Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 29
Baøi 7. KHAÛO SAÙT HIEÄU QUAÛ XÖÛ LYÙ NÖÔÙC THAÛI BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP
DUØNG BUØN HOAÏT TÍNH.
(NGHIEÂN CÖÙU XAÙC ÑÒNH THOÂNG SOÁ ÑOÄNG HOÏC CUÛA QUAÙ TRÌNH XÖÛ
LYÙ SINH HOÏC)
7.1.MUÏC ÑÍCH
Tìm hieåu phöông phaùp xöû lyù nöôùc thaûi baèng buøn hoaït tính nhö theá naøo
Xaùc ñònh hieäu xuaát cao nhaát cuûa quaù trình xöû lyù nöôùc thaûi.
Tìm hieåu caùch xaùc ñònh thoâng soá ñoäng hoïc
7.2. CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT.
7.2.1. Nguyeân taéc cuûa phöông phaùp hieáu khí
7.2.1.1. Nguyeân taéc
Caùc phöông phaùp hieáu khí döïa reân nguyeân taéc laø caùc vi sinh vaät hieáu khí phaân huûy
caùc chaát höõu cô trong ñieàu kieän coù oxy hoøa tan.
Chaát höõu cô + O2 → vatVisinh H2O + CO2 + NH3 + ….
ÔÛ ñieàu kieän hieáu khí (haøm löôïng oâxy hoøa tan toái thieåu 1.5 – 2.0 mg/l), NH4+ cuõng bò
loaïi nhôø quaù trình nitrat hoùa cuûa vi sinh vaät töï döôõng.
NH4+ + 2O2 → vatVi sinh NO3- + 2H+ + H2O + Naêng löôïng
7.2.1.2.. Cô cheá cuûa quaù trình phaân huûy caùc chaát trong teá baøo
Cô cheá cuûa quaù trình phaân huûy caùc chaát trong teá baøo coù theå toùm taét nhö sau:
- Caùc haát höõu cô ñaàu tieân bò oâxy hoùa laø hydrat cacbon vaø moät soá caùc chaát höõu cô khaùc.
Men cuûa vi sinh vaät seõ taùch hydro khoûi moùc xích vaø ñem phoái hôïp vôùi oxy khoâng khí
ñeå taïo thaønh nöôùc. Nhôø coù hydro khoûi moùc xích vaø oxy trong nöôùc, caùc phaûn öùng oxy
hoùa khöû giöõa caùc nguyeân töû cacbon môùi dieãn ra ñöôïc.
- Ñöôøng, ruôïu vaø caùc axit höõu cô khaùc laø caùc saûn phaåm ñaëc tröng nhaát cuûa quaù trình
oxy hoùa bôûi vi sinh vaät hieáu khí. Caùc chaát ñoù khi phaân huûy hoaøn toaøn seõ taïo thaønh
CO2 vaø H2O.
- Thöïc ra khoâng phaûi taát caû caùc chaát ñaõ bò giöõ laïi ôû teá baøo khuaån (chæ moät phaàn) bò oxy
hoùa hoaøn toaøn thaønh CO2 vaø H2
O. Phaàn coøn laïi seõ bò ñoàng hoùa vaø ñöôïc söû duïng ñeå
toång hôïp caùc chaát môùi cuûa teá baøo, töùc laø ñeå sinh khoái cuûa vi sinh vaät taêng leân. Ñoàng
thôøi song song vôùi quaù trình ñoàng hoùa, trong teá baøo vi sinh vaät coøn dieãn ra quaù trình dò
hoùa, phaân huûy caùc chaát coù trong thaønh phaàn teá baøo. Nhö vaäy moät phaàn trong caùc chaát
soáng ñaõ ñöôïc toång hôïp laïi bò oxy hoùa.
7.2.1.3. Söï sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi sinh vaät
Söï sinh tröôûng cuûa vi sinh vaät laø söï taêng sinh khoái cuûa noù do haáp thuï, ñoàng hoùa caùc chaát dinh
döôõng. Theo nghóa roäng, sinh tröôûng hay söï taêng sinh khoái laø taêng troïng löôïng, kích thöôùc
hoaëc soá löôïng teá baøo.
Nhö vaäy hieäu quaû cuûa söï dinh döôõng (cuõng ñoàng thôøi laø söï giaûm BOD) laø quaù trình toång hôïp
caùc boä phaän cuûa cô theå – teá baøo vaø söï taêng sinh khoái – söùc sinh tröôûng. Caùc quùa trình dieãn ra
khoâng ñoàng ñeàu theo thôøi gian vaø khoâng gian trong teá baøo vi sinh vaät.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 30
ÔÛ nhöõng nôi coù vi sinh vaät thöïc hieän quaù trình xöû lyù nöôùc thaûi, söï sinh tröôûng cuõng ñöôïc goïi
laø söï taêng soá löôïng teá baøo vaø söï thay ñoåi kích thöôùc teá baøo. ÔÛ noàng ñoä thaáp cuûa buøn, ñöôøng
cong cho thaáy sinh khoái cuûa buøn coù xu höôùng taêng theo caáp soá nhaân (a - b). Giai ñoaïn naøy goïi
laø pha tieàm phaùt roài pha sinh tröôûng logarit, ôû ñaây toác ñoä phaân ñoâi teá baøo trong buøn seõ ñieàu
hoøa ñaït giaù trò toái ña. Ñieàu kieän chuû yeáu laø phaûi ñaùp öùng ñaày ñuû chaát dinh döôõng.
Phaàn giöõa ñöôøng cong gaàn nhö tuyeán tính (b - c). Khi chaát dinh döôõng baét ñaàu caïn kieät, toác
ñoä sinh tröôûng (nhaân ñoâi) cuõng baét ñaàu giaûm theo quy luaät phaûn öùng nhaát. Söï sinh saûn cuûa vi
sinh vaät daàn ñaït tôùi tieäm caän tuøy thuoäc noàng ñoä chaát dinh döôõng. Giai ñoaïn naøy goïi laø pha
sinh tröôûng chaäm daàn.
Phaàn ñöôøng cong ( c– d) bieåu thò söï giaûm sinh khoái cuûa buøn bôûi quaù trình töï oxy hoùa dieãn ra
nguyeân nhaân laø ñaõ ngheøo vaø heát chaát dinh döôõng. Giai ñoaïn naøy goïi laø pha oxy hoùa noäi baøo
cuûa buøn hoaït tính. Luùc ñaàu quaù rình töï oxy hoùa dieãn ra theo kieåu phaûn öùng baäc nhaát, sau ñoù
toác ñoä oxy cuõng giaûm ñi, vaät chaát caáu taïo cuûa teá baøo vi khuaån giaûm raát ít vaø khoâng bò oxy
hoùa nöõa.
7.2.1.4. Söï chuyeån hoùa caùc chaát höõu cô (hay giaûm BOD)
Sau khi nöôùc thaûi tieáp xuùc vôùi buøn, ban ñaàu toác ñoä chuyeån hoùa caùc chaát höõu cô cao, caùc chaát
lô löûng hoaëc keo ñöôïc chuyeån hoùa do ñoâng tuï sinh hoïc hoaëc haáp phuï. Caùc chaát höõu cô hoøa
tan ñöôïc chuyeån hoùa nhôø ñoâng tuï sinh hoïc. Toác ñoä chuyeån hoùa ñoù tuøy thuoäc vaøo ñaëc tính
nöôùc thaûi vaø buøn. Trong khi ñoù ñoä taêng tröôûng cuûa buøn (vi sinh) cuõng ñaït ñeán giaù trò cao nhaát,
caùc chaát höõu cô tích luõy trong teá baøo sinh vaät cuõng raát nhieàu. Muoán oxy hoùa caùc chaát ñaõ tích
luõy ñoù ñoøi hoûi phaûi laøm thoaùng moät thôøi gian khaù laâu trong nhieàu giôø.
Thöôøng toác ñoä chuyeån hoùa raát nhanh trong 10 – 15 phuùt ñaàu. Trong thôøi gian naøy löôïng chaát
höõu cô coù theå chuyeån hoùa bôûi 1 gr buøn ñöôïc bieåu thò baèng phöông trình sau:
LK
dS
dL
i
=
Sau khi tính tích phaân ta ñöôïc:
SK
i
ri i
e
L
L−=1
Trong ñoù:
+ Ki :Haèng soá toác ñoä chuyeån hoùa ban ñaàu, 1/thôøi gian
+ S :Löôïng buøn hoaït tính ban ñaàu, g/l
c
a
b
d
Giaù trò log cuûa soá löôïng vi sinh vaät
Pha tieàm phaùt
vaø sinh tröôûng
Pha sinh
tröôûng chaäm
daàn
Pha oxy hoùa
noäi baøo
Thôøi gian
C aùc giai ñoaïn taêng tröôûng cuûa TB vi sinh vaät theo log
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 31
+ Lri :Löôïng chaát höõu cô (BOD) ñaõ chuyeån hoùa trong khoaûng thôøi gian ñoù
+ Li :Löôïng chaát höõu cô cuûa nöôùc thaûi
Moái töông quan veà toaùn hoïc giöõa söï chuyeån hoùa chaát baån höõu cô cuûa nöôùc thaûi vaø söï
sinh tröôûng cuûa buøn:
ÔÛ noàng ñoä cao cuûa caùc chaát höõu cô, toác ñoä ñoàng hoùa, toác ñoä sinh tröôûng vaø khi ñoù caû toác ñoä
chuyeån hoùa caùc chaát (toác ñoä giaûm BOD) thöôøng phuï thuoäc vaø noàng ñoä.
ÔÛ thôøi ñieåm ñaàu cuûa quaù trình laøm thoaùng, ta ñaët:
+ S0 :Noàng ñoä ban ñaàu cuûa buøn (vi sinh vaät), mg/l
+ L0 :BOD ban ñaàu cuûa nöôùc thaûi, mg/l
Qua thôøi gian t, ta coù:
+ S :Noàng ñoä cuûa buøn ôû thôøi ñieåm t, mg/l
+ ∆S = S - So Löôïng taêng sinh khoái cuûa buøn trong moät ñôn vò theå tích, mg/l
+ Lr :Löôïng BOD ñaõ giaûm (ñaõ bò khöû) trong thôøi gian t
+ Lt = Lo – Lr Löôïng BOD coøn laïi trong nöôùc thaûi, mg/l
+ K1 :Haèng soá toác ñoä sinh tröôûng Logarit (1/thôøi gian)
+ K2 :Haèng soá toác ñoä chuyeån hoùa (BOD)
+ Ñaët α :La tæ leä BOD (caùc chaát höõu cô) ñaõ chuyeån hoùa vaø toång hôïp thaønh buøn,
töùc laø ñeå taêng khoái buøn. Khi ñ1o:
α . Lr = ∆S
S = So + ∆S = So + α . Lr
Tæ leä caùc chaát bò phaân huûy bieán thaønh teá baøo soáng tính thoe phaàn traêm ñoái vôùi moät soá hôïp
chaát nhö sau:
Hyñratcacbon 65 – 85%
Röôïu 52 – 66%
Acid amin 32 – 68%
Acid höõu cô 10 – 60%
Hyñrocacbon 10 – 30%
ÔÛ giai ñoaïn moät. Pha sinh tröôûng log (a-b) vôùi noàng ñoä cao cuûa caùc chaát dinh döôõng, ôû nhieät
ñoä cho tröôùc, toác ñoä sinh tröôûng chæ bò giôùi haïn bôûi toác ñoä phaân ñoâi teá baøo
SK
dt
dS
1
=
+ K1: Haèng soá toác ñoä sinh tröôûng, coøn goïi laø thôøi gian caàn thieát ñeå teá baøo phaân ñoâi
Sau khi tích phaân ta ñöôïc:
+==
∆+
o
r
o
o
S
L
tK
S
SS .
1lnln 1
α
ÖÙng vôùi giai ñoaïn moät (ñoaïn a - b) ñöôøng bieåu dieãn moái quan heä
+
o
r
S
L.
1ln αtheo thôøi gian t
laø moät haøm soá baäc nhaát (ñöôøng thaúng). Ñoä doác cuûa ñöôøng bieåu dieãn
+
o
r
S
L.
1ln α xaùc ñònh
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 32
giaù trò K1, töùc laø haèng soá toác ñoä sinh tröôûng logarit. Sau ñieåm b ñoä doác giaûm daàn chöùng toû toác
ñoä sinh tröôûng giaûm vaø chuyeån sang giai ñoaïn hai.
ÔÛ gia ñoaïn hai. Giai ñoaïn toác ñoä sinh tröôûng giaûm (b-c). Khi noàng ñoä chaát baãn höõu cô (BOD)
thaáp, toác ñoä sinh tröôûng cuûa buøn, toác ñoä chuyeån hoùa BOD seõ tuaân theo qui luaät phaûn öùng baäc
moät. Töùc laø seõ giaûm vaø tæ leä vôùi chaát baån höõu cô coøn laïi.
7.2.1.5. Caùc ñieàu kieän, yeâu caàu vaø yeáu toá moâi tröôøng aûnh höôûng tôùi quaù trình xöû lyù
Khi trong nöôùc thaûi chöùa caùc chaát baån höõu cô deã hoaëc coù theå bò oxy hoùa sinh hoùa vaø khi trong
ñieàu kieän moâi tröôøng thích hôïp (oxy, pH, nhieät ñoä cuûa nöôùc thaûi, noàng ñoä caùc chaát ñoäc haïi
khoâng vöôït quaù giôùi haïn cho pheùp,..) thì coù theå duøng phöông phaùp sinh hoùa ñeå xöû lyù. Ngoaøi
ra coøn phaûi ñaûm baûo ñuû löôïng caùc nguyeân toá dinh döôõng (N, P, K, Fe,..) trong nöôùc thaûi.
1. Ñieàu kieän ñaàu tieân laø phaûi ñaûm baûo cung caáp ñuû löôïng oxy moät caùch lieân tuïc vaø sao
cho löôïng O2 hoøa tan trong nöôùc ra khoûi beå laéng ñôït 2 khoâng nhoû hôn 2 mg/l.
2. Noàng ñoä cho pheùp caùc chaát baãn höõu cô: coù nhieàu chaát baån trong nöôùc thaûi saûn xuaát ôû
möùc ñoä nhaát ñònh naøo ñoù seõ phaù huûy cheá ñoä hoaït ñoäng – soáng bình thöôøng cuûa vi sinh
vaät. Caùc chaát ñoäc haïi ñoù thöôøng coù taùc duïng laøm huûy hoaïi thaønh phaàn caáu taïo cuûa teá
baøo.
Khi thöïc hieän xöû lyù baèng phöông phaùp sinh hoùa nöôùc thaûi coâng ngieäp chung vôùi nöôùc thaûi
sinh hoaït thì hieäu suaát xöû lyù seõ cao hôn so vôùi khi chæ xöû lyù nöôùc thaûi coâng nghieäp.
Hoãn hôïp nöôùc thaûi coâng nghieäp vaø sinh hoaït chaûy vaøo coâng trình xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoaït
phaûi coù BOD toaøn phaàn khoâng ñöôïc quaù 55 mg/l, neáu duøng caùc beå aeroten – beå troän thì BOD
toaøn phaàn khoâng quaù 1000g/l. Neáu vöôït quaù giôùi haïn ñoù thì phaûi duøng nöôùc thaûi quy öôùc
saïch, nöôùc soâng hoaëc nöôùc ñaõ xöû lyù roài ñeå pha loaõng. Möùc ñoä pha loaõng khi ñoù seõ tính theo
coâng thöùc sau:
shhh
hhsx
LL
LL
m−
−
=
Trong ñoù:
+ m :Tyû leä giöõa löôïng nöôùc thaûi sinh hoaït vaø saûn xuaát
+ Lx :BOD toaøn phaàn cuûa nöôùc thaûi saûn xuaát baån, mg/l
+ Lhh :BOD toaøn phaàn cuûa hoãn hôïp nöôùc thaûi sinh hoaït vaø nöôùc xuaát baûn, mg/l
+ Lsh : BOD toaøn phaàn cuûa nöôùc thaûi sinh hoaït, mg/l
§ Löôïng caùc nguyeân toá dinh döôõng caàn thieát ñeå caùc quaù trình sinh hoùa
dieãn ra bình thöôøng caàn naèm trong giôùi haïn cho pheùp (caùc hôïp chaát
chöùa nitô, photpho). Ngoaøi caùc nguyeân toá dinh döôõng chuû yeáu treân coøn
coùK, Mg, Ca, S, Fe,… nhöõng nguyeân toá naøy thöôøng coù ñuû trong nöôùc
thaûi neân khoâng caàn phaûi cho theâm. Ñeå xaùc ñònh sô boä löôïng nguyeân toá
dinh döôõng caàn tieát ñoái vôùi nhieàu loaïi nöôùc thaûi coâng nghieäp coù theå
choïn theo tyû leä:
§ BODtf : N : P = 100 : 5 :1
§ Noàng ñoä giôùi haïn cho pheùp cuûa caùc chaát ñoäc phaûi naèm trong giôùi haïn
cho pheùp nhaát laø caùc moái cuûa kim loaïi naëng.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 33
§ Giaù trò pH aûnh höôûng raát lôùn ñeán quaù trình taïo men trong teá baøo vaø quaù
trình haáp thuï caùc chaát dinh döôõng trong teá baøo. Ñoái vôùi ña soá vi sinh vaät
khoaûng giaù trò pH toái öu laø 6.5 – 8.5.
§ Nhieät ñoä nöôùc thaûi aûnh höôûng raát lôùn ñeán quaù trình taïo men trong teá
baøo vaø quaù trình haáp thuï caùc chaát dinh döôõng vaøo teá baøo.
§ Nhieät ñoä aûnh höôûng raát lôùn ñeán chöùc naêng hoaït ñoäng cuûa vi sinh vaät.
Ñoái vôùi ña soá vi sinh vaät, nhieät ñoä nöôùc thaûi trong caùc coâng trình xöû lyù
naèm trong khoaûng 6 – 370C.
§ Noàng ñoä cuûa muoái voâ cô trong nöôùc thaûi khoâng vöôït quaù 10g/l
7.2.1.6. Caáu truùc cuûa caùc chaát baån vaø buøn hoaït tính
Taùc nhaân tham gia vaøo quaù trình phaân huûy caùc chaát baãn höõu cô laø vi khuaån, xaï khuaån, naám,
vaø moät soá ñoäng vaät haï ñaúng. Beân caïnh caùc chaát deã bò oxy hoùa nhö hydrat cacbon coøn coù raát
nhieàu chaát bò oâxy hoùa moät phaàn hoaëc thaäm chí hoaøn toaøn khoâng bò phaân huûy duø coù nhöõng vi
khuaån thích nghi tham gia quaù trình. Ñoù laø nhöõng chaát höõu cô toång hôïp: hydrat carbon, röôïu,
andehyt, esthe,..
Khi nghieân cöùu khaû naêng oxy hoùa sinh hoùa cuûa caùc chaát höõu cô coù caáu truùc khaùc nhau, nhieàu
taùc giaû ñaõ ñi ñeán keát luaän:
- Nhöõng hôïp chaát vôùi troïng löôïng phaân töû lôùn, caáu truùc nhieàu maïch nhaùnh beân laø nhöõng
chaát khoâng bò oxy hoùa sinh hoùa.
- Caùc chaát khoâng bò oxy hoùa sinh hoùa laø nhöõng chaát maø men (enzym) cuûa vi sinh vaät raát
khoù thaâm nhaäp vaø cuõng laø nhöõng chaát khoù thaåm thaáu khueách taùn qua maøng teá baøo.
- Ñoái vôùi nhöõng chaát coù nguyeân töû carbon ôû trung taâm, duø chæ coøn moät lieân keát H-C thì
möùc ñoä aûnh höôûng cuûa caáu truùc nhaùnh phaân töû ñoái vôùi quùa trình oxy hoaù sinh hoùa seõ
giaûm ñi.
- Trong lieân keát H – C neáu thay nguyeân töû hydro baèng caùc nhoùm ankyl hoaëc aryl thì seõ
khoù bò oxy hoùa sinh hoùa ñôn.
Ngoaøi carbon, neáu trong maïch coøn coù caùc nguyeân töû khaùc nhau seõ laøm cho chaát höõu cô beàn
vöõng hôn ñoái vôùi quaù trình oxy hoùa sinh hoùa. AÛnh höôûng nhieàu nhaát laø maïch coù oxy roài ñeán
löu huyønh vaø Nitô.
Buøn hoaït tính vaø maøng vi sinh vaät laø taäp hôïp caùcloaïi vi sinh vaät khaùc nhau. Buøn hoaït tính laø
boâng maøu vaøng naâu deã laéng coù kích thöôùc 3 – 150 micromet. Nhöõng boâng goàm coù vi sinh vaät
soáng vaø chaát raén (40%). Nhöõng sinh vaät soáng laø vi khuaån, ñoäng vaät haï ñaúng, doøi, giun, naám
men, naám moác vaø xaï khuaån.
Maøng vi vaät phaùt trieån ôû beà maët caùc haït vaät lieäu loïc coù daïng nhaày, daøy 1 – 3nm vaø hôn nöõa.
Maøu cuûa noù thay ñoåi theo thaønh phaàn cuûa nöôùc thaûi, töø vaøng xaùm ñeán maøu naâu toái. Maøng vi
sinh vaät cuõng goàm vi khuaån, naám moác vaø caùc vi sinh vaät khaùc. Trong quaù trình xöû lyù , nöôùc
thaûi sau khi qua beå loïc sinh hoïc, coù mang theo caùc haït (phaàn töû ) cuûa maøng vi sinh vaät hình
daïng khaùc nhau, kích thöôùc 15 – 30 micromet vôùi maøu vaøng saùng hoaëc naâu.
Nhöõng loaøi vi khuaån tham gia vaøo quaù trình xöû lyù thöôøng laø caùc loaøi tröïc khuaån khoâng taïo
nha baøo gram aâm. Söï coù maët caùc loaøi vi khuaån dò döôõng, vôùi nhieàu kieåu trao ñoåi chaát seõ laøm
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com