Giáo trình Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường - Chương 2: Vi sinh vật trong nước thải

ơ cấp trong các loại nguồn nước thay đổi trong khoảng 10 - 400 gO2/m2 năm (Bảng 1-4). Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 25 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bảng 2. 5 Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960) Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2 Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2Loại hố Trung bình năm Ngày max Loại bể Trung bình năm Ngày max Ligotrophe Mezotrophe 10 – 20 30 – 200 0.5 – 0 0 – 7 Eutrophe Eutotrophe cao 70 – 200 400 5 – 7.5 7.5 – 10.0 z Chuyển hóa và phân hủy chất hữu cơ Sinh khối của các sinh vật tự dưỡng: tảo, thực vật nước bậc cao; vi khuẩn - là nguồn thức ăn cho các loại dị dưỡng – vi khuẩn, nấm, động vật phù du, Necton. Trong số này có nhóm sinh vật đặc biệt gọi là sinh vật hoại sinh, khoáng hóa chất hữu cơ chết chúng cung cấp các nguyên tố khoáng cho loại tự dưỡng. Để đặc trưng cho trình tự chuyển hóa các chất hữu cơ con người dùng khái niệm “mức dinh dưỡng”,Việc chuyển hóa chất hữu cơ (và cả năng lượng trong đó) từ mức dinh dưỡng này sang mức khác, số loài và sinh khối của chúng giảm dần và tạo ra nhiều lớp sinh khối. Những loài nhỏ nhưng tốc độ sinh sản nhanh với cùng một sinh khối thường tạo ra nhiều chất hữu cơ hơn các loài to lớn. Tuy nhiên cũng có khi sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng sau lớn hơn sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng trước. Do vậy phải phân biệt hai khái niệm: sinh khối và sản phẩm. Sinh khối là tổng khối lượng của tất cả các sinh vật thuộc một mức dinh dưỡng nào đó còn sản phẩm là sinh khối tạo ra ở một mức dinh dưỡng nào đó trong một khoảng thời gian nhất định (trong đó kể cả khối lượng đã tiêu thụ, chết, hoặc tách khỏi hệ thống). Khác với sinh khối, năng lượng của một chất hữu cơ nào đó khi chuyển từ mức dinh dưỡng này sang mức dinh dưỡng khác luôn luôn thay đổi. Trong bất kì “mức dinh dưỡng nào”, thức ăn do những vi sinh vật sử dụng đều không hấp thụ được hết và bao giờ cũng còn lại một ít. Ở lượng đã hấp thụ được, một phần tiêu hao cho việc tăng sinh khối, một phần bị oxy hóa để sinh năng lượng. Năng lượng này lại có thể sử dụng cho mức dinh dưỡng tiếp theo. Phần năng lượng tiêu thụ trong các quá trình sống, hoạt động của sinh vật, được tản vào không gian và bị loại khỏi quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Tuy nhiên khi tản năng lượng cũng diễn ra quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Đồng thời với việc giải phóng năng lượng cũng giải phóng CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng vào nước. CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng lại tạo ra sản phẩm sơ cấp - tức là lại tích lũy năng lượng. Công thức xác định tổng năng lượng: A= S + T + C (Đơn vị năng lượng hoặc lượng oxy) (1-16) Với: A: tổng năng lượng chứa trong thức ăn ban đầu Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 26 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG S: năng lượng tích lũy khi tăng sinh khối T: năng lượng tiêu hao trong quá trình trao đổi chất C: năng lượng của phần thức ăn chưa hấp thụ được Hiệu suất sử dụng thức ăn được đặc trưng bằng các hệ số không thứ nguyên: K1= S/A K2= S/ (A-C) = S/ (S+T) Với K1: hệ số sử dụng thức ăn tiêu thụ cho sinh trưởng K2: hệ số sử dụng phần thức ăn đã hấp thụ tiêu thụ cho sinh trưởng K1,K2 càng cao thì hiệu quả sử dụng thức ăn cho tăng sinh khối càng cao Số mức năng lượng của loại peligian (sinh vật phù du) thường là 3-4, của sinh vật đáy là 2 Chẳng hạn: Mức dinh dưỡng 1: vi khuẩn Mức dinh dưỡng 2: trích trùng ăn vi khuẩn Mức dinh dưỡng 3: động vật phù du ăn trích trùng Mức dinh dưỡng 4: cá bé ăn động vật phù du Mức dinh dưỡng 5: cá lớn Hình 2.10 là chu trình sinh hoá bình thường ở nguồn nước mặt. Có thể nói vi khuẩn là nhân tố chính của quá trình sinh hóa bình thường trong nước thiên nhiên. Chúng có chất hữu cơ hòa tan thành tế bào của mình và các chất vô cơ. Những chất vô cơ lại được tảo sử dụng để xây dựng tế bào. Những vi khuẩn và tảo lại là thức ăn cho động vật hạ đẳng sử dụng. Động vật hạ đẳng, tảo, vi khuẩn lại là thức ăn cho cá bé rồi cá lớn, cá lại là thức ăn cho người. Chu trình cứ thế diễn ra. Cần lưu ý rằng sinh khối của cá chiếm phần rất nhỏ trong sản phẩm sơ cấp. Nếu trong nước chỉ sống có loài cá ăn cỏ - tức là loài thuộc mức dinh dưỡng thứ 2 thì sinh khối cuối cùng sẽ nhiều hơn đáng kể. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 27 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 10 Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ. 5.2. Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình phân huỷ chất bẩn hữu cơ trong nguồn nước có thể tóm tắt như sau: • Thực vật phù du làm giàu oxy trong nước. Oxy thì cần cho quá trình phân huỷ chất hữu cơ, làm giảm các nguyên tố dinh dưỡng trong nước. Thực vật phù du là nguồn thức ăn cho các loài sinh vật ăn thực vật. Tuy nhiên nếu thực vật phù du phát triển quá mạnh thì lại làm nguồn nước nhiễm bẩn lần thứ hai. • Những loài thực vật lớn cũng làm giàu oxy trong nước và làm giảm các chất dinh dưỡng; tham gia tích cực vào việc khử các sản phẩm đầu, các chất độc, dễ tách khỏi bùn nước. Ở những sông hồ ít nước chúng dễ biến thành đầm lầy. • Vi khuẩn đóng vai trò chính trong qua trình phân huỷ các chất hữu cơ, chúng có khả năng phân huỷ bất kỳ loại chất hữu cơ nào trong thiên nhiên; là nguồn thức ăn cho các sinh vật ở mức dinh dưỡng tiếp theo. Động vật phù du ăn thực vật và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Có thể tách các chất lơ lửng và làm cho nước trong. Chúng làm giảm hàm lượng oxy trong nước do hô hấp cũng như do chúng ăn thực vật phù du. Chúng làm xáo trộn nước và hấp thụ các vi sinh vật gây bệnh, có thể khử trùng trong nước. • Các loại động vật phù du lớn ăn thực vật phù du, tham gia quá trình phân huỷ chất hữu cơ; ở mức độ nào đó cũng ảnh hưởng đến chế độ oxy trong nước. Trong thủy lực,cá là loai sinh vật đỉnh cực,sinh vật ở bậc cao nhất của tháp dinh dưỡng. Những loài cá ăn thực vật sẽ làm cản trở hiện tượng “nở hoa” trong nguồn nước và gây ảnh hưởng đối với thành phần tất cả các loài thuỷ sinh vật ở các mức dinh dưỡng khác nhau. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 28 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 5.3. Ảnh hưởng của các chất bẩn đối với nguồn nước Tuỳ thuộc số lượng, thành phần tính chất của các chất bẩn mà chúng có thể gây ra những hậu quả khác nhau đối với nguồn nước: • Làm thay đổi tính chất hoá lý: độ trong, màu, mùi, vị, pH, hàm lượng các chất hữu cơ, vô cơ, xuất hiện các chất độc, chất nổi, chất dễ lắng cặn, • Làm giảm hàm lượng oxy hoà tan: do phải tiêu hao trong các quá trình oxy hoá sinh hoá các chất bẩn hữu cơ. • Làm thay đổi số lượng và các chủng loại vi sinh vật, sinh vật, xuất hiện các loại vi sinh vật gây bệnh, làm chết cá, Kết quả không thể sử dụng làm nguồn cung cấp nước được. Nhìn chung tất cả những thay đổi đó có liên quan mật thiết với nhau. Đặc biệt các chất bẩn trong nước thải sản xuất là những chất độc hại đối thuỷ sinh vật. Nồng độ các chất hữu cơ quá cao sẽ tạo điều kiện yếm khí trong nước, các chất sulphua sẽ làm giảm khả năng oxy hoá khử của nước. Nếu hàm lượng các chất dinh dưỡng trong nước nguồn tăng lên sẽ dẫn tới hiện tượng “ nở hoa” – phát triển tảo rêu. Ảnh hưởng độc hại. Các chất bẩn độc hại có thể gây tác động khác nhau đối với thuỷ sinh vật, tuỳ thuộc bản chất, nồng độ của chúng. Một chất độc nào đó có thể phá hoại trao đổi chất hoặc nhịp độ sinh trưởng, phát triển của thuỷ sinh vật; tới một giá trị nồng độ nào đó, chúng sẽ bị tiêu diệt. Đối với nhiều loại sinh vật có thể chưa thấy ngay tác động độc hại, mà chỉ làm hỏng cơ quan sinh sản, hoặc gây ảnh hưởng tới nhiều thế hệ sau. Kết quả là số lượng cá thể sinh vật, số loài sẽ bị giảm dần,.. Trong thực tế bảo vệ vệ sinh nguồn nước, người ta đã xác định nồng độ giới hạn cho phép là giá trị nồng độ cao nhất, với giá trị đó, các quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ không bị phá huỷ, không làm xấu giá trị “thực phẩm” của nước, không gây độc hại đối với quá trình sống hoạt động của thuỷ sinh vật - những tác nhân quan trọng nhất trong quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ. Như vậy nồng độ giới hạn cho phép sẽ đảm bảo cho quá trình sinh sản diễn ra bình thường đảm bảo cho chất lượng nước được tốt, đồng thời không làm giảm giá trị hàng hoá của các sinh vật. Sự thay đổi chế độ hoà tan oxy trong nước nguồn. Lượng vi khuẩn và nấm trong nước tuỳ thuộc nhiều yếu tố. Trong nguồn nước sạch thường không đủ chất hữu cơ (chất dinh dưỡng) cho các loại hoại sinh. Khi các chất hữu cơ lẫn vào nước nguồn thì các vi sinh vật phát triển nhảy vọt. Trong quá trình sinh trưởng phát triển, các vi sinh vật tiêu thụ càng nhiều oxy. Kết quả nồng độ oxy trong nước giảm, thậm chí bị tiêu thụ hoàn toàn, làm thay đổi thế năng oxy hoá khử của môi trường, các phản ứng khử diễn ra chủ yếu: khử nitrat, khử sulphat, hình thành các chất sulphua và ngày càng tạo điều kiện yếm khí trong môi trường (Hình 2.11) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 29 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 11 Đường cong oxy hoà tan và số lượng VK tương ứng trong dòng sông bị nhiễm Sự thay đổi chế độ khí oxy hoà tan sẽ kéo theo sự thay đổi các quần thể sinh vật. Các loài thích nghi với nước sạch trước đây thì bây giờ khi thiếu oxy sẽ bị chết (đầu tiên là cá rồi tiếp đến là động vật thượng đẳng), đồng thời các loài quần thể thích nghi với điều kiện oxy lại phát triển. Cường độ oxy hoá các chất hữu cơ giảm và trong nước nguồn sẽ tích lũy các sản phẩm không bị oxy hoá hoàn toàn. Nồng độ oxy trong nước sông bẩn rất thấp, ở 200C chỉ khoảng 8 mg/l (Hình 2.12). Khi nhiệt độ tăng lên, độ hoà tan oxy lại giảm. Trong khi đó cường độ các quá trình sinh hoá và tốc độ tiêu thụ oxy lại tăng lên và ngược lại. Hình 2. 12 Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau Trong các dòng sông chảy xiết, do dòng chảy rối nên các lớp nước trên cùng gần biên giới - không khí, sẽ hoà tan được nhiều oxy cho vi sinh vật sẽ được đầy đủ. (Hình 2.13). Ở các dòng sông chảy chậm hoặc ở các hồ, các lớp nước trên cùng có oxy hoà tan, nhưng oxy chỉ khuếch tán xuống các lớp dưới với lượng ít nên nói chung ở các lớp nước dưới thường tạo thành điều kiện yếm khí (Hình 2.13) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 30 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 13 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối Khi xả nước thải với chất hữu cơ vào nguồn, tốc độ phát triển của vi khuẩn, nấm cũng tăng lên. Kết quả lại tỉ lệ nghịch với nồng độ oxy. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ sẽ tạo điều kiện yếm khí. Như vậy tốc độ trao đổi chất của vi khuẩn phải luôn luôn thấp hơn tốc độ hoà tan oxy với nồng độ giới hạn của các chất dinh dưỡng. Với điều kiện hiếu khí thì protoza kéo theo cả các động vật thượng đẳng cùng phát triển. Như vậy nồng độ oxy càng cao thì nhiều động vật có thể tồn tại và càng được cung cấp nhiều thức ăn. Cuối cùng điều kiện sinh hoá tốt nhất nên duy trì ở sông là cung cấp vừa đủ - giới hạn chất dinh dưỡng và ít loài vi sinh vật. Hình 2. 14 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm Trong nước thải đô thị thường chứa nhiều lượng nguyên tố dinh dưỡng (nitơ, photpho). Những chất này kích thích tảo phát triển rất mạnh, sông hồ không thể làm nguồn nước cấp được. Tảo phát triển làm nước có màu, tảo xanh Aphanizomenon, Anabaena, microcystic, nước có màu xanh lam; tảo xanh Oscilatoria rubecens làm nước ngả màu hồng; Aphanocapsa pulchre tạo một lớp đất váng đen trên mặt nước. Tảo lục làm nước có màu lục, khuê tảo (melosira, Navicula) làm nước có màu vàng nâu; Chrisophit - làm nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển còn làm cho nước có mùi vị khó chịu, như mùi cỏ, mùi mỡ khét, thối.Ngoài ra còn gây ứ tắc cơ học các lưới chắn của công trình thu nước, các bể lọc của nhà máy nước. Hiện tượng trên gọi là hiện tượng “nở hoa” (Eutrofication). Khi tảo chết sẽ gây thối rữa trong nước, vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ và tiêu thụ oxy làm oxy hoà tan bị nghèo đi. Theo tính toán của D.Ulman, để oxy hoá lượng chất bẩn hữu cơ Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 31 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG do một người thải ra, cần 80g oxy trong một ngày; còn để oxy hoá chất hữu cơ của tảo (tảo phát triển do photpho trong nước thải tính theo một người) đòi hỏi tới 320g Oxy. Vì vậy, người ta phải khử nitơ, photpho trước khi xả nước thải nguồn và phải tìm những phương pháp chống nở hoa trong nước nguồn. Ảnh hưởng của các chất lắng cặn và chất nổi. Nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nước thải tưới tiêu từ các hệ thống thuỷ lợi, chứa rất nhiều chất lơ lửng và lá cây. Khi tới sông hồ, tốc độ dòng chảy giảm. Kết quả gây lắng cặn ở đáy sông hồ, làm thay đổi hình dạng dòng sông. Những chất hữu cơ lắng cặn là đối tượng hoạt động phát triển của vi sinh vật. Kết quả cũng làm giảm lượng oxy hòa tan, gây thối rữa, tiêu diệt thủy sinh vật. Các chất nổi như dầu mỏ chứa nhiều trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp cũng hạn chế oxy hòa tan. 6. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 6.1. Bể lọc sinh học nhỏ giọt Cấu tạo Bể lọc sinh vật được sử dụng rất rộng rãi để xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Đó là bể hình vuông, chữ nhật hoặc tròn trên mặt bằng. Trong bể có chứa vật liệu lọc bằng đá dăm, gạch vỡ, sỏi, đá kerămzit hoặc bằng chất dẻo v.v Kích thước các hạt vật liệu tăng dần từ trên xuống dưới. Lớp trên dùng gồm các hạt có kích thước 10- 20mm; lớp giữa 20- 40mm; lớp dưới 50- 70mm. Nếu là chất dẻo thì có thể là dạng tấm hoặc khối xốp tổ ong. Nước thải được dẫn vào bể lọc qua thiết bị phân phối để tưới đều trên toàn bộ diện tích bề mặt lớp vật liệu lọc. Tùy thuộc kích thước vật liệu lọc mà người ta thay đổi và chọn tốc độ nước chảy qua bể. Thiết bị phân phối nước vào có thể là máng răng cưa, hệ các vòi phun hoặc dàn ống quay phản lực. Nước từ trên bề mặt, nhờ trọng lực chảy xuống qua lớp vật liệu, tập trung vào hệ thống thu nước, rồi ra công trình tiếp theo là bể lắng đợt hai. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 32 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 15 Sơ đồ cấu tạo bể lọc sinh vật Chiều cao lớp vật liệu lọc từ 1- 4 m, có khi tới 6m và được gọi là tháp lọc sinh vật. Kích thước hạt và chiều cao lớp vật liệu lọc được chọn tùy thuộc khối lượng, thành phần tính chất nước thải. Hệ thống thu nước có thể là một mạng lưới máng xương cá hoặc nền dốc. Nó vừa để thu nước một cách nhanh chóng vừa để thông thoáng khí cho bể lọc, nói đúng hơn cho quá trình sinh hóa diễn ra khi nước chảy qua bể lọc. Ngoài ra người ta còn thực hiện làm thoáng nhân tạo bằng quạt gió cưỡng bức cho bể lọc. Vi sinh vật Khi nước thải chảy qua, trên mặt các hạt vật liệu lọc sẽ được hình thành, phát triển các vi sinh vật, gọi là tạo màng sinh vật. Bể lọc sinh vật là công trình làm sạch hiếu khí và đa số các loài sinh vật đều cần thiết oxy. Mặc dầu bắt đầu thì vi sinh vật hiếu khí. Nhưng khi màng sinh vật đã hình thành thì sẽ tạo lớp yếm khí nằm giữa bề mặt hạt vật liệu và lớp hiếu khí hoạt tính ở mặt ngoài màng sinh vật. Những quần thể sinh vật, vi sinh vật của màng này sẽ hấp thụ từ nước thải những chất dinh dưỡng cần thiết và sử dụng những chất đó trong quá trình trao đổi kiến tạo (xây dựng) và năng lượng. Ở phần trên của lớp vật liệu, nồng độ các chất dinh dưỡng cao hơn hàng chục lần so với nồng độ của lớp khi qua lớp vật liệu phía dưới. Kết quả là ở các lớp vật liệu phía trên, màng sinh vật phát triển mạnh hơn và các chất hữu cơ cũng bị oxy hóa mạnh hơn do đó tiêu thụ oxy cũng mạnh hơn. Vai trò chủ đạo trong quần thể sinh vật ở lớp vật liệu phía trên là những vi sinh vật dinh dưỡng bởi các chất hữu cơ tan: vi khuẩn, nấm và một số xạ khuẩn không màu. Vi khuẩn. Trong bể lọc, vai trò chính là những vi khuẩn hiếu khí, tùy tiện và yếm khí. Ở mặt ngoài của màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn tạo nha bào Bacillus. Ở lớp yếm khí trung gian của màng (tức là lớp giữa hạt vật liệu và lớp hiếu khí mặt ngoài) gồm chủ yếu vi khuẩn yếm khí Desunfovibro. Ở đó hoàn toàn không có oxy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 33 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Phần lớn vi khuẩn trong bể lọc là tùy tiện – sống trong điều kiện có oxy hòa tan hoặc thiếu oxy cũng được. Những vi khuẩn tùy tiện gồm: nhiều loại như Flavobacterium, Pseudomonas, Alealigenes, Micrococcus là những giống thuộc họ Enterobacteriaceae. Nấm. Cũng có trong bể lọc. Chúng là loại hiếu khí nên chỉ sống trong vùng có oxy hòa tan. Nấm phải cạnh tranh với vi khuẩn để lấy thức ăn, nhưng không nổi so với vi khuẩn. Do đó ở điều kiện môi trường bình thường thì sự phát triển của nấm cũng bị hạn chế. Với nước thải công nghiệp, đặc biệt là với pH thấp thì nấm và một số loài vi khuẩn dạng chỉ phát triển mạnh. Nhưng đó là điều không mong muốn. Tảo. Trên bề mặt bể lọc thường phát triển tảo. Tảo không đóng góp nhiều cho quá trình phân hủy chất hữu cơ vì chúng sống chủ yếu nhờ các ion vô cơ trong nước thải. Ánh sáng mặt trời cũng cần cho quá trình năng lượng của tảo thì bị hạn chế, nên ở bể lọc tảo không thể phát triển được nhiều, mà chủ yếu chỉ tồn tại ở lớp bề mặt bể mà thôi. Tuy nhiên chúng cũng phát triển và có khi phủ đầy trên mặt bể đó, nhưng rồi lại bị nước xối đi xuống các lớp dưới. Động vật nguyên sinh và động vật không xương sống. Cũng có trong bể lọc. Ở các lớp vật liệu lọc phía trên có các loại bền vững chịu được với trạng thái oxy. Đó là các loài Paramecium, Putriun, Pcaudatum, Colpidium Colpoda v.vNói chung Protozoa có đủ loại từ Phytomastigophora đến Suctoria. Phytpmastigphora tồn tại ở các lớp phía trên khi chất dinh dưỡng đủ cao và cho phép chúng cạnh tranh được với vi khuẩn. Ciliates có thể thấy ở mọi nơi ở các vùng hiếu khí. Loài Ciliates có tiêm mao, chân thì sống ở lớp dưới bể. Ở các bộ lọc, Protozoa rất đa dạng, thậm chí trong cùng một bể chúng cũng rất dễ biến đổi tùy thuộc sự biến đổi thức ăn và điều kiện môi trường. Ngoài ra còn có các loài động vật bậc cao. Dòi, bọ và các loài con trùng, giun sán như: Podura, Psychoda v.v Những loài này ăn vi sinh vật, động vật hạ đẳng, và sống ở những vùng hiếu khí. Nhìn chung ở vùng trên bể lọc, sinh khối nhiều nhất; Ở vùng giữa ít hơn; Ở vùng dưới cùng ít nhất. Nhưng ngược lại, số chủng loại thì càng xuống dưới càng nhiều càng đa dạng hơn. Chiều cao của mỗi vùng tùy thuộc chế độ công nghệ của bể. Khi bể làm việc với chế độ xử lý không hoàn toàn thì không có vùng thứ ba. Khi tưới với lưu lượng nhỏ thì vùng này lại có thể chiếm tới một nữa chiều cao bể. Tùy thuộc lượng chất bẫn dẫn vào mà số lượng vi khuẩn có thể thay đổi (xem bảng 2.2) Bảng 2. 6 Số vi khuẩn hoại sinh trong bể lọc sv khi xử lý nước thải nhà máy sữa Số vi khuẩn (triệu/ml) Lượng chất bẩn g NOS/m3 Vl lọc Ở chiều sâu 0,5m Ở chiều sâu 2m 930 1270 1740 4,2 5,8 26,6 2,7 4,2 11,9 Sự phân bố các loài vi sinh vật tùy thuộc thành phần tính chất nước thải. Chẳng hạn khi dùng bể lọc để xử lý nước thải nhà máy chế biến sữa thấy: nấm và vi khuẩn Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 34 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Butyric phát triển chủ yếu ở vùng trên, vi khuẩn phân hủy axit hữu cơ ở vùng giữa, vi khuẩn phân hủy mỡ và vi khuẩn amon hóa ở dưới cùng. Vì màng sinh vật ở vùng trên bị xói đi và có thể bám vào, lưu lại ở những vùng dưới. Nhưng số vi khuẩn – những tác nhân oxy hóa hoạt tính lại bị giảm đi rõ rệt (Bảng 2.3) Lý thuyết lọc Ta hãy tưởng tượng, bể lọc với hệ vòi phun hoặc tưới phản lực. Nước thải được tưới đều trên bề mặt vật liệu lọc. Ở bề mặt lớp trên cùng sẽ hình thành một lớp nước mỏng và chảy xuống các lớp dưới. Ở những bể lọc kiểu vòi phun hoặc hệ phản lực bao giờ cũng có thời gian nghỉ giữa hai lần tưới. Nước thải sẽ chảy qua bề mặt các hạt vật liệu, trào sóng rất nhanh và để lại một “cái áo choàng mỏng” bằng nước, gọi là màng nước bao quanh hạt vật liệu lọc. Màng nước này sẽ hấp thụ oxy từ không khí ở các lỗ hổng giữa các hạt và cho phép vi sinh vật thực hiện quá trình trao đổi hiếu khí. Bảng 2. 7 Lượng màng sinh vật và số vi khuẩn hoại sinh ở các chiều cao khác nhau trong bể lọc khi xử lý nước thải nhà máy sữa. Bậc 1 Bậc 2 Số vi khuẩn Số vi khuẩn Theo chiều cao bể lọc Sinh khối màng sinh vật kg/m3 VL lọc Trong 1g sinh khối màng lọc (triệu) Trong 1m3 VL lọc (tỷ) Sinh khối màng sinh vật kg/m3 VL lọc (triệu) Trong 1g sinh khối sv khô (tỷ) Trong 1m3 Vl lọc Bề mặt 1m cách bề mặt 2m cách bề mặt 13,2 15,3 7,73 1670 200 900 22000 3060 6960 5,57 7.45 3,26 1200 870 890 6800 6500 2900 Sự hấp thụ oxy Oxy hấp thụ từ không khí và tỷ lệ thuận với độ thiếu hụt oxy trong nước ở biển giới phân chia nước – không khí. Áp suất riêng phần của oxy trong không khí ở lỗ hổng là lực chủ đạo làm cho oxy tan vào nước. Nếu nước chứa oxy thấp hơn mức bão hòa thì sẽ xác định được sự phục hồi cân bằng ở điểm bão hòa. Tốc độ tiêu thụ oxy sẽ là hàm số phụ thuộc đặc tính nước thải và độ thiếu hụt oxy. Với đa số loại nước thải có tính chất ổn định, có thể biểu thị bằng số K. (bảo hòa) (thực tế) 2 2 2 dO KO O dt = − (2-8) Đã biết chắc rằng tốc độ hấp tụ oxy đạt giá trị cực đại khi nồng độ oxy trong nước bằng không. Cần thấy rằng lớp nước ở biên giới sẽ bão hòa oxy và tốc độ hấp thụ oxy sẽ giảm tới 0, trừ khi oxy ở màng nước biên giới hấp thụ vào vùng trong, ở đó sự thiếu hụt oxy. Sự khuếch tán là một quá trình rất chậm và bị khống chế bởi nồng độ các hợp phần. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 35 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Cách tốt nhất để hấp thụ oxy là tạo dòng chảy rối. Sự chảy rối sẽ làm cho màng nước bề mặt bão hòa oxy và màng nước bên trong chưa bão hòa oxy đổi chỗ cho nhau. Quá trình chảy rối đạt được và làm thay đổi các màng nước ở biên giới phân chia nước – không khí. Như vậy bề mặt luôn luôn được trở nên mới mẻ. Bề mặt mới là cơ sở của việc hấp thụ oxy và là giới hạn trên của quá trình trao đổi của vi sinh vật. Lượng oxy tổng cộng có thể hấp thụ được trên một đơn vị thời gian, trước tiên liên quan tới vùng phát triển sinh vật trong điều kiện cấp không khí liên tục. Một cách gián tiếp, những bề mặt lộ ra có liên quan tới diện tích bề mặt của vật liệu lọc. Với hạt vật liệu lọc đường kính 12mm có khoảng 14m2/m3 vật liệu lọc. Trong khi đó với hạt đường kính 50mm chỉ có khoảng 3,1m2/m3 vật liệu lọc. Với quan điểm thuần túy về hấp thụ oxy thì: khi hạt vật liệu lọc có đường kính nhỏ 2mm, tốc độ hấp thụ oxy sẽ lớn hơn so với khi hạt vật liệu lớn 50mm. Nhưng với quan điểm thực tiễn, ở lớp vật liệu trên về dung tích lỗ hổng cho vi sinh vật phát triển và thoả mãn yêu cầu vận chuyển không khí, thì vật liệu lớn 50mm sẽ có tốc độ hấp thụ oxy cao hơn nhiều so với vật liệu nhỏ 12mm. Hình 2. 16 Sơ đồ nước chảy trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Khử chất hữu cơ Nước thải chứa một lượng nhất định các chất hữu cơ mà bể lọc phải khử. Nước thải chạy qua các hạt vật liệu, thực tế là chảy trên mặt màng sinh vật chứ không phải xuyên qua màng đó. Dòng nước sẽ hòa trộn vối màng nước biên giới trên bề mặt màng sinh vật. Nếu nồng độ chất hữu cơ ở màng nước biên giới thấp hơn so với nồng độ ở nước thải thì chất hữu cơ sẽ từ dòng nước thải chuyển sang màng nước biên giới. Ngược lại, nếu nồng độ chất hữu cơ ở màng nước biên giới cao hơn thì chất hữu cơ sẽ chuyển từ màng nước biên giới đó sang màng nước chảy qua. Trong thực tế, chất hữu cơ sẽ chuyển vào màng biên giới và hòa tan vào đó. Tốc độ chuyển qua sẽ nhanh nhất khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải chảy vào cao nhất và nồng độ ở màng nước biên giới thấp nhất. Gradian nồng độ được biểu thị ở (Hình 2.17). Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 36 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 17 Sơ đồ chuyển hóa vật chất giữa màng nước chuyển động và màng nước cố định. EP: end product – sản phẩm cuối F: food – thức ăn. Bể lọc sẽ tiếp tục khử chất hữu cơ cho đến khi vi sinh vật làm giảm nồng độ chất hữu cơ ở màng nước biên giới. Màng sinh vật ở lớp vật liệu phái trên được kích thích và trao đổi mạnh mẽ do nồng độ cao các chất hữu cơ trong nước thải vừa mới chảy vào. Phần chất hữu cơ được chuyển thành tế bào mới, trong khi đó một phần tương đương được oxy hóa để cung cấp năng lượng cho việc tổng hợp. Mặc dầu ở màng nước biên giới, nồng độ chất hữu cơ khá cao nhưng lượng tổng cộng của chất hữu cơ trên một đơn vị sinh khối vi sinh vật cũng thấp, chất hữu cơ được khử rất nhanh trước khi có dòng nước mới chảy qua hạt vật liệu. Vì các lớp vật liệu trên cùng của bể lọc tiếp nhận nồng độ cao nhất của các chất hữu cơ, nên rõ ràng là tốc độ phát triển vi sinh vật ở đó cao nhất. Càng xuống dưới thì tốc độ phát triển càng giảm. Tốc độ hoạt hóa của vi sinh vật tỷ lệ thuận với nồng độ chất hữu cơ. Vì vậy tốc độ khử chất hữu cơ bởi vi sinh vật giảm theo thời gian. Vi sinh vật kh