Luận Văn Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải

Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng trong lọc sinh học áp dụng cho xử lý nước thải

i. Mở đầu



Thực trạng môi trường nước ở nước ta ngày càng bị ô nhiễm nặng do nước thải tại các khu dân cư cũng như các cơ sở sản xuất thải ra môi trường mà chưa qua xử lý. Chỉ tính riêng Thành phố Hà nội, lượng nước thải chưa qua xử lý đổ ra môi trường là hàng trăm ngàn m3 nước thải mỗi ngày.


Để giải quyết vấn đề nước thải, tại Việt nam cũng như trên Thế giới, các nhà khoa học đã và đang đưa ra nhiều giải pháp kỹ thuật đa dạng, đồng bộ cho xử lý nước thải. Các phương pháp phổ biến được áp dụng là:


ã Phương pháp Sinh - Hoá hoặc Hoá - Sinh kết hợp;


ã Phương pháp lọc sinh học - kết hợp hoá học;


ã Phương pháp Aeroten; Phương pháp bùn hoạt tính; Hồ sinh học hoặc kỵ khí v.v.


ã Phương pháp hoá - lý thông thường .


Mỗi phương pháp xử lý đều có những ưu, nhược điểm nhất định:


ã Phương pháp AEROTEN - Hoá cũng như phương pháp UBSA - Hoá cho hiệu quả xử lý nước thải là tương đối nhưng lại cần một diện tích rất lớn, đầu tư ban đầu cao. Bên cạnh đó, việc ứng dụng các tiến bộ của Khoa học Kỹ thuật ở Việt nam chưa đồng bộ do thiếu thốn về kinh phí cũng như kinh nghiệm và nhất là đặc diểm khí hậu ôn đới ở Miền Bắc Việt nam ( đặc biệt về Mùa Đông ) đã làm giảm đáng kể hiệu quả của các phương pháp xử lý này.


ã Phương pháp hoá lý là phương pháp đơn giản, giá thành đầu tư vừa phải nhưng lại chỉ áp được cho xử lý các loại nước thải chứa các chất thải vô hoặc hữu cơ dễ tách loại với chi phí hoá chất tương đối cao.


ã Phương pháp lọc sinh học - hoá học mà cơ sở là việc tạo màng lọc sinh học với giá thành đầu tư không cao, phương pháp sử dụng đơn giản, đặc biệt diện tích mặt bằng cần cho khu xử lý rất khiêm tốn hiện đang là phương pháp xử lý được quan tâm trên thế giới, nhất là cho xử lý nước thải tại các Thành phố lớn, các khu chật hẹp thiếu diện tích. Tuy nhiên, các quá trình sinh học luôn là quá trình phức tạp và cần các điều kiện thích hợp.


Nghiên cứu động học của quá trình tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước thải là xác định được các yếu cũng như điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật để hình thành màng lọc sinh học. Sự hình thành màng lọc sinh học là cơ sở khoa học quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải cũng như việc chọn mô hình thiết bị và trạm xử lý nước thải cho từng điều kiện thực tế.


ii. Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:


Các quá trình sinh học cơ bản thường sử dụng cho xử lý nước thải là: Quá trình bùn hoạt tính; Lọc nhỏ giọt; Phân huỷ yếm khí; Hồ sinh học v.v Về cơ bản các quá trình đều liên quan tới các loại thiết bị sử dụng, sự tiếp xúc giữa vi sinh vật với pha lỏng, mức độ tạo hỗn hợp v.v.


Theo quan điểm sinh học, đa số các quá trình có thể được phân chia theo nhiều cách, chẳng hạn: Theo dòng hồi lưu; Theo mức độ làm giàu vi sinh vật có đặc tính xác định bằng các tính chất của nước thải; Theo điều kiện môi trường thiết kế và vận hành v.v.


Tuỳ theo mức độ phổ biến và hoàn thiện, các quá trình có thể được chia thành: Quá trình hiếu khí, yếm khí và quang hợp.


Kiến thức về tế bào học là cần thiết cho việc tính toán lượng nước thải, nhu cầu ôxy, lượng khí sinh ra cũng như sự trao đổi chất giữa các loại vi sinh vật.


Kiến thức về hoá nhiệt sử dụng cho tính toán nhiệt độ có thể đạt được của quá trình. Quan hệ động học cơ bản có thể được xác định. Nhiều phản ứng trong quá trình sinh học là tự động và thường được được giả định bằng quan hệ giữa nồng độ nước thải và sự sinh trưởng của vi sinh vật. Việc xây dựng các quan hệ về tế bào học, nhiệt hoá và quan hệ động học thường liên quan tới các yếu tố môi trường như: pH, ánh sáng, môi trường ion hoá v.v.


Các phản ứng sinh học có thể được phân thành: Phản ứng hiếu khí, yếm khí hoặc quang hoá tuỳ theo loại vi sinh vật hoạt động, tuỳ theo quá trình sinh học sử dụng cho xử lý nước thải. Các quá trình hoạt động của vi sinh vật thường được phân thành:


ã Quá trình hoạt động của vi sinh vật trong điều kiện yếm khí.


ã Quá trình hoạt động của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí.


ã Quá trình quang hoá.


Để đi sâu nghiên cứu động học quá trình tạo màng vi sinh vật trong xử lý nước thải, trước hết ta xét:


1. Màng lọc sinh học:


Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn khi trong môi trường có các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và ôxy. Việc cố định được thực hiện nhờ vi sinh vật tiết ra một chất dạng keo có nguồn gốc từ exopolyme. Bên trong chất keo đó, vi sinh vật vẫn có những chuyển động nhất định.


Việc xâm chiếm bề mặt này lúc đầu được thực hiện ở một số điểm và phát triển dần đến khi bao bọc toàn bộ bề mặt vật rắn. Từ đó trở đi, các tế bào mới sinh ra sẽ bao phủ lên các lớp ban đầu. Giữa các lớp tế bào có các lỗ xốp trống, vi sinh vật luôn chuyển động và hình thành lớp màng sinh học.


2. Các loại màng sinh học:


Trong tự nhiên, tồn tại ba dạng màng sinh học chủ yếu là:


ã Màng sinh học dạng hỗn tạp: Màng này gồm hai lớp:


+ Lớp đầu tiên là một lớp mỏng ( khoảng 5 mm ) hình thành do các vi sinh vật bám vào bề mặt vật rắn.


+ Lớp thứ hai là do các vi sinh vật dính kết với nhau nhờ hợp chất keo exopolyme do vi sinh vật tiết ra và bao quanh các vi sinh vật thuộc lớp thứ nhất ( lớp này thường dày khoảng 100 mm ).


ã Màng sinh học hình nấm: Màng này được tạo thành từ các quần thể vi sinh vật bó kết lại với nhau thành hình dạng giống như cây nấm.


ã Màng sinh học nhiều lớp: Màng này được hình thành từ nhiều lớp vi sinh vật chồng lên nhau.


3. Cơ chế hoạt động của màng sinh học:


Các chất dinh dưỡng có thể đồng hoá được cùng với ôxy trong nước cần xử lý sẽ vận chuyển và khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh học cho đến chừng nào mà các đám tế bào ở vùng sâu nhất không tiếp xúc được với chất dinh dưỡng và ôxy nữa. Sau một thời gian sẽ xuất hiện sự phân tầng vi sinh vật:


ã Ngoài cùng là các lớp ưa khí: ở đây có sự khuếch tán ôxy - Vi sinh vật hiếu khí hoạt động.


ã Lớp sau là lớp kỵ khí: ở đây không có sự khuếch tán ôxy - Vi sinh vật kỵ khí hoạt động.


ã Sự hình thành và mức độ tồn tại các lớp này thay đổi theo loại chất phản ứng ( dinh dưỡng ) và chất nền.