Hồ sinh học trong xử lý nước thải- Cơ chế và nguyên tắc hoạt động

Ngày đăng: 13/09/2023 1977 lượt xem

I. Các khái niệm

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
Hồ sinh học là các thuỷ vực tự nhiên hoặc nhân tạo mà tại đó diễn ra quá trình chuyển hoá những chất bẩn. Quá trình này diễn ra tương tự như quá trình tự làm sạch trong các hồ tự nhiên với vài trò chủ yếu là các loại vi khuẩn và tảo.
Hồ sinh học được ứng dụng rộng rãi hơn cánh đồng lọc và cánh đông tưới. Ưu điểm lớn nhất của hồ sinh học là chiếm diện tích nhỏ hơn cánh đồng lọc sinh học
Ngoài ra hồ sinh học còn có những tác dụng hữu ích sau:
–  Nuôi trồng thuỷ sản;
–  Cung cấp nước cho trồng trọt;
–  Điều hoà dòng chảy mùa mưa và hệ thống thoát nước đô thị;
–  Không đòi chi phí cao;
–  Bảo trì, điều hành đơn giản

II. Cơ chế và nguyên tắc xử lý nước thải của hồ sinh học

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.
1. Hệ động thực vật trong hồ sinh học
Hệ động thực vật của hồ sinh học thường có các vi sinh vật: vi sinh vật, nguyên sinh động vật, tảo, rêu, bèo… Các vi sinh vật trong hồ là các vi sinh vật kỵ khí, yếm khí, hiếu khí hay tuỳ tiện như interobacterium, streptococus, clostridium, achromobacter, cytophaga, micrococus, pseu-domonas, bacillus, lactobacillus…
Trong hồ sinh học các loại thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định chất lượng nước. Chúng sử dụng các chất dinh dưỡng (N,P), kim loại nặng (Cu, Cd, Hg, Zn) để cho sự đồng hoá và phát triển sinh khối. Để tồn tại trong những môi trường nước khác nhau đồi hỏi mỗi loại vi khuẩn phải có sự tiến hoá, thích nghi rất cao. Tuỳ theo từng điều kiện cụ thể mà hình thành nên các nhóm thực vật thuỷ sinh và trong các nhóm thực vật thuỷ sinh này chỉ có một số có những tính chất phù hợp cho việc xử lý môi trường nước ô nhiễm.
Thực vật thuỷ sinh dùng để xử lý nước thải chia làm ba nhóm lớn: 
–  Nhóm thực vật thuỷ sinh ngập nước: 
Đặc điểm quan trọng của nhóm thực vật thuỷ sinh ngập nước là chúng tiến hành quá trình quang hợp hay trao đổi chất diễn ra hoàn toàn trong lòng nước. Chính vì vậy nhóm thực vật thuỷ sinh này chỉ có thể phát triển tốt ở một khoảng độ sâu nhất định của nước và chiều sâu này thường từ 50cm (tính từ bề mặt nước) trở lại vì ở chiều sau này thì ánh sáng mặt trời có tác dụng tốt nhất. Nhóm thực vật ngập nước này cũng gây nên những tác hại như làm tăng độ đục của nước, ngăn cản khả năng khuếch tán của ánh sáng vào nước. Do đó các loại thủy sinh này không hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải.
Nhóm này bao gồm các lạo như rong Hydrilla Verticillata, Caratophyllum…hấp thụ các chất dinh dưỡng và các nguyên tố cần thiết khác qua thân, lớp vỏ, đây là quá trình lọc và hấp thụ các chất hòa tan. Hiệu quả thu hồi các chất dinh dưỡng nitơ của laoij thực vật này từ 200-1560 kg/ha.
Thực vật ngập nước bậc cao đóng vai trò lớn trong việc cung cấp oxy cho vi khuẩn tham gia phân hủy các chất hữu cơ. Tuy nhiên cũng cần thiết thường xuyên thu hồi các loại thực vật nổi và thực vật ngập nước ra khỏi hồ để tránh hiện tượng nhiễm bẩn nước.
– Nhóm thục vật trôi nổi:
Các loài thực vật này phát triển trên bề mặt nước gồm hai phần: phần lá và phần thân mềm nổi trên mặt nước, đây là phần nhận ánh sáng trực tiếp từ mặt trời, phần dưới là rễ, rễ của các loài thực vật này là rễ chùm. Chúng phát triển trong lòng môi trường nước, nhận các chất dinh dưỡng trong nước và chuyển lên lá thực hiện quá trình quang hợp.
Loài thực vật này trôi nổi trên nước theo gió và dòng nước. Khi chúng di chuyển kéo theo rễ quét trong lòng nước, các chất dinh dưỡng thường xuyên tiếp xúc và hấp thụ qua rễ. Rễ của loài thực vật này là giá thể cho các loại vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải. So với loài thực vật ngập nước, loài thực vật trôi nổi này có khả năng xử lý các chất ô nhiễm rất cao.
Nhóm này bao gồm các loại bèo như: Eichhorinia crassipes (bèo Nhật Bản, Lục bình); spirodella; lema; Postia statiotes… Sinh khối của bèo tăng rất nhanh trong điều kiện môi trường thuận lợi sau sáu ngày nuôi cấy chúng có thể tăng sinh khối đến 250 kg chất khô/ha.ngày đêm (Theo O’ Bien 1981). Trong quá trình nghiên cứu bèo trong hồ sinh học, các nhà khoa học nhận thấy rằng bộ rễ của bèo là nơi cư trú của nhiều loài vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa các chất hữu cơ ở tầng bề mặt nước. Hiệu quả xử lý BOD đạt 95%; khả năng khử N-NH3, P đến 97%. Ngoài bèo trong hồ sinh học còn có các loại thực vật nổi khác như rau muống, họ sen súng. Đây đều là loại thực vật có khả năng chuyển hóa vật chất rất cao.
–  Thực vật nửa ngập nước:
Loại thực vật này có rễ bám vào đất nhưng phần thân và lá phát triển trên bề mặt nước. phần rễ bám đất ngập nước, nhận các chất dinh dưỡng có trong đất, chuyển nó lên lá trên mặt nước để tiến hành quá trình quang hợp. Loài thực vật làm sạch môi trường chủ yếu phần lắng ở đáy lưu vực nước.

Dưới đây là bảng thống kê một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu:

Nhóm Tên thông thường Tên khoa học
Thực vật ngập nước Hydrilla Hydrilla Verticillata
Water milfoil Myriophyllum spicatum
Blyxa Blyxa aybertii
Thực vật trôi nổi Lục bình (water hyacinth) Eichhornia crassipes
Bèo tấm (duck week) wolfia arrhiga
Bèo tai tượng Pistia stratiotes
Salvinia Salvinia spp
Thực vật nửa ngập nước Cattails Typha spp
Cỏ lõi bấc (bulrush) Scirpus spp
Sậy (reed) Phramites communis

2. Cơ chế xử lý nước thải của hồ sinh vật

Khi nước thải vào hồ do vận tốc nước chảy nhỏ, các loại cặn lắng có tỷ trọng lớn được lắng xuống đáy; các chất bẩn hữu cơ còn lại lơ lửng trong nước sẽ được vi khuẩn hấp phụ và oxy hoá. Ở gần sát mặt nước tồn tại nhiều vi sinh vật hiếu khí; tại đây oxy được cung cấp từ quá trình hoà tan từ không khí do chuyển động của sóng, gió. Lượng oxy này không nhiều nhưng khá ổn định; lượng oxy co trong tầng nước nhờ sự quang hợp của tảo. Nhờ có oxy quá trình chuyển hoá hiếu khí của vi sinh vật xảy ra mạnh, chất hữu cơ nhanh chóng bị phân huỷ thành các sản phẩm là sinh khối,  , các muối nitrat, nitrit,..

Khí CO2  và hợp chất N, P lại được trong tảo sử dụng trong quá trình quang hợp. Trong quá trình này sẽ giải phóng oxy, cung cấp cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ của vi khuẩn. Sự hoạt động của rong tảo tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Như vậy vi khuẩn hiếu khí và tảo tạo ra một vòng khép kín của sự chuyển hoá vật chất. Tuy nhiên trong trường hợp nước thải đậm đặc chất hữu cơ, tảo có thể chuyển từ hình thức tự dưỡng sang dị dưỡng và tham gia vào quá trình oxy hoá chất hữu cơ. Nấm, xạ khuẩn có trong nước thải cũng thực hiện vai trò tương tự.
Dưới đây là Sơ đồ thể hiện Thuyết hỗ sinh về vi khuẩn và tảo:

Ở phần đáy hồ, các chất hữu cơ có tỷ trọng lớn lắng xuống thường đây là các chất khó phân huỷ; trong môi trường đáy hồ rất thiếu oxy nên phát triển vi sinh vật yếm khí. Các vi sinh vật này tham gia chuyển hoá chất hữu cơ thành các acid hữu cơ, rượu để các vi sinh vật khác tiếp tục chuyển hoá thành khí CH4, CO2, H2S, NH3 ,  ,  ,  … Trong đó  NH3  và CO2  có ý nghĩ giúp rong tảo phát triển mạnh; ngược lại trong quá trình phát triển của rong tảo tạo ra oxy là yếu tố không thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật yếm khí. Tuy nhiên rong tảo chỉ phát triển mạnh ở phần gần ánh sáng mặt trời nên một phần oxy tạo ra bay vào không khí, một phần được vi sinh vật hiếu khí sử dụng nên sự ảnh hưởng đến vi sinh vật yếm khí không đáng kể; phần đáy hồ khi rong tảo chết thì xác của nó là chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật đáy hồ phát triển. Như vậy, rong tảo không chỉ có tác dụng tích cực đến sự chuyển hoá vật chất (quá trình quang hợp) mà còn tác động tích cực đối với vi sinh vật hiếu khí và vi sinh vật yếm khí.
Như vậy vi sinh vật, tảo, các loại thực vật trong hồ có mối quan hệ thông qua oxy và các chất dinh dưỡng. Oxy giúp sự phát triển của sinh vật hiếu khí nhưng đồng thời cũng là yếu tố tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh trong hồ. Lượng oxy cung cấp cho hồ có sự chênh lệch giữa ngày và đêm; ban đêm lượng oxy không nhiều chỉ tập trung vùng bề mặt, vào ban đêm thì lượng oxy cao hơn. Điều này chứng tỏ rằng lượng oxy có trong hồ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên là do quá trình quang hợp của tảo và thực vật.
Yếu tố chính đảm bảo quá trình chuyển hoá chất hữu cơ trong hồ sinh học là oxy và nhiệt độ. Ở tầng nước mặt do có oxy khuếch tán từ không khí và oxy quang hợp, quá trình oxy hoá chất hữu cơ diễn ra mạnh, thế năng oxy hoá khử trong hồ giảm dần theo chiều sâu hồ. Ở tầng nước sau, hàm lượng oxy hoà tan giảm tạo điều kiện yếm khí, vi khuẩn phải sử dụng oxy liên kết từ NO2-, NO3-, SO42-  ,  ,   để oxy hoá chất hữu cơ. Trong lớp cặn đáy, các chất hữu cơ thường phân huỷ bằng cách lên men, sản phẩm tạo ra là CH4 , H2S
Theo chiều chuyển động của nước thải, hồ sinh học trong xử lý nước thải chia làm ba vùng khác nhau: 
–  Vùng Polyxaprobe (P): Tại đây diễn ra quá trình phân huỷ chất hữu cơ dễ bị oxy hoá sinh hoá, lên men cặn lắng nhờ vi khuẩn.
– Vùng  -mezoxaprobe ( -m): Tại đây phân huỷ mạnh các chất hữu cơ, các hợp chất nitơ tồn tại dưới dạng amoni. Hàm lượng oxy hoà tan thấp, vi khuẩn tuỳ tiện phát triển mạnh.
–  Vùng  -mezoxaprobe ( -m): Đây là vùng ổn định với BOD không cao. Hàm lượng   và   lớn, là nguyên nhân gây nên hiện tượng phú dưỡng. Trong vùng này xuất hiện nhiều loại tảo lục đơn bào, động vật nguyên sinh.
Bên cạnh xử lý nước thải, hồ sinh học còn sử dụng với nhiều mục đích khác:
• Nuôi bèo hoặc thực vật nước:
Khi xem xét khả năng ứng dụng các loại hồ sinh học ở Việt Nam, có ý kiến cho rằng nên kết hợp việc xử lý nước thải trong hồ với việc nuôi bèo ở trong hồ vì bèo là loài thực vực có khả năng ‘làm sạch” nước, đồng thời khi bèo phát triển có thể làm thức ăn chăn nuôi cũng như làm nguyên liệu chế biến thành phân hữu cơ. Tuy nhiên khi nuôi bèo phải chú ý không để bèo phủ kín mặt nước làm cản trở nguồn ánh sáng, vùng nước phía dưới thiếu ánh sáng làm giảm khả năng phát triển của các sinh vật có trong nước.
• Nuôi trồng tảo:
Nước thải chứa nhiều chất dinh dưỡng thuận lợi cho sự phát triển của tảo và các sinh vật khác. Tảo phát triển mạnh trong hồ sẽ cung cấp oxy hoà tan cho các sinh vật khác phát triển theo làm tăng nhanh quá trình phân huỷ các chất ô nhiễm, chuyển hoá thành sinh khối. Sinh khối tảo lại là nguồn thức ăn rất tốt cho chăn nuôi và nuôi trồng thuỷ sản.
 Dưới đây là đặc điểm một số dạng của tảo:
Các bài viết khác: