BK TPHCM BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Biên soạn: PGS Nguyễn Phước Dân GVHD: TS Lê Hoàng Nghiêm Email: hoangnghiem72@gmail.com hoangnghiem72@yahoo.com BK TPHCM Tổng quan • Mục tiêu trình sinh học công nghệ môi trường: – Biến đổi thành phần dễ phân hủy sinh học thành sản phẩm cuối chấp nhận – Khử chất dinh dưỡng N, P – Bắt giữ chất rắn/hạït keo vào hạt keo hạt lơ lững vào bùn sinh học (biological floc) hay màng sinh vật (biofilm) – Khử thành phần/chất organic/constitutent) hữu vết (trace • Bốn loại chất cần xử lý (pollutants) trình trên: CHC hòa tan, CHC không tan, chất vô không tan chất vô hòa tan • Vai trò trình sinh hoá (biochemical processes) XLNT thể sơ đồ sau: TS.LÊ HỒNG NGHIÊM Tổng quan BK TPHCM Xử lý sơ Preliminary physical unitä Xử lý bổ sung Additional treatment Xử lý bậc Preliminary physical unitä Nén bùn Thickening Quá trình sinh hóa Biochemical process n đònh bùn Biochemical processä Tách-Lắng Physical unitä Xử lý bậc cao Advanced treatment Nén-tách nước ThickeningDewatering SOM: Soluble organic matter IOM: Insoluble organic matter SIM: Soluble inorganic matter IIM: Insoluble inorganic matter Biomass TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM Tổng quan • Phân loại trình sinh hóa dựa ba quan điểm sau: – Biến đổi sinh hóa: (1) chuyển hóa (oxy hóa) thành phần phân hủy sinh học loại bỏ chất dinh dưỡng – Môi trường sinh hóa: trình sinh hóa thực điều kiện kò khí, hiếu khí, thiếu khí – Hình dạng bể sinh học: chia làm hai nhóm chính, phụ thuộc hình thái sinh trưởng vi sinh: Lơ lửng bám dính giá thể rắn TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Tổng quan Sự khác biệt trình sinh học hóa học – Quá trình sinh học, thực với tham gia vi sinh vật, khác với trình hoá học điểm sau: Tính phức tạp hỗn hợp chất phản ứng Sự gia tăng sinh khối diễn với chuyển hoá sinh học Khả vi sinh vật tự tổng hợp xúc tác cho riêng (men vi sinh) Khó giữ vận tốc chuyển hoá không đổi (tính không ổn đònh trình) Tiến hành trình pha lỏng (nước) Nồng độ chất sản phẩm tương đối thấp – Tất phản ứng vi sinh học dò thể chúng xảy với tham gia pha: pha rắn, vi sinh vật pha lỏng (nước) Đôi trình tham gia pha khí, pha lỏng pha rắn khác (không khí oxi hệ thông hiếu khí CO2 hệ kỵ khí) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Tổng quan (tt) • ng dụng trình sinh học lónh vực môi trường – Xử lý nước thải: trình vi sinh vật sử dụng để chuyển hoá chất thải hoạt động sống người thành sản phẩm có giá trò đònh Sự chuyển hoá đạt nhờ nước thải sinh hoạt công nghiệp chứa lượng lớn chất ô nhiễm có khả phân hủy sinh học – Xử lý chất thải rắn: chất thải rắn sinh hoạt chứa phần lớn thành phần hữu có khả phân hủy sinh học Vi sinh vật sử dụng chúng làm nguồn thức ăn chuyển hóa thành phân compost – Tham gia vào trình tự làm môi trường (đất, nước, không khí) – Xử lý khí thải: vi sinh vật sử dụng chất ô nhiễm khí thải làm nguồn cacbon xử lý VOC TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Thành phần phân loại vi sinh vật • Thành phần tế bào vi sinh vật – Nước muối khoáng Nước có tế bào VSV khoảng 75-90% Hàm lượng chất khô tế bào VSV khoảng 1030%, hàm lượng muối khoáng chát khô khoảng 5-10% – Các hợp chất hữu Các loại hydrat cacbon: gồm monosacarit polysacarit Lipit: hàm lượng mỡ chất béo Protit: gồm protein (protit đơn giản) proteic (protit phức tạp) Các loại axit nucleic TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Thành phần phân loại vi sinh vật (tt) • Cấu trúc tế bào vi khuẩn: – – – – – – – Màng nhầy Vách tế bào Màng nguyên sinh chất Nguyên sinh chất Nhân Tiêm mao Bào tử TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM • Thành phần phân loại vi sinh vật (tt) Phân loại vi sinh vật – Vi khuẩn – Nấm – Tảo: tảo khuê, tảo lam, – Động vật nguyên sinh: trùng roi, thảo trùng, – Thực vật nước bậc cao TS.LÊ HỒNG NGHIÊM Trao đổi chất lượng vi sinh vật BK TPHCM Quá trình trao đổi chất VSV bao gồm trình bản: – Quá trình đồng hóa: tổng hợp vật chất tế bào Năng lượng cung cấp trình di hóa Vật chất lấy từ môi trường tổng hợp xảy tế bào – Quá trình dò hóa: phân giải vật chất tế bào Dò hóa tế bào cung cấp vật chất cho tế bào nhờ enzym ngoại bào (được tổng hợp tế bào thực phản ứng tế bào) Dò hóa tế bào thực nhờ enzym nội bào (được tổng hợp tế bào thực phản ứng tế bào) 10 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Quá trình khử Nitrát • Có cách kh nitrat: – ng hố: • Kh nitrat thành ammonia s d ng cho t ng h p t bào, x y NH4-N khơng có s n không ph thu c vào n ng đ DO – D hố: • D hố kh nitrat ho c kh nitrat sinh h c k t h p chu i chuy n hoá n t , nitrat ho c nitrit đ c s d ng nh ch t nh n n t cho vi c oxi hoá h p ch t h u c khác ho c ch t cho n t vô c 54 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM ng l ng c a q trình kh nitrat • Ph n ng kh nitrat bao g m nh ng b c sau: t nitrat thành nitrit, oxit nitrit, oxit nitrous thành khí nit : − − NO → NO → NO → N 2O → N • Ch t cho n t ngu n: – bsCOD n c th i đ u vào – bsCOD sinh trình phân h y n i bào – ngu n t bên ngồi nh methanol ho c acetate 55 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM ng l • N ng ph n ng kh nitrat c th i: C10H19 O3N+10NO3- → 5N2 +10CO2 +3H2O+NH3 +10OH• Metanol: 5CH OH+6NO 3- → 3N +5CO +7H O+6OH • Acetate: 5CH3 COOH+8NO3- → 4N2 +10CO2 +6H2 0+8OH- 56 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM ng l ng ph n ng kh nitrat • đ ng l ng c a đ ki m sinh đ ng l ng c a NO3-N b kh , u b ng 3.57g c a đ ki m (CaCO3) sinh g NO3-N b kh • Q trình nitrat hố 7.14 g ki m (CaCO3) đ c tiêu th g NH4-N đ c oxi hoá, đ cho kh nitrat kho ng n a s l ng đ c phân h y b i nitrat hố có th đ c bù l i 57 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM ng l ng ph n ng kh nitrat • T m t n a ph n ng oxi hoá kh , đ ng l ng oxi s d ng nitrat ho c nitrit c ng có th đ c xác đ nh nh ch t nh n n t – i v i oxi 0.5H2O 0.25O2 + H+ + e– i v i nitrat 0.2NO + 1.2H+ + e- 0.1N2 + 0.6H2O( – i v i nitrit 0.33NO + 1.33H+ + e0.67H2O + 0.17N2 • 0.25 mol oxi t ng đ ng 0.2 mol nitrat cho v n chuy n n t oxi hoá kh Do đó, đ ng l ng oxi c a nitrat (0.25 x 32gO2/mol) chia cho đ ng l ng gram nitrat (0.2 x 14 gN/mol) b ng 2.86 gO2/gNO3-N 58 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Quá trình sinh học thiếu khí ng dụng trình thiếu khí để khử nitơ nước thải Quá trình khử nitrat bao gồm việc oxi hoá nhiều chất hữu xử lí nước thải sử dụng nitrat nitrit chất nhận điện tử thay cho oxi Phản ứng khử nitrat bao gồm bước sau: từ nitrat thành nitrit, oxit nitrit, oxit nitrous thành khí nitơ: − − NO → NO → NO → N O → N 59 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Sơ đồ trình BHT thiếu khí khử nitrat Cung c p nitrat N c vào Anoxic Hi u khí/Nitrat Khử Khử nitrá nitrátt hố Bùn tu n hồn 60 N c L ng Bùn d TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM • Quá trình sinh học thiếu khí (tt) Trong trình khử nitơ, chất cho điện tử nguồn: – (1) bsCOD nước thải đầu vào – (2) bsCOD sinh trình phân hủy nội bào – (3) nguồn từ bên methanol acetate • • • Nước thải C10H19O3N + 10NO 5N2 + 10CO2 + 3H2O + NH3 + 10OHMetanol 5CH3OH + 6NO 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OHAcetate 5CH3COOH + 8NO 4N2 + 10CO2 + 6H2O + 8OHQuaù trình thiếu khí (anoxic processes) Tên chung Tăng trưởng lơ lửng Tăng trưởng lơ lửng khử nitrat Tăng trưởng bám dính Tăng trưởng bám dính khử nitrat 61 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM • Quá trình khử độc Đặc trưng trình phân hủy sinh học chất độc chất khó phân hủy sinh học – Các hợp chất hữu đóng vai trò nguồn chất VSV – Các hợp chất hữu đóng vai trò chất oxy hóa – Các hợp chất hữu bò chuyển hóa theo chế phân hủy đồng trao đổi chất (cometabolic degradation) Có nghóa nhờ vào hoạt động enzym, hợp chất bò chuyển hóa thành CO2, H2O CH4 chuyển hóa thành hợp chất hữu khác • Quá trình phân hủy kỵ khí – Nhiều chất độc chất hữu bền vững chuyển hóa điều kiện kỵ khí Ví dụ hợp vòng thơm không chứa thành phần halogen axit béo như: phenol, toluen, alcohols, ketones – Phần lớn hợp chất hữu chlor khó phân hủy điều kiện kỵ khí chúng đóng vai trò tác nhân oxy hóa phản ứng oxy hóa khử 62 – Các phản ứng phân hủy hợp chất hữu chứa chlor diễn chậm không hoàn toàn TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM • Quá trình khử độc (tt) Quá trình phân hủy hiếu khí – Phần lớn chất độc chất hữu bền vững nước thải (ohenol, benzen, toluen, hợp chất hydrocacbon thơm mạch vòng, thuốc trừ sâu, hóa dầu, clcohols, ketones, methylene chloride, vinyl chloride, chất độc hóa học, chlorinated phenols) nguồn chất cho trình sinh trưởng loài VSV dò dưỡng – Phản ứng phân hủy chất độc hợp chất hữu khó phân hủy sinh học diễn theo chế phản ứng phân hủy đồng trao đổi chất với có mặt oxy • ng dụng VSV phân giải chất độc chất khó phân hủy sinh học – Sự phân hủy dầu mỏ khí đốt • Các VSV sống dầu mỏ khí đốt lấy hydrocacbon làm nguồn cacbon để trao đổi chất lượng • VSV phân hủy hydrocacbon thuộc họ vi khuẩn, nấm mốc, nấm men: Mycobacterium, Pseudomonas, Bacterium, Bacillus, … 63 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM Quá trình khử độc (tt) – Phân hủy kittin • Kittin hợp chất cao phân tử có cấu tạo gốc Nacetyl-D-glucozamin, hợp chất bền vững kh6ong tan nước, dung môi hữu • Một số VSV sinh enzym kitinase, xúc tác cho phản ứng thủy phân kititn thành kitiobise, kititriose axetyl glucozamin – Phân giải pectin • Pectin hợp chất cao phân tử thuộc loại polygalacturomic phân bố rộng rãi loại thực vật, tan nước phần lớn không tan dung môi hữu • Một số VSV sinh enzym (Exo P.C, Endo PG, Endo PMG, ) phâ giải pectin gồm: nấm (Aspergillusniger, A.oryzae, A.flavus, ), vi khuaån (Erwinia carotovora, Erwinia aroideae, Clostridium, ) – Phân giải lignin • Lignin bền vững điều kiện yếm khí, chúng bò phân hủy điều kiện hiếu khí mạnh mẽ 64 • Sự phân hủy lgnin xảy đồng thời sử dụng nguồn cacbon khác cho vào glucose, cellulose, ) TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Quá trình khử độc (tt) – Phân hủy hợp chất chứa chlor • VSV có khả phân hủy hợp chất chlor hóa tương đối chậm 65 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Quá trình khử kim loại nặng • Cơ chế trình khử kim loại bằng biện pháp sinh học hấp phụ kim loại nặng vi sinh vật oxy hóa chúng thành hợp chất bền • Quá trình hấp phụ kim loại vi sinh vật – Quá trình xử lý kim loại nặng VSV chia làm giai đoạn: • Giai đoạn thứ giai đoạn tích tụ kim loại nặng vào sinh khôi vi sinh vật nhằm làm giảm nồng độ kim loại nặng nước thải • Giai đoạn thứ hai giai đoạn loại bỏ kim loại nặng khỏi sinh khối bùn – Giai đoạn tích tụ kim loại nặng vào sinh khối có nhiều VSV tham gia xạ khuẩn, loại tảo, nấm men, nấm mốc, 66 – Sinh khối bùn chứa hàm lượng kim loại nặng cao xử lý biện pháp sinh học với tham gia loại vi khuẩn như: Thiobacillu ferrooxydans Thiobacillus TS.LÊ HỒNG NGHIÊM thiooxydan BK TPHCM Quá trình khử kim loại nặng (tt) – Vi sinh vật hấp phụ kim loại bề mặt tế bào chuyển hóa chúng thành hợp chất polysaccarit, polymer protein tế bào vi sinh vật – ng dụng trình hấp phụ kim loại nặng VSV kết hợp trình bùn hoạt tính với giá thể than hoạt tính dạng bột (PAC-Powdered Activated Carbon) – Theo trình than hoạt tính thêm trực tiếp vào bể thổi khí đồng thời diễn phản ứng oxy hóa sinh học hấp phụ vật lý – Ưu điểm trình là: (1) Chòu tải trọng cao (2) Khử chất ô nhiễm khó phân hủy (3) Khử màu khử ammonia (4) Bùn dễ lắng 67 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM Quá trình khử kim loại nặng (tt) Quá trình oxy hóa kim loại vi sinh vật Oxy hóa hợp chất Fe2+ Trong nguồn nước sắt thông thường tồn dạng muối sắt (II): Fe(HCO3)2 FeCO3 Nếu có oxy muối chuyển hóa thành sắt hydroxyt theo phương trình: F eC O3 + H + / O → F e (O H )3 + C O Quá trình có kèm theo giải phóng lượng Sắt hydroxyt kết lắng cặn Vi khuẩn oxy hóa sắt hóa trò hai loại vi khuẩn sắt dạng sợi dạng đơn bào Quá trình xảy chậm Oxy hóa hợp chất Mn2+ Trong điều kiện tự nhiên mangan ồn dạng oxyt không tan nước mà trạng thái lơ lửng Mangan hóa tri hai bò oxy hóa thành mangan hóa trò bốn theo phương trình: M n 2+ + / 2O + 2O H 68 − → M n O + H 2O Vi khuẩn chuyển hóa mangan thuộc loại vi khuẩn hóa hữu Quá trình chuyển hóa mangan oxyt thực nhờ vi khuẩn kỵ khí tùy tiện TS.LÊ HỒNG NGHIÊM