Nghiên cứu ứng dụng rong Ceratophyllum demersum để xử lý Nitơ, Photpho trong nước thải sinh hoạt chợ đầu mối Nông Sản Thủ Đức

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ******************* KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG RONG Ceratophyllum demersum ĐỂ XỬ LÝ NITƠ, PHOTPHO TRONG NƢỚC THẢI SINH HOẠT CHỢ ĐẦU MỐI NÔNG SẢN THỦ ĐỨC Ngành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Niên khóa: 2002- 2006 Sinh viên thực hiện: ĐẶNG CÔNG TRÍ Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 8/2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ******************* 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG RONG Ceratophyllum demersum ĐỂ XỬ LÝ NITƠ, PHOTPHO TRONG NƢỚC THẢI SINH HỌAT CHỢ ĐẦU MỐI NÔNG SẢN THỦ ĐỨC GVHD: HỒ THANH BÁ Nghành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Niên khóa: 2002- 2006 Sinh viên thực hiện: ĐẶNG CÔNG TRÍ Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 8/2006 MINISTRY EDUCATION AND TRAINING NONG LAM UNIVERSITY HO CHI MINH CITY BIOTECHNOLOGY DEPARTMENT ******************* 3 LỜI CẢM ƠN APPLICATION RESEARCH Ceratophyllum demersum TO TREAT WASTEWATER AT THE THU DUC AGRICULTURAL MARKET Ho Chi Minh City 8/2006 4 Đầu tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã dạy bảo và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập. Xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Môi trường đã truyền đạt kinh nghiệm cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài, và đặc biệt là thầy Hồ Thanh Bá đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này. Tôi thành thật biết ơn: - Ông Trần Quang Nhường, giám đốc công ty TNHH chợ Nông Sản Thủ Đức , chị Nam Phương, chú Thông, chú Dũng đã hết lòng tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này. - Cô Hà cùng các anh chị ở trung tâm phân tích Môi trường đã chia sẽ kinh nghiệm và giảp đáp những thắc mắc khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài. - Tiếp đến, tôi xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè những người luôn luôn động viên ủng hộ tôi trong suốt khóa học. Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng tri ân sâu sắc đối với gia đình , cha mẹ, anh chị em, những người luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn về mặt vật chất cũng như tinh thần, giúp tôi có thêm nghị lực và niềm tin hoàn thành khóa học. Một lần nữa xin cho tôi gửi lòng biết ơn chân thành nhất và sâu sắc nhất đến tất cả mọi người. TPHCM, ngày 20 tháng 7 năm 2006 Sinh viên thực hiện Đặng Công Trí MỤC LỤC Lời cám ơn 5 Mục lục Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ Danh mục các sơ đồ Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Chương I- Mở đầu……………………………………………………………..….….1 I.1 Giới thiệu………………………………………………………………..……...1 I.2 Tính cấp thiết của đề tài……...…………………………………………..……..1 I.3 Mục tiêu của đề tài………………………………………………………...…....1 I.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu đề tài……..………………….……………….….1 I.5 Ý nghĩa khoa học…………………………………………………………….….2 I.6 Ý nghĩa thực tiễn ……………………………………………………………....2 Chương II- Tổng quan……………………………………………………………......3 I. Ô nhiễm nước thải……………………………………………………………………….….3 I.1 Nguồn gốc chất thải……………………………………………………………..3 I.1.1 Khái niệm……………………………………………………………….....3 I.1.2 Nguồn gốc phát sinh ………………………………………………….…..3 I.2 Thành phần và tính chất nước thải..…………………………………………....3 I.3 Phân loại nước thải……………………………………………………………...4 I.4 Tác hại của ô nhiễm...……………………………………………………….….5 II. Các quá trình diễn ra trong nước thải……………………………………………….……6 II.1 Quá trình phân hủy hiếu khí………………………………………………..6 II.2 Quá trình phân hủy kị khí…………………………………………….…….7 II.3 Quá trình tự làm sạch của VSV………………………………………….…7 II.4 Quá trình làm sạch nhờ bùn lắng……………………………………….…..8 II.5 Quá trình khử N2 ...……………………………………….…………….…..8 II.5.1 Nitơ trong nước thải…………………………………………….…8 II.5.2 Chu trình chuyển hóa Nitơ trong các chất hữu cơ………………...9 II.6 Quá trình khử Photpho………………………………………………...….10 III. Các phương pháp xử lý nước thải hiện nay…………………………………………...11 III.1 Phương pháp sinh học………………………………………………..…..11 6 Ưu điểm của phương pháp sinh học………………………….………...13 Nhược điểm của phương pháp sinh học………………………………..13 III.2 Phương pháp hóa lý……………………………………………………....14 Ưu điểm của phương hóa lý……………………………………………14 Nhươc điểm của phương pháp hóa lý…………………………………..14 III.3 Các phương pháp hóa học………………………………………………..14 Ưu điểm của phương pháp hóa học……………………………..14 Nhược điểm của phương pháp hóa học…………………………15 III.4 Phương pháp hóa sinh………………………………………..…………..15 Ưu điểm của phương pháp hóa sinh……………………………15 Khuyết điểm của phương pháp hóa sinh………………………..15 III.5 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm chất thải………………...………..15 III.5.1 Độ pH…………………………………………………………...15 III.5.2 Hàm lượng chất rắn……………………………………………..16 III.5.3 Màu……………………………………………………………...16 III.5.4 Lượng oxy hòa tan………………………………………………16 III.5.5 Chỉ số BOD (nhu cầu oxy sinh hóa –Biochemical Oxygen Demand)……………………………………………………………………….17 III.5.6 Chỉ số COD (nhu cầu oxy hóa hóa học –Chemical Oxygen Demand)……………………………………………………………………….17 III.5.7 Hàm lượng nitơ……………………………………………...….17 III.5.8 Hàm lượng photpho……………………………………………..18 III.5.9 Một số thông số khác…………………………………………....18 III.6 Một số tiêu chuẩn chất lượng nước- TCVN 5942-1995…………………18 IV. Đặc tính của rong Ceratophyllum demersum (hornwort)……………………….19 IV.1 Hình dạng………………………………………………………………...19 IV.2 Môi trường sống của rong………………………………………………..19 IV.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của rong………………………..19 IV.4 Năng suất sinh khối của thực vật………………………………………...20 IV.5 Những nghiên cứu ứng dụng rong trong xử lý nước thải………………..20 IV.6 Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý chất thải bằng thực vật thủy sinh……………………………………………………………………………………21 7 IV.6.1 Ưu điểm…………………………………………………………21 IV.6.2 Nhược điểm……………………………………………………..21 IV.7 Thực vật thủy sinh và hiện tượng phú dưỡng……………………………22 IV.8 Khả năng chuyển hóa một số chỉ tiêu quan trọng của môi trường nước bởi thực vật thủy sinh……………………………………………………………………..22 IV.8.1. Khả năng chuyển hóa BOD5…………………………………...23 IV.8.2 Chất rắn…………………………………………………………23 IV.8.3 Chuyển hóa nitơ………………………………………………...23 IV.8.4 Chuyển hóa Photpho……………………………………………24 Chương III: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu…..….………………..……………..25 I. Thời gian và địa điểm nghiên cứu…………………………………………...25 II. Vật liệu nghiên cứu………...……………………………………………….25 III. Dụng cụ nghiên cứu………………………………………………………..25 IV. Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………..25 IV.1 Nghiên cứu cơ bản….…………………………………………….25 IV.2 Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của rong Ceratophyllum demersum……………….…..………………………………………...26 IV.3 Nghiên cứu xây dựng mô hình kết hợp...…………………………27 V. Phương pháp xác định……………………………………………………...28 Chỉ tiêu pH……………………………………………………………..28 Chỉ tiêu COD…………………………………………………………..28 Chỉ tiêu BOD5 ………………………………………………………. ..29 Chỉ tiêu nitơ hữu cơ…………………………………………………….30 Chỉ tiêu NO3 -…………………………………………………………...30 Chỉ tiêu NH4 +…………………………………………………………...31 Chỉ tiêu photpho………………………………………………………..31 Chỉ tiêu SS……………………………………………………………...32 VI. Phương pháp xử lý số liệu…………………………………………………32 Chương IV: Kết quả và thảo luận………………………………………………….33 IV.1 Kết quả của quá trình nghiên cứu cơ bản………………………………...33 8 IV.2 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng rong …………………………………………………………………………………34 IV.3 Kết quả của nghiên cứu xây dựng mô hình kết hợp……………………..36 IV.4 Kết quả năng suất sinh khối của rong …………………………………...38 Nhận xét tổng quát ChươngV: Kết luận và kiến nghị…………………………………………………..39 I. Kết luận……………………………………………………………………..40 II. Kiến nghị…………………………………………………...………………40 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………..41 Phụ lục DANH MỤC CÁC BẢNG 9 Bảng 2.1 Tiêu chuẩn chất lượng theo TCVN 6984-2001 Bảng 3.1 Thời gian các vùng xử lý của mô hình A2/O Bảng 4.1 Kết quả hàm lượng NO3-N đo được của nghiên cứu cơ bản Bảng 4.2 Kết quả của hàm lượng NH4 + -N đo được của nghiên cứu cơ bản Bảng 4.3 Kết quả của hàm lượng PO4 3- -P đo được của nghiên cứu cơ bản Bảng 4.4 Kết quả chỉ tiêu COD của nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng rong Bảng 4.5 Kết quả chỉ tiêu BOD5 của nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng rong Bảng 4.6 Kết quả chỉ tiêu Nitơ tổng của nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng rong Bảng 4.7 Kết quả chỉ tiêu Photpho tổng của nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng rong Bảng 4.8 Kết quả chỉ tiêu SS của nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng rong Bảng 4.9 Giá trị các thông số của nước thải chưa qua xử lý Bảng 4.10 Kết quả chỉ tiêu COD của nghiên cứu xây dựng mô hình kết hợp Bảng 4.11 Kết quả chỉ tiêu BOD5 của nghiên cứu xây dựng mô hình kết hợp Bảng 4.12 Kết quả chỉ tiêu Nitơ tổng của nghiên cứu xây dựng mô hình kết hợp Bảng 4.13 Kết quả chỉ tiêu Photpho tổng của nghiên cứu xây dựng mô hình kết hợp Bảng 4.14 Kết quả của chỉ tiêu SS của nghiên cứu xây dựng mô hình kết hợp DANH MỤC CÁC HÌNH 10 Hình 2.1 Rong trong thực tế nghiên cứu Hình 2.2 Rong nuôi trong bể xử lý Hình 3.1 Rong xử lý trực tiếp nước thải Hình 3.2 Mô hình xử lý nước thải thiết lập trong thực tế DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ 11 Sơ đồ 2.1 Thành phần của chất thải Sơ đồ 2.2 Sự thay đổi số lượng VSV khi đổ nước thải vào Sơ đồ 2.3 Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ chứa Nitơ trong nước thải Sơ đồ 2.4 Phản ứng tổng hợp tế bào Sơ đồ 2.5 Sự chuyển hóa vật chất hữu cơ trong tự nhiên Sơ đồ 3.1 Mô hình hóa của quá trình A2/O DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 12 BOD Nhu cầu oxi sinh học (Biochemical Oxygen Demand) COD Nhu cầu oxi hóa học (Chemical Oxi Demand) SS Chất lơ lửng (Suspended Solid) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VSV Vi sinh vật TVTS Thực vật thủy sinh A 2 /O Quá trình xử lý kết hợp 3 giai đoạn là yếm khí- thiếu khí- hiếu khí Chƣơng I: Mở đầu I.1. Giới thiệu 13 Hiện nay ở Việt Nam đặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh, tình trạng ô nhiễm đang ở mức báo động cao. Tình trạng khói, bụi và nhất là ô nhiễm nước tập trung ở các khu vực đông dân cư, chợ…đang là vấn đề gây nhức nhối hiện nay. Theo thống kê của bộ Khoa Học Công nghệ và Môi trường mức độ ô nhiễm khi thải ra đều vượt quá mức cho phép. Điều này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn sức khỏe của con người và các sinh vật sống trong môi trường đó. So với việc xử lý nước ô nhiễm từ các nhà máy sản xuất, các khu chế xuất công nghiệp thì việc xử lý ô nhiễm ở các chợ cũng quan trọng không kém. Thành phố Hồ Chí Minh là nơi đông dân cư tập trung nhiều chợ phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của người dân. Có nhiều loại nước được thải ra trong chợ chưa qua xử lý thích hợp. Đây là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trường. Hiện nay đã có nhiều biện pháp xử lý nước thải được ứng dụng, trong đó xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đang phổ biến vì tính hiệu quả, ít đầu tư, và phù hợp với tình hình điều kiện kinh tế ở nước ta. Được biết như loài thực vật thủy sinh dễ trồng, phát triển rất nhanh, và có khả năng hấp thụ nitơ- photpho cao trong nước thải sinh hoạt. Rong Ceratophyllum demersum (hay còn gọi là Hornwort) được sử dụng nhiều nơi vì có thể thích hợp trồng ở mọi địa hình và không gây hại cho những sinh vật khác cũng như môi trường sinh thái xung quanh. Ở Việt Nam, nhiệt độ và khí hậu rất thích hợp cho sự phát triển của rong. Việc ứng dụng rong này để xử lý nước thải là một vấn đề hoàn toàn mới hiện nay. Với mục đích tìm hiểu về phương pháp cũng như là hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng biện pháp sinh học, tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng rong Ceratophyllum demersum để xử lý Nitơ, Photpho trong nước thải sinh hoạt chợ đầu mối Nông Sản Thủ Đức” I.2. Tính cấp thiết của đề tài Nguồn nước thải sinh hoạt hằng ngày không an toàn, chứa nhiều hợp chất hữu cơ, các VSV có hại và vi khuẩn gây bệnh…thường là nguyên nhân trực tiếp hay gián 14 tiếp gây ảnh hưởng đến sức khỏe người dân và môi trường sống xung quanh. Vì vậy, xử lý nước thải sinh hoạt trong chợ trở thành một vấn đề cần thiết và cấp bách. I.3. Mục tiêu nghiên cứu  Xác định hiệu quả xử lý nước thải của rong.  Xây dựng mô hình xử lý kết hợp với rong để đạt hiệu quả tốt nhất. I.4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt ở chợ đầu mối Nông Sản Thủ Đức thành phố Hồ Chí Minh. - Do tính giới hạn đề tài nên chỉ xác định các chỉ tiêu pH, COD, BOD5, SS, tổng Nitơ, tổng Photpho. I.5. Ý nghĩa khoa học Tìm hiểu sâu hơn về khả năng và cơ chế của thực vật thủy sinh nói chung và rong Ceratophyllum demersum nói riêng trong việc ứng dụng vào xử lý các loại nước thải đa dạng hơn. Tăng mức độ hiểu biết về thiết lập mô hình xử lý nước thải trong thực tế bằng phương pháp sinh học kinh tế và hiệu quả. I.6. Ý nghĩa thực tiễn  Giảm thiểu ô nhiễm môi trường do các loại nước thải sinh hoạt gây ra.  Xây dựng mô hình xử lý phù hợp với tình hình và điều kiện nơi xử lý.  Nước thải sau xử lý có thể làm nguồn nước tưới cho cây trồng và cây hoa màu khác.  Sinh khối từ thực vật được sử dụng làm thức ăn cho gia súc. 15 Chƣơng II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU I. Ô nhiễm nƣớc thải I.1.Nguồn gốc chất thải 16 I.1.1. Khái niệm Nước thải là nguồn nước đã qua sử dụng có chứa một lượng lớn các tạp chất vô cơ và hữu cơ hòa tan. Nếu không kiểm soát được hàm lượng nước thải và không xử lý thích hợp thì sẽ gây ra những hậu quả khó lường trước được. Thông thường nước thải được phân loại dựa vào nguồn gốc phát sinh ra chúng như nước thải đô thị, nước thải công nghiệp, nước thải tự nhiên... Tuy nhiên, ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến nước thải sinh hoạt như là nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm môi trường do hoạt động sinh hoạt hằng ngày của con người. I.1.2. Nguồn gốc phát sinh  Nước thải từ các khu vực sinh hoạt trong chợ như khu hành chính, khu vực văn phòng, và khu vực dân cư sinh sống.  Nước thải từ các bể tự hoại của 5 nhà vệ sinh trong lồng chợ  Nước thải từ nước rửa các loại hàng hóa, vệ sinh chợ.  Nước ép rác từ trạm xử lý rác của chợ.  Nước tưới cây.  Nước mưa chảy tràn trong khu vực chợ. I.2. Thành phần và tính chất nước thải Nước thải là một hỗn hợp phức tạp, bao gồm nước và nhiều chất bẩn khác nhau. Thành phần chất bẩn trong nước thải sinh hoạt được biểu diễn theo sơ đồ sau: 17 Sơ đồ 2.1 Thành phần của chất thải (Nguồn: Công nghệ xử lý nước thải của Nguyễn Đức Lượng) Ngoài ra trong nước thải còn chứa nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, virut, nấm, rong, tảo, trứng giun sán…Các vi sinh vật này có khả năng gây bệnh và có thể tạo thành dịch bệnh rất nguy hiểm. I.3. Phân loại nước thải Các loại nước thải được hình thành có số lượng, thành phần, và tính chất hoàn toàn khác nhau. Tuy nhiên để thuận tiện cho việc xử lý và tái sử dụng, người ta chia làm 3 loại chính: Nước thải chứa phân. Trong nước thải luôn tồn tại nhiều loại vi khuẩn khác nhau dễ gây mùi hôi thối và gây bệnh. Hàm lượng các chất hữu cơ (BOD) và các chất dinh dưỡng như Nitơ và photpho cao trong nước thải sẽ dẫn đến ô Nước thải 99% Nước 1% Chất thải rắn 50-70% các chất hữu cơ 30-50% các chất vô cơ 65% Protein 25% Cacbohydrat 10% chất béo Cát Muối Kim loại 18 nhiễm nguồn nước mặt, gây hại đến sức khoẻ người dân sống vùng lân cận. Tuy nhiên, chúng thích hợp cho việc làm phân bón hoặc tạo khí sinh học. Nước thải từ các thiết bị vệ sinh như bồn tắm, bồn vệ sinh trong chợ. Loại này chủ yếu là chất lơ lửng, chất tẩy rửa nên thường gọi là “nước xám”. Nồng độ các chất hữu cơ trong loại nước thải này thường thấp và rất khó phân hủy sinh học. Trong nước thải này cũng chứa nhiều tạp chất vô cơ. Nước thải từ việc sinh hoạt trong chợ và những nguồn khác. Các loại này thường có hàm lượng lớn các chất hữu cơ (BOD, COD) và các nguyên tố dinh dưỡng khác (Nitơ- Photpho). Các chất bẩn trong nước thải này dễ tạo khí sinh học và tạo phân bón. Để xử lý, ta quan tâm đến các thành phần sau của nước thải:  Các chất rắn (chủ yếu là rắn lơ lửng).  Các chất hữu cơ (chủ yếu là các chất có thể phân huỷ sinh học).  Các chất dinh dưỡng (các hợp chất Nitơ và Photpho).  Các vi sinh vật gây bệnh.  Hàm lượng BOD, COD. I.4. Tác hại của ô nhiễm - Gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm. Nước thải không qua xử lý sẽ gây ô nhiễm cả một vùng hay một khu vực nào đó. Khi mưa xuống hay vì một nguyên nhân khách quan nào đó sẽ khiến cho nước ô nhiễm chảy tràn mặt đất, gây ô nhiễm nguồn nước mặt và cả nguồn nước ngầm nếu có. - Làm giảm sự đa dạng sinh học, gây mất cân bằng sinh thái. Nguyên nhân là do nước ô nhiễm sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước. Từ đó làm thay đổi hoàn toàn hệ sinh thái có trong nước. Ngoài ra khi nước ô nhiễm hòa cùng với nguồn nước mới thì số lượng VSV sẽ giảm đột ngột do chưa thích nghi kịp với môi trường mới. Cũng có trường hợp VSV chết hàng loạt do nước thải có nhiệt độ quá cao hay mức độ 19 ô nhiễm nặng. Đây là biểu đồ chứng minh sự tăng trưởng của cả hai loài VSV cũ và mới: Sơ đồ 2.2 Sự thay đổi số lượng VSV khi đổ nước thải vào - Ảnh hưởng và tác động lâu dài lên những hệ sinh thái khác khi nước thải ô nhiễm quá nặng hay trong nước thải có chứa nhiều chất độc hại. Những chất này tiêu diệt VSV, thực vật thủy sinh, động vật thủy sinh, ngăn cản chu kỳ chuyển hóa của nhiều chất liên quan. Khi chu kỳ này bị ảnh hưởng sẽ dẫn đến ứ đọng vật chất và ao hồ. Do đó, lượng oxy ngày càng ít và ô nhiễm ngày càng nặng hơn. - Ảnh hưởng đến sức khỏe con người và những sinh vật sống khác. Nước thải không xử lý triệt để sẽ thay đổi mạnh về đặc tính hóa lý và sinh học. Ngoài ra ô nhiễm nước thải còn tạo điều kiện cho các vi khuẩn gây bệnh phát triển mạnh, gây phát tán đến những vùng lân cận. Sự thay đổi về tính chất và phát tán mạnh chính là nguyên nhân chính gây hậu quả nghiêm trọng. II. Các quá trình diễn ra trong nƣớc thải II.1. Quá trình phân hủy hiếu khí 2 1 1- Số lượng VSV khi đổ nước thải vào nguồn nước 2- Số lượng VSV ở nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải Số lượng VSV (Tb/l) Thời gian (giờ) 20 Khi oxy được tạo ra trong môi trường sẽ có một phần thoát ra. Phần thoát ra là oxy tự do. Phần oxy hòa tan còn lại trong môi trường nước sẽ tham gia vào các phản ứng hóa học và các phản ứng sinh học.Các phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ cần rất nhiều oxy. Nếu nước thải chứa nhiều chất hữu cơ cần phân giải và các chất vô cơ cần oxy hóa thì nhu cầu oxy rất lớn. Trong điều kiện tự nhiên, nếu nước chứa một lượng các chất hữu cơ và vô cơ tương ứng với nhu cầu oxy có trong nước để tiến hành các quá trình oxy hóa sinh học và oxy hóa hóa học thì quá trình tự làm sạch nước tự nhiên được thiết lập và xảy ra rất hiệu quả. Khi đó không cần tác động vào môi trường, nước cũng tự động làm sạch. Quá trình chuyển hóa vật chất trong tế bào vi sinh vật gồm hàng loạt các phản ứng hóa sinh là đồng hóa và dị hóa cũng xảy ra.Quá trình này gồm 3 giai đoạn như sau: Oxy hóa các chất hữu cơ CxHyOz +O2CO2 +H2O+ ∆H Tổng hợp xây dựng tế bào CxHyOz +O2 tế bào VSV +CO2+ H2O+ C5H7NO2- ∆H Tự oxy hóa chất liệu tế bào (tự phân hủy) C5H7NO2 +5O2 5CO2 + 2H2O + NH3- ∆H Với sự tham gia của các VSV như Pseumonas, Bacillus, Alealigenes, Flavobacterium… Trong trường hợp nước chứa nhiều chất hữu cơ và vô cơ vượt quá mức oxy cần thiết có trong nước để oxy hóa chúng thì nước sẽ bị ô nhiễm. Khi đó người ta can thiệp bằng cách cung cấp O2 từ bên ngoài vào để thiết lập trạng thái cân bằng giữa lượng chất ô nhiễm và nhu cầu oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa sinh hoc và quá trình oxy hóa hóa học. Điều này giúp hình thành phương pháp xử lý nước thải thích hợp hơn. II.2. Quá trình phân hủy kị khí 21 Quá trình phân hủy kị khí là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ cặn bùn, cặn thải... Trong nước thải ở điều kiện không có oxy phân tử bởi các VSV kị khí. Quá trình này gồm 2 giai đoạn: + Giai đoạn thủy phân VSV tiết ra enzyme thủy phân. Các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân thành đường đơn giản. Ví dụ như protein thành albumor, peptone, peptide, acid amin, chất béo thành glycerin. + Giai đoạn tạo khí Sản phẩm thủy phân sẽ tiếp tục bị phân giải tạo thành sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí là CH4, CO2, và một số ít H2, N2, H2S… Hỗn hợp khí CH4 này chiếm 60- 75% (đây còn được gọi là quá trình sinh mê tan). Vi khuẩn tham gia quá trình này được chia làm hai loại như: Vi khuẩn không sinh mêtan gồm Clostridium, Bacillus cereus…và vi khuẩn sinh mêtan như Methanobacillus, Methanobacterium… II.3. Quá trình tự làm sạch của VSV VSV chỉ chuyển hóa những vật chất mà chúng có khả năng. Trong tự nhiên không tồn tại nhữngVSV có khả năng chuyển hóa toàn diện. Trước tiên, VSV sẽ chuyển hóa vật chất dễ chuyển hóa trước, sau đó mới đến những vật chất khó chuyển hóa. Mặt khác, các quá trình chuyển hóa này thường xảy ra do một loạt các VSV khác nhau. Do đó, nếu trong môi trường thiếu một giống hay một nhóm VSV nào đó, quá trình chuyển hóa sẽ bị ngưng trệ và môi trường bị ô nhiễm. Như vậy việc tự làm sạch phụ thuộc trước tiên vào số lượng vật chất thải vào trong môi trường. Nếu lượng vật chất quá lớn vượt quá khả năng chuyển hóa của VSV sẽ gây ô nhiễm nặng. Vấn đề thứ hai là điều kiện môi trường thúc đẩy hoặc kiềm hãm quá trình tự làm sạch này. Khi đó oxy đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa nhờ VSV. Mức độ tiêu thụ oxy để chuyển hóa vật chất hữu cơ phản ánh khả năng tăng 22 trưởng của VSV và khả năng tiêu thụ vật chất có trong môi trường. Do đó nhu cầu oxy sinh học (BOD) là một trong những chỉ tiêu quan trọng để xác định mức độ ô nhiễm. VSV chỉ có khả năng hấp thụ oxy ở dạng hòa tan trong nước. Các chất hữu cơ có càng nhiều thì khả năng hòa tan oxy và phân hủy các chất hữu cơ càng kém. Ngoài ra, các VSV ở trong nước thải cũng là nguồn dinh dưỡng cho động vật khi những VSV này còn sống hay sẽ là nguồn dinh dưỡng của thực vật khi tế bào chúng bị phân hủy và được vô cơ hóa. Nếu trong môi trường nước thải không chứa độc tố có nồng độ quá cao thì sự phát triển của sinh vật đó có xu hướng tạo ra sự hài hòa hay gọi là tạo ra sự cân bằng mới. Ở đó, VSV sẽ phân giải và làm giảm các chất hữu cơ tạo điều kiện thuận lợi cho các loài rong, rêu, VSV, và thực vật thủy sinh phát triển. Bản thân những thực vật thủy sinh cũng góp phần tham gia chuyển hóa các chất có trong nước. Khi nắm vững quy luật phát triển của sinh vật ta có thể điều khiển và tạo lập một hệ cân bằng sinh thái có lợi cho xử lý nước thải. Tuy nhiên điều này cũng rất khó thực hiện vì những chất ô nhiễm thường tác động rất mạnh đến VSV. Hàm lượng BOD hay COD quá cao sẽ kiềm hãm sự phát triển của VSV. Vì thế, ta không thể thiết lập được hệ sinh thái cân bằng mà phải có biện pháp xử lý hàm lượng trên đến mức độ thích hợp mà VSV có thể phát triển được. II.4. Quá trình làm sạch nhờ bùn lắng Quá trình bùn hoạt tính được phát triển ở Anh vào năm 1914 bởi Andern và LovkKett. Nó bao gồm sự sản xuất sinh khối VSV hoạt tính, sự phát triển lơ lửng chất thải và khả năng khoáng hóa các chất thải trong điều kiện hiếu khí. Sau thời gian thích nghi, các tế bào bắt đầu tăng trưởng, sinh trưởng, và phát triển mạnh. Nước thải bao giờ cũng có những hạt lơ lửng khó lắng. Các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng và phát triển thành bông cặn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước. Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo sẽ lơ lửng trong nước và lớn dần do hấp thụ nhiều hạt rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh, nguyên sinh động vật và các chất độc khác. Những hạt bông này khi ngừng thổi khí, hoặc các cơ chất dinh dưỡng 23 cho VSV cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống đáy bể tạo thành bùn. Bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là bùn tập hợp nhiều các chủng loài VSV khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng bông với trung tâm là các hạt lơ lửng trong nước. Các bông này có màu vàng nâu, dễ lắng có kích thước từ 3-150mm. Những bông này gồm các VSV sống và cặn rắn (khoảng 30%- 40% thành phần cấu tạo bông, nếu trong điều kiện hiếu khí bằng thổi khí và khuấy đảo đầy đủ trong thời gian ngắn thì con số này khoảng 30%, thời gian dài thì 35%, còn kéo dài là 40%). Những VSV sống ở đây chủ yếu là vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, nguyên sinh động vật… II.5. Quá trình khử Nitơ II.5.1. Nitơ trong nước thải Nitơ không gây ra các vấn đề phú dưỡng nhưng các chỉ tiêu về nitơ trong nước cấp nếu vượt quá mức cho phép sẽ gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người, mặc dù bản thân nitrat không phải là chất nguy hiểm. Tuy nhiên trong đường ruột trẻ nhỏ thường tìm thấy các loại vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nitrat thành nitrit. Nitrit này có ái lực hồng cầu trong máu mạnh hơn trong oxy. Khi nó thay thế oxy tạo thành methemoglobin, khiến hợp chất này không thể nhận oxy, gây bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ và có thể dẫn đến tử vong. Nitơ là nguyên tố cần thiết cho quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong cơ thể sinh vật. Chúng có mặt trong protein, enzym, lipoprotein, axit nucleic, các hormone, kháng sinh và nhiều thành phần khác nhau của tế bào. Nitơ được coi là thành phần không thể thiếu trong tế bào sinh vật. Để tiến hành quá trình đồng hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ trong môi trường nước, VSV phải tổng hợp được enzym ngoại bào. Enzym này sẽ phân giải 24 protein thành các axit amin và nhiều thành phần khác nữa. Vì thế, trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin, nitơ amoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, và nitơ tự do. II.5.2. Chu trình chuyển hóa Nitơ trong các chất hữu cơ Chu trình chuyển hóa của Nitơ theo sơ đồ sau: Sơ đồ 2.3 Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ chứa Nitơ trong nước thải (Nguồn công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học của Lương Nhất Phẩm) Quá trình này gồm 4 giai đoạn: - Quá trình amon hóa Nitrogen hữu cơ (protein, ure) N.amonia Nitrit (NO2) Nitrat (NO3) N2 tự do Cacbon hữu cơ N-thực vật- vi sinh vật N- hữu cơ động vật Vi khuẩn phân hủy & thủy phân O2 Nitrosomonas O2 Nitrobacter N i t r a t h ó a Thiobacillus denitrifican Phản nitrat hóa (B.denitricans, B.lichennifornus) Đồng hóa Tự phân và sự oxy hóa Tế bào chết 25 Có nhiều VSV tham gia, có khả năng chuyển hóa các hợp chất hữu cơ tạo thành NH4 + - Quá trình Nitrit và Nitrat hóa Chuyển NH4 + thành NO2 - , NO3 - NH4 + +1,5O2 NO2 - +2H + +H2O Và NO2 - + 0,5 O2 NO3 - + 2H - + H2O - Quá trình phản nitrat hóa Quá trình chuyển hóa NO3 - thành N2. Có thể có 3 cơ chế chuyển hóa: Khử đến nitrit: HNO3 + 2H  HNO2 + H2O Khử đến NH3: HNO3 + 8H  NH3 +3H2O Khử đến N2 tự do: 2HNO3  2HNO2 HNO  N2 Trong bể aerotank có khoảng 20- 40%, NH4 + được chuyển thành sinh khối tế bào. Tùy loại VSV mà quá trình xảy ra nhanh hay chậm khác nhau. Để khử N2 ta phải quan tâm đến các điều kiện cơ bản sau: Nồng độ NH4 + và NO2 - trong nước thải Tỉ số BOD5 và tổng hàm lượng N2 Nồng độ oxy hòa tan Nhiệt độ pH trong nước thải II.6. Quá trình khử photpho Photpho là thành phần khoáng rất quan trọng trong tế bào VSV và là yếu tố dinh dưỡng thiết yếu trong sự phát triển của thực vật và động vật. Đối với nhiều loài VSV, lượng photpho có trong tế bào chiếm đến 50% tổng lượng khoáng. Photpho có mặt VK Nitrosomonas VK Nitrobacter 26 trong nhiều thành phần quan trọng của tế bào như trong axit nucleotid, photpho protein, photpholipid ở các hợp chất cao năng, và coenzyme quan trọng như ADP, ATP, UDP, UTP, XDP, NAD, NADP, flavin, tiamin, biotin. Do đó, việc phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ chứa photpho mang ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp nguyên liệu cho quá trình tạo ra những chất trên cho VSV đó. Ở môi trường nước, các hợp chất chứa photpho còn có tác dụng như chất đệm môi trường, tránh hiện tượng thay đổi quá nhanh pH. Như vậy, việc chuyển hóa các nguồn photpho trong môi trường nước do VSV tham gia là chủ yếu, chúng chuyển hóa các dạng photpho không hòa tan thành các dạng hòa tan và từ đó thực vật mới có khả năng hấp thụ. Trong bể aerotank, khử BOD đồng thời cũng xảy ra quá trình khử photpho. Khử photpho xảy ra khi lắng cặn theo tế bào. Người ta loại bỏ tế bào cùng photpho chứa trong đó. Lượng photpho được loại ra khỏi nước thải dựa vào sự đồng hóa của VSV. Về mặt lý thuyết, quá trình khử photpho tốt nhất thường xảy ra trong điều kiện yếm khí. Nhưng trong thực tế, người ta thường xử lý quy trình yếm khí tiếp nối quy trình hiếu khí. Trong bể aerotank, các hợp chất photpho hòa tan được khuyếch tán vào trong tế bào VSV. Tại đây xảy ra phản ứng tổng hợp chất hữu cơ xây dựng tế bào. Toàn bộ quá trình có thể tóm tắt như sau: Sơ đồ 2.4 Phản ứng tổng hợp tế bào Tham gia ATP tổng Axit nucleic hợp Photpholipid Hợp chất photpho 27 Trong khi đó photpholipid là một trong hai thành phần quan trọng của màng tế VSV. Như vậy, hợp chất photpho được chuyển vào trong tế bào và biến thành những thành phần quan trọng của tế bào. Phần nhỏ tế bào sẽ theo dòng chảy xả ra môi trường. Phần lớn được lắng xuống theo đáy bùn và được tách riêng để xử lý. Ngoài các quá trình đề cập ở trên, trong nước thải sinh hoạt còn có quá trình chuyển hóa lưu huỳnh. Chất này ảnh hưởng mạnh đến sự hình thành sulfua- chất gây mùi thối, khó chịu và ức chế hoạt động của những sinh vật khác. Hàm lượng này thường chứa khoảng 5- 8mg/l. III. Các phương pháp xử lý nước thải Nước thải trong chợ là hỗn hợp nhiều chất có hàm lượng ô nhiễm cao, nhất thiết phải xử lý trước khi thải ra môi trường. Việc xử lý nhằm loại bỏ hàm lượng chất rắn và khoáng hóa chất hữu cơ có trong nước thải. Hiện nay có một số phương pháp xử lý như sau: III.1. Phương pháp sinh học Thực chất biện pháp sinh học là sử dụng khả năng hoạt động của VSV để phân hủy các hợp chất bền hữu cơ trong nước thải. Phương pháp này thường được sử dụng để làm sạch các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất phân tán nhỏ, keo. Do vậy, phương pháp này chỉ sử dụng khi đã loại bỏ những chất rắn thô ra khỏi nước thải. Phương pháp này có thể khử được các hợp chất sunfit, muối amonitrat ( các chất chưa bị oxi hóa hoàn toàn). Sản phẩm của quá trình phân hủy sinh hóa các chất ô nhiễm này sẽ là CO2, H2O, N2, SO4 -2… Quá trình phân hủy có thể diễn ra theo sơ đồ sau: 28 Sơ đồ 2.5 Sự chuyển hóa vật chất hữu cơ trong tự nhiên Các nghiên cứu cho thấy VSV có thể phân hủy tất cả các chất hữu cơ thiên nhiên và các chất tổng hợp nhân tạo, chủ yếu là do vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh. Mức độ phân hủy và thời gian phân hủy phụ thuộc trước hết vào cấu tạo của các chất hữu cơ, độ hòa tan trong nước, và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác. Các VSV thường tham gia vào quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học như: Vi khuẩn Nitrosomonas tham gia chuyển hoá NH4 + thành axit nitric. Chúng có dạng hình cầu hay hình bầu dục ngắn. Chúng thuộc dạng vi khuẩn gram (-), không sinh bào tử. Chúng có tiêm mao dài nên chuyển động được. Vi khuẩn Nitrosospira có vai trò tương tự như Nitrosomonas. Chúng có hình thái thay đổi rất mạnh tùy thuộc vào điều kiện môi trường chúng tồn tại. Nhìn chung, đa số chúng có hình dấu phẩy. Vi khuẩn Nitrobacter trong quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat. Chúng thuộc vi khuẩn gram (-) và không tạo bào tử. Chúng cũng có thể sử dụng được CO2 làm nguồn carbon và không cần các hợp chất hữu cơ trong quá trình phát triển của mình. Vi khuẩn hiếu khí C H N P S Vi khuẩn kỵ khí CH4 NH3 hợp chất photpho hữu cơ H2S CO2 H2O -NO2 -NO3 -PO4 -SO4 Các hợp chất hữu cơ Oxy không khí 29 Đặc biệt trong quá trình phản nitrat hóa tập hợp rất nhiều VSV khác nhau để thực hiện quá trình này như: - Chromobacterium denitrificans: loài này không tạo bào tử, chúng thuộc loài yếm khí tùy tiện, có khả năng khử nitrat thành N2 tự do. - Achromobacter stutzeri: loài này thường tạo thành chuỗi dài. Chúng có khả năng làm đông tụ sữa và có khả năng lên men một số đường tạo thành chất khí. - Pseudomonas fluorescens: loài trực khuẩn có khả năng chuyển động. Trong thiên nhiên chúng tạo thành chuỗi. - Bacterium pyocyaneum: loài này có khả năng oxy hóa nitrat thành N2. Trong môi trường chúng thường tạo sắc tố màu xanh. Ngoài ra trong nước thải còn có vi khuẩn Bacillus và Pseudomonas. Chúng là những VSV đóng vai trò chủ yếu trong quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong nước. Trong loài Bacillus còn có nhiều giống như Bacillus mycoides và Bacillus megatherium var photphotium có khả năng chuyển hóa mạnh. Các giống như Bacillus cereus và Bacillus asterosporus cũng có khả năng chuyển hóa tốt. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu bao gồm các quá trình sau: Quá trình hiếu khí Quá trình kị khí Quá trình thiếu khí Quá trình tùy tiện 30 Ngoài ra, các quá trình phụ có thể được kết hợp cùng với các quá trình trên để nâng cao hiệu quả xử lý như: Quá trình sinh trưởng lơ lửng Quá trình sinh trưởng dính bám Xử lý cùng với bùn hoạt tính Tùy điều kiện cụ thể như địa hình, tính chất, khối lượng chất thải, khí hậu, mặt bằng nơi cần xử lý, và kinh phí cho phép với công nghệ thích hợp, người ta sẽ chọn một trong những phương pháp trên hay kết hợp với nhau để xử lý đạt hiệu quả cao nhất. Ưu điểm của phương pháp sinh học:  Có thể xử lý nước thải ô nhiễm ở các mức độ khác nhau.  Hệ thống có thể tự điều chỉnh theo từng chất nhiễm bẩn và nồng độ của chúng  Thiết kế và trang thiết bị đơn giản Nhược điểm của phương pháp sinh học:  Đầu tư cơ bản cho việc xây dựng khá tốn kém.  Phải có chế độ công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh.  Các chất hữu cơ khó phân hủy và chất vô cơ có độc tính đều ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả làm sạch. Các chất có độc tính còn tác động lên cả quần thể sinh vật, làm giảm hiệu suất xử lý của quá trình.  Để xử lý nước thải, ta có thể pha loãng nước thải có nồng độ chất bẩn cao. Điều này sẽ làm gia tăng lượng chất thải và cần nhiều diện tích mặt bằng hơn để xử lý. Tuy vậy, các phương pháp sinh học vẫn được dùng phổ biến rộng rãi và tỏ ra rất thích hợp cho quá trình làm sạch nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy. III.2. Phương pháp hóa lý 31 Phương pháp này được ứng dụng trong trường hợp các chất ô nhiễm là các chất hữu cơ. Nếu chất bẩn có nguồn gốc vô cơ thì phương pháp này không phù hợp. Các phương pháp bao gồm lọc, đông tụ, keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu ngược…để loại ra khỏi nước thải các hạt phân tán lơ lửng ( rắn và lỏng), các chất vô cơ và hữu cơ hòa tan. Ưu điểm của phương pháp hóa lý sau: Có khả năng loại các chất độc hữu cơ không bị oxi hóa sinh học Hiệu quả xử lý cao hơn Kích thước hệ thống xử lý nhỏ hơn Độ nhạy đối với sự thay đổi tải trọng thấp hơn Có thể tự động hóa hoàn toàn Không cần theo dõi hoạt động của sinh vật Có thể thu hồi những chất khác nhau Khuyết điểm Thiết kế và trang thiết bị phức tạp Đòi hỏi hiểu biết về kỹ thuật khá cao Chi phí đầu tư và bảo quản thiết bị rất tốn kém III.3. Các phương pháp hóa học Thực chất phương pháp này là đưa vào nước thải những chất phản ứng để gây tác động với các chất tạp bẩn, biến đổi hóa học và tạo cặn lắng đối với các chất hòa tan không độc hoặc không gây ô nhiễm môi trường. Các phương pháp hóa học trong xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa và khử ví dụ như phương pháp trung hòa, phương pháp keo tụ, phương pháp điện hóa học. Người ta thường sử dụng phương pháp hóa học để khử các chất hòa tan trong hệ thống khép kín. Đôi khi các phương pháp này được dùng để xử lý sơ bộ trước khi xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là phương pháp xử lý lần cuối để thải vào nguồn nước. 32 Ưu điểm Dùng để xử lý chất thải độc hại hay nước thải công nghiệp rất hiệu quả. Có khả năng thu hồi được những chất cần thiết trong nước thải. Khuyết điểm Phương pháp đắt tiền do tất cả các phương pháp đều dùng tác nhân hóa học III.4. Phương pháp hóa sinh Phương pháp này xử lý nước thải dựa trên khả năng hoạt động của vi sinh. Phương pháp được ứng dụng để loại các chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ ra khỏi nước thải. Khi tiếp xúc với các chất hữu cơ, vi sinh vật phân hủy chúng một phần thành nước, khí CO2, ion nitric, và ion sulphat...Phần khác tạo thành khí sinh học. Sự phân hủy này gọi là oxy hóa sinh học. Có hai phương pháp xử lý sinh hóa là hiếu khí và yếm khí. Phương pháp hiếu khí dựa vào việc sử dụng nhóm vi sinh hiếu khí. Hoạt động của chúng cần có oxy và nhiệt độ khoảng 20 – 400C. Khi thay đổi nồng độ oxy và nhiệt độ thì thành phần và khối lượng vi sinh thay đổi. Trong xử lý hiếu khí, các vi sinh được cất trong bùn hoạt tính hoặc trong màng sinh học. Các phương pháp yếm khí diễn ra không cần oxy, chúng được ứng dụng chủ yếu để khử chất cặn độc. Ưu điểm Đơn giản và dễ thiết kế Dễ dàng ứng dụng vào trong thực tiễn Có giá trị kinh tế cao Khuyết điểm Hiệu quả vẫn chưa cao 33 Do quá trình xử lý dựa vào vi sinh nên khi hệ thống VSV kém phát triển sẽ dẫn đến hiệu quả xử lý kém Các chất cặn bã rất độc nên tốn thêm khoảng chi phí để xử lý cặn III.5. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm chất thải III.5.1. Độ pH pH của các loại nước có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh học xảy ra trong nước bao gồm quá trình trao đổi chất, quá trình sinh sản và phát triển của VSV động vật và thực vật. Nó còn ảnh hưởng đến quá trình vật lý xảy ra trong môi trường nước như quá trình chuyển màu, quá trình chuyển trạng thái rắn,lỏng, khí của vật chất, quá trình hòa tan, kết lắng của vật chất. Ngoài ra, pH còn ảnh hưởng rất mạnh đến tất cả phản ứng hóa học xảy ra trong môi trường nước. Vì thế, việc đo pH rất cần thiết để điều khiển quá trình lý học, hóa học, và sinh học như đã trình bày. Đồng thời giá trị pH còn cho ta biết thực trạng trước và sau khi bị tác động của nước tự nhiên và nước bị ô nhiễm, hoặc dùng thông số này để so sánh các loại nước với nhau. Thông số pH được đo bằng máy đo pH III.5.2. Hàm lượng chất rắn Chất rắn là thành phần không hòa tan trong nước. Gồm 2 dạng là chất rắn vô cơ và chất rắn hữu cơ. Chất rắn vô cơ có dạng muối hòa tan hoặc không tan như đất đá ở dạng huyền phù hay lơ lửng. Chất rắn hữu cơ như xác VSV, tảo, động vật nguyên sinh, động vật phù du… Tùy vào kích thước ta có thể xác định được mức độ ô nhiễm Để đo hàm lượng chất rắn lơ lửng ta cân phần cặn trên giấy lọc đã được sấy đến trọng lượng không đổi ở nhiệt độ 103oC-105oC (mg/L) 34 III.5.3. Màu Màu là chỉ số đánh giá sự hiện diện của các chất tạo màu tan trong nước (màu thực tế) và sự có mặt của các chất màu lơ lửng trong nước (màu biểu kiến). Bản chất của nước là không màu. Nước có màu là do các chất bẩn gây nên. Màu sắc làm giảm giá trị cảm quan của nước, giá trị thẩm mỹ khi sử dụng nước, ảnh hưởng đến sản phẩm khi nước có màu trong sản xuất. Ngoài ra, màu nước giúp ta nhận biết mức độ ô nhiễm, thậm chí mức độ độc hại của nước. Có nhiều phương pháp xác định sự ô nhiễm màu, trong đó phương pháp được sử dụng nhiều nhất là phương pháp so màu với các dung dịch chuẩn là Cioraphantinat cob. III.5.4. Lượng oxy hòa tan Oxy là nguyên liệu rất quan trọng cần thiết cho những sinh vật hiếu khí. Thiếu oxy thì mọi quá trình trao đổi sẽ bị ngưng trệ và sinh vật sẽ chết. Trong điều kiên tự nhiên oxy hòa tan trong nước khoảng 8- 10mg/lít. Các chất gây ô nhiễm trong nước thường làm giảm khả năng hòa tan của oxy. Để xác định lượng oxy hòa tan người ta thường dùng phương pháp iot (hay còn gọi là phương pháp Winkle). Phương pháp này dựa vào quá trình oxi hóa Mn2+ thành Mn4+ trong môi trường kiềm. Mn4+ có khả năng oxi hóa I- thành I2 trong môi trường acid. Như vậy lượng I2 được giải phóng tương đương với lượng oxi hòa tan trong nước. Lượng I2 sẽ được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch Na2S2O3 Oxy là một yếu tố cần thiết cho sự sống nên nó được coi như là một thông số rất quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước, mức oxy hóa hay mức ô nhiễm nước. Ngoài ra oxy còn là yếu tố quan trọng trong kiểm soát ăn mòn sắt thép, đặc biệt là đường ống phân phối nước. 35 Hiện nay người ta thường dùng hai phương pháp xác định lượng oxy hòa tan trong nước là IOF và phương pháp đo trực tiếp bằng điện cực oxy với màng nhạy cảm bằng máy đo. III.5.5. Chỉ số BOD (nhu cầu oxy sinh hóa –Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy sinh hóa là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước nhờ VSV. Quá trình này gọi là quá trình oxy hóa sinh học. Quá trình chuyển hóa này phụ thuộc vào rất nhiều những yếu tố sau: Bản chất các chất hữu cơ Số lượng các chất hữu cơ Số lượng và loài sinh vật tham gia Các chất độc, các chất kiềm hãm sinh vật Mục đích của việc xác định hàm lượng oxy hòa tan là: Dùng để tính toán lượng oxy cần thiết oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải Làm cơ sở cho việc tính toán các công trình xử lý ô nhiễm nước và nước thải Đánh giá chất lượng nước trước và sau khi xử lý Đánh giá hiệu suất xử lý của một số quá trình Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học, mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối (để tránh hiện tượng quang hợp trong nước). Chỉ số này được gọi là BOD5. Và phương pháp thường dùng là phương pháp pha loãng mẫu nước bằng cách bổ sung vào một số chất khoáng và làm bão hòa oxy hòa tan. Sau đó đem đi chuẩn độ lượng oxy này. Hạn chế của phương pháp phân tích BOD  Mật độ VSV trong mẫu phân tích cần phải lớn 36  Cần xử lý sơ bộ những chất độc hại trước khi phân tích  Chỉ đo được hàm lượng các chất hữu cơ bị phân hủy bằng con đường sinh học  Thời gian phân tích khá dài (5 ngày) III.5.6. Chỉ số COD (nhu cầu oxy hóa hóa học –Chemical Oxygen Demand) Chỉ số này được sử dụng rộng rãi như là tiêu chuẩn cho hàm lượng chất hữu cơ trong xử lý chất thải. COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hóa, được xác định khi sử dụng một tác nhân hóa học mạnh trong môi trường axit. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp bricromate. III.5.7. Hàm lượng nitơ Hàm lượng nitơ trong môi trường giúp ta xác định khả năng sử dụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm môi trường nước, và mức độ ô nhiễm nước. Vì thế, thông số nitơ là thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng nước. Nitơ thường tồn tại trong ở các dạng hợp chất protein và các sản phẩm phân hủy như amôn, nitrit, nitrat…Đặc biệt trong nước thải tỉ lệ BOD5 với nitơ và photpho có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xử lý nước thải ô nhiễm. Người ta thường sử dụng nitơ tổng số để xác định mức độ ô nhiễm. Phương pháp thường dùng là Kjeldahl, nitơ amoniac được xác định bằng phương pháp so màu hoặc chuẩn độ. Và nitơ nitrit xác định bằng phương pháp so màu. III.5.8. Hàm lượng photpho Trong môi trường nước, photpho tồn tại ở dạng: H2PO4 - , HPO4 - , PO4 3-, dạng polyphotphat, và photpho hữu cơ. Chỉ tiêu photpho có ý nghĩa quan trọng trong xử lý nước để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ, ăn mòn và khả năng xử lý bằng sinh học. 37 Photpho trong môi trường nước sẽ thúc đẩy các loài sinh vật thủy sinh sinh trưởng và phát triển mạnh. Sau đó, tảo và các VSV tự phân, thối rửa và làm ô nhiễm thứ cấp. Việc thiếu oxy hòa tan dẫn đến gây hại ngược lại thực vật thủy sinh. Như đã nói tỉ số BOD5 với nitơ và photpho có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xử lý. Vì thế người ta thường xác định tổng photpho để chọn phương pháp xử lý thích hợp cho đạt hiệu quả cao nhất. Tổng photpho được đo bằng cách chuyển tất cả về dạng photphat và sau đó sẽ phản ứng với amoniummolydate tạo phức màu xanh và đo ở bước sóng 670nm. III.5.9. Một số thông số khác Ngoài ra để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải, người ta có thể căn cứ vào những thông số sau: Độ đục Hàm lượng Sulphat Thông số sinh học Các kim loại nặng Tuy nhiên, do tính giới hạn của đề tài cho nên chúng tôi không thực hiện kiểm tra hết tất cả các thông số này. III.6. Một số tiêu chuẩn chất lượng nước- TCVN 6984:2001 Thông số TCVN 6984:2001 pH BOD5 (20 o C) COD Chất rắn lơ lửng Tổng Nitơ 6- 8,5 ≤45 mg/l ≤90 mg/l ≤100 mg/l ≤60 mg/l 38 Tổng Photpho ≤8 mg/l Bảng 2.1 Tiêu chuẩn chất lượng theo TCVN 6984-2001 (Nguồn: Viện sinh học nhiệt đới TPHCM) IV. Đặc tính của rong Ceratophyllum demersum (hornwort) IV.1. Hình dạng Là loài rong giòn, dễ gãy, mọc thành từng chùm dày đặc, sống ngập nước. Ngoài ra, rong còn một số đặc điểm sau: Không có rễ thực sự, nhưng có lá và sợi đóng vai trò giống như rễ bám vào trầm tích cát hay phù sa. Thân phân nhánh, dài, mềm dẽo, có thể dài lên đến 6m. Lá màu xanh, dài từ 15- 40mm, phân nhánh và có răng cưa. Ra bông từ khoảng tháng mười một đến tháng ba hằng năm. Hình 2.1 Rong thực tế Hình 2.2 Rong nuôi trong bể xử lý IV.2. Môi trường sống của rong - Rong phát triển ở những vùng cống, rãnh, ao hồ, sông có tốc độ dòng chảy chậm hoặc ở những vùng nước đọng. - Phát triển tốt ở vùng khí hậu nhiệt đới, và ở độ sâu 2- 10m. 39 - Phát triển tốt trong môi trường nuớc có độ kiềm nhẹ, giàu Nitơ và những chất dinh dưỡng khác. - Ngoài ra, rong có thể phát triển tốt trong điều kiện ánh sáng yếu nhưng không thể tồn tại ở môi trường quá lạnh giá hay khô hạn. IV.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của rong - Ánh sáng: ảnh hưởng đến sự nảy mầm, sinh sản bào tử, và phát triển của rong. - Nhiệt độ: ảnh hưởng một cách trực tiếp hay gián tiếp đến sự phân bố và đặc tính của rong. - Các nhân tố hóa học trong môi trường nước: những nơi giàu chất dinh dưỡng thì rong phát triển tốt và ngược lại. - Độ pH của nước: rong phát triển tốt ở pH 7.5- 9. - Dòng nước: sự di chuyển mang những chất dinh dưỡng từ nơi khác đến. IV.4. Năng suất sinh khối của thực vật Ở điều kiện nước không bị ô nhiễm, năng suất sinh khối của thực vật thủy sinh khá cao. Ở đó, thực vật sẽ không bị tác động xấu bởi các nhân tố vật lý, hóa học hay sinh học. Các kết quả nghiên cứu cho thấy các loài thủy sinh ngập nước có năng suất sinh khối thường đạt khoảng 3- 18 tấn khô/ ha.năm. Để đánh giá khả năng tạo sinh khối của thực vật thủy sinh, người ta còn đưa ra công thức tính toán sau: Nt = No. X t Trong đó Nt: số lượng cây sau một thời gian kiểm tra No: số lượng cây ban đầu T: khoảng thời gian trong ngày X: hệ số tăng hằng ngày 40 Ngoài ra, người ta có thể xác định khả năng tăng trưởng bằng cách đo chiều cao cây, nhánh cây được tạo ra. Một phương pháp chính xác nhất là người ta thu thập toàn bộ sinh khối thực vật ở thời phát triển cao nhất trong chu trình phát triển cao nhất của chúng, phơi khô, hoặc sấy khô đến trọng lượng không đổi và cân trọng lượng của sinh khối đó. Từ đó, ta tính được năng suất sinh khối thu được trên diện tích cây trong một khoảng thời gian phát triển của chúng. Những số liệu về năng suất sinh khối cho phép ta: So sánh năng suất giữa các loài thực vật với nhau. Dự đoán chính xác hay tính toán khả năng xử lý ô nhiễm. Sử dụng sinh khối này cho mục đích làm phân bón, thức ăn gia súc. Đánh giá khả năng bền vững sinh thái hay sự thay đổi sinh thái do chúng gây ra. Đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường và khả năng xử lý môi trường. IV.5. Những nghiên cứu ứng dụng rong trong xử lý nước thải Trước tình hình ô nhiễm ngày càng cao do dân số tăng nhanh cùng với sự phát triển của xã hội và lợi ích lâu dài của việc phát triển bền vững môi trường, các nghiên cứu xử lý nước thải bằng thực vật ngày càng được các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới quan tâm. - Tác giả Merezhko etal tại Nhật đã nghiên cứu hiệu quả tác động của Ceratophyllum demersum lên sự di chuyển của nitrate và pH của môi trường đó. Kết quả cho thấy tác dụng của rong này lên nitrate rất nhanh chóng. Từ nồng độ nitrate ban đầu là 350 ppm, giảm phân nửa từ 4 đến 5 ngày. Và giảm chỉ còn 75 ppm sau 8 đến 9 ngày. Tỉ lệ giảm nitrate rất cao. Khả năng xử lý của thực vật thủy sinh này còn có khả năng cao hơn nếu nồng độ nitrate ban đầu thấp. - Và thí nghiệm này được tác giả Toetz, DW thực hiện tiếp 1971 dựa trên cơ sở đó phát triển rộng hơn và sâu hơn. Ví dụ như tác giả nghiên cứu thêm tác động của ánh sáng lên rong Ceratophyllum demersum và các loài thực vật thủy sinh khác. 41 IV.6. Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý chất thải bằng thực vật thủy sinh Ưu điểm Ngày nay ở Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới đã sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước thải và nước ô nhiễm. Hiệu quả xử lý tuy chậm nhưng lại rất ổn định đối với những loại nước có hàm lượng COD, BOD thấp và không chứa độc tố. Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước đã đưa ra những ưu điểm cơ bản sau: Chi phí cho xử lý dạng này thường không cao Quá trình công nghệ không đòi hỏi phức tạp Hiệu quả xử lý ổn định với nhiều loại nước thải có mức độ ô nhiễm thấp Sinh khối tạo ra sau quá trình xử lý có thể ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau như:  Làm thức ăn cho gia súc  Làm thức ăn cho thủy hải sản  Dùng sản xuất năng lượng tái sinh  Làm phân xanh, phân bón sau khi xử lý Bộ rễ ngập nước, trôi nổi được xem như là giá thể rất tốt (giống như chất mang) đối với VSV. VSV sẽ bám vào bộ rễ hay thân cây ngập nước nhờ đó sẽ trôi theo cùng thực vật thủy sinh. Chúng sẽ di chuyển từ vị trí này đến vị trí