cơ sở lý thuyết quá trình lọc sinh học

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
2.2.3. Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật:
Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ
cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát
triển bám dính trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn :
Giai đoạn thứ nhất có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa
bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau,
cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng.
Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai
đoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay
đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát
triển cũng không đổi trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để
duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối. Lượng cơ
chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh
khối và lớp màng sẽ bò mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và
sinh khối.
Trong giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn đònh, khi đó tốc độ phát
triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo
dây chuyền thực phẩm, hoặc bò rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy. Hình 3.2 cho
22
bacteria
protozoa
algae
metazoa
Hình 3.2.: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh
Thời gian , ngày
Số lượng
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
thấy sự tích lũy của lớp màng vi sinh vật. Trong quá trình phát triển của màng vi
sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng (hình 3.2). Lúc đầu, hầu hết
sinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình
thành nên một hệ sinh thái. Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật và làm
giảm lượng bùn dư. Tuy nhiên, trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn
điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn
quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước. Nghiên cứu
của Inamori cho thấy có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật. Một loài
ăn vi khuẩn lơ lửng và thải ra chất kết dính, kết quả là làm tăng tốc độ làm sạch
nước. Loài còn lại ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán
sinh khối. Và nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hóa chất
hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao.
Bảng 3.2.3. Xác đònh sự tích lũy của màng vi sinh vật.
Phân loại 2.1. Phương pháp phân tích
(A) Xác đònh trực tiếp khối lượng màng vi
sinh vật:
Bề dày màng; Khối lượng màng
(B) Xác đònh không trực tiếp lượng màng vi
sinh vật: Thành phần màng vi sinh vật xác
đònh
Polysaccharide; Tổng carbon hữu cơ;
COD; Protein
(C) Xác đònh không trực tiếp lượng màng vi
sinh vật: Vi sinh hoạt động bên trong màng
Đếm tế bào nhìn thấy được; ATP;
Lipopolysaccharide; Tốc độ loại bỏ cơ
chất
(D) Xác đònh không trực tiếp lượng màng
vi sinh vật: nh hưởng của màng vi sinh
vật tới các đặc tính chuyển động.
Ma sát
Ngăn cản truyền nhiệt.
2.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH MÀNG VI SINH.
2.3.1. Đặc tính dính bám của màng sinh học:
Khả năng dính bám của màng sinh học trên bề mặt rắn là 1 trong những nhân
tố quan trọng của quá trình màng sinh học vì nó thường ảnh hưởng đến tốc độ phát
23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
triển và những khó khăn liên quan đến việc tẩy rửa màng sinh học. Có 2 nhân tố
hoá lý ảnh hưởng đến khả năng dính bám của màng sinh học: tác nhân thứ nhất là
hiện tượng tónh điện. Quy luật tổng quát là: sự kết hợp của 2 thực thể kỵ nước với
nhau hoặc với thực thể ưa nước cũng luôn ổn đònh dưới góc nhìn năng lượng tự do.
Sự kết hợp dưới cơ chế gọi là sự tương tác của tính kỵ nước, và không cần thiết để
nói rằng quy luật này có thể ứng dụng đến sự hấp phụ tế bào vi sinh vật lên bề mặt
vật rắn.
Giữa các đặc tính vật lý của bề mặt vật rắn có thể ảnh hưởng đến khả năng
dính bám của màng vi sinh, sự gồ ghề là 1 trong những đặc tính có thể xác nhận.
Các quan sát cho thấy bề mặt gồ ghề có ảnh hưởng quan trọng đến thời kì hình
thành lớp màng ban đầu và số lượng gắn kết nhiều hơn nhiều so với bề mặt nhẵn.
Nhưng sự gồ ghề của bề mặt không phải là nhân tố quan trọng trong tổâng lượng
màng vi sinh được thành lập. Theo nghiên cứu của 1 số nhà khoa học khi so sánh
đặc tính dính bám của màng sinh học trên các vật liệu : polyvynylchloride (bề mặt
không xử lý) và polyethylene (A) , vật liệu cùng loại được chà láng bằng giấy
nhám mòn (B) , chà bằng giấy thô (C) và dán chúng vào cùng 1 đóa trong đơn vò lọc
sinh học tiếp xúc quay. Và kết quả chỉ ra rằng tốc độ kết dính và tổng lượng dết
dính như sau A<B<C. Vậy độ gồ ghề có thể ảnh hưởng ít đến sự kết hợp của màng
vi sinh trên bề mặt rắn, nó chỉ ra rằêng độ gồ ghề của bề mặt có ảnh hưởng đến mức
độ cao hơn của lượng màng bám dính và đặc tính dính bám thay đổi dựa trên điều
kiện sinh lý của vi sinh vật . Điều nay dễ nhận ra dựa trên những cơ chế kết dính
đã đề cập ở trên.
Sự liên quan đến hiệu quả dòng chảy qua bề mặt màng, Hekejekian nhận thấy
rằng tốc độ cao sẽ làm chậm trễ quá trình hình thành lớp màng cơ bản , nhưng 1 khi
đã thành lập thì tốc độ dòng chảy càng cao thì sự sinh trưởng của màng càng tăng
nhanh. Sander và Characklis tốc độ cao nhất ở mức cao của tốc độ trong khoảng
(0.1-1 ft/s). nh hưởng này được quy cho dòng chảy mạnh mang nhiều cơ chất từ
chất lỏng lên bề mặt lớp màng, các lớp màng nhờn có thể chống lại lực cắt vượt
quá 10 -15 (dyn/ cm
2
) và màng phát triển ở tốc độ cao càng bám chặt vào bề mặt
rắn. Cần chú ý rằng sự phân phối các chủng loại vi sinh trêm lóp màng thay đổi với
mức độ hỗn loạn.
24
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
25
V
min
V
min
V
min
1/x (độ dày của lớp điện tích kép
G G G
GGG
a
b c
c’
b’a’
h h h
hhh
V
R
V
A
V
min
V
min
V
max
V
R
V
max
V
A
V
A
V
R
Cộng thêm lực
dẩy Born
Hình 3.3.:Năng lượng tương tác giữa 2 phần tử
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
2.3.2. Đặc tính sinh học:
2.3.2.1. Sinh khối trong thiết bò xử lý và đa dạng sinh học:
Nói chung, sinh khối trong các thiết bò xử lý ứng dụng quá trình màng vi sinh
vật tương đối lớn. Nồng độ sinh khối (giống như MLSS) khoảng 20 – 40 kg/m
3
trong thiết bò tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m
3
trong thiết bò lọc ngập nước, và 5 – 7
kg/m
3
trong thiết bò lọc nhỏ giọt. Mặc khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ít
bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn. Thương số của tổng
chất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hàng ngày (DS) cho ta thời gian lưu bùn (hay
tuổi bùn A
s
):
SΔ
S
s
A
=
;
Tuổi bùn A
s
cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý. Trong
trạng thái tónh, bùn dư trong hệ thống cân bằng với lượng bùn lấy ra khỏi hệ thống.
Trong hệ thống như vậy, sự thay đổi về số lượng của một loài vi sinh vật (n) trong
bùn sinh học được cho bởi phương trình:
n
s
A
1
μ
s
A
n
nμ
dt
dn








−=−=
;
Trong đó:
• m = tốc độ phát triển xác đònh của vi sinh vật.
• t = thời gian.
Từ phương trình trên cho thấy, nếu m < 1/A
s
, n sẽ giảm theo thời gian tới khi
loài đó biến mất. Nói cách khác, đối với những loài vi sinh vật với tốc độ phát triển
nhỏ, để có thể phát triển, tuổi bùn, hay thời gian lưu bùn A
s
phải đủ lớn. Những số
liệu về tốc độ phát triển của một số loài vi sinh vật được đưa ra trong bảng 3.2
26
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
Bảng 3.2 Tốc độ tăng trưởng của các loài vi sinh vật.
Vi sinh vật
Thông số tốc độ tăng trưởng Nhiệt độ
(
o
C)
Khối lượng
khô của tế
m (1/ngày) t
d
(giờ)
Vi khuẩn
Bacillus megatherium
Escherichia coli
Rhodopseudomonas spheroides
Nitrosomonas sp.
Staphylococus aureus
31.8
59.1
6.9
1.3
37.6
0.52
0.28
2.4
12.7
0.44
30
37
34
25
37
3,8.10
-9
4,0.10
-10
-
-
1,5.10
-10
Tảo
Anabaena cylindria
Microcystis aeruginosa
Navicula minima
Chlorella ellipsoidea Selenastrum
capriconnutum
0.66
0.64
0.97
2.5
1.9
25.0
25.9
17.1
6.7
8.7
25
25
25
25
25
-
-
-
-
1,9.10
-8
Fungi
Saccharomyces cerevisiae 8.3 2.0 30 7,1.10
-8
Protozoa
Vorticlla microstoma
Epistylis plicatilis
Colpidium campylun
Paramecium caudatum
Tetrahymena pyriformis
Colpoda steinii
Stentor coeruleus
Aspidisca costata
3.3
1.6
3.6
1.4
5.3
5.5
0.75
1.2
5.0
10.2
4.7
12.0
3.1
3.0
22.1
13.6
20
20
20
20
25
30
19
20
3,9.10
-6
-
1,6.10
-6
3,0.10
-4
1,4.10
-6
1,2.10
-6
5,0.10
-3
-
Metazoa.
Rotaria sp.
Plulodina sp.
Lacane sp.
Aeolosoma hemprichi
Nais sp.
Pristina sp.
0.28
0.23
0.31
0.35
0.12
0.12
59.1
72.0
54
47.3
138
138
20
20
20
20
20
20
-
1,8.10
-4
-
3,8.10
-4
6,6.10
-3
-
27
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
Dero sp 0.07 238 20 -
2.3.2.2. Sự tồn tại đồng thời của vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí trong màng vi
sinh vật:
Màng vi sinh vật luôn có loài kỵ khí, ít hay nhiều ngay cả trong quá trình hiếu
khí. Nhìn chung, như ta thấy trong hình 3.4, lớp ngoài của màng vi sinh là lớp hiếu
khí, và lớp trong là lớp kỵ khí Một trong những vai trò của lớp kỵ khí là hóa lỏng
những chất rắn do màng sinh ra, góp phần làm giảm lượng bùn dư.
Thêm vào đó, sự tồn tại đồng thời của lớp màng hiếu khí và kỵ khí có khả
năng loại bỏ nitơ trong nước thải, bởi vì đồng thời xảy ra quá trình nitrat hóa và khử
nitrat hóa. Lượng oxy hoà tan tối ưu trong nước thải sẽ cho sự loại bỏ nitơ tối đa.
Đó là lý do cần phải có sự sục khí thích hợp để có được sự loại bỏ nitơ lớn nhất.
28
Kỵ khí
N_NH
3
N_NO
3
Hiếu khí
Hình 3.5: Profile nồng độ N_NH
3
và N_NO
3
trong màng
(a) Màng rất
mỏng (chỉ có
lớp hiếu khí)
(b)màng dầy (có cả
lớp hiếu khí và kỵ
khí)
(c) màng rất dầy (nhưng
độ dày của lớp hiếu khí
vẫn bằng (b))
Hình 3.4: Màng kỵ khí và hiếu khí trong màng sinh học
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
3.3.3 Những đặc tính về sự loại bỏ cơ chất:
Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xa
với quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính. Sự khác biệt chủ yếu ở hai quan
điểm:
• Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi hai yếu tố, là
sự khuếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng. Quá trình khuếch tán sẽ là quá
trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới một giá trò đủ lớn. Quá trình khuếch
tán là một quá trình hóa lý, ít chòu bò ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt
động sinh học như sự trao đổi chất hay sự tiêu thụ cơ chất. Trong quá trình màng vi
sinh vật, do đó, sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt độ thường ít hơn
so với trong quá trình vi sinh vật lơ lửng, và khả năng xử lý là ổn đònh hơn.
• Quan điểm thứ hai quan tâm đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng,
cũng như vấn đề liên quan tới sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán.
Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễ
hoà trộn với vi sinh vật, và được tiêu thụ, trao đổi chất ngay lập tức. Trong quá
trình màng vi sinh vật, các chất rắn lơ lửng hầu như không thể xâm nhập vào trong
màng vì hệ số khuếch tán phân tử của cơ chất tỉ lệ với khối lượng phân tử của
chúng, hệ số khuếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử lên
tới hàng ngàn đơn vò C nhỏ hơn nhiều những hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ.
Các chất rắn này bò giữ lại trên bề mặt màng, và trước khi có thể xâm nhập vào
màng, quá trình thủy phân phải được diễn ra trước để bẻ gãy các phân tử lớn thành
các phân tử nhỏ hơn.
29
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
2.3.3. Một số đặc tính khác:
2.3.3.1. Vận hành hoạt động của thiết bò xử lý:
Ưu điểm quan trọng nhất của quá trình màng vi sinh vật so với quá trình vi
sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý. Trong việc vận hành
hệ thống bùn hoạt tính, có rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì như ổn
đònh nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bông bùn cho
những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dòng nước
xử lý, tuần hoàn bùn và loại bỏ bùn dư…. Đặc biệt, sự phát triển quá mức của vi
khuẩn filamentous như Sphaelotilus natans, beggiatoa… làm giảm khả năng lắng
của bùn và gây khó khăn cho quá trình vận hành hệ thống. Trái lại, trong quá trình
màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành như trên hầu như không cần phải quan
tâm tới. Trong khi bể lắng sau thiết bò xử lý bằng bùn hoạt tính còn có nhiệm vụ
duy trì nồng độ bùn trong bể bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bò màng vi sinh vât
chỉ có tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học, lớp màng bò bong ra trong nước thải ra
khỏi thiết bò xử lý, mà không có ảnh hưởng gì tới hoạt động của thiết bò màng vi
sinh vật. Lượng bùn dư nhỏ như đã đề cập tới ở những phần trên, do tác dụng của
chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh vật, có tác dụng làm giảm rắc rối
trong quá trình vận hành hệ thống, và còn làm cho hệ thống xử lý nhỏ hơn.
Tuy nhiên, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng
của công trình xử lý trong quá trình vận hành thấp. Thí dụ, đối trong công trình bùn
hoạt tính, nồng độ bùn trong công trình xử lý có thể được điều chỉnh thông qua
lượng bùn tuần hoàn từ bể lắng, thời gian lưu bùn có thể tăng lên trong quá trình
loại bỏ nitơ, và các điều kiện vận hành có thể được điều chỉnh thích hợp cho sự
phát triển của vi khuẩn nitơ. Thế như đối với quá trình màng vi sinh vật không thể
điều khiển chính xác sinh khối trong hệ thống, các chủng vi sinh vật bởi vì không
có một phương pháp hiệu quả nào được phát triển nhằm điều khiển quá trình này.
Và có thể nói rằng, những điều kiện để điều khiển vận hành hệ thống màng vi sinh
vật duy nhất chỉ là lượng nước đầu vào và cường độ sục khí.
2.3.3.2. Khởi động nhanh chóng:
30
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
Trong quá trình bùn hoạt tính, thời gian khởi động: khoảng thời gian cần thiết
để đạt được hiệu quả ổn đònh, cần tối thiểu là 1 tháng, và thông thường là 2 tháng.
So sánh với quá trình màng vi sinh vật, thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với
lọc sinh học ngập nước và thiết bò tiếp xúc quay, và cần một thời gian hơi dài hơn
đối với thiết bò lọc nhỏ giọt.
Nguyên nhân làm cho thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh vật ngắn
hơn là: hầu hết sinh khối sinh ra tích lũy lại mà không bò tiêu thụ sớm trong quá
trình khởi động, khi màng vi sinh vật còn mỏng. Cũng vì vậy mà việc khôi phục
vận hành cũng rất nhanh, ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bò suy giảm do một
lý do nào đó. Quá trình cũng chòu đựng được sự thay đổi lớn bất thường về tải trọng
hữu cơ.
2.3.3.3. Khả năng loại bỏ cơ chất phân hủy chậm:
Có thể giải thích trên hai quan điểm về khả năng loại bỏ những cơ chất phân
hủy chậm của quá trình màng vi sinh vật. Những cơ chất có chứa các loại hợp chất
hữu cơ như Polyvinyl Alcohol (PCA), Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS), lignin,
các hợp chất clo hữu cơ, …, hay các chất vô cơ như nitrat, các cyanid, …. Những hợp
chất này đều là các chất có thể phân hủy sinh học, tuy nhiên tốc độ phân hủy rất
chậm, và tốc độ tăng trưởng của các loại vi sinh vật sử dụng các hợp chất đó làm
cơ chất chính rất thấp. Thí dụ như tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitơ
Nitrosomonas chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của Escherichia coli. Như đã nói tới ở
phần trên, các loài vi sinh vật có tốc độ tăng trưởng nhỏ có khả năng phát triển
trong màng vi sinh vật. Vì vậy, đây là một nguyên nhân mà quá trình màng có khả
năng loại bỏ các loại cơ chất phân hủy chậm.
Nguyên nhân thứ hai liên quan đến tỉ lệ của bề dày màng hiệu quả với bề dày
tổng của màng. Nói chung, tốc độ tiêu thụ một cơ chất chậm liên quan so sánh với
sự vận chuyển bởi quá trình khuếch tán phân tử của nó, độ sâu nó có thể vào trong
màng vi sinh vật, tương ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả. Nói cách khác,
thậm chí nếu tốc độ tiêu thụ một cơ chất nhỏ thì lượng vi sinh cần thiết sẽ lớn tương
ứng, và ngược lại. Vì vậy, sự khác biệt về khả năng phân hủy sinh học sẽ không
ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tiêu thụ của màng vi sinh vật. Vì vậy, màng vi sinh
vật thích hợp để xử lý những loại nước thải có chứa những cơ chất phân hủy sinh
học chậm.
31

Xem chi tiết: cơ sở lý thuyết quá trình lọc sinh học