Đề tài Nghiên cứu xử lý nước thải có chứa phenol bằng phương pháp sử dụng bùn hoạt tính

ợng dầu mỡ 0,1 mg/l. ở những đoạn sông vùng khai thác khoáng sản, nhất là do khai thác trái phép, hàm lượng NH3 vượt từ 1,4-2,6 lần; hàm lượng cyanua vượt 1,6-2 lần. Tại hồ Phú Ninh vào mùa mưa, hàm lượng Hg vượt quá TCCP 3 lần, nước sông Tranh thuộc huyện Trà My có hàm lượng Hg vượt 5 lần so với TCVN 5942-1995. Nhìn chung chất lượng nước các sông miền Trung vẫn còn tương đối tốt. Phần lớn thượng lưu và trung lưu như các con sông Vĩnh Phước ở Đông Hà, sông Hương ở Huế, sông Tuý Loan ở Đà Nẵng, sông Trà Khúc ở Quảng Ngãi vẫn còn đạt tiêu chuẩn loại A theo TCVN 5942-1995. Tuy nhiên ở vùng hạ lưu những sông này hoặc những sông tiếp nhận nước thải đô thị và khu công nghiệp thì đã bị ô nhiễm và thuộc nguồn loại B theo TCVN 5942-1995. Chất lượng các sông ở miền Nam Nước sông Đồng Nai tại Hoà An, cầu Cát Lái, Phước Khánh, Đồng Tranh có hàm lượng dầu tới 0,3-0,4 mg/l, trong khi đó quy định đối với nguồn nước cấp nước loại A là không được chứa dầu. Nước sông Sài Gòn: BOD, COD tại cầu Phú Cường vượt so với TCCP 2-4 lần; hàm lượng chất dinh dưỡng như N2 vượt quá quy định nhiều lần, nhất là tại bến nhà Rồng, lượng Coliform vượt tới 50-100 lần. ở nhiều nơi đều chứa dầu và xuất hiện sự có mặt của một số kim loại nặng như Pb, Hg, Cr, Cd. Có thể nói sông Thị Vải là kho chứa nước thải công nghiệp của tam giác phát triển kinh tế khu vực TP. Hồ Chí Minh-Biên Hoà-VũngTàu. Hàm lượng oxy hoà tan DO dưới 2 mg/l ở chiều dài 16km và dưới 1 mg/l ở khoảng chiều dài 10 km. Tại Gò Dậu, BOD và COD đều vượt quá mức quy định 10-15 lần so với nguồn loại A, 2,5 lần so với loạiB. Nồng độ các chất dinh dưỡng như N2, P cũng vượt quá mức giới hạn cho phép. Hàm lượng H2S trong lớp bùn đáy cũng rất cao tại các điểm gần nguồn xả nước thải. Các sông thuộc đồng bằng Nam Bộ như sông Đồng Nai, sông Sài Gòn tại thành phố HCM, sông Cần Thơ, sông Vàm Cỏ… cũng có các trị số BOD5 và COD gần như các sông vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng. II. Phenol II.1. Đặc điểm và tính chất của phenol Phenol(hay còn có tên khác là acid cacbolic) có CTPT : C6H5OH Khối lượng phân tử : 94,11 g/mol Khối lượng riêng : 1,06 g/cm3 Nhiệt độ tan chảy : 43oC, nhiệt độ sôi : 182oC Khả năng hoà tan trong nước ( ở 20oC ) : 70g/l Các dung môi hoà tan được phenol : etanol, ete, cloroform… Phenol là một chất hoá học chủ yếu do con người tạo ra, mặc dù nó được tìm they trong những phế liệu động vật và các hợp chất hữu cơ phân huỷ. Nó được tìm thấy đầu tiên khi chưng cất than đá vào năm 1834 và có tên là acid cacbolic. Cho đến trước chiến tranh thế giới thứ nhất, chưng cất than đá gần như là cách duy nhất để tạo ra phenol. Tuy nhiên hiện nay người ta đã tìm ra nhiều phản ứng để tổng hợp tạo ra phenol bằng phương pháp hoá học. Phenol là một chất không màu hoặc màu trắng khi nó ở dạng tinh khiết, ở dạng này thì phenol là các tinh thể rắn. Tuy nhiên thông thường nó tồn tại ở dạng lỏng. Ngưỡng ngửi mùi của phenol là 0,04 ppm. ở nồng độ này phenol có mùi hơi cay, ngọt. Ngoài ra, phenol rất dễ cháy. II.2. Các ứng dụng của phenol trong công nghiệp Trong công nghiệp, phenol đóng vai trò rất quan trọng, nó là nguyên liệu nguồn của nhiều ngành công nghiệp. Ngành công nghiệp thể hiện rõ nhất đó là ngành sản xuất keo, ngành sản xuất nhựa nhân tạo, ngành dệt, dầu khí. Phenol và các dẫn xuất của nó còn là nguồn nguyên liệu sản xuất thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và cả thuốc nổ. II.3. Những ảnh hưởng của phenol đến con người Phenol có thể thâm nhập vào cơ thể con người thông qua việc hô hấp và tiếp xúc với da, mắt, màng nhầy của người. Phenol được xem là chất cực độc với con người nếu đi vào cơ thể người thông qua đường miệng. Khi ăn phải những chất có hàm lượng phenol cao sẽ dẫn đến hiện tượng chết người với những triệu chứng như co giật, không có khả năng kiểm soát, hôn mê dẫn tới rối loạn hô hấp, máu trong cơ thể thay đổi dẫn đến hiện tượng tụt huyết áp. Phenol còn làm ảnh hưởng tới gan, then và cả tim của người nhiễm độc. Những điều đó đã được chứng minh khi người ta làm thí nghiệm LD50( LD50 là đại lượng biểu thị chất độc ít nhất có khả năng gây tử vong 50% lượng súc vật bị nhiễm độc. Thường được biểu thị bằng mg hoặc mg/1kg thể trọng) khi làm thí nghiệm với chuột và thỏ. - Những ảnh hưởng lâu dài của phenol Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra sự liên quan về sự đau bắp thịt, sưng gan của con người khi tiếp xúc với phenol lâu ngày. Phenol còn gây bỏng cho da, làm rối loạn nhịp tim. Giới hạn tối đa cho phép phenol trong cơ thể là 0,6 mg/kg trọng lượng cơ thể. Hiện nay chưa có nghiên cứu nào về sự ảnh hưởng của phenol ở nồng độ thấp đối với sự phát triển của cơ thể, tuy nhiên nhiều nhà khoa học cho rằng tiếp xúc thường xuyên với phenol có thể dẫn đến sự phát triển một cách chậm trễ, gây ra sự biến đổi dị thường ở thế hệ sau, tăng tỉ lệ đẻ non ở một người mang thai. - Khả năng gây ung thư của phenol Hiện nay chưa có một nghiên cứu cụ thể nào chỉ ra rằng phenol có khả năng gây ra ung thư ở người. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu trên động vật khi cho chúng ăn thường xuyên thức ăn có chứa phenol ở hàm lượng cho phép chỉ ra rằng động vật đó xuất hiện các khối u hoặc một chất gây bệnh ung thư da ở chuột. EPA( Environmental Protection Agency) đã xét phenol vào nhóm D, nhóm có khả năng gây bệnh ung thư ở người do chưa có các số liệu liên quan tới hiệu ứng gây ung thư trong người và động vật. II.4. Các đường hướng chuyển hoá sinh hoá của phenol và các dẫn xuất của phenol Trong tự nhiên sự chuyển hoá các hợp chất vòng thơm có thể diễn ra theo nhiều con đường khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể khái quát sự chuyển hoá này theo hai phương thức chính. Đó là sự chuyển hoá các vòng thơm dưới điều kiện hiếu khí và sự chuyển hoá dưới điều kiện yếm khí. Sự khác biệt đặc trưng ở hai đường hướng đó là hệ vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hoá. Với quá trình chuyển hoá hiếu khí thì khu hệ vi sinh vật tham gia chủ yếu vào quá trình này là các chủng vi khuẩn hiếu khí, hiếu khí tuỳ tiện, nấm mốc, nấm men. Còn đối với con đường chuyển hoá yếm khí thì hệ vi sinh vật tham gia là các vi khuẩn yếm khí. Trong tự nhiên hai quá trình này diễn ra đồng thời bởi vì có những sản phẩm chỉ được chuyển hoá theo con đường hiếu khí hoặc ngược lại chỉ có thể chuyển hoá theo con đường yếm khí. Do vậy, trong tự nhiên quá trình chuyển hoá các hợp chất vòng thơm diễn ra hết sức nhịp nhàng. Mặt khác quá trình chuyển hoá này còn phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện để diễn ra quá trình chuyển hoá kia, nên nó phải tự điều chỉnh để diễn ra theo cách nào có lợi hơn cả. II.5. Hệ vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải phenol Như chúng ta đã biết ở đâu tồn tại nguồn thức ăn thì ở đó tồn tại sự sống của các vi sinh vật. Các vi sinh vật trong tự nhiên có phổ dinh dưỡng hết sức đa dạng. Do vậy trong quá trình chuyển hoá các hợp chất mạch vòng, ở mỗi khâu của quá trình chuyển hoá có thể có sự tham gia của một hoặc nhiều vi sinh vật khác nhau. Trong cùng một chuỗi thức ăn đó sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật này có thể là thức ăn của vi sinh vật khác. Tóm lại, các vi sinh vật trong toàn bộ quá trình chuyển hoá này có một mối quan hệ hữu cơ hết sức linh động, sự phân bố cũng như số lượng các loài trong quá trình chuyển hoá rất khác nhau. Như ở phần trên, ta đã biết được rằng: phenol nói riêng hay các hợp chất mạch vòng nói chung có thể bị phân giải sinh hoá theo hai con đường chính đó là phân giải hiếu khí và phân giải yếm khí. Chính vì vậy mà hệ vi sinh vật và cấu trúc quần xã của hệ vi sinh vật trong từng kiểu phân giải sẽ có sự khác nhau. Đặc điểm chung của hệ vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hoá phenol Nhìn chung các nghiên cứu đã cho thấy một số loài có khả năng phân giải phenol một cách độc lập như chủng Pseudomonas putida, Pseudomonas paucimobilis, Rhodococcus, Bacillus .sp, Cyanobacterium, Phormidium valderianum BDU 30501 hoặc có thể sự phân giải phenol được diễn ra đồng thời dưới sự tổ hợp của một quần xã vi sinh vật trong khu hệ đó , song dù là một vi sinh vật hay là một quần thể vi sinh vật thì nhìn chung các vi sinh vật đều có những đặc điểm chung sau : Vi sinh vật phải có khả năng sinh ra ít nhất một enzyme tối cần thiết để xúc tác cho một quá trình phân giải cụ thể nào đó trong quá trình phân giải chung. Điều này được lý giải bởi lẽ khi một enzyme có tính đặc hiệu không cao thì cho phép nó có thể kết hợp được với một số loại cơ chất khác nhau. Trong khi các enzyme đặc hiệu khác chỉ xúc tác để phân cắt một kiểu liên kết cụ thể của một hợp chất nào đó. Các chủng vi sinh vật khác nhau, cũng có thể phân giải cùng một hợp chất bằng nhiều cơ chế phân giải khác nhau phụ thuộc vào loại enzyme được đặc hiệu. Tuy nhiên, với các chủng vi sinh vật khác nhau, sự sinh sôi nảy nở của chúng còn phụ thuộc vào khả năng cạnh tranh của chúng với các hợp chất hữu cơ, với oxy, hay là khả năng chống chịu của chúng trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Rất nhiều đường hướng phân giải có thể chỉ được nhận biết bằng sự tổ hợp hoạt tính của nhiều chủng chứ không chỉ riêng một chủng. Có rất nhiều cơ chế khác nhau cho các quan hệ hiệp trợ hoạt tính phân giải đã được nghiên cứu rất chi tiết nhưng dường như thay đổi giữa từng quần xã vi sinh vật. Tuy nhiên, một số chủng vi khuẩn lại có khả năng phân giải các cơ chất theo nhiều đường hướng khác nhau. Trong trường hợp này, yếu tố môi trường như oxy luôn được định chuẩn để kiểm soát các đường hướng phân giải này. Vi sinh vật phải sống trong môi trường có sự tồn tại của các hoá chất cần xử lý. Trong tự nhiên có mặt của tất cả các loại vi sinh vật, tuy nhiên với từng môi trường chứa cơ chất cụ thể thì chỉ có một số vi sinh vật là có khả năng thích nghi cho sự tồn tại và phát triển. Do vậy, từ điều này cho chúng ta nhìn nhận vấn đề khi định đưa vi sinh vật vào xử lý nước thải, chúng ta phải xem xét xem nó có thể sống được trong nguồn cơ chất đó không. - Các chất ô nhiễm phải có khả năng chuyển hoá bởi các vi sinh vật. Ngay cả các vi sinh vật với các enzyme tồn tại trong môi trường giống như môi trường chứa hoá chất đó, sự phân bố không đồng nhất của các vi sinh vật và các hoá chất ở tại các mức độ môi trường khác nhau có thể kìm hãm đến sự phân giải sinh hoá. Sự khó tiếp cận để phân giải cũng có thể là kết quả từ sự tồn tại các hoá chất trong một pha khác với pha của vi khuẩn. Nếu enzyme do vi sinh vật sinh ra để xúc tác là enzyme nội bào thì hợp chất bị phân huỷ phải được thấm vào trong bề mặt tế bào. Khối lượng phân tử, bề mặt, và các tính chất khác của hoá chất có thể ảnh hưởng đến khả năng thấm của các chất này trong tế bào. Như vậy điều này cho chúng ta nhìn nhận vấn đề một cách chính xác hơn. Chẳng hạn như muốn nâng cao khả năng phân giải ngoài của việc chủ động tuyển chọn được bộ chủng vi sinh vật có hoạt lực phân giải cao mà cần thiết phải cải tạo điều kiện công nghệ để làm tăng khả năng tiếp xúc pha giữa tế bào vi sinh vật và các chất ô nhiễm thông qua đó sẽ tạo điều kiện cho việc khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử được tăng cường. Hiệu suất phân giải sẽ được nâng cao. Nếu enzyme phân giải là enzyme ngoại bào thì liên kết trong phân tử bị phân cắt phải lộ ra ngoài. Các trung tâm hoạt động của một số enzym, không những bị án ngữ trung gian bởi một số các nhóm thế mà còn bởi sự hấp phụ trên mặt chất rắn. chẳng hạn một số cacbonhydro mạch dài đã tác động đến các đầu cuối của phân tử enzym. Nếu cấu phân tử là cấu trúc gấp nếp, hay cấu trúc xoắn ốc thì chính các tác động này sẽ kìm hãm sự phân giải có thể xảy ra. III. Các phương pháp sinh học xử lý nước thải Mục đích của việc xử lý nước thải là loại bỏ những tạp chất có trong nước thải sao cho sau khi nước sau khi xử lý đạt những tiêu chuẩn ở mức chấp nhận được theo các chỉ tiêu đặt ra. để thực hiện điều này người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp làm sạch nước thải khác nhau, tuỳ thuộc vào thành phần tạp chất có trong nước thải, yêu cầu về nước sau xử lý cũng như hiệu quả kinh tế của phương pháp. Các phương pháp thông dụng hay được sử dụng là phương pháp cơ học (lắng, lọc, song chắn), cơ lý (kết lắng, trung hoà, để lắng), phương pháp hoá lý (đông tụ, keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion) và các phương pháp sinh học. Mỗi một phương pháp đều có một phạm vị ứng dụng riêng và các ưu khuyết điểm khác nhau. Để xử lý nước thải có hiệu quả hơn, người ta có thể sử dụng một hệ thống xử lý trong đó có sử dụng phối hợp nhiều phương pháp khác nhau… Ngày nay với sự phát triển không ngừng của công nghệ sinh học, các phương pháp ứng dụng sinh học trong xử lý nước thải ngày càng tỏ rõ các ưu đIểm của minh, và ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Phương pháp sinh học dựa trên nguyên tắc các sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất có sẵn trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và tạo nên năng lượng. Chúng phân huỷ các chất hữu cơ thành CO2 và H2O, một số thành NO3-, NO2-. Biện pháp sinh học có những ưu điểm sau: Một số ưu điểm của phương pháp sinh học xử lý nước thải + Có thể xử lý nước thải có phổ nhiễm bẩn các chất hữu cơ rộng. + Hệ thống có thể tự điều chỉnh phổ các chất nhiễm bẩn và nông độ chất nhiễm bẩn. + Thiết kế các trang thiết bị đơn giản. + Có thể xử lý một lượng lớn các chất nhiễm bẩn, tách được các phần tử nhỏ keo ra khỏi nước thải. + Chi phí cho phần thực hiện không cao. Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm đó phương pháp xử lý sinh học cũng có những nhược điểm sau: + Nguồn nước thải đưa vào xử lý không có chất độc, tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng phải ở mức độ cho phép. + Tỷ số BOD/COD ³ 5 Các vi sinh vật quan trọng trong xử lý sinh học bao gồm nhiều vi sinh vật khác nhau như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, nguyên sinh động vật protaza, các thể kí sinh và cộng sinh, tảo… Trong đó vai trò chủ yếu là vi khuẩn do khả năng sử dụng axetat và glucoza ở nồng độ thấp (1-10mg/l). Do đó chúng vượt hẳn các loài sinh vật khác về xử lý nước thải. Tuỳ thuộc vào mức độ nhiễm bẩn của từng nguồn nước thải mà cần số lượng vi sinh nhiều hay ít. Để sử dụng có hiệu quả thì trong quá trình xử lý chúng ta cần bổ xung thêm các chất dinh dưỡng làm nguồn thức ăn cho vi sinh vật. Để thực hiện quá trình oxy sinh học, các chất hữu cơ hoà tan, các chất keo và các phần tử nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật. Theo quan điểm hiện đại nhât, quá trình xử lý nước thải hay nói đúng hơn là việc thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp thụ các chất đó là một quá trình bao gồm 3 giai đoạn: Quá trình xử lý nước thải có thể chia làm 3 giai đoạn : + Giai đoạn 1 : di chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuyếch tán đối lưu phân tử + Giai đoạn 2 : di chuyển các chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào + Giai đoạn 3 : quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng. Các giai đoạn trên có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá của các chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải. Có hai nhóm lớn của quá trình làm sạch nước thải bằng biện pháp sinh học là tự nhiên và tăng cường. Phương pháp tự nhiên là phương pháp không có sự điều chỉnh điều kiện nuôi cấy vi sinh vật, ví dụ tự xử lý ở đồng ruộng, lọc qua đồng cỏ và tự làm sạch ở ao hồ sinh học. Vi sinh vật nằm trên lớp bề mặt của đất, của nước sẽ tạo thành quần thể vi sinh vật mà quá trình hoạt động sống của chúng sẽ làm sạch nước. Biện pháp tăng cường là hoạt động của vi sinh vật trong bùn hoặc trong màng sinh học. Sự hình thành quần thể sinh vật là quá trình hoạt động làm sạch nước thải trong các thiết bị xử lý nước thải, đó là bể xục khí, bể lọc hoặc các bể phản ứng lên men khí metan. Có 2 phương pháp xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học: Phương pháp xử lý hiếu khí. Phương pháp xử lý yếm khí. III.1. Phương pháp xử lý hiếu khí Nguyên tắc : Sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân giải các hợp chất hữu cơ tạo thành các chất dễ phân giải. Các vi sinh vật này cần oxy hoà tan trong nước thải để thực hiện quá trình trao đổi chất. Sự oxy hoá các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng trong tế bào sống vi sinh vật được gọi là sự hô hấp. Nhờ năng lượng vi sinh vật khai thác được trong quá trình hô hấp nên chúng mới có thể tổng hợp các chất mới để sinh trưởng và phát triển. Cơ chế : gồm 3 giai đoạn + Oxy hoá các hợp chất hữu cơ: CxHyOz + O2 enzyme CO2 + H2O + DH + Tổng hợp để xây dựng tế bào: CxHyOz + O2 + NH3 enzyme CO2 + H2O + tế bào vi khuẩn + C5H7NO2 - DH + Oxy hoá chất liệu tế bào ( tự oxy hoá ): C5H7NO2 + 5 O2 enzyme 5 CO2 + 2 H2O + NH3 ± DH Trong phương pháp xử lý hiếu khí NH3 cũng được chuyển hoá bằng oxy hoá khử bởi sinh vật tự dưỡng (quá trình nitrat hoá). Vi khuẩn tự dưỡng hoá năng để khử CO2 cần ATP giàu năng lượng và cần proton H+ có năng lực khử thông qua quá trình oxy hoá các hợp chất vô cơ (NH4+, NO2-, H2S, H2, Fe2+…). 2NH4+ + 3O2 nitrosomonas 2NO2- + 4H+ + 2H2O + DH 2NO2- + O2 2NO3- NH4+ + 2O2 VSV NO3- + H+ + H2O + DH điều kiện cần thiết cho quá trình: pH =5,5 – 9,0 ,DO=0,5mg/l, to=5-40oC. Các tác nhân sinh học trong phương pháp xử lý hiếu khí: Hệ sinh vật là tác nhân sinh học trong quá trình xử lý nước thải. Các vi sinh vật tham gia quá trình xử lý nước thải được sử dụng dưới 2 dạng là bùn hoạt tính và màng sinh học: + Bùn hoạt tính: Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau ở dưới dạng bông bùn. Bùn có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước 3-150mm. Những bông bùn bao gồm những vi sinh vật sống và chất rắn (40%). Những vi sinh vật sống là những vi khuẩn, nấm men, các nguyên sinh động vật, các loài giả túc, rong, tảo… Các dạng vi sinh vật làm sạch nước thải không chỉ đơn thuần là do việc phân huỷ các hợp chất hữu cơ một cách nhanh chóng mà còn nhờ vào sự tạo thành dạng bông và gắn kết các chất keo, huyền phù vào trong những cuộn bông đó để lắng xuống bể phản ứng. đấy là điều kiện kiên quyết của việc làm sạch nước thải trong quá trình tạo thành bùn hoạt tính. Những vi sinh vật dạng sợi tạo thành trong bùn hoạt tính bao gồm những loại khác nhau của vi khuẩn dạng sợi, xạ khuẩn và nấm. Bản chất của quá trình này là sự bám của vi sinh vật thường làm tăng kích thước của hạt và nhờ việc hợp chất của các hạt nhỏ đó mà tạo thành hạt lớn. Chẳng hạn nấm nhờ rễ giả và sợi nấm có thể giữ được nhiều hạt và cuối cùng liên kết chúng lại với nhau và cuối cùng liên kết chúng lại với nhau. Zobell (1946) cho rằng ở vi khuẩn thì sự tạo thành màng nhầy cũng gây hiệu quả tương tự. Những nghiên cứu mới đây chỉ ra rằng nhiều vi khuẩn tạo thành tiên mao hay ống pili đã gây ra sự kết đám hạt cực nhỏ. Các vi khuẩn này gắn các hạt phù du bằng tiên mao của mình và có thể liên kết các hạt lại với nhau. Năm 1914, hai nhà bác học người Anh là Ardern và Lockett đã thành công trong việc tạo thành bùn hoạt tính và sử dụng bùn hoạt tính để xử lý nước thải. Nhiều phương pháp tạo bùn hoạt tính trong quá trình xử lý đầu tiên này đang được sử dụng, nhưng về cơ bản thì chúng giống nhau. Kỹ thuật này đã được sử dụng một cách rộng rãi để xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp. Theo phương pháp này, các hợp chất hữu cơ có tron nước thải được vi sinh vật sử dụng trong điều kiện hiếu khí, khối vi sinh vật cùng với cặn lắng xuống đáy bể gọi là bùn hoạt tính. Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chuyển hóa các chất hữu cơ có trong nước thải và sự phát triển của bùn. + Màng sinh học (màng sinh vật). Màng sinh học là tập hợp của các loại sinh vật phát triển ở bề mặt của các vật liệu lọc có màng nhày, dày 1-3mm và hơn nữa. Phân tử của màng sinh học có hình dạng khác nhau, kích thước 15-30 mm với màu vàng xám hoặc màu nâu tối. Tuy nhiên màu của nó thay đổi tuỳ thuộc và thành phần nước thải. Quá trình phân giải chất hữu cơ chủ yếu là do sinh vật hiếu khí trên bề mặt tạo thành CO2 và nước. Ngoài ra trong các lớp của màng sinh học có chứa các vi sinh vật yếm khí đóng vai trò cho phân huỷ các hợp chất hữu cơ thành H2S, NH4-, axit hữu cơ…các chất này sau đó bị vi khuẩn yếm khí phân huỷ thành H2SO4, HNO3, CO2, H2O. theo thời gian thì màng sinh học này ngày càng dày lên, khi lớp màng này già thì sẽ bị bong ra và đi vào dòng nước thải. Giới thiệu một số hệ thống hoạt hoá bùn: III.2. Phương pháp xử lý yếm khí Từ thời xa xưa người ta đã dùng phương pháp này để xử lý nước thải như một kinh nghiệm dân gian. Các phương pháp xử lý yếm khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải công nghiệp chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (BOD=4000-5000mg/l). Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định cặn bùn, trong đó các sinh vật yếm khí (chủ yếu là vi khuẩn) phân huỷ các hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc : Sử dụng các vi sinh vật yếm khí phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có O2 không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí có CH4, CO2,N2,H2… Cơ chế : Quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong nước thải bằng vi sinh vật hô hấp yếm khí xảy ra theo 3 giai đoạn : + Giai đoạn 1 : các vi sinh vật có sẵn trong nước thải thuỷ phân các hợp chất hữu cơ phức tạp và lipit thành các hợp chất hữu cơ đơn giản có trọng lượng nhẹ như monosaccarit, aminoaxit để tạo ra nguồn thức ăn và năng lượng cho vi sinh vật hoạt động + Giai đoạn 2 : các vi khuẩn tạo men axit biến đổi các hợp chất hữu cơ đơn giản thành các axit hữu cơ thường là axit axetic. + Giai đoạn 3 : các vi khuẩn tạo metan chuyển hoá hydro và axetic thành khí metan và khí cacbonic. Nhóm vi khuẩn này gọi là metan foocmơ. Chúng có nhiều trong dạ dày của các động vật nhai lại như trâu, bò… Vai trò quan trọng của nhóm vi khuẩn này là tiêu thụ hydro và axit axetic. Chúng sinh trưởng rất chậm và quá trình xử lý yếm khí nước thải được thực hiện khi khí metan và khí cacbonic thoát ra khỏi hỗn hợp. Các tác nhân sinh học trong phương pháp xử lý yếm khí + Trong giai đoạn 1: tuỳ thuộc vào thành phần của nguồn nước thải mà có những loài vi sinh vật chiếm ưu thế cụ thể. Ví dụ nếu môi trường giàu dinh dưỡng (tinh bột) thì vai trò của Bactertum subtillus rất quan trọng. Nếu môi trường giàu xenlulo thì vai trò của proten là rất quan trọng. Nếu môi trường giàu protein thì vai trò của Bacterium cali là rất quan trọng. Nếu môi trường giàu lipit thì vai trò của Bacterium điển hình (B propionicum) là rất quan trọng. Nếu môi trường giàu Pectin thì vai trò của Clotridium (vi khuẩn Butyric) phân giải pectin thành axit butyric là rất quan trọng. + Trong giai đoạn 2: các hợp chất hữu cơ lên men thành các axit hữu cơ. Người ta đã phân lập được các vi khuẩn lên men axit sau từ bể kị khí: Clotridium spp, Peptococus anaerobus, Bifidobactarium spp, Desulphovibrio spp, Corynebactarium spp, Lactobaciluss, Actinomyces. Staphylococus và Escherichia coli. + Trong giai đoạn 3: người ta tìm thấy 2 nhóm vi khuẩn có khả năng metan hoá các axit hữu cơ đó là nhóm vi khuẩn metan hoá ưa ấm có to= 35-37oC, các vi khuẩn này thường có dạng cầu khuẩn hoặc trực khuẩn, ngoài nhóm vi khuẩn metan hoá ưa ấm thì còn có nhóm vi khuẩn metan hoá ưa nóng có to=50-55oC. III.3. Một vài hệ thống thiết bị xử lý nước thải Hệ thống Aeroten : Trong quá trình xử lý ở hệ thống aeroten, các vi sinh vật ở trạng thái huyền phù. Qúa trình làm sạch trọng aeroten diễn ra theo mức dòng chảy qua của hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính được xục khí. Việc xục khí ở đây bảo đảm yêu cầu của quá trình: làm tăng DO và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lửng lơ. Trong các bể aeroten tốc độ xục khí phụ thuộc vào các yếu tố sau: Tỷ số giữa chất dinh dưỡng và số vi sinh vật (F/M). Nhiệt độ môi trường. Tốc độ sinh trưởng và hoạt động sinh lý của vi sinh vật. Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất. Lượng các chất cấu tạo tế bào. Hàm lượng oxy hoà tan. Sơ đồ hệ thống thiết bị của hệ thống xử lý nước thải aeroten: Trong đó: L1: lắng sơ cấp. L2: lắng thứ cấp. Hệ thống UASB : Hệ thống này xử lý nước thải dựa trên nguyên tắc sử dụng vi sinh vật yếm khí phân giải các hợp chất hữu cơ. Hệ thống này đã được áp dụng để xử lý nhiều loại nước thải công nghiệp như: nước thải của nhà máy sản xuất đường từ củ cải đường, nước thải của nơi chưng cất rượu, nhà máy bia… Trong đó quá trình xử lý yếm khí UASB, nước thải được đổ đầy vào bể phản ứng, chảy qua một lớp đêm sinh học. Khi lớp đệm tiếp xúc với lớp đệm thì quá trình phân giải diễn ra. Các khí biogas được tạo ra thoát lên trên và lam tuần hoàn nước thải, điều đó giúp cho sự hình thành và duy trì đệm sinh học. Khí biogas được thu ở phía trên qua một thiết bị có hình vòm. Nước thải đã được xử lý được đưa qua khoang lắng. ở đó các chất rắn bị lắng xuống tạo thành bùn và nước ở phía trên bị tách ra. Phần bùn có thể được hồi lưu lại bể yếm khí UASB. để giữ cho đệm bùn trong hệ thống treo thì vân tốc chảy ngược lên là 6-9m/h. Xử lý bằng hệ thống này không những thu được nước sạch sau xử lý mà còn thu được các khí biogas có thể sử dụng làm chất đốt. IV. Một số phương pháp xử lý nước thải có chứa phenol IV.1. Phương pháp dùng CO2 tới hạn để xử lý nước thải có chứa phenol