11 Vi khuẩn ưa khí C H N P S Vi khuẩn kỵ khí Các hợp chất hữu cơ H 2 S Hợp chất phospho hữu cơ NH 3 CH 4 CO 2 H 2 O -PO 4 -SO 4 -NO 2 , -NO 3 Oxy không khí Việc xử lý nước thải có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, tuỳ thuộc vào tính chất của nước thải và trang thiết bị xử lý. Thường người ta cố gắng tạo ra những điều kiện môi trường cho các quá trình phân hủy tự nhiên được diễn ra, phương pháp xử lý sinh học. Các sinh vật sống cần có năng lượng để duy trì sự sống và sinh sản. Vì vậy, chúng sử dụng những chất hữu cơ có trong nước thải như là thức ăn. Khi thức ăn được sử dụng như một nguồn năng lượng thì sẽ xảy ra phản ứng oxy hóa mà trong đó oxy được sử dụng để phân hủy các chất hữu cơ, thải ra khí CO 2 hoặc các sản phẩm oxy hóa khác. Những sản phẩm của các chất hữu cơ đã bị phân hủy, có thể được sử dụng như là thức ăn cho các vi sinh vật đơn bào như vi khuẩn. Sự thay đổi do chúng gây nên trong các quá trình oxy hóa rất có ý nghĩa trong chu trình của chất hữu cơ trong tự nhiên. Carbon và nitơ là hai yếu tố quan trọng của chu trình tuần hoàn các chất hữu cơ. Quá trình phân hủy có thể diễn ra dưới dạng mô tả của hình 2.2. Hình 2.2. Sơ đồ chuyển hoá vất chất hữu cơ trong tự nhiên 2.2.3. Quá trình xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí nhân tạo 2.2.3.1. Nguyên tắc Khi đưa nước thải vào bể phản ứng bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí, các chất bẩn hữu cơ ở trạng thái hòa tan, keo, không hòa tan phân tán nhỏ sẽ hấp phụ lên bề mặt tế bào vi khuẩn. Sau đó chúng được chuyển hóa và phân hủy nhờ vi khuẩn. Quá trình này gồm ba giai đoạn cơ bản sau:  Khuếch tán, chuyển dịch và hấp thụ chất bẩn từ môi trường nước lên bề mặt tế bào vi khuẩn.  Oxy hóa ngoại bào và vận chuyển các chất bẩn hấp phụ được qua màng tế bào vi khuẩn. 12  Chuyển hóa các chất hữu cơ thành năng lượng, tổng hợp sinh khối từ chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng khác bên trong tế bào vi khuẩn. Sự chuyển hóa các chất hữu cơ (đặc trưng bằng BOD) và các chất dinh dưỡng nhờ vi khuẩn hiếu khí được biểu diễn trên hình 2.3. Các chất đầu tiên bị oxy hóa để tạo thành năng lượng là carbonhydrat và một số chất hữu cơ khác. Quá trình này được thực hiện trên bề mặt tế bào vi khuẩn nhờ xúc tác của enzyme ngoại bào. Một phần chất bẩn được vận chuyển qua màng tế bào vi khuẩn (màng bán thấm) vào bên trong và tiếp tục oxy hóa để giải phóng ra năng lượng hoặc tổng hợp thành tế bào chất. Sinh khối vi sinh vật sẽ tăng lên. Trong điều kiện thiếu nguồn dinh dưỡng, tế bào chất lại bị oxy hóa nội bào để tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động sống. Vi khuẩn chuyển hóa các chất thải hữu cơ theo các phương trình: COHN + O 2 + chất dinh dưỡng CO 2 + NH 3 + C 5 H 7 NO 2 + (vật chất hữu cơ ) (tế bào mới) + những sản phẩm cuối cùng [8] Hô hấp nội bào C 5 H 7 NO 2 + 5O 2 5CO 2 + 2H 2 O + NH 3 + Năng lượng [8] (tế bào) Các chất bẩn hữu cơ và các chất dinh dưỡng trong nước thải Các quá trình sinh hóa của vi sinh vật Các quá trình sinh hóa của vi sinh vật Oxy Nước sạch Hình 2.3. Sơ đồ tổng quát chuyển hóa chất bẩn trong công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí Tế bào và các chất trơ C 5 H 7 NO 2 , P, K Vi khuẩn Vi khuẩn 13 Trong những phương trình này, COHN đại diện cho vật chất hữu cơ có trong nước thải. Sơ đồ cân bằng vật chất trong quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ (BOD) được biểu diễn như hình 2.4.  G o : lượng BOD trong nước thải  G t : lượng BOD không được xử lý  G 1 : lượng BOD hấp phụ trên bề mặt tế bào vi khuẩn  G 2 : phần BOD được vận chuyển vào bên trong màng tế bào vi khuẩn  G 3 : phần BOD oxy hóa nội bào  G 4 : phần BOD được tổng hợp thành sinh khối tế bào  G 5 : phần BOD oxy hóa nội bào Môi trường hiếu khí trong bể phản ứng được tạo ra bằng cách đưa khí vào bằng cơ học, nó có thể chứa dinh dưỡng hỗn hợp trong một chế độ hòa tan hoàn toàn. Sau một thời gian nhất định, hỗn hợp tế bào mới và cũ được chuyển vào bể lắng, ở đây những tế bào được tách ra khỏi nước sau khi đã xử lý. Một phần của những tế bào lắng được tái sử dụng để tăng nồng độ thích hợp vi sinh vật trong bể, và phần còn lại bị bỏ đi. Phần bị bỏ tương quan với sự phát triển của tế bào và liên quan tới một phần của nước thải. Hàm lượng sinh khối giữ lại trong bể nó phụ thuộc vào hiệu quả xử lý và những yếu tố khác liên quan đến sự sinh trưởng những cơ quan động. Nồng độ vi sinh vật được duy trì trong những hệ thống xử lý bùn hoạt tính khác nhau. Tóm lại, về nguyên tắc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí bao gồm các bước sau đây:  Chuyển hóa các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc carbon ở dạng hòa tan, keo hoặc không hòa tan phân tán nhỏ thành khí CO 2 , nước và sinh khối vi sinh vật. G o G 1 G 2 G 4 G t G 3 G 5 Trôi theo nước thải CO 2 + H 2 O CO 2 + H 2 O Hình 2.4. Sơ đồ cân bằng BOD trong hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí 14  Tạo ra bùn thứ cấp (các bông bùn hoặc màng sinh vật) chủ yếu là các vi khuẩn, động vật nguyên sinh và các keo vô cơ trong nước thải.  Tách bùn thứ cấp ra khỏi nước bằng quá trình lắng trọng lực. 2.2.3.2. Phương pháp xử lý bằng bùn hoạt tính Hình 2.5. Sơ đồ quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính Khi nước thải đi vào bể thổi khí (bể Aerotank), các bông bùn hoạt tính được hình thành mà hạt nhân của nó là các phân tử cặn lơ lửng. Các loại vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, phát triển dần, cùng với các động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn… tạo nên các bông bùn màu nâu sẫm, có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ. Vi khuẩn dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành tế bào mới. Trong Aerotank, lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, sau đó được tách ra tại bể lắng đợt hai. Một phần bùn được quay lại về đầu bể để tham gia xử lý nước thải theo chu trình mới. Quá trình chuyển hóa chất bẩn trong xử lý nước thải được thực hiện theo từng bước xen kẽ và nối tiếp. Một vài loại vi khuẩn tấn công vào các hợp chất hữu cơ đơn giản, là nguồn chất nền cho vi khuẩn tiếp theo. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi chất thải cuối cùng không thể là thức ăn của vi sinh vật được nữa. Nếu trong nước thải đậm đặc chất hữu cơ hoặc có nhiều chất hữu cơ khó phân hủy, cần có thời gian để chuyển hóa thức ăn thì phần bùn hoạt tính tuần hoàn phải được tách riêng và sục khí Nước thải Bể Aerotank Bể tải sinh bùn hoạt tính tuần hoàn Bể lắng đợt hai Cấp Oxy Bùn hoạt tính dư Bùn hoạt tính tuần hoàn Nước sau xử lý 15 cho chúng tiêu hóa thức ăn đã hấp thụ. Quá trình này gọi là quá trình tái sinh bùn hoạt tính. Như vậy, quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bao gồm các giai đoạn:  Khuấy trộn, tạo điều kiện tiếp xúc nước thải cần xử lý với bùn hoạt tính trong thể tích V của bể phản ứng.  Làm thoáng bằng khí nén hay khuấy trộn bề mặt hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính có trong bể trong một thời gian đủ dài để lấy oxy cung cấp cho quá trình oxy hóa của vi khuẩn và các vi sinh vật khác xảy ra trong bể.  Làm trong nước và tách bùn hoạt tính ra khỏi hỗn hợp bằng bể lắng.  Tái sinh và tuần hoàn lại lượng bùn cần thiết từ bể lắng vào bể aerotank để hòa trộn với nước thải đi vào  Xả bùn và xử lý bùn. 2.2.3.3. Phân loại các loại hệ thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính theo thủy động học trong hệ thống. Aerotank hoạt động gián đoạn từng mẻ (Sequencing Batch Reactor-SBR): trong hệ thống này bùn hoạt tính được hoạt động tại chỗ theo chu trình: trộn với nước thải, hấp thụ và oxy hóa chất hữu cơ và lắng tĩnh. Aerotank trộn hoàn toàn: nước thải được trộn và cung cấp oxy đều tại mọi vị trí vào mọi thời điểm. Một phần bùn hoạt tính được hồi phục luôn trong ngăn bể Aerotank đẩy- mương oxy hóa: bùn hoạt tính được tiếp xúc dần với nước thải theo chiều dài của hệ thống. Bùn hoạt tính không phải phục hồi hoặc phục hồi tại ngăn riêng. 2.2.4. Aerotank hoạt động gián đoạn từng mẻ - Sequencing Batch Reactor (SBR) 2.2.4.1. Nguyên tắc hoạt động Aerotank hoạt động gián đoạn theo mẻ (Sequencing Batch Reactor- SBR) là một dạng công trình xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, trong đó tuần tự diễn ra các quá trình thổi khí, lắng bùn và gạn nước thải. Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn tối thiểu là hai ngăn. 16 2.2.4.2. Các giai đoạn trong một bể Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Được mô tả ở hình 2.6. Hình 2.6. Các giai đoạn hoạt động của bể Aerotank hoạt động gián đoạn (SBR) Trong bước một, khi cho nước thải vào bể, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước. Sau đó, hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước hai với thời gian thổi khí đúng theo thời gian yêu cầu. Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được oxy hóa trong giai đoạn này. Bước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh. Sau đó, nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể. Bước cuối cùng là xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể. Các ngăn bể khác hoạt động lệch pha nhau để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải cho xử lý được liên tục. Bể Aerotank hoạt động gián đoạn theo mẻ làm việc không cần bể lắng đợt hai, trong một số trường hợp bể điều hòa và bể lắng đợt hai có thể được bỏ qua. Bể Aerotank hệ SBR có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, lưu lượng nước thải không ổn định, hiệu quả xử lý cao, khử được các chất dinh dưỡng nitơ, dễ vận hành. Sự dao động lưu lượng nước thải ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Nhược điểm chính của bể 17 là công suất xử lý nước thải nhỏ. Để bể hoạt động có hiệu quả, người vận hành phải có trình độ và phải theo dõi thường xuyên các bước xử lý nước thải. 2.3 Ứng dụng chế phẩm Sanjiban, sản phẩm công nghệ sinh học trong xử lý nƣớc rỉ rác 2.3.1 Sự phát triển cần thiết của “chữa trị sinh học” trong xử lý nƣớc rỉ rác Nguyên nhân của vấn đề rác thải này thì rất đơn giản. Những hỗn hợp không ổn định làm chết ngạt những hệ thống sinh học tự nhiên ở những hồ chứa tự nhiên. Những vi khuẩn khỏe mạnh thường chuyển hóa chất thải thành những chất dinh dưỡng cần thiết cho bản thân thì bị chết do quá mức chịu đựng. Cách giải quyết của vấn đề này là thêm vào hệ thống sự hoạt động vi sinh vật tự nhiên để cân bằng lại hệ sinh thái. “Chữa trị sinh học”-“Bioremediation” là một ứng dụng của xử lý sinh học để làm sạch những chất ô nhiễm không mong muốn. Nó kết hợp công dụng của vi sinh vật như: nấm, vi khuẩn để phân hủy sinh học những chất gây ô nhiễm. “Chữa trị sinh học” cho hiệu quả xử lý, làm sạch môi trường cao, làm tăng sự lựu chọn thích hợp của kỹ thuật chữa trị trong việc dọn dẹp những ca phẫu thuật. 2.3.2. Các đặc tính và ứng dụng của Sanjiban MicroActive trong xử lý môi trƣờng Sanjiban MicroAcitve là một chất kích hoạt lỏng thu nhận từ quá trình lên men phức tạp. Dễ dàng ứng dụng, không có tính độc hại, đảm bảo an toàn và 100% tự nhiên, MicroActive không phải là một chất khử mùi mà là những chất chiết xuất hữu cơ được làm giàu với những enzyme tự nhiên kích hoạt nhanh chóng và tăng sinh khối những vi sinh vật khỏe mạnh có trong hệ thống thải. Vì những vi sinh vật này làm nhiệm vụ phân hủy chất thải, quá trình phân hủy thay đổi từ kỵ khí sang hiếu khí, thì nó nhanh chóng làm giảm mùi hôi [9]. Phương pháp “chữa trị sinh học” bằng Sanjiban là “tăng cường quá mức” những tổ chức vi sinh hoạt động trong nước thải để phá hủy những chất thải. Sanjiban tạo ra số lượng lớn oxy hòa tan tự tái sinh và oxy tự do mà nó ức chế quá trình tạo mùi gây ra do những hoạt động kỵ khí. Nếu dùng đúng, đó là quá trình kiềm hóa mùi tự nhiên, tái tạo và giữ sự cân bằng sinh thái hệ vi sinh vật. MicroActive cũng sẽ kích hoạt và làm tăng số lượng khuẩn lạc vi khuẩn được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, mà có thể được tạo ra trong hồ thải để tăng cường sự “chữa trị sinh học”. 18 Sự cần thiết của Sanjiban MicroActive là hoạt động hợp lực của sự gia tăng sinh học tại chỗ và sự xúc tác dựa vào enzyme tự nhiên phá hủy những chất thải hữu cơ có trong nước thải. Sự hợp lực này sẽ tái tạo ra những chất dinh dưỡng tự nhiên trong nước thải. Sanjiban MicroActive có mục đích chính là đưa ra dung dịch tự nhiên cho xử lý nước thải để có thể thải ra những hệ thống nước bão hòa oxy, cung cấp sự sống, thích hợp cho trồng trọt và nông nghiệp. Những thuận lợi của việc xử lý bằng Sanjiban MicroActive Giảm hàm lượng BOD và COD Giảm TSS (tổng chất rắn lơ lửng) Giảm hàm lượng FOG (chất dầu mỡ) Tăng hàm lượng MLSS (nồng độ bùn hoạt tính) Hạn chế mùi Làm tăng độ trong của nước Có thể tái sử dụng nước cho trồng trọt và nông trại Giảm thời gian lưu và giá cả cho xử lý nước thải 2.3.3 Các loại sản phẩm dùng trong xử lý nƣớc thải Sanjiban MicroActive – 1000 Bio-clean (làm sạch tự nhiên) Sanjiban MicroActive – 6000 Sewage Bio-digestic Treatment (phân hủy sinh học chất thải) Sanjiban MicroActive - 8000 Chem Bio-Treat (xử lý sinh hóa) 2.3.4 Sản phẩm Sanjiban MicroActive 8000 Chem Bio-Treat 2.3.4.1. Giới thiệu Sanjiban MicroActive-8000 Chem Bio-Treat là một chất kích thích lỏng, thu nhận từ quá trình lên men phức tạp. Nó là hỗn hợp của những chất trích tự nhiên và những enzyme kích hoạt có khả năng nhân số lượng vi sinh vật khỏe mạnh có mặt trong bùn hoạt tính hay trong môi trường nuôi cấy đặc hiệu của vi khuẩn và nấm trong phòng thí nghiệm cần cho chữa trị sinh học. Vì những vi sinh vật này phân hủy sinh học những chất ô nhiễm trong nước thải nên sự giảm hàm lượng BOD, COD và TSS sẽ tăng lên nhanh chóng. Sanjiban tạo ra lượng lớn oxy hòa tan tự sinh và oxy tự do cần cho việc kích hoạt lại bùn hoàn lưu trong những hệ thống xử lý nước thải hóa học. 19 2.3.4.2 MicroActive- 8000 hoạt động kiểu xử lý sinh hóa Những enzyme tự nhiên MicroActive-8000 kích hoạt oxy và chuyển đổi nó thành một dạng mà ở đó nguyên tử oxy có thể kết hợp trực tiếp vào các hợp chất hóa học phức tạp, và phá vỡ những hợp chất chuỗi dài. Sau đó, hợp chất hóa học phức tạp bị phá vỡ thành những hợp chất đơn giản và cuối cùng tạo thành acid béo đơn. Vì quá trình này được lặp lại do vậy nhanh chóng trở thành thức ăn cần thiết cho quần thể vi sinh vật. Khi một phản ứng được hoàn thành, enzyme tự nhiên phá vỡ tự do để gắn kết nó với nguồn hợp chất hóa học phức tạp khác để lặp lại phản ứng tương tự. Sanjiban MicroActive - 8000 xử lý sinh hóa hoạt động cùng lúc theo hai hướng trong ma trận hợp chất hóa học, là đồng thời và hợp lực: một hướng là tạo ra một môi trường hiếu khí bằng việc tạo ra lượng lớn oxy hòa tan ở mật độ tăng dân số vi sinh vật, và một hướng khác là phá bỏ những chuỗi phân tử hóa học phức tạp dài để tạo thành acid béo, CO 2 và nước. 2.3.4.3. Đặc tính sản phẩm Ổn định: 9-12 tháng Đặc tính bề ngoài: chất lỏng màu nâu sáng Mùi: mùi đất Trọng lượng riêng: 1 Hoạt tính : ngay tức khắc Chuỗi pH: 5-9 Nhiệt độ: 5-50 o C 20 PHẦN III. PHƢƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 3.1 Thời gian và địa điểm 3.1.1 Thời gian thực hiện Thời gian bắt đầu ngày 1 tháng 4 năm 2005 Thời gian kết thúc ngày 30 tháng 7 năm 2005 3.1.2 Địa điểm Phòng thí nghiệm Công Nghệ Xử Lý, khoa Môi Trường, Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh Trung tâm Công Nghệ và Quản lý Môi trường và Tài Nguyên, Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh 3.2 Vật liệu thí nghiệm 3.2.1 Nƣớc rỉ rác mới (đƣợc hình thành dƣới 2 năm) Nước rác mới được lấy ở bể bơm đầu vào ở trạm xử lý nước rác Gò Cát, (quận Bình Tân, Tp. HCM). Nước rỉ rác lấy về được pha loãng ra với nồng độ tùy theo vào điều kiện ngoại cảnh lúc làm thí nghiệm và mô hình lúc làm thí nghiệm, nhằm làm giảm nồng độ chất hữu cơ có trong nước rỉ rác ban đầu, đưa về điều kiện gần với điều kiện xử lý hiếu khí, để làm tăng hiệu quả xử lý của mô hình thử nghiệm. 3.2.2 Bùn hoạt tính Bùn hoạt tính chưa ổn định được lấy từ bể lắng của Trạm xử lý nước rỉ rác Gò Cát. Bùn chuyển hóa tốt lấy từ nhà máy bia Tiger, thuộc Công Ty bia Việt Nam. Bùn lấy về cho chạy thích nghi với nước rỉ rác trước khi đưa vào mô hình thử nghiệm, khi bùn chuyển hóa tốt, tạo bông cặn và lắng tốt thì cho đưa vào chạy mô hình. Bùn hoạt tính là loại bùn xốp có chứa nhiều vi sinh vật có khả năng oxy hóa và khoáng hóa các chất hữu cơ có trong nước thải. Để giữ cho bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng (khuấy trộn đều) và đảm bảo oxy dùng cho các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ thì phải luôn luôn duy trì việc cung cấp khí. Số lượng quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần chất thải, hàm lượng các chất thải, lượng oxy hòa tan, chế độ thủy động học của bể. . ngăn riêng. 2.2.4. Aerotank hoạt động gián đoạn từng mẻ - Sequencing Batch Reactor (SBR) 2.2.4.1. Nguyên tắc hoạt động Aerotank hoạt động gián đoạn theo mẻ (Sequencing Batch Reactor- SBR) là. thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính theo thủy động học trong hệ thống. Aerotank hoạt động gián đoạn từng mẻ (Sequencing Batch Reactor- SBR ): trong hệ thống này bùn hoạt tính được hoạt động. 2 .3 Ứng dụng chế phẩm Sanjiban, sản phẩm công nghệ sinh học trong xử lý nƣớc rỉ rác 2 .3. 1 Sự phát triển cần thiết của “chữa trị sinh học” trong xử lý nƣớc rỉ rác Nguyên nhân của vấn đề rác