VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI

I. Nước thải và vi sinh vật tham gia xử lý nước thải

1. Nước thải

– Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và bị thay đổi tính chất ban đầu. Nước thải đóng một vai trò rất quan trọng gây ô nhiễm nước, có thể phân loại như sau:

• Phân loại theo xác định nguồn thải
• Phân loại theo tác nhân ô nhiễm
• Phân loại theo nguồn gốc phát sinh chúng.

– Có thể nói nước thải là một hệ dị thể phức tạp, bao gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các trạng thái khác nhau. Nếu như nước thải công nghiệp chứa nhiều các hóa chất vô cơ và hữu cơ thì nuớc thải sinh hoạt lại chứa rất nhiều các chất dưới dạng protein, hidratcacbon, mỡ, các chất thải, rác, các chất hoạt động bề mặt,…. các hợp chất vô cơ thường gặp ở đây: K+ , Na+ , Ca2+, Mg2+, Cl-, … Ngoài ra nước thải sinh hoạt còn chứa các vi khuẩn, virus, rong, rêu.

– Với những ngành sản xuất khác nhau thì trong nước thải sẽ có những hợp chất khác nhau. Trong số các chất gây nhiễm bẩn nguồn nước thì Hg, Bc, Cd, As, Se có độc tính rất cao. Nấm, động vật nguyên sinh, tảo, vi khuẩn và virus đều có mặt trong nước thải. Nước thải không xử lý có thể chứa tới hàng triệu vi khuẩn trong một mililit, bao gồm cáccoliform, các Streptococcus, các trực khuẩn kị khí sinh bào tử, nhóm Proteus và các loại khác bắt nguồn từ đường ruột của người.

– Các nguồn bổ sung vi sinh vật khác là nước ngầm, nước bề mặt và nước khí quyển cũng như các chất thải công nghiệp. Ngoài ra, tính hiệu quả của một quá trình xử lý nước thải còn phụ thuộc vào những sự biến đổi sinh hóa học do vi sinh vật tiến hành.

2. Vi sinh vật tham gia xử lý nước thải

– Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp thụ một lượng lớn các chất hũu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hũu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được dành cho việc kiến tạo tế bào. Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp.

– Dựa trên phương thức phát triển vi sinh vật được chia thành 2 nhóm:

• Các vi sinh vật dị dường: Sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để thực hiện các phản ứng sinh tổng họp
• Các vi sinh vật tự dường: Có khả năng oxy hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Ví dụ: các loại vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt,…

– Bùn hoạt tính cùng như màng sinh vật là tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau, chứa khoảng 70 – 90% chất hữu cơ; 10 – 30% chất vô cơ. Bùn hoạt tính là bông màu vàng nâu dễ lắng, có kích thước 3 – 150pm, có khả năng hấp thu và phân hủy các chất hữu cơ khi có mặt oxy (được dùng trong phương pháp xử lý sinh học hiếu khí). Những bông này bao gồm các vi sinh vật sống và cơ chất rắn (40%). Những vi sinh vật sống bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, một số nguyên sinh động vật, dòi, giun.

– Màng sinh vật (màng sinh học) phát triển ớ bề mặt các vật liệu lọc có dạng nhầy, dày từ 1 – 3 mm hoặc hơn. Màu của nó thay đổi theo thành phần của nước thải từ mầu xám đến nâu tối. Màng sinh vật cũng bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, động vật nguyên sinh.

– Bùn gốc ban đầu được nuôi dưỡng tạo thành loại bùn có hoạt tính cao và có tính kết lắng tốt. Có thể gọi đó là quá trình hoạt hóa bùn hoạt tính. Cuối thời kỳ này, bùn sẽ có dạng hạt. Các hạt này có độ bền cơ học khác nhau, có mức độ vỡ ra khác nhau khi chịu tác động của khuấy trộn. Bùn có nguồn gốc tốt nhất được lấy từ các cơ sở xử lý nước thải đang hoạt động.

– Trong hệ thống xử lý nước thải, vi khuẩn luôn chiếm ưu thế (90%). Vi khuẩn có kích thước trung bình từ 0,3 – 1 mm. Trong hệ thống bùn hoạt tính có sự hiện diện của vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuấn tùy nghi và vi khuấn yếm khí. – Một số vi khuẩn dị dưỡng thông thường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm có: Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas, Zoogloea. (Jenkins, et ah, 1993). Hai nhóm vi khuân chịu trách nhiệm chuyên hóa amoni thành nitrát là vi khuân Nitrobacter và Nitrosomonas.

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 hiđratcacbon, protein, các chất hữu cơ,…và khử nitrát.
2	Arthrobacter	Phân hủy hiđratcacbon.
3	Bacillus	Phân hủy hiđratcacbon, protein.
4	Cytophaga	Phân hủy các polime.
5	Zooglea	Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ.
6	Acinetobacter	Tích lũy poliphosphas, khử nitrát.
7	Nitrosomonas	Nitrit hoá.
8	Nitrobacter	Nitrát hóa.
9	Sphaerotilus	Sinh nhiều tiêm mao, phân huỷ các chất hữu cơ.
10	Alkaligenes	Phân hủy protein, khử nitrát.
11	Flavobacterium	Phân hủy protein.
12	Nitrococus denitrificans	Khử nitrát (thành N2).
13	Thiobaccillus denitrificans	Khử nitrát (thành N2).
14	Acinetobacter
15	Hyphomicrobium
16	Desulfovibrio	Khử sunfat, khử nitrát.

 

II. Phương pháp xử lý sinh học nước thải

1. Phương pháp xử lý sinh học kị khí:

– Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí.

– Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình:

1. Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysacearide, chất béo.
2. Lên men các amino acid và đường.
3. Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu (alcohols).
4. Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic).
5. Hình thành khí methane từ acid acetic.
6. Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2.

– Các quá trình này có thể hợp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:

1. Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo). Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
2. Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0.
3. Acetic hoá (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới.
4. Methane hóa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới.Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, CO2 hầu như không giảm, CO2 chỉ giảm trong giai đoạn methane.

2. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh oxy hóa các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

– Oxy hóa các chất hữu cơ:– Tổng hợp tế bào mới:– Phân hủy nội bào:  
 Các chỉ số x, y, z tuỳ thuộc vào dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị oxy hóa.

3. Màng sinh học:

Quá trình vi sinh dính bám là một trong những quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá, sành, sứ, nhựa,…
Cấu tạo màng vi sinh vật:
– Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý lẫn vi sinh, cấu trúc cơ bản của màng vi sinh vật gồm :

• Vật liệu đệm (như đá, sỏi, than,…với nhiều kích cỡ khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật.
• Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh được chia thành 2 lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt.

– Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại bào (gelatin) do vi sinh vật ( cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất, do quá trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các polymer ngoại tế bào này là polysaccharides, proteins.

– Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia thành 2 lớp: lớp màng kị khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài. Trong màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kị khí và hiếu khí, do chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hòa tan trong nước chỉ khuếch tán vào gân bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở thành hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớp màng kị khí.

Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật trong màng. Đổi với những loại cơ chất ở thê rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thê khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyền và tiêu thụ trong màng vi sinh giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của màng trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng.

III. Nước thải công nghiệp

Là nước thải được sinh ra trong quá trình sản xuất công nghiệp từ các công đoạn sản xuất và các hoạt động phục vụ cho sản xuất như nước thải khi tiến hành vệ sinh công nghiệp hay hoạt động sinh hoạt của công nhân viên. Cơ sở đê nhận biêt và phân loại như sau:

– Nước thải được sản sinh từ nước không được dùng trực tiếp trong các công đoạn sản xuất, nhưng tham gia các quá trình tiếp xúc với các khí, chất lỏng hoặc chất rắn trong quá trình sản xuất.

– Nước thải được sản sinh ngay trong bản thân quá trình sản xuất.

Ví dụ: như nước thải này gồm có nước thải từ quá trình mạ điện, nước thải từ việc rửa hay vệ sinh các thiết bị phản ứng, nước chứa amonia hay phenol từ quá trình dập lửa của công nghiệp than cốc, nước ngưng từ quá trình sản xuất giấy. Do đặc trưng về nguồn gốc phát sinh nên loại nước thải này nhìn chung có nồng độ chất gây ô nhiễm lớn, có thể mang tính nguy hại ở mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào bản thân quá trình công nghệ và phương thức thải bỏ. Nước thải loại này cũng có thể có nguồn gốc từ các sự cố rò rỉ sản phẩm hoặc nguyên liệu trong quá trình sản xuất, lưu chứa hay bảo quản sản phấm, nguyên liệu.

* Ảnh hưởng do nước thải gây ra đối với nguồn nước:

• Thay đổi tính chất lý học: nước sẽ bị đục, có màu, có mùi do các chất thải
• Xuất hiện các chất nôi trên mặt nước hoặc có cặn lắng. VD : nước thải của xí nghiệp chế biến thực phẩm,…
• Thay đối thành phần hóa học: nước thải mang tính acid hoặc kiềm hoặc chứa hóa chất làm thay đổi thành phần của nước.
• Lượng oxi hòa tan trong nước giảm.
• Xuất hiện hoặc làm tăng các vi khuẩn gây bệnh.

*Các loại vi khuấn trong hệ thống xử lý nưóc thải:

Vi khuẩn dị dưỡng: vi khuẩn hiếu khí có thể oxy hóa hòa tan khi phân hủy chất hữu cơ, vi khuẩn kỵ khí có thể oxy hóa các chất hữu cơ không cần oxy.

Vi khuẩn tự dưỡng: có khả năng oxy hóa chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình tổng hợp.

VD: vi khuẩn nitrat hóa , vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt,…
* Có 3 nhóm phương pháp xử lý nước thải:

• Các phương pháp hiếu khí: dùng để loại các chất hữu cơ dễ bị vi sinh phân hủy ra khỏi nguồn nước. Các chất này được các vi sinh hiếu khí oxy hóa bằng oxy hòa tan trong nước.
• Các phương pháp xử lý thiếu khí: được sử dụng để loại nitơ ra khỏi nước thải.
• Các phương pháp xử lý yếm khí: dùng để loại bỏ các chất hữu cơ trong phần cặn của nước thải bằng vi sinh vật tùy nghi và vi sinh kị khí. Có 2 cách xử lý yếm khí:

                + Lên men lactic              

                + Lên men metan

Xin giới thiệu một vài sơ đồ công nghệ xử lý nước thải cùa một vài ngành công nghiệp đang được dùng phố biến hiên nay.

1. Công nghệ dệt may

Trong công nghệ dệt may (bao gồm cả nhuộm) thì công đoạn nhuộm – in phát sinh ra nước thải đáng chú ý nhất là nước thải có chứa nhiều loại hoá chất như thuốc nhuộm và hoá chất tẩy. Sơ đồ khối của một hệ thống xử lý nước thải ngành dệt nhuộm thường bố trí như sau:

2. Công nghệ giấy – bột giấy

Hiện nay nước ta đang áp dụng chủ yếu 3 công nghệ sản xuất giấy:

– Sản xuất bột giấy theo công nghệ Sulfat sử dụng hỗn hợp NaOH và Na2S để tách Cellulose từ gốm tre nứa. Công nghệ này được sử dụng chủ yếu ở các cơ sở sản xuất có quy mô lớn.

-Sản xuất bột giấy theo công nghệ kiềm nóng (130-160°C) hay lạnh không thu hồi hoá chất. Công nghệ này thường có ở những nhà máy đã xây dựng quá lâu đời.

-Sản xuất bột giấy bằng giấy tái sinh, chiếm tỷ lệ khoảng 15-18% sản lượng bột hiện nay. Công nghệ này sản sinh ít chất thải hơn, nhưng quá trình tấy mực tạo ra rất nhiều độc tố cho môi trường nước.

Sơ đồ của một dây truyền xử lý nước thải trong công nghiệp sản xuất giấy được áp dụng khá phổ biến như sau:  

 
3. Công nghệ xử lý nước thải ngành công nghiệp thực phẩm

– Công nghệ thực phẩm bao gồm rất nhiều phân ngành: sữa và các sản phẩm từ sữa, rượu – bia – nước giải khát, dầu thực vật, bánh kẹo, chế biến thịt thuỷ hải sản, đường và các sản phẩm từ đường.

-Tuy nhiên nước thải thường có đặc tính chung: chủ yếu chứa các chất hữu cơ ít độc có nguồn gốc thực vật hoặc động vật. Chất thải hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật đa phần là Cacbon hydrat chứa ít chất béo và protein nên dễ dàng bị phân huỷ bởi vi sinh, trong khi đó chất thải có nguồn gốc động vật có thành phần chủ yếu là protein và chất béo khó bị phân huỷ bởi vi sinh vật hơn.

* Dưới đây là giới thiệu một vài công nghệ hay được sử dụng trong ngành chế biến thực phấm.

Xử lý hiếu khí

Một sơ đồ công nghệ xử lý bùn hoạt tính hay được sử dụng trong xử lý nước thải thực phẩm:

Xử lý yếm khí

Xử lý yếm khí thường được áp dụng đối với nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao. Lọc sinh học cũng khá phù hợp và hiện đang được sử dụng nhiều trong xử lý nước thải thực phẩm.

Mô hình được thể hiện qua hình vẽ dưới đây:

 

 

Với các xí nghiệp quy mô nhỏ nên sử dụng các hồ xử lý yếm khí tự nhiên.

Với các xí nghiệp quy mô lớn, nhất là các xí nghiệp đông lạnh, xí nghiệp đường hay nấu rượu nên xử lý yếm khí kết hợp với các chất thải rắn hữu cơ sinh ra từ trong quá trình sản xuất.

Khi đó cần thiết kế hệ thống thiết bị đồng bộ.

Giới thiệu mô hình cụ thể:

Hiện trạng ô nhiễm môi trường tại làng nghề Hoài Hảo – Hoàì Nhơn – Bình Định đang ở mức báo động bởi nước thải tinh bột mì. Nguồn nước thải trên chứa hàm lượng cặn cao, pH thấp , khó phân hủy, bốc mùi chua nồng ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì được thực hiện bằng phương pháp sinh học, áp dụng mô hình phân hủy kỵ khí hai giai đoạn (giai đoạn acid hoá và metan hóa) kết hợp với mô hình lọc sinh học hiếu khí.

Mô hình hệ thống xử lý nước thải được trình bày ở hình 1:

 

Hình 1: Mô hình hệ thống xử lỷ nước thải tinh bột mì

Mô hình acid hóa: đươc thực hiện trong thùng nhựa dung tích 25 lít, dung tích làm việc 20 lít. Lượng mầm vi sinh đưa vào trong bể là bùn đặc (bùn hầm ủ biogas), thể tích bùn cho vào: 2 lít. Đặc tính bùn Biogas: Độ ẩm của bùn: 85%, VSS/TS = 0,62

Mô hình lọc sinh học kỵ khí: là thùng nhựa tròn dung tích 20 lít. Bên trong mô hình có chứa vật liệu lọc bao gồm các ống nhựa PVC, đường kính:27,5 mm , chiều dài ống: 45 mm. Vật liệu lọc chiếm thể tích 13 lít. Tổng diện tích bề mặt lóp vật liệu đệm: 3,1 m 2 Diện tích riêng bề mặt = 238 m2/ m3. Nước thải từ bể acid hoá được bơm vào đáy bể lọc, sau khi tiếp xúc qua lớp vật liệu lọc, nước chảy lên trên mặt theo ống dẫn vào bê lọc hiếu khí.

Mô hình hiếu khí: Mô hình lọc sinh học hiếu khí, vật liệu đệm là các ống nhựa PVC f24, chiều dài 25mm, xếp khít lên nhau. Tổng diện tích bề mặt lớp vật liệu đệm: 1,6 m2, diện tích riêng bề mặt = 288 m2/m3. Khí được cấp liên tục nhờ máy thổi khí và được khếch tán vào nước nhờ hệ thống đá bọt.