CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
CHƯƠNG 2
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
2.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI:
2.1.1 Đònh nghóa:
Quá trình màng sinh học là một trong các quá trình xử lý nước thải bằng
phương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và bám dính lên trên
bề mặt các vật liệu rắn để tiếp xúc thường liên tục hay gián đoạn với nước thải.
Phương pháp dùng vi sinh vật cố đònh để xử lý nước thải được phân làm 3 phương
pháp: là phương pháp vận chuyển kết gắn, phương pháp bẫy và phương pháp liên
kết chéo trong đó quá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương pháp
vận chuyển kết gắn. Tuy nhiên, quá trình xử lý sinh học sử dụng sinh khối cố đònh
với hai phương pháp còn lại có thể được xem như quá trình xử lý bằng màng sinh
học bởi vì chúng có cùng cơ chế làm sạch và đặc tính xử lý. Trong phần này, chỉ
thảo luận trong phạm vi hẹp về quá trình xử lý bằng màng sinh học hiếu khí
2.1.2. Phân loại:
Dựa vào nguyên tắc hoạt động, quá trình lọc sinh học được chia thành 3 loại:
• Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): phương pháp này dựa trên nguyên
tắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước. Phương pháp này còn được chia
thành nhiều loại dựa trên cách hoạt động của giá thể: nền cố đònh (fixed bed),
nền mở rộng (expanded bed) và nền giả lỏng (fluidized bed).
• Thiết bò sinh học tiếp xúc quay (rotating contactor). Đóa quay sinh học sử dụng
một lượng lớn các đóa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nước
thải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặt
của đóa.
• Thiết bò lọc nhỏ giọt (trickling filter): ở phương pháp này dòng nước được chảy
từ trên xuống qua tầng vật liệu lọc. Lọc sinh học nhỏ giọt gồm một bể tròn hay
chữ nhật có chứa lớp vật liệu lọc (đá, ống nhựa, nhựa miếng…), nước thải được
tưới liên tục hay gián đoạn từ một ống phân phối thích hợp đặt bên trên bể. Khi

+

H
2
S
Acid hữu cơ
Nước thải
Hình: 3..1 Cấu tạo màng vi sinh vật
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những
hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra. Phát hiện
mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những
cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer
ngoại tế bào; tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang
và chiều đứng. Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiều
đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngan, kết quả là sự phân bố sinh
khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất. Và quan trọng hơn là sự vận chuyển
cơ chất từ chấât lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bò
chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ. Chất lỏng có thể lưu
chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm
thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể
xảy ra theo mọi hướng trong đó. Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình
vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hóa)… giữa pha lỏng và màng vi
sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng
số hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý.
Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia
thành hai lớp (chỉ đúng trong trường hợp quá trình màng vi sinh vật hiếu khí): lớp
màng kỵ khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài (hình 3.2.1). Trong
màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí; bởi vì
chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy

sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.
sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.
Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật,
không chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh vật.
Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bò thiếu,
những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Chẳng hạn, nếu một trong những cơ
chất bò hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng
sinh học sẽ không tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của
quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác đònh từ
vò trí đó. Các nguyên tố vết như nitơ, photphat, và kim loại vi lượng nếu không có
đủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của
phản ứng. Tương tự, chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạn
trong màng hiếu khí. Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếp
xúc với màng thấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan sẽ trở thành yếu tố giới
hạn. Do đó, ngay cả trong trường hợp màng hiếu khí, lớp màng ở bên trong vò trí
tiêu thụ hết oxy trở thành thiếu khí (anoxic) hoặc kỵ khí (anaerobic). Lớp màng kỵ
khí không đóng vai trò trực tiếp trong việc làm sạch nước thải. Tuy nhiên, trong lớp
màng kỵ khí có thể diễn ra các quá trình hóa lỏng, lên men acid chất hữu cơ dạng
hạt rắn, oxy hóa chất hữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate, hoặc khử
nitrat, nitrit tạo ra từ lớp màng hiếu khí. Vì vậy, sự đồng tồn tại của hoạt động hiếu
khí và kỵ khí trong lớp màng vi sinh vật là một yếu tố rất quan trọng trong quá
trình màng vi sinh vật.
21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
2.2.3. Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật:
Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ
cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát
triển bám dính trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn :
Giai đoạn thứ nhất có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa
bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau,

nước. Loài còn lại ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán
sinh khối. Và nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hóa chất
hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao.
Bảng 3.2.3. Xác đònh sự tích lũy của màng vi sinh vật.
Phân loại 2.1. Phương pháp phân tích
(A) Xác đònh trực tiếp khối lượng màng vi
sinh vật:
Bề dày màng; Khối lượng màng
(B) Xác đònh không trực tiếp lượng màng vi
sinh vật: Thành phần màng vi sinh vật xác
đònh
Polysaccharide; Tổng carbon hữu cơ;
COD; Protein
(C) Xác đònh không trực tiếp lượng màng vi
sinh vật: Vi sinh hoạt động bên trong màng
Đếm tế bào nhìn thấy được; ATP;
Lipopolysaccharide; Tốc độ loại bỏ cơ
chất
(D) Xác đònh không trực tiếp lượng màng
vi sinh vật: nh hưởng của màng vi sinh
vật tới các đặc tính chuyển động.
Ma sát
Ngăn cản truyền nhiệt.
2.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH MÀNG VI SINH.
2.3.1. Đặc tính dính bám của màng sinh học:
Khả năng dính bám của màng sinh học trên bề mặt rắn là 1 trong những nhân
tố quan trọng của quá trình màng sinh học vì nó thường ảnh hưởng đến tốc độ phát
23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
triển và những khó khăn liên quan đến việc tẩy rửa màng sinh học. Có 2 nhân tố

rắn. Cần chú ý rằng sự phân phối các chủng loại vi sinh trêm lóp màng thay đổi với
mức độ hỗn loạn.
24
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
25
V
min
V
min
V
min
1/x (độ dày của lớp điện tích kép
G G G
GGG
a
b c
c’
b’a’
h h h
hhh
V
R
V
A
V
min
V
min
V
max