Khóa luận Tổng quan quá trình chuyển hóa các hợp chất Nito trong nước thải của vi sinh vật

313 Nguồn: Hoàng Huệ – Xử lý nước thải 2.2.2 Nước thải công nghiệp Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tớ chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành đặc biệt như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc gia… Chế biến thực phẩm thải ra một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, liên quan đến thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ các lọai thịt, sữa, đậu…Hợp chất chứa nitơ được thải ra lượng lớn từ các thành phần như máu, mỡ, phân cùng các mẫu thịt hòa tan vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ trong môi trường và lọai sản phẩm chế biến. Nồng độ hợp chất chứa nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến đổi rất mạnh, không chỉ theo mùa vụ mà còn cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm xuất đồng thời nhiều lọai sản phẩm. Bảng 2.3 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp Nguồn Nồng độ Nitơ tổng (mg/l ) Giết mổ 115 Chế biến thịt 6 Chế biến thủy sản Cá da trơn Cua Tôm Cá 33 (28 – 50) 94 (58 – 138) 215 (164 – 266) 30 Chế biến rau, quả, đồ uống 4 Bột, sản phẩm khoai tây 21 ( 5 – 40) Rượu vang 40 (10 – 50) Hóa chất, phân bón NH3 – N NO3 – N 1270 550 Nguồn: H. R. Jones. Pollution control in the dairy industry. London 2.2.3 Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm cho cây. Trong rất nhiều trường hợp người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất chứa nitơ trong đó để làm phân bón cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng phân bón cây trồng không hấp thụ hoàn toàn mà một phần sẽ bị phân hủy, rửa trôi vào môi trường nước. Trong môi trường nước urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành ammoniac và khí carbonic. CO(NH2)2 + H2O à CO2 + 2NH3 Nguồn nước thải phát sinh trong chăn nuôi có lưu lượng nhỏ hơn so với nước thải sinh họat, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, bùn đất, thức ăn thừa, các hợp chất chứa nitơ được thoát ra ngoài từ các chất thải rắn khi gặp nước. Nước thải chuồng trại của các lòai nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau. Bảng 2.4. Thành phần nitơ trong phân một số loài động vật. Phân loài nuôi Độ ẩm% N % Bò thịt 85 0,5 Bò sữa 85 0,7 Gia cầm 72 1,2 Lợn 82 0,5 Dê, Cừu 77 1,4 Nguồn: Treatment management. Kluver Academic Press 2.3 QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC Giới thuỷ sinh có trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh động vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao, như tôm, cá v.v… Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡng trong nước, mức độ oxi hòa tan, nồng độ các chất có độc tính…sẽ ảnh hưởng đến đời sống của giới này có trong nước. Nói chung, nếu nước bị nhiễm bẩn quá nặng, trước hết sẽ không còn oxi hoà tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước, tới đời sống của giới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽ được cân bằng trở lại. Đó là quá trình tự làm sạch của nước. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học, tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn . Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán và hấp thu các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ và cần vai trò rất quan trọng của giới thủy sinh. - Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng có khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào có trong tự nhiên, các chất đường bột, protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phân huỷ muộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hoá học tổng hợp bị phân huỷ chậm và rất chậm (có khi đến vài chục hoặc hàng trăm năm). Các chất hữu cơ hidratcacbon, protein, chất béo cùng với nguồn nito, phospho…là thức ăn dinh dưỡng của vi khuẩn. Bản thân tế bào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh là nguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật. Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡng cho tảo và các loài thực vật nổi khác. - Tảo và các loài thực vật nổi khác sử dụng các chất khoáng, trong đó có CO2 cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi. Oxi phân tử này làm giàu oxi hoà tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển và được sử dụng vào các phản ứng oxi hoá khử trong quá trình phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ. Thực vật phù du, trong đó có tảo là thức ăn cho động vật nguyên sinh và tôm cá nhỏ. - Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo v.v…cũng tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do vi khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi. - Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng có thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làm cho nước trong. Chúng làm giảm lượng oxi hoà tan trong nước. - Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du. Cá lớn lại ăn cá bé. Người ăn cá và chất thải của người có thể lại làm bẩn nước. Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình có giới hạn, khi số lượng vi sinh vật tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ra mạnh mẽ, nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường. Tuy nhiên, khi nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổi toàn bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các sinh vật khác trong môi trường nước. Vi sinh vật không thể xử lý chất ô nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tự làm sạch. Nước dần bị ô nhiễm nặng. Vì vậy, cần phải có biện pháp xử lý nước thải ô nhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước 2.4 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA VẬT 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 2.2 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 sinh trưởng đơn. Hình 2.3 Quá trình chuyển hóa vật chất của vi sinh vật Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải 2.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI Trong nước thải, nitơ thường tồn tại ở ba dạng: nitơ hữu cơ, ammoniac và dạng oxy hóa (nitrite, nitrate). Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH, thì chứng tỏ nước bị ô nhiễm. NH3 trong nước sẽ gây ngộ độc với các và sinh vật trong nước. Nếu trong nước có hợp chất nitơ chủ yếu là nitrite (NO2-) là nước bị ô nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrate (NO3-) chứng tỏ quá trình phân hủy kết thúc. Tuy vậy, các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrate dễ bị khử thành N2O, NO và nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí. Nếu nitrate ở trong nước cao có thể gây ngộ độc cho người. Amoniac (NH3) ở trong nước thải tồn tại dạng NH3 và NH4+ ( NH4OH, NH4NO3, (NH4)3SO4…) tùy thuộc vào pH của nước vì NH3 là một bazơ yếu. NH3 và NH4+ có vai trò thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng hóa. Tính độc của NH3 cao hơn ion amon NH4+. Ở nồng độ 0.01 mg/l, NH3 đã gây ngộ độc cho cá. Trong nước mặt tự nhiên vùng không ô nhiễm có hàm lượng amon (<0.05ppm), nước thải công nghiệp có hàm lượng amon 10 ÷ 100mg/l. NH3 trong nước thải là sản phẩm của quá trình amon hóa nhờ các vi sinh vật. Chúng phân hủy các hợp chất N hữu cơ, giúp làm giảm ô nhiễm chất hữu cơ trong nước, đồng thời sản phẩm NH3 là nguồn cung cấp nitơ cho một số loài khác không có khả năng tham gia quá trình amon hóa. Số lượng các vi sinh vật này trong nước thải rất khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc và thành phần loại nước thải. NH3 và ion NH4+ sẽ được chuyển thành dạng đạm nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa. Các chất này là nguồn cung cấp đạm cho nguồn nước. Vi khuẩn tham gia quá trình này gồm các loài: Nitrosomonas europara, Nitrobacter, Nitrosococcus sp. , Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hóa phân bố rất ít trong môi trường nước sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các môi trường nước giàu dinh dưỡng số lượng của chúng có nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khoảng 10 tế bào/ml nước. Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra khi có mặt của oxy, nghĩa là trong môi trường thóang khí, còn trong môi trường yếm khí với sự có mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hóa đó là quá trình phản nitrate hóa. Quá trình này khử nitrate qua nitrite thành NO, N2O, NH2OH, NH3 và N2. Trong nước tự nhiên nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 5mg/l. Vùng bị ô nhiễm do chất thải hoặc phân bón hàm lượng nitrate trên 10mg/l làm cho rong tảo dễ phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nước nuôi trồng thủy sản. Đối với thủy vực, quá trình phản nitrate thường không có lợi ví nó làm mất nitơ và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2-. Tuy nhiên, trong xử lý nước thải, đây lại là một quá trình quan trọng giúp loại bỏ bớt hàm lượng nitơ trong nước thải. Sông, suối, nước mưa, nước thải có chứa Nitrate và Ammoniac Cố định đạm N2 N2O NO2 Vi khuẩn + Sinh trưởng Thực vật phù du NO3 Sinh trưởng Nitrate hóa Động vật phù du NO2 Bài tiết Cá N2O NH4 Detritus yếm khí Bùn đáy Hình 2.4 Chu trình Nitơ trong nước thải 2.6 HỆ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 2.6.1 Vi khuẩn Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có mặt trong hầu hết các loại nước thải. Đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải từ các nhà máy chế biến thịt, thủy sản, tinh bột ... thành phần và số lượng các loài vi khuẩn là phong phú và đa đạng nhất. Vi khuẩn tham gia nhiều quá trình chuyển hóa, từ các hợp chất hữu cơ đến vô cơ, từ các chất dễ phân hủy đến các chất độc hại. Các quá trình này nhờ hệ enzyme phong phú và chuyên biệt của mỗi nhóm, mỗi loài vi khuẩn. So với động vật và thực vật thì vi khuẩn có tính thích nghi cao hơn, nhiều loài có khả năng tự điều chỉnh quá trình trao đổi chất trong những điều kiện sống không thuận lợi. Bên cạnh đó, vi khuẩn có tốc độ trao đổi chất nhanh. Trong một ngày đêm chúng có thể chuyển hóa một khối lượng vật chất gấp hàng ngàn lần khối lượng của chúng. Chính vì thế, vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có nhiều tiềm năng nhất trong công nghệ xử lý nước thải. 2.6.2 Nấm men Nấm men chủ yếu có trong các lại nước thải chứa đường như nước thải nhà máy rượu, bia, nhà máy đường … Nấm men có thể phát triển trong môi trường chỉ chứa 1% hàm lượng đường nhưng khả năng chuyển hóa các hợp chất như protein, tinh bột rất kém, thậm chí có rất nhiều loài không có khả năng chuyển hóa các hợp chất như protein, hydratcarbon có trong nước thải. Đặc điểm quan trọng là khi nấm men phát triển trong môi trường nước thải có chứa đường bao giờ cũng có mặt các vi khuẩn tạo acid như acid lactic và acid acetic. Mặt khác nấm men thường tạo ra những sản phẩm độc hại với các vi sinh vật khác, khi tế bào nấm men chết đi sẽ làm trầm trọng thêm quá trình ô nhiễm, nước thải sẽ có mùi hôi thối khó chịu. 2.6.3 Tảo đơn bào Tảo đơn bào cũng là vi sinh vật phổ biến trong nước ô nhiễm và nước thải. Tảo thuộc nhóm từ dưỡng quang năng, ưa môi trường nước có tính kiềm yếu, phát triển mạnh trong môi trường có CO2 hòa tan. Trong quá trình phát triển, tảo cung cấp oxi cho môi trường, các chất kháng sinh tiêu diệt mầm bệnh, cạnh tranh nguồn thức ăn của vi sinh vật gây bệnh và là mắt xích rất quan trọng trong chuỗi và lưới thức ăn cho nhiều loài khác. Cùng với vi khuẩn và nấm men, tảo cũng được sử dụng như một tác nhân xử lý môi trường. 2.6.4 Những vi sinh vật khác Virus: là loài vi sinh vật nhỏ bé nhất trong giới vi sinh vật và hầu như bị tiêu diệt trong môi trường nước ô nhiễm hoặc nước thải. Virus chỉ tồn tại khi xâm nhập được vào tế bào sống như tế bào vi khuẩn. Khi đó, trong chu trình phát triển, chúng sẽ phá hủy tế bào vi khuẩn để nhân lên và phát tán ra môi trường xung quanh. Nếu quá trình làm tan tế bào này xảy ra trên những vi khuẩn có lợi thì quá trình tự làm sạch nước ô nhiễm và nước thải sẽ chậm lại. Nguyên sinh động vật: thường phát triển ở vùng đáy nguồn nước, trong đó thấy nhiều nhất là amip, trùng đế giày, thủy tức và trùng roi. Các loài nguyên sinh động vật thường chịu được các loại độc tố rất cao. Do đó việc loại bỏ chúng cũng gặp rất nhiều khó khăn. Hình 2.5 Hệ vi sinh vật trong nước thải CHƯƠNG 3 CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1.1 Nguyên tắc Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, có trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng giúp các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan của các chất trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng. Quá trình phân huỷ các chất dinh dưỡng làm cho các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển tăng số lượng tế bào (gia tăng sinh khối), đồng thời làm sạch các chất hoà tan hoặc các hạt keo nhỏ. Do vậy trước khi xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất có kích thước, trọng lượng lớn ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp sinh học có thể khử các chất sulfit, muối amon, nitrat…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của các quá trình này là khí CO2, H2O, khí N2, ion sulfat… 3.1.2 Các quá trình sinh học chủ yếu xảy ra trong xử lý nước thải 3.1.2.1 Hệ thống hiếu khí Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống hiếu khí trong nước thải gồm 3 giai đoạn: Oxy hóa các hợp 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 3.1.2.2Hệ thống kỵ khí. Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống xử lý kỵ khí gồm có các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Thủy phân Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, carbohydrate, lignin… , được cắt mạch thành các phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino axit, carbohydrate mạch đơn. Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ phân hủy phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Giai đoạn 2: Axit hóa Vi khuẩn lên men chuyển các chất hòa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi (chủ yếu là axit acetic, propionic và axit lactic), CO2, H2, NH3 và sinh khối mới. Sự hình thành các axit có thể làm giảm pH xuống 4.0 Giai đoạn 3: Acetic hóa Axit acetic hóa chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối. Giai đoạn 4: Methane hóa Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số lọai cơ chất nhất định như CO2, H2, acetate… 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 đoạn này acetate, H2, CO2….chuyển hóa thành methan và sinh khối mới. 3.1.3 Điều kiện áp dụng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Điều kiện đầu tiên để áp dụng phương pháp xử lý sinh học là nước thải phải chứa một lượng chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tăng nguồn cacbon và năng lượng cho sinh vật. Nước thải không có chất độc làm chết hoặc ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Hai thông số đặc trưng COD và BOD5 phải có tỷ lệ COD/BOD5 ≤ 2 hoặc BOD5/COD ≥ 0,5 mới có thể đưa vào xử lý sinh học (hiếu khí). Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học yếm khí. Ngoài ra, các điều kiện khác như hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ của nước thải,… cũng phải nằm trong khoảng giới hạn xác định để đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý. MỘT SỐ NGUYÊN TẮC TRONG XỬ LÝ HỢP CHẤT NITƠ Hợp chất Nitơ trong nước thải có nồng độ khác nhau trong từng loại nước thải, chủ yếu nằm ở dạng ammoniac hay các hợp chất hữu cơ dạng tan hoặc không tan. Nước thải chưa qua xử lý hoặc qua xử lý yếm khí chứa nitrate, nitrite với nồng độ rất thấp. Một phần hợp chất hữu cơ không tan được tách ra khỏi nguồn nước thải qua quá trình lắng sơ bộ. Trong quá trình xử lý yếm khí phần lớn nitơ ở dạng hợp chất không tan được chuyển ammoniac hoặc các dạng vô cơ tan (NO3-, NO2-). Một phần hớp chất chứa nitơ được vi sinh vật hấp thụ để xây dựng tế bào, thành phần hợp chất nitơ trong nước thải khi qua xử lý bậc hai là nitrate. Đối với nước thải sinh hoạt, quá trình xử lý thứ cấp chỉ loại bỏ không quá 30% tổng Nitơ trong nước thải. Tiến hành oxy hóa ammoniac, khử nitrate trong hệ thống xử lý nước thải khi có mặt chất hữu cơ phân hủy sinh học là tổ hợp các quá trình hiếu khí, thiếu khí chi phối, không những bị chi phối bởi chính các quá trình trên mà còn bị chi phối mạnh bởi sự có mặt của vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí (oxy hóa BOD), vi sinh vật dị dưỡng tùy nghi (khử nitrate) trong cùng một hệ. Mỗi quá trình được thực hiện trong những điều kiện không giống nhau. 3.2.1 Quá trình oxy hóa ammoniac. Nguyên tắc chung khi phối hợp hoặc tiến hành riêng rẽ quá trình xử lý oxy hóa nước thải chứa đồng thời hợp chất hữu cơ (BOD) và hợp chất nitơ (TKN) như sau: Tỷ lệ BOD / TKN trong nguồn nước thải quýet định việc lựa chọn hệ thống xử lý một hoặc hai giai đoạn đối với quá trình oxy hóa. Thông thường khi BOD / TKN > 5 sẽ áp dụng đồng thời (một giai đoạn) chất hữu cơ và hợp chất nitơ, khi BOD / TKN <3 sẽ áp dụng kỹ thuật xử lý hai giai đoạn. Khi áp dụng kỹ thuật xử lý một giai đoạn cần tính toán đồng thời hai quá trình ( tự dưỡng và dị dưỡng) xảy ra trong hệ, quá trình nào sảy ra chậm hơn thì các thông số phải đáp ứng cho quá trình đó và đồng thời phải đáp ứng thêm các yếu tố đặc thù để quá trình xảy ra nhanh hơn. Oxy hóa hai giai đoạn được tiến hành khi tỷ lệ BOD / TKN < 3. Kỹ thuật xử lý hai giai đoạn có những lợi thế linh hoạt, độ tin cậy cao, dễ tối ưu hóa. Giai đoạn đầu được sử dụng để loại bỏ BOD và vì vậy giai đoạn sau với mục đích xử lý nitơ được coi là giai đoạn bổ sung nâng cao một hệ thống xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải về mặt dinh dưỡng. Nồng độ BOD của đầu ra giai đoạn một ảnh hưởng đến hoạt động của giai đoạn nitrate hóa nồng độ cao sẽ kiềm hãm tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng, nồng độ thấp sẽ thuận lợi cho giai đoạn oxy hóa ammoniac nếu áp dụng phương pháp xử lý màng vi sinh vật. Phương pháp màng vi sinh vật được sử dụng để xử lý hợp chất nitơ giai đoạn sau là nhỏ giọt và đĩa quay sinh học. 3.2.2 Quá trình khử Nitrate Xử lý nitơ thường áp dụng sơ đố công nghệ kết hợp giữa oxy hóa ammoniac và khử nitrate. Sơ đồ công nghệ xử lý hợp chất nitơ là công nghệ hai giai đoạn hiếu khí và thiếu khí phối hợp với nhau. Hệ xử lý cùng hệ bùn hoặc từng quá trình oxy hóa và khử tiến hành riêng với hệ bùn độc lập. Để tổ hợp giữa oxy hóa ammoniac với khử nitrate cần phân tích các đặc trưng riêng của từng quá trình riêng rẽ. Trong quá trình oxy hóa ammoniac, phản ứng cần được cung cấp oxy, kiềm, pH nằm trong khỏang 7,2 – 8,6, chất hữu cơ tan hầu như được chuyển hóa hết thành CO2 và H2O. Trong quá trình khử nitrate, phản ứng đòi hỏi không có mặt của oxy, cần chất hữu cơ, sinh ra một lượng kềm nhỏ, pH thấp hơn so với quá trình oxy hóa, tốc độ khử nitrate nhanh hơn tốc độ oxy hóa ammoniac. MỘT SỐ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC. Các hệ thống sinh học hiếu khí 3.3.1.1 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 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. Bùn hoạt tính bao gồm các 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 trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là chất rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng và hệ keo vô định hình và bùn kỵ khí ở dạng bông và hạt màu đen. Nhũng vi sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh, động vật hạ đẳng. Vai trò cơ bản trong quá trình tự làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn. Hệ vi sinh vật đặc trưng trong bùn họat tính như Bacillus, Pseudomonas, Achrobacter, hổn 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 oxy tạo nên màng sinh học dạng nhầy có màu thay đổi theo thành phần nước thải. Trên lớp màng sinh học có chứa hàng tỷ tế bào vi khuẩn nấm men, nấm mốc... Tuy nhiên khác với hệ trong bùn hoạt tính thành phần loài và số lượng các loài sinh vật tương đối đồng nhất. Giai đoạn 1: bùn hoạt tính thành phần và phát triển. Lúc này cơ chất và 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 thời giai đọan này rất cao.Tốc độ tiêu thụ tăng dần, 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, hoạt 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 đoan 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 dần 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. Buøn dö Buøn hoaït tính Khoâng khí Nöôùc thaûi Nöôùc saïch Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí 3.3.1.2 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 trên màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng vi sinh hiếu khí là một hệ vi sinh tùy tiện. Ở ngoài cùng là lớp vi sinh vật hiếu khí