Khóa luận Ứng dụng công nghệ sinh học nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chế biến thủy sản

chất ức chế diệt vi sinh như: nước thải có hàm lượng kim loại cao hay hàm lượng chất vô cơ độc hại. Sau một thời gian phát triển chúng tạo thành quần thể sinh vật đồng thời kéo theo sự phát triển của các sinh vật thủy sinh. Quần thể sinh vật trong nước thải không giống nhau, mỗi loại nước thải có hệ sinh vật khác nhau. Các loài này không thể tổng hợp chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng, mà trong nước cần phải có chất hữu cơ để chúng phân hủy chuyển hóa thành những chất dinh dưỡng làm vật liệu xây dựng tế bào. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy này là CO2, H2O và một số khí khác như: CH4, H2S, Indol, Mecaptan, N2… Trong nước thải, chất bẩn chủ yếu là chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có chất tồn tại dưới dạng keo hay dạng lơ lửng. Các chất hữu cơ này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp thụ hay keo tụ sinh học, sau đó diễn ra quá trình đồng hóa và dị hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, mạch dài thành những chất có khối lượng nhỏ mạch ngắn có cấu tạo đơn giản hơn có thể thẩm thấu qua màng tế bào vào trong tế bào để chuyển sang quá trình phân hủy nội bào hay chuyển sang quá trình đồng hóa. 3.3.3.Quá trình làm sạch nước thải diễn ra theo 2 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc bề mặt tế bào vi sinh vật. Giai đoạn 2: Khuếch tán và hấp thụ chất ô nhiễm qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất này vào trong nội bào để sinh năng lượng và tổng hợp vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này liên quan chặc chẽ với nhau, kết quả là nồng độ chất ô nhiễm giảm dần, điều này thể hiện ở những vùng có vi sinh vật phát triển nhiều thì nồng độ chất ô nhiễm thấp hơn những vùng khác. -Quá trình phân hủy chất trong tế bào vi sinh vật diễn ra như sau: Các hợp chất bị oxy hóa đầu tiên là hydracacbon (tinh bột) và một số hợp chất hữu cơ khác. Nếu là tinh bột thì sẽ được hấp thụ qua bề mặt tế bào vi sinh vật theo cơ chế cảm ứng, lúc này vi sinh vật sẽ tiết ra enzim tương ứng để thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử thành các đường đơn giản. Đối với protein dưới tác dụng của men proteinaza xúc tác quá trình phân hủy thành polypeptic, pepton, axit amin và cuối cùng là NH4+, đối với chất béo thì sẽ phân hủy chúng thành glyxerin và axit béo. Các enzim này sẽ tách H+ ra khỏi phân tử enzim kết hợp với oxy tạo thành nước. Đường, rượu và các sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ khác sẽ được phân hủy tạo thành CO2 và H2O. Trung tâm của quá trình oxi hóa khử là quá trình hô hấp nội bào. Quá trình phân hủy hay quá trình oxi hóa khử không phải tất cả đều tạo ra CO2 và H2O, các sản phẩm phụ được tạo ra tham gia vào quá trình đồng hóa hay quá trình sinh tổng hợp vật chất tổng hợp tế bào để hình thành tế bào mới phục vụ cho quá trình sinh trưởng. Song song với quá trình đồng hóa trong tế bào luôn xảy ra quá trình dị hóa tạo ra năng luợng phục vụ cho quá trình đồng hóa. Các phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ là phản ứng phân hủy hay phản ứng oxi hóa khử trong quá trình hô hấp của vi sinh vật. Có 2 loại phản ứng phân hủy: phân hủy hiếu khí và phân hủy kị khí. Cơ chất của phản ứng oxi hóa ở đây là các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, được thể hiện bằng BOD. Do hoạt động sống của vi sinh vật, các chất bẩn có trong nước thải sẽ được làm sạch và đồng thời sản phẩm phân hủy sẽ phục vụ cho vi sinh vật sinh trưởng và tăng sinh khối. 3.3.4.Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong nước thải -Quá trình phân hủy hiếu khí: Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Vi sinhvật sau khi tiếp xúc với nước thải có chứa các chất hữu cơ thì chúng sẽ dần dần phát triển. Vận tốc phát triển của chúng tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy hòa tan trong nước. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ sẽ tạo ra môi trường kị khí. Như vậy trong quá trình phân hủy hiếu khí thì vận tốc trao đổi của vi sinh vật phải luôn thấp hơn vận tốc hòa tan của oxy trong nước khi nồng độ chất dinh dưỡng trở thành yếu tố giới hạn. Thực vật phù du cùng với các sinh vật tự dưỡng khác sử dụng CO2 và khoáng chất để tổng hợp các chất hữu cơ làm tăng sinh khối và làm giàu oxy trong nước thải. Oxy cần có trong quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vì vậy mà chất hữu cơ trong nước giảm dần. Quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra mạnh mẽ nếu dùng các biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật làm sạch nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí ưa ấm. Vì vậy mà nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của vi sinh vật, nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý là 20 - 400C, tối ưu là 25 - 300C. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải gồm 3 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Oxy hóa chất hữu cơ CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Giai đoạn 2: Tổng hợp xây dựng tế bào CxHyOz + O2 tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Giai đoạn 3: Oxy hóa chất liệu tế bào C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH2 ± ∆H +Động học của quá trình xử lý hiếu khí: Sự phát triển của vi sinh vật: Sự tăng trưởng của vi sinh vật theo dạng đường cong ABCDE A B C D E Thời gian Mật độ TB . . . . . Hình 3.2. (Sự phát triển của vi sinh vật) Quá trình sinh trưởng chia thành các giai đoạn sau: (a) Giai đoạn tiềm phát (AB) (giai đoạn sinh trưởng chậm) Vi sinh vật cần thời gian để thích nghi với môi trường và ở cuối giai đoạn này vi sinh vật mới bắt đầu phát triển và khi đó các tế bào mới tăng về số lượng nhưng chủ yếu kích thước tế bào phát triển còn số lượng tăng không đáng kể X = X0, (X: sinh khối vi sinh vật, mg/l) (b) Giai đoạn lũy tiến (BC) (giai đoạn tăng trưởng logarit) Vi sinh vật phát triển theo hàm logarit và tốc độ tăng trưởng riêng đạt giá trị cực đại. Trong suốt thời kỳ này các tế bào phân chia theo tốc độ xác định bởi thời gian sinh sản, khả năng thu nhận và đồng hóa thức ăn. (c) Giai đoạn phát triển ổn đinh (CD) (giai đoạn cân bằng) Số lượng tế bào VSV được giữ ở mức không đổi (số lượng tế bào mất đi bằng số lượng tế bào mới sinh ra). Tính chất sinh lý tế bào vi sinh vật thay đổi, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. (d) Giai đoạn suy vong (DE) (giai đoạn tự chết) Trong giai đoạn này tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần tốc độ chết vượt xa tốc độ sinh sản. Tốc độ tăng trưởng riêng Nồng độ cơ chất để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học hiếu khí diễn ra có hiệu quả thì ta phải đảm bảo các điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH, các chất dinh dưỡng, trong môi trường phải không có các chất độc, đảm bảo điều kiện tốt nhất cho hệ vi sinh. Tốc độ tăng trưởng tế bào [2]: : tốc độ tăng trưởng riêng KS: hằng số bán bão hòa = f (T, pH, các chất độc…) max : tốc độ sinh trưởng riêng cực đại (s-1, ngày-1) S: nồng độ cơ chất (mg/l) X: nồng độ sinh khối vi sinh vật (mg/l) Sự tăng trưởng của tế bào và việc sử dụng chất nền [2]: Trong cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ và liên tục, một phần cơ chất được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hóa thành các chất vô cơ. Do các tế bào mới phải tiếp tục sử dụng các chất nền có trong nước thải và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập được quan hệ giữa sự tăng trưởng của tế bào và viếc sử dụng chất nền. Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (là tỉ số giữa khối lượng tế bào với khối lượng chất nền được tiêu thụ trong một đơn vị thời gian nhất định ở pha sinh trưởng logarit) rsu: tốc độ sử dụng chất nền (mg/l.s), (mg/l.ngày) Với : tốc độ sử dụng chất nền cực đại trên một đơn vị sinh khối Ảnh hưởng của hô hấp nội bào: Trong các công trình xử lý nước thải, không phải tất cả các tế bào vi sinh vật đều có tuổi như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng logarit mà có những tế bào già, chết và sinh trưởng chậm. Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật ta phải xét đến tổ hợp các hiện tượng này và ta giả thiết sự giảm khối lượng của tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỷ lệ với nồng độ vi sinh vật có trong nước thải. Ta gọi sự giảm khối lượng này là hô hấp nội bào. Tốc độ hô hấp nội bào [2]: Kd: hệ số phân hủy nội bào (1/ngày) X: nồng độ sinh khối (mg/l, g/m3…) Kết hợp với quá trình phân hủy nội bào, tốc độ tăng trưởng thực của tế bào: rg’: tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn Tốc độ tăng trưởng riêng thực: (1/ngày) Tốc độ tăng sinh khối của bùn hoạt tính: Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng sinh hóa của quá trình xử lý sinh học. Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình truyền tải oxy vào trong nước, quá trình trao đổi chất và quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hóa trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn theo công thức [2]: K20: tốc độ phản ứng ở 200C KT: tốc độ phản ứng ở T0C : hệ số nhiệt (=1,047) -Các quá trình sinh học hiếu khí chủ yếu dùng trong xử lý nước thải: +Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính: Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải sẽ bắt đầu sinh trưởng và phát triển. Trong nước thải bao giờ cũng có những hạt chất rắn lơ lững khó lắng, các chất này sẽ là nơi dính bám của vi khuẩn và phát triển thành những bông cặn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ trong nước. Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo thì chúng sẽ lơ lững trong nước và lớn lên dần do quá trình hấp thụ nhiều chất lơ lững nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật, chất độc có trong nước. Khi ngừng thổi khí hay nguồn chất dinh dưỡng trong nước cạn kiệt thì những bông cặn này sẽ lắng xuống đáy tạo thành bùn, bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn kết lại tạo thành bông với nhân trung tâm là chất lơ lững có trong nước. Bông này có màu nâu kích thước từ 2 -150mm. Bông này gồm có vi sinh vật sống và cặn (chiếm khoảng 20 - 40% thành phần cấu tạo bông, nếu trong môi trường hiếu khí và khuấy trộn đều thì hàm lượng cặn chỉ còn 20%). Vi sinh vật ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh… Các chất keo trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp thụ các chất có trong nước, vi khuẩn, chất màu, mùi trong nước thải làm cho hạt bùn lớn dần và đồng thời lượng bùn cũng tăng dần rồi từ từ lắng xuống đáy (bùn hoạt tính khi lắng xuống tạo thành bùn già và hoạt tính trở nên giảm, tuy nhiên nếu được hoạt hóa trong môi trường thích hợp thì chúng có thể khôi phục trở lại). Kết quả nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn, nước thải được làm sạch. Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông của bùn. Bông tạo ra ở giai đoạn trao đổi chất có tỷ lệ chất dinh dưỡng và sinh khối của vi sinh vật thấp dần. Tỷ lệ này thấp sẽ đặc trưng cho nguồn năng lượng thấp của hệ thống và dẫn đến giảm dần năng lượng chuyển động. Động năng tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn, nếu động năng nhỏ thì tác động đối kháng cũng nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn lẫn nhau. Diện tích bề mặt tế bào, sự tạo thành vỏ nhầy và tiết ra dịch là nguyên nhân kết dính tế bào vi khuẩn với nhau. Trong bùn hoạt tính ta còn thấy xuất hiện động vật nguyên sinh, chúng tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ, điều chỉnh loài và quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già và đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm bùn xốp, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ và làm kết lắng bùn nhanh. Để phát huy vai trò của bùn hoạt tính, ta phải chú ý đến hàm lượng oxy hòa tan trong nươc, nồng độ và tuổi bùn, chất độc trong nước, nhiệt độ nước thải và pH, chất dinh dưỡng trong nước. Khi cân bằng dinh dưỡng ta có thể sử dụng Urê, NH4OH, muối amon làm nguồn cung cấp N, muối phothat, supephotphat làm nguồn cung cấp P. Trong trường hợp BOD trong nước nhỏ hơn 500mg/l thì chọn nồng độ N trong muối amôn là 15mg/l và P (theo P2O5) là 2mg/l. Nếu 500 < BOD <1000 mg/l thì chọn thông số tương ứng là 25 và 8mg/l. Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng hợp chất rất thích hợp cho tế bào vi sinh vật hấp thụ và đồng hóa. Nguồn N (dạng NH4+) và P (dạng photphat) là những chất dinh dưỡng tốt nhất cho vi sinh vật. Ngoài ra, nếu thiếu các nguyên tố dinh dưỡng như nguyên tố K, Mg, S, Fe, Zn, Ca… sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Nếu thiếu N sẽ kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật và ngăn cản quá trình oxy hóa – khử trong tế bào vi sinh vật, nếu lâu dài làm cho vi sinh vật không sinh sản, không tăng sinh khối, gây cản trở cho quá trình sinh hóa làm bùn khó lắng. Thiếu P làm xuất hiện vi khuẩn dạng sợi giảm hiệu quả lắng, quá trình oxy hóa chất hữu cơ của bùn hoạt tính giảm. Các vi sinh vật trong bùn chủ yếu là 4 lớp protozoa: Sacrodina, Mastgophora, Ciliata, Suctoria hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sacrodina. -Sinh trưởng bám dính – màng sinh học: Trong bể sinh học thường sử dụng những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽ dính bám trên bề mặt giá đỡ. Trong số các vi sinh vật, có một số sinh vật có khả năng tạo ra polysacrit, chất này có tính dẻo hay còn gọi là polyme sinh học, chất này tạo thành màng sinh học. Màng này ngày càng dày thêm, thực chất đây là sinh khối của vi sinh vật dính bám trên các giá đỡ. Màng này có khả năng oxy hóa chất hữu cơ có trong nước thải khi cho nước thải chảy qua hay tiếp xúc với màng, ngoài ra màng còn có tác dụng hấp thụ các chất bẩn và trứng giun sán… Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa chất hữu cơ trong nước khi chúng tiếp xúc với màng. Màng này thường dày từ 1 – 2mm và có thể dày hơn nữa. Màu của màng có thể thay đổi, tùy theo thành phần của nước thải mà màu biến đổi từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Trong qui trình xử lý, nước thải chảy qua phin lọc sinh học và cuốn theo các mảnh vỡ của màng với kích thước từ 15 – 20 mm có màu vàng xám hay màu nâu. Các phin lọc dùng trong xử lý nước thải thường sử dụng bằng vật liệu cát hay sỏi, được sắp xếp như sau: ở dưới cùng là lớp sỏi cuội có kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên là cát hạt to rồi đến hạt nhỏ. Chiều dày của lớp cát thường từ 7 – 10cm, trên bề mặt những hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ … giữa chúng sẽ tạo thành một màng nhầy, lớp màng này lớn dần lên và chúng được gọi là màng sinh học. Màng này được tạo ra từ hàng triệu tế bào vi khuẩn và cả động vật nguyên sinh. Khác với quần thể sinh vật trong bùn hoạt tính, vi sinh vật trong màng lọc sinh học tương đối đồng nhất về thành phần loài và số lượng sinh vật. Khi nước thải chảy qua màng lọc sinh học, do hoạt động sống của vi sinh vật sẽ làm thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước, các chất hữu cơ dễ phân giải sẽ được vi sinh vật phân giải trước với tốc độ nhanh, đồng thời số lượng quần thể vi sinh vật cũng phát triển nhanh. Chất hữu cơ khó phân hủy sẽ được phân giải sau với tốc độ chậm hơn. Màng lọc sinh học thực chất là một hệ nhiều loài vi sinh vật, ngoài vi sinh vật hiếu khí còn có vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kị khí. Ở lớp ngoài cùng màng là lớp hiếu khí, lớp này chủ yếu là trực khuẩn Bacillus sống. Lớp trung gian là lớp vi khuẩn tùy nghi như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus, Microccus. Lớp sâu bên trong là vi sinh vật kị khí như vi khuẩn khử lưu huỳnh và khử nitrat. Phần dưới cùng của màng là quần thể vi sinh vật với sự có mặt của nguyên sinh động vật và một số vi sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng vi sinh để làm thức ăn dẫn đến việc tạo ra những lỗ nhỏ trên bề mặt vật liệu làm chất màng. Quần thể vi sinh vật của màng có tác dụng như bùn hoạt tính. Phần phía trên của màng lọc sinh học là nơi dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới cùng là ít nhất. Các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận lượng oxy nên chuyển sang phân hủy kị khí. Sản phẩm của quá trình biến đổi kị khí là alcol, axit hữu cơ…. Các chất này chưa kịp khuếch tán đã bị vi sinh vật khác hấp thụ vì vậy mà không ảnh hưởng lớn đến màng lọc. Với đặc điểm như vậy mà màng lọc có thể oxy hóa chất hữu cơ, màng này dày lên làm bịt kín các khe hở, nước qua màng lọc chậm dần từ đó phin lọc làm việc có hiệu quả hơn. Nếu lớp màng quá dày thì ta có thể dùng nước rửa để loại bỏ màng và phin chảy nhanh hơn, tuy nhiên hiệu quả lọc giảm dần nhưng chúng sẽ khôi phục trở lại. Nước đưa vào xử lý cần phải lọc sơ bộ để loại bỏ các tạp chất lớn. Hiệu quả của phin lọc có thể giữ đuợc 99% vi khuẩn -Quá trình phân hủy kị khí: Quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra trong điều kiện không có oxy nhờ sự hoạt động của hệ vi sinh vật sống thích nghi ở điều kiện kị khí. Các sản phẩm của quá trình phân hủy kị khí là axit hữu cơ, các ancol cuối cùng là NH3, H2S và chủ yếu là CH4, vì vậy mà quá trình này còn gọi là quá trình lên men kị khí sinh mêtan hay lên men mêtan. -Quá trình phân hủy kị khí gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân thành đường đơn giản, protein bị thủy phân thành albomoz, pepton, peptic, axit amin, chất béo thủy phân thành glyxerin và axit béo. Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thủy phân này tiếp tục phân hủy tạo thành khí CO2, CH4 ngoài ra còn có một số khí khác như: H2, N2, H2S và một ít muối khoáng. Các hydratcacbon bị phân hủy sớm nhất và nhanh nhất, hầu hết chuyển thành CO2, CH4. Các hợp chất hữu cơ hòa tan bị phân hủy gần như hoàn toàn (axit béo tự do hầu như phân hủy gần 80-90%, axit béo loại este phân hủy gần 65-68%). Riêng hợp chất chứa lignin là chất khó phân hủy nhất, chúng là nguồn tạo ra mùn. Trong quá trình phân hủy chất hữu cơ ở điều kiện kị khí, sản phẩm cuối cùng chủ yếu là CH4 chiếm 60 -75%. Quá trình lên men mêtan gồm 2 pha điển hình: pha axit và pha kiềm. Ở pha axit, hydratcacbon (xenlulozơ, tinh bột, các loại đường…) dễ bị phân hủy tạo thành axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (axit propionic, butyric, axetic…). Một phần chất béo cũng chuyển thành axit hữu cơ. Đặc trưng của pha này là tạo thành axit, pH của môi trường có thể thấp hơn 5 và xuất hiện mùi hôi. Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan có chứa nitơ tiếp tục phân hủy thành những hợp chất amôn, amin, muối của axit cacbonic và tạo thành một số khí như CO2, N2, CH4, H2, H2S, indol, mecaptan gây mùi khó chịu, lúc này pH của môi trường bắt đầu tăng chuyển sang trung tính và sang kiềm. Ở pha kiềm, đây là pha tạo thành khí CH4. Các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho quá trình lên men mêtan và tạo thành CH4, CO2. pH của pha này chuyển hoàn toàn sang môi trường kiềm. Quá trình thủy phân các chất hữu cơ trong môi trường kị khí là quá trình phức tạp với sự tham gia của nhiều vi sinh vật kị khí. Nhiệt độ phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kị khí là 10 -150C, 20 - 400C và trên 400C. thời gian lên men kéo dài trong khoảng 10 -15 ngày, nếu ở nhiệt độ thấp thì quá trình lên men kéo dài hàng tháng. 3.3.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến đời sống của vi sinh vật trong nước thải: Một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến vi sinh vật trong nước thải đó là chất độc, đặc biệt là kim loại nặng. Các kim loại được xếp theo mức độ ảnh hưởng như sau: Sb, Ag, Cu, Hg, Co, Ni, Pb, Cr, Zn, Fe. Các kim loại này có nồng độ từ vài phần triệu ppm đến vài phần nghìn ppm thì tác dụng đến sinh trưởng của vi sinh vật. Các kim loại này khi xâm nhập vào tế bào của vi khuẩn, chúng có thể bị giữ lại trong tế bào và phá hủy hệ thống ezim trong tế bào vi sinh vật từ đó làm ảnh hưởng đến tính thẩm thấm của tế bào. Các anion như: xianua, florua, asenat, cromat, bicacbonat đều có các ảnh hưởng tương tự. Các halogen và một số hợp chất hữu cơ khác cũng tham gia vào quá trình phân hủy protein hay thủy phân các thành phần khác của tế bào. Nồng độ muối vô cơ ảnh hưởng đến khả năng hình thành bùn, khi nồng độ muối clorit tăng lên 20g/l sẽ làm giảm chất luợng làm sạch nước thải. Bảng: 3.1. Các nguyên tố đa và vi lượng cần cho hoạt động sống của vi sinh vật: tên nguyên tố Nồng độ mg/mgBOD Mg 10-4 Cu 16,4.10-5 Zn 16.10-5 Mb 42.10-5 Ca 620.10-5 Na 5.10-5 K 450.10-5 Fe 1200.10-5 Nguyên tố đa lượng cung cấp đầy đủ sao cho: BOD : N : P = 100 : 5 : 1 COD : N : P = 150 : 5 : 1 pH cao quá hay thấp quá sẽ ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật, nếu pH 9 sẽ phá hủy trạng thái cân bằng của nguyên sinh chất, dẫn đến sự diệt vong của tế bào vi sinh vật. Do đó pH tối ưu là 6,5– 8,5. 4.1. Phương pháp hiếu khí 4.2. Phương pháp kị khí 4.3. Phương pháp dùng thực vật thủy sinh CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 4.1. Phương pháp hiếu khí: Phương pháp này dựa trên cơ sở hoạt động phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải của các vi sinh vật. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình phát triển, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Phương pháp này được sử dụng để xử lý hồn tồn các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải. Công trình xử lý sinh học thường được đặt sau khi nước thải được xử lý sơ bộ qua các quá trình xử lý cơ học, hóa học, hóa lý.Các phương pháp sinh học có thể được phân chia dựa trên các cơ sở khác nhau, song nhìn chung có thể chia thành hai loại chính như sau: -Hiếu khí sinh trưởng lơ lửng. -Hiếu khí sinh trưởng dính bám. 4.1.1. Hiếu khí sinh trưởng lơ lửng: Nguyên lý của phương pháp này là dựa trên quá trình sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải, chúng sống và hoạt động lơ lửng trong nước thải, khi có các hợp chất hữu cơ thì chúng bám vào các chất hữu cơ và làm nguồn thức ăn và nơi cư trú, sau khi sử dụng hết các chất hữu cơ chúng tiến hành quá trình tự lắng. Sau đây là giới thiệu một số công trình hiếu khí lơ lửng: 4.1.1.1. Bể SBR: Loại bể này sử dụng khá phổ biến trong công trình xử lý nước thải chế biến thủy sản. SBR ( sequencing batch reactor): Bể phản ứng theo mẻ l dạng công trình xử lí nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính , nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một kết cấu. Hệ thống SBR là hệ thống dùng đểxử lý nước thải sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao. Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm nước thải – phản ứng – lắng – hút nước thải ra; trong đó quá trình phản ứng hay tạo cặn gọi chung là quá trình tạo hạt (bùn hạt hiếu khí), quá trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, đặc điểm chất nền trong nước thải đầu vào. -Các quá trình xãy ra trong bể SBR: Qu trình phn hủy hiếu khí cơ chất đầu vào và nitrat hóa. Qu trình được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng, khi điều kiện cấp khí và chất nền được đảm bảo trong bể sẽ diễn ra các quá trình sau: • Oxy hóa các chất hữu cơ CxHyOz + (x+y/4 – z/2) O2 → x CO2 + y/2 H2O • Tổng hợp sinh khối tế bào n(CxHyOz) + nNH3+ n(x+y/4 –z/2-5)O2→(C5H7NO2)n + n(x-5)CO2 + n(y-4)/2 H2O • Tự oxy hóa vật liệu tế bào (phn hủy nội bào) (C5H7NO2)n + 5NO2 → 5n CO2 + 2n H2O + nNH3 • Quá trình nitrit hóa 2NH3 + 3O2 → 2NO2- + 2H+ + 2H2O (vi khuẩn nitrosomonas) ( 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O) 2NO2- + O2 → 2NO3- (vi khuẩn nitrobacter) Tổng phản ứng oxy hóa amoni: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + 2H2O -Thành phần vi sinh vật trong bể SBR: Bảng 4.1. Thành phần vi sinh vật trong bể SBR: STT Vi khuẩn Chức năng 1 Pseudomonas Phân huỷ hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ….và khử nitrat 2 Arthrobacter Phân huỷ hydratcacbon 3 Bacillus Phân huỷ hydratcacbon, protein…. 4 Cytophaga Phân huỷ polimer 5 Zoogloea Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích luỹ poliphosphat, khử nitrat 7 Nitrosomonas Nitrit hoá 8 Nitrobacter Nitrat hoá 9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân huỷ các chất hữu cơ 10 Alkaligenes Phân huỷ protein, khử nitrat 11 Flavobacterium Phân huỷ protein 12 Nitrococus denitrificans Khử nitrat (khử nitrat thành N2) 13 Thiobaccillus denitrificans 14 Acinetobacter 15 Hyphomicrobium 16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat Nguồn:công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học của PGSTS. LƯƠNG ĐỨC PHẨM Hệ vi sinh vật trong bễ SBR bao gồm tất cả các loại vi khuẩn và các Eukaryote cực nhỏ, có thể phân chia thành 5 nhóm chính: các vi sinh vật dạng bọt khí, thực vật hoại sinh, các vi khuẩn nitrat hoá, động vật ăn thịt và các sinh vật gây hại. Các vi sinh vật tạo bọt khí: có vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hoá sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bởi vì nếu không có chúng thì sinh khối không thể được phân chia từ quá trình xử lý nước thải hay các chất ô nhiễm hữu cơ dạng keo không thể bị đào thải. Các vi sinh vật tạo bọt khí thường là động vật nguyên sinh và nấm, chúng làm cho vi khuẩn kết bông lại. Tuy nhiên chiếm ưu thế hơn hẳn vẫn là các vi khuẩn trong đó Zooglea ramigera đóng vai trò khá quan trọng Vi sinh vật hoại sinh: là các vi sinh vật có khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ. Đây là các vi khuẩn dị dưỡng đầu tiên và hầu hết chúng ở dạng kết chùm. Các v