Giai đoạn chậm
(lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được
cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới
và bắt đầu quá tŕnh phân bào.
SƠ LƯỢC VỀ CÁC QUÁ TR̀NH VI SINH TRONG BỂ XỬ LƯ NƯỚC THẢI
Như đă nói ở các chương trước quá tŕnh xử lư sinh học thường theo sau quá tŕnh xử lư cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩn. Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế các công tŕnh khác nhau. Tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng ao hồ có sẵn hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lư.
Sơ lược về các quá tŕnh vi sinh trong việc xử lư nước thải
Quá tŕnh hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc (tùy nghi)
Để thiết kế và vận hành một bể xử lư sinh học có hiệu quả chúng ta phải nắm vững các kiến thức sinh học có liên quan đến quá tŕnh xử lư. Trong các bể xử lư sinh học các vi khuẩn đóng vai tṛ quan trọng hàng đầu v́ nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ c̣n lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra c̣n có cácloại h́nh sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai tṛ quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh.
Khi bể xử lư được xây dựng xong và đưa vào vận hành th́ các vi khuẩn có sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi khuẩn. Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lư vào hoạt động ổn định có thể dùng bùn của các bể xử lư đang hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như là một h́nh thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lư. Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lư bao gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn chậm
(lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được
cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới
và bắt đầu quá tŕnh phân bào.
Giai đoạn tăng trưởng
(log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng
nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần
phân bào và lượng thức ăn trong môi trường.
Giai đoạn cân bằng
(stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một số lượng ổn định.
Nguyên nhân của giai đoạn này là (a) các chất dinh dưỡngcần thiết cho quá tŕnh
tăng trưởng của vi khuẩn đă bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh ra bằng
với số lượng vi khuẩn chết đi.
Giai đoạn chết (log-death
phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi
khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này có
thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường.
Một đồ thị điển h́nh về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lư
Cũng cần nó thêm rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc. Thực tế trong bể xử lư có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thị tăng trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của đồ thị. Trong một giai đoạn bất kỳ nào đó sẽ có một loài có số lượng chủ đạo do ở thời điểm đó các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ... phù hợp cho loài đó. Sự biến động về các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lư được biểu diễn trong h́nh bên dưới. Khi thiết kế và vận hành hệ thống xử lư chúng ta phải để ư tới cả hệ vi sinh vật này, không nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật.
Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lư nước thải
Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991
Như đă nói ở trên vi khuẩn đóng vai tṛ quan trọng hàng đầu trong các bể xử lư nước thải. Do đó trong các bể này chúng ta phải duy tŕ một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể. Điều này có thể thực hiện thông qua quá tŕnh thiết kế và vận hành. Trong quá tŕnh thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lư và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn có thể sinh sản được. Trong quá tŕnh vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá tŕnh tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn...) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của các công tŕnh xử lư nước thải hiếu khí
|
Loại |
Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công tŕnh |
|
Bùn hoạt tính |
Loại bể phản ứng Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M) Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH) |
|
Bể lọc sinh học nhỏ giọt |
Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất thông khí Tỉ lệ hoàn lưu Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước |
|
Đĩa quay sinh học |
Số bể, đĩa Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hoàn lưu |
|
Loại |
Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công tŕnh |
|
Bùn hoạt tính |
Loại bể phản ứng Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M) Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH) |
|
Bể lọc sinh học nhỏ giọt |
Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất thông khí Tỉ lệ hoàn lưu Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước |
|
Đĩa quay sinh học |
Số bể, đĩa Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hoàn lưu |
Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991
Quá tŕnh yếm khí
Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy. Quá tŕnh phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương tŕnh sau đây:
|
Chất hữu cơ |
lên men -----------> yếm khí |
CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S |
Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas như sau:
| Methane (CH4) | 55 ¸ 65% |
| Carbon dioxide (CO2) | 35 ¸ 45% |
| Nitrogen (N2) | 0 ¸ 3% |
| Hydrogen (H2) | 0 ¸ 1% |
| Hydrogen Sulphide (H2S) | 0 ¸ 1% |
Methane có nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m3). Do đó, nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500 ¸ 6.000 kcal/m3, tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong Biogas.
Quá tŕnh phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau:
|
Giai đoạn I Thủy phân và lên men |
Giai đoạn II Tạo axid acetic, H2 |
Giai đoạn III Sinh CH4 |
Ba giai đoạn của quá tŕnh lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981)
Ba nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá tŕnh là nhóm vi sinh vật thủyphân ch6át hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo acid bao gồm các loài Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli, và nhóm vi sinh vật sinh methane gồm các loài dạng h́nh que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng h́nh cầu (Methanococcus, Methanosarcina).
Bấm chuột vào đây để xem một đoạn phim ngắn về cơ chế hoạt động của các vi khuẩn
(thuyết minh bằng tiếng Anh)
Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá tŕnh lên men yếm khí
Quá tŕnh lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ). Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 ¸ 10%, 90 ¸ 95% c̣n lại là nước.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ư đến trong quá tŕnh xử lư yếm khí:
25
¸
40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm.
50
¸
65oC: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt.
Nói chung khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 ¸ 45oC th́ tốc độ sinh khí giảm v́ khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá tŕnh sinh khí bị kềm hăm hoàn toàn ở 65oC trở lên.
Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ
(Price and Cheremisinoff, 1981, trích dẫn bởi Chongrak, 1989)
Bấm chuột vào đây để xem ảnh động về ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh khí
(thuyết minh bằng tiếng Anh)
Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường thấp; do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua các ống h́nh xoắn ốc lắp đặt sẵn trong ḷng hầm ủ. Ngoài ra người ta c̣n dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5 ¸ 10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ.
Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity)
pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 ¸ 7,6 tối ưu trong khoảng 7 ¸ 7,2 v́ tuy rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đó. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí b́nh thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung ḥa pH của hầm ủ.
Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 ¸ 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp.
Ảnh hưởng của độ mặn
Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. TTNLM đă t́m hiểu khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá tŕnh sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể. Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lư yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 1988).
Các chất dinh dưỡng
Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 ¸ 30/1 bởi v́ các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25 ¸ 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá tŕnh sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định.
Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp
Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:
Hàm lượng chất hữu cơ biểu
thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày
Thời gian lưu trữ hỗn hợp
nạp trong hầm ủ HRT
Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane.
Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp
Các chất khóang trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá tŕnh sinh khí methane. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá tŕnh sinh khí.
Các chất khóang này c̣n gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác.
Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá tŕnh lên men yếm khí
(EPA, 1979, trích dẫn bởi Chongrak, 1989)
|
Cations gây độc |
Cations cộng hưởng |
Cations đối kháng |
|
Ammonium - N |
Ca, Mg, K |
Na |
|
Ca |
Ammniu - N, Mg |
K, Na |
|
Mg |
Ammonium - N, Ca |
K, Na |
|
K |
|
K, Na |
|
Na |
Ammonium - N, Ca, Mg |
K |
Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá tŕnh sinh khí. Nó c̣n làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ.
[Phaàn 1] [Phaàn 2] [Phaàn 3] [Phaàn 4] [Phaàn 5] [Phaàn 6] [Phaàn 7]
© Lê Hoàng Việt - Trung Tâm Năng Lượng Mới
