đất, tương tự vào các mô động vật, hoặc thực vật và theo con đường thực phẩm đi trở lại con người và tích tụ lai trong cơ thể. Khi lượng độc tố này đủ lớn sẽ tiêu diệt sự sống. Vòng biến đổi sinh học chính là cơ chế nâng cao nồng độ của các chất độc nguyên sinh- hay con gọi là tích tụ sinh học. Kim loại trong nước mặn có thể gây độc cấp tính hoặc mãn tính cho cá và các động vật khác kể cả con người. Dạng ion thường gây chết cá tức thì, trong khi các hợp chất kim loại có xu hướng tác động bằng cách tích tụ trong mô cơ thể trong thời gian dài. Dạng ion của kim loại nặng tạo ra sự kích thích mang cá làm hủy hoại các lớp mỏng của mang và do đó cá xảy ra ngạt thở. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 10 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 11 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ. 2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình. Xử lý sinh học nước thải thực chất là lợi dụng sự sống và hoạt động của các vi sinh vật để thực hiện các dạng phân hủy khác nhau. Sự phân hủy chất hữu PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 12 cơ thường kèm theo sự thoát khí dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra. Nhiệm vụ của công trình kĩ thuật xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là tạo điều kiện sống và hoạt động tốt nhất cho các vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ được nhanh chóng. 2.2. Quá trình sinh học trong điều kiện kị khí. Quá trình sinh học trong điều kiện kị khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải nhờ các vi khuẩn kị khí trong điều kiện không có oxy. Thông thường phương pháp xử lí này được áp dụng để lên men ổn định cặn và xử lí nước thải công nghiệp có nồng độ BOD, COD hoặc tổng cacbon cao. Hiện nay người ta còn sử dụng phổ biến phương pháp này để xử lí nước thải sinh hoạt, công nghiệp hoặc hỗn hợp nước thải sinh hoạt và công nghiệp có nồng độ BOD cao. Khi nồng độ BOD trong nước thải cao hơn 500mg/l nên áp dụng quy trình 2 bậc. Bậc 1: xử lí kị khí. Bậc 2: xử lí hiếu khí. Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi sinh vật kị khí xảy ra theo 3 bước. - Trước tiên nhóm vi sinh vật tự nhiên có trong nước thải thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và lipit thành các chất hữu cơ đơn giản có trọng lượng riêng nhẹ như: monosaccharit, amino axit để tạo nguồn thức ăn và năng lượng cho vi sinh vật hoạt động. - Sau đó nhóm vi khuẩn tạo men axit ( nhóm axit focmơ) biến đổi các chất hữu cơ đơn giản thành các axit hữu cơ, giai đoạn này gọi là lên men axit. - Cuối cùng nhóm vi khuẩn tạo men metan ( nhóm metan fomic ) chuyển hóa hyđro và các axit được tạo thành ở giai đoạn tạo men axit thành khí metan và cacbonic. Vai trò quan trọng của nhóm vi khuẩn metan fomic là tiêu thụ hyđro và axit axetic. Chúng tăng trưởng rất chậm và quá trình được thực hiện khi khí metan và cacbonic thoát ra. Để cho quá trình sinh học kị khí diễn biến được bình thường cần đảm bảo các điều kiện sau: + Trong nước thải không có oxy hòa tan. + Hàm lượng các kim loại nặng không vượt quá mức quy định. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 13 + Các giá trị pH trong nước thải từ 6,7 – 7,4. + Duy trì độ kiềm khoảng 1000 -1500 mg/l làm dung dịch đệm để ngăn cản pH giảm xuống dưới 6,2. + Nhiệt độ của nước thải từ 270C – 380C. + Có đủ chất dinh dưỡng theo tỉ lệ COD: N: P là 350: 5: 1. 2.3. Sơ lược hệ vi sinh vật trong nước thải. - Phần lớn vi sinh vật xâm nhập vào nước là từ đất, phân, nước tiểu, các nguồn thải từ bụi trong không khí rơi xuống. Số lượng và chủng loại vi sinh vật trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là những chất hữu cơ hòa tan trong nước; hàm lượng N, P; các chất độc; tia tử ngoại; pH môi trường là những yếu tố quyết định đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Nước càng bẩn, càng nhiều chất hữu cơ, nếu thích nghi được thì sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật càng nhanh. - Trong nước có rất nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virut, thực khuẩn thể, nhưng chủ yếu là vi khuẩn. Nói chung trong nước, số vi sinh vật không sinh bào tử chiếm ưu thế (gần 87% ), còn trong bùn số vi sinh vật bào tử lại chiếm ưu thế ( gần 75% ). - Nước sông luôn thay đổi theo dòng chẩy. Vì vậy, hệ vi sinh vật và số lượng vi sinh vật luôn thay đổi. Ơ vùng gần thành phố nước sông có số lượng vi sinh vật lớn, còn ở phía xa thành phố chúng lại giảm số lượng nhanh. Điều này được giải thích, vì ở nước sông ở gần thành phố được nhận một lượng nước thải từ nước sinh hoạt của dân cư, cống rãnh đô thị, rác chứa nhiều cặn bã hữu cơ kèm theo một số lớn vi sinh vật. Dòng sông càng chảy, càng bị pha loãng nên khi xa thành phố lượng chất hữu cơ giảm dần và như thế các chất dinh dưỡng vi sinh vật ngày càng cạn kiệt. Bên cạnh đó vi sinh vật còn bị tiêu diệt bởi ánh sáng mặt trời có tia tử ngoại, vi sinh vật đối kháng, nguyên sinh động vật ăn vi sinh vật, thực khuẩn thể dung giải vi sinh vật. Nước thải đặc biệt là nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng vi sinh vật trong nước thải là rất lớn ( 105- 106 tế bào/ml ). Trong số này chủ yếu là vi khuẩn chúng đóng vai trò phân hủy các chất hữu cơ, cùng với các chất khoáng khác dùng làm vật liệu xây dựng tế bào đồng thời làm sạch nước thải. Ngoài ra còn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 14 các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các bệnh đường ruột như: thương hàn, tả, lị...và các vi rut, thực khuẩn thể. 2.3.1. Vi khuẩn. Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, kích thước rất nhỏ từ 0,3 - 0,5 µm( chỉ nhìn thấy ở kính hiển vi phóng đại 1000 lần). Vi khuẩn có hình cầu, hình que, hình sợi xoắn. Chúng đứng riêng rẽ hoặc xếp thành đôi, thành 4 tế bào hoặc hình thành khối 8 tế bào, xếp thành chuỗi hoặc thành chùm. Vi khuẩn sinh sản bằng cách nhân đôi tế bào. Nếu các điều kiện về chất dinh dưỡng, oxy, pH, và nhiệt độ môi trường thích hợp thì thời gian thế hệ là 15- 30 phút. Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng đầu tiên trong việc phân hủy chất hữu cơ, nó là cơ thể sống đơn bào, có khả năng phát triển và tăng trưởng trong các bông cặn lơ lửng hoặc dính bám vào bề mặt vật cứng. Vi khuẩn có khả năng sinh sản rất nhanh, khi tiếp xúc với chất dinh dưỡng có trong nước thải chúng hấp thụ nhanh thức ăn qua thành tế bào. Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có ảnh hưởng cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 20-400C. Một số loài vi khuẩn trong quá trình xử lí cặn phát triển ở nhiệt độ từ 50- 600C. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 15 2.3.2. Siêu vi khuẩn và thực khuẩn thể (virut và bacteriophage). Siêu vi khuẩn là những sinh vật cực nhỏ( có kích thước vào khoảng 20100nm), chỉ có thể nhìn thấy ở dưới kính hiển vi điện tử. Chúng là tác nhân gây ra nhiều bệnh hiểm nghèo cho con người, động vật và thực vật. Virut không thể sống độc lập mà phải kí sinh vaò tế bào chủ và lúc đó mới thể hiện đặc tính sống của mình. Virut có phần chính ở giữa là một axit nucleic (AND hoặc ARN) thường là ARN. Phần ngoài là vỏ capsule. Nếu virut lớn còn có thêm vỏ ngoài. Vỏ giữ chức năng bảo vệ có cấu tạo bằng một loại protein đặc biệt. Phần axit nucleic bên trong rất quan trọng, nó giữ vai trò di truyền khi vào tế bào chủ, phần này quyết định việc tổng hợp nên các phần tử axit nucleic và vỏ bọc protein mới để phục vụ cho sinh sản. Mỗi virut có một loại tế bào chủ tương ứng. Virut bám vào tế bào chủ rồi xâm nhập vào nội bào, phần axit nucleic được giải phóng ra khỏi vỏ bọc. Khi virut đã ở trong tế bào chất, chúng nhanh chóng vào nhân để bắt đầu sinh sản. Ở đây, vi khuẩn bắt tế bào vật chủ tổng hợp ra các axit nucleic mới theo khuôn axit nucleic virut từ ngoài vào. Các nguồn vật liệu như: axit amin, các nucleotic và nguồn năng lượng của tế bào vật chủ đều phải phục vụ cho nhu cầu của virut. Trong nước thải thường có những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, kèm theo có cả những thực khuẩn thể tương ứng với từng loại vi khuẩn. Có trường hợp các tế bào vi khuẩn chủ đã chết mà trong quá trình phân tích vi sinh vật không phát hiện được nhưng thấy có thực khuẩn thể tương ứng người ta có thể kết luận được sự có mặt của những vi khuẩn này có trong nước thải. 2.3.3. Nấm (fungi). Gồm nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có trong nước thải nhưng ít hơn vi khuẩn. Những nhóm này phát triển mạnh trong vùng nước tù, chúng có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân hủy ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lí nước thải. Các giống nấm thường gặp trong nước thải là: Saprolegia và Leptomus. Giống Leptomus có loài Leptomuslacteus thường gây khó khăn trong việc thải nước. Sống quanh năm ở sông ngoài, nhưng phát triển mạnh vào mùa đông. Điều kiện cần thiết cho phát triển của nó là sự có mặt của các chất hữu cơ có trong nước. Nó phát triển thành khối nhày cùng với vi khuẩn Sphaerotilusnatas trong PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 16 vòng 90- 120 phút và có thể bịt kín hoàn toàn các song lưới chắn rác làm cản trở dòng chảy hoặc bịt kín các màng lọc không cho nước đi qua các phin lọc. 2.3.4. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải. Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là thải công nghiệp qua công đoạn xử lý nhiệt có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống thoát nước qua một thời gian dù rất ngắn cũng đủ cho vi sinh vật thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối ( trừ những nước thải có chất độc, ức chế hoặc diệt vi sinh vật như các loại nước thải có hàm lượng cao các kim loại năng, các chất hữu cơ và vô cơ có độc tính,...). Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có trong nước thải đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thủy sản. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau, mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng, chúng không thể tự tổng hợp các chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng. Trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O hoặc tạo thành các loại khí khác ( CH4, H2S, N2, Indol,...). Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các hợp chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp thụ hay là keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình đồng hóa và dị hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân giải các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng tế bào và trong tế bào để chuyển vào quá trình phân hủy nội bào ( hô hấp hay oxy hóa tiếp ) hay chuyển sang quá trình đồng hóa. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn sau: - Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. - Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 17 - Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này có mối liên quan với nhau rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất gây nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ ô nhiễm thấp hơn vùng ở xa. 2.3.5. Sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải. - Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, số lượng tế bào (sinh sản), phát triển tăng khối lượng quần thể vi sinh vật (tăng sinh khối). Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “phát triển”. Sinh sản cũng là kết quả của sự phát triển. Trong nước thải và quá trình xử lý nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào. Kích thước tế bào dao động xung quanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian phân cắt này thường gọi là thời gian sinh sản hoặc thời gian thế hệ. Thời gian này của vi khuẩn thường là 20 phút có khi vài ngày. Chúng không thể sinh sản vô tận được vì quá trình sinh sản phụ thuộc vào môi trường, khi chất dinh dưỡng trong môi trường cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài các trị số tối ưu thì sinh sản sẽ bị ngừng lại trong nước thải nói chung xét quá trình sinh trưởng không phải riêng một tế bào vi sinh vật riêng biệt mà xét cả một nhóm tế bào hoặc một quần thể vi sinh vật sự sinh trưởng của một quần thể vi sinh vật trong môi trường theo quy luật đường cong sinh trưởng vi sinh vật được trình bày bởi hình sau. Mật độ tế bào X Xf X2 1 X1 X0 2 3 3 4 Đường cong sinh trưởng vi sinh vật. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 T 18 Quá trình sinh trưởng chia làm 5 giai đoạn: 1. Giai đoạn làm quen của pha tiềm phát (pha lag). 2. Giai đoạn sinh sản theo cách phân đôi tế bào (theo cấp số nhân ) hay pha logarit (pha số mũ- pha log). 3. Giai đoạn chậm dần (pha sinh trưởng chậm dần). 4. Giai đoạn ổn định (pha ổn định). 5. Giai đoạn suy giảm (pha suy vong hoặc pha nội sinh). + Giai đoạn làm quen: Vi khuẩn vào môi trường chưa sinh sản ngay mà còn cần một thời gian làm quen với môi trường, cần cảm quan tổng hợp các enzyme thích hợp với cơ chất. X= CTc = X0. Trong đó: X: là mật độ tế bào. X0: là mật độ tế bào ở thời gian t= 0. t: là thời gian. Tốc độ sinh trưởng = 0 → dX = 0. dt + Giai đoạn theo số mũ. Các tế bào vi khuẩn sản sinh theo cách phân đôi tế bào đạt đến mức độ cao nhất theo tỷ lệ tái tạo tế bào với nồng độ cơ chất không hạn chế. Tốc độ sinh trưởng tính theo % là không đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg ( thời gian thế hệ ). Ơ giai đoạn này tốc độ sinh trưởng dX tăng tỷ dt lệ thuận với X ( từ đó có được đường cong hàm số mũ ). Ta có phương trình sau: dX = µm x X dt ( với µm là tốc độ sinh trưởng cực đại ) hoặc log X2 = µm( t2 – t1). X1 Thời gian sinh trưởng tg được xác định. X2 = 2X1 → tg = log 2 0,693 = . µm µm PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 19 + Giai đoạn chậm dần: Trong giai đoạn này cơ chất dinh dưỡng trong môi trường đã cạn kiệt gần hết cùng với sự biến mất một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn. Trong một số trường hợp phát triển chậm dần là do trong môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hóa chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng nhưng dX lại giảm. dt + Giai đoạn ổn định: X ( mật độ tế bào ) đạt tới trị số cực đại Xmax. Sự sinh trưởng dừng lại ngay cả khi các tế bào vẫn còn hoạt động chuyển hóa nào đó. + Giai đoạn suy vong hay hô hấp nội bào: Ơ giai đoạn này các chất dinh dưỡng đã hết. Mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết và tỷ lệ chết cứ tăng dần lên. Tế bào vi khuẩn bị phân hủy nội sinh hoặc hô hấp nội bào và bị tự phân. 2.4. Các phương pháp kị khí. 2.4.1. Các quá trình phân hủy kỵ khí. Các phương pháp lên men yếm khí dựa trên sự chuyển hóa vật chất hữu cơ trong điều kiện không có ôxy nhờ rất nhiều loài vi sinh vật yếm khí tồn tải trong nước thải. Sản phẩm của quá trình chuyển hóa vật chất trong điều kiện yếm khí như: CH4, CO2, N2, H2S, NH3 trong đó CH4 thường chiếm nhiều nhất. Ơ điều kiện lên men yếm khí chuẩn CH4 có thể đạt từ 65% - 75% tổng số khí tạo thành. Phân huỷ kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình: 1. Thuỷ phân polymer. - Thuỷ phân các protein. - Thuỷ phân polysaccharide. - Thuỷ phân chất béo. 2. Lên men các amino và đường. 3. Phân huỷ kỵ khí các axit béo mạch dài và rượu. 4. Phân huỷ kỵ khí các axit béo dễ bay hơi ( trừ axit axetic ). 5. Hình thành khí metan từ axit axetic. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 20 6. Hình thành khí metan từ hydro và CO2. 6 quá trình này thường phân chia 4 giai đoạn. Thuỷ phân: trong giai đoạn này dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các chất phức tạp và chất không tan như: polysaccharide, proteins, lipids chuyển hoá thành các chất đơn giản hơn hoặc chất hoà tan như: đường, các amino axit, axit béo. Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân huỷ của cơ chất, chất béo thuỷ phân rất chậm. Axít hoá: trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hoá các chất hoà tan thành các chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi, alcohols, axit lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống 4. Axetic hoá: vi khuẩn axetic chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn axit hoá thành axetate, H2, CO2 và sinh khối mới. Methan hoá: đây là giai đoạn cuối của quá trình thuỷ phân kỵ khí. Axit axetic, H2, CO2, axit formic và methanol chuyển hoá thành methane, CO2 và sinh khối mới. Trong 3 giai đoạn: thuỷ phân, axit hoá, axetic hoá, COD trong dung dịch hầu như không giảm mà COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hoá. Ngược với quá trình hiếu khí, trong xử lý nước thải bằng phân huỷ kỵ khí, tải trọng tối đa không bị hạn chế bởi chất phản ứng như oxy. Nhưng trong công nghệ xử lý kỵ khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng. - Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt. - Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn. Khi đáp ứng 2 yếu tố trên, quá trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải trọng cao, có thể tóm tắt trên sơ đồ. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com