Luận văn Nghiên cứu xử lý nước thảI từ sản xuất giấy táI chế tại công ty Bình Minh

trung hoà hay không và tính lượng hoá chất cần thiết trong quá trình xử lý đông keo tụ và khử khuẩn. Sự thay đổi trị số pH làm thay đổi các quá trình hoà tan hoặc keo tụ, làm tăng, giảm vận tốc của các phản ứng hoá sinh xảy ra trong nước. 4.1.2. Độ oxi hoà tan (DO) Nồng độ ôxi hoà tan trong nước rất cần cho vi sinh vật hiếu khí bình thường oxi hoà tan trong nước khoảng 8 - 10 mg/l chiếm 70 - 80% khí ôxi bão hoà. Mức oxi hoà tan trong nước tự nhiên và nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm hữu cơ, vào hoạt động của thủy sinh, các hoạt động hoá sinh, hoá học và vật lý của nước. Trong môi trường nước bị ô nhiễm nặng ôxi được dùng nhiều cho quá trình hoá sinh và xuất hiện hiện tượng thiếu oxi trầm trọng. Phân tích chỉ số oxi hoà tan (DO) là một lượng những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp ta đề ra các phương pháp xử lý thích hợp. 4.1.3. Hàm lượng các chất rắn trong nước Tổng chất rắn được xác định bằng trọng lượng khô phần còn lại sau khi cho bay hơi 11 mẫu nước trên bếp cách thủy rồi sấy ở 1030C cho tới khi trọng lượng không đổi. + Chất rắn lơ lửng ở dạng huyền phù (cặn lơ lửng): Hàm lượng các chất huyền phù là trọng lượng khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh, khi lọc 11 mẫu nước pha qua phễu lọc Gooch rồi sấy ở 1050C tới trọng lượng không đổi. 20 + Chất rắn hoà tan (DS): Hàm lượng chất rắn hoà tan chính là hiệu số của tổng chất rắn với chất rắn huyền phù. + Chất rắn bay hơi (VS): Hàm lượng chất rắn bay hơi trong nước thường biểu thị cho chất hữu cơ có trong nước. Nó là trọng lượng mất đi khi nung chất rắn huyền phù (SS) ở 5500C trong khoảng thời gian xác định, thời gian nung phụ thuộc vào bản chất nước đem nung. + Chất rắn có thể lắng: là số ml phần chất rắn của 11 mẫu nước đã lắng xuống đáy phễu sau khoảng thời gian xác định. 4.1.4. Độ mầu Nước thải thường có màu nâu, đỏ nâu hoặc đen được phân làm 2 dạng: + Mầu thực do các chất hoà tan hoặc dạng keo + Mầu biểu kiến là mầu của các chất lơ lửng trong nước tạo lên. Có nhiều phương pháp xác định mầu của nước nhưng người ta thường dùng phương pháp so mầu với dung dịch chuẩn Clorophantinat coban. 4.1.5. Độ đục Độ đục của nước thải 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 hưởng đến khả năng quang hợp của các vi sinh vật tự dưỡng trong nước. Vi sinh vật có thể bị hấp thụ bởi các chất rắn lơ lửng sẽ gây khó khăn khi khử khuẩn. Độ đục có thể đo bằng máy đo mầu quang điện với kính lọc mầu đỏ có bước sáng 580 - 602 nm. 4.1.6. Tổng chất huyền phù T.S.S Các chất huyền phù là các chất rắn tồn tại lơ lửng trong nước thời gian tương đối dài. Chúng bao gồm các phần tử có kích thước khoảng từ 10-1 cm đến 10-4 cm và có tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của nước. Các chất huyền phù làm tăng độ đục nước nên có thể loại chúng ra khỏi nước bằng các phương pháp xử lý cơ học như lắng, đọng, lọc hoặc keo tụ. 21 4.1.7. Chỉ số BOD (nhu cầu oxi hóa sinh hóa) Nhu cầu oxi sinh hoá (BOD) là lượng oxi cần thiết để oxi hoá các chất hữu cơ có trong nước thải bằng sinh vật (chủ yếu vi khuẩn) hoạt sinh, hiếu khí. Quá trình này được gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Tóm tắt quá trình: Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O Vi sinh vật Tế bào mới (tăng sinh khối) Quá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, vào các chủng vi sinh vật, nhiệt độ của nước, cũng như một số chất có độc tính trong nước. Bình thường 70% nhu cầu O2 được sử dụng trong 5 ngày đầu 20% trong 5 ngày tiếp theo và 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21. 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 để phân hủy có trong nước thải. + Làm cơ sở tính toán kích thước các công trình xử lý. + Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình. + Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lý được phép thải vào các nguồn nước hoàn toàn chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học, mà chỉ xác định lượng oxi cần thiết trong năm ngày đầu ở nhiệt độ 200C trong bóng tối, trong phòng tối để tránh quá trình quang hợp trong nước. Chỉ số này gọi là BOD5 chỉ số này được dùng hầu hết ở các nước trên thế giới. Trong nước thải có hàm lượng chất hữu cơ lớn lượng oxi hoà tan không đủ đáp ứng cho 5 ngày đầu ở 200C . Để xác định BOD5 thường dùng phương pháp pha loãng mẫu nước bằng cách bổ sung vào một số chất khoáng và làm bão hoà oxi hoà tan. 4.1.8. Chỉ số COD (nhu cầu oxi hoá) Nhu cầu oxi hoá học (COD) là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hoà tan toàn bộ các chất hữu cơ có trong nước thành CO2 và H2O. 22 Để xác định COD người ta thường sử dụng một chất oxi hoá mạnh trong môi trường axít. Chất oxi hoá thường dùng K2Cr207. Phản ứng oxy hóa: Ag2S04, t0 Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + H+ CO2 + H2O + 2Cr2- + 2K+ Trong trường hợp các nguồn nước thải không có chất độc và tương đối ổn định về thành phần nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thực phẩm ta có thể xác định một hệ số chuyển đổi từ COD ra BOD và ngược lại vì vậy có thể sử dụng giá trị phép đo COD là chỉ số chất hữu cơ bị phân hủy trong quá trình xử lý nước thải. 4.1.9. Hàm lượng Nitơ Nitơ có trong nước thải thường ở trong hợp chất Protein và các sản phẩm phân hủy: amôn, nitrat, nitrit. Chúng có vai trò quan trọng trong hệ sinh thái nước. Mối quan hệ giữa BOD5 và N, P có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và khả năng oxi hoá của bùn hoạt tính. Trong quá trính xử lý nước thải người ta cần xác định các chỉ số N- NH3, NO3-NO2, để đánh giá mức độ và giai đoạn phân huỷ chất hữu cơ trong nước thải đồng thời đề ra phương pháp khử nitrat nếu quá lượng cho phép và đồng thời tạo điều kiện cho các vi khuẩn phản nitrat hoá hoạt động chuyển iôn về Nitơ phân tử. 4.1.10. Hàm lượng Photpho Photpho tồn tại ở trong nước với các dạng H2PO4-, HPO4-, PO3-4, các pholyphosphat như Na3(PO3)6 và photphate hữu cơ. Đây là nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thủy vực. Trong nước thải ta cần xác định hàm lượng P tổng số để xác định tỷ số BOD5 : N : P nhằm chọn kỹ thuật bùn hoạt tính thích hợp cho quá trình xử lý. Ngoài ra cũng nên xác lập tỉ số giữa P và N đánh giá mức dinh dưỡng có trong nước. 23 4.1.11. Vi sinh vật trong nước thải Vi sinh vật trong nước thải chiếm đa số về loài và số cá thể trong tập đoàn sinh vật của nước thải. Nước thải càng bẩn càng phong phú vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn. Vi khuẩn đóng vai trò đặc biệ quan trọng các quá trình phân hủy các chất hữu cơ có trong nước. Chúng có ý nghĩa rất lớn trong hệ sinh thái của trái đất. Tuỳ thuộc vào phương thức dinh dưỡng vi khuẩn được làm 2 nhóm: dị dưỡng và tự dưỡng. a) Vi khuẩn dị dưỡng: sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cơ chất cácbon và năng lượng trong các quá trình sinh tổng hợp. Phân hủy các chất hữu cơ ở vi khuẩn được mô tả như sau: - ở vi khuẩn hiếu khí Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + năng lượng - ở vi khuẩn kỵ khí hay hiếm khí (anaerobic): Chất hữu cơ + NO3 CO2 + N2 + năng lượng Chất hữu cơ + SO4 CO2 + H2O + năng lượng Chất hữu cơ axit hữu cơ + CO2 + SO2 + CH4 + năng lượng Năng lượng được giải phóng trong quá trình biến đổi hoá sinh được sử dụng vào tổng hợp tế bào mới, phát triển tăng sinh khối và một phần thoát ra ở dạng nhiệt. b) Vi khuẩn tự dưỡng (autrophic) có khả năng oxy hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cácbon cho các quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrit hoá, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt. c) Hệ vi sinh vật đường ruột và vi sinh vật gây bệnh trong nước thải: Trong công tác giám sát ô nhiễm, người ta thường dùng vi sinh vật chỉ thị. Chỉ cần xác định chỉ thị ta có thể kết luận nước có bị nhiễm phân hay không và nước có thể có hoặc không có những vi sinh vật gây bệnh đường ruột. 24 Có 3 nhóm vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm phân: - Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli (E.coli). - Nhóm Streptococci đặc trưng là Streptpcoccus faecalis. - Nhóm Clostridia khử sunfit đặc trưng là Clostridium perfringens. Trong 3 nhóm này thì E.coli hay được dùng nhất. Xác định E.coli và kết quả thể hiện bằng 2 cách tính: chuẩn coli (là số ml nước có một tế bào E.coli) và chỉ số coli (là số tế bào có trong 1ml nước). 4.2. Các phương pháp xử lý nước thải 4.2.1. Một số nguyên tắc khi tiến hành xử lý nước thải. Trước hết phải xem nước thải từ các công đoạn công nghệ có những đặc điểm nào cần quan tâm đặc biệt để tránh pha loãng không cần thiết và không có lợi. Do vậy cần phải thực hiện nguyên tắc sau: - Nước làm mát thiết bị (nếu không tham gia vào chu trình hở), nước mưa không ô nhiễm được thải vào hệ thống riêng hoặc có thể tái sử dụng. Nước mưa bị ô nhiễm đưa đến trạm xử lý. - Nước thải có nồng độ nhiễm bẩn cao hay có chất ô nhiễm đặc biệt được thu gom riêng biệt (nước chứa xianua (CN), cromat, nước muối...). Cần có biện pháp xử lý riêng hoặc cục bộ cho loại nước thải này. - Nước thải chứa chất có giá trị hoặc có thể dùng lại được xử lý sơ bộ trước khi trộn với các nước ô nhiễm khác. - Dòng thủy lực và dòng ô nhiễm khi có biến động quá lớn được điều chỉnh bằng: - Có bể chứa nước mưa khi giông bão, có bể đặt phân nhánh để chứa nước ô nhiễm ban đầu vào giờ cao điểm. Từ các bể này tuỳ theo mức độ sẽ điều chỉnh vào hệ thống xử lý. - Bể đồng nhất hoá hay bể trộn nước dự trữ trong một vài giờ, có khi tới một ngày. ở đây nước thải qua phân xưởng hoặc phải được đồng nhất, tránh các đỉnh ô nhiễm cao làm sai lệch chế độ làm việc của hệ thống và thiết bị. 25 - Các bể dự phòng thường bỏ trống để chứa nước thải thô trong trường hợp nước có đặc tính bất thường (có độc tính) hay nước thải trong quá trình xử lý phải thiết lập một công đoạn phía sau. Cả hai chức năng này có thể gộp lại thành một bể chứa. Thời gian dự trữ phải được vài ngày. 4.2.2. Xử lý riêng biệt các loại nước thải. Thu hồi giá trị của sản phẩm phụ lẫn vào nước (tuyển nổi thu hồi bột giấy trong các nhà máy giấy tái chế). Hoặc là xử lý nước thải bằng biện pháp riêng lẻ hơn (khử sunfat bằng oxit đó dùng trong việc lọc nước). Hoặc là loại bỏ độc hại (crom, dung môi, sunfua) cần thiết trước khi xử lý sinh học. Hoặc bằng các tối ưu hoá quy trình xử lý sinh học: metan hoá công đoạn trước đối với nước thải đặc (BOD5 > 2000) sau khi xử lý hiếu khí. Xử lý hoá lý, tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể ta có thể đưa công đoạn hoá lý vào hệ thống thành công đoạn trung gian trước xử lý sinh học hay ở giai đoạn kết thúc với các mục đích: - Kết tủa kim loại hoặc muối độc hại. - Loại bỏ nhũ tương. - Làm trong, đồng thời làm giảm BOD5 dạng keo và COD tương ứng. pH trong xử lý hoá lý cần khống chế trong vùng tương đối hẹp. Tuỳ theo bản chất của quá trình (kết tủa, kết tinh, hấp thụ hay kết bông) sẽ thực hiện trogn các thiết bị lắng lọc khác nhau. + Thiết bị lắng có nạo vét cặn. + Thiết bị tuyển nổi để loại bỏ dầu, sợi và chất mầu. + Thiết bị lắng màng mỏng dùng để kết tủa hidroxit. + Thiết bị lọc với vật liệu hạt cho nước chứa ít dầu (nhà máy tinh luyện hay cán thép). Tuỳ vào từng trường hợp cụ thể, xử lý có thể tiến hành đồng thời với các quá trình. + Trung hoà 26 + Oxi hoá - khử + Xử lý sinh học: Nước thải sau khi xử lý sơ bộ, có thể qua công đoạn xử lý hoá lý, còn một lượng chất rắn lơ lửng SS nào đó, BOD5 chủ yếu ở dạng hoà tan, tỷ số: COD/BOD5 < 2. Nếu có giá trị 2 vẫn có thể đưa vào xử lý sinh học nhưng nên có công đoạn kị khí, hoặc một công đoạn hoá lý bổ sung khác. - Tỷ lệ BOD5 : N : P ít khi bằng 100 : 5 : 1. Vì vậy, phải thường xuyên hiệu chỉnh nồng độ N và P trong nước thải. - Nồng độ muối vô cơ cao thường xuyên và sự thay đổi nhanh chóng của chúng có thể làm rối loạn cả quá trình, đặc biệt là sinh học. - Tuổi bùn cao thường có lợi cho tính ổn định và hiệu quả của phương pháp. Cần lưu ý pH và nhiệt độ ở các công đoạn, giữ chúng đúng yêu cầu duy trì sự ổn định. Cần bổ sung giống vi khuẩn để tạo bùn hoạt tính được tốt và giữ nồng độ bùn thích hợp trong các công đoạn hoặc phương pháp khác nhau. Các giải pháp khác nhau được sử dụng để xử lý sinh học: - Kỹ thuật bùn hoạt tính trong các aeroten và ao hồ hiếu khí. - Màng sinh học cố định vi khuẩn hiếu khí. 4.2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước lớn > 10mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được. Ta có thể làm tăng kích thước các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được. Muốn vậy, trước hết cần trung hoà điện tích của chúng, sau là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hoà điện tích các hạt được gọi là quá trình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn từ các hạt nhỏ gọi là keo tụ. Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt có nguồn gốc silic và các hợp chất hữu cơ mang điện tích âm, các hạt hidroxit 27 sắt và hidroxit nhôm mang điện tích dương. Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các tổ hợp các phần tử, nguyên tử hay các ion tự do. Các tổ hợp này chính là các hạt bông keo. Có hai loại bông keo: loại kị nước và loại ưa nước. Loại ưa nước thường ngậm thêm các phần tử nước cùng vi khuẩn, virut. Loại keo kị nước đóng vai trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nước nói chung và xử lý nước thải nói riêng. Có chất đông keo tụ thường dùng trong mục đích này là các muối sắt hoặc muối nhôm hoặc hỗn hợp của chúng. Các muối nhôm gồm có: Al2(SO4)3.18H2O. Trong số này dùng phổ biến là Al2(SO4)3 vì chất hoà tan tốt trong nước, giá rẻ và hiệu quả đông tụ cao ở pH = 5 : 7,5 Các muối sắt có ưu điểm hơn so với muối nhôm trong việc làm đông tụ các chất lơ lửng của nước vì: - Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp. - Khoảng pH tác dụng rộng hơn. - Tạo kích thích và độ bền bông keo lớn hơn. - Có thể khử được mùi vị khi có H2S. Nhưng muối sắt cũng có nhược điểm: chúng tạo thành phức hoà tan có mầu làm cho nước có mầu. Dùng phèn thì phản ứng phosphat kết lắng như sau: Al2(SO4)3 + PO-34 2 AlPO4 + 3 SO-24 pH tối ưu = 5,6 : 8 Đây là phản ứng khử P trong nước thải. Dùng vôi để khử các muối bicacbonat, cacbonat, phosphat và magiê. Dùng muối clorua hoặc sunfat sắt (III) để loại phosphat: FeCl3 + H2O + PO-34 FePO4 + 3 Cl- + H2O 28 Dùng natri aluminat để loại bỏ phosphat: Na2Al2O4 + PO-34 + H2O 2 AlPO4 + NaOH + OH- Những chất kết lắng thành bùn và trong bùn có chứa nhiều hợp chất khó tan. Việc sử dụng làm phân bón cần phải xem xét, cân nhắc, vì bùn này có thể làm cho cây trồng khó tiêu. 4.2.4. Hấp phụ Phương pháp hấp phụ dùng để loại hết các chất bẩn hoà tan vào trong nước mà phương pháp xử lý sinh học cũng như các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hoà tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi, vị và mầu rất khó chịu. Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất, như tro xỉ, mạt sắt... Trong số này than hoạt tính được dùng phổ biến nhất. Than hoạt tính có hai dạng bột và dạng hạt đều được dùng để hấp phụ. Các chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất mầu dễ bị than hấp phụ. Lượng chất hấp phụ tuỳ thuộc vào khả năng hấp thụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có thể hấp phụ được 58 - 95% các chất hữu cơ và mầu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, alkylbenzen, sulfonic axit, thuốc nhuộm các chất thơm. Do có những ứng dụng than hoạt tính hấp phụ thủy phân và những thuốc nhuộm khó phân huỷ, nhưng tốn kém làm cho quá trình không kinh tế. Để loại bỏ kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại người ta dùng than bùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ. 4.2.5. Tuyển nổi Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: Các phân tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng, nhưng có khả năng kết dính các bọt khí nổi lên trên mặt nước. Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính vào ra khỏi nước. Thực chất đây là quá trình tách bọt hoặc làm đặc bọt. Trong một số 29 trường hợp, quá trình này cũng được dùng để tách các chất hoà tan như các chất hoạt động bề mặt. Phương pháp tuyển nổi được áp dụng vào để xử lý nước thải. Quá trình được thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trong nước thải. Các khí dính vào các hạt lơ lửng lắng và nổi lên trên mặt nước. Khi nổi lên các bọt khí tập hợp thành bông hạt đủ lớn, rồi tạo thành một lớp bọt chứa nhiều các hạt bẩn. Tuyển nổi dùng để tách các hạt lơ lửng không tan và một số chất keo hoặc hoà tan ra khỏi pha lỏng. Kĩ thuật này có thể sử dụng trong xử lý nước thải của các lĩnh vực như công nghiệp dệt, thuộc da, giấy... Tuyển nổi có thể đặt ở giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi xử lý cơ bản. Bể tuyển nổi có thể thay thế cho bể lắng, trong dây truyền nó có thể đứng trước sau bể lắng, đồng thời có thể ở giai đoạn xử lý bổ sung sau xử lý cơ bản. Có hai hình thức tuyển nổi với: - Sục khí ở áp suất khi quyển gọi là tuyển nổi bằng không khí - Bão hoà không khí ở áp suất khí quyển sau đó thoát khí ra khỏi nước ở áp suất chân không gọi là tuyển nổi chân không. 4.2.6. Trao đổi ion Thực chất của phương pháp trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi ion với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là ionit. Chúng hoàn toàn không tan trong nước. Phương pháp này được dùng làm sạch trong đó có nước thải loại ra khỏi các ion kim loại như Zn, Cu, Ni, Pb, Hg... Cũng như các hợp chất chứa asen, phospho, xianua và cả chất phóng xạ. Phương pháp này phổ biến để làm mềm nước, loại các ion Ca+2 và Mg+2 ra khỏi nước cứng. 4.2.7. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí 4.2.7.1. Cơ sở của phương pháp 30 Cơ sở của phương pháp là dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng (N và P) và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển tăng số lượng tế bào ( tăng sinh khối ) đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Như vậy, quá trình hoạt động của vi sinh vật cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Cho đến nay người ta đã xác định rằng, các vi sinh vật có thể phân hủy được hầu hết các chất hữu cơ trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp. Tuy nhiên, có nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật nhưng cũng có chất hoàn toàn không bị phân hủy hay bị phân hủy rất chậm. 4.2.7.2. Giai đoạn phát triển của vi sinh vật. - Giai đoạn tiềm phát: Vi sinh vật chưa thích nghi được với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi. Đến cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng. Các tế bào mới tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng. X = X0 Trong đó : X0 : Mật độ tế bào ở thời gian t = 0. X : Mật độ tế bào ở thời gian t. Tốc độ sinh trưởng của tế bào : = 0 - Giai đoạn luỹ tiến: Vi sinh vật phát triển với tốc độ riêng không đổi. Sau một thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng như trọng lượng của tế bào tăng lên mạnh mẽ theo cấp số nhân. 31 Trong giai đoạn này tốc độ sinh trưởng của tế bào tỷ lệ thuận với X. Ta có phương trình : = max Trong đó : max : Tốc độ tăng trưởng riêng lớn nhất. = .dt = max (t2 – t1) Với tg = (t2 – t1) : Thời gian sinh trưởng gấp đôi tế bào, được xác định với X2 = 2 X1. = max .tg tg = = - Giai đoạn chậm dần: Tốc độ tăng sinh khối giảm dần do chất dinh dưỡng của môi trường cạn kiệt hoặc do trong môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hóa chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng nhưng lại giảm. - Giai đoạn ổn định: Số lượng tế bào sống được giữ ở mức không đổi nghĩa là số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới được sinh ra. Tính chất sinh lý của tế bào vi sinh vật bắt đầu thay đổi, cụ thể là cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. Mật độ tế bào đạt tới giá trị cực đại. Sự sinh trưởng ngừng lại ngay cả khi các tế bào vẫn còn nguyên hoạt động chuyển hóa nào đó. - Giai đoạn suy tàn: Tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn dẫn đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự hủy. Nguyên nhân chủ yếu là do nguồn thức ăn trong môi trường đã cạn, sự tích luỹ sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế và đôi khi tiêu diệt cả vi sinh vật. 32 Hình 4.1 Đường cong sinh trưởng của tế bào AB - Giai đoạn tiềm phát; BC - Giai đoạn phát triển luỹ tiến; CD - Giai đoạn chậm dần; DE - giai đoạn cân bằng (ổn định) hoặc giai đoạn dừng; EF - Giai đoạn suy tàn. 4.2.7.3. Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật Cơ chế quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gồm 3 giai đoạn: Ôxy hóa (phân hủy) chất hữu cơ ; tổng hợp tế bào (đồng hóa) và tự ôxy hóa (hô hấp nội bào). - Giai đoạn ôxy hóa (phân hủy) chất hữu cơ Vi sinh vật sử dụng oxy để chuyển hóa các chất hữu cơ thành các sản phẩm oxy hóa, giai đoạn này sinh năng lượng và vi sinh vật sử dụng năng lượng này để tổng hợp tế bào mới. 33 - Giai đoạn tổng hợp tế bào mới (đồng hóa). Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ, oxy, các chất dinh dưỡng ( N và P ) các nguyên tố vi lượng và năng lượng từ quá trình oxy hóa để tổng hợp nên tế bào mới. - Giai đoạn tự oxy hóa ( hô hấp nội bào ) Giai đoạn này xảy ra đồng thời với giai đoạn tổng hợp tế bào mới. Hợp chất bị oxy hóa trước tiên là hydratcacbon và một số chất hữu cơ khác. Tuy nhiên để phân hủy được các chất hữu cơ này thì vi sinh vật phải có khả năng tổng hợp enzim tương ứng. Tinh bột, đường rất dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật. xenllulo và các chất béo bị phân hủy muộn hơn và tốc độ phân hủy cũng chậm hơn. 4.2.7.4. Điều kiện nước thải xử lý bằng phương pháp sinh học Để nước thải có thể xử lý hiệu quả bằng phương pháp sinh học thì nước thải phải thỏa mãn các điều kiện sau: + Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải. Trong số các chất phảI chú ý đến hàm lượng các kim loại nặng và muối của chúng. + Chất hữu cơ trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật. Các hợp chất hidratcacbon, protein, lipit hòa tan thường là cơ chất dinh dưỡng rất tốt cho vi sinh vật. + Nước thải đưa vào xử lý sinh học có 2 thông số đặc trưng là COD và BOD5. Tỷ số 0,5. 4.2.7.5 Bể phản ứng sinh học hiếu khí - aeroten Xử lý nước thải bằng aeroten được nhà khoa học người Anh đề xuất từ năm 1887, nhưng đến năm 1914 thì mới được áp dụng trong thực tế và tồn tại, phát triển rộng rãi cho đến ngày nay. Quá trình hoạt động sống của quần thể vi sinh vật trong aeroten thực chất là quá trình nuôi vi sinh vật trong các bình 34 phản ứng sinh học hay các bình lên men thu sinh khối. Sinh khối vi sinh vật ở trong công nghệ vi sinh thường từ một giống thuần chủng, còn trong xử lý nước thải là quần thể sinh vật chủ yếu là vi khuẩn có sẵn trong nước thải. a. Đặc điểm và nguyên lý làm việc của aeroten. * Đặc điểm: Bể phản ứng sinh học hiếu khí - aeroten là công trình bê tông hình khối chữ nhật hoặc hình tròn cũng có trường hợp người ta chế tạo các aeroten bằng sắt thép hình khối trụ. Thông dụng nhất hiện nay là các bể aeroten hình khối chữ nhật. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảm nhằm tăng cường lượng oxi hoà tan và tăng cường quá trình oxi hoá chất bẩn hữu cơ có trong nước. Quá trình xử lý hiếu khí, các vi sinh vật sinh trưởng ở dạng huyền phù. Quá trình làm sạch trong aeroten diễn ra theo mức dòng chảy qua của hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính được sục khí. Việc sục khí ở đây đảm bảo yêu cầu của quá trình: làm nước được bão hoà oxy và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Trong quá trình oxy hoá các chất hữu cơ trong nước thải, lượng bùn hoạt tính tăng lên tạo nên lượng bùn dư. Một phần bùn được tuần hoàn trở lại, phần khác được đưa về bể xử lý bùn dư. Nếu nước thải có BOD lớn (BOD > 150 mg/l) và có các chất độc hại đối với vi sinh vật thì cần phải tái sinh bùn hoạt tính bằng cách thổi khí cho chúng sau khi tuần hoàn lại và trước khi tiếp xúc với nước thải hoặc phải xử lý nước thải trong aeroten nhiều bậc. Tốc độ sử dụng oxy hoà tan phụ thuộc vào các yếu tố sau: tỷ số giữa lượng chất dinh dưỡng và