Tài liệu Xử lý nước thải công nghiệp kênh tham lương thành phố hồ chí minh bằng biện pháp sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN VĂN PHIÊN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP KÊNH THAM LƯƠNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BẰNG BIỆN PHÁP SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2006 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn 3 LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Văn Tuyên, người hướng dẫn khoa học trực tiếp đã tận tâm, nhiệt thành đóng góp nhiều ý kiến quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn : Nghiên cứu viên chính Phạm Văn Miên, TS. Phan Văn Minh vì những ý kiến đóng góp hết sức thiết thực cho luận văn. Tập thể lãnh đạo, Ban chủ nhiệm khoa, các thầy cô và cán bộ phòng thí nghiệm Tổ Di truyền - Thực vật Khoa Sinh Học, Phòng Khoa học Công nghệ - Sau đại học trường Đại Học Sư Phạm Tp. Hồ Chỉ Minh Trung tâm chất lượng nước và Môi trường - Viện khảo sát, Quy hoạch thủy lợi Nam Bộ. Phòng kiểm nghiệm Hóa -Lý - Vi sinh, Viện Pasteur Tp. Hồ Chí Minh. Ban Quản lý dự án –Sở NN& PTNT Tp. Hồ Chí Minh. Phòng Quản lý dự án - Sở Tài nguyên và Môi trường Tp. Hồ Chí Minh. Phòng Khoa học - Sở Khoa học và Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh. Tác giả luận văn. 4 TÓM TẮT Đề tài: "Xử lý nước thải công nghiệp kênh Tham Lương bằng biện pháp sinh học", được thực hiện nhằm thăm dò khả năng XLNT-KTL bằng tảo và các sinh vật có trên địa bàn Tp. Hồ Chí Minh. Đồng thời đánh giá được chất lượng nước KTL trước và sau xử lý. Chứng minh có thể kết hợp nuôi thủy sản trong hệ xử lý đem lại hiệu quả kinh tế cao. Thí nghiệm gồm một nghiệm thức và có quy trình như sau: Giai đoạn nuôi thử nghiệm tảo XLNT ở các nồng độ: 30%, 50%, 70%, 100% với các NG khác nhau nhằm thăm dò khả năng xử lý của tảo đối với NTCN - KTL, đồng thời xác định NG tảo tốt nhất và NĐNT tối ưu để xử lý. Giai đoạn nuôi tảo XLNT bằng NĐNT tối ưu 30% và nguồn giống tảo tốt nhất. Các thí nghiệm được lặp lại 3 lần trong cả 2 mùa. Thí nghiệm nuôi tảo XLNT trong điều kiện sử dụng ánh sáng, nhiệt độ ngoài trời, cho nhiễm khuẩn tự do, không dùng hóa chất diệt khuẩn. Kết quả thu được sau QTXL (từ 7 đến 9 ngày) như sau: Số loài tảo ở các thủy vực Tp. Hồ Chí Minh (qua điều tra cơ bản) là 526 loài, trong đó Euglenophyta 98 loài (18,7%); Chlorophyta 180 loài (34,.22°/o), Cyanophyta 114 loài (21,64%), Bacillariophyta 113 loài (21,41%) và tảo khác 21 loài (4,03%). Tảo tham gia XLNT-KTL là 321 loài, với cơ cấu thành phần: Euglenophyta 49 loài (15,3%) Chlorophyta 121 loài (37,.7%), Cyanophyta 75 loài (23,4%), Bacillariophyta 72 loài (22,4%) và tảo khác 4 loài (1,2%). Động vật tham gia XLNT, đã xác định được 19 loài thuộc Giáp xác và Nguyên sinh động vật. Chất lượng NTKTL từ loại rất bẩn 6/6 (Polysaprobe2) trở thành nước bẩn vừa loại 34/6 (Mesosaprobe), đạt tiêu chuẩn quốc tế và TCVN 5945-1995 thải ra môi trường. HQXL trung bình BOD = 83,3%; COD = 90%; TSS = 74,3%; Đạm ammonia (N) = 58%; P tổng số 88,7%; Pb = 48,2%; Cd = 37,5%; As = 41%; Hg: KPH; E.coli = 100%. Không có sự khác biệt về HQXL giữa 2 mùa trong năm. Từ kết quả thu được, nhận thấy điều kiện tự nhiên ở Tp. Hồ Chí Minh có thể XLNTKTL quanh năm và tận dụng được đầu ra cho nuôi trồng thúy sản và canh tác nông nghiệp. 5 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 3 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 4 TÓM TẮT .................................................................................................................... 5 MỤC LỤC .................................................................................................................... 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 9 MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 10 1. Đặt vấn đề .....................................................................................................................10 2. Mục đích nghiên cứu ....................................................................................................10 3. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................................11 4. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................................11 5. Ý nghĩa khoa học ..........................................................................................................11 6. Ý nghĩa thực tiễn ..........................................................................................................12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 13 1.1. Nước thải đô thị và các đặc tính cơ bản ..................................................................13 1.1.1. Thành phần của nước thải đô thị ..........................................................................13 1.1.2. Các thông số môi trường cơ bản ..........................................................................19 1.2. Hiện trạng nước thải đô thị Tp. Hồ Chí Minh và kênh tham lương ....................29 1.2.1. Nước thải đô thị TP. Hồ Chí Minh [20], [27] ......................................................29 1.2.2. Nước thải đô thị kênh Tham Lương [22] .............................................................29 1.3. Một số công nghệ XLNT đô thị [19], [27], [36] .......................................................30 1.3.1. Sự cần thiết của việc XLNT .................................................................................30 1.3.2. Xử lý bằng phương pháp sinh học .......................................................................30 1.3.3. Xử lý bằng phương pháp vật lý, hóa học .............................................................31 1.4. Hồ sinh học dùng tảo XLNT ....................................................................................32 1.4.1. Khái niệm về hồ sinh học dùng tảo XLNT ..........................................................32 1.4.2. Các loại hồ xử lý dùng tảo và chức năng của chúng ............................................34 1.4.3. Vài nét về hình thành và phát triển ......................................................................35 1.4.4. Ưu điểm của hồ dùng tảo XLNT..........................................................................36 1.5. XLNT công nghiệp bằng hồ dùng tảo .....................................................................37 1.5.1. Vai trò của tảo và các sinh vật [29], [36] .............................................................37 1.5.2.Sự loại bỏ các chất hữu cơ [19], [27] ....................................................................40 1.5.3. Sự loại bỏ các chất nitơ, phospho.........................................................................41 6 1.5.4. Sự loại bỏ các kim loại nặng ................................................................................42 1.5.5. Sự loại bỏ tác nhân gây bệnh ...............................................................................43 1. 6. Yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình XLNT ............................................45 1.6.1. Yếu tố tự nhiên [27], [34].....................................................................................45 1.6.2. Yếu tố sinh học .....................................................................................................46 1.6.3.Yếu tố hóa học.......................................................................................................46 1.7. XLNT đô thị để tái sử dụng cho các hoạt động nông nghiệp ................................47 1.7.1. Nguyên lý .............................................................................................................47 1.7.2. Sử dụng trong nuôi trồng thủy sản .......................................................................47 1.7.3. Sử dụng trong canh tác nông nghiệp ....................................................................48 1.7.4. Sản xuất sinh khối tảo ..........................................................................................48 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XLNT KÊNH THAM LƯƠNG BẰNG HỒ XỬ LÝ DÙNG TẢO ................................................................................................................ 50 2.1. Thời gian nghiên cứu ..............................................................................................50 2.2. Địa điểm nghiên cứu ...............................................................................................50 2.2.1. Địa điểm lấy mẫu nước thải KTL ........................................................................50 2.2.2. Địa điểm thu mẫu các nguồn giống tảo ................................................................51 2.2.3. Nơi tiến hành các thí nghiệm ...............................................................................51 2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................51 2.4. Vật liệu và phương tiện hỗ trợ nghiên cứu .............................................................53 2.4.1. Vật liệu nghiên cứu ..............................................................................................53 2.4.2. Phương tiện hỗ trợ nghiên cứu .............................................................................53 2.5. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................54 2.5.1. Bố trí thí nghiệm ..................................................................................................54 2.5.2. Phương pháp thu mẫu nước thải và nuôi cấy tảo .................................................55 2.5.3. Phương pháp phân tích mẫu .................................................................................56 2.6. Xử lý số liệu, phân tích, đánh giá két quả ...............................................................57 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................ 61 3.1. Kết quả nghiên cứu điều tra cơ bản ........................................................................61 3.1.1. Thể loại hóa học cơ bản nước thải KTL ..............................................................61 3.1.2. Đặc điểm tự nhiên và mức độ ô nhiễm KTL ......................................................62 3.1.3. Đa dạng sinh học tảo ở các thủy vực TP. Hồ Chí Minh ......................................63 3.2. Thành phần và tính chất nguồn nước thải khu vực nghiên cứu...........................64 3.3. Xác định nồng độ tối ưu để xử lý .............................................................................67 7 3.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về các chỉ số thủy lý, hóa nước thải kênh tham lương ..................................................................................................................................70 3.4.1. Sự biến động của pH ............................................................................................70 3.4.2. Sự biến động của oxy hòa tan (DO) .....................................................................75 3.4.3. Sự biến động của Ec .............................................................................................81 3.4.4. Sự biến động của BOD và COD ..........................................................................86 3.4.5. Hiệu quả xử lý TSS theo mùa ..............................................................................86 3.4.6. Hiệu quả xử lý BOD theo mùa .............................................................................87 3.4.7. Hiệu qua xử lý COD theo mùa .............................................................................88 3.4.8. Hiệu quả xử lý đạm ammonia (N) theo mùa ........................................................89 3.4.9. Hiệu quả xử lý P tổng số theo mùa ......................................................................90 3.4.10. HQXL các kim loại nặng nước thải KTL ..........................................................92 3.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sinh vật trong xlnt - kênh tham lương .......93 3.5.1 Kết quả nghiên cứu về vi sinh vật .........................................................................93 3.5.2. Kết quả nghiên cứu về tảo ....................................................................................94 3.5.3. Kết quả nghiên cứu về động vật .........................................................................105 3.5.4. Kết quả nghiên cứu về diễn thế sinh thái ...........................................................106 3.6. Chất lượng nước thải kênh tham lương sau xử lý ...............................................107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 111 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 115 PHỤ LỤC 1 .....................................................................................................................115 PHỤ LỤC 2 .....................................................................................................................133 PHỤ LỤC 3 .....................................................................................................................172 8 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 9 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Nước thải đô thị ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, sự phát triển kinh tế xã hội và cảnh quan đô thị. Quản lý nước thải đô thị vì thế đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu của nhiều Quốc gia. Thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh với dân số đông nhất toàn quốc, tốc độ đô thị hóa nhanh và tập trung nhiều cơ sở sản xuất công nghiệp nên mức độ ô nhiễm nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt đang ở mức báo động. Tiêu biểu cho sự ô nhiễm ấy là nước thải công nghiệp ở kênh Tham Lương. Do đó, đã đến lúc phải cần có những giải pháp hữu hiệu để XLNT đô thị, trong đó có nước thải tại kênh Tham Lương. Tuy nhiên, các công nghệ XLNT truyền thống có mức chi phí khá cao, không phù hợp với khả năng nền kinh tế. Vì vậy, việc tìm đến một quy trình công nghệ XLNT có chi phí thấp, đơn giản, dễ thực hiện nhưng vẫn đạt HQXL cao, đảm bảo bền vững môi trường đang được nhiều người, đặc biệt là giới khoa học dành sự quan tâm. Sự chuyển hướng XLNT công nghiệp từ biện pháp truyền thống sang công nghệ sinh thái (eco - tech) chính là một trong những chọn lựa nhằm thực hiện mục đích nói trên. Cơ chế hoạt động của công nghệ XLNT công nghiệp trên đây trong phạm vi đề tài dựa trên nguyên tắc chuỗi thức ăn sinh thái (eocological food chains) với những khả năng đặc biệt của tảo. Thành Phố Hồ Chí Minh là nơi có những điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu đề tài. Với sự đa dạng sinh học tảo, có diện tích đất hoang hóa vùng ngoại thành khá lớn, khí hậu nhiệt đới... do đó, hy vọng rằng kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở quan trọng cho việc áp dụng XLNT công nghiệp nói chung và kênh Tham Lương nói riêng ở quy mô thực tiễn, góp phần khắc phục ô nhiễm, tận dụng nguồn nước sau xử lý vào nuôi trồng thủy sản cũng như canh tác nông nghiệp. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu tổng quát của đề tài này là thăm dò khả năng XLNT kênh Tham Lương bằng biện pháp dùng tảo (có trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh) chứng minh có thể kết hợp nuôi thủy 10 sản và tái sử dụng nguồn thải cho các hoạt động nông nghiệp. Những mục tiêu cụ thể của đề tài: - Đánh giá mức độ ô nhiễm của kênh Tham Lương thông qua các thông số môi trường thủy lý, hóa, sinh như nhiệt độ; pH; DO; TSS; BOD 5 ; COD, Ammonia, tổng phospho, một số kim loại nặng và vi sinh vật (E. coli). - Thăm dò tiềm năng sinh học (chủ yếu là các loài tảo) có trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh và khả năng tham gia xử lý của chúng đối với nước thải kênh Tham Lương. - Đánh giá chất lượng nước thải kênh Tham Lương trước và sau xử lý thông qua các thông số về môi trường thủy lý, hóa, sinh. - Chứng minh nước kênh Tham Lương sau xử lý có thể nuôi trồng thủy sản và tái sử dụng cho các hoạt động nông nghiệp. 3. Đối tượng nghiên cứu - Các loài tảo có trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh. - Hệ sinh thái nước thải kênh Tham Lương. - Hệ sinh thái bao gồm nước thải kênh Tham Lương và các loài tảo cùng các sinh vật được cấy vào. 4. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm - Do hạn chế về thời gian và kinh phí nên đề tài này chỉ nghiên cứu, khảo sát đoạn bẩn nhất trên kênh Tham Lương: từ cầu Bưng đến cầu Bến Phân (dài 9km), với 3 địa điểm lấy mẫu nước thải là: cầu Bưng, cầu Tham Lương và cầu Bến Phân [22]. - Không nghiên cứu chất lượng bùn đáy, chỉ nghiên cứu chất lượng nước của kênh Tham Lương thông qua một số thông số môi trường cơ bản thủy lý, hóa, sinh. 5. Ý nghĩa khoa học - Hoạt động của hệ xử lý nước thải dùng tảo dựa trên nguyên tắc chuỗi thức ăn sinh thái. Do đó, muốn hệ hoạt động có hiệu quả cao cần nghiên cứu kỹ vê cả hệ sinh thái, không nghiên cứu từng sinh vật của quân xã trong QTXL. 11 - Dùng tảo để XLNT là nghiên cứu mang tính ứng dụng những hiểu biết về hệ sinh thái. Do đó, trong quá trình XLNT việc tác động để điều chỉnh hệ là tác động ở bậc quần xã, không tác động ở bậc quần thể của hệ xử lý. 6. Ý nghĩa thực tiễn - Dùng tảo để XLNT là công nghệ có chi phí thấp cho xây dựng và vận hành nên có hiệu quả cao về mặt kinh tế, có tính khả thi cao trong điều kiện Việt Nam, đặc biệt là TP. Hồ Chí Minh. - XLNT bằng tảo tại TP. Hồ Chí Minh có thể tiến hành được bất kỳ lúc nào trong năm do điều kiện thiên nhiên ưu đãi (ánh sáng, nhiệt độ...) cùng với nguồn giống tảo có ngay tại địa phương nên XLNT bằng công nghệ này rất đơn giản và dễ thực hiện. - XLNT bằng tảo chỉ hoàn toàn sử dụng tài nguyên sinh học có sẵn trong thiên nhiên và đấu tranh sinh học để thực hiện, không dùng bất kỳ hóa chất nào tác động vào hệ nên đảm bảo an toàn tuyệt đối về mặt môi trường. - Nếu kết hợp được XLNT với nuôi trồng thủy sản thì đây là giải pháp tốt vừa giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường vừa đem lại nguồn thu nhập đáng kể. 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Nước thải đô thị và các đặc tính cơ bản 1.1.1. Thành phần của nước thải đô thị Tính gần đúng, nước thải đô thị thường gồm khoảng 50% là NTSH, 36% là NTCN và 14% là các loại nước thấm. Lưu lượng nước đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố. Khoảng 65% - 85% lượng nước cung cấp cho một người trở thành nước thải. Lưu lượng và hàm lượng chất thải của nước thải đô thị thường dao động trong phạm vi rất lớn. Lưu lượng và tính chất nước thải đô thị còn thay đổi theo mùa, giữa ngày làm việc và ngày nghỉ trong tuần [16]. 1.1.1.1. Nước thải sinh hoạt Nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí... chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt, vệ sinh của con người được gọi chung là NTSH, nước thải từ khu dân cư hoặc nước thải vệ sinh [32]. Theo Lương Đức Phẩm (2002) [19]: Đặc điểm của NTSH là trong đó có hàm lượng lớn các chất hữu cơ dễ bị phân hủy (hidratcacbon, protein, chất béo), các chất vô cơ dinh dưỡng (phosphat, nitơ) cùng với vi khuẩn (có thể cả vi sinh vật gây bệnh), trứng giun, sán... Đặc trưng của NTSH là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chát hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật. Phần lớn vi sinh vật trong nước thải ở dạng các vi rút và vi khuẩn gây bệnh tả, lị, thương hàn... Đồng thời trong nước cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy chất thải [16]. Theo phân loại của Canada, tùy theo nồng độ của các chất gây ô nhiễm, nước thải sinh hoạt được chia làm 3 loại: loại mạnh, loại trung bình và loại yếu. (Bảng 1.1). Bảng 1.1. Thành phần đặc trưng của các loại nước thải sinh hoạt Chất ô nhiễm Chất rắn lơ lững Loại mạnh 350 13 Nồng độ (mg/1) Loại trung bình 250 Loại yếu 100 BOD 5 COD Tông nitơ (theo N) Ammonia (theo N) Tổng phospho (theo P) 300 1.000 85 50 20 200 500 40 25 10 100 250 20 12 6 Nguồn [32]. NTSH có hàm lượng chất dinh dưỡng khá cao, có khi vượt quá yêu cầu cho các QTXL sinh học. Thông thường các QTXL sinh học cần các chất dinh dưỡng theo tỉ lệ sau: BOD 5 :N:P = 100:5:1 (nghĩa là 100mg/l BOD 5 ; 5mg/l N và lmg/1 P). Một tính chất đặc trưng nữa của NTSH là không phải tất cả các chất hữu cơ đều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20 - 40% BOD thoát ra khỏi QTXL sinh học cùng với bùn [16], [26]. NTSH sau khi xử lý còn dư thừa N và p tạo điều kiện cho sự phát triển của vi sinh vật và rong tảo, do đó việc xử lý tiếp tục N và P (xử lý bậc 3) trước khi đổ ra sông, hồ là cần thiết [32]. Đây là một điều kiện thích hợp cho việc tái sử dụng các muối dinh dưỡng vào việc tưới tiêu và nuôi trồng thủy sản, đem lại một nguồn thu nhập đáng kể. Dựa vào đặc điểm dễ phân hủy do vi sinh vật có trong nước, ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm: các chất hữu cơ dễ bị phân hủy và các chất hữu cơ khó bị phân hủy. • Các chất hữu cơ khó bị phân hủy: Thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm (hidrocacbua của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất Clo hữu cơ, phospho hữu cơ... Trong số này có nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp. Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người. Chúng tồn lưu lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống [19]. • Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều ở NTSH thành phố. Protein (40 - 60%); hidratcacbon (25 -50%); chất béo (10%). Theo TS Nguyễn Văn Tuyên [28], [29], [32], sự biến đổi thành phần của NTSH thành phố có thể tóm tắt như sau: Nhóm Protein: Gồm những chất cao phân tử (15.000 - 18.000), nhờ enzym proteaza do vi khuẩn tiết ra những chất này bị thủy phân tạo ra các monoacid và các amit. Lúc đầu là những chất phức tạp, sau đó đến alanin (được vi sinh vật hấp thụ dễ). Sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy protein là nitơ khoáng ở dạng ion ammonia. 14 Những chất mùn, bã (khá bền vững) khi phân giải cho ra những chất mono, diamino acid và các amit. Những chất do vi sinh vật thải ra môi trường đáng chú ý hơn cả là những hợp chất bị khử như NH 3 , H 2 S, sunfit hữu cơ trong đó có mercaptan gây mùi thối. Trong nước tiểu người có khoảng 2,4% Urê, 0,04% acid uric C 5 H 4 N 4 O 3 , 0,1 % acid hipuric C 9 H 9 NO 3 . Urê bị phân hủy nhờ ureaza do các urea-bacteria tiết ra: CO(NH 2 ) + H 2 0 = C0 2 + 2NH3. Acid uric: C 5 H 4 N 4 O 3 + 8 H 2 0 + 0 2 = 4NH 4 HCO 3 + C0 2 Acid hipuric: C 9 H 9 NO 3 + H 2 0 = C 7 H 6 0 2 + CH 2 NH 2 COOH acid benzoic glycocol 4CH 2 NH 2 COOH + 2H 2 0 = 3CH 4 + 5C0 2 + 4 NH 3 Trong điều kiện có không khí những chất chứa nitơ biến đổi tiếp tục đến nitrit rồi nitrate: 2NH 3 + 30 2 = 2HNO 2 + 2 H 2 0 + 178 cal (Nhờ Nitrosomonas) 2HN0 2 + 0 2 = 2HNO 3 + 43,2 cal (Nhờ Nitrobacter) Ý nghĩa của quá trình này là làm thiếu O2 trong thủy vực (X.M. Drachev, 1964)[29,trl9] Nhóm Hidratcacbon: Nhóm này được vi sinh vật sử dụng. Quá trình phân giải xảy ra nhanh nhất đối với các đường đơn. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O + 674 cal Trong điều kiện yếm khí thì: C 6 H 12 O 6 = 3CH 3 COOH + 34 cal (acid acetic) CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 Đầu nguồn nước thải vi sinh vật hiếu khí nhiều, cuối nguồn ít. (C 6 H 10 O 5 ) 1 .200 tinh bột (C 6 H 10 O 5 ) 2.000 cellulose saccarose (C 12 H 22 O 11 ) mantose C 12 H 22 O 11 + O 2 = C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 15 glucose fructose Sau đó các đường đơn chuyển thành rượu, ví dụ như C 4 H 9 OH. (CH3CH2CH2CH2OH) + H 2 0 = 3CH 4 + C0 2 Nhóm Lipid: Lipid phân hủy thành glixerin và các acid béo C 3 H 5 (C 17 H 35 COOH) 3 + 3H 2 O = C 3 H 5 (OH) 3 + 3C 17 H 35 COOH (tristearin) (glixerin) (acid stearic) C 17 H 35 COOH + 8H 2 O → 13CH 4 + 5CO 2 Những acid béo này biến đổi tiếp tục thành những acid đơn giản hơn, một số trong chúng có mùi ôi như acid valeric: (CH 3 ) 2 CH 2 CH 2 CH 2 COOH. Thực vật và động vật chết cũng biến thành chất mùn nước và CO 2 . Chất mùn nước đó là sản phẩm ngưng tụ của các hợp chất thơm phenol, sản phẩm phân hủy protein và polisaccarid. Chất mùn bền vững lắng đọng xuống đáy hồ, sau một thời gian phân hủy yếm khí tạo thành các acid béo. Những acid béo phân hủy tiếp cho CH 4 và CO 2 . Những chất hữu cơ chứa phosphor (như protein) bị thối rữa tạo ra acid photphoric, acid này kết hợp với Ca, Mg, Fe, Al để thành lập các hợp chất khó hòa tan là đi, tri, tetra phosphat. Những chất này nhờ vi khuẩn cấu tạo acid chuyển thành monophosphat được thực vật hấp thụ. Như vậy: những quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải là những quá trình hóa học và sinh hóa phức tạp xảy ra do sự thay đổi hóa trị của những nguyên tố tham gia phản ứng. Nghĩa là nó thuộc các phản ứng oxy hóa - khử (XM Drachev, 1964) [29, tr21]. Trong thiên nhiên, quá trình tự lọc sạch oxy là nguyên tố thu nhận điện tử từ những chất nó oxy hóa. Oxy hòa tan thiếu hay là chỉ có với một lượng ít trong các sản phẩm khử được dẫn ra ở môt hình sau: 16 Sự phân hủy các chất hữu cơ bằng con đường sinh hóa ở điều kiện hiếu khí chính là quá trình hô hấp của các vi sinh vật. Glucose C 6 H 12 0 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 0 + 674 cal Rượu C 2 H 5 OH + 0 2 = C 2 H 4 O 2 + H 2 0 + 116,2 cal Amoniac 2NH 3 + 40 2 = 2HNO 3 + 2H 2 0 + 158 cal Metan CH 4 + 20 2 = C0 2 + 2H 2 0 + 220 cal Tất cả các quá trình cuối cùng đều dẫn đến sự oxy hóa sinh học nằm trong hệ thống các phản ứng oxy hóa khử, trong đó những hợp chất hữu cơ khác mất điện tử, nguyên tố thu nạp điện tử là oxy. Nghiên cứu xử lý nước thải chính là nghiên cứu các con đường oxy hóa các chất hữu cơ có liên quan đến việc giải quyết một loạt những nhiệm vụ thực tiễn trong sản xuất đề ra. (X.M. Drachev, 1964) [32]. 1.1.1.2. Nước thải công nghiệp Nước thải sản xuất hay nước thải công nghiệp là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải gọi chung là NTCN [19], [32]. NTCN không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào từng ngành sản xuất, quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm. Là nước thải của một nhà máy hay khu công nghiệp tập trung với các loại hình sản xuất rất khác nhau, vì vậy trong NTCN rất đa dạng, rất nhiều chủng loại hợp chất khác nhau và độ độc hại gây ô nhiễm môi trường cũng rất khác nhau [19], [26]. Ở NTCN, ngoài việc chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ như protein, các dạng cacbonhydrat, dầu mỡ (từ các công nghệ chế biến thực phẩm), hemuxenluloza, lignin (công nghiệp sản xuất giấy) còn có các hợp chất hóa học khó phân hủy như các hợp chất vòng thơm có nitơ, các alkyl benzensulfonate (công nghiệp sản xuất bột giặt), các loại dung môi, các kim loại nặng như Pb, Hg, As... sulfua, các acid vô cơ... với nồng độ cao (từ các nhà máy xi mạ, làm acquy) [19], [26], [32]. Lưu lượng NTCN dao động phụ thuộc vào quy mô, tính chất sản phẩm, quy trình công nghệ của từng nhà máy. Nhìn chung NTCN so với NTSH có các chỉ số BOD (nhu cầu oxy 17 sinh hóa) và COD (nhu cầu oxy hóa học) cao hơn rất nhiều. NTCN có độ ô nhiễm cao hơn so với NTSH [12], [19]. Các chất thải công nghiệp tiêu biểu có độ độc cao, nguy hiểm đến tính mạng và sức khỏe của con người như [28]: - Chất thải từ các ngành công nghiệp hóa chất: (CH 3 )Hg (chất đặc biệt độc) có thể gây tử vong cho con người. TEP công thức (C 2 H5) 4 Pb: gây bệnh thần kinh, thiếu máu, mù lòa. - Các chất tẩy rửa: (Detergents): rất bền vững, làm giảm nhanh O 2 hòa tan trong nước. Là chất thải của công nghiệp hóa chất được đặc biệt chú ý vì tác hại của nó. Các chất hữu cơ có nguồn gốc công nghiệp từ các nhà máy nhuộm, dệt, thuộc da, giấy, mực... nhìn chung đều rất độc. Chúng chứa các nhóm đặc trưng rất độc sau Nitro-NO 2 ; Azo-N-N; Cacbonyl-CO. - Chất thải từ công nghiệp sản xuất giấy và xenlulozơ: Lượng oxy cần để oxy hóa loại chất thải này là lớn nhất. Ví dụ: NaHS, H 2 S, C 6 H 5 OH, C 6 H 5 SH... - Cyanid: là một trong những chất cực kỳ độc hại, gây chết cho động vật thủy sinh (ví dụ: CH 3 NCO gọi tắt là MI (Methyl Isocyanat). - Các chất phụ gia công nghiệp, phụ gia thực phẩm. Ví dụ: Crom (Cr); Cobar (Co); Asen (As); Cadimi (Cd)... 1.1.1.3. Nước chảy tràn và nước ngầm thấm Nước chảy tràn trên mặt đất do mưa hoặc do thoát nước từ tưới tiêu đồng ruộng là nguồn nước gây ô nhiễm nước sông, hồ... Nước rửa trôi qua đồng ruộng có thể kéo theo thuốc bảo vệ thực vật, phân bón (kể cả phân hữu cơ và phân hóa học). Nước rửa trôi qua khu dân cư đường phố, cơ sở sản xuất công nghiệp có thể làm ô nhiễm nguồn nước do chất dầu mỡ, hóa chất, chất rắn, vi sinh vật gây bệnh... [19], [32] Ở những nơi có mạng lưới thoát nước đặt thấp hơn mực nước ngầm mạch nông, luôn luôn có một lượng nước ngầm thâm nhập vào hệ thống cống qua các thành hố ga, qua các chỗ ống nối... [ 12] 18 1.1.2. Các thông số môi trường cơ bản 1.1.2.1. Oxy hòa tan (DO - Dissolved Oxygen) [27] Hàm lượng oxy hòa tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước, vì oxy không thể thiếu đối với tất cả các cơ thể sống. Oxy tự do hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật thủy sinh (cá, lưỡng cư, thủy sinh, côn trùng...). Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Do đó, oxy là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của thủy vực. Khi thải các chất sử dụng oxy vào nguồn nước, quá trình oxy hóa chúng sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan, thậm chí đe dọa sự sống của sinh vật thủy sinh [l1], [16]. Trong QTXLNT hiếu khí luôn phải giữ nồng độ oxy hòa tan trong nước thải từ nước thải 1,5 - 2,0 mg/1 để quá trình oxy hóa diễn ra theo ý muốn và để hỗn hợp không rơi vào tình trạng yếm khí [12]. Oxy hòa tan trong nước được tạo ra do sự hòa tan oxy từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan trong nước. - Quá trình quang hợp và hô hấp của thực vật: đây là các yếu tố chính ảnh hưởng đến hàm lượng oxy hòa tan trong nước. - Oxy mất đi do oxy hóa học thuần túy các chất hữu cơ hòa tan trong nước. - Hô hấp của sinh vật: như cá, các động vật thủy sinh. - Tiêu thụ oxy của bùn đáy: oxy được dùng trong các phản ứng oxy hóa (các chất khử như sắt, mangan, sulfide) và hô hấp của vi sinh vật sống trong bùn. Ví dụ: 1 Mn2+ + O 2 + H 2 O = MnO 2 + 2H+ 2 1 2Fe2+ + O 2 + 2H 2 O = Fe 2 O 3 + 4H+ 2 HS-+2O 2 =SO2- 4 + H+ - Sự trao đổi oxy giữa nước và không khí: do gió. Trong điều kiện bình thường của các thủy vực, quá trình quang hợp của các phiêu sinh thực vật là nguồn cung cấp oxy lớn nhất 19 và hô hấp là nguồn tiêu thụ lớn nhất, từ đó dẫn đến sự thay đổi về hàm lượng oxy hòa tan giữa ngày và đêm. Theo các mô hình tính toán và thí nghiệm thực tế, sức sản xuất oxy thuần của phiêu sinh vật đạt tối đa ở mức năng xuất tĩnh trung bình, tương đương với hàm lượng chlorophyll a khoảng từ 50 - 250µg/l. Ở mức năng suất tĩnh, tỷ lệ quang hợp trên đơn vị sinh khối có thể cao do nguồn dinh dưỡng và ánh sáng đủ và không giới hạn về tỷ lệ, nhưng sức sản xuất oxy tổng tương đối thấp so năng suất tĩnh thấp. Khi năng xuất tĩnh tăng (hàm lượng chlorophylla khoảng 300 - 600 µg/1), tảo làm tăng độ đục, làm giới hạn ánh sáng cần cho quang hợp (và kể cả cạnh tranh về dinh dưỡng và các yếu tố khác), do đó sức sản xuất oxy cũng thấp [27] (nguồn Boyd, 1998). 1.1 2.2. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD - Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là lượng oxy mà vi sinh vật cần dùng để oxy hóa các hợp chất hữu Chất hữu cơ + O 2 cơ Vi khuẩn có trong nước theo phản ứng: CO 2 + H 2 O + tế bào mới + sản phẩm trung gian [l1]. Trong nước, khi xảy ra quá trình oxy hóa sinh học thì các vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan. Do đó, việc xác định tổng lượng oxy hòa tan cần thiết cho quá trình phân hủy sinh học là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ. BOD biểu thị lượng chất hữu cơ trong nước có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật. Xác định BOD được dùng rộng rãi trong kỹ thuật môi trường để: - Tính gần đúng lượng oxy cần thiết oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải. - Làm cơ sở tính toán kích thước các công trình xử lý. - Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình. - Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lý được phép thải vào các nguồn nước. BOD còn là thông số cơ bản để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước: giá trị BOD càng lớn tức là mức độ ô nhiễm chất hữu cơ càng cao [19]. 20