Khóa luận Bước đầu thử nghiệm xử lý nước thải nhà máy bia Quy Nhơn ở quy mô phòng thí nghiệm bằng một số chế phẩm vi sinh trên thị trường hiện nay

hồ hóa . - Nấu và lọc. - Làm lạnh lên men. - Công đoạn chiết chai. - Cặn lơ lửng, bã malt, gạo. - Xác hoa, phức protein, glucose. - Xác men, protein, NH3, glycol... - Chất tẩy rửa NaOH, stabilon, các men, các chất trong thành phẩm bia. - Do quá trình tách nước khỏi bã. - Nước rửa thùng nấu hoa houblon, thùng lọc bã hoa. - Rò rỉ các đường ống, thiết bị dẫn đường lên men và nước vệ sinh tank lên men. - Nước rửa chai, rửa sàn, nước bia vãi ra ngoài trong quá trình chiết chai. 2.3 Đặc trưng của nước thải ở các nhà máy bia Nước thải là nguồn thải chính đáng lưu ý trong ngành sản xuất bia. Công nghệ sản xuất bia sử dụng một lượng nước lớn và thải ra một lượng nước thải đáng kể. Lượng nước thải khoảng 7 – 10m3 /1000 lít, gấp 10 – 20 lần lượng bia thành phẩm. Nước thải sản xuất bia chứa hàm lượng chất hữu cơ cao dễ phân hủy sinh học như: protein, amino acid, hydratcacbon, acid hữu cơ, rượu hữu cơ,... Dựa theo hàm lượng BOD, nước thải có thể chia làm 2 nhóm: Nước thải có BOD thấp gồm nước rửa chai, nước từ hệ thống nước cấp, nước làm mát máy và nước rửa sàn vệ sinh công nghiệp Nước thải có BOD cao gôm nước thải từ công đoạn nấu, công đoạn lên mne, lọc và từ công đoạn chiết chai. Lưu lượng và đặc tính dịng chảy thay đổi theo quy mô, sản lượng và mùa sản xuất. Tại Việt Nam, để sản xuất được 1000L bia sẽ đưa ra môi trường khoảng 2kg chất rắn lơ lửng, 10kg BOD, pH từ 5,8-8. Bảng 2.2. TCVN 5945: 2005 Giá trị giới hạn các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp Các chất ô nhiễm Đơn vị tính Mức hiện tại ở VN TCVN 5945: 2005 Tác động đến môi trường A B C pH 6 - 8 6 - 9 5.5 - 9 5 - 9 - BOD5 mg/ l 900 - 1400 ≤ 30 ≤ 50 ≤ 100 Ô nhiễm COD mg/ l 1700 - 2200 ≤ 50 ≤ 80 ≤ 400 Ô nhiễm SS mg/ l 500 - 600 ≤ 50 ≤ 100 ≤ 200 Gây ngạc thở cho thủy sinh Tổng N mg/ l 30 ≤ 15 ≤ 30 ≤ 60 Gây ra hiện tượng phi dưỡng cho thực phẩm Tổng P mg/ l 22 - 25 ≤ 4 ≤ 60 ≤ 8 Kích thích thực vật NH4+ mg/ l 13 - 16 ≤ 5 ≤ 10 ≤ 15 Độc hại cho cá nhưng thúc đẩy thực vật phát triển, thường gây ra các hiện tượng tảo 2.4 Ảnh hưởng của nước thải nhà máy bia đến môi trường Nước thải sản xuất bia có hàm lượng các chất hữu cơ cao nếu không xử lý mà trực tiếp vào nguồn tiếp nhận (sông, hồ,...) sẽ ảnh hưởng rất lớn tới môi trường. Tảo trong nước thải quá cao thì quá trình oxy hóa sẽ diễn ra nhanh, nguồn oxy trong nước nhanh chóng bị cạn kiệt và quá trình oxy hóa bị ngừng lại, tạo điều kiện cho vi khuẩn kỵ khí hoạt động sinh các khí CH4, CO2, H2S có mùi hôi và độc hại. Nguồn nước bị nhiễm bẩn sẽ bị đục, có mùi, màu đặc trưng; xuất hiện chất nổi trên bề mặt và cặn lắng ở đáy; làm mất sự cân bằng sinh thái tự nhiên. Trong tự nhiên, nguồn nước có thể tự làm sạch nhưng phải mất một thời gian khá dài. Nước thải từ máy lạnh, nước làm lạnh dịch bia và nước ngưng tụ trong nấu bia còn ở nhiệt độ cao nếu thải trực tiếp vào nguồn tiếp nhận sẽ gây ra nhiều biến đổi về sinh lý, vật lý, hóa học của thủy sinh vật như kích thích các loại tạo xanh phát triển mạnh gây nguy hiểm cho hệ sinh thái nước, làm thay đổi chu kỳ sinh học của các loài động vật nước, kích thích sự tăng trưởng của vi sinh vật gây bệnh... Ngoài ra, nước thải nếu chứa lượng chất lơ lửng lớn sẽ gây ứ đọng, tắc cống rãnh, gây ô nhiễm lâu dài nguồn nước. Tóm lại các chất hữu cơ dễ chuyển hóa sinh học trong nước thải nếu không được xử lý kịp thời sẽ bị thối rữa, làm mất mỹ quan cơ sở, gây ô nhiễm đất, nước, không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân và cộng đồng dân cư xung quanh. 2.5 Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng nước 2.5.1 Độ pH Trị số pH cho biết nước thải có tính axit, kiềm hay trung tính. Quá trình xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học rất nhạy cảm với sự dao động của giá trị pH (các vi sinh vật sẽ bị ức chế hoặc bị chết khi có sự thay đổi pH). Vì vậy cần kiểm tra giá trị pH trong khoảng thích hợp trước khi cho nước thải vào hệ thống xử lí. 2.5.2 Chất rắn lơ lửng (SS) Chất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ (hữu cơ, vô cơ) trong nước thải khi vận tốc dòng chảy giảm xuống phần lớn các chất rắn lơ lửng sẽ lắng xuống, những hạt nào không lắng sẽ góp phần tạo thành độ đục của nước. Các chất lơ lửng hữu cơ sẽ tiêu thụ oxi để phân hủy làm giảm DO trong nước. Các cặn lắng sẽ làm đầy các bể chứa và làm giảm thể tích hữu dụng của chúng. Cặn lơ lửng có thể nhìn thấy bằng mắt thường, có thể loại bỏ nó ra khỏi nước thải bằng quá trình keo tụ, lắng lọc. Để xác định hàm lượng cặn lơ lửng, lấy mẫu nước thải lọc qua giấy lọc tiêu chuẩn, sấy khô ở 1050C sẽ được hàm lượng cặn lơ lửng (mg/l). 2.5.3 Độ đục Độ đục của nước do các hạt lơ lửng, các chất hữu cơ phân hủy hoặc do giới thủy sinh gây ra. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước, ảnh hướng đến khả năng quang hợp của các vi sinh vật tự dưỡng trong nước. Nước càng bẩn, độ đục càng cao. Đơn vị chuẩn đo độ đục là sự cản quang do 1 mg SiO2 hòa tan trong 1 lit nước cất gây ra. 2.5.4 Oxi hòa tan (DO – Dissolved oxigen) Oxi tan trong nước rất cần cho vi sinh vật hiếu khí. Bình thường oxi hòa tan trong nước khoảng 8 – 10 mg/l, chiếm 70 – 85% khi oxi bão hòa. Mức oxi hòa tan trong nước tự nhiên và nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, vào hoạt động của thế giới thủy sinh, các hoạt động hóa sinh, hoá học và vật lý của nước. Trong môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxi được dùng nhiều trong các quá trình hóa sinh và xuất hiện hiện tượng thiếu oxi trầm trọng. 2.5.5 Chỉ số BOD (Nhu cầu oxi sinh hóa – Biochemical oxigen Demand) Chỉ tiêu này xác định độ ô nhiễm của nước thải hoặc nước sông, hồ do chứa các chất dạng tan, keo, không tan khó lắng. Đó là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước thải bằng vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoại sinh, hiếu khí. Quy trình này được tóm tắt như sau: vi sinh vật Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O Tuy nhiên tùy theo mục đích nghiên cứu và thời gian cho phép, người ta có thể xác định lượng oxi tiêu thụ để oxi hóa toàn bộ các chất bẩn hữu cơ trong nước thải. Nhu cầu oxi sinh hóa có thể xác định sau 5 ngày hoặc 20 ngày tương ứng với các ký hiệu: BOD5, BOD20. Đối với nước công nghiệp thực phẩm sau 20 ngày hầu như oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ cho nên BOD20 được coi là BOD toàn phần. Xác định BOD được dùng rộng rãi trong kỹ thuật môi trường để: + Tính gần đúng lượng oxi cần thiết oxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải. + Làm cơ sở tính toán kích thước các công trình xử lí. + Xác định hiệu suất xử li của một số quá trình. + Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lí được phép thải vào các nguồn nước. Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học, mà chỉ xác định lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối (để tránh hiện tượng quang hợp ở trong nước). 2.5.6 Chỉ số COD (Nhu cầu oxi hóa học – Chemical oxigen Demand) COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ của nước thải và sự ô nhiễm của nước trong tự nhiên. Chỉ số này dùng để đánh giá một cách tương đối tổng hàm lượng của các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải. Chỉ số COD càng cao, mức độ ô nhiễm càng nặng và ngược lại. Xác định COD bằng cách sử dụng một chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit, thông thường nhất là K2Cr2O7. 2.5.7 Các hợp chất của Nitơ trong nước thải Cũng như Cacbon, nguyên tố Nitơ gắn liền với sự sống. Các hợp chất của Nito rất đa dạng. Sự phân giải các chất sống đến cùng đã tạo ra amoniac (NH3) hòa tan tốt trong nước. Trong môi trường kiềm, khí amoniac thoát ra có mùi khai khó chịu, cạnh tranh sự hòa tan của oxi trong nước, đầu độc các động vật thủy sinh. Trong môi trường trung tính và axit, amoniac tồn tại dưới dạng cation amoni (NH4+), tạo điều cho rêu tảo phát triển khi có ánh sáng. Vì vậy ở các ao hồ bẩn, nước thường có màu xanh lục. Khi có oxi và các vi khuẩn tự dưỡng, amoniac được oxi hóa thành các oxi của Nito với các giá trị khác nhau. 2.5.8 Các hợp chất của phospho trong nước thải Phospho tồn tại ở trong nước với các dạng H2PO4-, HPO4-2, PO4-3, các polyphosphat như Na3(PO3)6 và phospho hữu cơ từ các nguồn như phân, nước tiểu, ure, phân bón dùng trong nông nghiệp, các chất tẩy rửa sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất. Phospho cũng giống như nito, là cơ chất cần thiết cho vi sinh vật sống và phát triển. Nếu nồng độ phospho có trong nước thải xả ra sông suối, hồ quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng. Bảng 2.3. Giá trị của các thông số ô nhiễm nước thải trong công nghiệp QCVN / 24: 2009BTNMT STT Thông số Đơn vị A B 1 Nhiệt độ 0C 40 40 2 pH - 6 – 9 5,5 - 9 3 Mùi - Không khó chịu Không khó chịu 4 Độ màu - 30 50 5 BOD5(200C) mg/l 50 100 6 COD mg/l 50 100 7 SS mg/l 15 30 8 N tổng mg/l 4 6 9 P tổng mg/l 3000 5000 10 Coliform MPN/ 100ml 20 70 2.6 Các giải pháp giảm thiểu lượng và tải lượng nước thải nhà máy bia Trong sản xuất bia công nghệ ít thay đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau có thể chỉ là sử dụng phương pháp lên men nổi hay chìm. Sự khac nhau cơ bản là lượng nước sử dụng cho mục đích rửa chai, máy móc thiết bị, sàn nhà, số lượng công nhân sử dụng nước cho sinh hoạt, . . . Điều này dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ô nhiễm của các nhà nhà máy bia khác nhau. 2.6.1 Tái sử dụng nước thải Nước làm mát cho máy lạnh, làm lạnh dịch bia → giải nhiệt, tuần hồn. Nước ngưng tụ trong nấu bia → thu hồi → cấp lại cho nồi hơi (do nước ngưng cịn ở nhiệt độ cao, đây là nước mềm, không chứa ion Ca2+, Mg2+ đóng cặn thành thiết bị). Nước rửa các thùng lên men, chai như CIP (2 loại nóng, lạnh) định kì một tuần rửa thùng một lần (ở nhiệt độ cao → tc dụng tẩy rửa cao), xử lý bằng phương pháp lọc, bổ sung thêm hóa chất → ti sử dụng. 2.6.2 Phân luồng nước thải sản xuất Dòng 1: đây là nguồn nước qui ước sạch với số lượng lớn khoảng 550 – 600 m3/ ngày đêm gồm nước dùng để làm lạnh trong các thiết bị, tháp giải nhiệt của hệ thống lạnh, nước ngưng ở các nồi nấu... Dòng 2: Nước thải sinh hoạt được quy định thành nước thải xám và nước thải đen, trong đó nước thải xám là nước thải phát sinh từ các hoạt động nấu ăn, tắm rửa, giặc giũ; nước thải đen là nước thải dùng trong việc xả bồn cầu tại các khu vệ sinh. Nước thải đen bắt buộc phải được xử lý cục bộ trước khi xả vào hệ thống xử lý nước thải chung. Dòng 3: Nước thải sản xuất, là dòng thải lớn với số lượng 1000 – 1200 m3 / ngày đêm từ các phân xưởng nấu, đường hóa, lên men, lọc, chiết bia... Dòng thải này chủ yếu là nước rửa vệ sinh thiết bị, sàn nhà. Đây là dòng thải chính cần xử lý triệt để. Dòng này có hàm lượng chất hữu cơ cao, dễ bị phân hủy làm ô nhiễm môi trường. 2.7 Nước thải nhà máy bia Quy Nhơn Theo báo cáo năm 2009, Công ty bia Quy Nhơn sản xuất được 39,6 triệu lít bia, có giá trị sản xuất chiếm 5,1% giá trị sản xuất công nghiệp toàn tỉnh, tiêu thụ được 34,88 triệu lít. Song song đó, nhà máy cũng thải ra môi trường lượng nước thải: 5000m3/ ngày đêm. Tuy nhiên, với hệ thống xử lý yếm khí-hiếu khí có công suất thiết kế: 1200m3 / ngày đêm, so với bảng các thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp QCVN 24: 2009/ BTNMT thì nhà máy bia Quy Nhơn với chỉ tiêu nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn Việt Nam của Bộ Tài Nguyên Môi Trường quy định. Bảng 2.4. Chỉ tiêu chất lượng nước thải đầu ra của nhà máy bia Quy Nhơn Chỉ tiêu Đơn vị Quy định Thực hiện pH 5,5 – 9,0 6,0 – 9,0 SS mg/l 100 < 100 COD mg/l 80 < 80 BOD mg/l 50 < 50 N tổng mg/l 30 < 30 Coliform MPN/ 100ml 5000 < 5000 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA 3.1 Hệ vi sinh vật nước thải nhà máy bia 3.1.1 Hệ vi sinh vật trong nước thải nhà máy bia Các vi sinh vật hiện diện trong nước thải bao gồm các vi khuẩn, virus, nấm, tảo, nguyên sinh động vật, các loài động vật và thực vật bậc cao. Nước thải nhà máy bia là loại nước thải giàu chất hữu cơ như hydrocacbon, cellulose, protein, . . . , các vi khuẩn có dạng hình ống giữ vai trò rất quan trọng, trước hết phải kể đến một đại diện là vi khuẩn Sphaerotilus natans hay “nấm nước thải” . Nó phủ lên mặt đáy của vùng nước cực bẩn một lớp khối tế bào dày đặc, bằng mắt thường cũng có thể quan sát được. Loại vi khuẩn này thường phát triển mạnh ở vùng nước có đủ oxygen. Ngoài xuất hiện ở nước thải sinh hoạt, S. natans thường được thấy có trong nước thải của các nhà máy cellulose và thực phẩm. Do sự phát triển mạnh của Sphaerotilus, oxygen bị tiêu thụ nhiều. Khi một lượng lớn S. natans tích tụ ở những vùng nước lặng sẽ xuất hiện tình trạng báo động về oxygen. Nó sẽ làm cho oxygen trong nước biến mất hoàn toàn. Cuối cùng rồi cả khối S. natans cũng bị thối rữa, H2S sẽ xuất hiện cùng với một số chất khác. Bên cạnh vi khuẩn, trong nước thải giàu chất hữu cơ cũng có chứa nhiều nấm. Bảng 3.1 Một số giống vi khuẩn chính có trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng khi tham gia xử lý nước thải STT Vi khuẩn Chức năng 1 Pseudomonas Phân hủy hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ, . . . và khử nitrat. 2 Arthrobacter Phân hủy hydratcacbon. 3 Bacillus Phân hủy hydratcacbon, protein. 4 Cytophaga Phân hủy các polyme. 5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysaccarit), chất keo tụ. 6 Acinetobacter Tích lũy polyphosphate, khử nitrat. 7 Nitrosomonas Nitrit hóa 8 Nitrobacter Nitrat hóa 9 Sphaerotilus Phân hủy các chất hữu cơ. 10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrat. 11 Flavobacterium Phân hủy protein. 12 Nitrococus denitrificans Khử nitrat (thành N2). 13 Thiobaccillus denitrificans Khử nitrat (thành N2) 14 Acinetobacter Khử nitrat (thành N2) 15 hyphomicrobium Khử nitrat (thành N2) 16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat 3.1.2 Chuyển hóa vật chất của vi sinh vật trong nước thải nhà máy bia Quá trình chuyển hóa của vi sinh vật trong nước thải nhà máy bia cũng theo quy luật chuyển hóa các chất của vi sinh vật trong nước thải. Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường không nhiều. Sau một thời gian, những nhóm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số loài dần phong phú hơn. Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai quá trình cơ bản là quá trình đồng hóa và quá trình dị hóa. Quá trình đồng hóa xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, là quá trình cần năng lượng để tổng hợp những sản phẩm cấu thành sinh khối tế bào. Năng lượng cho quá trình đồng hóa được lấy từ các phân tử cao năng như ATP, ADP ... , từ quá trình dị hóa hoặc từ các chất dự trữ khác trong tế bào. Quá trình dị hóa có thể xảy ra bên trong và bên ngoài tế bào vi sinh vật, là quá trình phân hủy các chất nhằm cung cấp năng lượng, nguyên vật liệu cho quá trình đồng hóa. Mặt khác, tế bào vi sinh vật thường không chứa nhiều hợp chất hóa học giàu năng lượng. Do đó, vi sinh vật cần phải nhận thêm các nguồn năng lượng từ bên ngoài như năng lượng của ánh sáng mặt trời ở nhóm vi sinh vật tự dưỡng quang năng, năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hóa các chất ở nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng. Đối với các nhóm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng từ quá trình chuyển hóa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. Trong quá trình chuyển hóa vật chất, vi sinh vật luôn luôn ưu tiên sử dụng các vật chất dễ chuyển hóa trước, sau đó mới sử dụng đến các vật chất khó chuyển hóa hơn. Do đó, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường cong sinh trưởng kép. Hình 3.1 Đường cong sinh trưởng kép của vi sinh vật trong nước thải (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải) Ghi chú : 1 : giai đoạn thích nghi ban đầu 1 : giai đoạn thích nghi với saccharose 1 : giai đoạn thích nghi với tinh bột 2 : giai đoạn tăng trưởng ban đầu 2 : giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng saccharose 2: giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng tinh bột 3 : giai đoạn cân bằng 4 : giai đoạn suy vong. A : đường cong sinh trưởng kép B : đường cong sin trưởng đơn. Hỉnh 3.2 Quá trình chuyển hóa vật chất của vi sinh vật (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải) 3.2 Một số phương pháp xử lý nước thải nhà máy bia 3.2.1 Hệ thống hiếu khí Quá trình xử lý sinh học xảy ra trong hệ thống hiếu khí trong nước thải gồm 3 giai đọan: Oxy hóa các chất hữu cơ CxHyOz + O2 à CO2 + H2O Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + NH3 + O2 à CO2 + H2O + C5H7NO2 Phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5O2 à CO2 + H2O + NH3 3.2.1.1 Bùn hoạt tính Quá trình bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó nồng độ cao của các vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải. Quy trình xử lý nước thải bằng bùn họat tính được thực hiện với phạm vi ứng dụng rộng rãi xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Bàn họat tính bao gồm những vi sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%). Chất nền tring bùn hoạt tính có thể đến 90% là phần chất rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình cùng bùn kỵ khí ở dạng bông và dạng hạt màu đen. Những vi sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng. Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn họat tính là vi khuẩn. Hệ vi sinh vật đặc trưng trong bùn họat tính như Bacillus, Pseudomonas, Achrobacter, hỗn hợp các vi khuẩn khác như E. coli, Micrococus . Phần lớn các vi sinh vật trên đều có khả năng xâm chiếm và bám dính trên bề mặt vật rắn khi có cơ chất, muối khoáng và oxi tạo nên màng sinh học dạng nhầy có màu thay đổi theo thành phần nước thải. Trên lớp màng sinh học có chứa hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc….Tuy nhiên khác với hệ quần thể trong bùn hoạt tính thành phần loài và số lượng các loài sinh học tương đối đồng nhất Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn: Giai đọan 1: bùn hoạt tính thành phần và phát triển. Lúc này cơ chất và chất dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn còn ít. Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh. Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần, vào cuối giai đọan này rất cao. Tốc độ tiêu thụ oxy vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần. Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, họat lực enzyme đạt tối đa và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt tối đa, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi trong một thời gian khá dài. Giai đọan 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm dấn và quá trình nitrat hóa ammoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc. Bùn dư Bùn hoạt tính Không khí Nước thải Nước sạch Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí 3.2.1.2 Lọc sinh học Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước thải cũng như không khí. Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi lớp màng vi sinh vật. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tùy tiện. Ơ ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ thấy là trực khuẩn Bacillus ở giữa là các vi khuẩn tùy tiện như Pseudomonas, Micrococus và Desulfovibrio. Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác. Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxi hóa các hợp chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy, các chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng vi sinh học tăng lên. Màng vi sinh chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học. Vật liệu đệm là vật liệu có độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt lớn như sỏi, đá, ống nhựa, xơ dừa…. Màng sinh học đóng vai trò tương tự như bùn hoạt tính, hấp thụ và phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. tuy nhiên, vận tốc oxy hóa trong thiết bị lọc sinh học thấp hơn Aerotank. Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt vật rắn nhờ polimer ngoại bào, tạo thành một lớp màng nhầy này. Quá trình diễn ra rất phức tạp. Ban đầu, oxy và thức ăn được vận chuyển tới bề mặt lớp màng. Lúc này, bề mặt lớp màng còn tương đối nhỏ, oxy có khả năng xuyên thấu vào trong tế bào. Theo thời gian bề dày lớp màng tăng lên, dẫn tới việc bean trong màng hình thành một lớp kỵ khí nhằm dưới lớp hiếu khí. Khi chất hữu cơ không còn, các tế bào bị phân hủy, tróc thành từng mảng, cuốn theo dòng nước. Hình 3.4 Cơ chế màng lọc sinh học Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong thiết bị lọc sinh học là: bản chất của chất hữu cơ ô nhiễm, vận tốc oxy hóa, cường độ thóang khí, tiết diện màng sinh học, thành phần vi sinh vật……. 3.2.2 Hệ thống kỵ khí Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống xử lý kỵ khí gồm có các giai đọan sau: Giai đọan 1: Thủy phân Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, carbohydrat, protein, cellulose, lignin ..., đđược cắt mạch thành các phân tử đđơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acid, carbohydrat mạch đđơn Quá trình này xảy ra chậm, tốc đđộ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Giai đọan 2: Acid hóa Vi khuẩn lên men chuyển các chất hòa tan thành chất đđơn giản như acid béo dễ bay hơi ( chủ yếu là acid acetic, propionic và acid lactic), alcohols, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các acid có thể làm giảm pH xuống 4.0 Giai đọan 3: Acetic hóa (Acetogenesis) Acid acetic hóa chuyển hóa các sản phẩm của giai đđọan acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới Giai đọan 4: Methane hóa (methanogensis) Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số lọai cơ chất nhất đđịnh như CO2, H2, formate, acetate, methanol và methylamines H2 + CO2 à CH4 + H2O 4HCOOH à CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH à CH4 + CO2 4CH3OH à 3CH4 + CO2+ 2H2O 4(CH3)3N+H2O à 9CH4+ 3CO 2 + 6H2O + 4NH3 Ở giai đđọan này acetate, H2, CO2 , formate, acetate, methanol và methylamines chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới. 3.2.2.1 Sinh học kỵ khí hai giai đọan Hệ thống sinh học kỵ khí hai giai đoạn gồm có: Ở giai đoạn đầu, các họat động sinh hóa chính là sự lỏng hóa các chất rắn hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hòa tan và quá trình axit hóa các hợp chất hữu cơ. Ơ giai đọan hai xảy ra chủ yếu là sự khí hóa (tạo metan), tuy nhiên vẫn có sự phân chia ở bề mặt và phân hủy bùn. Giai đọan đầu thường là quá trình phân hủy tải trong cao với sự khuấy trộn liên tục hỗn hợp, trong khi đó ở giai đoạn hai thường có tải trong thấp với sự phân riêng bùn và nước. Các chất hữu cơ cung cấp ban đầu ở dòng vào trong giai đọan một thường lớn hơn so với giai đọan hai. Hầu hết các bể phân hủy được giữ ở nhiệt độ 29,40C – 37,80C để đẩy mạnh thời gian phân hủy. Thông thường sự axit hóa sẽ không xảy ra nếu bùn khô được thêm vào hoặc lượng bùn dư hằng ngày không vượt quá 3 – 5% lượng bùn khô có trong hệ thống. Sự axit thể hiện ở sự giảm pH, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn methane, giảm khả năng tạo khí,…vì vậy có thể phát ra mùi khó chịu, tạo bọt và bùn nổi. 3.2.2.2 Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược – UASB( Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor) Bể UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy công nghiệp thực phẩm chứa nồng độ chất hữu cơ cao. Bể chia làm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men. Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. hổn hợp khí – lỏng và bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này, bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ có trong nước thải và quá trình phân hủy xảy ra tích cực. Nhờ các vi sinh vật có trong bùn họat tính mà các chất hữu cơ có trong nước thải, đi từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể, các vi sinh vật liên kết nhau và hình thành các hạt bùn lớn đủ nặng để không bị cuống trôi ra khỏi bể. Các loại khí tạo ra trong bể kỵ khí (chủ yếu là CH4 và CO2 ) sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho việc hình thành các hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. 3.2.2.3 Lọc kỵ khí bám dính cố định Hệ thống lọc kỵ khí bám dính cố định có sử dụng các vi sinh vật bám dính trên các vật liệu lọc đặt trong bể có dòng nước thải chảy từ dưới lên hoặc từ trên xuống và màng vi sinh vật bám dính này không bị rửa trôi trong quá trình xử lý. Dòng nước thải vào và dòng tuần hòan ra được phân bố từ bean này sang bean kia của bể phản ứng sinh học, chảy cắt ngang hoặc chảy ngược qua màng sinh học. Quá trình xử lý xảy ra là kết quả của bùn lơ lung và hòa trộn sinh khối được giữ lại bởi màng lọc. Dòng chảy ra bởi phần trên của màng, là tập hợp các tác nhân bị đào thải. khí nằm ở phía dưới bể phản ứng được thu lại và được chuyển sang nơi khác để sử dụng sau. 3.2.2.4 Bể phản ứng kỵ khí đệm giãn nỡ – FBR, EBR (fluidized and aepanded bed reactor) Các vi sinh vật bám dính trên các ch