Đồ án Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc hiếu khí sử dụng xơ dừa làm giá thể kết hợp hồ thủy sinh

gián đoạn với nước thải. Phương pháp dùng vi sinh vật cố định để xử lý nước thải được phân làm ba phương pháp: phương pháp vận chuyển kết gắn, phương pháp bẫy và phương pháp liên kết chéo trong đó quá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương pháp vận chuyển kết gắn. Tuy nhiên, quá trình xử lý sinh học sử dụng sinh khối cố định với hai phương pháp còn lại có thể được xem như quá trình xử lý bằng màng sinh học bởi vì chúng có cùng cơ chế làm sạch và đặc tính xử lý. Trong phần này, chỉ thảo luận trong phạm vi hẹp về quá trình xử lý bằng màng sinh học hiếu khí. Phân loại Dựa vào nguyên tắc hoạt động, quá trình lọc sinh học được chia thành 3 loại: Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): Phương pháp này dựa trên nguyên tắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước. Phương pháp này còn được chia thành nhiều loại dựa trên cách hoạt động của giá thể: nền cố định (fixed bed), nền mở rộng (expanded bed) và nền giả lỏng (fluidized bed). Thiết bị sinh học tiếp xúc quay (rotating contactor). Đĩa quay sinh học sử dụng một lượng lớn các đĩa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nước thải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặt của đĩa. Thiết bị lọc nhỏ giọt (trickling filter): ở phương pháp này dòng nước được chảy từ trên xuống qua tầng vật liệu lọc. Lọc sinh học nhỏ giọt gồm một bể tròn hay chữ nhật có chứa lớp vật liệu lọc (đá, ống nhựa, nhựa miếng…), nước thải được tưới liên tục hay gián đoạn từ một ống phân phối thích hợp đặt bên trên bể. Khi nước thải chảy vào liên tục và đi qua lớp vật liệu lọc, lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với nước thải và phát triển trên vật liệu lọc nên nước thải được làm sạch. Quá trình lọc sinh học cũng được phân loại vào quá trình hiếu khí và kỵ khí. Khi áp dụng lọc sinh học ngập nước vào quá trình xử lý hiếu khí, oxy được cung cấp thông qua máy thổi khí. Quá trình lọc sinh học ngập nước với bể ổn định đôi khi được gọi là quá trình oxy hóa tiếp xúc, quá trình lọc tiếp xúc, hiếu khí tiếp xúc hay quá trình lọc sinh học tiếp xúc. Tuy nhiên, ngay trong quá trình xử lý hiếu khí, không chỉ có vi sinh vật hiếu khí mà vi sinh vật kỵ khí cũng cùng tồn tại. Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật Cấu tạo màng vi sinh vật Từ khi phương pháp màng vi sinh vật được chú ý tới là một trong các biện pháp sinh học để xử lý nước thải, đã có rất nhiều những nghiên cứu về cấu trúc của màng vi sinh vật. Theo thời gian và sự phát triển của các công cụ nghiên cứu, cấu trúc của màng vi sinh vật ngày càng được sáng tỏ và là cơ sở để mô hình hóa những quá trình sinh học xảy ra bên trong màng. Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các polymer ngoại bào này là polysaccharide, protein. Màng vi sinh vật có cấu trúc phức tạp cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật hình 3.2 bao gồm: Hình 3.2: Cấu tạo màng vi sinh vật Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều loại kích thước và hình dạng khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật. Theo đề tài tốt nghiệp tiến sĩ ngành kỹ thuật sinh học ( Biological Engineering): Evaluation of an attached growth organic media bioreactor for swine waste treatment and odor abatement, của Allison Paige kirkpatrick vào năm 2001 tại đại học Mississippi State University, trong đó ông đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng cây dâm bụt, cùi bắp và vụn gỗ để làm giá thể xử lý nước thải chăn nuôi. Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh được chia thành hai lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt. Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra. Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại tế bào; tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng. Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang. Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất. Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từ chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ. Chất lỏng có thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theo mọi hướng trong đó. Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hóa)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý. Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia thành hai lớp (chỉ đúng trong trường hợp quá trình màng vi sinh vật hiếu khí): lớp màng kỵ khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài (hình 3.2). Trong màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí; bởi vì chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hòa tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở thành lớp hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớp màng kỵ khí. Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên. Sản phẩm cuối của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả bởi công thức chung như sau: Màng hiếu khí: Chất hữu cơ + 02 + nguyên tố vết à sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối Màng kị khí: Chất hữu cơ + nguyên tố vết à sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật, không chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh vật. Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Chẳng hạn, nếu một trong những cơ chất bị hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học sẽ không tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ vị trí đó. Các nguyên tố vết như nitơ, photphat, và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng. Tương tự, chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạn trong màng hiếu khí. Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếp xúc với màng thấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan sẽ trở thành yếu tố giới hạn. Do đó, ngay cả trong trường hợp màng hiếu khí, lớp màng ở bên trong vị trí tiêu thụ hết oxy trở thành thiếu khí (anoxic) hoặc kỵ khí (anaerobic). Lớp màng kỵ khí không đóng vai trò trực tiếp trong việc làm sạch nước thải. Tuy nhiên, trong lớp màng kỵ khí có thể diễn ra các quá trình hóa lỏng, lên men acid chất hữu cơ dạng hạt rắn, oxy hóa chất hữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate, hoặc khử nitrat, nitrit tạo ra từ lớp màng hiếu khí. Vì vậy, sự đồng tồn tại của hoạt động hiếu khí và kỵ khí trong lớp màng vi sinh vật là một yếu tố rất quan trọng trong quá trình màng vi sinh vật. Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng VSV Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia thành ba giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất, có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng. Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai đoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng không đổi trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối. Giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy. Hình 3.3: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh Hình 3.3 cho thấy sự tích lũy của lớp màng vi sinh vật. Trong quá trình phát triển của màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng. Lúc đầu, hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái. Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh lượng bùn dư. Tuy nhiên, trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước. Nghiên cứu của Inamori cho thấy có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật. Một loài ăn vi khuẩn lơ lửng và thải ra chất kết dính. Kết quả làm tăng tốc độ làm sạch nước. Loài kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán sinh khối. Và nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hóa chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao. Động học của quá trình lọc sinh học hiếu khí Động học phản ứng trong màng vi sinh vật Những phân tích lý thuyết cho thấy động học phản ứng trong màng vi sinh vật phức tạp hơn rất nhiều so với động học phản ứng của quá trình bùn họat tính; bởi vì tốc độ phản ứng làm sạch nước trong quá trình bùn họat tính chỉ chịu ảnh hưởng của tốc độ trao đổi chất của vi sinh vật. Trong khi đó, quá trình màng vi sinh vật các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bao gồm tốc độ vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật bởi quá trình khuếch tán phân tử và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh vật. Ngoài ra, phản ứng thủy phân các chất hữu cơ cao phân tử trên bề mặt của màng vi sinh vật thành những chất hữu cơ có phân tử lượng thấp hơn để chúng có thể khuếch tán vào trong màng vi sinh cũng là một yếu tố hạn chế của tốc độ phản ứng sinh hóa trong quá trình màng vi sinh vật. Màng vi sinh vật có thể coi như một hệ thống phản ứng với xúc tác enzym tĩnh. Trong hệ thống tồn tại pha lỏng – nước thải, pha rắn – màng vi sinh vật và pha khí (đối với quá trình hiếu khí) Cơ chế của quá trình loại bỏ cơ chất trong hệ thống màng vi sinh vật có thể được miêu tả như sau: nước thải chảy qua bề mặt màng vi sinh vật với vận tốc chảy đều, cơ chất có khối lượng phân tử nhỏ dễ dàng từ nước thải tiếp xúc với màng vi sinh vật và được vận chuyển vào màng theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ và trao đổi chất bởi vi sinh vật. Những sản phẩm cuối của quá trình phản ứng sinh học đi ngược trở ra khỏi màng. Như vậy quá trình tiêu thụ và làm sạch nước bởi màng vi sinh vật bị ảnh hưởng bởi các bước sau: Vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật từ chất lỏng tiếp xúc với màng. Quá trình khuếch tán phân tử chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật. Tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật. Vận chuyển sản phẩm cuối ra khỏi màng. Phương trình động học thực nghiệm của Eckenfelder Dựa vào phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị lọc sinh học. Eckenfelder xây dựng các phương trình biểu diễn dựa trên phương trình tốc độ loại bỏ cơ chất sau: (3.1) Với: tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng của vi sinh vật, kgCOD/kgVSV.ngày. tốc độ tiêu thụ cơ chất, kgCOD/m3.ngày k: hằng số tốc độ phản ứng, m3/kgVSV.ngày. S: nồng độ của cơ chất, kgCOD/m3. X: nồng độ vi sinh vật, kgVSV/m3. Tích phân hai vế của phương trình (3.1) ta được: (3.2) Với: : nồng độ trung bình của VSV trong bể lọc sinh học, kgVSV/m3 vật liệu lọc. Se: nồng độ cơ chất trong dòng nước thải sau xử lý, kgCOD/m3. S0: nồng độ cơ chất trong nước thải vào bể lọc, kgCOD/m3. T: thời gian tiếp xúc của nước thải với màng VSV. Nồng độ trung bình của VSV tỷ lệ với diện tích bề mặt riêng của vật liệu lọc AS: (3.3) Trong đó: AS: diện tích bề mặt riêng của bể lọc. m: hằng số thực nghiệm. Thời gian tiếp xúc trung bình được tính toán theo công thức của Howland như sau: (3.4) QL: tải trọng thể tích của nước thải trên bề mặt bể lọc, m3/m2.ngày. (3.5) Trong đó: Q: lưu lượng nước thải theo tính toán thiết kế, m3/ngày. A: diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m2. C, n: các hằng số thực nghiệm. H: chiều cao lớp vật liệu lọc, m. Thay thế phương trình (3.3) và (3.4) vào phương trình (3.2): (3.6) Đặt phương trình (3.6) sẽ được viết lại (3.7) Thông số động học K và hằng số thực nghiệm n được xác định dựa trên các số liệu thí nghiệm Se, So, H và QL khi chạy mô hình lọc sinh học trong phòng thí nghiệm. Tổng quan về thực vật thủy sinh Thực vật thủy sinh là các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước, nó có thể gây nên một số bất lợi cho con người do việc phát triển nhanh và phân bố rộng của chúng. Tuy nhiên lợi dụng chúng để xử lý nước thải, làm phân compost, thức ăn cho người, gia súc có thể làm giảm thiểu các bất lợi gây ra bởi chúng mà còn thu thêm được lợi nhuận. Các loại thực vật thủy sinh chính Thực vật thủy sinh sống chìm: loại thủy thực vật này phát triển dưới mặt nước và chỉ phát triển được ở các nguồn nước có đủ ánh sáng. Chúng gây nên các tác hại như làm tăng độ đục của nguồn nước, ngăn cản sự khuyếch tán của ánh sáng vào nước. Do đó các loài thủy sinh thực vật này không hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải Thực vật thủy sinh sống trôi nổi: rễ của loại thực vật này không bám vào đất mà lơ lửng trên mặt nước, thân và lá của nó phát triển trên mặt nước. Nó trôi nổi trên mặt nước theo gió và dòng nước. Rễ của chúng tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải. Thực vật thủy sinh sống nổi: loại thủy thực vật này có rễ bám vào đất nhưng thân và lá phát triển trên mặt nước. Loại này thường sống ở những nơi có chế độ thủy triều ổn định. Bảng 3.1: Một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu Loại Tên thông thường Tên khoa học Thực vật thủy sinh sống chìm Hydrilla Hydrilla verticillata Water milfoil Myriophyllum spicatum Blyxa Blyxa aubertii Thực vật thủy sinh sống trôi nổi Lục bình Eichhornia crassipes Bèo tấm Wolfia arrhiga Bèo tai tượng Pistia stratiotes Salvinia Salvinia spp Thực vật thủy sinh sống nổi Cattails Typha spp Bulrush Scirpus spp Sậy Phragmites communis Quá trình chuyển hóa của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải Tất các các loại thực vật thủy sinh đều thực hiện quá trình quang hợp. Các chất dinh dưỡng được hấp thụ trên qua lá và qua rễ. Ở lá của các lài thực vật đều có nhiều khí khổng. Mỗi cm2 bề mặt lá có khoảng 100 lỗ khí khổng. Qua lỗ khí khổng này, ngoài sự trao đổi khí còn có sự trao đổi chất dinh dưỡng. Ở rễ, các chất dinh dưỡng vô cơ được lông rễ hút và chuyển lên lá để tham gia quá trình quang hợp. Lá nhận ánh sáng mặt trời để tổng hợp và chuyển hóa thành các chất hữu cơ. Các chất hữu cơ cùng với các chất khác xây dựng nên tế bào và tạo ra sinh khối. Thực vật chỉ tiêu thụ các chất hữu cơ hòa tan. Các chất vô cơ không được thực vật tiêu thụ trực tiếp mà phải qua quá trình vô cơ hóa nhờ hoạt động sống của VSV. Vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ và chuyển chúng thành các chất và hợp chất vô cơ hòa tan. Lúc đó thực vật mới có thể sử dụng chúng để tiến hành trao đổi chất. Quá trình vô cơ hóa bởi các VSV và quá trình hấp thụ các chất vô cơ hòa tan bởi thực vật thủy sinh tạo ra hiện tượng giảm vật chất trong nước. Nếu đó là nước thải thì quá trình này gọi là quá trình tự làm sạch sinh học. Vô cơ hóa Quang hợp Các chất hữu cơ Các chất vô cơ hòa tan Sinh khối thực vật Sinh khối vi sinh vật Hình 3.4 : Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật và thực vật Bảng 3.2 : Chức năng các bộ phận của thực vật thủy sinh Phần cơ thể Nhiệm vụ Rễ và/hoặc thân Là giá bám cho vi khuẩn phát triển Lọc và hấp thu chất rắn Thân và /hoặc lá ở mặt nước hoặc phía trên mặt nước Hấp thu ánh mặt trời do đó ngăn cản sự phát triển của tảo Làm giảm ảnh hưởng của gió lên bề mặt xử lý Làm giảm sự trao đổi giữa nước và khí quyển Chuyển oxy từ lá xuống rể Phương pháp ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải Nước thải có lượng COD, BOD cao và chứa nhiều kim loại nặng, các chất độc hại thì không thể sử dụng thực vật thủy sinh.vào xử lý. Hiệu quả xử lý tuy chậm nhưng tương đối ổn định đối với các loại nước có COD và BOD thấp, không chứa độc tố. Những kết quả được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước, các nhà khoa học đã đưa ra những ưu điểm cơ bản sau: Chi phí cho xử lý thực vật thủy sinh không cao Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỷ thuật phức tạp Hiệu quả xử lý tương đối ổn định đối với các loại nước ô nhiễm thấp Sinh khối tạo ra sau quá trình xử lý được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau như: Làm nguyên liệu cho thủ công mỹ nghệ như cói, đay, lục bình, cỏ Làm thực phẩm cho người như củ sen, củ súng, rau muống Làm thực phẩm cho gia súc như rau muống, sen, bèo tây, bèo tấm Làm phân xanh, tất cả các loại thực vật thủy sinh sau khi thu nhận từ quá trình xử lý trên đều là nguyên liệu sản xuất phân xanh rất hiệu quả. Sản xuất khí sinh học (biogas) Bộ rễ thân ngập nước, cây trôi nổi được coi là một giá thể rất tốt đối với VSV. Vi sinh vật bám vào rễ, vào thân cây ngập nước hay các loại thực vật trôi nổi Sử dụng thực vật thủy sinh không cần cung cấp năng lượng Sử dụng thực vật thủy sinh vào xử lý môi trường tạo ra một thảm thực vật có ý nghĩa rất lớn đối với sự điều hòa môi trường không khí. Mặc dù không ít những ưu điểm không phải sinh vật nào cũng có trong việc ứng dụng để xử lý môi trường, việc ứng dụng thực vật thủy sinh vào xử lý môi trường có những đặc điểm cần khắc phục: Diện tích cần dùng để xử lý chất thải lớn. Vì thực vật tiến hành quá trình quang hợp nên luôn cần thiết phải có ánh sáng trong điều kiện có đầy đủ chất dinh dưỡng càng nhiều thì quá trình chuyển hóa càng tốt. Do đó đòi hỏi diện tích tiếp xúc lớn. Đặc biệt ở các vùng đông dân như khu công nghiệp hay đô thị thì phương pháp này khó thực hiện. So với VSV, các quá trình trao đổi chất, sinh trưởng, sinh sản của thực vật chậm hơn rất nhiều. Do đó việc chuyển hóa vật chất có trong nước thải bởi thực vật thủy sinh thường rất chậm. Chính vì thế thời gian xử lý kéo dài hơn. Vi sinh vật trong xử lý nước thải Khái niệm Vi sinh vật (VSV) là những tổ chức sinh vật nhỏ bé, có thể tập hợp lại thành một nhóm lớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng không xác định, chúng có thể tồn tại dưới dạng đơn bào. Có thể nói, phần lớn vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa sinh hóa, chúng có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dòng chảy. Các loài vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dòng vào, điều kiện môi trường, quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống. Do đó, để tăng cường vai trò hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải phải thiết kế điều kiện môi trường phù hợp, ví dụ với đa số quá trình xử lý hiếu khí, cần có điều kiện thích hợp như: môi trường phải đủ thông thoáng để cung cấp oxy, đủ các chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ nước, đủ N và P (chất dinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hóa, có pH phù hợp (6.5-9) và không có các chất gây độc. Tuy nhiên không phải các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hóa trong xử lý nước thải. Nếu như điều kiện môi trường không còn phù hợp của các loài sinh vật, hoặc số lượng các loài vi sinh vật trong hệ thống tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải. VSV của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí Các phản ứng xảy ra trong quá trình này do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động cần có oxi của không khí để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào trong nước thải. Theo Eckenfelder W.W và Conon D.J (1961) quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng: enzyme Oxi hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Các hợp chất hydratcacbon bị phân huỷ hiếu khí chủ yếu theo phương trình này. enzyme Tổng hợp xây dựng tế bào CxHyOz + O2 Tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Đây là phương trình sơ giản tóm tắt quá trình sinh tổng hợp tạo thành tế bào vi sinh vật. enzyme Tự oxi hóa chất liệu tế bào (tự phân huỷ) C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ∆H Trong ba loại phản ứng ∆H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào. Các chỉ số x, y, z tuỳ thuộc dạng chất hữu cơ chứa carbon bị oxi hóa. Đối với các hợp chất hữu cơ chứa N và S cũng có thể được theo các phương trình trên. Vi khuẩn Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si, Mg. Chúng sinh sôi và nẩy nở nhờ hình thức tự phân đôi. Vi khuẩn có thể xem là một trong những sinh vật sống nhỏ bé nhất, có đường kính 0.5 -2µm và chiều dài từ 1 -10 µm. Các vi khuẩn được phân làm ba nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn cầu, còn gọi là Cocci. Dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus. Dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong, gọi là Spirilla. Đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bông cặn dễ lắng. Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò tích cực quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không có hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành qui trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó. Pseudomonas: Phân hủy hiđratcacbon, protein, phản ứng nitrat hóa. Hình 3.5: Các loài vi khuẩn Pseudomonas Bacillus: Phân hủy hiđratcacbon, protein… Hình 3.6 : Các loài vi khuẩn Bacillus Zooglea: Oxy hóa các chất hữu cơ để chuyển hóa chất dinh dưỡng. Chúng tạo thành polysachrides và những chất polymer khác giúp cho việc tạo bông của sinh khối vi sinh vật Hình 3.7: Vi khuẩn Zooglea hình ngón tay Nấm men Nấm men là vi sinh vật sinh sản bằng phương pháp chia đôi, tạo chồi và sinh sản bằng bào tử. Nếu gặp điều kiện thuận lợi chúng sẽ phát triển và chuyển hóa rất nhanh hàm lượng đường có trong nước thải. Mặc khác, trong quá trình lên men, nấm men tạo ra các chất ức chế các vi sinh vật khác ( CO2, C2H5OH, và các chất khí khác). pH thấp hơn 6 có thể tạo điều kiện thích hợp cho nấm phát triển và tạo bùn sợi. Do đó hầu hết các loại nấm đều gây hại trong quá trình xử lý. Hình 3.8 : Nấm Geotrichum Candidum NAÁM Saccharomyces cerevisiae Aspergillus niger Hình 3.9: Một vài hình ảnh về nấm Aspergill và Saccharomyces Tảo Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ở chỗ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các hợp chất hữu cơ từ vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Tảo có thể phát triển mạnh dưới những điều kiện như pH thấp, độc chất, và chất thải thiếu nguồn nitơ. Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản s