Kĩ thuật môi trường

ĐỀ TÀI : XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG Sinh viên thực hiện: 1. Lê Thành Công 2. Hoàng Thị Hồng Châm 3. Nguyễn Thị Duyên 4. Nguyễn Thị Hằng 5. Hoàng Văn Kính Lớp : Lọc hóa dầu A-K53 Trường : Đại học Mỏ-Địa Chất GVHD :TS.Phạm Xuân Núi Nội dung Tính cấp thiết xử lý nước thải Các tác nhân gây ô nhiễm nước Khái quát về chất hữu cơ trong nước thải Các phương pháp xử lý nước thải nói chung Các phương pháp xử lý chất hữu cơ trong nước thải Công nghệ màng xử lý chất hữu cơ trong nước thải Kết luận Tính cấp thiết xử lý nước thải: Thách thức về ô nhiễm hữu cơ trong nguồn nước ở Việt Nam Hiện nay, hơn 70% các nhà máy cấp nước ở Việt Nam sử dụng nước mặt là nguồn nước chính, phục vụ cho nhu cầu cấp nước sinh hoạt và sản xuất. Tuy nhiên, ở nhiều nơi, nguồn nước mặt lại là nơi tiếp nhận các loại chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp từ các khu đô thị, khu dân cư, nông thôn, các làng nghề sản xuất,... với nhiều loại chất ô nhiễm, kể cả các hợp chất hữu cơ phức tạp, đa dạng, có những dạng tồn tại khó xử lý, làm cho nước có màu sắc và mùi, vị khó chịu, nguy hiểm cho sức khoẻ con người. Một số nhà máy nước đã có những biện pháp cố gắng giảm thiểu sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ trong nước sau xử lý và đảm bảo độ an toàn cho nước sinh hoạt, tuy nhiên còn thiếu những sơ sở khoa học chắc chắn, hiệu quả xử lý phần lớn chưa cao, còn nhiều vấn đề khó khăn trong giải pháp bố trí công trình và trong quản lý vận hành. Oxy hóa sơ bộ nước thô bằng Clo để giảm hàm lượng chất hữu cơ trong nguồn nước là biện pháp đang được áp dụng phổ biến ở nhiều nhà máy nước tại Việt Nam do chi phí thấp, tận dụng được các công trình sẵn có. Tuy nhiên đây không phải là biện pháp hiệu quả cao để loại bỏ các hợp hất hữu cơ, bởi có rất nhiều hợp chất hữu cơ bền vững. Mặt khác, cũng như việc áp dụng phổ biến biện pháp khử trùng bằng Clo, các biện pháp này còn gây nguy hại đến sức khỏe con người, khi Clo dễ phản ứng với các chất hữu cơ trong nước tạo thành các phức chất nhóm Trihalomethanes (THMs), Haloacetic acids (HAAs), là những chất hữu cơ khó bị loại bỏ ra khỏi nước, có nguy cơ gây ung thư cho người sử dụng nước. Tìm ra biện pháp xử lý nước hiệu quả nhằm loại bỏ chất hữu cơ trong nước là một vấn đề rất cấp thiết, để đảm bảo chất lượng nước cấp, an toàn cho sức khoẻ và nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân. Tác nhân gây ô nhiễm Các nguồn gây ô nhiễm nước Các nguồn gây ô nhiễm nước chủ yếu xuất phát từ quá trình sinh hoạt và hoạt động sản xuất của con người tạo nên (công nghiệp, thủ công nghiệp, nông ngư nghiệp, giao thông thủy, dịch vụ…). Ô nhiễm nước do các yếu tố tự nhiên (núi lửa, xói mòn, bão, lụt,...) có thể rất nghiêm trọng, nhưng không thường xuyên, và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lượng nước toàn cầu. Các nguồn gây ô nhiễm nước thường gặp: Nước thải sinh hoạt (domestic wastewater): Là nước thải phát sinh từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, cơ quan trường học, chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt, vệ sinh của con người. Thành phần cơ bản của nước thải sinh hoạt: chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các chất như protein ( 40-50% ) ; hydrat cacbon ( 40-50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo; các chất béo (5-10%) còn lại là chất dinh dưỡng (photpho, nitơ), chất rắn và vi trùng. Tùy theo mức sống và lối sống mà lượng nước thải cũng như tải lượng các chất có trong nước thải của mỗi người trong một ngày là khác nhau. Nhìn chung mức sống càng cao thì lượng nước thải và tải lượng thải càng cao. Nước thải đô thị ( municipal wastewater) Là loại nước thải tạo thành do sự gộp chung nước thải sinh hoạt , nước thải vệ sinh và nước thải của các cơ sở thương mại. Nước thải đô thị được thu gom vào hệ thống cống thải thành phố , đô thị để xử lý chung. Thông thường ở các đô thị có hệ thống cống thải, khoảng 70 đến 90% tổng lượng nước sử dụng của đô thị sẽ trở thành nước thải đô thị và chảy vào đường cống. Thành phần cơ bản của nước thải đô thị cũng gần tương tự nước thải sinh hoạt. Nước thải công nghiệp (industrial wastewater): Là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải. / Khác với nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị, nước thải công nghiệp không có thành phần cơ bản giống nhau, mà phụ thuộc vào ngành sản xuất công nghiệp cụ thể. Ví dụ: nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm thường chứa lượng lớn các chất hữu cơ; nước thải của các xí nghiệp thuộc da ngoài các chất hữu cơ còn có các kim loại nặng, sulfua,... Người ta thường sử dụng đại lượng PE (population equivalent) để so sánh một cách tương đối mức độ gây ô nhiễm của nước thải công nghiệp với nước thải đô thị. Đại lượng này được xác định dựa vào lượng thải trung bình của một người trong một ngày đối với một tác nhân gây ô nhiễm xác định. Các tác nhân gây ô nhiễm chính thường được sử dụng để so sánh là COD (nhu cầu oxy hóa học), BOD5 (nhu cầu oxy sinh hóa), SS (chất rắn lơ lửng). Ví dụ: tính PE của nguồn nước thải có lưu lượng là 200 m3/ngày, nồng độ BOD5 của nước thải là 1200 mg/L. Lượng BOD5 trung bình do một người thải ra trong một ngày là 50 g/người.ngày. Như vậy, xét đối với thông số BOD5, nước thải của nguồn thải này tương đương với nước thải của một khu dân cư có 4800 người. / Nước chảy tràn (run-off, stormwater): Nước chảy tràn từ mặt đất do mưa, hoặc do thoát nước từ đồng ruộng là nguồn gây ô nhiễm nước sông, hồ. Nước chảy tràn qua đồng ruộng có thể cuốn theo chất rắn (rác), hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón. Nước chảy tràn qua khu dân cư, đường phố, cơ sở sản xuất công nghiệp, có thể làm ô nhiễm nguồn nước do chất rắn, dầu mỡ, hóa chất, vi trùng. Nước sông bị ô nhiễm do các yếu tố tự nhiên: Nước sông vùng ven biển và có thể ở các vùng khác sâu hơn trong nội địa cũng có thể bị nhiễm mặn. Nước sông bị nhiễm mặn theo các kênh rạch đưa nước mặn vào các hồ chứa... gây nhiễm mặn các vùng xa bờ biển. Nước sông, kênh rạch bị nhiễm phèn có thể chuyển axit, sắt, nhôm... đến các vùng khác gây suy giảm chất lượng nước vùng bị tác động. Ví dụ: sông Sài Gòn đoạn ở Củ Chi, Hóc Môn bị axit hóa chủ yếu do nước phèn từ đồng bằng sông Cửu Long và phía Tây thành phố Hồ Chí Minh chuyển đến. Vùng hạ lưu của sông (từ Nhà Bè đến vịnh Ghềnh Rái) bị nhiễm mặn do nước biển. Hoạt động của con người cũng góp phần gia tăng mức độ ô nhiễm do các yếu tố tự nhiên. Ví dụ: việc cải tạo khu vực Đồng Tháp Mười bằng các biện pháp đào kênh, mương, chuyển vùng đồng cỏ hoang thành vùng trồng lúa, chính là nguyên nhân gây gia tăng mức độ axit hóa của các sông Vàm Cỏ và Sài Gòn. Người ta thường chia các nguồn gây ô nhiễm nước thành hai loại là nguồn điểm và nguồn không điểm: + Nguồn không điểm (non−point source): là nguồn gây ô nhiễm không xác định được cụ thể vị trí, lưu lượng, ví dụ nước chảy tràn ở khu đô thị, nông thôn, nước mưa bị ô nhiễm,... + Nguồn điểm (point source): là nguồn gây ô nhiễm có thể xác định được vị trí, lưu lượng cụ thể, ví dụ cống thải nước thải đô thị vào sông, hồ, cống thải nhà máy,... Các tác nhân gây ô nhiễm nước Hiện tượng tự nhiên (núi lửa, lũ lụt, xâm nhập mặn, phong hóa...) có thể là nguyên nhân gây ô nhiễm các nguồn nước, nhưng hoạt động của con người là nguyên nhân phổ biến và quan trọng nhất. Các hoạt động sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, khai khoáng, xây dựng các công trình... của con người đã đưa ngày càng nhiều các chất thải vào các nguồn nước, gây suy giảm rõ rệt chất lượng nước tự nhiên ở tất cả các quốc gia trên thế giới. Có nhiều loại tác nhân khác nhau gây ô nhiễm nước, để tiện cho việc quan trắc và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước, có thể phân chúng thành 10 nhóm cơ bản : 2.1. Các ion vô cơ hòa tan Nhiều ion vô cơ có nồng độ rất cao trong nước tự nhiên, đặc biệt là trong nước biển. Trong nước thải đô thị luôn chứa một lượng lớn các ion Cl−,SO42−, PO43−, Na+, K+. Trong nước thải công nghiệp, ngoài các ion kể trên còn có thể có các chất vô cơ có độc tính rất cao như các hợp chất của Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr, F... • Các chất dinh dưỡng (N, P) Muối của nitơ và photpho là các chất dinh dưỡng đối với thực vật, ở nồng độ thích hợp chúng tạo điều kiện cho cây cỏ, rong tảo phát triển. Amoni, nitrat, photphat là các chất dinh dưỡng thường có mặt trong các nguồn nước tự nhiên, hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người đã làm gia tăng nồng độ các ion này trong nước tự nhiên. Amoni và amoniac (NH4+, NH3): nước mặt thường chỉ chứa một lượng nhỏ (dưới 0,05 mg/L) ion amoni (trong nước có môi trường axít) hoặc amoniac (trong nước có môi trường kiềm). Nồng độ amoni trong nước ngầm thường cao hơn nhiều so với nước mặt. Nồng độ amoni trong nước thải đô thị hoặc nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm thường rất cao, có lúc lên đến 100 mg/L. Tiêu chuẩn Môi trường Việt Nam về nước mặt (TCVN 5942−1995) quy định nồng độ tối đa của amoni (hoặc amoniac) trong nguồn nước dùng vào mục đích sinh hoạt là 0,05 mg/L (tính theo N) hoặc 1,0 mg/L cho các mục đích sử dụng khác. Nitrat (NO3−): là sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy các chất chứa nitơ có trong chất thải của người và động vật. Trong nước tự nhiên nồng độ nitrat thường nhỏ hơn 5 mg/L. Do các chất thải công nghiệp, nước chảy tràn chứa phân bón từ các khu nông nghiệp, nồng độ của nitrat trong các nguồn nước có thể tăng cao, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản. Trẻ em uống nước chứa nhiều nitrat có thể bị mắc hội chứng methemoglobin (hội chứng “trẻ xanh xao”). TCVN 5942−1995 quy định nồng độ tối đa của nitrat trong nguồn nước mặt dùng vào mục đích sinh hoạt là 10 mg/L (tính theo N) hoặc 15 mg/L cho các mục đích sử dụng khác. Photphat (PO43-): cũng như nitrat, photphat là chất dinh dưỡng cần cho sự phát triển của thực vật thủy sinh. Nồng độ photphat trong các nguồn nước không ô nhiễm thường nhỏ hơn 0,01 mg/L. Nước sông bị ô nhiễm do nước thải đô thị, nước thải công nghiệp hoặc nước chảy tràn từ đồng ruộng chứa nhiều loại phân bón, có thể có nồng độ photphat đến 0,5 mg/L. Photphat không thuộc loại hóa chất độc hại đối với con người, nhiều tiêu chuẩn chất lượng nước không quy định nồng độ tối đa cho photphat. Mặc dù không độc hại đối với người, song khi có mặt trong nước ở nồng độ tương đối lớn, cùng với nitơ, photphat sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng(eutrophication, còn được gọi là phì dưỡng). Theo nhiều tác giả, khi hàm lượng photphat trong nước đạt đến mức ≥ 0,01 mg/L (tính theo P) và tỷ lệ P:N:C vượt quá 1:16:100, thì sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng nguồn nước. Từ eutrophication bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “được nuôi dưỡng tốt”. Phú dưỡng chỉ tình trạng của một vực nước đang có sự phát triển mạnh của tảo. Mặc dầu tảo phát triển mạnh trong điều kiện phú dưỡng có thể hỗ trợ cho chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái nước, nhưng sự bùng nổ của tảo sẽ gây ra những hậu quả làm suy giảm mạnh chất lượng nước. Hiện tượng phú dưỡng thường xảy ra với các hồ, hoặc các vùng nước ít lưu thông trao đổi. Khi mới hình thành, các hồ đều ở tình trạng nghèo chất dinh dưỡng (oligotrophic) nước hồ thường khá trong. Sau một thời ian, do sự xâm nhập của các chất dinh dưỡng từ nước chảy tràn, sự phát triển và phân hủy của sinh vật thủy sinh, hồ bắt đầu tích tụ một lượng lớn các chất hữu cơ. Lúc đó bắt đầu xảy ra hiện tượng phú dưỡng với sự phát triển bùng nổ của tảo, nước hồ trở nên có màu xanh, một lượng lớn bùn lắng được tạo thành do xác của tảo chết. Dần dần, hồ sẽ trở thành vùng đầm lầy và cuối cùng là vùng đất khô, cuộc sống của động vật thủy sinh trong hồ bị ngừng trệ. Sulfat (SO42-) Các nguồn nước tự nhiên, đặc biệt nước biển và nước phèn, thường có nồng độ sulfat cao. Sulfat trong nước có thể bị vi sinh vật chuyển hóa tạo ra sulfit và axit sulfuric có thể gây ăn mòn đường ống và bê tông. Ở nồng độ cao, sulfat có thể gây hại cho cây trồng. Clorua (Cl-) Là một trong các ion quan trọng trong nước và nước thải. Clorua kết hợp với các ion khác như natri, kali gây ra vị cho nước. Nguồn nước có nồng độ clorua cao có khả năng ăn mòn kim loại, gây hại cho cây trồng, giảm tuổi thọ của các công trình bằng bê tông,... Nhìn chung clorua không gây hại cho sức khỏe con người, nhưng clorua có thể gây ra vị mặn của nước do đó ít nhiều ảnh hưởng đến mục đích ăn uống và sinh hoạt. Các kim loại nặng Pb, Hg, Cr, Cd, As, Mn,...thường có trong nước thải công nghiệp. Hầu hết các kim loại nặng đều có độc tính cao đối với con người và các động vật khác. Các chất hữu cơ: Dựa vào khả năng có thể bị phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật, các chất hữu cơ có trong nước thường được chia thành hai loại: • Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (các chất tiêu thụ oxy) Cacbonhydrat, protein, chất béo...thường có mặt trong nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm là các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học. Trong nước thải sinh hoạt, có khoảng 60 − 80% lượng chất hữu cơ thuộc loại dễ bị phân hủy sinh học. Có thể biểu diễn quá trình phân hủy các chất hữu cơ loại này trong sơ đồ sau: Phân hủy hiếu khí: / Vi sinh vật lấy oxy trong nước để phân hủy chất hữu cơ làm suy giảm oxy trong nước. Phân hủy kỵ khí: / Chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học thường ảnh hưởng có hại đến các nguồn lợi thủy sản, vì khi bị phân hủy các chất này sẽ làm giảm oxy hòa tan trong nước, dẫn đến chết tôm cá. • Các chất hữu cơ bền vững: Các chất hữu cơ có độc tính cao thường là các chất bền vững, khó bị vi sinh vật phân hủy trong môi trường. Một số chất hữu cơ có khả năng tồn lưu lâu dài trong môi trường và tích lũy sinh học trong cơ thể sinh vật. Do có khả năng tích lũy sinh học, nên chúng có thể thâm nhập vào chuỗi thức ăn và từ đó đi vào cơ thể con người. Các chất polychlorophenol (PCPs), polychlorobiphenyl (PCBs: polychlorinated biphenyls), các hydrocacbon đa vòng ngưng tụ (PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons), các hợp chất dị vòng N, hoặc O là các hợp chất hữu cơ bền vững. Các chất này thường có trong nước thải công nghiệp, nước chảy tràn từ đồng ruộng (có chứa nhiều thuốc trừ sâu, diệt cỏ, kích thích sinh trưởng...). Các hợp chất này thường là các tác nhân gây ô nhiễm nguy hiểm, ngay cả khi có mặt với nồng độ rất nhỏ trong môi trường. Nhóm hợp chất phenol : Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải của một số ngành công nghiệp (lọc hóa dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm,...). Các hợp chất loại này làm cho nước có mùi, gây tác hại cho hệ sinh thái nước, sức khỏe con người, một số dẫn xuất phenol có khả năng gây ung thư (carcinogens). TCVN 5942−1995 quy định nồng độ tối đa của các hợp chất phenol trong nước bề mặt dùng cho sinh hoạt là 0,001 mg/L. Nhóm hóa chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) hữu cơ: Hiện nay có hàng trăm, thậm chí hàng ngàn các loại HCBVTV đang được sản xuất và sử dụng để diệt sâu, côn trùng, nấm, diệt cỏ. Trong số đó, phần lớn là các hợp chất hữu cơ, chúng được chia thành các nhóm: + Photpho hữu cơ (malathion, metyl parathion,...) + Clo hữu cơ (lindane, aldrin, dieldrin, DDT, 2,4-D, 2,4,5-T,...) + Cacbamat (carbaryl, cacbofuran...) + Phenoxyaxetic (2,4-D, 2,4,5-T,...) + Pyrethroid tổng hợp (allethrin, fenvalerate,…) Hầu hết các chất này có độc tính cao đối với con người và động vật. Nhiều chất trong số đó, đặt biệt là các clo hữu cơ, bị phân hủy rất chậm trong môi trường, có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh vật và con người. Nhiều trong số các HCBVTV là tác nhân gây ung thư. TCVN 5942−1995 quy định nồng độ tối đa cho phép của tổng các HCBVTV trong nước bề mặt là 0,15 mg/L, riêng với DDT là 0,01 mg/L. Nhóm hợp chất dioxin (Dioxins): Dioxin là hai nhóm hợp chất tạp chất sinh ra trong quá trình sản xuất các hợp chất hữu cơ clo hóa. Dioxin cũng được tạo thành khi đốt cháy các hợp chất clo hóa ở nhiệt độ thấp (dưới 1000°C). Hai nhóm hợp chất này là polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) (Hình 3.10a) và polychlorinated dibenzofurans (PCDFs) (Hình 3.10b). Nhóm PCDD có 75 chất, trong đó có một hợp chất được gọi là dioxin, đó là hợp chất 2,3,7,8−tetrachlorodibenz−p−dioxin (2,3,7,8−TCDD) (Hình 3.10c). Nhóm PCDF có 135 chất. Độc tính của các hợp chất dioxin rất khác nhau. Độc nhất trong các hợp chất loại này là hợp chất có tên gọi là dioxin đã nêu trên. Các chất ít độc nhất là các chất chỉ có chứa một đến ba nguyên tử clo thay thế. Tuy đã có các bằng chứng cho thấy dioxin là tác nhân gây ung thư cho động vật, nhưng các bằng chứng đối với người lại chưa chắc chắn. Vào năm 1976, một nhà máy hóa chất tại Seveso, Ý bị phát nổ làm ô nhiễm dioxin một khu vực rộng gần 8 km2. Nhiều loại động vật đã chết trong sự cố này, nhưng 36.000 người dân trong khu vực lại sống sót, 193 người bị nhiễm độc nặng và mắc hội chứng chloracne (một chứng bệnh rối loạn da). Nhưng cuối cùng sau 10 năm, chỉ còn một trường hợp không chữa trị khỏi chứng chloracne. / Hình 3.10. Công thức cấu tạo của các nhóm dioxin và chất dioxin(TCDD) Nhóm hợp chất polychlorinated biphenyl (PCBs): PCB là nhóm hợp chất có từ 1 đến 10 nguyên tử clo gắn vào các vị trí khác nhau của phân tử biphenyl. Có thể có đến 209 hợp chất thuộc loại này. Công nghiệp thường sản xuất được các hỗn hợp chứa nhiều loại PCB khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện, trong đó thông thường có một ít tạp chất dioxin. PCBs bền hóa học và cách điện tốt, nên được dùng làm dầu biến thế và tụ điện, ngoài ra chúng còn được dùng làm dầu bôi trơn, dầu thủy lực, tác nhân truyền nhiệt... / Đến khoảng thập niên 1960, người ta đã phát hiện ra nguy cơ ô nhiễm PCBs từ các ngành công nghiệp. PCBs lúc đó đã có mặt gần như khắp nơi, đặc biệt là nguy cơ tích lũy PCB trong mô mỡ động vật. Trong mô mỡ của nhiều loại động vật có vú ở biển có chứa nồng độ PCBs lớn gấp mười triệu lần nồng độ PCBs trong nước. Những năm cuối thập niên 1970, việc sản xuất PCBs bắt đầu bị đình chỉ ở hầu hết các nước. PCBs có thể làm giảm khả năng sinh sản, giảm khả năng học tập của trẻ em; chúng cũng có thể là các tác nhân gây ung thư. Tuy vậy, cũng như các dioxin, bằng chứng về tác hại của PCBs cũng chưa rõ ràng lắm, do nồng độ của chúng trong môi trường thường rất nhỏ và tác hại lại có xu hướng diễn ra sau một thời gian đủ dài. Nhóm hợp chất hydrocacbon đa vòng ngưng tụ (polynuclear aromatic hydrocarbon,PAHs) Các hợp chất PAH thường chứa hai hay nhiều vòng thơm. PAH là sản phẩm phụ của các quá trình cháy không hoàn toàn như: cháy rừng, cháy thảo nguyên, núi lửa phun trào (quá trình tự nhiên); động cơ xe máy, lò nung than cốc, sản xuất nhựa asphalt, sản xuất thuốc lá,nướng thịt,... (quá trình nhân tạo). / Các PAH thường gây hại khi tiếp xúc với liều lượng nhỏ trong một thời gian dài, nhưng lại không gây hại đáng kể nếu chỉ dùng một liều lượng lớn trong một lần. Trong số các hợp chất PAH, có 8 hợp chất được xem là các tác nhân gây ung thư. Thông thường, thực phẩm hằng ngày là nguồn đưa PAHs chính vào cơ thể người (95%), thuốc lá, rau không rửa sạch, ngũ cốc chưa được tinh chế, thịt cá xông khói là các nguồn đưa một lượng đáng kể PAHs vào cơ thể. Dầu mỡ: Dầu mỡ là chất khó tan trong nước nhưng tan được trong các dung môi hữu cơ. Dầu mỡ có thành phần hóa học rất phức tạp. Dầu thô có chứa hàng ngàn phân tử khác nhau, nhưng phần lớn là các hydrocacbon có số cacbon từ 4 đến 26. Trong dầu thô còn có các hợp chất lưu huỳnh, nitơ, kim loại. Các loại dầu nhiên liệu sau tinh chế (dầu DO, FO) và một số sản phẩm dầu mỡ khác còn chứa các chất độc như PAHs, PCBs,... Do đó, dầu mỡ thường có độc tính cao và tương đối bền trong môi trường nước. Độc tính và tác động của dầu mỡ đến hệ sinh thái nước không giống nhau mà phụ thuộc vào loại dầu mỡ. Hầu hết các loại động thực vật đều bị tác hại của dầu mỡ. Các loại động thực vật thủy sinh dễ bị chết do dầu mỡ ngăn cản quá trình hô hấp, quang hợp và cung cấp năng lượng. Tuy nhiên, một số loại tảo lại kém nhạy cảm với dầu mỡ, do đó trong điều kiện ô nhiễm dầu mỡ, nhiều loại tảo lại phát triển mạnh. Giao thông thủy, khai thác và đặc biệt việc vận chuyển dầu thô là nguồn gây ô nhiễm dầu mỡ chủ yếu đối với môi trường nước. Các chất có màu: Nước nguyên chất không có màu, nhưng nước trong tự nhiên thường có màu do các chất có mặt trong nước như: + Các chất hữu cơ do xác thực vật bị phân hủy (các hợp chất humic), + Sắt và mangan dạng keo hoặc dạng hòa tan, + Các chất thải công nghiệp (phẩm màu, crôm, tanin, lignin,...), Màu thực của nước tạo ra do các chất hòa tan hoặc chất keo có trong nước. Màu biểukiến của nước (apparent color) do các chất rắn lơ lửng trong nước gây ra. Ngoài các tác hại có thể có của các chất gây màu trong nước, nước có màu còn được xem là không đạt tiêu chuẩn cảm quan, gây trở ngại cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Các chất gây mùi vị: Nhiều chất có thể gây mùi vị cho nước. Trong đó, nhiều chất có hại cho sức khỏe con người cũng như gây các tác hại khác đến động thực vật và hệ sinh thái nước như: + Các chất hữu cơ từ nước thải đô thị, nước thải công nghiệp, + Các sản phẩm của quá trình phân hủy xác động thực vật, + Dầu mỡ và các sản phẩm dầu mỏ,... Cũng như các chất gây màu, các chất gây mùi vị có thể gây hại cho đời sống động thực vật và làm giảm chất lượng nước về mặt cảm quan. Tuy nhiên, một số chất khoáng có mặt trong nước tạo ra vị nước tự nhiên, không thể thiếu được trong nước uống sạch, do chúng là nguồn cung cấp các chất vi lượng cần thiết cho cơ thể con người. Khi hàm lượng các chất khoáng này thấp hoặc không có, nước uống sẽ trở nên rất nhạt nhẽo. Các vi sinh vật gây bệnh (pathogens): Nhiều vi sinh vật gây bệnh có mặt trong nước ảnh hưởng xấu đến mục đích sử dụng nước trong sinh hoạt. Các sinh vật này có thể truyền hoặc gây bệnh cho người. Vi sinh vật gây bệnh vốn không tự phát sinh trong nước, chúng cần có vật chủ để sống ký sinh, phát triển và sinh sản. Một số sinh vật gây bệnh có thể sống một thời gian khá dài trong nước và là nguy cơ truyền bệnh tiềm tàng. Các sinh vật này là vi khuẩn, vi rút, động vật đơn bào, giun sán. • Vi khuẩn Vi khuẩn là các vi sinh vật đơn bào, có cấu tạo tế bào, nhưng chưa có cấu trúc nhân phức tạp, thuộc nhóm prokaryotes và thường không màu. Vi khuẩn là dạng sống thấp nhất có khả năng tự tổng hợp nguyên sinh chất từ môi trường xung quanh. Các loại vi khuẩn gây bệnh có trong nước thường gây các bệnh về đường ruột, như dịch tả (cholera, do vi khuẩn Vibrio comma), bệnh thương hàn (typhoid, do vi khuẩn Salmonella typhosa),... • Vi rút Vi rút là nhóm vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước rất bé, có thể đi qua được màng lọc vi khuẩn. Cho đến nay, vi rút là cấu trúc sinh học nhỏ nhất được biết đến, chỉ có thể thấy được vi rút qua kính hiển vi điện tử. Vi rút có mang đầy đủ thông tin về gien cần thiết giúp cho quá trình sinh sản và là những vật ký sinh cần phải sống bám vào tế bào sinh vật chủ (từ vi khuẩn đến tế bào động vật, thực vật) . Vi rút có trong nước có thể gây các bệnh có liên quan đến chứng rối loạn hệ thần kinh trung ương, viêm tủy xám, viêm gan,... Thông thường khử trùng bằng các quá trình khác nhau trong giai đoạn xử lý nước có thể diệt được vi rút. Nhưng hiệu quả cụ thể của quá trình khử trùng chưa được đánh giá đúng mức đối với vi rút, do kích thước vi rút quá nhỏ và chưa có phương pháp kiểm tra nhanh để phân tích. • Động vật đơn bào (protozoa) Động vật đơn bào là dạng động vật sống nhỏ nhất, cơ thể có cấu tạo đơn bào nhưng có chức năng hoạt động phức tạp hơn vi khuẩn và vi rút. Động vật đơn bào có thể sống độc lập hoặc ký sinh, có thể thuộc loại gây bệnh hoặc không, có loại có kích thước rất nhỏ, nhưng cũng có loại kích thước lớn có thể nhìn thấy được. Các loại động vật đơn bào dễ dàng thích nghi với điều kiện bên ngoài, nên chúng tồn tại rất phổ biến trong nước tự nhiên, nhưng chỉ có một số ít thuộc loại sinh vật gây bệnh. Trong điều kiện môi trường không thuận lợi, các loại động vật đơn bào thường tạo lớp vỏ kén bao bọc (cyst), rất khó tiêu diệt trong quá trình khử trùng. Vì vậy, thông thường trong quá trình xử lý nước sinh hoạt cần có công đoạn lọc để loại bỏ các động vật đơn bào ở dạng vỏ kén này. • Giun sán (helminths) Giun sán là loại sinh vật ký sinh có vòng đời gắn liền với hai hay nhiều động vật chủ, con người có thể là một trong số các vật chủ này. Phân người và động vật là nguồn đưa giun sán vào nước. Nước là môi trường vận chuyển giun sán quan trọng. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nước hiện nay có thể tiêu diệt giun sán rất hiệu quả. Người thường sử dụng hoặc tiếp xúc với các loại nước chưa xử lý có thể có nguy cơ nhiễm giun sán. Các sinh vật chỉ thị cho sinh vật gây bệnh Việc phân tích nước để phát hiện toàn bộ các sinh vật gây bệnh thường rất mất thời gian và công sức. Thông thường, người ta chỉ thực hiện một phép kiểm nghiệm cụ thể nào đó để xác định sự có mặt của một sinh vật gây bệnh xác định, khi có lý do để nghi ngờ về sự có mặt của chúng trong nguồn nước. Khi cần kiểm tra thường kỳ chất lượng nước, người ta sử dụng các sinh vật chỉ thị. Các sinh vật chỉ thị là các sinh vật mà sự hiện diện của chúng biểu thị cho thấy nước đang bị ô nhiễm các sinh vật gây bệnh, đồng thời phản ảnh sơ bộ bản chất và mức độ ô nhiễm. Một sinh vật chỉ thị lý tưởng phải thỏa mãn các điểm sau: (1) có thể sử dụng cho tất cả các loại nước, (2) luôn luôn có mặt khi có mặt sinh vật gây bệnh, (3) luôn luôn không có mặt khi không có mặt sinh vật gây bệnh, (4) có thể xác định được dễ dàng thông qua các phép kiểm nghiệm, không bị ảnh hưởng cản trở do sự có mặt của các sinh vật khác trong nước, (5) không phải là sinh vật gây bệnh, do đó không có hại cho kiểm nghiệm viên. Trong thực tế, hầu như không thể tìm được sinh vật chỉ thị nào hội đủ các điều kiện nêu trên. Hầu hết các sinh vật gây bệnh có trong mặt nước thường xuất phát từ nguồn gốc phân người và động vật. Do đó, bất kỳ sinh vật nào có mặt trong đường ruột của người và động vật và thỏa mãn các điều kiện nêu trên đều có thể dùng làm sinh vật chỉ thị. Tổng coliforms (total coliforms), fecal coliforms, fecal streptococci, và clostridium perfringens, thường là các sinh vật chỉ thị được dùng để phát hiện sự ô nhiễm phân của nước. Trong số đó, nhóm tổng coliform (total coliform group) bao gồm Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, Citrobacter fruendii,... thường được sử dụng nhất. Total coliforms thường được dùng để đánh giá khả năng bị ô nhiễm phân của nước uống. Fecal coliforms được dùng để đánh giá các loại nước sông, suối bị ô nhiễm, nước cống, nước hồ bơi,... Ở các nước vùng ôn đới Escherichia coli (E. coli) là loại chiếm ưu thế trong đường ruột người, trong lúc đó ở các nước vùng nhiệt đới E. coli không phải là loại vi khuẩn chủ yếu trong ruột người. Vì vậy, total coliform là test thường được dùng để phát hiện khả năng ô nhiễm phân các nguồn nước ở vùng nhiệt đới. Fecal streptococci, cũng là loại vi khuẩn đường ruột, nhưng có nhiều trong động vật hơn ở người. Do đó, tỷ số của Fecal coliforms và Fecal streptococci (FC/FS) có thể cho biết nước đang bị ô nhiễm phân người hay phân động vật. Khi tỷ số này lớn hơn hoặc bằng 4,0, nước được xem là bị ô nhiễm phân người. Khi tỷ số này nhỏ hơn 0,7, thì nước được xem là bị ô nhiễm phân động vật. Sinh vật (vi khuẩn) chỉ thị thường được xác định bằng 2 phương pháp: + Phương pháp lọc màng (membrane filter, hay còn gọi là phương pháp MF, kết quả biểu diễn bằng số vi khuẩn/100 mL), + Phương pháp MPN (Most Probable Number, hay còn gọi là phương pháp lên men ống nghiệm, kết quả biểu diễn bằng số MPN/100 mL). Khái quát về chất hữu cơ trong nước thải: / Trong nước thiên nhiên và nước thải tồn tại nhiều tạp chất hữu cơ nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo: protein, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các loại phụ gia thực phẩm,....chất thải của người và động vật,.... Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan,bay hơi, không bay hơi, dễ phân hủy, khó không hủy,...Phần lớn các chất hữu cơ trong nước đóng vai trò là cơ chất đối với vi sinh vật. Nó tham gia vào quá trình dinh dưỡng và tạo năng lượng cho vi sinh vật. Xác định riêng rẽ từng loại chất hữu cơ là rất khó và tón kém, vì vậy người ta thường xác định tổng các chất hữu cơ. Các thông số thường được chọn là: TOC, DOC, COD; BO Trong nước thải đô thị và một số loại nước thải công nghiệp, các chất hữu cơ chủ yếu là cacbon hydrat (CHO) Việc xác định riêng biệt các thành phần hữu cơ riêng biệt là khó khăn, người ta thường xác định tổng các chất hữu cơ thông qua chỉ tiêu COD, BOD. Thường giá trị COD nhỏ hơn nhiều giá trị BOD do không phải bất kỳ chất nào oxy hóa cũng chuyển thành CO2. Nhu cầu oxy hóa sinh hóa BOD là lượng oxy yêu cầu để vi khuẩn oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước thải. Trong thời gian 5 ngày đầu với 20oC các vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy để oxy hóa các chất hữu cơ CBOD, sau đó trong điều kiện dư oxy các loại vi khuẩn nitrit, nitrat bắt đầu hoạt động để oxy hóa các hợp phần nitơ thành nitrit và nitrat NBOD. Giữa đại lượng COD, BOD có mối quan hệ với nhau và liên hệ theo một tỉ lệ phụ thuộc vào loại nước thải, nước nguồn và cả trong quá trình xử lý. VI.Các phương pháp xử lý nước thải nói chung: Xử lý nước thải là một quá trình bao gồm việc kết hợp một hoặc nhiều phương pháp vật lý , hóa học , sinh học hoặc hỗn hợp để tách / phân hủy chất ô nhiễm trong nước thải. / Phương pháp hóa học : Là phương pháp dùng các chất hóa học để chuyển đổi các tính chất của các chất ô nhiễm thành các chất dễ loại bỏ và tách ra khỏi nước. Phương pháp này thường có chi phí vận hành cao, hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi nước lớn. Trong phương pháp này các hóa chất ( dạng khí, lỏng hoặc rắn ) được bổ sung trực tiếp vào nước thải. Ta có 4 phương pháp cơ lý − hóa học thường được dùng để xử lý nước thải: Phương pháp lắng và keo tụ Phương pháp hấp phụ Phương pháp trung hòa Phương pháp dùng chất oxy hóa Phương pháp sinh học : Là phương pháp ứng dụng vi sinh vật tham gia vào quá trình làm sạch nước thải chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy. Là một cơ thể sống, nên các vi sinh vật này đòi hỏi phải được cung cấp đầy đủ dưỡng chất cũng như môi trường sống tốt nhất ( không có chất độc ). Chất thải ( các chất hữu cơ) được tách ra khỏi nước bằng các phản ứng enzyme trong tế bào vi sinh vật. Phương pháp này về cơ bản chia làm 2 loại như sau: Phương pháp xử lý kỵ khí : Phương pháp xử lý hiếu khí: Phương pháp xử lý kỵ khí: Sử dụng vi sinh vật kỵ khí , thường được áp dụng đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao. Hoạt động trong môi trường không có oxy. Trong quá trình xử lý kỵ khí, hai nhóm vi khuẩn kỵ khí dị dưỡng tham gia vào 2 giai đoạn phân hủy để phân hủy trên 90% chất hữu cơ trong nước thải thành các sản phẩm trung gian (thường là các axít hữu cơ và rượu), sau đó thành mêtan và cacbonic. / So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có các ưu điểm sau: + Tạo ra sản phẩm mêtan, có thể dùng làm nhiên liệu + Tạo ra ít bùn thải (chỉ bằng 10% so với xử lý hiếu khí). Phương pháp xử lý hiếu khí : Sử dụng vi sinh vật hiếu khí, thường được áp dụng đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan thấp. Hoạt động trong môi trường cấp oxy liên tục. Trong quá trình xử lý hiếu khí, các vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng (lấy cacbon từ các hợp chất hữu cơ) oxy hóa khoảng 1/3 các hợp chất hữu cơ tan hoặc dạng keo trong nước thành các sản phẩm cuối đơn giản (CO2 + H2O) và chuyển hóa 2/3 lượng chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi sinh vật mới, phần này có thể loại bỏ ra khỏi nước thải bằng cách lắng. Quá trình này có thể biểu diễn bằng các phương trình phản ứng sau : / Trong điều kiện hiếu khí, vi khuẩn tự dưỡng (lấy cacbon từ các hợp chất vô cơ) có thể chuyển các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ thành nitrat qua các phản ứng sau: / Nitrat tạo thành không thể chuyển hóa thành dạng khác, trừ khi môi trường chuyển sang điều kiện kỵ khí (chỉ có oxy liên kết trong hệ), lúc này vi khuẩn dị dưỡng sẽ chuyển NO3− tạo thành N2: / Cũng trong điều kiện kỵ khí, SO42− bị khử thành khí H2S có mùi thối: / / Phương pháp xử lý cặn : Là xử lý các chất thải tạo thành trong quá trình xử lý cơ học, hóa học, sinh học ( bể metan. Sân phơi bùn , trạm xử lý cơ học bùn cặn…) Phương pháp khử trùng : Khử trùng trước khi xả ra nguồn ( trạm trộn Clor, máng trộn , bể tiếp xúc V. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ trong nước thải: Trên thế giới, có nhiều giải pháp xử lý chất hữu cơ trong nguồn nước như: keo tụ tăng cường, tuyển nổi, lọc tăng cường, lọc màng, ozon hóa, brom hóa, vv... Phổ biến nhất vẫn là công nghệ hấp phụ bằng than hoạt tính, hay, gần đây, là hấp phụ tăng cường bằng than hoạt tính kết hợp với ozon hóa trước đó (quá trình hấp phụ + lọc sinh học BAC). Trong điều kiện Việt Nam, hầu hết các nhà máy nước với nguồn nước mặt áp dụng công nghệ xử lý truyền thống: keo tụ - lắng - lọc - khử trùng. Để tránh việc đầu tư xây mới một nhà máy nước với công nghệ hiện đại, giải pháp cải tạo, nâng cao chất lượng xử lý của các nhà máy nước, sử dụng chất hấp phụ là than hoạt tính trên cơ sở dây chuyền công nghệ và các công trình xử lý nước hiện có là một hướng đi khả thi. Than hoạt tính là chất hấp phụ phổ biến, đã được áp dụng lâu đời trong xử lý nước để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ tự nhiên (NOMs), các chất ô nhiễm vô cơ, các chất hữu cơ tổng hợp khó phân hủy như phenols, thuốc trừ sâu, chất tẩy rửa,... Than hoạt tính được chế tạo từ nhiều nguồn vật liệu như gỗ, gáo dừa, nhựa than đá, ... Những nguyên liệu này được hóa than từ từ ở nhiệt độ cao trong chân không, sau đó được hoạt hóa ở nhiệt độ 700-1200oC (tùy thuộc vào vật liệu) trong điều kiện không có oxy. Quá trình này tạo nên loại vật liệu hấp phụ xốp, với rất nhiều lỗ, hang nhỏ li ti, bề mặt gồ ghề, với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, có tác dụng hấp phụ và giữ các tạp chất trong nước. Than hoạt tính lọc nước nhờ hai cơ chế chính: (1) lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn trong những lỗ rỗng nhỏ; (2) hấp phụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp phụ bề mặt hoặc trao đổi ion. Sau một thời gian sử dụng (thời gian này tùy thuộc vào loại và lượng chất ô nhiễm), than hoạt tính được hoàn nguyên bằng nhiệt hay hóa chất (quá trình oxy hóa hay điện hóa). Than hoạt tính xử lý nước gồm hai dạng chính: than hoạt tính dạng bột (PAC) và than hoạt tính dạng hạt (GAC): + Than hoạt tính dạng bột (PAC) được đưa vào nước trong quá trình keo tụ - lắng. Trong quá trình keo tụ, thường kết hợp với hóa chất keo tụ (phèn), bông cặn PAC được hình thành, tiếp xúc và hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, sau đó các bông keo tụ được loại bỏ ra khỏi nước nhờ quá trình lắng cặn và lọc. Hạn chế của phương pháp này là đối với nguồn nước bị ô nhiễm hữu cơ cao, lượng PAC cần cho vào nước lớn, tốn kém, và nếu sử dụng biện pháp này thường xuyên sẽ tạo ra lượng cặn lắng lớn. Do đó, phương pháp này chỉ nên áp dụng trong trường hợp khẩn cấp, khi lượng chất ô nhiễm hữu cơ trong nước nguồn tăng đột biến, như là quá trình xử lý sơ bộ. + Than hoạt tính dạng hạt (GAC) được sử dụng rộng rãi như một loại vật liệu lọc. Có thể sử dụng GAC trong bể lọc riêng biệt, đặt sau bể lọc cát thông thường, để loại bỏ các chất hữu cơ còn lại trong nước sau bể lọc cát. Thời gian sử dụng của cột lọc GAC phụ thuộc vào loại và lượng chất ô nhiễm trong nước. Thông thường, tuổi thọ GAC dùng để xử lý các sản phẩm phụ của Clo hóa (THMs và HAAs) khoảng 6 – 12 tháng, để xử lý thuốc trừ sâu, các chất hữu cơ tổng hợp khoảng 1 – 2 năm, để xử lý mùi và vị (từ các gốc aldehytes, phenols, …) khoảng 2 – 5 năm. Công nghệ xử lý nước thải ngày càng đi sâu vào áp dụng công nghệ sinh học và các biện pháp sinh học cũng đã chứng minh hiệu quả xử lý triệt để, hơn hẳn những biện pháp xử lý hóa lý khác. Xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học đáp ứng mục đích đưa dòng thải vào vòng tuần hoàn tự nhiên của vật chất, chất thải được xử lý và phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên. Kết quả của quá trình xử lý là các chất thải được chuyển hóa hoàn toàn thành dòng thải sạch (đủ tiêu chuẩn). Trong quá trình xử lý này, con người không tác động trực tiếp các biện pháp lý hóa vào quy trình khép kín, do đó lượng nước thải sau khi xử lý được đưa vào tự nhiên sạch hơn mà không bị biến đổi thành phần tính chất. / Từ khi phương pháp màng vi sinh được chú ý tới là một trong các biện pháp sinh học để xử lý nước thải, đã có nhiều nguyên cứu về cấu trúc của màng vi sinh vật. Theo thời gian và sự phát triển của công cụ nghiên cứu, cấu trúc của màng vi sinh vật ngày càng được sáng tỏ và là cơ sở để mô hình hóa những quá trình sinh học xảy ra bên trong màng. Công nghệ màng xử lý chất hữu cơ trong nước thải: Màng sinh học là tập hợp vi sinh vật ( hiếu khí, kỵ khí và hiếu khí tùy tiện) phát triển và gắn với các chất mang. Cấu tạo màng vi sinh vật Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản của màng vi sinh vật gồm: + Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều kích cỡ khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật. +Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film). / Lớp màng VSV còn có thể chia thành hai lớp: lớp màng kị khí bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài / Nguyên lý : Các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá, xỉ, sành, sứ, nhựa… / Hoạt động của lớp màng: - Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước: Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động của mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chấtlỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của màng trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật gồm 3 giai đoạn : Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước: Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động của mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả theo công thức sau: + Màng hiếu khí: Chất hữu cơ + oxy + nguyên tố vết → sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối. + Màng kỵ khí: Chất hữu cơ + nguyên tố vết → sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối. Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật, không chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh. Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Nếu một trong những cơ chất bị hết ở một chiều sâu nào đó của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học có liên quan đến cơ chất này sẽ không xảy ra, và cơ chất này được gọi là cơ chất giới hạn quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ đó. Các nguyên tố vết như nitơ, photpho và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng. Khi đó lớp màng bị tróc ra tạo điều kiện hình thành lớp màng mới. - 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 sinh trưởng dính bám trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn. + Giai đoạn thứ nhất: có dạng logarit, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả các vi sinh 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 lớp màng hiệu quả. Trong giai đoạn thứ nhất 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 trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự thay 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 thay sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa các cơ chất và sinh khối. + Giai đoạn thứ ba: bề dày lớp màng trở nên ổn định, 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 bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy. Trong quá trình phát triển của màng vi sinh vật, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng. Lúc đầu hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đó là protozoas, tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái. Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật làm giảm lượng bùn dư. Tuy nhiên, trong điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn nhiệt độ nước hay chất lượng nước thuận lợi cho metazoas phát triển quá mạnh sẽ ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng đến khả năng làm sạch của nước. Nghiên cứu của Inamori cho thấy có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh. Một loài ăn vi khuẩn lơ lửng và thải chất kết dính. Kết quả làm tăng tốc độ làm sạch nước. / Loài kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh do đó thúc đẩy sự phân tán sinh khối. Nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lí thì hiệu quả khoáng hoá chất hữu cơ và làm sạch nước thải sẽ cao. Những đặc tính ưu và nhược điểm của màng: Ưu điểm: + Dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý Việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính đòi hỏi duy trì ổn các thông số như nồng độ vào ổn định, khả năng lắng của bùn, tuần hoàn bùn và loại bỏ bùn dư… + Khởi động nhanh Trong quá trình bùn hoạt tính, thời gian khởi động tối thiểu một tháng để đạt được hiệu quả ổn định và thông thường là 2 tháng. So với màng vi sinh vật thì thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với thiết bị lọc sinh học ngập nước và thiết bị tiếp xúc quay và cần thời gian dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt. + Khả năng loại bỏ những chất cơ chất phân hủy chậm Những cơ chất có chứa các loại chất hữu cơ như Polyvinyl Alcohol (PCA) , Linear Alkylbenzen Sulfonate (LAS), lignin, các hợp chất hữu cơ có gốc clo… hay các chất vô cơ như nitrate, cyanide… Những hợp chất này đều có khả năng phân hủy sinh học tuy nhiên tốc độ phân hủy rất chậm và tốc độ sinh trưởng của các loài vi sinh sử dụng các hợp chất trên làm cơ chất chính rất thấp. + Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm Tốc độ khuếch tán và phản ứng sinh học đều giảm khi nhiệt độ giảm và mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học quan trọng hơn sự khuếch tán. + Sự đa dạng về thiết bị xử lý Trong mỗi thiết bị lọc ngập nước, tiếp xúc quay hay lọc nhỏ giọt thì hình dạng, kích thước, loại vật liệu, phương pháp bố trí vật liệu đệm làm giá thể cũng rất đa dạng . + Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp Thực nghiệm cho thấy không thể xử lý nước thải có nồng độ BOD thấp hơn 20 mg/l bằng quá trình bùn hoạt tính. Nhược điểm + Không có khả năng điều khiển sinh khối Thông thường không dễ dàng điều khiển sinh khối trong màng vi sinh vật. Hơn nữa, sự tăng bề dày màng vượt quá một giá trị bề dày hiệu quả không đóng góp gì vào việc xử lý ô nhiễm mà còn làm giảm diện tích hiệu quả của màng vi sinh vật và thời gian lưu nước trong thiết bị xử lý. +Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán Trong quá trình màng vi sinh vật, các yếu tố điều khiển quá trình làm sạch nước là sự vận chuyển cơ chất và oxy vào màng vi sinh vật. Kết luận Về phương diện khoa học, môi trường là một lĩnh vực liên ngành, đa ngành , còn về phạm vi ảnh hưởng của nó là một trong những đối tượng mang tính toàn cầu rõ rệt nhất. Nếu sự ô nhiễm môi trường là một tai họa thì “tai họa này không phải là của riêng ai”, mà là chung của tất cả các quốc gia , của toàn nhân loại.Ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nguồn nước nói riêng đang là một vấn đề đáng quan tâm hiện nay. Ngày nay, với sự phát triển công nghiệp, đô thị và sự bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước tự nhiên bị hao kiệt và ô nhiễm dần. Vì thế, con người phải biết sử lý các nguồn nước cấp để có đủ số lượng và đảm bảo chất lượng cho mọi nhu cầu sản xuất công nghiệp và sinh hoạt, cho chính mình và giải quyết những hậu quả của chính mình. Vấn đề xử lý nước nói chung đang trở thành vấn đề cấp bách mang tính chất xã hội và chính trị của cộng đồng. Để có nguồn nước sạch để sinh hoạt và sản xuất, thì các nguồn nước thải nói chung cần được xử lý qua các công đoạn khác nhau đảm bảo không bị ô nhiễm nước trước khi đổ vào nguồn. Hiện nay có rất nhiều các phương pháp xử lý khác nhau. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm của nó, tùy theo ưu điểm của nó, tùy theo nguồn nước thải mà ta sử dụng phương pháp thích hợp. Tuy nhiên,có một số phương pháp hóa lý học không có giá trị kinh tế cao, tốn kém năng lượng, hóa chất hoặc rẻ tiền như phương pháp sinh học nhưng cần có mặt bằng rộng, thời gian xử lý dài …Do đó, trong thực tế người ta thường kết hợp hai phương pháp đó với nhau sao cho hiệu quả sử lý cao nhất,chi phí thấp nhất là ở nước đang phát triển như nước ta. Tài liệu tham khảo [1]: Bài giảng môn “Xử lý nước thải”, Giảng viên : Nguyễn Thị Hường [2]: Giáo trình “Hóa học môi trường”, ThS. Hoàng Thái Long,Trường đại học khoa học huế. [3]: Đồ án chuyên ngành “Xử lý nước thải”,SVTH: Ngô Thị Phương Thúy,GVHD: ThS. Mai Thanh Phong. [4]:Giáo Trình “Phân tích môi trường”, ThS.Nguyễn Tuấn Anh, ThS.Đỗ Thị Lan, ThS.Nguyễn Thế Hùng; Trường đại học nông lâm. [5]: Bài giảng “Kỹ thuật xử lý nước thải”, ThS. Lâm Vĩnh Sơn. [6]: “Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học”, PGS.ThS. Lương Đức Phẩm. [7]: Giáo trình “Công trình xử lý nước thải”, ThS. Lê Anh Tuấn