Chương X Hồ sinh học

CHƯƠNG XHỒ SINH HỌC Nội dung Cơ sở lý thuyết Các dạng hồ sinh học Các vi sinh vật hiện diện Cơ sở lý thuyết Hồ là một khối nước nằm trong nội địa có kích thước từ nhỏ, trung bình đến lớn, bề mặt của hồ tiếp xúc với không khí. Hồ là một trong những hình thức lâu đời nhất để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Hồ sinh học dùng để xử lý những nguồn thải thứ cấp với cơ chế phân hủy các chất hữu cơ xảy ra một cách tự nhiên. Các hồ sinh học có thể là các hồ đơn hoặc thường được kết hợp với các phương pháp xử lý khác Cơ sở lý thuyết Các hoạt động diễn ra trong hồ sinh học là kết quả của sự cộng sinh phức tạp giữa nấm và tảo, giúp ổn định dòng nước và làm giảm các vi sinh vật gây bệnh Hồ sinh học có thể dùng để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau: nước thải công nghiệp hay sinh hoạt phức tạp, trong những điều kiện thời tiết khác nhau. Các quá trình diễn ra trong ao, hồ sinh học cũng tương tự như quá trình tự làm sạch ở các sông hồ tự nhiên. Vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý chất thải hữu cơ. Các dạng hồ sinh học Hồ tự nhiên Hồ nhân tạo Hồ kỵ khí Hồ tùy tiện Hồ hiếu khí Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước Hồ tự nhiên Hồ được hình thành do quá trình kiến tạo bề mặt trái đất Hồ tự nhiên trước đây, khi chưa chịu tác động đáng kể của con người thường là những hồ sinh thái có độ đa dạng sinh học cao, là nơi cư trú của nhiều loài động thực vật. Đến nay dưới tác động của bàn tay con người, một số hồ đã bị xoá sổ, một số được khai thác cạn kiệt các tài nguyên trong hồ hay phải gánh chịu những vấn đề ô nhiễm môi trường do con người tạo ra. Các dạng hồ sinh học Hồ nhân tạo Hồ nhân tạo được hình thành do những tác động của con người nhằm những mục đích này hay mục đích khác, như đắp chắn dòng sông ngăn lũ, lưu trữ nước cho nhà máy phát điện, cung ứng cho tưới tiêu chống hạn tạo những hồ sinh thái ở khu vực thượng nguồn. Hồ còn do quá trình đào đắp đất hoặc khai thác đất đá, khoáng sản tạo thàng các hố sâu rộng, theo thời gian nước được lấp đầy do mưa tạo thành những lòng hồ, làm môi trường sống cho các loại động vật thuỷ sinh… Các dạng hồ sinh học Các dạng hồ sinh học Hồ kỵ khí Hồ kỵ khí dùng để lắng và phân hủy cặn lắng và phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa trên cơ sở sống và hoạt động của vi sinh vật kỵ khí. Các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ các hợp chất hữu cơ trong dòng chảy, giải phóng khí CH4 và CO2. Có khả năng xử lý nước thải chứa hàm lượng hữu cơ cao Hồ kỵ khí làm giảm lượng N, P, K và các vi sinh vật gây bệnh bằng cách tạo ra bùn và giải phóng NH3 vào không khí Các dạng hồ sinh học Các dạng hồ sinh học Kết quả thu được: Chuyển đổi vật chất từ dạng vật liệu hòa tan thành dạng vật chất lắng đọng như bùn đáy. Hòa tan các dạng vật chất hữu cơ khác. Phá vỡ quá trình phân hủy sinh học của các vật chất hữu cơ. Chứa vật chất không hòa tan và không phân hủy như bùn đáy. Chứa vật chất không hấp thụ và ở dạng vô định hình như bùn đáy. Cho phép xử lý một phần dòng chảy đi qua. Các dạng hồ sinh học Hồ tùy tiện Có 2 loại hồ tùy tiện Hồ tùy tiện nguyên thủy, tiếp nhận nguồn thải nguyên chất chưa qua xử lý; Hồ tùy tiện thứ cấp, tiếp nhận nguồn thải đã qua xử lý (thường là dòng thải từ hồ kỵ khí) Các dạng hồ sinh học Các dạng hồ sinh học Khi quá trình hoàn thành, hồ tùy tiện sẽ đáp ứng: Tăng cường xử lý dòng thải vào từ xử lý kỵ khí thông qua việc phân chia, phân hủy và tiêu hóa các vật chất hữu cơ. Xử lý hiếu khí phá vỡ hầu hết các dạng hữu cơ còn lại ở gần bề mặt hồ. Làm giảm số lượng vi sinh vật có khả năng gây bệnh. Các dạng hồ sinh học Hồ hiếu khí Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí. Có thể phân loại hồ này thành hai nhóm: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo Hồ hiếu khí được thiết kế với tác dụng ngăn không cho tảo phát triển. Điều này được thực hiện thông qua 2 điều kiện. Sự trộn lẫn hiệu quả  tất cả sinh khối ở tình trạng lơ lửng, cung cấp độ đục cần thiết để làm giảm sự xâm nhập của ánh sáng vào trong cột nước  thời gian lưu bùn cân bằng với thời gian lưu nước. Thời gian lưu nước được kiểm soát ít hơn thời gian lưu bùn làm giảm sự phát triển của tảo. Bởi vì tảo đã bị ngăn chặn không cho phát triển, oxy được cung cấp với nghĩa thụ động. Các dạng hồ sinh học Hồ này có thể được thiết kế với nhiều mục tiêu khác nhau, bao gồm Chuyển hóa các vật liệu hữu cơ đã bị vi khuẩn làm cho thối rữa thông qua việc chuyển đổi thành sinh khối, Sự ổn định của vật chất hữu cơ (bao gồm cả sinh khối tổng hợp) thông qua sự phân hủy hiếu khí, và sự chuyển hóa của sinh khối tổng hợp do lắng đọng tự nhiên Các dạng hồ sinh học Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước (hồ thực vật) là phương pháp xử lý được xem là lâu đời nhất (trên 3.000 năm) có khả năng xử lý các chất hữu cơ, nitơ, phospho. Việc áp dụng hồ thực vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất nước thải: BOD, dinh dưỡng, các chất độc hại, nhiệt độ nước thải; điều kiện khí hậu, thời tiết: nhiệt độ, bức xạ, tính chất nguồn nước tiếp nhận (hàm lượng muối, độ kiềm, độ cứng); Các dạng hồ sinh học Thực vật nước có mặt trong các hồ sinh học chủ yếu là một số loại tảo, phiêu sinh thực vật và các thực vật nổi. Pleustophyte (tăng trưởng trên mặt nước, lá nổi trên bề mặt): Lục bình, cỏ vịt, rau muống, bèo hoa dâu, bèo tây, bèo nhật bản Heltophyte (rễ nằm ngập trong nước): Lau sậy, cỏ chỉ, Iris, cỏ năng, lác Hydrophytes (ngập trong nước): Elodea, cỏ thi Phiêu sinh thực vật (Phytoplankton): Tảo chlorella, Euglena, Scenedesmus Các dạng hồ sinh học Cơ chế hoạt động của hồ thực vật như sau: Vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ tạo thành CO2 và H2O; acid hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Tảo sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời, CO2 và các chất vô cơ trong nước để tổng hợp nguyên sinh chất, giải phóng oxy Oxy cung cấp cho vi khuẩn bổ sung từ nước (không khí, gió xáo ñộng khuấy trộn nước hồ, nhiệt độ, hàm lượng muối ảnh hưởng ñến oxy hòa tan) và oxy nhân tạo. Hiện tượng lắng cặn cũng xảy ra trong hồ thực vật nước. Các dạng hồ sinh học Các dạng hồ sinh học Vi sinh vật hiện diện Vi sinh vật hiếu khí Vi khuẩn kỵ khí Các vi sinh vật quang hợp Động vật nguyên sinh Thực vật Vi sinh vật hiếu khí Giống với các loài vi khuẩn hiện diện trong các hệ thống xử lý khác Gồm có nhóm vi khuẩn tự do, nhóm vi khuẩn dạng khối và nhóm vi khuẩn dạng sợi Chức năng: phân hủy các hợp chất hữu cơ, giải phóng CO2 và tạo sinh khối mới Vi sinh vật hiện diện Nhóm vi khuẩn tự do Có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ nhưng không lắng xuống đáy  bị cuốn ra ngoài theo dòng thải Thường tồn tại trong môi trường có nồng độ hữu cơ đầu vào cao và nồng độ oxy trong nước thấp. Vi sinh vật hiện diện Nhóm vi khuẩn dạng khối Tăng trưởng gắn kết tạo thành một khối lớn do tạo thành các polymer ngoại bào Giúp đẩy nhanh tốc độ phân hủy BOD và lắng đọng ở cuối quá trình  hạn chế lượng chất rắn lơ lửng thải ra ngoài Nhóm vi khuẩn dạng sợi Chỉ xuất hiện trong trường hợp đặc biệt Thường không có ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình xử lý nước Vi sinh vật hiện diện Nhóm vi khuẩn tạo acid Chuyển hóa các sản phẩm protein, lipid, polysaccharide trong điều kiện kỵ khí thành các alcohol, acid hữu cơ như acetic, propionic, butyric Có khả năng thích nghi tốt đối với điều kiện pH và nhiệt độ khác nhau Vi sinh vật hiện diện Vi sinh vật kỵ khí Nhóm vi khuẩn tạo methane Chuyển hóa các sản phẩm như acid formic, methanol, methylamine và acid acetic trong điều kiện kỵ khí thành methane Rất nhạy cảm với điều kiện môi trường và thích nghi với khoảng pH hẹp: 6.5 – 7.5 và nhiệt độ >140C Vi sinh vật hiện diện Nhóm vi khuẩn khử sulfate Là tác nhân cung cấp năng lượng, giúp chuyển hóa sulfate thành H2S Chỉ xuất hiện khi nước thải chứa BOD và sulfate nhưng không có oxy Đây chính là nguyên nhân chính gây nên mùi khó chịu ở các hồ xử lý Vi sinh vật hiện diện Vi sinh vật quang hợp Xuất hiện ở tất cả các hồ nhưng phổ biến nhất là ở hồ hiếu khí Vi khuẩn quang hợp chủ yếu là nhóm vi khuẩn lưu huỳnh kỵ khí  oxy hóa các hợp chất H2S thông qua năng lượng ánh sáng tạo thành S và sulfate Tảo là loài hiếu khí có khả năng quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng và một số hợp chất đơn giản như nitrate, sulfate … để tăng trưởng Vi sinh vật hiện diện Động vật nguyên sinh Có nhiều loài sinh vật bậc cao hơn có thể xuất hiện trong các hồ sinh học (động vật) như động vật nguyên sinh và động vật không xương sống, như: rotifers, daphnia, giun đốt, chironomids (ấu trùng muỗi vằn), và ấu trùng muỗi (thường gọi là zooplankton-thực vật nổi) Vi sinh vật hiện diện Hồ thực vật Sự hiện diện và phát triển của các loài vi sinh vật trong hồ thực vật dưới các điều kiện môi trường khác nhau sẽ rất khác nhau. Khi tải trọng hữu cơ cao phát triển các loài: phytoplagenllata, Euglena cạnh tranh với sự phát triển của vi khuẩn như: Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes. Vi khuẩn E. coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các loài vi khuẩn khác. Đồng thời, xuất hiện các loài cillata giả túc như: colpidium, paramecium, glaucoma, protozoa, rotifer, sử dụng vi khuẩn làm nguồn thức ăn. Khi tải trọng hữu cơ thấp, phát triển các loài như Daphnia, Rotozoa. Vi sinh vật hiện diện