Nước cùng với đất là tài nguyên vô giá của trái đất, độ quan trọng của nước với tất cả các sinh vật là nếu không có nước thì không có sự sống. Nhưng nguồn nước hiện nay lại bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng, mà nhu cầu của người dân là yêu cầu sử dụng nước sạch để có thể đảm bảo sức khỏe. Vì vậy việc xử lí nước bẩn để có nguồn nước sạch dùng là rất quan trọng. Nếu mà lượng nước thải, nước bẩn mà không được xử lí mà nó đi ra môi trường trực tiếp thì không chỉ việc khu vực nước chỗ đấy bị ô nhiễm mà nó còn gây ô nhiễm cho nguồn nước ngầm của chúng ta. Đấy là nguyên nhân cực nguy hiểm khiến cho cuộc sống của người dân và hệ sinh thái bị hủy hoại. Để đảm bảo cho nguồn nước của chúng ta luôn trong sạch thì con người đã tạo ra các phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học để loại bỏ chất bẩn ra khỏi nguồn nước.
Các phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là gì ?
Phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu là dựa vào hoạt động sống của các vi khuẩn, vi sinh dị dưỡng có trong nước thải. Các vi sinh vật này chủ yếu lấy các chất hữu cơ có trong chất thải làm thức ăn để duy tì sự sống cho chúng và đồng thời chúng giúp phân giải các chất hữu cơ này thành các hợp chất vô cơ đơn giản. Mục đích chính của quá trình này là giúp khử BOD và COD.
Phương pháp này xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước và một số chất ô nhiễm trong nước như: H2S, sunfit, amoniac, nito,… Phương pháp này được có thể chia làm 2 loại.
• Phương pháp xử lý lị khí: Nhờ vào nhóm các vi sinh vật kị khí, hoạt động trong môi trường không có oxi.
• Phương pháp xử lí hiếu khí: Nhờ vào nhóm vi sinh vật hoạt động trong môi trường được cung cấp oxi thường xuyên và quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật gọi là quá trình õi hóa sinh hóa.
Quá trình này được thực hiện như sau: Các chất hữu cơ hoà tan, cả chất keo và các chất bị phân tán nhỏ trong nước thải cần phải di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính:
• Đầu tiên chuyển các chất ô nhiễm từ thể lỏng tối bề mặt tế bào vi sinh vật.
•Chúng khuếch tán từ bề mặt của tế bào qua màng bám thấm do sự chênh lệch nồng độ cả ở bên trong và bên ngoài của tế bào.
• Các chất được chuyển hóa ở trong tế bào của vi sinh vật, sản sinh ra năng lượng và tổng hợp ra tế bào mới.
Để có được tốc độ oxy hóa sinh hóa nhanh hay chậm phụ thuộc vào nồng độ của các chất hữu cơ, hàm lược của các tạp chất bên trong và mức độ ổn địng của nước thải đi vào hệ thống xử lí. Tùy ở từng điều kiện xử lí nhất định, các yếu tố chính gây ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy có trong nước thải, nhiệt độ, độ pH, dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng.
Phương pháp xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí:
Các giai đoạn xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí như sau:
- Oxi hoá các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 => CO2 + H2O + DH
- Tổng hợp các tế bào mới: CxHyOz + NH3 + O2 => CO2 + H2O + DH
- Phân huỷ tế bào: C5H7NO2 + 5O2 => 5CO2 + 5 H2O + NH3 ± DH
Quá trình xử lí nước thải sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở cả điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Ở các công trình nhân tạo dùng để xử lí nước thải người ta sẽ để điều kiện tốt nhất cho qúa trìng oxy hóa sinh hóa xảy ra. Và tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật,mà quá trình xử lí sinh học hiếu khí nhân tạo được tạo thành có thể chia thành:
- Xử lí nước thải sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng ở dạng lơ lửng chúng chủ yếu được sử dụng để khử các chất hữu cơ chứa carbon như quá trình than hoạt tính, bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bể hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy khí. Trong tất cả các quá trình này thì quá trình hoạt tính hiếu khí ( Aerotank) là được sử dụng nhiều nhất.
- Xử lí sinh học hiếu khí đối với các loại vi sinh vật sinh trưởng ở dạng bám dính như quá trình bùn hoạt tính, bể lọc nhỏ giọt, đĩa sinh học,…
Công nghệ sinh học xử lí nước thải bùn hoạt tính hiếu khí ( Aerotank ):
Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí các sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy được xảy ra khi nước thải được tiếp xúc với bùn trong điều kiện được sục khí liên tục. Sục khí liên tục giúp quá trình được nạp oxi liên tục để bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.
Bản chất của cách này là giúp phân hủy sinh học hiếu khí với cung cấp oxi cưỡng bức và mật độ vi sinh vật được duy trì ở mức cao ( 2.000mg/l – 5.000mg/l ) nhờ vậy tải trọng phân hủy hữu cơ cao và mặt bằng cho hệ thống xử lí là nhỏ. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là cần rất nhiều các thiết bị và tiêu hao rất nhiều năng lượng.
Nồng độ oxi hoà tan trong nước khi ra khỏi bể lắng đợt 2 không được nhỏ hơn 2 mg/l. Tốc độ sử dụng oxi hoà tan trong bể bùn hoạt tính dựa vào:
- Tỷ số giữa lượng thức ăn có trong nước thải với lượng vi sinh vật: tỷ lệ F/M
- Nhiệt độ
- Tốc độ sinh trưởng và hoạt động sinh lý của các vi sinh vật
- Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất
- Lượng các chất cấu tạo của tế bào
- Hàm lượng oxi hoà tan trong nước thải.
Để giúp cho việt thiết kế và vận hành của hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cần phải hiểu rõ được vai trò quan trọng của quần thể các vi sinh vật. Các vi sinh vật này sẽ giúp phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải và chúng thu lại năng lượng để chuyển hóa nó thành các tế bào mới, chỉ với một phần chất hữu cơ bị oxi hóa hoàn toàn sẽ chuyển thành: CO2, H2O, NO3,…
Nói chung, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm rất nhiều các loại vi khuẩn khác nhau chúng cùng tồn tại với nhau. Và yêu cầu chung khi cho hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải được đưa hệ thống có hàm lượn SS không có vượt quá được 150mg/l, và ham lượng dầu mỏ không được quá 25mg/l, độ pH 6.5 đến 8.5, nhiệt độ trung bình khoảng 6 đến 37 độ C.
Công nghệ sinh học xử lí nước thải hiếu khí dạng mẻ (SBR):
Quy trình làm đầy bể bùn và xả cạn chính là quá trình hệ thống xử lí nước thải gián đoạn, chúng được thực hiện trong bể SBR tương tự như ở trong bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục. Chỉ có điều tất cả các bước đều được thực hiện trong một bể và tuân theo quá trình nhất định như sau:
Làm đầy -> Phản ứng -> Lắng -> Xả cặn -> Ngưng
Công nghệ sinh học xử lí nước thải hiếu khí tăng trường dính bám:
Nguyên lí hoạt động của bể bùn chứa các vi sinh vật bám dính: Nó hoạt động tương tự như trường hợp vi sinh vật sinh trưởng ở dạng lửng lơ chỉ khác điều duy nhất là các vi sinh vật bám dính phải tiếp xúc với các bề mặt trong bể.
Công nghê sinh học tăng trưởng bám dính đang được sử dụng nhiều bởi chúng có chi phí thấp, và có rất nhiều ưu điểm vượt trội về hiệu quả. Và vào năm 2010, GREE đã phát triển và nâng cấp hệ thống bám dinh AFBR thành công từ công nghệ FBR.
Công nghệ sinh học xử lí nước thải hiếu khí lọc sinh học :
Bể lọc sinh học trong xử lí nước thải là thiết bị phản ứng trong đó chứa các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp bọc của vật liệu. Bây giờ bể lọc gồm một lớp vật liệu dễ thấm nước được các vi sinh vật bám trên đó. Nước thải khi đi qua lớp vải này sẽ nhỏ giọt xuống.
Các vật liệu lọc thường là đá dăm hoặc các loại vật liệu có hình thù khác nhau. Các vật liệu để lọc nếu sử dụng là sỏi hay là đá thì kích thước của nó vào khoảng 0.5- 2.5 m, bể trung bình thì sẽ là 1.8m. Bể lọc nếu có vật liệu lọc là đá dăm thì thường có dạng tròn. Bể lọc với các vật liệu lọc là chất dẻo có các dạng như tròn, vuông,… có thể biến đổi chiều cao khoảng từ 4-12m.
Ba loại vật liệu làm bằng chất dẻo thường được dùng nhất là:
- Vật liệu với dòng chảy thẳng đứng
- Vật liệu với dòng chảy ngang
- Vật liệu đa dạng
Các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy bởi quần thể các vi sinh vật dính kết trên lớp vật liệu bọc. Các chất hữu cơ sẽ bị hấp thụ vào màng của các vi sinh vật và bị phân hủy bởi các vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển chúng hấp thụ oxy và sau đó khuếch tán nó dẫn đến môi trường kị khí được hình thành ngay bề mặt của vật liệu bọc.
Phương pháp xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí:
Đây là quá trình rất phức tạp, khi phân hủy các chất hữu cơ, quá trình sinh hóa rất phức tạp và tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian hay cả trăm phản ứng trung gian xảy ra. Tuy nhiên, đây vẫn là quá trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kị khí như sau:
Chất hữu cơ -> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + các tế bào mới
Rõ ràng hơn quá trình phân hủy kị khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Thuỷ phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử
- Giai đoạn 2: axit hóa
- Giai đoạn 3: Acetate hoá
- Giai đoạn 4: Methane hoá
Các chất thải hữu cơ chứa rất nhiều các phân tử protein, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân chúng sẽ được cắt thành những phân tử nhỏ, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển protein thành amino axit, cacbonhidrat thành đường đơn, các chất béo sẽ được chuyển hóa thành các axit béo.
Khi giai đoạn axit béo, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển đổi thành axetic axit, H2 và CO2. Các phương trình xảy ra như sau.
- 4H2 + CO2 ->CH4 + 2H2O
- 4HCOOH -> CH4 + CO2 + 2H2O
- CH3COOH ->CH4 + CO2
- 4CH3OH ->3CH4 + CO2 + 2H2O
- 4(CH3)3N + H2O -> 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Công nghệ xử lí bể kị khí:
Hồ kị khí được xây dựng nhầm xử lí rác thải có nồng độ chất hữa cơ cao cùng với lượng cặn bẩn cao. Độ sâu của hồ xử lí kị khí vào khoảng 2.4m, và có thể đạt đến 9.1m và nước có thể lưu dao động từ 20 đến 50 ngày.
Quá trình ổn định và lắng đọng nước thải trong hồ được xảy ra dưới tác dụng kết hợp của quá trình kết tủa và quá trình chuyển hóa chất hữu cơ tạo thành. Hiệu suất chuyển hóa BOD5 có thể đạt đến 70-80%
Công nghệ sinh học kị khí UASB:
Đây chắc là công nghệ xử lí kị khí được áp dụng nhiều nhất hiện nay trên thế giới bởi hai đặc điểm chính như sau:
- Công trình của chúng ta sẽ kết hợp cả 3 quá trình: Phân hủy, lắng bùn, tách khí
- Sẽ tạo ra các loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ để lắng xuống nhanh hơn rất nhiều so với bùn hoạt tính hiếu khí ở dạng lơ lửng.
Những ưu điểm của quá trình kỵ khí UASB:
- Năng lượng vận hành ít
- Bùn cặn sẽ còn ít sau khi xử lí
- Bùn vi sinh được sinh ra rễ tách khỏi nước
- Các vi sinh vật ở đây có nhu cầu dinh dưỡng ít nên không cần tốn nhiều vào việc bổ sung dinh dưỡng
- Có khả năng thu hồi năng lượng
- Có khả năng hoạt động theo mùa và tái kích hoạt sau một thời gian ngưng không nạp nguyên liệu.
Vi sinh vật là gì:
Vi sinh vật tên nước ngoài là microorganisms đây là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ, chỉ có thể quan sát được qua kính hiển vi. Kích thước của chúng chỉ có thể đo được bằng micromet.
Những đặc điểm chung của các vi sinh vật:
- Kích thước vô cùng nhỏ bé, chỉ có thể nhìn qua kính hiển vi được đo bằng micromet và còn những loại chỉ bằng nanomet.
- Các vi sinh vật hấp thụ năng lượng rất nhiều và chúng chuyển hóa nó thì lại rất nhanh
- Chúng sinh trưởng và phát triển với tốc độ cực nhanh không thể kiêm soát.
- Chúng có khả năng thích ứng cực kì tốt và có thể biến dị theo điều kiện sống. Với khả năng này chúng vượt trội hơn rất nhiều so với các loài thực vật hay động vật.
- Chúng phân bố trên khắp thế giới, với vô vàn chúng loại
