Xây dựng hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu với sự kết hợp giữa hai phương pháp xử lý, lắng gạn cơ học và phân huỷ sinh học

MỞ ĐẦU Sau than đá, dầu mỏ là nguyên liệu hoá thạch thứ hai được con người biết đến và đưa vào khai thác, sử dụng. Kể từ khi phát hiện ra dầu mỏ đến nay, nó vẫn được coi như là một nguồn năng lượng không thể thiếu cũng như chưa thể thay thế. Chính vì có một vị trí quan trọng đối với loài người mà ngành công nghiệp dầu mỏ ngày một phát triển mạnh mẽ và đã trở thành thế mạnh kinh tế đối với những nước có tiềm năng dầu mỏ. Tuy nhiên, bên cạnh nguồn lợi về kinh tế do ngành công nghiệp này đem lại thì đi cùng với nó là hiểm họa ô nhiễm môi trường có nguyên nhân từ những sự cố khai thác, vận chuyển dầu mỏ trên biển .v.v. Ngoài sự cố tràn dầu phải kể đến một số lượng không nhỏ cặn thải xăng dầu tồn đọng trong các kho chứa, cũng như hàm lượng dầu có trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt ngày càng gia tăng. Vấn đề ô nhiễm dầu ngày nay đang trở thành nỗi bức xúc toàn cầu. Đứng trước những hiểm họa ô nhiễm dầu mỏ và các sản phẩm của nó, để có thể giải quyết một cách triệt để đòi hỏi phải có sự kết hợp nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, công nghệ và các nhà quản lí môi trường cũng như sự hợp tác giữa các đơn vị vận chuyển, kinh doanh và sử dụng dầu mỏ. Hiện nay, công nghệ phân huỷ sinh học (Bioremediation) đã được áp dụng rộng rãi đối với xử lí ô nhiễm dầu và các chất độc hoá học cũng như các chất ô nhiễm khác do có hiệu quả cao, chi phí thấp và an toàn với môi trường. Công nghệ này đã được Viện Công nghệ Sinh học áp dụng thành công xử lí nước thải nhiễm dầu tại Công ty xăng dầu B12, Quảng Ninh. Kho Cảng B12 thuộc Công ty xăng dầu B12 là địa điểm nhạy cảm, nằm sát vịnh Cửa Lục, Vịnh Hạ Long đã được xây dựng hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu với sự kết hợp giữa hai phương pháp xử lý, lắng gạn cơ học và phân huỷ sinh học. Nước thải qua xử lý làm sạch đã đạt tiêu chuẩn môi trường để thải thẳng ra vịnh Hạ Long. Vì vậy, đề tài”…..” mang ý nghĩa thực tiễn cao, nhằm nghiên cứu đưa ra biện pháp xử lý nước nhiễm dầu thích hợp, bảo vệ môi trường và sử dụng chất thải nhiễm dầu một cách hiệu quả. CHƯƠNG I:TỔNG QUAN 1.1 .Tình hình ô nhiễm dầu mỏ, sản phẩm từ dầu mỏ trên thế giới và Việt Nam Hiện nay, dầu mỏ được coi là một trong những nguồn năng lượng chính phục vụ cho các ngành sản xuất công nghiệp và đời sống xã hội. Hằng năm, trên thế giới tiêu thụ một nguồn năng lượng lớn trong đó nguồn năng lượng lấy từ dầu mỏ chiếm khoảng 37,9% tổng năng lượng sử dụng toàn cầu . Bên cạnh những nguồn lợi về kinh tế do việc khai thác, xuất khẩu và tinh chế dầu mỏ đem lại thì những vấn đề về ô nhiễm dầu do ngành công nghiệp này gây ra đang trở thành vấn đề bức xúc với môi trường toàn cầu. Những dẫn chứng sau sẽ cho thấy mối nguy hại của vấn đề ô nhiễm dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ với môi trường. Điển hình phải nói đến vụ đắm tàu ở Alaska vào năm 1989 đã tràn ra biển 41 triệu tấn dầu và kết qủa làm ô nhiễm gần 2000 km bờ biển . Trong chiến tranh vùng vịnh năm 1991, đã gây ra thảm hoạ là 0,82 triệu tấn dầu tràn ra vịnh Coet đã để lại hậu quả nặng nề cho toàn bộ hệ sinh thái biển khu vực vịnh. Gần đây vụ tràn dầu tại vịnh Tokyo vào tháng 7 năm 1997 đã đổ ra 1300 tấn dầu thô, làm ô nhiễm 10 đến 13 km bờ vịnh có nguy cơ huỷ diệt hệ sinh thái vùng vịnh và một số loài sinh vật biển ở đây có nguy cơ tuyệt chủng. Một vài ví dụ trên cho thấy việc khai thác và vận chuyển dầu mỏ trên biển đã và sẽ là nguy cơ gây ô nhiễm môi trường biển, tuy nhiên ô nhiễm dầu còn bắt nguồn từ những nhà máy, xí nghiệp sử dụng dầu làm nguyên nhiên liệu cho sản xuất, những hoạt động giao thông đường thuỷ, các hoạt động vệ sinh bồn bể chứa tại các kho cảng cũng như các tàu chở dầu .v.v. Phần lớn các hoạt động trên của con người là thải trực tiếp nước thải nhiễm dầu ra nguồn nước mặt. Chỉ có số ít các công ty hoạt động trong lĩnh vực khai thác, kinh doanh dầu mỏ với lượng chất thải nhiễm dầu quá lớn thì giữ lại đợi xử lí. Người ta ước tính rằng trong 2 triệu tấn dầu chảy ra biển thì 10% có nguyên nhân từ các tai nạn tàu chở dầu trên biển, 10% tương đương là vận tải trên biển, còn 70% là do các nguồn khác nhau xuất phát từ đất liền (nước thải công nghiệp, đô thị, rò rỉ từ nhà máy lọc dầu và bến cảng), còn lại 10% là do các hoạt động khác. Ngành dầu khí Việt Nam đang có những bước phát triển mạnh mẽ. Hàng năm khai thác được trên 9 triệu tấn dầu thô và con số này sẽ càng gia tăng. Dự kiến khai thác của xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro trong giai đoạn của những năm đầu của thập kỉ này sẽ là 23-24 triệu tấn/năm. Theo tính toán của Tổng Công ty Dầu khí Việt Nam, trong những năm đầu của thập kỉ mới sản lượng tiêu thụ dầu của nước ta sẽ lên tới 10-12 triệu tấn mỗi năm. Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu, Tổng Công ty Dầu khí Việt Nam dự kiến sẽ thúc đẩy khai thác tại những mỏ cũ như: Bạch Hổ, Đại Hùng .v.v. đồng thời thúc đẩy khoan thăm dò những mỏ mới trên thềm lục địa Việt Nam. Ngoài ra để đáp ứng nhu cầu phát triển và hội nhập của nền kinh tế nước ta, Tổng công ty Dầu khí Việt Nam đang xây dựng nhà máy lọc dầu tại Dung Quất, Quảng Nam và sẽ tiến hành xây dựng thêm một vài nhà máy khác tại các tỉnh có bờ biện thuận lợi. Bên cạnh những nguồn lợi to lớn do nền công nghiệp dầu khí đem lại thì luôn đi cùng với nó là nguy cơ ô nhiễm môi trường. Ngoài những nỗ lực chủ động ngăn ngừa, mỗi năm Vietsovpetro phải thu gom xử lý khoảng 1500-6000 tấn cặn dầu. Tuy nhiên con số này còn quá nhỏ so với 20000 tấn dầu thô thất thoát ra biển từ các hoạt động khai thác dầu ở thềm lục địa Việt Nam (theo số liệu thống kê của Trung tâm Quản lý và Kiểm soát môi trường). Do nhu cầu về kinh tế và xã hội hằng năm nước ta phải thu nhập một khối lượng không nhỏ xăng dầu, tuy nhiên nhiều doanh nghiệp kinh doanh và sử dụng dầu mỏ đều không có hệ thống xử lý nước thải, cặn nhiễm xăng dầu .v.v. những loại phế thải này được đổ thẳng ra môi trường nước mặt đã và sẽ ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên. Hiện nay một trong những biện pháp xử lí ô nhiễm dầu được coi là thân thiện với môi trường và có giá thành rẻ nhất phải kể đến phương pháp phân huỷ sinh học. Phương pháp đang được các nhà quản lý và khoa học công nghệ quan tâm vì phù hợp với điều kiện kinh tế và xã hội của những nước đang phát triển trong đó có Việt Nam. 1.1. Đặc điểm dầu mỏ và ảnh hưởng của nó đến sự phân huỷ sinh học dầu mỏ 1.1.1. Đặc điểm vật lí của dầu mỏ Dầu mỏ là chất lỏng sánh, có màu từ vàng sáng đến đen, có mùi đặc trưng, nhẹ hơn nước và có nhiệt độ sôi thấp hơn 250oC. Khi dầu tràn ra sẽ nổi trên mặt nước và có xu hướng loang ra xung quanh, tạo thành lớp bao phủ trên mặt nước hình thành một lớp dầu bóng và dễ bay hơi. Sóng và gió làm cho dầu và nước trộn lẫn vào nhau tạo thành nhũ dầu. Nhũ dầu có chứa hơn 70% nước biển trở nên khá nhớt, làm tăng diện tích bề mặt do đó tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật (VSV) tấn công và phân huỷ dầu một cách dễ dàng. Tuy nhiên, những khối nhũ quá lớn và dầu bị vón cục thì sẽ hạn chế sự phân huỷ của vi sinh vật Như vậy đặc điểm lí học của dầu mỏ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phân huỷ sinh học của chính bản thân nó. 1.1.2. Đặc điểm hoá học của dầu mỏ Dầu mỏ là một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ gồm hai thành phần chủ yếu: hydrocarbon và phân cực, trong đó các hợp chất hydrocarbon chiếm 60% đến 90% trong dầu thô. Hydrocarbon chia thành 2 loại: hydrocarbon no và hydrocarbon thơm. Hydrocarbon no gồm các n- alkan mạch thẳng, n- alkan mạch nhánh và hydrocarbon no mạch vòng. Hydrocarbon thơm gồm có hydrocarbon thơm đơn nhân như toluen, benzen, ethylbenzen, xylen (TBEX) v.v. và hydrocarbon thơm đa nhân (polycyclic aromatic hydrocarbon - PAH). Theo các nghiên cứu về dầu thô ở Poncacity, Oklahoma đã tách được trên 200 loại hydrocarbon trong đó bao gồm các n – parafin (từ C1 đến C32), 4 hexan phân nhánh, 8 heptan trong đó có 6 phân nhánh, 15 octan phân nhánh. Ngoài ra, có thể có tất cả các đồng phân C8, C9 của alkylbenzen. Thành phần phân cực gồm asphalten và resin, đây là các hợp chất có chứa nitơ, lưu huỳnh, oxy và cacbon. Asphalten gồm có phenol, axit béo, keton, este hydrocarbon có nhân porphyrin và resin bao hàm các pyridin, quinolin, sylgoxyt, sulfoxyt và amit. Dầu mỏ và các sản phẩm có nguồn gốc dầu mỏ thường có thành phần các phân đoạn khác nhau. Dầu thô, dầu nhiên liệu (FO) thường có hàm lượng cao thành phần phân cực, trong khi đó dầu diezen (DO), xăng thường có thành phần chính là các hydrocarbon no. Cấu tạo của hydrocarbon trong thành phần dầu mỏ cũng ảnh hưởng đến sự phân huỷ dầu của vi sinh vật. Các alkan mạch thẳng dễ bị phân huỷ nhất, sau đó đến alkan mạch nhánh, tiếp đến là hydrocarbon thơm có trọng lượng phân tử thấp, rồi đến hydrocarbon thơm có trọng lượng phân tử lớn và cuối cùng là các hợp chất phân cực. Trong các alkan mạch thẳng các alkan có độ dài từ C10 đến C24 thường được phân huỷ nhanh nhất, các chuỗi dài hơn thường khó phân huỷ, các chuỗi ngắn hơn gây độc cho các vi sinh vật nhưng chúng lại dễ bay hơi. Riêng các alkan có trọng lượng phân tử lớn hơn 500 thì hoàn toàn không được các vi sinh vật sử dụng . Trong tự nhiên PAH là các chất gây ô nhiễm và phân bố rộng rãi. PAH tồn tại ở môi trường tự nhiên có nguồn gốc do các hoạt động như khai thác, chế biến, vận chuyển dầu mỏ, sản xuất than, sản xuất hoá chất và là sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn các nguồn nhiên liệu thô. Một số PAH có khả năng gây độc, gây ung thư và đột biến đối với con người và động vật, do đó một trong những chỉ tiêu đánh giá quá trình làm sạch ô nhiễm dầu mỏ đó là loại bỏ PAH kể cả các PAH có trọng lượng phân tử cao bởi nhiều nhóm vi sinh vật. So với hydrocarbon no các hợp chất hydrocarbon thơm thường được sử dụng chậm hơn và đặc biệt với hydrocarbon đa nhân. Tuy nhiên mức độ so sánh khả năng phân huỷ chỉ mang tính tương đối. Hình 1.1 : Thành phần hoá học của dầu 2.Giới thiệu về công ty xăng dầu B12 và tình hình xử lý nước thải tại công ty. 2.1. Lịch sử hình thành và phát triển. Công ty xăng dầu B12 là Công ty xăng dầu trực thuộc Tổng Công ty xăng dầu Việt Nam. Ngày 27 tháng 6 năm 1973, Công ty xăng dầu B12 được thành lập theo quyết định số 351/VT-QĐ của Bộ Vật tư(cũ) và chính thức đi vào hoạt động ngày 1 tháng 7 năm 1973. Hiện nay Công ty có 1769 lao động. Với nhiệm vụ chủ yếu: Tổ chức tiếp nhận xăng dầu nhập khẩu, nhập điều động nội bộ nghành, bơm chuyển xăng dầu bằng đường ống, bảo quản dự trữ xăng dầu quốc gia và tổ chức kinh doanh các loại xăng dầu, dầu mỡ nhờn, gas...trên địa bàn các tỉnh Quảng Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, và một phần của Thành phố Hải Phòng. Đảm bảo kinh doanh có hiệu quả và tạo nguồn đảm bảo hơn 80% khối lượng xăng dầu phục vụ cho sự phát triển kinh tế, xã hội, an ninh quốc phòng các tỉnh và thành phố phía Bắc. 2.1.1. Chức năng, nhiệm vụ của Công ty xăng dầu B12. Công ty xăng dầu B12 có nhiệm vụ chính là cung ứng các sản phẩm hóa dầu cho nhu cầu tiêu dùng của hầu hết các tỉnh phía Bắc theo nhiều loại hình kinh doanh khác nhau. Xăng dầu nhập khẩu tại Cảng dầu B12, được tồn chứa trong hệ thống kho bể và vận chuyển bằng đường ống, đường bộ, đường thủy tới các đơn vị tuyến sau và hệ thống các cửa hàng bán lẻ. Ngoài ra Công ty còn có tham gia vào nhiệm vụ dự trữ xăng dầu quốc gia(hàng P10) góp phần đảm bảo an ninh về năng lượng. Công ty xăng dầu B12 trực thuộc Tổng Công ty xăng dầu Việt Nam có tư cách pháp nhân chịu sự chỉ đạo trực tiếp của Tổng Công ty theo chế độ phân cấp hiện hành, đồng thời chịu sự kiểm tra, quản lý của chính quyền địa phương nơi Công ty hoạt động. 2.1.2. Cơ cấu tổ chức của Công ty xăng dầu B12. Sơ đồ cơ cấu tổ chức:
 Sơ đồ cơ cấu tổ chức Công ty xăng dầu B12 2.2.Tình hình xử lý nước thải nhiễm dầu tại công ty. Công ty chủ động phối hợp với cơ quan chức năng, chuyên ngành tổ chức nghiên cứu áp dụng biện pháp quản lý môi trường một cách chặt chẽ và đồng bộ, đã lập báo cáo đánh giá tác động môi trường và kiểm soát ô nhiễm môi trường đối với cảng và kho có những biện pháp tích cực nhằm chủ động khắc phục, xử lý kịp thời. Hàng năm công ty đã chi hàng tỷ đồng cho công tác hoạt động hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu, bảo vệ môi trường bảo đảm tiêu chuẩn nhà nước quy định. Hàng năm công ty xây dựng lại hệ thống quy trình phù hợp với các quy định của pháp luật về bảo vệ môi trường, nghiên cứu áp dụng các giải pháp tiên tiến, hiện đại, chế độ quản lý khoa học nhằm nâng cao độ tin cậy trong vận hành và hạn chế ô nhiễm môi trường đến mức thấp nhất. Bằng nội lực của mình , Công ty đã phối hợp với viện công nghệ sinh học thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia lựa chọn và ứng dụng thành công phương pháp “ ứng dụng công nghệ phân huỷ sinh học, để xử lý nước thải nhiễm dầu”.Nước thải sau khi xử lý qua hệ thống này thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn Nhà nước quy định. Kiên cố hoá hệ thống thu gom nước thải xăng dầu theo chu trình kín, toàn bộ nước thải được dẫn về khu xử lý tạo nên quy hoặch của kho xăng dầu sạch, đẹp giảm thiểu nguồn nước thải lắng đọng trong kho, xây dựng khu xử lý nước thải thành nơi thoáng mát, sinh động. 3.Thành phần và tính chất của nứơc thải. Ô nhiễm nước là việc đưa vào các nguồn nước các tác nhân lý, hóa, sinh học và nhiệt không đặc trưng về thành phần hoặc hàm lượng đối với môi trường ban đầu đến mức có khả năng gây ảnh hưởng xấu đến sự phát triển bình thường của một loại sinh vật nào đó hoặc thay đổi tính chất trong lành của môi trường ban đầu. Để thiết kế các công tŕnh xử lý nước thải, trước tiên chúng ta phải biết đặc điểm, thành phần của các chất gây ô nhiễm. Các đặc điểm lý học, hóa học và sinh học của nước thải và nguồn sinh ra nó Đặc điểm  Nguồn   Lý học      Màu  Nước thải sinh hoạt hay công nghiệp, thường do sự phân hủy của các chất thải hữu cơ.   Mùi  Nước thải công nghiệp, sự phân hủy của nước thải   Chất rắn  Nước cấp, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, xói mòn đất.   Nhiệt  Nước thải sinh hoạt, công nghiệp   Hóa học      Carbohydrate  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp   Dầu, mỡ  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp   Thuốc trừ sâu  Nước thải nông nghiệp   Phenols  Nước thải công nghiệp   Protein  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp   Chất hữu cơ bay hơi  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp   Các chất nguy hiểm  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp   Các chất khác  Do sự phân hủy của các chất hữu cơ trong nước thải trong tự nhiên   Tính kiềm  Chất thải sinh hoạt, nước cấp, nước ngầm   Chlorides  Nước cấp, nước ngầm   Kim loại nặng  Nước thải công nghiệp   Nitrogen  Nước thải sinh hoạt, công nghiệp   pH  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp   Phosphorus  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp; rửa trôi   Sulfur  Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp; nước cấp   Hydrogen sulfide  Sự phân hủy của nước thải sinh hoạt   Methane  Sự phân hủy của nước thải sinh hoạt   Oxygen  Nước cấp, sự trao đổi qua bề mặt tiếp xúc không khí - nước   Sinh học      Động vật  Các dụng chảy hở và hệ thống xử lý   Thực vật  Các dụng chảy hở và hệ thống xử lý   Eubacteria  Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý   Archaebacteria  Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý   Viruses  Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý   Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Các chất ô nhiễm quan trọng cần chú ý đến trong quá trình xử lý nước thải Chất gây ô nhiễm  Nguyên nhân được xem là quan trọng   Các chất rắn lơ lửng  Tạo nên bùn lắng và môi trường yếm khí khi nước thải chưa xử lý được thải vào môi trường. Biểu thị bằng đơn vị mg/L.   Các chất hữu cơ có thể phân hủy bằng con đường sinh học  Bao gồm chủ yếu là carbohydrate, protein và chất béo. Thường được đo bằng chỉ tiêu BOD và COD. Nếu thải thẳng vào nguồn nước, quá tŕnh phân hủy sinh học sẽ làm suy kiệt oxy hòa tan của nguồn nước.   Các mầm bệnh  Các bệnh truyền nhiễm có thể lây nhiễm từ các vi sinh vật gây bệnh trong nước thải. Thông số quản lý là MPN (Most Probable Number).   Các dưỡng chất  N và P cần thiết cho sự phát triển của các sinh vật. Khi được thải vào nguồn nước nó có thể làm gia tăng sự phát triển của các loài không mong đợi. Khi thải ra với số lượng lớn trên mặt đất nó có thể gây ô nhiễm nước ngầm.   Các chất ô nhiễm nguy hại  Các hợp chất hữu cơ hay vô cơ có khả năng gây ung thư, biến dị, thai dị dạng hoặc gây độc cấp tính.   Các chất hữu cơ khó phân hủy  Không thể xử lý được bằng các biện pháp thông thường. Ví dụ các nông dược, phenols...   Kim loại nặng  Có trong nước thải thương mại và công nghiệp và cần loại bỏ khi tái sử dụng nước thải. Một số ion kim loại ức chế các quá tŕnh xử lý sinh học   Chất vô cơ hòa tan  Hạn chế việc sử dụng nước cho các mục đích nông, công nghiệp   Nhiệt năng  Làm giảm khả năng bão hòa oxy trong nước và thúc đẩy sự phát triển của thủy sinh vật   Ion hydrogen  Có khả năng gây nguy hại cho TSV   Nguồn: Wastewater Engineering: Treatment, Diposal, Reuse, 1989 Low-maintenance Mechanically Simple Wastewater Treatment systems, 1980 Ở các thành phố có nhiều nhà máy, khu công nghiệp, nước thải công nghiệp ảnh hưởng rất lớn đến thành phần nước thải chung của thành phố, thị trấn v́ nó chứa nhiều các chất gây ô nhiễm ở nồng độ cao và tùy theo từng nhà máy thành phần chất gây ô nhiễm rất phức tạp. Do đó để giảm thiểu chi phí cho việc quản lư và xử lư, mỗi nhà máy cần phải có các hệ thống xử lư riêng để nước thải thải vào các nguồn nước công cộng phải đạt đến một tiêu chuẩn cho phép nào đó.   Các loại chất thải và các nguồn thải chính Loại chất thải  Từ cống rănh, kênh thoát nước  Từ các nguồn chảy tràn      Nước thải sinh hoạt  Nước thải công nghiệp  Chảy tràn từ khu sx nông nghiệp  Chảy tràn ở khu vực thành thị   Các chất thải cần oxy để phân hủy  ´  ´  ´  ´   Dưỡng chất  ´  ´  ´  ´   Các mầm bệnh  ´  ´  ´  ´   Chất rắn lơ lửng/cặn lắng  ´  ´  ´  ´   Muối     ´  ´  ´   Kim loại độc     ´     ´   Chất hữu cơ độc     ´  ´      Nhiệt     ´         4. Chỉ tiêu nước thải được phép thải ra môi trường ngoài.( bảng chỉ tiêu này còn thiếu) Chương 3: Ứng dụng công nghệ phân huỷ sinhs học xử lý nước thải nhiễm dầu tại Công ty xăng dầu B12. 3.1.Tổng quan về công nghệ sinh học trong xử lý nước thải nhiễm dầu. Việc làm sạch ô nhiễm dầu muốn thành công và bảo đảm sự an toàn cho môi trường ở mức có thể, nhất thiết phải kết hợp hài hoà giữa các giải pháp kĩ thuật mà trong đó công nghệ phân huỷ sinh học ( Bioremediation) sẽ đóng vai trò quyết định ở khâu sau cùng. Để xử lý nước thải nhiễm dầu ở Công ty xăng dầu B12 đạt tới mức độ tối ưu nhất, Công ty đã áp dụng công nghệ xử lý sinh học vào khâu cuối cùng của quá trình xử lý nước thải. Bản chất của công nghệ phân huỷ sinh học là: Bổ sung tập đoàn vi sinh vật phân huỷ dầu, thay đổi một số yếu tố như các nguồn dinh dưỡng, oxy….nhằm kích thích sự phát triển của tập đoàn vi sinh vật nói trên và tập đoàn vi sinh vật tồn tại sẵn có trong nước thải có khả năng phân huỷ dầu để sau một thời gian ngắn nhất sản phẩm ô nhiễm sau khi xử lý có thể thải ra môi trường. Sử dụng phân hủy sinh học xử lý ô nhiễm dầu đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu từ năm 1967. Công nghệ phân huỷ sinh học đảm bảo an toàn cho môi trường hơn tất cả các công nghệ khác, đặc biệt trong điều kiện sinh thái đa hệ việc áp dụng công nghệ phân hủy sinh học làm sạch dầu cũng như làm sạch các chất độc khác đạt hiệu quả cao nhất. Người ta ước tính chi phí cho sử dụng các biện pháp vật lí xử lí ô nhiễm dầu ở Alaska khong 1 triệu USD/ ngày, trong khi đó chi phí cho việc ứng dụng phân huỷ sinh học tốn ít hơn nhiều. Xử lí ô nhiễm hữu cơ bằng phân huỷ sinh học là phương pháp an toàn, rẻ và có thể áp dụng ở các qui mô rất lớn ngoài tự nhiên. Chi phí cho xử lí 0,914 m3 khối ô nhiễm bằng phân huỷ sinh học chỉ hết từ 40-250 USD trong khi đó các phương pháp khác đều có giá thành cao hơn nhiều thậm chí nếu xử lí bằng phương pháp đốt có thể lên tới 250 - 800 USD, hơn nữa các phương pháp này có thể gây ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước ngầm. Quá trình phân huỷ sinh học dầu ô nhiễm vẫn diễn ra ở các nồng độ dầu rất cao. Tuy nhiên, theo Dibble và Bartha quá trình phân huỷ dầu trong đất xảy ra thuận lợi nhất khi hàm lượng dầu dưới 10%. Do vậy, để công nghệ phân huỷ sinh học đạt hiệu quả cao nhất và rút ngắn thời gian xử lí cần giảm bớt lượng dầu bằng các biện pháp cơ học đến mức mà vi sinh vật có thể phân huỷ được. Mặc dầu có những ưu việt hơn các công nghệ khác tuy nhiên chỉ trong những năm của thập kỉ 90 công nghệ này mới được sử dụng rộng rãi và ở những qui mô lớn, điển hình là vụ dầu tràn ở Alaska, Mỹ với hàng trăm km bờ biển bị nhiễm dầu . Bản chất của công nghệ phân huỷ sinh học là kích thích sự phân huỷ, sự phát triển của tập đoàn vi sinh vật bản địa có khả năng phân huỷ dầu hoặc các chất gây ô nhiễm khác có sẵn trong tự nhiên, bằng cách thay đổi các yếu tố môi trường như độ thông khí, các chất dinh dưỡng như nguồn nitơ và photpho, các chất vi lượng, các chất hoạt động bề mặt sinh học .v.v. có nghĩa là tạo ra điều kiện tối ưu để vi sinh vật sử dụng các thành phần dầu mỏ phát triển và hoạt động phân huỷ Sản phẩm cuối cùng của phân huỷ sinh học được tạo ra điều kiện hiếu khí và kị khí là các axit hữu cơ, nước, CO2 và sinh khối vi sinh vật. Các sản phẩm này không độc và không gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường. Ở Việt Nam, trong một vài năm vừa qua Viện Công nghệ Sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu thành công và đưa vào áp dụng đề tài nhà nước “ Nghiên cứu làm sạch ô nhiễm dầu bằng phương pháp sinh học (Bioremediation)” tại các kho của Công ty xăng dầu B12, Quảng Ninh và kho K99, quân đội. Nước thải sau khi qua xử lý sinh học đều đạt các tiêu chuẩn cho phép. Tuy nhiên để rút ngắn thời gian xử lý và nhân rộng ra các điểm ô nhiễm dầu khác cần thiết có các nghiên cứu sâu hơn về công nghệ, vi sinh vật cũng như sử dụng một số kỹ thuật sinh học phân tử. 1.4.1. Vai trò vi sinh vật trong phân huỷ sinh học ô nhiễm dầu mỏ Dầu mỏ là một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ có khả năng gây ô nhiễm môi trường. Trong dầu mỏ, chủ yếu là các hợp chất hydrocarbon nên dễ bị vi sinh vật phân huỷ trong điều kiện hiếu khí và kị khí. Vào năm 1946, Zobell đã nghiên cứu hoạt động của vi sinh vật liên quan đến hợp chất hydrocarbon. Ông nhận thấy rằng có nhiều loại vi sinh vật có khả năng sử dụng hydrocarbon như nguồn cacbon và năng lượng duy nhất. Các vi sinh vật này phân bố một cách rộng rãi trong tự nhiên. Trong điều kiện tự nhiên, các vi sinh vật phân huỷ dầu và các sản phẩm từ dầu mỏ luôn tồn tại và phân bố rộng rãi trong các hệ sinh thái khác nhau như trong đất, nước ngọt, nước biển, các mẫu trầm tích, vùng cực, suối nước nóng, mỏ dầu, môi trường axit, kiềm hoặc nồng độ muối cao .v.v. và vô cùng đa dạng về chủng loài, bao gồm các nhóm vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm sợi, nấm men và một số loại tảo. Căn cứ vào số lượng của chúng có thể đánh giá được mức độ ô nhiễm của môi trường, tuy nhiên ở mỗi vùng sinh thái hoặc các điểm khác nhau số lượng cũng như chủng loại vi sinh vật có thể không giống nhau. Trong tự nhiên số lượng vi sinh vật sử dụng dầu thường chiếm khoảng dưới 1% tổng số vi sinh vật dị dưỡng, tuy nhiên khi môi trường bị nhiễm dầu số lượng các nhóm vi sinh vật này đều tăng nhanh chóng và có thể lên tới 10% trong tổng số vi sinh vật dị dưỡng, thậm chí trong một số trường hợp đặc biệt có thể tới 90%. Vai trò của các nhóm vi sinh vật sử dụng dầu thể hiện rất khác nhau trong các môi trường khác nhau. Trong hệ sinh thái nước vai trò của vi khuẩn và nấm men trội hơn, nhưng trong đất nấm sợi và vi khuẩn là những nhóm vi sinh vật chính sử dụng hydrocarbon. Theo Floodgate nấm sợi chỉ chiếm tỉ lệ nhỏ trong quần thể vi sinh vật, tuy nhiên số lượng nấm sợi sẽ tăng lên ở các vùng gần bờ, vùng triều và vùng rừng ngập mặn . Rhodococus có khả năng phân huỷ mạch cacbon trung bình (C6), mạch cacbon dàI từ C16-C18, benzene và toluene . Số lượng vi sinh vật có khả năng phân huỷ dầu phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm của từng địa điểm: ở những vùng không bị ô nhiễm trong 1 gram đất ướt có thể có tới 103-107 CFU/g (theo Atlas và Bartha 1987). Trong khi đó vi sinh vật sử dụng dầu ở nước biển thường thấp hơn, số lượng trong khoảng 104-105 CFU/ml (theo Hazenet LA 1991; Balkwill and Ghiorse 1985; Ghiorse and Balkwill 1993). Vi sinh vật có khả năng phân huỷ hydrocarbon được phân bố rộng rãi trong tự nhiên: đất, nước .v.v. Tuy nhiên, không một vi sinh vật đơn lẻ nào có khả năng phân huỷ tất cả các loại hydrocarbon có trong thành phần của dầu mỏ. Mỗi loại vi sinh vật chỉ có thể phân huỷ mạnh một vài hydrocarbon khác nhau. Đưa vi sinh vật vào các địa điểm ô nhiễm đòi hỏi chi phí cao và nhiều khi mang lại hiệu quả không tốt do rất nhiều nguyên nhân như sự cạnh tranh của vi sinh vật, độ độc của môi trường, sự thiếu hụt nguồn dinh dưỡng .v.v.. Để bảo vệ sự đa dạng vi sinh vật và an toàn đối với môi trường cần có sự giám sát chặt chẽ khi đưa các vi sinh vật từ các nơi khác để xử lí ô nhiễm, nhất là với các vi sinhvật đã được chuyển gen . Với các hợp chất khó bị phân huỷ bởi vi sinh vật như thành phần phân cực (asphalten), hydrocarbon thơm đa nhân có trọng lượng phân tử cao (từ 4 vòng trở lên) người ta có thể bổ sung các tập đoàn vi sinh vật bên ngoài và yếu tố môi trường phải được điều khiển chính xác. Vấn đề này có thể không thực sự cần thiết do các hợp chất asphalten có độ hoà tan thấp trong nước và không ảnh hưởng tới vi sinh vật, ngoài ra hầu hết các loại dầu thô có nồng độ rất thấp các hydrocarbon thơm đa nhân có trọng lượng phân tử cao . Kết quả từ các nghiên cứu sử dụng các chế phẩm vi sinh vật từ 10 công ty xử lý ô nhiễm dầu trong phòng thí nghiệm và hiện trường Prince William Sound, Alaska cho thấy sau 27 ngày không có sự khác nhau giữa 4 lô thí nghiệm. 1.4.2. Cơ chế phân huỷ dầu của vi sinh vật 1.4.2.1 Cơ chế chuyển hoá hydrocarbon no 1.4.2.1.1. Phân huỷ n-alkan mạch thẳng Hiện nay các tài liệu công bố cho thấy có thể có bốn con đường tấn công của vi sinh vật đối với n-alkan mạch thẳng Con đường 1: Oxy hoá tại một nhóm methyl tận cùng (monoterminal oxidation pathway) + Trường hợp 1: Phần lớn vi sinh vật mở đầu quá trình trao đổi chất ở n-alkan bằng một đầu tận cùng của nhóm methyl nhờ enzym hydrolaza (monoxygenaza) tạo rượu, andehyt, rồi sau đó là axit hữu cơ. Quá trình oxi hóa trên có thể được mô tả qua chuỗi các phản ứng sau: CH3(CH2)nCH3 ( CH3(CH2)nCH2OH ( CH3(CH2)nCHO ( CH3(CH2)nCOOH Giai đoạn này đòi hỏi sự tham gia của một phân tử oxy và chất cho điện tử enzym hydrolaza NADPH2, oxy sẽ kết hợp với phân tử n-alkan và chuyển hoá n-alkan thành rượu, đồng thời giải phóng ra một phân tử H2O. R-CH3 + O2 + NAD(P)H + H+ = R-CH2-OH + NAD(P) + H2O Loài vi khuẩn Pseudomonas oleovorans là đối tượng được nghiên cứu kỹ nhất về cơ chế phân huỷ n-alkan. Các gen alkB, alkF, alkG, alkJ, alkK, alkL tham gia vào quá trình chuyển hoá n-alkan được điều khiển bởi gen alkS đều nằm trên plasmid OCT (hình 1.1). Hình 1.1. Hệ thống oxy hoá n-ankan được mã hoá bởi plasmid OCT ở loài P. oleovorans + Trường hợp 2: Ít xảy ra hơn, có sự tham gia của enzym dioxygenaza, khi đó các phân tử oxy sẽ được chuyển hoá vào trong phân tử n-alkan và biến đổi chúng sang một dạng khác hydroperoxyt không bền và ngay lập tức chúng lại bị chuyển hoá thành rượu và nước. R-CH2-CH3 + O2 ( R-CH2-CH2-OOH R-CH2-CH2-OOH + NADPH2 ( R-CH2-CH2-OH + NADP + H2O Trong hầu hết trường hợp, bước đầu tiên là sự tấn công trực tiếp vào nhóm methyl của phần cuối và tạo phân tử rượu. Nếu mức độ oxy hoá cao hơn có thể tạo ra tới aldehyt hay axit béo. Có trường hợp nhóm methyl cuối cùng bị oxy hoá và lúc này sản phẩm tạo ra là axit dicacboxylic. Đây là cách để đi vòng qua sự ngăn cản tới chuỗi b-oxy hoá để thực hiện việc chuyển hoá tiếp theo đối với các chuỗi cacbon có mạch nhánh. Khi các axit béo được tạo thành, sự phân huỷ tiếp tục xảy ra qua sự (-oxy hoá. Các axit béo mạch dài được chuyển hoá tới axetylCoA, được hoạt hoá bới một chuỗi các enzym và kết quả là nhóm axetylCoA bị chia cắt, axit béo sẽ có mạch ngắn đi hai nguyên tử C. Quá trình này được lặp lại và cuối cùng phân tử CoA qua chu trình Creb và được chuyển hoá tới CO2 và H2O. Trong chuỗi (-oxy hoá không nhất thiết có mặt của phân tử oxy và sau khi được hoạt hoá các axit béo có thể bị phân huỷ trong điều kiện kỵ khí. Ở một số nấm men như Candida maltosa, C.tropicalis và C.apicpla sử dụng n-alkan và hydrocarbon no mạch thẳng như là nguồn năng lượng duy nhất, quá trình oxi hoá có sự tham gia các dạng cytocrom P450 microsom. Theo Scheller và cộng sự quá trình oxy hoá n-alkan có thể xảy ra theo hướng oxy hoá nhóm methyl cuối cùng và oxy hoá hai nhóm methyl ở hai đầu của chuỗi n-alkan với sự tham gia của các dạng cytocrom P450 microsom. Con đường 2: oxy hoá tại nhóm methyl gần tận cùng ( subterminal oxidation) R1-CH2-CH2-CH2- R2 ( R1-CH2-CH(OH)-CH2-R2 ( R1-CH2-C(O)-CH2-R2 ( R1-CH2-O-C(O)-CH2-R2 ( R1-CH2OH + R2-CH2-COOH( (- oxy hoá hoặc chu trình Creb và ( các chu trình glycoxylat ( R1-COOH Một số vi sinh vật có thể tấn công vào các phân tử n-alkan với sự có mặt của phân tử oxy và kết quả tạo ra rượu bậc hai đầu tiên, rồi sau đó tới keto và cuối cùng là este. Các phân tử este này lại bị hydrat hoá thành rượu bậc 1 và axit béo (tổng số phân tử cacbon trong hai mảnh cắt này là cân bằng với số phân tử cacbon ban đầu). Rượu được tiếp tục oxy hoá tới andehyt và axit béo. axit béo lại tiếp tục chuyển hoá theo chuỗi (-oxy hoá như cách trên. Con đường 3: oxy hoá hai nhóm methyl ở hai đầu xảy ra ở một số vi khuẩn và nấm(biterminal oxidation) H3C-R-CH3 ( H3C-R-CH2OH ( HOCH2RCH2OH ( HOOC-R-COOH Con đường 4: oxy hoá n-alkan mạch dài ở chủng Acinetobacter sp. HO1-N [20, 32] (long chain n-alkane oxidation) R-CH3 ( R-CH2OOH ( R-(CO)OOH ( R-CHO ( RCOOH 1.4.2.1.2. Phân huỷ n-alkan mạch nhánh Một số vi sinh vật có khả năng oxy hoá alkan mạch nhánh nhưng tốc độ oxy hoá thường chậm hơn so với quá trình oxy hoá mạch thẳng ở cùng một cơ thể. Các n-alkan mạch nhánh đơn giản dễ bị phân huỷ sinh học hơn so với n-alkan mạch nhánh phức tạp. Alkan có mạch nhánh methyl ở đầu chuỗi thường khó bị phân huỷ hơn so với methyl ở giữa mạch. Trước kia pristan (2,6,10,14-tetramethyl pentadecan) được xem như là hợp chất chỉ thị ”marker” trong nghiên cứu phân huỷ sinh học dầu, tuy nhiên hiện nay có nhiều nghiên cứu về sự phân huỷ của hợp chất này bởi vi sinh vật do đó pristan đã được thay bằng hopan. Theo Pirnik, quá trình phân huỷ pristan có thể theo hướng oxy hoá ( hoặc (, sản phẩm cuối có thể là succinat. Nghiên cứu của Rontani và Giusti về phân hủy 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonan cho thấy oxy hoá hydrocarbon tại vị trí ( và tạo ra keton. Tiếp theo, keton được oxy hoá thành este, axit béo và rượu, các sản phẩm này tiếp tục tham gia vào quá trình oxy hoá ( 1.4.2.1.3. Phân huỷ hydrocarbon no mạch vòng Phân huỷ sinh học hydrocarbon no mạch vòng thường có sự tham gia đồng chuyển hoá (co-metabolism) hoặc tập đoàn vi sinh vật cùng thực hiện quá trình đồng chuyển hoá [43]. Trong cùng một dạng xyclo alkan, phân tử nào có mạch alkyl dài hơn sẽ dễ bị phân huỷ hơn bởi vi sinh vật. Bước đầu tiên trong quá trình đồng chuyển hoá do ezym monooxygenaza chuyển hoá hydrocarbon no mạch vòng thành rượu hoặc keto. Tiếp theo, các hợp chất này được chuyển hoá tiếp bởi vi sinh vật chuyên biệt khác trong quần thể vi sinh vật. Theo Trudgill và Perry, phân huỷ hydrocarbon no mạch vòng có chuỗi alkyl dài có thể xảy ra ở vòng hoặc chuỗi alkyl phụ thuộc vào đối tượng vi sinh vật hoặc cơ chất. Nghiên cứu khác của Beam và Perry cho thấy, Mycobacterium và Nocardia có thể phân huỷ methyl- hoặc ethyl-cyclohexan và chuyển hoá chuỗi cacbon bên cạnh bởi oxy hoá ( tạo ra axit béo cycloalkanoic tích luỹ ở màng tế bào. Oxy hoá ( hợp chất có chuỗi alkyl lẻ sẽ tạo ra cyclohexan carbonylCoA sau đó vòng thơm có thể được mở và chuyển hoá tiếp. Ngược lại, hợp chất có chuỗi alkyl chẵn thường được phân huỷ thành axit cyclohexylacetic tích luỹ trong môi trường. Đối với các hợp chất đa vòng và cycloalken có rất ít nghiên cứu, tuy nhiên các bằng chứng cho thấy chúng có thể được đồng chuyển hoá 1.4.2.2 Phân huỷ hydrocarbon thơm 1.4.2.2.1. Hydrocarbon thơm đơn nhân Hiện nay có nhiều con đường phân huỷ hydrocarbon thơm đơn nhân (TBEX) trong điều kiện hiếu khí bởi vi sinh vật tuy nhiên phần nhiều đến sản phẩm trung gian đó là catechol. Bước tiếp theo đó là cắt vòng catechol tại vị trí ortho và meta và các chu trình sinh hoá thông thường xảy ra tế bào vi sinh vật. Quá trình phân huỷ tạo nên sản phẩm cuối cùng là axit pyruvic và CO2. Các nghiên cứu cũng đã chứng minh hệ thống enzym dehydrogenaza chuyển hoá từ cis-benzendiol đến catechol trong quá trình phân huỷ benzen và toluen bởi vi khuẩn sinh metan có thể tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. 1.4.2.2.2. Hydrocarbon thơm đa nhân (PAH) Hiện nay, có nhiều nghiên cứu về khả năng của vi sinh vật sử dụng các PAH có trọng lượng phân tử thấp như naphthalen, phenanthren và anthracen, tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu về tiềm năng phân huỷ các PAH có trọng lượng phân tử cao như chrysen và benzopyren. Quá trình chuyển hoá PAH bởi vi sinh vật có thể chuyển sang các dạng không độc hoặc chuyển hoá hoàn toàn thành CO2. Nhiều nghiên cứu cho thấy trong vi khuẩn, các gen tham gia vào quá trình chuyển hoá PAH chủ yếu nằm trên các plasmid. Theo Dunn và Gunsalus, có hai con đường chuyển hoá napthelen được mã hoá bởi các gen nằm trên plasmid NAH7. Quá trình chuyển hoá PAH đến salicylat nhờ cụm gen nah, trong khi đó chuyển hoá PAH đến catechol, pyrunat và acetaldehyt nhờ cụm gen sal. Hiện nay, có rất ít nghiên cứu về di truyền của quá trình chuyển hoá phenanthren ở chi Acinetobacter, Mycobacterium, và loài Alcaligenes faecalis nằm trên nhiều plasmid [51]. Tuy nhiên theo Sansevarino và cộng sự, quá trình chuyển hoá phenanthren và anthracen bởi enzym được mã hoá bởi NAH7. Phân huỷ PAH bởi vi sinh vật có thể biễu diễn theo các con đường sau: Chuyển hoá PAH đến phenol bởi vi khuẩn nhóm methylotrophic Quá trình chuyển hoá naphthalen đến 1- và 2- naphthol ở loài Methylococcus capsulatus diễn ra nhờ hoạt động của hệ ezym methan monooxygenaza với sự tham gia của NADP. Chuyển hoá PAH đến trans-dihydrodiol bởi vi nấm, vi khuẩn và vi khuẩn lam Hiện nay người ta đã biết đến các enzym cytochrom monooxygenaza được sinh ra bởi một số loài vi nấm, vi khuẩn và vi khuẩn lam. Các enzym này chuyển hoá PAH đến dạng arenoit , sau đó dạng hợp chất trung gian này được hydrat hoá bởi enzym epoxyt hydrolaza đến dạng trans-dihydrodiols hoặc được tái sắp xếp (không có sự tham gia của enzym) thành dạng phenol. Trong trường hợp các vi sinh vật chỉ có thể thực hiện theo cách chuyển hoá này thì chúng sẽ không sử dụng PAH như là nguồn cacbon mà chỉ có thể loại bỏ tính độc của PAH mà thôi Chuyển hoá PAH đến quinon bởi nấm trắng (white-rot fungi) Một số nấm trắng (white rot fungi) phân huỷ lignin và cellulo (có trong gỗ) sẽ chuyển hoá PAH đến quinon và các chất khác mà không qua cis hoặc trans-dihydrodiol, trong một số trường hợp quá trình chuyển hoá này có sự tham gia của lignin peroxydaza. Chuyển hoá PAH bởi vi khuẩn kị khí Hiện nay, có rất ít công bố về tiềm năng chuyển hoá PAH bởi vi khuẩn kỵ khí. Mặc dù naphthalen và acenaphthalen đã được loại bỏ (rất ít) bởi hỗn hợp vi khuẩn khử nitrat, tuy nhiên cơ chế trao đổi chất của quá trình này vẫn chưa được sáng tỏ . Gần đây, Coates và cộng sự đã công bố về khả năng oxy hoá PAH đến CO2 dưới điều kiện khử sunphat của các mẫu trầm tích vịnh San Diego, tuy nhiên quá trình này đòi hỏi nhiều thời gian và tốc độ rất chậm . 1.4.2.3. Phân huỷ các thành phần phân cực Trong các thành phần phân cực, phân huỷ dibenzothiophen được nghiên cứu rõ nhất. Có 2 kiểu chuyển hoá dibenzothiophen đó là qua diol hoặc qua dibenzothiophen-5-oxit. Nghiên cứu của Fedorak và cộng sự cho thấy, chuỗi ankyl đến 30 cacbon (tetrahydrothiophen) có thể bị phân huỷ. Bước đầu tiên của quá trình phân huỷ đó là sự oxy hoá của chuỗi ankyl tạo ra thiophen-carboxylat, sau đó hợp chất này được chuyển hoá tiếp. Phân huỷ của các hợp chất chứa oxy ít được nghiên cứu. Strubel và cộng sự đã phân lập được chủng DBO230 phân huỷ dibenzofuran qua salicylat và catechol và có thể đồng chuyển hoá các hợp chất heterocyclic như oxofluoren, xanthon, dibenzo-p-dioxin . PHẦN III PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI  
Các phương pháp xử lý
 Sơ đồ các qui trình xử lý nước thải CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Theo bản chất của phương pháp xử lý nước thải, người ta có thể chia chúng thành phương pháp lý học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học. Một hệ thống xử lý hoàn chỉnh thường kết hợp đủ các thành phần kể trên. Tuy nhiên tùy theo tính chất của nước thải, mức độ tài chính và yêu cầu xử lý mà người ta có thể cắt bớt một số các công đoạn. SƠ ĐỒ CÁC QUI TRÌNH XỬ LÝ Sử dụng bể tự hoại và bãi lọc ngầm để xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt  
Các qui trình để xử lý nước cống rãnh hoặc nước thải các nhà máy công nghiệp  
  
 
  Nước thải Bùn hoặc chất rắn  
Ghi chú: trên đây chỉ là một số sơ đồ tiêu biểu, tùy theo điều kiện chúng ta có thể lắp thêm hoặc thay đổi các thành phần của qui trình. Các điểm cần chú ý khi thiết kế các qui trình xử lý Tính khả thi của qui trình xử lý: tính khả thi của qui trình xử lý dựa trên kinh nghiệm, các số liệu, các ấn bản về các nghiên cứu trên mô hình và thực tế. Nếu đây là những qui trình hoàn toàn mới hoặc có các yếu tố bất thường, các nghiên cứu trên mô hình là rất cần thiết. Nằm trong khoảng lưu lượng có thể áp dụng được. Ví dụ như các hồ ổn định nước thải không thích hợp cho việc xử lý nước thải có lưu lượng lớn. Có khả năng chịu được sự biến động của lưu lượng (nếu sự biến động này quá lớn, phải sử dụng bể điều lưu) Đặc tính của nước thải cần xử lý (để quyết định qui trình xử lý hóa học hay sinh học) Các chất có trong nước thải gây ức chế cho quá trình xử lý và không bị phân hủy bởi quá trình xử lý. Các giới hạn do điều kiện khí hậu: nhất là nhiệt độ vì nó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng của các quá trình hóa học và sinh học. Hiệu quả của hệ thống xử lý: thường được chỉ thị bằng tính chất của nước thải đầu ra. Các chất tạo ra sau quá trình xử lý như bùn, chất rắn, nước và khí đều phải được ước tính về số lượng. Thông thường thì người ta dùng các mô hình để xác định phần này. Xử lý bùn: việc chọn qui trình xử lý bùn nên cùng lúc với việc lựa chọn qui trình xử lý nước thải để tránh các khó khăn có thể xảy ra sau này đối với việc xử lý bùn. Các giới hạn về môi trường: hướng gió thịnh trong năm, gần khu dân cư, xếp loại nguồn nước... có thể là các yếu tố giới hạn cho việc lựa chọn hệ thống xử lý. Các hóa chất cần sử dụng: nguồn và số lượng, các yếu tố làm ảnh hưởng đến việc tăng lượng hóa chất sử dụng và giá xử lý. Năng lượng sử dụng: nguồn và ảnh hưởng của nó đến giá xử lý. Nhân lực: kể cả công nhân và cán bộ kỹ thuật. Cần phải tập huấn đến mức độ nào. Vận hành và bảo trì: cần phải cung cấp các điều kiện, phụ tùng đặc biệt nào cho quá trình vận hành và bảo trì. Độ tin cậy của hệ thống xử lý bao gồm cả trường hợp chạy quá tải hay dưới tải. Độ phức tạp của hệ thống xử lý. Tính tương thích với các hệ thống và thiết bị có sẵn. Diện tích đất cần sử dụng, kể cả khu vực đệm cho hệ thống xử lý. PHẦN IV XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ HỌC
  Bể điều lưu (Flow equation tank)
  Song chắn rác (Bar racks)
  Bể lắng cát (Grit-Chamber)
  Bể tuyển nổi (Floatation - chamber)
  Bể lọc nước thải bằng các hạt lọc (Filtration) BỂ ĐIỀU LƯU Các bước để tính toán, thiết kế một bể điều lưu cho một xí nghiệp Ở khu vực dân cư (nước thải sinh hoạt) và khu vực sản xuất (nước thải công nghiệp) nước thải được thải ra với lưu lượng biến đổi theo giờ, thời vụ sản xuất, mùa (mưa, nắng). Trong khi đó các hệ thống sinh học phải được cung cấp nước thải đều đặn về thể tích cũng như về các chất cần xử lý 24/24 giờ. Do đó sự hiện diện của một bể điều lưu là hết sức cần thiết. Bể điều lưu có chức năng điều hòa lưu lượng nước thải và các chất cần xử lý để bảo đảm hiệu quả cho các qui trình xử lý sinh học về sau, nó chứa nước thải và các chất cần xử lý ở các giờ cao điểm, phân phối lại trong các giờ không hoặc ít sử dụng để cung cấp ở một lưu lượng nhất định 24/24 giờ cho các hệ thống xử lý sinh học phía sau. Các lợi ích của bể điều lưu như sau:
       Bể điều lưu làm tăng hiệu quả của hệ thống sinh học do nó hạn chế hiện tượng "shock" của hệ thống do hoạt động quá tải hoặc dưới tải về lưu lượng cũng như hàm lượng các chất hữu cơ, giảm được diện tích xây dựng các bể sinh học (do tính toán chính xác). Hơn nữa các chất ức chế quá trình xử lý sinh học sẽ được pha loãng hoặc trung hòa ở mức độ thích hợp cho các hoạt động của vi sinh vật.
       Chất lượng của nước thải sau xử lý và việc cô đặc bùn ở đáy bể lắng thứ cấp được cải thiện do lưu lượng nạp các chất rắn ổn định.
       Diện tích bề mặt cần cho hệ thống lọc nước thải giảm xuống và hiệu suất lọc được cải thiện, chu kỳ làm sạch bề mặt các thiết bị lọc cũng ổn định hơn.

SONG CHẮN RÁC Chức năng, cấu tạo và vị trí Song chắn rác dùng để giữ lại các chất thải rắn có kích thước lớn trong nước thải để đảm bảo cho các thiết bị và công trình xử lý tiếp theo. Kích thước tối thiểu của rác được giữ lại tùy thuộc vào khoảng cách giữa các thanh kim loại của song chắn rác. Để tránh ứ đọng rác và gây tổn thất áp lực của dòng chảy người ta phải thường xuyên làm sạch song chắn rác bằng cách cào rác thủ công hoặc cơ giới. Tốc độ nước chảy (v) qua các khe hở nằm trong khoảng (0,65m/s  v  1m/s). Tùy theo yêu cầu và kích thước của rác chiều rộng khe hở của các song thay đổi. Các giá trị thông dụng để thiết kế song chắn rác Chỉ tiêu  Cào rác thủ công  Cào rác cơ giới   Kích thước của các thanh         Bề dầy (in)  0,2  0,6  0,2  0,6   Bề bản (in)  1,0  1,5  1,0  1,5   Khoảng cách giữa các thanh (in)  1,0  2,0  0,6  3,0   Độ nghiêng song chắn rác theo trục thẳng đứng (độ)  30  45  0  30    Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: in x 25,4 = mm ft/s x 0,3048 = m/s Song chắn rác với cào rác thủ công chỉ dùng ở những trạm xử lý nhỏ có lượng rác < 0,1m3/ng.đ. Khi rác tích lũy ở song chắn, mỗi ngày vài lần người ta dùng cào kim loại để lấy rác ra và cho vào máng có lổ thoát nước ở đáy rồi đổ vào các thùng kín để đưa đi xử lý tiếp tục. Song chắn rác với cào rác cơ giới hoạt động liên tục, răng cào lọt vào khe hở giữa các thanh kim loại; cào được gắn vào xích bản lề ở hai bên song chắn rác có liên hệ với động cơ điện qua bộ phận truyền động. Cào rác cơ giới có thể chuyển động từ trên xuống dưới hoặc từ dưới lên theo dòng nước. Khi lượng rác được giữ lại lớn hơn 0,1 m3/ng.đ và khi dùng song chắn rác cơ giới thì phải đặt máy nghiền rác. Rác nghiền đưọc cho vào hầm ủ Biogas hoặc cho về kênh trước song chắn. Khi lượng rác trên 1 T/ng.đ cần phải thêm máy nghiền rác dự phòng. Việc vận chuyển rác từ song đến máy nghiền phải được cơ giới hóa. Song chắn rác được đặt ở những kênh trước khi nước vào trạm xử lý. Hai bên tường kênh phải chừa một khe hở đủ để dễ dàng lắp đặt và thay thế song chắn. Vì song chắn làm co hẹp tiết diện ướt của dòng chảy nên tại vị trí đặt song chắn tiết diện kênh phải được mở rộng.   Hiệu suất của song chắn phụ thuộc rất nhiều vào mức độ chính xác trong tính toán kích thước và tổn thất áp lực của nước qua nó. BỀ LẮNG CÁT Chức năng, vị trí Bể lắng cát nhằm loại bỏ cát, sỏi, đá dăm, các loại xỉ khỏi nước thải. Trong nước thải, bản thân cát không độc hại nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các công trình và thiết bị trong hệ thống như ma sát làm mòn các thiết bị cơ khí, lắng cặn trong các kênh hoặc ống dẫn, làm giảm thể tích hữu dụng của các bể xử lý và tăng tần số làm sạch các bể này. Vì vậy trong các trạm xử lý nhất thiết phải có bể lắng cát. Bể lắng cát thường được đặt phía sau song chắn rác và trước bể lắng sơ cấp. Đôi khi người ta đặt bể lắng cát trước song chắn rác, tuy nhiên việc đặt sau song chắn có lợi cho việc quản lý bể lắng cát hơn. Trong bể lắng cát các thành phần cần loại bỏ lắng xuống nhờ trọng lượng bản thân của chúng. Ở đây phải tính toán thế nào để cho các hạt cát và các hạt vô cơ cần giữ lại sẽ lắng xuống còn các chất lơ lửng hữu cơ khác trôi đi.