Tài liệu Ngăn chặn sự ô nhiễm bằng than hoạt tính

Lời cám ơn Trước khi đi vào nội dung luận văn em xin chân thành cảm ơn đến: Thầy Nguyễn Phước Dân đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành luận văn này. Cô Nguyễn Thị Thanh Phượng đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình vận hành mô hình thí nghiệm. Cùng toàn thể thầy cô khoa môi trường đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức và những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bố mẹ em đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn tốt này. Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện luận văn này, em kính mong quý thầy cô chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hoàn thiện hơn vốn kiến của mình và có thể tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức có được. i Lời mở đầu Môi trường là một trong những vấn đề mà hiện nay hầu hết ai cũng quan tâm, vấn đề không những tự nó phát sinh mà nguyên nhân chính là do nhu cầu cuộc sống của con người gây ra. Trong nhiều thập niên qua tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, đó là sự phát thải bừa bãi các chất ô nhiễm vào môi trường mà không được xử lý, gây nên hậu quả nghiêm trọng tác hại đến đời sống toàn cầu. Việt Nam chúng ta đã và đang chú trọng đến việc cải tạo môi trường và ngăn ngừa ô nhiễm. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, tình trạng ô nhiễm môi trường khá nghiêm trọng, hầu hết các con kênh rạch trong Thành phố đều ô nhiễm nặng nề, những làn khói bụi thoát ra từ các nhà máy, xe cộ đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe của người dân. Vấn đề cấp bách đặt ra cho cấp lãnh đạo thành phố hiện nay là cần ngăn chặn các nguồn ô nhiễm và tái tạo lại môi trường thành phố. Tuy nhiên, để ngăn chặn sự ô nhiễm trước tiên phải xử lý các nguồn gây ô nhiễm thải vào môi trường, có nghĩa là các nhà máy, xí nghiệp, các khu thương mại trong quá trình hoạt động và sản xuất phát sinh chất thải phải được xử lý triệt để. Muốn vậy, cần phải ngăn ngừa, giảm thiểu và xử lý triệt để các loại chất thải phát sinh là điều tất yếu phải làm đối với mỗi chúng ta. ii Mục lục CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1 1.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................... 1 1.2. MỤC ĐÍCH...................................................................................................... 1 1.3. PHẠM VI ĐỀ TÀI ........................................................................................... 1 1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU............................................................................. 2 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN....................................................................................... 3 2.1. GIỚI THIỆU VỀ BÙN HOẠT TÍNH............................................................... 3 2.1.1. Lịch sử phát triển của quá trình bùn hoạt tính ............................................ 3 2.1.2. Quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính..................................................... 3 2.1.3. Sự tăng trưởng sinh khối............................................................................ 4 2.1.4. Tính chất tạo bông bùn hoạt tính.............................................................. 10 2.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH ......... 12 2.2.1. Ảnh hưởng của pH................................................................................... 12 2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ........................................................................... 13 2.2.3. Ảnh hưởng của kim loại nặng .................................................................. 14 2.2.4. Ảnh hưởng của các chất dầu mỡ trong nước thải...................................... 15 2.2.5. Ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt ............................................... 15 2.2.6. Sự lên men của nước thải......................................................................... 15 2.2.7. Nhu cầu oxy............................................................................................. 16 2.2.8. Lượng dinh dưỡng ................................................................................... 16 2.2.9. Tỉ số F/M (Tỉ số thức ăn trên sinh khối)................................................... 19 2.2.10. Lượng bùn tuần hoàn ............................................................................. 19 2.2.11. Thời gian lưu bùn .................................................................................. 19 2.3. NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA NHỮNG VẤN ĐỀ THƯỜNG GẶP KHI VẬN HÀNH BÙN HOẠT TÍNH .................................................................. 20 2.3.1. Bùn phát triển phân tán (Dispersed growth) ............................................. 20 2.3.2. Bùn không kết dính được (Pinpoint flocs)................................................ 21 2.3.3. Bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi (Filamentous bulking)........................ 21 2.3.4. Bùn tạo khối nhớt (vicous bulking) hay là sự phát triển của Zoogloeal (Zoogloeal growth)............................................................................................ 24 2.3.5. Bùn nổi (Rising sludge) ........................................................................... 26 2.3.6. Bọt váng (Foam/Scum) ............................................................................ 27 a. Bọt ............................................................................................................. 29 b. Váng .......................................................................................................... 30 2.4. LỊCH SỬ VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH BÙN TẠO KHỐI VÀ TẠO BỌT.................................................... 31 2.4.1. Bùn tạo khối ............................................................................................ 31 2.4.2. Bọt váng .................................................................................................. 36 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................... 39 3.1. NỘI DUNG THỰC HIỆN.............................................................................. 39 3.2. THÍ NGHIỆM 1: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN TÍNH CHẤT LẮNG CỦA BÙN HOẠT TÍNH ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI THUỘC DA .... 39 3.3. THÍ NGHIỆM 2: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN TÍNH CHẤT LẮNG CỦA BÙN HOẠT TÍNH ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN MEN THỰC PHẨM MAURINE – LA NGÀ ................................................................. 42 iii 3.4. THÍ NGHIỆM 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA pH ĐẾN TÍNH CHẤT LẮNG CỦA BÙN HOẠT TÍNH ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN MEN THỰC PHẨM MAURINE – LA NGÀ ............................................................................. 44 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................. 47 4.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THAY ĐỔI TẢI TRỌNG ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI THUỘC DA.......................................................................................................... 47 4.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THAY ĐỔI TẢI TRỌNG ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN MEN THỰC PHẨM .......................................................................... 58 4.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THAY ĐỔI pH ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN MEN THỰC PHẨM ............................................................................................. 69 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 81 5.1. KẾT KUẬN ................................................................................................... 81 5.2. KIẾN NGHỊ................................................................................................... 81 iv Danh sách các bảng Bảng 2.1 Các đặc tính trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật............................... 9 Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bùn hoạt tính .................................. 13 Bảng 2.3 Các chất dinh dưỡng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào vi khuẩn...... 16 Bảng 2.4 Phần trăm thành phần của các nguyên tố chính trong tế bào vi khuẩn tính trên trọng lượng khô ................................................................................................. 16 Bảng 2.5 Giá trị dinh dưỡng cần thiết để khử BOD (g/kg BOD) ............................... 17 Bảng 2.6 Thời gian lưu bùn tiêu biểu cho quá trình bùn hoạt tính ............................. 18 Bảng 2.7 Các loài vi khuẩn dạng sợi thường gặp gây ra hiện tượng bùn tạo khối...... 21 Bảng 2.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến bùn khối nhớt ................................................... 23 Bảng 2.9 Các dấu hiệu nhận biết có quá trình khử nitrat ........................................... 24 Bảng 2.10 Các dạng vi khuẩn gây bọt váng thường gặp............................................ 25 Bảng 2.11 Ảnh hưởng của sự thay đổi về sinh học, hóa học và lý học đến sự hình thành bọt/váng .......................................................................................................... 26 Bảng 2.12 Những dạng bọt chính trong bùn hoạt tính ............................................... 27 Bảng 2.13 Kiểm soát bọt do thiếu dinh dưỡng .......................................................... 33 Bảng 2.14 Kiểm soát bọt do chất béo, dầu mỡ .......................................................... 35 Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của nước thải thuộc da............................................. 36 Bảng 3.2 Các điều kiện vận hành của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da.................................................................................................................... 36 Bảng 3.3 Số lần pha loãng theo từng tải trọng........................................................... 37 Bảng 3.4 Thể tích dung dịch KH2PO4 cần châm vào các mô hình............................ 38 Bảng 3.5 Các thông số đầu vào của nước thải chế biến men thực phẩm .................... 38 Bảng 3.6 Các điều kiện vận hành của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ........................................................................................... 39 v Bảng 3.7 Số gam mật rỉ đường tương ứng với từng tải trọng .................................... 39 Bảng 3.8 Thể tích dung dịch dinh dưỡng ứng với mỗi tải trọng ................................ 40 Bảng 3.9 Các điều kiện vận hành của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến men thực phẩm ................................................................................................. 41 Bảng 3.10 Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu ................................................... 42 Bảng 4.1 COD đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da .. 44 Bảng 4.2 COD đầu vào và COD đầu ra trung bình sau khi ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da..................................................................... 45 Bảng 4.3 Biến thiên clorua của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ............................................................................................................................. 47 Bảng 4.4 Độ đục đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da48 Bảng 4.5 Biến thiên chỉ số SVI của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da.................................................................................................................... 49 Bảng 4.6 Biến thiên MLSS của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ............................................................................................................................. 51 Bảng 4.7 Kết quả trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ............................................................................................................. 52 Bảng 4.8 COD đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm................................................................................................................. 54 Bảng 4.9 COD đầu vào, COD đầu ra trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm....................................................... 55 Bảng 4.10 Độ đục đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ......................................................................................................... 57 Bảng 4.11 Biến thiên chỉ số SVI của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ........................................................................................... 59 Bảng 4.12 Biến thiên MLSS của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ................................................................................................. 60 vi Bảng 4.13 Kết quả trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm .................................................................................... 61 Bảng 4.14 COD đầu ra của thí nghiệm thay đổi pH (pH = 4 – 11) đối với nước thải chế biến men thực phẩm ........................................................................................... 64 Bảng 4.15 COD đầu ra của mô hình pH = 12........................................................... 64 Bảng 4.16 COD đầu vào và COD đầu ra trung bình ổn định của nước thải chế biến men thực phẩm ......................................................................................................... 65 Bảng 4.17 Độ đục đầu ra của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến men thực phẩm................................................................................................................. 66 Bảng 4.18 Độ đục đầu ra của mô hình pH = 12......................................................... 67 Bảng 4.19 SVI đầu ra của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến thực phẩm......................................................................................................................... 68 Bảng 4.20 SVI đầu ra của mô hình pH = 12............................................................ 68 Bảng 4.21 Biến thiên MLSS của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến thực phẩm................................................................................................................. 69 Bảng 4.22 Biến thiên MLSS của mô hình pH = 12 đối với nước thải chế biến men thực phẩm................................................................................................................. 69 Bảng 4.23 Biến thiên pH đầu ra của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến men thực phẩm ......................................................................................................... 71 Bảng 4.24 Kết quả trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến thực phẩm................................................................................................... 72 vii Danh sách các hình Hình 2.1 Trùng biến hình (amoebae) .......................................................................... 5 Hình 2.2 Trùng roi (flagellate) .................................................................................... 5 Hình 2.3 Trùng tiên mao bơi (free – swimming ciliate)............................................... 6 Hình 2.4 Trùng tiên mao bò (crawling ciliated protozoa) ............................................ 7 Hình 2.5 Trùng tiên mao có cuống (stalk ciliated protozoa) ........................................ 8 Hình 2.6 Giun tròn sống tự do (free – living nematode).............................................. 8 Hình 2.7 Trùng bánh xe (rotifer)................................................................................. 9 Hình 2.8 Bùn ở giai đoạn hô hấp nội bào .................................................................... 9 Hình 2.9 Bùn hoạt tính kết bông tốt .......................................................................... 11 Hình 2.10 Bùn liên kết yếu ....................................................................................... 12 Hình 2.11 Bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi ........................................................... 21 Hình 2.12 Hình minh họa bùn dạng bọt váng Nocardia............................................. 26 Hình 4.1 COD đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da... 44 Hình 4.2 COD đầu vào, COD đầu ra trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ............................................................................... 46 Hình 4.3 Hiệu quả xử lý COD của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da.................................................................................................................... 46 Hình 4.4 Clorua đầu ra cúa thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da47 Hình 4.5 Độ đục đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da 48 Hình 4.6 Biến thiên SVI của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ................................................................................................................................. 50 Hình 4.7 Biến thiên MLSS của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ............................................................................................................................. 51 Hình 4.8 COD đầu ra và clorua đầu ra trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ............................................................................... 52 viii Hình 4.9 Độ đục và SVI đầu ra trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ........................................................................................ 53 Hình 4.10 MLSS trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải thuộc da ............................................................................................................. 53 Hình 4.11 COD đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng (0.3; 0,5; 1,0; 1,5 kg COD/m3.ngày) đối với nước thải chế biến men thực phẩm....................................... 55 Hình 4.12 COD đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng (2,0; 4,0; 6,0 kg COD/m3.ngày) đối với nước thải chế biến men thực phẩm....................................... 55 Hình 4.13 COD vào, COD ra trung bình của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm............................................................................ 56 Hình 4.14 Hiệu quả xử lý COD của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ................................................................................................. 57 Hình 4.15 Độ đục đầu ra của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ......................................................................................................... 58 Hình 4.16 Biến thiên chỉ số SVI của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ........................................................................................... 59 Hình 4.17 Biến thiên MLSS của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm ................................................................................................. 60 Hình 4.18 COD đầu ra và độ đục đầu ra trung bình của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm................................................................ 62 Hình 4.19 SVI và MLSS trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chế biến men thực phẩm............................................................................ 63 Hình 4.20 COD đầu ra khi pH đầu vào thay đổi từ 4 – 11 ......................................... 64 Hình 4.21 COD đầu ra của mô hình pH = 12 ............................................................ 65 Hình 4.22 Hiệu quả xử lý COD của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến men thực phẩm ......................................................................................................... 66 Hình 4.23 Độ đục đầu ra khi pH đầu vào thay đổi từ 4 – 11...................................... 67 ix Hình 4.24 Độ đục đầu ra của mô hình pH = 12 ......................................................... 67 Hình 4.25 Biến thiên SVI khi pH đầu vào thay đổi từ 4 – 11 .................................... 68 Hình 4.26 SVI của mô hình pH = 12......................................................................... 69 Hình 4.27 Biến thiên MLSS khi pH đầu vào thay đổi ............................................... 70 Hình 4.28 MLSS của mô hình pH = 12..................................................................... 70 Hình 4.29 pH đầu ra khi pH đầu vào thay đổi ........................................................... 71 Hình 4.30 SVI trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến men thực phẩm ................................................................................................. 72 Hình 4.31 MLSS và COD đầu ra trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến men thực phẩm...................................................................... 73 Hình 4.32 COD đầu ra và độ đục đầu ra trung bình ổn định của thí nghiệm thay đổi pH đối với nước thải chế biến thực phẩm.................................................................. 73 Hình 4.33 pH đầu ra trung bình ổn định khi pH đầu vào thay đổi.............................. 74 x Danh sách các từ viết tắt BOD (Biochemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxy sinh hoá. COD (Chemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxy hoá học. DO (Dissolved Oxygen): Nồng độ oxy hoà tan. SS (Suspended Solid): Chất rắn lơ lửng. MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids): Chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng. MLVSS (Mix Liquid Volatile Suspended Solids): Chất rắn lơ lửng bay hơi trong bùn lỏng. SVI (Sludge Volume Index): Chỉ số thể tích bùn. SRT (Solid Retention Time): Thời gian lưu bùn. F/M (Food – Microorganism ratio): Tỉ lệ thức ăn cho vi sinh vật. TN: Hàm lượng Nitơ tổng. TP: Hàm lượng Photpho tổng. TSS: Tổng chất rắn lơ lửng. TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam. xi CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. GIỚI THIỆU - Hiện nay, có rất nhiều phương pháp được dùng để xử lý nước thải, bao gồm: cơ học, hóa lý, sinh học,…Trong đó, phương pháp sinh học đang được coi như là phương pháp hữu hiệu trong lĩnh vực xử lý nước thải vì những ưu điểm của nó như: đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả cao hơn các biện pháp cơ học, hóa lý,…Quá trình công nghệ này hoạt động dựa trên sự hoạt động của hệ vi sinh vật. Vì vậy, để có thể áp dụng hiệu quả phương pháp xử lý này, điều kiện tiên quyết là phải có một quần thể vi sinh vật tốt hay nói theo từ chuyên môn là bùn hoạt tính để phân hủy chất ô nhiễm. - Tuy nhiên, không phải lúc nào bùn cũng có hoạt tính mạnh để xử lý nước thải. Trái lại, các kỹ sư vận hành phải thường xuyên đối mặt với vô số những rắc rối phát sinh khi vận hành bùn hoạt tính. Một trong những rắc rối thường gặp đó là việc suy giảm hay mất đi quần thể vi sinh vật hay còn gọi là hiện tượng bùn tạo khối. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng nói trên trong đó các yếu tố vận hành như pH, tải trọng,… có ảnh hưởng khá quan trọng. Vì vậy, đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của pH và tải trọng đến tính chất lắng của bùn hoạt tính” được đề ra để nghiên cứu, theo dõi với mong muốn sẽ làm tăng hiệu quả vận hành để nâng cao hiệu suất xử lý của hệ thống xử lý sinh học. 1.2. MỤC ĐÍCH Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành bao gồm pH và tải trọng đến tính chất lắng của bùn hoạt tính. 1.3. PHẠM VI ĐỀ TÀI - Nghiên cứu được tiến hành trên các mô hình phòng thí nghiệm, là những mô hình hoạt động theo từng mẻ có thể tích 2 lít. Mô hình được vận hành trong vòng 3 tháng, bao gồm 3 thí nghiệm như sau: Thí nghiệm 1: Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến tính chất lắng của bùn hoạt tính đối với nước thải thuộc da của công ty Đặng Tư Ký thuộc Khu Công Nghiệp Lê Minh Xuân. 1 CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU Thí nghiệm 2: Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến tính chất lắng của bùn hoạt tính đối với nước thải chế biến thực phẩm Maurine – La Ngà. Thí nghiệm 3: Đánh giá ảnh hưởng của pH đến tính chất lắng của bùn hoạt tính đối với nước thải chế biến men thực phẩm Maurine – La Ngà. - Các thông số ảnh hưởng đến nghiên cứu bao gồm: pH và tải trọng. 1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Bao gồm: - Tổng quan về bùn hoạt tính và một số hiện tượng liên quan đến bùn hoạt tính như bùn phát triển phân tán, bùn nổi, bùn tạo khối,…và các phương pháp để kiểm soát các hiện tượng bùn tạo khối, tạo bọt. - Xây dựng mô hình phòng thí nghiệm. - Tiến hành các thí nghiệm:  Thí nghiệm 1: thay đổi tải trọng từ 0,3 – 0,5 – 1,0 – 1,5 – 2,0 kgCOD/m3.ngày đối với nước thải thuộc da.  Thí nghiệm 2: thay đổi tải trọng từ 0,3 – 0,5 – 1,0 – 1,5 – 2,0 – 4,0 – 6,0 kgCOD/m3.ngày đối với nước thải chế biến men thực phẩm Maurine – La Ngà.  Thí nghiệm 3: thay đổi pH như sau: 4, 6.5 – 7.5, 8.5, 11, 12 đối với nước thải chế biến men thực phẩm Maurine – La Ngà. - Xử lý và thảo luận kết quả thu được. 2 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN 2.1. GIỚI THIỆU VỀ BÙN HOẠT TÍNH 2.1.1. Lịch sử phát triển của quá trình bùn hoạt tính Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí - bùn hoạt tính ngày nay đã trở nên rất phổ biến và quen thuộc. Tổ tiên của phương pháp này là tiến sĩ Angus Smith. Vào cuối thế kỉ trước, ông đã nghiên cứu việc làm thoáng khí tạo điều kiện oxy hoá chất hữu cơ làm giảm ô nhiễm trong nước thải. Và từ đó, có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Năm 1910, Black và Phelps thấy rằng có thể làm giảm ô nhiễm nước thải đáng kể bằng cách sục khí. Nhiều thí nghiệm tiếp theo đã đưa đến thí nghiệm Lowrence trong suốt năm 1912, 1913 của Clark và Gage. Hai ông thấy rằng nước thải được làm thoáng, cùng với việc nuôi cấy vi sinh trong các bình, các hồ được che một phần bằng các máng che cách nhau 25mm sẽ tăng khả năng làm sạch nước. Dựa vào kết quả của công trình nghiên cứu này, Tiến sĩ G.J. Flower đại học Manchester, Anh thực hiện một số thí nghiệm tương tự và cuối cùng đã đưa đến công trình của Arden và Lockett tại viện nghiên cứu nước thải Manchester. Trong suốt quá trình thí nghiệm của mình, hai ông phát hiện rằng, bùn đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước thải bằng cách sục khí. Công trình nghiên cứu này được tuyên bố vào ngày 3/5/1914. Arden và Lockett đặt tên cho quá trình này là quá trình bùn hoạt tính. 2.1.2. Quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là một tập hợp gồm nhiều vi sinh vật và các hạt có kích thước khác nhau. Các hạt có thể là các vi khuẩn 0.5 - 5µm hoặc là các bông bùn lớn từ 1mm trở lên. Bùn hoạt tính là có nhiệm vụ làm giảm nồng độ chất hữu cơ (C và năng lượng) và vô cơ đến mức thấp nhất có thể. Do vậy mà quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính phải sống trong môi trường cạnh tranh gay gắt. Chỉ có quần thể sinh vật nào có khả năng thích nghi tốt mới có thể sống sót. Tuy nhiên loài chiếm ưu thế trong quần thể vi sinh vật thường thay đổi do các yếu tố ảnh hưởng không phải lúc nào cũng giống nhau. Nhưng dù là loài nào đi chăng nữa thì cũng phản ảnh đầy đủ đặc điểm của hệ thống bùn hoạt tính đó. 3 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN Quần thể chủ yếu của bùn hoạt tính là các vi khuẩn dị dưỡng (ăn các chất vô cơ) như Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Flavobacterium, Citromonas, Zooglea. Ngoài ra còn có một số vi sinh vật khác như nấm, protozoa (động vật nguyên sinh) và metazoa (động vật đa bào). Trong bùn hoạt tính cũng có các hạt vô cơ và hữu cơ (từ nước thải), các polymer ngoại bào (để tăng cường quá trình kết bông) và các hạt dễ bay hơi. Tuy nhiên các vi sinh vật trong bùn hoạt tính được chia làm 2 nhóm chính: - Nhóm phân huỷ: chịu trách nhiệm phân huỷ các chất ô nhiễm trong nước thải. Đại diện cho nhóm này gồm có vi khuẩn, nấm, cynaphyta không màu. Một số động vật nguyên sinh cũng có khả năng phân huỷ chất hữu cơ tan nhưng các chất này phải ở nồng độ cao. Ngược lại chúng sẽ không làm tốt công việc này như vi khuẩn. - Nhóm tiêu thụ: có nhiệm vụ tiêu thụ các vi khuẩn và các tế bào vi khuẩn, thường được gọi chung là chất nền. Nhóm này chủ yếu là microfauna (động vật hiển vi) gồm động vật nguyên sinh và động vật đa bào. Khoảng 95% loài trong bùn hoạt tính làm chức năng phân huỷ (trong đó chủ yếu là vi khuẩn). Qua đó ta thấy vai trò loại bỏ chất bẩn của động vật hiển vi không đáng kể. 2.1.3. Sự tăng trưởng sinh khối Vi sinh vật có thể sinh trưởng thêm nhiều nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản giới tính, nhưng chủ yếu chúng phát triển bằng cách phân đôi. Thời gian cần để phân đôi tế bào thường gọi là thời gian sinh sản, có thể dao động từ dưới 20 phút đến hằng ngày. Các giai đoạn sinh trưởng của vi khuẩn: 1- Giai đoạn tiềm tàng hay thích nghi (giai đoạn sinh trưởng chậm - Lag phase): là giai đoạn vi khuẩn cần thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng. Ở giai đoạn này, nồng độ BOD trong nước thải cao, nồng độ oxy hoà tan thấp. Nhóm protozoa có thể sống trong điều kiện này là trùng biến hình (amoebae) và trùng roi (flagellates). Trùng tiên mao (ciliated protozoa), trùng bánh xe (rotifers), giun tròn sống tự do (free-living nematodes) cũng xuất hiện ở giai đoạn này nhưng số lượng ít 4 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN và khả năng hoạt động không hiệu quả. Vì vậy, hiệu quả xử lý BOD trong suốt pha lag không cao, nước thải bị đục. Hình 2.1 Trùng biến hình (amoebae) Hình 2.2 Trùng roi (flagellate) 2- Giai đoạn tăng sinh khối theo số mũ (Log phase): Ở pha log vi khuẩn sản xuất ra nhiều enzym cần thiết để làm giảm BOD và tổng hợp tế bào cần thiết cho quá trình sinh trưởng. Có thể chia pha log thành hai giai đoạn nhỏ. - Trong nửa giai đoạn đầu, tế bào vi khuẩn hấp thụ BOD và hàm lượng bay hơi của MLSS tăng. Lúc này vi khuẩn chưa sinh trưởng nhiều. - Trong nửa giai đoạn còn lại, quá trình tổng hợp và sinh trưởng xảy ra. Vi khuẩn sử dụng cBOD đã hấp thụ được để sản sinh ra tế bào mới, số lượng vi khuẩn 5 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN lúc này tăng nhanh theo cấp số mũ. Hiệu quả xử lý BOD lúc này rất cao. Nồng độ ô nhiễm trong nước thải giảm và nồng độ oxy hòa tan tăng. Số lượng trùng tiên mao bơi (free-swimming ciliates) tăng nhanh trong suốt pha log và là động vật nguyên sinh đặc trưng ở pha này, thời gian sinh trưởng của trùng tiên mao bơi khoảng 24 giờ. Trong khi đó, trùng biến hình (amoebae) và trùng roi (flagellates) không thể cạnh tranh thức ăn với trùng tiên mao nên trong giai đoạn này số lượng trùng biến hình và trùng roi giảm. Sự xuất hiện của một lượng lớn trùng tiên mao bơi làm tăng hiệu quả xử lý, chất lượng nước thải đầu ra được cải thiện đáng kể: nồng độ BOD, nồng độ TSS và độ đục giảm. Ngoài ra, trùng tiên mao bò, trùng tiên mao có cuống, trùng bánh xe, và giun tròn sống tự do cũng xuất hiện nhưng số lượng rất ít. Hình 2.3 Trùng tiên mao bơi (free – swimming ciliate) 3- Giai đoạn tăng trưởng chậm dần (Declining log phase): Đây là giai đoạn quan trọng nhất đối với sự phát triển của vi sinh vật cũng như sự hình thành bông bùn. Trong giai đoạn này, có 2 điều kiện quan trọng để hình thành bông bùn. Đầu tiên, phải có một lượng lớn vi khuẩn. Thứ hai, các vi khuẩn này phải sản xuất ra một lượng lớn các sợi tế bào cùng các polysaccarit và các hạt polyhydrobutyrate (PHB). Các sợi tế bào, polyscaccarit và PHB chính là các yếu tố hình thành bông bùn. Các sợi tế bào có kích thước rất nhỏ (2 - 5nm), gồm nhiều gốc hoá học như cacbonxyl (-COOH), hydroxyl (-OH), sulfhydryl (-SOOH) và photphoryl (-POOH). Những gốc hoá học này sẽ bị ion hoá trong khoảng pH tối ưu của bùn hoạt tính. Khi đó, phân tử hydro sẽ 6 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN tách ra, còn lại là các gốc ion âm (-COO-, -O-, -SOO-, -POO-). Các gốc này hoạt động như các ion âm, chúng sẽ kết hợp với các ion đa hoá trị trong nước thải ví dụ như Ca2+ và liên kết các vi khuẩn lại với nhau, hình thành bông bùn. pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ ion hoá nên khi pH thay đổi sẽ ảnh hưởng quá trình tạo bông bùn. Nhiều loại polysaccarit không hòa tan được sản sinh trong suốt quá trình tạo bông. Các polysaccarit này đóng vai trò như chất kết dính để gắn kết các tế bào vi khuẩn lại với nhau. Trong giai đoạn này, lượng sinh khối rất nhiều và đa dạng, hiệu quả xử lý BOD cao. Số lượng trùng tiên mao nhiều, trong đó chiếm ưu thế là trùng tiên mao bò (crawling ciliated protozoa). Trùng tiên mao bơi không nhiều vì ở giai đoạn này lượng vi khuẩn ít phân tán gây khó khăn trong việc tìm thức ăn cho loài này. Hình 2.4 Trùng tiên mao bò (crawling ciliated protozoa) 4- Giai đoạn hô hấp nội bào (Endogenous phase): Trong giai đoạn này xảy ra hiện tượng giảm dần sinh khối. Phần lớn lượng BOD bị vi khuẩn phân hủy trong giai đoạn này được sử dụng cho hoạt động sống của tế bào vi khuẩn hơn là tổng hợp và sinh trưởng. Một điều thay đổi đáng kể trong giai đoạn này là sự phát triển của các vi khuẩn dạng sợi (filamentous). Bông bùn trong giai đoạn này cần có một lượng vi khuẩn dạng sợi đủ để phát triển ở kích thước trung bình (150 - 500m) và kích thước lớn (> 500m). Trong giai đoạn này, vi sinh đa dạng, do đó đẩy nhanh hiệu quả xử lý. Ở giai đoạn này, nước thải đã được xử lý gần hết, mức độ ô nhiễm giảm mạnh. 7 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN Số lượng trùng tiên mao bò và trùng tiên mao có cuống ở giai đoạn này rất cao. Dưới những điều kiện tối ưu, số lượng của chúng có thể là 50.000/ml. Trùng bánh xe và giun tròn sống tự do cũng như những động vật đa bào khác có thời gian phát sinh trưởng dài hơn so với động vật nguyên sinh, thời gian sinh trưởng của chúng là vài tuần. Thời gian này thường lâu hơn tuổi bùn của hầu hết các quá trình bùn hoạt tính. Thời gian sinh trưởng dài chính là một trong 2 yếu tố làm cho số lượng trùng bánh xe không nhiều. Yếu tố thứ hai là do sự xáo động trong môi trường bùn hoạt tính gây khó khăn cho vi sinh vật đực và cái gặp nhau. Chúng sẽ tăng nhanh trong môi trường ổn định và có tuổi bùn cao, thường là trong các hồ sinh học. Hình 2.5 Trùng tiên mao có cuống (stalk ciliated protozoa) Hình 2.6 Giun tròn sống tự do (free – living nematode) 8 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN Hình 2.7 Trùng bánh xe (rotifer) Hình 2.8 Bùn ở giai đoạn hô hấp nội bào Hình 2.8 minh họa bùn tốt vì bông bùn rất to đồng thời có sự xuất hiện rất nhiều của trùng tiên mao có cuống. Bảng 2.1 Các đặc tính trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật Các đặc tính Giai đoạn thích nghi Bông bùn Hình dạng bông bùn BOD Chưa có Cao Giai đoạn Giai đoạn sinh tăng sinh khối trưởng chậm theo số mũ dần Chưa có Xuất hiện Hình cầu Cao Trung bình Giai đoạn hô hấp nội bào Xuất hiện Bất thường Thấp 9