Tóm tắt sách công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học của PSG.TS Lương Đức Phẩm của NXB Giáo dục.

Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học

Tác giả: PGS.TS. LƯƠNG ĐỨC PHẨM Nhà xuất bản: Giáo dục Năm tái bản: (Tái bản lần thứ nhất)

1. Tổng quan về nước tự nhiên và nước thải

Nước tự nhiên, bao gồm nước mặt (sông, hồ, ao, suối, kênh, rạch) và nước ngầm, là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự sống và hoạt động của con người. Tuy nhiên, nước đang ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng do chất thải sinh hoạt, công nghiệp và các yếu tố tự nhiên.

Các loại ô nhiễm nước và nước thải:

• Ô nhiễm nước chảy tràn trên mặt đất: Do nước mưa cuốn theo các chất bẩn từ mặt đất, rác thải, phân bón, thuốc trừ sâu, v.v., vào nguồn nước.
• Ô nhiễm sông, ao do yếu tố tự nhiên: Thường do sự phát triển quá mức của tảo, vi khuẩn, hoặc sự tích tụ chất hữu cơ.
• Ô nhiễm nước thải: Đây là nguồn ô nhiễm chính, bao gồm nước thải sinh hoạt (từ các hộ gia đình, bệnh viện, trường học, chợ, khu vui chơi giải trí) và nước thải công nghiệp.
• Nước thải sinh hoạt: Chứa các chất hữu cơ như hydrocarbon, protein, chất béo, và các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) cùng với vi khuẩn gây bệnh. Mức độ ô nhiễm được đánh giá bằng các chỉ tiêu như BOD5, lượng chất rắn, v.v.
• Nước thải công nghiệp: Rất đa dạng về thành phần và nồng độ chất ô nhiễm tùy thuộc vào ngành công nghiệp (chế biến sữa, lò mổ, dược phẩm, giấy, dệt nhuộm, bia, v.v.). Các chất ô nhiễm có thể là kim loại nặng, hóa chất độc hại, chất rắn, chất hữu cơ không phân hủy.
• Hiện tượng nước bị ô nhiễm:Màu sắc: Nước tự nhiên không màu, trong suốt. Nước ô nhiễm có thể có màu xanh rêu (do tảo), vàng nâu (do chất hữu cơ hòa tan), đen (do H2S, kim loại nặng).
• Mùi vị: Nước sạch không mùi vị. Nước ô nhiễm có thể có mùi tanh (do tảo, chất hữu cơ phân hủy), mùi khai (amoniac), mùi lạ (hóa chất công nghiệp).
• Độ trong: Nước sạch trong suốt. Nước ô nhiễm thường đục do chất rắn lơ lửng, huyền phù.
• Độ độc: Do các chất độc hại như kim loại nặng (Asen, Cr, Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Ni), phenol, thuốc trừ sâu, v.v. gây ra.

Các chất gây ô nhiễm nước chính:

• Chất hữu cơ dễ phân hủy: Protein, hydrocarbon, chất béo, là các chất ô nhiễm phổ biến trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Chúng làm giảm oxy hòa tan trong nước.
• Chất hữu cơ khó phân hủy: Hydrocarbon vòng, hợp chất clo hữu cơ, hợp chất photpho hữu cơ. Chúng có độc tính cao, ảnh hưởng đến môi trường và sinh vật.
• Hợp chất vô cơ có độc tính cao: Phenol, thuốc trừ sâu, kim loại nặng (Asen, Crom, Cadimi, Đồng, Kẽm, Mangan, Niken, Thủy ngân, Thiếc, Molipden, Antimon), Chlorua, Xyanua, Hydro sunfua, Florua.
• Chất dinh dưỡng: Nitơ (hữu cơ, amoniac, nitrit, nitrat) và Photpho (orthophotphat, polyphotphat), gây hiện tượng phú dưỡng, đặc biệt trong nước nuôi thủy sản.
• Chất rắn: Chất rắn lơ lửng (SS) và chất rắn hòa tan (TS).
• Độ cứng: Do các ion canxi và magie.
• Độ đục: Do các chất lơ lửng, tảo, v.v.
• Độ màu: Do các hợp chất hữu cơ hòa tan (sắt, mangan, crom, tanin, lignin).
• Độ độc: Đánh giá bằng LD50 (nồng độ gây chết 50% vật thí nghiệm).
• Oxy hòa tan (DO - Dissolved oxygen): Chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng nước.

2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước

Tài liệu cung cấp các tiêu chuẩn chất lượng nước thải của Việt Nam và quốc tế, bao gồm:

• Tiêu chuẩn nước mặt (TCVN 5942 - 1995): pH, BOD5, COD, oxy hòa tan, chất rắn lơ lửng, các kim loại nặng, nitơ, photpho, phenol, dầu mỡ, chất hoạt động bề mặt, coliform.
• Tiêu chuẩn nước ngầm (TCVN 5944 - 1995): pH, màu, độ cứng, chất rắn tổng số, các kim loại nặng, clorua, nitrat, phenolat, sulfat, coliform.
• Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp (TCVN 5945 - 1995): Tương tự nước mặt nhưng với giới hạn ô nhiễm cao hơn, chia thành các cấp A, B, C tùy theo mức độ xử lý và mục đích sử dụng.

3. Thành phần sinh học của nước

Nước chứa nhiều loại sinh vật như vi khuẩn, nấm, men, tảo, động vật nguyên sinh, virus, và giun sán. Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tự làm sạch nước và cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm hoặc bệnh tật.

• Vi sinh vật:Vi khuẩn (Bacteria): Phân hủy chất hữu cơ, nitrat hóa, khử nitrat, sunfat hóa. Có thể là hiếu khí (cần oxy), kỵ khí (không cần oxy), hoặc tùy nghi (sống được cả trong môi trường có và không có oxy).
• Nitromonas, Nitrobacter: Vi khuẩn nitrat hóa.
• Clostridium, Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus, Cytophaga, Streptococcus: Vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ.
• Desulfovibrio: Vi khuẩn khử sunfat.
• Siêu vi khuẩn và thực khuẩn thể (Virus và Bacteriophage): Gây bệnh cho người và động vật, rất khó loại bỏ.
• Nấm và các sinh vật khác: Tham gia phân hủy chất hữu cơ, một số loại gây bệnh (ví dụ: Leptomitus, Achlya, Saprolegnia).
• Các sinh vật gây bệnh:Vi khuẩn: Vibrio cholera (gây tả), Shigella (gây lỵ), Salmonella (gây thương hàn), Proteus vulgaris (gây lỵ, viêm ruột).
• Virus: ECHO (viêm màng não), Coxsackie (viêm cơ tim), Rotavirus (tiêu chảy).
• Nấm: Histoplasma sulcatim (gây bệnh Histoplasma).
• Động vật nguyên sinh (Protozoa): Giardia lamblia (gây tiêu chảy), Entamoeba histolytica (gây lỵ amip), Balantidium coli (gây lỵ balantidium).
• Giun sán: Schistosoma (sán máng), Ascaris lumbricoides (giun đũa), Fililaria (giun chỉ).
• Tảo (Algae): Sinh vật tự dưỡng (quang hợp), tạo ra oxy nhưng cũng có thể gây ô nhiễm khi phát triển quá mức, làm nước có màu và mùi khó chịu.

4. Hoạt động sống của sinh vật trong nước thải và quá trình tự làm sạch nước

Các vi sinh vật đóng vai trò trung tâm trong quá trình phân hủy chất hữu cơ và làm sạch nước. Quá trình này bao gồm:

• Phân hủy các chất hữu cơ: Các chất hữu cơ phức tạp được phân giải thành các chất đơn giản hơn (CO2, H2O, CH4) thông qua quá trình oxy hóa (hiếu khí) hoặc phân hủy kỵ khí (yếm khí, kỵ khí).
• Tổng hợp tế bào (sinh khối): Vi sinh vật sử dụng các chất dinh dưỡng để tổng hợp tế bào mới.
• Chuyển hóa lưu huỳnh và kim loại: Một số vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất sunfua và các kim loại nặng.

5. Các phương pháp xử lý nước thải

Có ba phương pháp chính: vật lý, hóa học, và sinh học.

5.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp vật lý:

• Song chắn rác và lưới lọc: Loại bỏ các vật rắn có kích thước lớn.
• Lắng cát, lắng: Loại bỏ các hạt lơ lửng, cặn bẩn, dầu mỡ bằng trọng lực.
• Tách dầu mỡ: Sử dụng thiết bị tách dầu mỡ.
• Lọc cơ học: Sử dụng vật liệu lọc (cát, than, sỏi) để loại bỏ chất rắn lơ lửng còn sót lại.

5.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý và hóa học:

• Trung hòa: Điều chỉnh pH của nước thải về mức trung tính.
• Keo tụ: Thêm hóa chất (phèn, sắt clorua) để tạo bông cặn, giúp các hạt lơ lửng kết dính và lắng xuống.
• Hấp phụ: Sử dụng vật liệu hấp phụ (than hoạt tính) để loại bỏ chất màu, mùi, chất hữu cơ.
• Trao đổi ion: Loại bỏ các ion kim loại nặng, amoniac, nitrat, nitrit.
• Khử trùng: Sử dụng clo, ozon, tia cực tím để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh.

5.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Là phương pháp chính của tài liệu, dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng trong nước thải.

• Quá trình hiếu khí (Aerobic process): Xử lý trong điều kiện có oxy, tạo ra CO2 và H2O.
• Bùn hoạt tính (Activated sludge): Vi sinh vật lơ lửng trong nước thải, tạo thành bông cặn (bùn hoạt tính) có khả năng hấp phụ và oxy hóa chất hữu cơ.
• Aeroten: Bể phản ứng hiếu khí, cung cấp oxy liên tục. Có các loại aeroten truyền thống, khuấy trộn, hiếu khí kéo dài, hiếu khí khuấy trộn hoàn chỉnh, oxiten.
• Màng sinh học (Biofilm): Vi sinh vật bám dính trên vật liệu lọc, tạo thành màng sinh học.
• Lọc nhỏ giọt (Trickling filter): Nước thải chảy qua lớp vật liệu lọc có màng sinh học.
• Đĩa quay sinh học (Rotating Biological Contactors - RBC): Đĩa quay tiếp xúc với nước thải và không khí, tạo điều kiện cho vi sinh vật bám trên đĩa.
• Quá trình kỵ khí (Anaerobic process): Xử lý trong điều kiện không có oxy, tạo ra CH4 và CO2.
• Lên men metan (Methan fermentation): Quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi vi khuẩn metan, tạo ra khí metan.
• Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Bể kỵ khí có lớp bùn lơ lửng.
• Quá trình thiếu khí (Anoxic process): Xử lý trong điều kiện có nitrat nhưng không có oxy tự do, thường dùng để khử nitrat (denitrification).
• Quá trình tùy nghi (Facultative process): Kết hợp các điều kiện hiếu khí và kỵ khí.
• Quá trình dinh dưỡng (Nutrient removal): Loại bỏ nitơ và photpho.

Các công trình xử lý sinh học phổ biến:

• Ao hồ sinh học (Waste Water Stabilization Ponds and Lagoons): Hệ thống xử lý tự nhiên, chi phí thấp, nhưng cần diện tích lớn.
• Bể Aeroten: Xử lý hiếu khí với bùn hoạt tính.
• Bể lọc sinh học (Biofilter): Xử lý hiếu khí với màng sinh học bám dính trên vật liệu lọc.
• Đĩa quay sinh học (RBC): Xử lý hiếu khí với màng sinh học trên đĩa quay.
• Mương oxy hóa (Oxidation ditch): Bể xử lý hiếu khí dạng mương vòng.

6. Xử lý nước thải cho một số ngành công nghiệp cụ thể

Tài liệu cung cấp các công nghệ xử lý nước thải chuyên biệt cho các ngành:

• Công nghiệp giấy: Xử lý nước thải chứa lignin, xenlulozo, hemicelulozo, các hóa chất tẩy trắng, kim loại nặng. Phương pháp bao gồm lắng, keo tụ, sinh học (hiếu khí, kỵ khí), hấp phụ, trao đổi ion.
• Công nghiệp dệt nhuộm: Xử lý nước thải chứa chất màu, tinh bột, PVA, chất tẩy rửa, kim loại nặng, AOX. Kết hợp hóa lý (keo tụ, ôxy hóa, ozon hóa) và sinh học.
• Chế biến thịt: Xử lý nước thải từ lò mổ, trại chăn nuôi, chứa protein, chất béo, huyết thanh, BOD, COD cao. Bao gồm xử lý sơ bộ (tách mỡ, lắng), sinh học (hiếu khí, kỵ khí), hóa lý.
• Công nghiệp rượu bia và sản xuất nấm men: Xử lý nước thải chứa đường, protein, vitamin, chất khoáng, BOD, COD cao. Gồm kỵ khí (metan hóa) và hiếu khí.
• Công nghiệp sản xuất chế phẩm sinh học: Xử lý nước thải chứa axit amin, vitamin, enzyme, protein, hydrocarbon. Kết hợp sinh học và hóa lý.
• Chế biến sữa: Xử lý nước thải chứa protein, chất béo, lactose, BOD, COD cao. Bao gồm xử lý sơ bộ, sinh học (kỵ khí, hiếu khí), lọc.
• Công nghiệp đường, bột: Xử lý nước thải chứa hydrocarbon, protein, chất khoáng, BOD, COD cao. Sử dụng phương pháp sinh học (kỵ khí, hiếu khí).
• Đồ hộp rau quả: Xử lý nước thải chứa chất hữu cơ, nitơ, BOD, COD cao. Thường dùng phương pháp sinh học.

Nước thải đô thị: Xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải từ các cơ sở thương mại, dịch vụ. Bao gồm xử lý sơ bộ (lắng, song chắn rác), xử lý sinh học (bùn hoạt tính, lọc sinh học), và xử lý cấp 3 (khử nitơ, photpho, khử trùng).
 

7. Phụ lục

• Vòng tuần hoàn cacbon, nitơ, photpho trong tự nhiên: Giải thích vai trò của các nguyên tố này trong hệ sinh thái và ảnh hưởng khi bị ô nhiễm.
• Sinh tổng hợp protein: Sơ đồ quá trình sinh tổng hợp protein.
• Chất lượng nước đối với nuôi trồng thủy sản: Cung cấp các tiêu chuẩn về chất lượng nước cho nuôi trồng thủy sản, bao gồm nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, BOD, chất rắn lơ lửng, các kim loại nặng, amoniac, nitrat, phenol, dầu mỡ, coliform. Ngoài ra, còn nêu các vấn đề cần quan tâm trong công tác quản lý chất lượng nước nuôi thủy sản, như ô nhiễm, bệnh tật, và các biện pháp xử lý.

Tài liệu này cung cấp một cái nhìn toàn diện về công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, từ các khái niệm cơ bản đến ứng dụng trong các ngành công nghiệp cụ thể, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường nước.
Download nguyên bản sách tiếng Việt: https://drive.google.com/file/d/1x7ZppMZXYi-aNV7CB6yeSrtqGSAt2pb_/view?usp=sharing