Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị từ cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, TP.HCM trên mô hình Aeroten

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

160
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị từ cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, TP.HCM trên mô hình Aeroten nghiên cứu quá trình làm sạch các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải sinh hoạt bằng vi sinh vật ở khu vực khu dân cư hai bên đường Nguyễn Biểu, quận 5 và bước đầu xử lí chất bẩn chứa N và P bằng phương pháp bùn hoạt tính dựa trên mô hình Aeroten.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị từ cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, TP.HCM trên mô hình Aeroten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Tố Linh NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ TỪ CỐNG XẢ NGUYỄN BIỂU, QUẬN 5, TP.HCM TRÊN MÔ HÌNH AEROTEN Chuyên ngành: Vi sinh vật học Mã số : 60 42 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. LƯƠNG ĐỨC PHẨM Thành phố Hồ Chí Minh - 2009
MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết của đề tài Thế kỉ 21 - thế kỉ của sự phát triển mạnh mẽ khoa học, kĩ thuật, kinh tế xã hội, cùng với đó là tình trạng dân số gia tăng nhanh chóng đang trở thành một trong những thách thức lớn đối với nhân loại khi nhu cầu sử dụng các nguồn tài nguyên, nhất là nước đang tăng lên một cách đáng kể. Ngày nay, nhiều đô thị lớn, các khu công nghiệp lớn đã đang và sẽ được thành lập, do đó lượng nước dùng cho sinh hoạt và sản xuất ngày càng gia tăng. Tp.HCM - một trong những đô thị lớn nhất nước ta với sự phát triển mạnh các ngành công nghiệp, dịch vụ và với số dân khoảng 8,5 triệu người (theo thống kê năm 2007) nên nhu cầu sử dụng nước rất lớn. Phần lớn các nhà máy xí nghiệp ít được trang bị các loại công trình xử lý nước ô nhiễm hoặc xử lý nên chưa đạt yêu cầu thải xả, nước thải sinh hoạt chủ yếu chỉ được xử lý trong các bể tự hoại ở từng hộ riêng rẽ hoặc tập trung ở bể tự hoại lớn của các khu chung cư. Như vậy, lượng nước thải đô thị phần lớn được xả trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý, các chỉ tiêu ô nhiễm ngày càng vượt xa tiêu chuẩn cho phép gấp nhiều lần. Theo nghiên cứu, cứ 1 m3 nước thải bẩn khi xả ra sông, ao, hồ sẽ làm nhiễm bẩn khoảng 40 - 60 m3 nước sạch. Hiện nay, công tác xử lý nước thải ở Tp.HCM đang được quan tâm đúng mức, các đề tài nghiên cứu xử lý nước thải đang được triển khai rộng rãi nhằm kiểm soát tình hình ô nhiễm nước, có rất nhiều giải pháp xử lý nước được nghiên cứu và đã ứng dụng thành công ở nhiều nơi. Một trong những giải pháp xử lý nước thải đô thị đang được áp dụng rộng rãi hiện nay là xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí nhân tạo. Nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm nước thải đô thị ở địa bàn Tp.HCM, đề tài triển khai “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị từ cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, Tp.HCM trên mô hình aeroten” với mong muốn góp phần nhỏ bé vào việc làm sạch nước thải của thành phố và làm cho môi trường sống của chúng ta trong lành hơn.  Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị từ khu dân cư thông qua các thông số môi trường. - Nghiên cứu quá trình làm sạch các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải sinh hoạt bằng vi sinh vật ở khu vực khu dân cư hai bên đường Nguyễn Biểu thải nước thải vào cống xả chung Nguyễn Biểu, quận 5, thành phố Hồ Chí Minh và bước đầu xử lí chất bẩn chứa N và P bằng phương pháp bùn hoạt tính dựa trên mô hình aeroten. - Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lý thông qua các thông số môi trường.  Ý nghĩa của đề tài * í nghĩa khoa học
Quá trình xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí trong điều kiện nhân tạo đã được nghiên cứu từ rất lâu, thích hợp với các loại nước thải có BOD < 500mg/l. Nước thải sau xử lý thường phân hủy được một lượng lớn các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật có sẵn trong nước thải, lượng BOD thường giảm từ 90-95%, đảm bảo đủ tiêu chuẩn thải ra môi trường tự nhiên. * Ý nghĩa thực tiễn Nước thải đô thị thường bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ phân hủy, do đó công nghệ xử lý nước thải bằng aeroten rất phù hợp, xử lý tốt nước thải. Hiện nay, ở nước ta nhiều nhà máy và các khu đô thị xử lý nước thải đang áp dụng công nghệ này.
CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nước thải và phân loại nước thải [3, 11, 13, 23, 32] Nước thải là nước được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu. Nó chứa các loại chất bẩn như phân, rác hữu cơ, chất vô cơ và tồn tại ở những trạng thái khác nhau như hòa tan, keo, lơ lửng, rắn… Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. 1.1.1 Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí… Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là có hàm lượng lớn các chất hữu cơ dễ phân hủy (hidratcacbon, protein, lipit), các chất vô cơ sinh dưỡng (photphat, nitơ), các vi khuẩn (có cả các vi khuẩn gây bệnh), trứng giun. sán… Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào điều kiện sống, chất lượng bữa ăn, lượng nước sử dụng và hệ thống tiếp nhận nước thải. 1.1.2 Nước thải công nghiệp Nước thải công nghiệp hay còn gọi là nước thải sản xuất. Là nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp sản xuất công nghiệp, thủ công nghiệp, giao thông vận tải… Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà tùy thuộc vào các quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm. Nước thải công nghiệp thường chứa một lượng lớn các chất độc hại như kim loại nặng, các hợp chất độc, các hợp chất hữu cơ bền vững khó tan… và nếu các nhà máy xí nghiệp không xử lí nước thải trước khi xả vào môi trường thì sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch nguồn nước. 1.1.3 Nước mưa hay nước chảy tràn trên mặt đất Loại nước thải này ít bẩn nhất. Chủ yếu là nước mưa đợt đầu sau khi rơi xuống mặt đất, chứa nhiều tạp chất vô cơ, hữu cơ như cát, bụi, rác, phân súc vật trên đường phố cùng với vi sinh vật trong công trình cấp thoát nước theo nước chảy tràn. 1.1.4 Nước thải đô thị Nước thải đô thị là một thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên, thường có khoảng 50 – 60% nước thải sinh hoạt.
1.2 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải [10, 13, 22, 23, 32 ] 1.2.1 Hàm lượng các chất rắn Tổng chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan. Chất rắn ở trong nước làm trở ngại cho việc sử dụng và lưu chuyển nước, làm giảm chất lượng nước sinh hoạt và sản xuất, gây trở ngại cho việc nuôi trồng thủy sản. Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải, được xác định bằng trọng lượng khô phần còn lại sau khi cho bay hơi 1lít nước trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 1030C cho đến khi trọng lượng không đổi, đơn vị tính bằng mg hoặc g/l. Chất rắn lơ lửng ở dạng huyền phù (SS): được xác định bằng trọng lượng khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc, khi lọc 1lít mẫu nước rồi sấy khô ở 103 - 1050C tới khi trọng lượng không đổi. Đơn vị tính bằng mg hoặc g/l. Chất rắn hòa tan (DS): hàm lượng chất rắn hòa tan là hiệu số của tổng chất rắn với huyền phù: DS = TS - SS. Đơn vị tính bằng mg hoặc g/l. Chất rắn bay hơi (VS) - biểu thị cho chất hữu cơ có trong nước: hàm lượng chất rắn bay hơi là trọng lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù SS ở 5500C trong khoảng thời gian xác định, thời gian này phụ thuộc vào loại mẫu nước (nước cống, nước thải hoặc bùn). Đơn vị tính là mg/l hoặc phần trăm của SS hay TS. 1.2.2 Hàm lượng oxi hòa tan - DO Oxi hòa tan trong nước rất cần cho sinh vật hiếu khí, nó duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Bình thường oxi hòa tan trong nước khoảng 8 - 10mg/l, độ hòa tan của oxi phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và các đặc tính của nước (các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh sống trong nước…). Khi thải các chất thải vào nước, môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxi được dùng nhiều cho các quá trình hóa sinh làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong các nguồn nước này, có thể đe dọa sự sống của các thủy sinh vật trong nước. Phân tích chỉ số DO là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp đề ra biện pháp xử lí thích hợp. 1.2.3 Chỉ số BOD - Nhu cầu oxi sinh hóa Nhu cầu oxi sinh hóa là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải của công nghiệp. Nhu cầu oxi sinh hóa là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí (chủ yếu là vi khuẩn). Quá trình này gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Quá trình được tóm tắt: Vi khuẩn Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm cố định
Quá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, các chủng giống vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, một số chất có độc tính trong nước… Bình thường 70% nhu cầu oxi được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo, 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21. Trong kĩ thuật môi trường, chỉ tiêu BOD được dùng rộng rãi để: + Tính gần đúng lượng oxi cần thiết oxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải. + Xác định kích thước các công trình xử lí. + Xác định hiệu suất xử lí của một số quá trình + Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lí được phép thải vào các nguồn nước. 1.2.4 Chỉ số COD - Nhu cầu oxi hóa học Nhu cầu oxi hóa học được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. Nhu cầu oxi hóa học là tổng lượng oxi cần thiết để oxi hóa hoàn toàn các chất hữu cơ đến CO2 và H2O bằng phương pháp hóa học. Để xác định COD người ta thường sử dụng các chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit. Chất oxi hóa hay được dùng là kalibicromat (K2Cr2O7). Thể hiện qua phản ứng : Hợp chất hữu cơ + Cr2O7-2 + CO2 + H2O + Cr3+ H+ Nhu cầu COD càng cao thì mức độ ô nhiễm của nước thải càng lớn. Đây là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải và người ta cũng thường sử dụng chỉ tiêu BOD, COD làm những chỉ tiêu cơ bản trong việc qui định tiêu chuẩn và phân loại nước thải. Khi kết hợp chỉ số COD và chỉ số BOD5 người ta biết được phần chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học. i = BOD5/ COD 0
Phospho tồn tại trong nước ở các dạng H2PO-4, HPO4-2, PO4-3, các olyphosphate và phosphor hữu cơ. Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thủy vực. Trong nước thải người ta thường xác định hàm lượng P - tổng số để xác định tỉ số BOD5: N: P nhằm chọn kĩ thuật bùn hoạt tính thích hợp cho quá trình xử lí. 1.2.7 Độ pH Độ pH là một trong những chỉ tiêu để xác định chất lượng đối với nước cấp và nước thải. Chỉ số này cho thấy có cần thiết phải trung hòa hay không và cho phép tính lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý đông tụ, khử khuẩn… Sự thay đổi giá trị pH làm thay đổi các quá trình hòa tan hoặc keo tụ, làm tăng, giảm vận tốc các phản ứng hóa sinh xảy ra trong nước. 1.2.8 Các chỉ tiêu vi sinh Trong nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, nhiễm nhiều vi sinh vật có sẵn ở trong phân người và phân súc vật. Trong đó có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là các bệnh về đường tiêu hóa như tả, lị thương hàn, các vi khuẩn gây ngô độc thực phẩm. Trong ruột người, động vật có vú khác không kể lứa tuổi có những nhóm vi sinh vật cư trú, chủ yếu là vi khuẩn. Các vi khuẩn này thường có ở trong phân. Vi khuẩn đường ruột gồm 3 nhóm: - Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli ( E.coli). - Nhóm Streptococcus đặc trưng là Streptococcus faecalis. - Nhóm Clostridium đặc trưng là Clostridium perfringens. Trong các nhóm vi sinh vật ở trong phân người ta thường chọn E.coli làm vi sinh vật chỉ thị cho chỉ tiêu vệ sinh với lí do: - E.coli đại diện nhóm vi khuẩn quan trọng nhất trong việc đánh giá mức độ vệ sinh và nó có đủ các tiêu chuẩn lí tưởng cho vi sinh vật chỉ thị. - Nó có thể được xác định theo các phương pháp phân tích vi sinh vật học thông thường ở các phòng thí nghiệm. Việc xác định coliform dễ dàng hơn các nhóm vi sinh vật khác vì việc xác định các nhóm vi sinh vật khác phức tạp hơn. 1.3 Nước thải đô thị Tính gần đúng, nước thải đô thị thường gồm khoảng 50 - 60% là nước thải sinh hoạt, 14% là các loại nước thấm (nước mưa hay hay nước vệ sinh đường phố) và 26 - 36% là nước thải sản xuất. Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố.
1.3.1 Đặc điểm của nước thải đô thị [ 3, 5, 13, 25, 32] Nước thải đô thị là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, trong đó chất bẩn hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hòa tan, dạng keo và dạng hòa tan. Thành phần, tính chất nước thải đô thị phụ thuộc vào nhiều yếu tố (điều kiện tự nhiên, tập quán sinh hoạt, mức sống, các lĩnh vực sản xuất công nghiệp…) và được xác định bằng các chỉ tiêu hóa lí vi sinh nước thải. Các chất bẩn trong nước thải được chia thành các chất không hòa tan dạng lơ lửng, huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi; các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt; các chất bẩn dạng tan. Nồng độ các chất bẩn trong nước thải có thể đậm đặc hoặc loãng tùy thuộc lượng nước thải sinh hoạt được dùng và lượng nước thải công nghiệp lẫn vào. Nước thải thường chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ (Fe, Mg, Ca, Si…), nhiều chất hữu cơ sinh hoạt (phân, nước tiểu…), các chất thải khác (cát, sét, dầu mỡ…). Các chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành các chất chứa nitơ (urê, protein, axit amin) và các chất chứa cacbon (mỡ, xà phòng, hydrocacbon, xenlulozơ…). Nước thải sinh hoạt chứa lượng lớn vi sinh vật từ 105 - 106 tế bào/1ml. Nguồn chủ yếu đưa vi sinh vật vào nước là phân, nước tiểu và đất cát. Các vi sinh vật hoạt động, tăng trưởng để phân hủy phần hữu cơ còn lại của nước thải. Vi sinh vật xử lí nước thải có thể phân thành 3 nhóm: vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh. Thức ăn chính của nguyên sinh động vật là vi khuẩn, do đó nguyên sinh động vật là chất chỉ thị quan trọng thể hiện hiệu quả xử lí của các công trình xử lí sinh học nước thải. 1.3.2 Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam và Tp.HCM [1, 2, 18, 24] 1.3.2.1. Ở Việt Nam Hầu hết các đô thị lớn ở nước ta những năm gần đây có tốc độ phát triển các ngành công nghiệp, dịch vụ, gia tăng dân số rất mạnh mẽ. Do đó, nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng. Nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng lượng nước thải ở các thành phố. Tình trạng ô nhiễm nước rõ ràng nhất là ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP.HCM, Hải Phòng, Đà Nẵng, Huế, Nam Định, Hải Dương và một số thành phố lớn khác. Ở các thành phố này, hệ thống thoát nước dùng chung cho thoát nước mưa, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải y tế, rác thải… nhưng không có các hệ thống xử lý nước thải tập trung nên đa số lượng nước thải được xả thẳng ra kênh rạch, sông ngòi mà không qua xử lý. Thêm vào đó, hệ thống thoát nước được xây dựng qua các thời kì đã cũ kĩ, lại không được tu sửa đồng bộ mà chỉ mang tính chắp vá nên cứ vào mùa mưa là lượng nước bẩn lại tràn lên đường phố ảnh hưởng đến môi trường sống của người dân. Theo thống kê, chỉ khoảng 50% -60% dân số thành phố Hồ Chí Minh được sử dụng các hệ thống thoát nước, tỷ lệ này ở
Hà Nội và Hải Phòng là 35% - 40% và còn thấp hơn nữa ở các thành phố khác. Nước thải của thành phố Hà Nội mới có khoảng 5% được xử lý. Trong số 82 khu công nghiệp mới trên toàn quốc, chỉ có khoảng 20 khu công nghiệp có trạm xử lý nước thải tập trung như các khu công nghiệp Bắc Thăng Long, Nội Bài ở Hà Nội; khu công nghiệp Nomura ở Hải Phòng; khu công nghiệp Việt Nam - Singapore ở Bình Dương… Theo khảo sát năm 2002, 90% doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn nước thải xả ra môi trường, 73% doanh nghiệp không có các hệ thống xử lý nước thải, 60% số công trình xử lý nước thải hoạt động vận hành nhưng không đạt tiêu chuẩn cho phép thải xả. Đa số các cơ sở sản xuất nhỏ tự phát và các làng nghề đều không có hệ thống xử lý nước thải mà thải xả trực tiếp ra mương, rạch, ao hồ, sông ngòi gây ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân. Thêm nữa, nước thải bệnh viện là loại nước thải đặc biệt, thường ô nhiễm nặng gấp tiêu chuẩn thải nhiều lần, nhất là các loại vi khuẩn gây bệnh. Trên cả nước cũng chỉ có 1/3 số bệnh viện có hệ thống xử lý nước thải nhưng chủ yếu tập trung ở trung ương, tỉnh còn các bệnh viện huyện hầu như không có hệ thống xử lý nước thải. Các dòng sông trên khắp cả nước, nhất là những nơi tập trung nhiều các khu công nghiệp, đang quằn quại do nước thải. Sông Thị Vải với nước thải của Vedan và các xí nghiệp bên dòng sông đang làm cho dòng sông “chết”, sông Cầu,sông Đáy, sông Nhuệ và nhiều dòng sông khác đang kêu cứu! Như vậy, vấn đề sử dụng nước, tiêu thoát nước và xử lý nước thải hiện nay đang trở nên hết sức cấp bách. 1.3.2.2. Ở Tp.HCM Khu vực Tp.HCM có tổng lượng nước thải lên đến khoảng 1,5 - 1,7 triệu m3/ngày. Mỗi ngày các hệ thống kênh rạch và sông Sài Gòn phải hứng chịu trên 1 triệu m3 nước thải sinh hoạt, trên 500.000m3 nước thải công nghiệp, trong tổng lượng nước thải đó hầu hết đều không qua xử lý hoặc có xử lý nhưng không đạt yêu cầu thải xả. Theo báo cáo của Sở Giao thông công chính Tp.HCM, hệ thống thoát nước là chung cho tất cả các loại nước mưa và nước thải, tổng chiều dài cống thoát nước cấp 2, 3 là 777km và xả ra hệ thống 27 kênh chính và 16 kênh nhánh bằng 412 cửa xả. Hệ thống kênh rạch trong khu vực nội thành Tp.HCM có tổng chiều dài khoảng 76 km với 5 lưu vực chính, gồm hệ thống các kênh: Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hóa - Lò Gốm, Tàu Hủ - Kênh Đôi, Kênh Tẻ - Bến Nghé, Tham Lương - Bến Cát - Vàm Thuật. Với tốc độ phát triển đô thị rất nhanh chóng thì các hệ thống thoát nước này không đủ để phục vụ thoát nước cho Tp.HCM, do đó vào mùa mưa thường gây ra ngập úng trên diện rộng. Theo thống kê, có khoảng 60 - 70% chiều dài của các tuyến kênh rạch trong nội thành đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, có nhiều kênh rạch đang dần biến thành “kênh chết” như kênh Rạch Dừa ( Q. Gò Vấp), kênh Nước Đen ( Q.Bình Tân) …
Tp.HCM là nơi tập trung rất nhiều ngành công nghiệp sản xuất với qui mô lớn, bên cạnh đó là một bộ phận không nhỏ các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, lượng nước thải do các cơ sở này thải ra hệ thống kênh rạch mà đã qua xử lý chỉ chiếm 20%. Một số lượng lớn nước thải từ các hệ thống kênh rạch này sẽ đổ vào sông Sài Gòn ảnh hưởng đến chất lượng nước cấp cho thành phố. Nhóm nghiên cứu thuộc khoa môi trường, trường Đại học Bách khoa TP.HCM và khoa kỹ thuật đô thị, trường Đại học Kỹ thuật Tokyo (Nhật Bản) mới đây có khảo sát đánh giá về tình hình ô nhiễm do Mn, sắt và Coliforms trên sông Sài Gòn, với kết luận nồng độ Mn tổng và sắt tổng vượt quá tiêu chuẩn dành cho nước mặt loại A, pH đạt tiêu chuẩn nước loại B (5,5 - 9), chỉ tiêu vi sinh cao vượt tiêu chuẩn chất lượng nước mặt sử dụng làm nước cấp. Với tình hình như hiện nay, nếu không có những biện pháp mạnh mẽ thì chất lượng nước sông Sài Gòn sẽ ngày càng ô nhiễm nặng. 1.3.3 Số liệu phân tích thành phần nước thải đô thị [3, 4] Bảng 1.1. Đặc tính của nước thải sinh hoạt Nồng độ (mg/l) Chỉ tiêu Cao Trung bình Thấp BOD5 400 220 110 COD 1000 500 250 Đạm hữu cơ 35 15 8 Đạm amôn 50 25 12 Đạm tổng số 85 40 20 Lân tổng số 15 8 4 Tổng số chất rắn 1200 720 350 Chất rắn lơ lửng 350 220 100 (Nguồn: Metcalf and Eddy, 1979, trích bởi Chongrak 1989) Lê Hoàng Việt – Trung tâm kĩ thuật môi trường và năng lượng mới. Bảng 1.2. Nồng độ chất bẩn trong nước thải đô thị một số nước khí hậu nhiệt đới Khu Kim Kodungalgur Lima Herzliga Chỉ tiêu Liên Ân Độ(1) Pêru (2) Israel (3) Hà Nội (4) COD, mg/l 282 175 285 315 BOD5, mg/l 402 196 427 250 Chất lơ lửng, mg/l 1060 1187 1094 270 TDS, mg/l 205 163 750 Clorua, mg/l 30 76 100 Nitơ amoni, mg/l - - 32
PO43- , mg/l - - 12.5 Coliform, - - 13.106 MPN/100ml Nguồn: (1) A.Raman and others–Lowcost Waste Treatment, CPHERI, Nagpur, 1972 (2) F.valdez-Zamudio, Science of the total Environment 2,406 (1974) (3) A.Meron and others- Journal of the Water Polltion Control Federation 37,1657 (1965) (4) Báo cáo đề tài NCKH B94-34-06 ‘Mô hình các trạm XLNT công suất nhỏ trong điều kiện ViệtNam, “Hà Nội tháng 12, 1995 [9] Bảng1.3. Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư Khu Kim Liên Chỉ tiêu Trong khoảng Hà Nội (4) Tổng chất rắn (TS), mg/l 350 - 1..200 720 - Chất rắn hòa tan (TDS), mg/l 250 – 850 500 - Chất lơ lửng (SS), mg/l 100 – 350 220 BOD5,, mg/l 110 – 400 220 Tổng nitơ, mg/l 20 – 85 40 - Nitơ hữu cơ, mg/l 8 – 35 15 - Nitơ Amoni, mg/l 12 – 50 25 Nitơ Nitrit, mg/l 0 – 0,1 0,05 - Nitơ Nitrat, mg/l 0,1 – 0,4 0,2 Clorua, mg/l 30 – 100 50 Độ kiềm, mgCaCO3/l 50 – 200 100 Tổng chất béo, mg/l 50 -150 100 {Nguồn: Metcalf&Eddy. Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse, Fourth Edition, 2004} 1.4 Các phương pháp xử lí nước thải [5, 10, 13, 23] 1.4.1 Phương pháp cơ học Phương pháp xử lý cơ học được dùng để tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Phương pháp này có thể loại bỏ khỏi nước thải được 60% các tạp chất không hòa tan và 20% BOD. Phương pháp xử lý cơ học thường là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi qua xử lý sinh học. Trong một số trường hợp thì sau khi xử lí cơ học nước thải được khử trùng và xả vào nguồn. Những công trình xử lý cơ học bao gồm: - Song chắn rác dùng để chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hoặc ở dạng sợi như giẻ, giấy, rau, cỏ, rác, mẫu đất đá, gỗ… ở trước song chắn. Sau chắn rác, để loại bỏ các tạp chất rắn có kích cỡ nhỏ hơn, mịn hơn ta có thể đặt thêm lưới lọc.
- Bể lắng cát dùng để loại các tạp chất vô cơ không tan có kích thước từ 0,2 - 2mm ra khỏi nước thải. Điều đó đảm bảo cho các quá trình làm trong, không ảnh hưởng xấu đến các thiết bị xử lí, tránh tắc các đường ống dẫn, xử lí sinh hóa nước thải, xử lí cặn bã. - Bể lắng tách các chất lơ lửng có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải. Chất lơ lửng nặng sẽ từ từ lắng xuống đáy, các chất nhẹ hơn sẽ nổi lên bề mặt, nhờ các thiết bị thu gom và vận chuyển lên công trình xử lí cặn. - Bể tách dầu mỡ dùng để loại các tạp chất nổi có khối lượng riêng nhỏ hơn nước (dầu, mỡ) khỏi nước thải, nhất là nước thải công nghiệp. Điều này giúp cho các quá trình xử lí sinh học không bị ảnh hưởng. - Bể lọc dùng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ ra khỏi nước thải mà các bể lắng không thể loại được chúng. Người ta tiến hành bằng cách cho nước thải đi qua lớp vật liệu lọc, chủ yếu dùng cho nước thải công nghiệp. 1.4.2 Phương pháp hóa học Phương pháp hóa học thường được áp dụng để xử lí nước thải công nghiệp. Người ta đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để khử các chất hòa tan, biến đổi hóa học, gây tác động với các tạp chất bẩn. Phương pháp này dùng để xử lí sơ bộ trước xử lí sinh học hoặc xử lí nước thải lần cuối trước khi thải ra môi trường. - Phương pháp trung hòa dùng để đưa nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm về trạng thái trung tính có pH từ 6,5 - 7,5. Phương pháp này có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau: bổ sung thêm các tác nhân hóa học, lọc qua vật liệu có tác dụng trung hòa, sử dụng khí axit trung hòa nước thải kiềm, trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm, trung hòa nước thải axit bằng nước vôi là biện pháp rẻ và dễ nhất. - Phương pháp keo tụ dùng để làm trong và khử màu nước thải bằng cách dùng các chất keo tụ (muối sắt, muối nhôm, vôi, phèn…) và chất trợ keo tụ để liên kết các chất rắn dạng lơ lửng và keo trong nước thải thành những bông có kích thước lớn hơn. - Phương pháp ôzôn hóa dùng để khử các tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, các vị lạ và mùi của nước thải bằng cách oxi hóa cả các chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước thải. - Phương pháp điện hóa học dùng để phá hủy các tạp chất độc hại trong nước thải bằng cách oxi hóa điện hóa trên cực anốt hoặc dùng để phục hồi các chất quí (đồng, chì, sắt…). 1.4.3 Phương pháp hóa lý - Phương pháp hấp phụ dùng để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ và khí hòa tan ( những chất này không phân hủy bằng con đường sinh học và có độc tính cao) sau khi xử lí sinh học bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn, hoặc tương tác giữa các chất bẩn hòa tan với các chất rắn.
- Phương pháp trích ly dùng để tách các chất bẩn hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách bổ sung một chất dung môi không hòa tan vào nước. - Phương pháp chưng bay hơi dùng để chưng nước thải, để các chất bẩn hòa tan bay hơi lên theo nước, khi ngưng tụ, hơi nước và chất bẩn dễ bay hơi sẽ hình thành các lớp riêng biệt và dễ dàng tách chất bẩn ra. - Phương pháp tuyển nổi dùng để loại bỏ các tạp chất ra khỏi nước bằng cách làm cho chúng bám theo các bọt khí nổi lên bề mặt nước. - Phương pháp trao đổi ion dùng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi các ion kim loại (Zn, Cr, Ni, Hg, Pb, Cd…), các hợp chất của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ bằng cách dùng các chất trao đổi ion. - Phương pháp tách bằng màng dùng để tách các chất tan khỏi các hạt keo bằng cách dùng các màng xốp bán thấm không cho các hạt keo đi qua. 1.4.4 Phương pháp sinh học Phương pháp sinh học dựa vào khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ dạng keo và hòa tan trong nước thải. Phương pháp sinh học thường được dùng sau giai đoạn xử lí cơ học. Quá trình xử lí sinh học trong điều kiện nhân tạo không loại trừ triệt để các loại vi khuẩn, nhất là vi sinh vật gây bệnh và truyền bệnh. Do đó, trước khi xả ra môi trường, nước thải cần được khử trùng. - Những công trình xử lí sinh học trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng tưới, bãi lọc, hồ sinh học..., quá trình xử lí diễn ra chậm. - Những công trình xử lí sinh học trong điều kiện nhân tạo: bể lọc sinh học, bể aeroten…, quá trình xử lí diễn ra nhanh và cường độ mạnh hơn. 1.5 Các biện pháp sinh học xử lý nước thải 1.5.1 Điều kiện để xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học[(13, 16] Nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Do đó: - Nước thải chứa thành phần các chất hữu cơ hòa tan, dễ bị oxi hóa hoặc các hạt keo phân tán nhỏ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng cho các vi sinh vật. - Nồng độ các chất độc hại, các kim loại nặng phải nằm trong giới hạn cho phép với vi sinh vật. Khi xử lý nước thải phải điều chỉnh nồng độ các chất này sao cho phù hợp để vi sinh vật có thể phát triển. - Nước thải đưa vào xử lí sinh học có hai thông số đặc trưng là BOD và COD. Tỉ số của hai thông số này là: COD/BOD ≤ 2, BOD/COD ≥ 0,5 thì đưa vào xử lí sinh học hiếu khí. Nếu COD lớn
hơn BOD nhiều lần thì phải qua xử lí sinh học kị khí, trong quá trình xử lý một phần lớn chất hữu cơ khó phân hủy có thể chuyển thành dễ phân hủy (tức là từ COD  BOD). Ngoài ra, các điều kiện môi trường như lượng oxi, pH, nhiệt độ của nước thải nằm trong giới hạn nhất định để bảo đảm sự sinh trưởng, phát triển bình thường của các vi sinh vật tham gia trong xử lý nước thải. 1.5.2 Thành phần sinh học của nước thải [5, 13, 22, 27, 32] 1.5.2.1 Vi sinh vật - Vi sinh vật gồm có vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, virut. Chúng nhiễm vào nước từ các nguồn thải sinh hoạt, nguồn thải bệnh viện, bụi trong không khí rơi vào, đặc biệt là các nguồn phân người, động vật. Trong đó vi khuẩn chiếm tỉ lệ cao nhất. - Vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sử dụng các chất ô nhiễm làm nguồn dinh dưỡng. Vi khuẩn trong nước thải chủ yếu là các loài dị dưỡng hoại sinh. Các loài này có khả năng phân hủy các chất hữu cơ, oxi hóa các chất này thành các chất đơn giản, sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính: + Vi khuẩn dị dưỡng: sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển… . Vi khuẩn hiếu khí . Vi khuẩn kị khí . Vi khuẩn tùy nghi + Vi khuẩn tự dưỡng Nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn có trong nước thải nhưng ít hơn vi khuẩn rất nhiều. Vai trò của nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn trong quá trình xử lí nước thải không quan trọng bằng vi khuẩn và thường không được quan tâm. 1.5.2.2 Động vật nguyên sinh - Bên cạnh vi khuẩn, động vật nguyên sinh cũng là nhóm động vật quan trọng sống trôi nổi trong nước. Chúng là sinh vật chỉ thị quí giá cho nước vì có mặt chúng trong nước nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất có trong nước, chất lượng quá trình oxi hóa và không có mặt các chất độc hại… Trùng bánh xe chỉ thị cho hệ thống sinh học đặc biệt ổn định. - Động vật nguyên sinh ăn tảo, vi khuẩn, với đặc tính này người ta lợi dụng chúng để khử các vi khuẩn gây bệnh có hại trong nước thải. Người ta còn thấy một số loài động vật nguyên sinh có mặt trong bùn hoạt tính, và được sử dụng như chỉ số quan trọng để đánh giá kết quả xử lí nước thải. 1.5.2.3 Tảo Tảo là sinh vật tự dưỡng quang hợp, chúng trôi nổi trong nước hay móc vào các giá đỡ (các loài thực vật khác). Nước giàu nguồn N và P sẽ là điều kiện rất tốt cho tảo phát triển, nếu không có biện pháp tách tảo hoặc loại tảo ra khỏi nước, khi chết tảo sẽ tự phân làm cho nước bị ô nhiễm thứ cấp.
1.5.3 Vai trò vi sinh vật trong xử lí nước thải Vi sinh vật trong nước thải hầu hết là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng phân hủy các chất hữu cơ, các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nuớc cùng NH3 trong điều kiện hiếu khí hoặc tạo thành các loại khí khác ( CH4, NH3, H2S, indol, mercaptan, scatol, N2…) trong điều kiện kị khí, ngoài ra còn thấy có các loại khí NO2, NO3-, N2O, N2... Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn sau: - Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. - Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. - Chuyển hóa các chất này vào trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào. Trong nước thải các chất hữu cơ bị phân hủy do hoạt động sống của vi sinh vật. Các phản ứng chuyển hóa các chất hữu cơ là các phản ứng thủy phân hay các phản ứng oxi hóa khử trong quá trình hô hấp của vi sinh vật. Có hai loại phản ứng hay hai quá trình phân hủy: phân hủy các chất hữu cơ hiếu khí nhờ các vi sinh vật hiếu khí và phân hủy kị khí do các vi sinh vật kị khí không cần có oxi. Cơ chất của các phản ứng hóa sinh ở đây là các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, được thể hiện bằng BOD. Có thể xem BOD là nguồn cơ chất cacbon của vi sinh vật trong nước thải, nó đóng vai trò chủ yếu là nguồn dinh dưỡng cacbon, ngoài ra còn là nguồn nitơ và photpho hữu cơ dinh dưỡng. Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là vi khuẩn hiếu khí, kị khí hoặc kị khí tùy tiện. Có các giống vi khuẩn sau: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Achromobacter, Spirochaeta, Clostridium và hai giống nhiễm từ phân Enterobacterium, Streptococcus. 1.5.3.1 Quá trình phân hủy hiếu khí Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động, cần có oxi để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào nước. Các vi sinh vật muốn phân hủy được các chất hữu cơ phải có khả năng sinh tổng hợp các enzim tương ứng. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ xảy ra bên ngoài tế bào nhờ các enzim thủy phân, gọi là quá trình phân hủy ngoại bào. Các chất này được tiếp tục phân hủy hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới xảy ra bên trong tế bào, gọi là quá trình nội bào. Oxi cung cấp cho quá trình phân hủy chất hữu cơ có thể chia thành hai pha: pha cacbon - phân hủy các hợp chất hidrocacbon, giải phóng năng lượng, CO2, nước cùng một số vật liệu tế bào; pha nitơ - phân hủy các hợp chất hữu cơ có chứa N trong phân tử và giải phóng ra NH3 hay NH4+ (là nguồn nitơ
dinh dưỡng được vi sinh vật sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào), trong pha này các quá trình phân hủy protein xảy ra lần lượt từ protein  polypeptit  oligopeptit  axit amin  NH3. Lượng NH3 được tạo ra không được dùng hết cho xây dựng tế bào sẽ được các loại vi khuẩn tham gia chuyển hóa trong điều kiện hiếu khí và vi hiếu khí. + Ở điều kiện hiếu khí: Vi khuẩn Nitrosomonas chuyển NH3 thành NO2- và từ NO2- chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn Nitrobacter. + Ở điều kiện thiếu khí: Các vi khuẩn tự dưỡng sẽ khử NO3- theo hai bước: Chuyển hóa NO3- thành NO2-. Từ NO2-  NO  N2O  N2. Tham gia vào các quá trình này là các vi khuẩn phản nitrat hóa hoạt động trong điều kiện thiếu khí (gần như kị khí), đó là các vi khuẩn: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirilum... 1.5.3.2 Quá trình phân hủy kị khí Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí sinh ra sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí, trong đó CH4 chiếm tới 60 – 75%. Vì vậy quá trình này còn được gọi là lên men metan. Lên men metan gồm hai pha điển hình: pha axit ứng với giai đoạn thủy phân; pha kiềm ứng với giai đoạn tạo khí. + Pha axit: hidratcacbon dưới tác dụng của các enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra sẽ bị phân hủy và tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp. Một phần axit béo cũng chuyển thành axit hữu cơ. Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy thành các hợp chất amon, amin, muối của axit cacbonic, hỗn hợp khí CO2, N2, CH4, H2 … nên pH của môi trường tăng lên và từ axit chuyển sang trung tính và kiềm. Mùi rất khó chịu do trong hỗn hợp khí thối có chứa H2S, indol, scatol và mercaptan. + Pha kiềm - pha tạo khí CH4 : các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho lên men metan và được tạo thành CO2, CH4, pH chuyển hoàn toàn sang kiềm, các khí thối sinh ra nhiều hơn. Tham gia vào quá trình lên men metan có tới hàng trăm loài vi khuẩn kị khí bắt buộc và không bắt buộc. Thời gian lên men khá dài, với các điều kiện tối ưu và ở nhiệt độ 45 - 550C thời gian lên men khoảng 10 - 15 ngày, nếu nhiệt độ thấp hơn thì thời gian lên men lên tới hàng tháng hoặc vài tháng. Các vi khuẩn tham gia quá trình này được chia làm hai nhóm : nhóm vi khuẩn không sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh metan. + Nhóm vi khuẩn không sinh metan gồm cả vi khuẩn kị khí và kị khí tùy tiện. Khi có mặt xenlulozơ, có các loài sau : Bacillus cereus, B.megaterium, Pseudomonas riboflavina, Ps. reptilorova, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris.
Khi có mặt tinh bột, có các loài : Micrococcus candidus, M.varians, M.urea, Bacillus cereus, B.megaterium và Pseudomonas spp. Khi môi trường giàu protein, có các loài: Clostridium, Bacillus cereus, B.circulans, B. sphaericus, B.subtilis, Micrococcus varians, E.coli, các dạng coliforme và Pseudomonas spp. Môi trường giàu chất béo thực vật có các giống: Bacillus, Micrococcus, Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas. + Vi khuẩn sinh metan : những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, sinh trưởng và phát triển rất chậm, gồm : Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus, Methanosarcina. 1.5.4 Các công trình xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học Xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Các vi sinh vật hoạt động sẽ phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn thành các chất vô cơ, chất khí đơn giản và nước. Các vi sinh vật có thể phân hủy được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo với mức độ và thời gian phân hủy khác nhau. Vi sinh vật trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển tăng số lượng tế bào và đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Có ba phương pháp sinh học xử lí nước thải: + Phương pháp hiếu khí. + Phương pháp kị khí. + Phương pháp thiếu khí. Trên cơ sở các biện pháp sinh học xử lí nước thải có thể ứng dụng vào các công trình xử lí nước thải: xử lí bằng hồ sinh học, xử lí bằng bùn hoạt tính, xử lí bằng màng sinh học, xử lí bằng quá trình hợp khối các biện pháp sinh học. 1.5.4.1 Xử lí bằng hồ sinh học [5, 10, 13, 17 ] Trong số những công trình xử lí trong điều kiện tự nhiên thì hồ sinh học được sử dụng rộng rãi hơn cả. Hồ sinh học còn được gọi là hồ oxi hóa hoặc hồ ổn định Xử lí nước thải ở hồ sinh học là lợi dụng quá trình tự làm sạch của hồ tiếp nhận nước thải. Lượng oxi cho quá trình sinh hóa chủ yếu là do không khí xâm nhập qua mặt thoáng hồ và do quá trình quang hợp của thực vật nước. Quá trình tự làm sạch của nước liên quan đến hoạt động sống của giới thủy sinh. Quá trình hoạt động sống của chúng dựa trên quan hệ cộng sinh (hoặc hội sinh) của toàn bộ quần thể sinh vật có trong nước. Theo chiều sâu của ao hồ sẽ chia ra thành 3 vùng: vùng kị khí ở đáy, vùng kị khí tùy nghi ở giữa và vùng hiếu khí. Các vùng có các khu hệ vi sinh vật tương ứng (chủ yếu là vi khuẩn).
Các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thành các chất vô cơ (khoáng hóa) cung cấp cho các thực vật thủy sinh, trước hết là tảo. Tảo và các thực vật thủy sinh (rong đuôi chó, rong xương cá, lau lác, các loại bèo…) là giá thể để vi sinh vật bám vào, cung cấp oxi cho vi khuẩn hiếu khí và những hoạt chất sinh học cần thiết; ngược lại vi khuẩn cung cấp cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình (CO2, NH4+, photphat) và che chở vi khuẩn khỏi bị chết dưới ánh nắng mặt trời. Để hồ sinh học làm việc bình thường cần duy trì pH và nhiệt độ tối ưu. Hồ sinh học được phân thành các loại sau: + Hồ oxi hóa cấp ba - hồ làm sạch lần cuối. + Hồ được sục khí. + Hồ oxi hóa hiếu - kị khí hay hồ oxi hóa tùy tiện. 1.5.4.2 Xử lí bằng bùn hoạt tính [3, 5, 7, 10, 11, 13, 14, 23, 29, 30, 31 ] Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước. Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 - 150m. Những bông này gồm các vi sinh vật sống và cặn rắn. Những vi sinh vật sống ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, dòi , giun… Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 - 1012 /1mg chất khô, phần lớn là Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium…, ngoài ra còn có các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa NH3 thành N2: Nitrosomonas, Nitrobacter, Acinetobacter, Hyphomicrobium, Thiobacillus, Sphacrotilus và Cladothirix. Trong bùn hoạt tính còn thấy các loài thuộc động vật nguyên sinh. Chúng đóng vai trò khá quan trọng trong bùn, tham gia phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi cho quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh. Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lí nước thải dựa trên kĩ thuật bùn hoạt tính là các bể phản ứng sinh học được làm hiếu khí bằng cách thổi khí nén hoặc khuấy đảo cơ học hoặc kết hợp cả hai làm cho vi sinh vật tạo thành các hạt bùn hoạt tính lơ lửng trong khắp pha lỏng. Các công trình bao gồm: bể phản ứng hiếu khí - bể aeroten, mương oxi hóa, bể oxiten, giếng trục sâu. Các công trình xử lí kị khí với giải pháp vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng qua lớp cặn lơ lửng trong bể UASB, hỗn hợp bùn kị khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (70 - 80% CH4 và 20 - 30% CO2) và nước. Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí được sinh ra nổi lên trên các bề mặt làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng, khi hạt cặn nổi lên va phải tấm chắn bị vỡ ra, khí thoát lên trên, cặn rơi xuống dưới.
1.5.4.3 Xử lí bằng màng sinh học [7, 13, 17] Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau (vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh) có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Phần lớn các vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và oxi có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn (vật liệu lọc: cát, sỏi, đá, than gỗ...). Các chất hữu cơ trong nước thải được các vi khuẩn sử dụng để thực hiện phân hủy tạo CO2 và H2O. Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn các vi khuẩn tùy tiện và kị khí. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính. Mặc dù màng sinh học rất mỏng nhưng cũng được chia thành các lớp với các đặc trưng vi sinh vật riêng: + Ngoài cùng là lớp hiếu khí dầy nhất, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus. + Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện mỏng hơn, điển hình như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus, Bacillus. + Lớp sâu bên trong màng là lớp kị khí mỏng nhất, có các vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio, ngoài ra còn có động vật nguyên sinh và các sinh vật khác. Các chất hữu cơ có trong nước thải khi chảy qua hoặc tiếp xúc với màng sinh học sẽ được oxi hóa bởi các quần thể vi sinh vật. Các chất hữu cơ dễ phân hủy sẽ được vi sinh vật sử dụng trước với vận tốc nhanh, và số lượng quần thể tương ứng cũng phát triển nhanh. Các chất hữu cơ khó phân hủy sẽ được sử dụng sau với vận tốc chậm hơn và quần thể vi sinh vật tương ứng cũng phát triển muộn hơn. Trong quá trình phân giải các chất hữu cơ, màng sinh học sẽ tăng dần lên, dày hơn và dần dần bịt các khe giữa các hạt cát nên làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần, lúc này phin lọc làm việc có hiệu quả cao hơn. Vì màng dày hơn nên các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất, ít nhận được oxi nên chuyển sang phân hủy kị khí tạo các axit hữu cơ, các alcol.... Các chất này sẽ được các vi sinh vật khác sử dụng trước khi khuếch tán ra ngoài. Nước dần được làm sạch. Các công trình hiếu khí nhân tạo dựa trên kĩ thuật màng sinh học: lọc sinh học, đĩa quay sinh học. Các công trình kị khí dựa trên kĩ thuật màng sinh học: lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ (ANAFIZ), lọc kị khí với vật liệu giả lỏng trương nở (ANAFLUX). 1.5.4.4 Xử lí bằng quá trình hợp khối [31] Quá trình hợp khối trong xử lí nước thải là quá trình kết hợp các phương pháp hiếu khí, kị khí và thiếu khí nhằm xử lí nước thải một cách triệt để. Quá trình hợp khối thường được ứng dụng để khử các chất dinh dưỡng (muối nitơ và photpho). Người ta tạo ra một vùng thiếu khí trong công trình xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính. Trong quá trình xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính hiếu khí, nitơ amoni sẽ được chuyển thành nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, khi môi trường thiếu oxi, các loại vi khuẩn khử nitrat sẽ tách oxi
của nitrat và nitrit để oxi hóa các chất hữu cơ và tạo ra phân tử nitơ thoát ra khỏi nước. Đối với các muối dinh dưỡng photpho (polyphotphat hoặc orthophotphat), người ta ứng dụng quá trình photphoril hóa của vi khuẩn kị khí tùy tiện Acinetobacter sp để khử photpho. Dựa trên các nguyên lý này, người ta đã thiết lập một qui trình xử lí nước thải theo phương pháp bùn hoạt tính để khử BOD, N, P trong hệ thống Bardenpho (gồm hệ thống các bể kị khí, bể thiếu khí, bể hiếu khí...). Xử lí nước thải bằng hệ thống này sẽ tách được một lượng lớn photpho ra khỏi nước thải dưới dạng polyphotphat trong bùn dư, và khử được nitrat trong các bể thiếu khí. 1.6 Aeroten và kĩ thuật bùn hoạt tính [13, 23, 14, 22, 29] 1.6.1. Đặc điểm và nguyên lí làm việc của aeroten Aeroten là công trình xử lí hiếu khí nước thải bằng bùn hoạt tính. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể aeroten và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hòa tan và tăng cường quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Nguyên lí của phương pháp là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí dưới dạng bùn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện có oxi hòa tan liên tục. Quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong aeroten qua ba giai đoạn: - Giai đoạn 1 : Cấu trúc aeroten phải thỏa mãn ba điều kiện: + Giữ được liều lượng bùn cao trong aeroten. + Cho phép vi sinh vật phát triển liên tục ở giai đoạn “ trẻ “. + Bảo đảm lượng oxi cần thiết của vi sinh ở mọi điểm trong aeroten. - Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi gần như ít thay đổi. ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Hoạt lực enzym của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéo dài trong một thời gian tiếp theo. Điểm cực đại của enzym oxi hóa của bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính đạt mức ổn định. - Giai đoạn 3: sau một thời gian tốc độ oxi hóa hầu như ít thay đổi và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây là giai đoạn nitrat hóa. Sau cùng, nhu cầu oxi lại giảm, quá trình làm việc của aeroten kết thúc. 1.6.2. Bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở trong nước. Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 - 150 àm.