Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 1: Khái niệm cơ bản về xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học

BK TPHCM BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 1 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 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM2 Tổå ng quan • Mục tiêu các quá trình sinh học trong công nghệ môi trường: – Biến đổi các thành phần dễ phân hủy sinh học thành các sản phẩm cuối chấp nhận được – Khử các chất dinh dưỡng như N, P – Bắt giữ các chất rắn/hạït keo vào các hạt keo và hạt lơ lững vào bông bùn sinh học (biological floc) hay màng sinh vật (biofilm) – Khử các thành phần/chất hữu cơ vết (trace organic/constitutent) • Bốn loại chất cần xử lý (pollutants) của quá trình trên: CHC hòa tan, CHC không tan, chất vô cơ không tan và chất vô cơ hòa tan. • Vai trò của quá trình sinh hoá (biochemical processes) trong XLNT thể hiện trong sơ đồ sau: BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM3 Tổå ng quan SOM: Soluble organic matter IOM: Insoluble organic matter SIM: Soluble inorganic matter IIM: Insoluble inorganic matter Biomass Xử lý sơ bộ Preliminary physical unitä Xử lý bậc 1 Preliminary physical unitä Quá trình sinh hóa Biochemical process Tách-Lắng Physical unitä Xử lý bậc cao Advanced treatment Xử lý bổ sung Additional treatment Nén bùn Thickening Oån định bùn Biochemical processä Nén-tách nước Thickening- Dewatering BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM4 Tổå ng quan • Phân loại quá trình sinh hóa dựa trên ba quan điểm sau: – Biến đổi sinh hóa: (1) chuyển hóa (oxy hóa) các thành phần có thể phân hủy sinh học và loại bỏ chất dinh dưỡng – Môi trường sinh hóa: quá trình sinh hóa thực hiện trong điều kiện kị khí, hiếu khí, thiếu khí. – Hình dạng bể sinh học: chia làm hai nhóm chính, phụ thuộc hình thái sinh trưởng của vi sinh: Lơ lửng và bám dính trên giá thể rắn BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM5 Tổå ng quan ™ Sự khác biệt giữa quá trình sinh học và hóa học – Quá trình sinh học, được thực hiện với sự tham gia của vi sinh vật, khác với quá trình hoá học ở các điểm sau: 9 Tính phức tạp của hỗn hợp các chất phản ứng 9 Sự gia tăng sinh khối diễn ra cùng với sự chuyển hoá sinh học 9 Khả năng của vi sinh vật tự tổng hợp các xúc tác cho riêng mình (men vi sinh) 9 Khó giữ vận tốc chuyển hoá không đổi (tính không ổn định của quá trình) 9 Tiến hành quá trình chỉ trong pha lỏng (nước) 9Nồng độ cơ chất và sản phẩm tương đối thấp – Tất cả các phản ứng vi sinh học đều là dị thể vì chúng xảy ra với sự tham gia của ít nhất 2 pha: pha rắn, là vi sinh vật và pha lỏng (nước). Đôi khi trong quá trình có thể tham gia pha khí, pha lỏng và pha rắn khác (không khí hoặc oxi trong hệ thông hiếu khí và CO2 trong hệ kỵ khí) BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM6 Tổå ng quan (tt) • Ưùng dụng của quá trình sinh học trong lĩnh vực môi trường – Xử lý nước thải: trong quá trình này vi sinh vật được sử dụng để chuyển hoá chất thải do hoạt động sống của con người thành sản phẩm có giá trị nhất định nào đó. Sự chuyển hoá này đạt được là nhờ trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp chứa một lượng lớn các chất ô nhiễm có khả năng phân hủy sinh học. – Xử lý chất thải rắn: chất thải rắn sinh hoạt chứa phần lớn thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học. Vi sinh vật sử dụng chúng làm nguồn thức ăn và chuyển hóa thành phân compost. – Tham gia vào quá trình tự làm sạch môi trường (đất, nước, không khí). – Xử lý khí thải: vi sinh vật sử dụng các chất ô nhiễm trong khí thải làm nguồn cacbon như xử lý VOC BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM7 Thàø nh phầà n vàø phânâ loạï i vi sinh vậä t • Thành phần tế bào vi sinh vật – Nước và muối khoáng 9Nước có trong tế bào VSV khoảng 75-90% 9Hàm lượng chất khô trong tế bào VSV khoảng 10- 30%, hàm lượng muối khoáng trong chát khô khoảng 5-10% – Các hợp chất hữu cơ 9Các loại hydrat cacbon: gồm monosacarit và polysacarit 9 Lipit: hàm lượng mỡ và các chất béo 9Protit: gồm protein (protit đơn giản) và proteic (protit phức tạp) 9Các loại axit nucleic BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM8 Thàø nh phầà n vàø phânâ loạï i vi sinh vậä t (tt) • Cấu trúc tế bào vi khuẩn: – Màng nhầy – Vách tế bào – Màng nguyên sinh chất – Nguyên sinh chất – Nhân – Tiêm mao – Bào tử BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM9 Thàø nh phầà n vàø phânâ loạï i vi sinh vậä t (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 BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM10 Trao đổå i chấá t vàø năngê lượï ng củû a vi sinh vậä t ™Quá trình trao đổi chất ở VSV bao gồm 2 quá trình cơ bản: – Quá trình đồng hóa: tổng hợp vật chất trong tế bào 9Năng lượng được cung cấp bởi quá trình di hóa 9Vật chất được lấy từ môi trường và được tổng hợp xảy ra trong tế bào – Quá trình dị hóa: phân giải vật chất trong và ngoài tế bào 9Dị hóa ngoài tế bào cung cấp vật chất cho tế bào nhờ các enzym ngoại bào (được tổng hợp trong tế bào và thực hiện các phản ứng ngoài tế bào) 9Dị hóa trong tế bào được thực hiện nhờ enzym nội bào (được tổng hợp trong tế bào và thực hiện các phản ứng trong tế bào) BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM11 Trao đổå i chấá t vàø năngê lượï ng củû a vi sinh vậä t (tt) ™Quá trình trao đổi chất bao gồm: – Quá trình chuyển hóa vật chất từ ngoài tế bào vào trong tế bào – Quá trình tổng hợp vật chất trong tế bào – Quá trình thải bỏ các chất dư thừa từ tế bào ra môi trường ™Quá trình trao đổi năng lượng bao gồm tất cả các quá trình oxy hóa phân hủy có kèm theo giải phóng năng lượng BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM12 Quáù trình trao đổå i chấá t củû a vi sinh vậä t (tt) BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM13 Sựï sinh trưởû ng vàø pháù t triểå n củû a vi sinh vậä t • Điều kiện nuôi cấy tĩnh Ỉ không thêm dinh dưỡng cũng không loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất • Quá trình nuôi cấy liên tục và nuôi cấy đồng bộỈ chất dinh dưỡng được thêm vào liên tục và các sản phẩm thừa của trao đổi chất luôn được lấy khỏi môi trường • Đường cong sinh trưởng của quần thể vi khuẩn: BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM14 Sựï sinh trưởû ng vàø pháù t triểå n củû a vi sinh vậä t (tt) ™ Pha lag – Tính từ lúc bắt đầu cấy đến khi vi khuẩn đạt được tốc độ sinh trưởng cực đại. – Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia (chưa có khả năng sinh sản) mà thích nghi dần với điều kiện môi trường. – Trọng lượng và thể tích tế bào tăng lên rõ rệt do quá trình tổng hợp các chất diễn ra mạnh mẽ. – Độ dài của pha phụ thuộc trước hết vào tuổi, giống và thành phần môi trường. – Trong pha này diễn ra quá trình xây dựng lại các tế bào nghỉ thành tế bào sinh trưởng logarit (hoặc sinh trưởng theo lũy thừa). – Hệ số kinh tế đặc trưng cho hiệu suất sử dụng cơ chất: 1 o X XY S S S = = − Trong đó: Y : Hệ số kinh tế X : Lượng sinh khối sinh trưởng, g S1 : Lượng cơ chất sử dụng, g So : Lượng cơ chất ban đầu, g S : Lượng cơ chất còn lại BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM15 Sựï sinh trưởû ng vàø pháù t triểå n củû a vi sinh vậä t (tt) ™ Pha logaric (Pha tăng trưởng) – Trong pha này vi khuẩn sinh trưởng và phát triển theo hàm lũy thừa. Kích thước tế bào, thành phần hóa học, hoạt tính sinh học,... Không thay đổi theo thời gian. – Sinh khối và khối lượng tế bào tăng theo phương trình N = No .2n ™ Pha ổn định – Trong pha này quần thể vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động, tốc độ sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất. – Nguyên nhân tồn tại pha ổn định là do sự tích lũy các sản phẩm của trao đổi chất và việc cạn kiệt chất dinh dưỡng. – Thời gian pha ổn định sẽ khác nhau đối với mỗi loại VSV. ™ Pha tử vong – Trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm dần theo lũy thừa. – Các tế bào tử vong bởi nhiều nguyên nhân: cạn kiệt chất dinh dưỡng, các sản phẩm thừa của trao đổi chất bị tích lũy lại, tính chất hóa lý môi trường thay đổi,... BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM16 Quáù trình sinh họï c hiếá u khí ™Quá trình sinh học hiếu khí – Chuyển hoá (oxy hoá) các chất hoà tan và những chất dể phân hủy sinh học thành những sản phẩm cuối cùng có thể chấp nhận được (humic, fulvic,...); – Hấp phụ và kết tụ cặn lơ lửng và chất keo không lắng thành bông sinh học hay màng sinh học; – Chuyển hoá/khử chất dinh dưỡng (N và photpho) ™ Vai trò của vi sinh vật hiếu khí trong xử lý nước thải – Khử các chất hoà tan, BOD carbon và ổn định hợp chất hữu cơ trong nước thải – Sử dụng nhiều loại vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn. – Những VSV oxy hoá các CHCơ hoà tan thành những sản phẩm đơn giản và tăng sinh khối. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM17 Quáù trình sinh họï c hiếá u khí (tt) • Quá trình phân hủy hiếu khí H2 O Oxi hĩa va ̀ hơ hấp nội bào Cặë n khôngâ phânâ hủû y sinh họï c C.hữũ cơ O2 CO2 dinh dưỡngõ (N,P) BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM18 Quáù trình sinh họï c hiếá u khí (tt) • Quá trình phân hủy hiếu khí (tt) Cặë n khôngâ phânâ hủû y sinh họï c Phân hủy nội bào H2 O N,PO2 CO2 BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM19 BOD ™ Đo đạc lượng DO sử dụng do vi sinh trong quá trình oxy hóa CHC; ™ 3 phản ứng sinh hóa xảy ra trong BOD test: – Oxi hóa/hô hấp: COHNS + O2 Ỵ CO2 + H2O +NH3 + sản phẩm cuối + năng lượng – Tổng hợp: COHNS + O2 + năng lượngỴ C5H7NO2 – Hô hấp nội bào: C5 H7 NO2 + 5O2Ỵ 5 CO2 + NH3 + 2H2O • BOD 5 ngày = 60-70% oxi hóa hoàn toàn CHC • BOD 20 ngày = 95-99% tổng lượng CHC BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM20 Môâ hình hóù a phảû n ứùng BOD • Mô hình hóa dựa trên lượng CHC còn lại ở thời gian t biến đổi theo hàm bậc nhất: tk r eUBODBOD 1 −×= r r BODk dt dBOD ×−= 1 Trong đó: BODr = Lượng CHC còn lại ở thời gian t (ngày) tính theo lượng oxy tương đương, mg/L k1 = hằng số tốc độ phản ứng bậc nhất, ngày-1 UBOD = Tổng BOD hay BOD cuối cùng (ultimate), mg/L t = Thời gian (ngày) Như vậy BOD sử dụng ở thời gian t: )1( 1tkrt eUBODBODUBODBOD −−∗=−= BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM21 Môâ hình hóù a phảû n ứùng BOD Thông số Dãy Giá trị trung bình Nước thài thô 0,12 – 0,46 0,23 NT sau xử lý 0,12 – 0,23 0,18 20 11 20 −×= Tkk T θ Giá trị Kt của nước thải sinh hoạt ở 20o (ngày -1) Giá trị Kt ở nhiệt độ khác: Giá trị Kt ở nhiệt độ khác θ =1.056 ở 20oC và 1.135 ở 30oC BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM22 Hạï n chếá trong BOD test Đòi hỏi vi khuẩn nuôi cấy thích nghi ban đầu; Yêu cầu khử độc chất trong mẫu; Khử ảnh hưởng của VK nitrate hóa; Chỉ có chất dể phân hủy được đo (không đo được chất khó phân hủy sinh học) Test không có giá trị đẳng lượng sau khi CHC dể phân hủy đã được tiêu thụ hết và Thời gian test tương đối dài BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM23 Nitrate hóù a trong BOD test Nhu cầu oxy liên quan đến oxi hóa ammonia thành nitrate: Nhu cầu oxy sinh hóa nitơ (Nitrogenous BOD); Ammonia là sản phẩm thuỷ phân proteins. VK chuyển hoá ammonia thành nitrite và nitrate: Chuyển hóa ammonia thành nitrate (VK Nitrosomonas) NH3 + 3/2 O2Ỵ HNO2 + H2O Chuyển hóa nitrite thành nitrate (nitrobacter) HNO2 + 2 O2Ỵ HNO3 + H2O Nhu cầu oxy liên quan đến oxi hoá ammonia thành nitrate gọi là NBOD; Tốc độ oxi hóa của vi khuẩn nitrate chậm, thường xảy ra trong ngày thứ 6 – ngày thứ 10 BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM24 OXY CHO QUÁ TRÌNH OXY HÓA NBOD (1) ™ BOD nitơ (NBOD): kết quả của quá trình nitrat hóa (nitrification). ™ Ammonia lần lượt bị oxy hóa dưới điều kiện hiếu khí thành nitrite bởi các vi khuẩn Nitrosomonas: D Cần phải tiêu thụ 3.43 g oxy để oxy hóa 1 g nitơ thành nitrite. D cần phải tiêu thụ 1.14 g oxy để oxy hóa 1 g nitơ ở dạng nitrite thành nitrate. ™Lượng oxy tổng cộng là 4,57 g oxy để oxy hóa 1 g nitơ ở dạng ammonia thành nitrat. −+− ++→+ 2224 25,1 NOOHHONH −− →+ 322 5,0 NOONO ™ Nitrite hình thành sau đó được oxy hóa thành nitrate do các vi khuẩn Nitrobacter: BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM25 OXY CHO QUÁ TRÌNH OXY HÓA NBOD ™ NBOD (LN) được tính toán gần đúng theo phản ứng bậc 1: ™ NBOD có thể được tính toán theo công thức: ( )[ ] )16.2(exp1 tKLL NNoN −−= ( ) )17.2(57,4 aoNo NNL += No và Na lần lượt là nồng độ nitơ ở dạng hữu cơ và ở dạng ammonia. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM26 Nitrate hóù a trong BOD test (tt) Nitrate hoá trong BOD test sẽ dẫn đến sai số (Ví dụ: BOD của NT sau xử lý SH là 20 mg/L khi không có nitrate hoá và bằng 40 mg/L khi nitrate hoá xảy ra); BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM27 NHU CẦU TIÊU THỤ OXY CHO CÁC DÒNG NƯỚC THẢI TRƯỚC KHI XỬ LÝ Ở MỘT SỐ NƯỚC Nguồn thải CBOD5 (mg/L) CBODU (mg/L) NBOD (mg/L) N_org (mg/L) NH3 -N (mg/L) Nước thải sinh hoạt Trung bình ở Mỹ 180 (100 – 450) 220 (120 – 580) 220 20 (5 – 35) 28 (10 – 60) Nông thôn Mỹ 220 20 5 Mexico 275 18 20 Uruguay (250 – 300) (10 – 25) (12 – 28) Argentina 408 Cống thoát nước chung 170 (40 – 503) 220 5,9 (0,08 – 25) 2,8 (0 – 11,5) Nước mưa từ hệ thống thoát nước riêng 19 (2 – 84) 1,7 (0,2 – 4,8) 0,6 (0,1 – 1,9) BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM28 X.định BOD bằè ng p.pháù p đo tốá c độä hôâ hấá p (respirometer) Xác định giá trị BOD và hằng số tốc độ k1 bằng p.p respirometer Nguyên lý: đo trực tiếp oxygen tiêu thụ do vi sinh từ không khí hoặc môi trường giàu oxy trong thể tích đóng kín ở nhiệt độ và khuấy trộn không đổi Respirometry đo lượng oxy tiêu thụ theo thời gian Magnetic mixer Recorder DO meter Respirometric cell Water jacket BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM29 ÁÙ p dụï ng p.pháù p đo tốá c độä hôâ hấá p (respirometer) Đánh giá: Mức độ phân huỷ sinh học của nước thải/thành phần hoá chất; Khả năng xử lý sinh học chất thải công nghiệp hữu cơ; Ảnh hưởng của độc chất đến phản ứng tiêu thụ oxy của nước thải thử nghiệm; Ổn định bùn; Hàm lượng chất bẩn tại đó gây ức chế quá trình phân huỷ sinh học; Ảnh hưởng các công đoạn xử lý khác nhau (khử trùng, thêm chất dinh dưỡng và pH) đến tốc độ tiêu thụ oxy; Nhu cầu oxy để oxy hoàn toàn CHC dể phân huỷ SH. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM30 ™ Hợp chất hữu cơ được tiêu thụ bởi vi sinh bằng một chuỗi các phản ứng enzym. ™ Enzym là các protein hoặc protein kết hợp với các hợp chất vô cơ/phâân tử hữu cơ có khối lượng phân tử thấp. ™ Enzym là chất xúc tác, hình thành phức vơí cơ chất hữu cơ, phức này chuyển hoá thành sản phẩm riêng và giải phóng enzym ban đầu. ™ Tế bào ci khuẩn sản sinh các loại enzym khác nhau cho mỗi cơ chất sử dụng. ™ Hai loại enzyme thường được sản sinh: – Extracellular: chuyển hoá cơ chất bên ngoài tế baò thành một dạng chất có thể đi vào bên trong tế bào và tiếp tục được phân huỷ bởi các enzym intracellulan. – Intracellolar là các enzym nội bào, thực hiện phản ứng tổng hợp tế bào và tạo ra năng lượng. – Các phản ứng oxy hóa khử diễn ra theo nhiều cách. Ví dụ: sử dụng oxy, mất đi hydro từ cơ chất. Enzyme BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM31 – Các phản ứng này được mô tả dưới dạng chất cho điện tử (hydro hoặc cơ chất) hoặc chất nhận điện tử (như oxy). – Chất cho điện tử sản sinh các electron, các electron này được vận chuyển thông qua các con đường sinh học phức tạp tới chất nhận điện tử cuối cùng (oxy trong quá trình iếu khí). – Quá trình dị dưỡng: chất cho điện tử là CHC Quá trình tự dưỡng: chất cho điện tử là các chất vô cơ. – Chất nhận điện tử cuối cùng (terminal electron acceptor) các định năng lượng sẵn có của cơ chất. ™ Năng lượng có trong CHC (AH2) được phóng thích trong quá trình oxy hóa sinh học bằng việc khử hydro của cơ chất, tiếp theo đó là chuyển hóa các electron thành chất nhận điện tử cuối cùng. ™ Quá trình hô hấp hiếu khí có thể thấy được (AH2) CHC bị khử thông qua hydrogen và chất mang điện tử (carriers) với oxygen. ™ Chất nhận điện tử hydrogen cuối càng nhiều, năng lượng sinh ra từ việc oxy hóa 1 mol cơ chất càng lớn. Năngê lượï ng BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM32 ™ Trong hô hấp tùy tiện, sử dụng oxy từ các cầu nối của nitrate hoặc sulphate, sản lượng năng lượng ít hơn so với cơ chế hiếu khí. ™ Năng lượng ít nhất trong cơ chất kỵ khí, ở đó oxy hóa AH2 được kết hợp với việc khử B (hợp chất hữu cơ oxy hóa) thành BH2 (hợp chất hữu cơ bị khử). ™ Trong phản ứng oxy hóa, tế bào chuyển hóa năng lượng thành 2 con đường: – (1) Vi sinh vật bắt giữ năng lượng được phóng thích từ các phản ứng sinh năng lượng (exergonic reactions) và (2) sử dụng năng lượng này để thúc đẩy các phản ứng đòi hỏi năng lượng (endergonic). – Năng lượng phóng thích trong tế bào bằng quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ hay quá trình quang hợp. Năng