Bài giảng Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường

BÀI GIẢNG Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MỤC LỤC Trang MỤC LỤC........................................................................................................................1 DANH SÁNH HÌNH .......................................................................................................4 DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................................5 CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ NHIÊN......................1 1. CÁC NGUỒN NƯỚC...............................................................................................1 2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC..........................................................................2 2.1. Nhiễm bẩn tự nhiên............................................................................................2 2.2. Nhiễm bẩn nhân tạo ...........................................................................................3 3. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO MỨC ĐỘ NHIỄM BẨN. ............................4 CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI....................................................6 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC...........6 1.1. Xử lý hiếu khí.....................................................................................................7 1.2. Xử lý kỵ khí .......................................................................................................9 2. ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ........................................................................................................10 2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn ....................................................................11 2.2. Loài này ăn loài khác .......................................................................................11 2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật ................................11 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN.............................14 3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc ........................................................................14 3.2. Hồ sinh vật hay hồ Oxy hóa.............................................................................16 4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT.....................19 4.1. Tăng trưởng tế bào ...........................................................................................19 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất nền.....................................................................19 4.3. Tăng trưởng tế bào và sử dụng cơ chất ............................................................20 4.4. Ảnh hưởng của chuyển hóa nội bào.................................................................21 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ ...................................................................................22 5. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC MẶT ...............................23 5.1. Quá trình tự làm sạch .......................................................................................23 5.2. Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước.....28 5.3. Ảnh hưởng của các chất bẩn đối với nguồn nước............................................29 6. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ................................32 6.1. Bể lọc sinh học nhỏ giọt..................................................................................32 6.2. Bể bùn hoạt tính ...............................................................................................39 6.3. Bể Mêtan ..........................................................................................................46 6.4. Bể tự hoại .........................................................................................................51 6.5. Bể lắng hai vỏ và bể lắng trong kết hợp lên men.............................................51 CHƯƠNG 3 VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ......................52 1. VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ...................................52 2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CỦA VI SINH VẬT .............................52 2.1 Động học của quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ.......................52 2.2 Động học của quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ .........................53 3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ .....................................................................................................................................56 3.1 Các loại vi sinh vật............................................................................................56 3.2 Các loại quá trình trao đổi chất của vi sinh vật .................................................58 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 1 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 3.3 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật ......................................59 4. COMPOST..............................................................................................................61 4.1 Quá trình làm phân compost hiếu khí ...............................................................61 4.2 Ưu điểm và nhược điểm của quá trình làm phân compost................................63 5. BIOGAS..................................................................................................................64 6. BÃI CHÔN LẮP.....................................................................................................65 CHƯƠNG 4 VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ.................................................66 1. SỐ LƯỢNG VÀ CHỦNG LOẠI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ.............66 2. CÁC LOẠI BỆNH LIÊN QUAN ĐẾN KHÔNG KHÍ...........................................66 3. KIỂM SOÁT VI SINH VẬT TRONG KHÍ ...........................................................67 4. LẤY MẪU VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ ...............................................68 5. ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ .....69 CHƯƠNG 5 VI SINH VẬT GÂY BỆNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU VỆ SINH ..............70 1. NHỮNG VI SINH VẬT GÂY BỆNH....................................................................70 1.1 Khái niệm về dịch tế bào học và các đường truyền bệnh .................................70 1.2 Những bệnh truyền nhiễm qua nước.................................................................71 2. NHỮNG CHỈ TIÊU VỆ SINH VỀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC.....................74 2.1 Những khái niệm chung về những vi sinh vật chỉ thị vệ sinh...........................74 2.2 Đánh giá nước dùng để ăn uống........................................................................76 CHƯƠNG 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG.......................................................................................................................80 1. PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG BẰNG NHIỆT...................................................80 1.1 Khử trùng trực tiếp bằng ngọn lửa ....................................................................80 1.2 Khử trùng bằng nhiệt khô .................................................................................80 1.3 Khử trùng bằng nước sôi...................................................................................80 1.4 Khử trùng bằng Autoclave áp suất, nhiệt độ.....................................................81 1.5 Phương pháp khử trùng Fraction.......................................................................83 1.6 Phương pháp khử trùng Pasteur ........................................................................83 1.7 Khử trùng bằng dầu nóng..................................................................................83 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG VẬT LÝ ...................................................83 2.1 Phương pháp lọc (Filtration) .............................................................................83 2.2 Khử trùng bằng tia cực tím (Ultraviolet Light)................................................84 2.3 Các dạng tia khử trùng khác (Other Type of Radiaton)...................................85 2.4 Sóng siêu âm Ultrasonic Vibbration (U.V).......................................................85 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN .....................................................................86 3.1 Phương pháp làm khô .......................................................................................86 3.2 Phương pháp hạ nhiệt độ...................................................................................86 4. CÁC NHÂN TỐ HÓA HỌC KHỬ TRÙNG QUAN TRỌNG...............................87 4.1 Halogen .............................................................................................................88 4.2 Phenol và các hợp chất phenol..........................................................................89 4.3 Kim loại nặng....................................................................................................89 4.4 Alcohol (rượu)...................................................................................................90 5. CÁC NHÂN TỐ HÓA HỌC KHÁC ......................................................................90 5.1 Formaldehyde....................................................................................................90 5.2 Ethylene Oxyde (EtO).......................................................................................91 5.3 Glutaraldehyde ..................................................................................................91 5.4 Hydrogen Peroxyde (H2O2) ..............................................................................91 5.5 Xà bông và chất tẩy rữa ....................................................................................92 5.6 Thuốc nhuộm ....................................................................................................92 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 2 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 5.7 Acid...................................................................................................................93 BÀI THỰC HÀNH........................................................................................................94 BÀI 1: GIỚI THIỆU ...................................................................................................95 BÀI 2: KIỂM TRA TỔNG SỐ VI KHUẨN...............................................................97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................100 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 3 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG DANH SÁNH HÌNH Trang Hình 1. 1: Chu trình thủy văn ...........................................................................................1 Hình 1. 2: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng lên tốc độ tăng trưởng đặc biệt. ...........................................................................................................................20 Hình 1. 3: Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy ..............................................................24 Hình 1. 4: Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong nước sông ........................................................................................................................24 Hình 1. 5: Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ.....................................................28 Hình 1. 6: Đường cong oxy hoà tan và số lượng VK tương ứng trong dòng sông bị nhiễm...............................................................................................................................30 Hình 1. 7: Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau....................................30 Hình 1. 8: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối ...............................................................31 Hình 1. 9: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm...........................................................31 Hình 2. 1: Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg...............9 Hình 2. 2: Quá trình phân hủy kỵ khí .............................................................................10 Hình 2. 3: Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp ..................................12 Hình 2. 4: Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa chất hữu cơ ......................................................................................................................13 Hình 2. 5: Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn .....................................................14 Hình 2. 6: Sơ đồ hoạt động của hồ sinh vật ....................................................................18 Hình 2. 7: Sơ đồ cấu tạo bể lọc sinh vật..........................................................................33 Hình 2. 8: Sơ đồ nước chảy trên bề mặt hạt vật liệu lọc. ................................................36 Hình 2. 9: Sơ đồ chuyển hóa vật chất giữa màng nước chuyển động và màng nước cố định..................................................................................................................................37 Hình 2. 10: Bể thổi khí – SBR ........................................................................................40 Hình 3. 1: Vi khuẩn hình que ..........................................................................................57 Hình 3. 2: Men ................................................................................................................57 Hình 3. 3: Đống ủ compost .............................................................................................61 Hình 3. 4: Luống ủ compost và máy xáo trộn.................................................................62 Hình 4. 1: Ô nhiễm không khí do công nghiệp...............................................................66 Hình 4. 2: Ô nhiễm không khí do cháy rừng...................................................................67 Hình 4. 3: Thiết bị thu mẫu khí .......................................................................................68 Hình 4. 4: Lấy mẫu không khí ngoài hiện trường...........................................................69 Hình 6. 1: Autoclave .......................................................................................................81 Hình 6. 2: Autoclave công nghiệp...................................................................................82 Hình 6. 3: Máy lọc ..........................................................................................................84 Hình 6. 4: Máy sản xuất tia cực tím................................................................................84 Hình 6. 5: Máy phát sóng siêu âm ..................................................................................86 Hình 6. 6: Phun hóa chất khử trùng ................................................................................87 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 4 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 1. 1: Hệ số nhiệt hoạt động đối với các quá trình xử lý sinh học ..........................22 Bảng 1. 2: Hệ số động học đối với quá trình bùn hoạt tính của nước thải sinh hoạt ......22 Bảng 1. 3: Hệ số động học đối với quá trình phân hủy kỵ khí các loại cơ chất..............23 Bảng 1. 4: Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960)...........................26 Bảng 1. 5: Chỉ tiêu hóa học và vi trùng học về mức độ nhiễm bẩn của các loại nguồn nước...................................................................................................................................5 Bảng 2. 1: Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất ........................15 Bảng 2. 2: Số vi khuẩn hoại sinh trong bể lọc sv khi xử lý nước thải nhà máy sữa .......34 Bảng 2. 3: Lượng màng sinh vật và số vi khuẩn hoại sinh ở các chiều cao khác nhau trong bể lọc khi xử lý nước thải nhà máy sữa. ................................................................35 Bảng 3. 1: Các chất nhận điện tử trong phản ứng của vi sinh vật...................................58 Bảng 3. 2: Phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào...............59 Bảng 3. 3: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật. ...................................................60 Bảng 3. 4: Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân compost hiếu khí ...........63 Bảng 6. 1: Tóm tắt các tác nhân vật lý được sử dụng để kiểm soát VSV.......................87 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 5 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ NHIÊN Nhìn chung những quá trình sinh hóa diễn ra trong các nguồn nước thiên nhiên không phức tạp như khi xử lý chất thải, vì các chất hữu cơ trong nước thiên nhiên, nước cấp ít hơn, cả về lượng lẫn loại các chất. Một trong những nhiệm vụ của người kỹ sư môi trường là phải cung cấp nước sạch, vô trùng cho dân. Chúng ta hãy xét các loại nguồn nước, sự nhiễm bẩn và quá trình tự làm sạch của nước nguồn, đặc biệt là nguồn nước mặt để tạo cơ sở cho sự hiểu biết và làm việc sau này. 1. CÁC NGUỒN NƯỚC Tất cả các loại nước trong thiên nhiên đều qua dạng nước mưa. Nước bay hơi từ đại dương, ngưng tụ lại thành những đám mây rồi lại rơi xuống lục địa ở dạng mưa, tuyết. Sau đó nước tập trung vào sông hồ rồi lại chải ra biển - đại dương. Chu trình thủy văn được minh họa ở (hình 1.1). Đối với chúng ta, kỹ sư môi trường có thể phân biệt 3 loại nguồn nước: Đó là nước mưa, nước mặt và nước ngầm. Hình 1. 1: Chu trình thủy văn Nước mưa. Về mặt vệ sinh - vô trùng học và hóa học, thì nước mưa sạch nhất, chỉ có nhược điểm là nồng độ muối trong đó quá ít, nhưng rất dễ khắc phục bằng cách cho thêm muối vào. Tuy nhiên trong thực tế người ta chỉ dùng nước mưa làm nguồn nước cục bộ cho những đối tượng yêu cầu ít nước. Nước ngầm. Về mặt vệ sinh thì nước ngầm kém hơn nước mưa, nhưng sạch hơn nước mặt. Nhiều khi không xử lý mà vẫn sử dụng được. Thực chất nước ngầm là do Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 1 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG nước mặt thấm xuống đất. Thành phần hóa lý của nước ngầm tùy thuộc cấu tạo địa chất và thành phần nước mặt. Đối với nước ngầm, sự nhiễm bẩn về vi khuẩn rất đa dạng. Thông thường nước ngầm, mạch nông bị nhiễm bẩn nhiều hơn so với nước ngầm mạch sâu. Càng thấm sâu xuống lòng đất, vi khuẩn càng ít đi bởi lớp đất trên cùng có khả năng giữ lại hầu hết các vi khuẩn. Nhiều số liệu cho thấy ở dưới các hố phân, vi khuẩn không thể xâm nhập xuống chiều sâu 30 - 40 cm cách mặt đất. Tuy nhiên có khi ở độ sâu 1,5 m và hơn nữa cũng phát hiện thấy có vi khuẩn và làm nước ngầm bị nhiễm khuẩn. Các chất hóa học thấm xuống lòng đất sâu hơn. Nhưng trong quá trình thẩm thấu cùng với nước xuống đất, các chất đó có thể bị thay đổi thành phần. Chẳng hạn cách mặt đất 0,5 m nhiều chất hữu cơ đã bị phân hủy - bị oxy hóa. Người ta đã nghiên cứu, phân tích và cho thấy, ở độ sâu 30,5 cm, BOD không vượt quá 5 mg/l, thậm chí khi BOD ban đầu trên mặt đất đạt tới 100 mg/l. Ở độ sâu đó không còn thấy photphat nữa. Vi khuẩn và hóa chất không chỉ thẩm thấu theo chiều sâu, mà còn khuếch tán theo chiều ngang. Thí nghiệm cho thấy, cùng với nước ngầm các hóa chất cũng bị khuếch tán xa hơn vi khuẩn. Khoảng cách khuếch tán tùy thuộc lượng bẩn ban đầu, tính chất đất, kích thướt hạt. Tuy nhiên, có thể coi rằng vi sinh vật không thể thấm vào giếng nước cách xa nguồn bẩn 20 m đối với đất pha sét, 200 m đối với đất cát (Jucốp và Ampolski 1951). Nước mặt. Khi mưa rơi xuống mặt đất, chảy vào các sông hồ nên gọi là nước mặt. Nước mặt bẩn nhất cả về vi sinh vật, chất hữu cơ, vô cơ.