Ảnh hưởng của các chất ức chế sinh học đến hiệu suất xử lý nước thải

Ảnh hưởng của các chất ức chế sinh học đến hiệu suất xử lý nước thải

Các quá trình xử lý nước thải sinh học (bùn hoạt tính, kỵ khí, biofilm) phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ và loại bỏ dinh dưỡng. Tuy nhiên, sự hiện diện của chất ức chế sinh học (kim loại nặng, hợp chất độc hữu cơ, amoni, sulfide…) có thể làm suy giảm hoạt tính vi sinh, dẫn đến giảm hiệu suất xử lý, tăng chi phí vận hành, và phát sinh sự cố môi trường. Bài viết phân tích cơ chế ức chế, hậu quả, và giải pháp khắc phục.

Phân Loại Chất Ức Chế và Cơ Chế Tác Động

1. Kim Loại Nặng (Cu, Zn, Cr, Hg)

• Nguồn gốc: Nước thải công nghiệp mạ điện, khai khoáng, thuộc da.
• Cơ chế:
  • Phá hủy enzyme (ví dụ: dehydrogenase) bằng cách liên kết với nhóm -SH.
  • Gây stress oxy hóa, tổn thương màng tế bào.
• Ngưỡng ức chế:
  • Aerobic: Cu²⁺ > 1 mg/L làm giảm 50% tốc độ nitrat hóa.
  • Kỵ khí: Zn²⁺ > 10 mg/L ức chế methanogen.

2. Hợp Chất Hữu Cơ Độc (Phenol, Formaldehyde, Hydrocacbon Thơm)

• Nguồn gốc: Dược phẩm, dệt nhuộm, hóa chất.
• Cơ chế:
  • Phá vỡ tính thấm màng tế bào (phenol).
  • Ức chế hô hấp ty thể (formaldehyde).
• Ngưỡng ức chế:
  • Phenol > 200 mg/L làm tê liệt vi khuẩn hiếu khí.
  • Formaldehyde > 50 mg/L gây chết bùn kỵ khí.

3. Amoni (NH₃/NH₄⁺) và Sulfide (H₂S)

• Nguồn gốc: Nước thải chăn nuôi, sản xuất phân bón.
• Cơ chế:
  • NH₃ khuếch tán qua màng, làm tăng pH nội bào.
  • H₂S ức chế cytochrome oxidase trong chuỗi hô hấp.
• Ngưỡng ức chế:
  • Kỵ khí: NH₃ > 100 mg/L ức chế methanogen.
  • Hiếu khí: H₂S > 50 mg/L làm giảm 70% hoạt tính nitrat hóa.

4. Muối (NaCl, KCl) và pH Cực Đoan

• Nguồn gốc: Nước thải thủy sản, dệt nhuộm.
• Cơ chế:
  • Gây mất nước tế bào (áp suất thẩm thấu cao).
  • pH < 5 hoặc > 9 làm biến tính enzyme.

Hậu Quả Trên Từng Quy Trình Xử Lý

1. Bể Hiếu Khí (Aerotank)

• Hiện tượng:
  • Bùn khó lắng (bulking) do vi khuẩn dạng sợi (Filamentous) phát triển.
  • Giảm tốc độ oxy hóa BOD (50–80%).
• Ví dụ: 10 mg/L Cr⁶⁺ làm giảm 60% hoạt tính của Nitrosomonas.

2. Bể Kỵ Khí (UASB, Anaerobic Digester)

• Hiện tượng:
  • Tích tụ acid béo dễ bay hơi (VFA), pH giảm < 6.5.
  • Sản lượng biogas giảm 30–90%.
• Ví dụ: 50 mg/L Cu²⁺ ức chế methanogen, tăng VFA lên 5,000 mg/L.

3. Quá Trình Nitrat Hóa/Denitrat Hóa

• Hiện tượng:
  • Mất cân bằng NH₄⁺/NO₂⁻ do ức chế AOB (Nitrosomonas).
  • Tăng N₂O – khí nhà kính mạnh.

Ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý nước thải sinh học

Khi các chất ức chế có mặt trong nước thải, các hiệu quả xử lý có thể bị giảm sút theo những cách sau:

• Giảm hiệu suất loại bỏ BOD/COD: Việc chuyển đổi chất hữu cơ không diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn sẽ dẫn đến chỉ số BOD, COD cao hơn so với tiêu chuẩn cho phép.
• Giảm khả năng khử nitơ và photpho: Nhiều quá trình xử lý nước thải đòi hỏi sự tham gia của vi sinh vật trong các giai đoạn nitrification – denitrification và khử photpho. Sự ức chế làm giảm hoạt động của các vi khuẩn chuyên biệt này, gây khó khăn trong việc loại bỏ các chất dinh dưỡng gây ô nhiễm.
• Tăng sản lượng bùn không ổn định: Khi vi sinh vật bị ức chế, quá trình tổng hợp và kết tụ bùn có thể không hiệu quả, dẫn đến việc bùn hoạt tính không được giữ lại đúng mức, gây ra tình trạng bùn già hoặc bùn rơi theo nước ra ngoài.
• Tăng nguy cơ tái ô nhiễm: Nếu quá trình xử lý không diễn ra hoàn hảo, nước thải sau xử lý có thể vẫn chứa lại các chất độc hại, gây ra nguy cơ tái ô nhiễm môi trường khi xả ra ngoài.

Các biện pháp khắc phục và tối ưu hóa hệ thống

Để giảm thiểu tác động của chất ức chế và duy trì hiệu suất xử lý nước thải cao, các giải pháp thường được áp dụng bao gồm:

• Tiền xử lý nước thải: Loại bỏ hoặc giảm nồng độ các chất ức chế trước khi nước thải đi vào hệ thống xử lý sinh học, ví dụ bằng quá trình lọc, trung hòa hay tách chiết.
• Điều chỉnh điều kiện vận hành: Điều chỉnh pH, nhiệt độ và cung cấp đủ oxy để giúp vi sinh vật khắc phục được hiệu quả ức chế.
• Sử dụng chủng vi sinh kháng độc: Lựa chọn và nuôi cấy các chủng vi sinh có khả năng chịu được sự ức chế cao, giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn trong điều kiện có chất ức chế.
• Bổ sung chất dinh dưỡng: Đôi khi, việc bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết có thể giúp vi sinh vật phục hồi hoạt động khi bị ức chế.

Kết luận

Các chất ức chế sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc gây ra sự giảm sút hiệu suất của các quá trình xử lý nước thải sinh học. Sự ức chế này không chỉ làm giảm tốc độ phân huỷ chất hữu cơ mà còn gây ra mất cân bằng trong hệ vi sinh, dẫn đến các vấn đề như giảm khả năng khử nitơ, photpho và tăng sản lượng bùn không ổn định. Do đó, việc nhận diện, đánh giá và áp dụng các biện pháp khắc phục kịp thời là cần thiết để đảm bảo hệ thống xử lý nước thải hoạt động hiệu quả, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.