1 MODAU
Tốc độ đô thị hóa ở Việt Nam rất nhanh cùng với sự phát triển của công nghiệp T¡ lệ dân số tại các thành thị tăng cùng với tốc độ đô thị hóa Nước thải từ các thành phố, khu dân cư tập trung, khu công nghiệp cũng tăng theo mức tăng dân số với lượng thải lớn Lưu lượng nước thải của thành phố 20 vạn dân khoảng 40.000 - 60.000 mÌ/ngày Hiện nay, tại thành phố Hà Nội tổng lượng nước thải (năm 2005) khoảng
550.000 mỉ /ngày
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là hàm lượng chất hữu cơ lớn (từ 55-65% tổng lượng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có các vi sinh vật gây bệnh Thành phân các chất ô nhiễm trong nước thải như BOD; là 110 - 400mg/I, tổng lượng nitơ TN là 20-85mg/1 trong đó nitơ amoni là 12-50mg/1
Cùng nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp cũng chứa nhiều loại chất tạp chất phức tạp, có nhiều loại chứa nhiều chất bẩn vô cơ, đặc biệt là các kim loại nặng như trong các ngành công nghiệp có công nghệ mạ Nước thai trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, thuộc da, giết mổ chứa nhiều các chất hữu cơ, các vi khuẩn gây bệnh
Sự phát triển nhanh của nên kinh tế đẫn đến sự cải thiện về mức sống của người
dân cũng như sự đòi hỏi về mức độ Vệ sinh môi trường Vì vậy xây dựng các công trình xử lý nước thái phải đạt các yêu cầu về chất lượng nguồn nước xả ra Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thái thấp hơn giá trị giới hạn cho phép quy định khi xả ra các loại nguồn nước mặt khác nhau
Một trong những chỉ tiêu cần phải đạt được là hàm lượng nitơ trong nước thải Theo TCVN 6772:2000 thì lượng N-NH¿” không lớn hơn 0.05mg/l với nguồn loại A và Img/1l với nguồn loại B Hàm lượng Nitơ trong nước thải cao làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đến môi trường và với các quá trình xử lý khác trong trạm xử lý nước thải
Có nhiều biện pháp đề khử nitơ trong nước thái và trong giới hạn của chuyên đề
này, chúng tôi đưa ra các biện pháp sinh học để khử Nitơ
Trang 2
2 TONG QUAN
2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải
Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại đưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ơxy hố (nitrit và nitrat) Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá Nitơ phân tử N; Cố định nitơ N-Protein thực vật N-Protein động vật Amôn hóa NH, hoặc NH;ạ Khir nitorat Nitrit hoa +0; Nitrat hoá +0,
Hình 1 Chu trình Nitơ trong tự nhiên
Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cầu thành phân tử protein hoặc là thành phần
phân huỷ protein như là các peptid, axit amin, urê
Hàm lượng amoniac (NH;) chính là lượng nitơ amôn (NH”,) trong nước thải sinh
hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khác có thể rất
cao Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong nước thái công nghiệp: chế biến sữa, rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc đa
Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%) Nguồn nito chủ yếu là từ nước tiểu Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thông thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số Trong số đó nito trong uré (N-CO(NH;);) là 0,7g, còn lại là các loại nitơ khác Urê thường được amoni hoá theo phương trình như sau
« Trong mạng lưới thoát nước urê bị thuỷ phân:
CÓ(NH);); + 2HO = (NH¿)›CÓ; (1.2)
Trang 3
+ Sau đó bị thối rữa:
(NH.);CO; = 2NH; + CÓ; + H,O (1.3) Như vậy NH; chính là lượng nitơ amôn trong nước thải Trong điều kiện yếm khí amoniae cũng có thể hình thành từ nitrat do các quá trình khử nitrat của vi khuẩn Denitrificans
Lượng chất bân Nitơ amôn (N-NH¿) một người trong một ngày xả vào hệ thơng thốt nước: 7 g/ng.ngày
Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư:
Bảng 1 Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu Trung bình Tổng Nito, mg/l 40 - Nito hitu co, mg/l 15 - Nito Amoni, mg/l 25 - Nito Nitrit, mg/l 0,05 - Nito Nitrat, mg/l 0,2 Tổng Phốt pho, mg/l 8
Nitrit (NO;} là sản phẩm trung gian của q trình ơxy hố amoniac hoặc nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas Sau đó nitrit hình thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter ôxy hoá thành nitrat
Các quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I:
NH, ™ NOy ™™ NO;
Trong đó: k, va k,, la các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá
Các phương trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá được biểu diễn như sau:
NH, + 1,50, “rns NOx + HO + 2H
NOx +0,50, Neromcer NOS
NH,’ + 203 NOy + H;O + 2H"
Qua trinh nitrat hoa can 4,57g éxy cho 1g nito am6n Cac loai vi khuan Nitrosomonas
va Nitrobacter la cac loai vi khuan hiểu khí thích hợp với điều kiện nhiệt độ từ 20-:30°C
Trang 4
Nitrit là hợp chất không bên, nó cũng có thê là sản phẩm của quá trình khử nitrat trong điều kiện yếm khí
Ngoài ra, nitrit còn có nguồn gốc từ nước thải quá trình cơng nghiệp điện hố Trong
trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nông độ nitrit, nitrat thường rất thấp, nó thường nhỏ hơn 0,02 mg/l, Néu nồng độ amoni, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao, quá trình nitrit hoá diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn Trong quá trình xử lý nước, nitrït trong nước sẽ tăng lên đột ngột
Nitrat (NO;) là đạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc
chính từ nước thái sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá chất, chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat hoá, tạo thành nitrat
Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ chứa nitơ Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hồn thiện của cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ ôxy trong hợp chất nitơ để cho các quá trình ơxy hố sinh hố các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng ơxy hồ tan trong nước rất ít hoặc bị hết
Khi thiếu ôxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách ôxy khỏi nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình ơxy hố các chất hữu cơ khác Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phán nitrat hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện) Trong điều kiện không có ôxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cácbon, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit dé lay oxy cho q trình ơxy hố các chất hữu cơ Quá trình
khử nitrat được biểu điễn theo phương trình phản ứng sau đây:
4NO; + 4H' + 5C „ $CO; + 2N; + 2H;O
Trong quá trình phản nitrat hoá, Iø nitơ sẽ giải phóng 1,71g O; (khử nitrit) và 2,85 g O; (khử nitrat)
Trang 5
2.2 Tác hại của Nitơ trong nước thai
2.2.1 Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng
Trên bình diện sức khoẻ Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng về môi trường Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng Khi trong nước thải có nhiều Amôniäc có thê gây độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng ơxy hồ tan trong nước Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho có thê gây phú dưỡng nguồn
tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng ơxy hồ tan trong nước
giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ
Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn
hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm Nitrat tạo chứng thiểu Vitamin và có thê kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa Khi lọt vào cơ thê, nitrat chuyên hóa thành nitrit nhờ vi khuân đường ruột lon nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thé tao thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Trong cơ thể Nitrit có thể ơxy hố sắt II ngăn cán quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thê gây ngạt, nôn,
khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong
2.2.2 Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NHạ, H;S, CO;, CH¡, tiêu diệt nhiễu loại sinh vật có ích trong nước Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hơi thối do thốt khí HạS Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt
động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ
ô nhiễm không khí của khu dân cư
Trang 6
TAG BONG GUA SU PHI DUGNG BEN DAY CHUYEN THUG PHA
TRONG HE SINH THÁI NƯỠG Tina Diy chayde thee pat lì hưng Ute aa lÂacpn Ea haihIse tng 441 ñrbtra lh 4s Pànc ma Ch sa BỤ Hiy£inx4s lực pals Minpriiiin Bầng sứ lầu z2ah lục ~~ — Mabe te cheb gw andsy Teng oa! Pebiee cd oa cj ee be
Hình 2 Qúa trình phú dưỡng trong thủy vực nước mặt 2.2.3 Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước
Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu quả làm việc của các công trình Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người
Với đặc tính như vậy việc xử lý Nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề đáng được nghiên cứu và ứng dụng.Vấn đề này đã được các nhà nghiên cứu các học giả đi sâu tìm hiểu
2.3 Các phương pháp xứ lý Nitơ trong nước thái hiện nay
Đã có nhiều phương pháp nhiều công trình xử lý nitơ trong nước thải được nghiên cứu và đưa vào vận hành trong đó có cả các phương pháp hoá học, sinh học, vật lý v v
Nhưng phần lớn chúng đều chưa đưa ra được một mô hình xử lý nitơ chuẩn đề có thể
áp dụng trên một phạm vi rộng Dưới đây là bảng phân tích một cách tổng quan nhất về dạng và hiệu suất làm việc của các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải đã được nghiên cứu và ứng dụng
Trang 7
Bảng 2 Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải Hiệu suất xử lý nitơ ( % ) Hiệu suât Các phương pháp xử lý Ế ca = Nito dang hữu cơ | NH3 - NH4+ | NO3- xử lý % Xử lý thông thường Bậc I 10-20% 0 0 5-10% Bac II 15-50% < 10% Hiéu suat thap 10-30% Xử lý bằng phương pháp sinh học Vi khuẩn hấp thụ Nitơ 0 40-70% Hiệu suất thấp 30-70% Quá trình khử nitrat 0 Ũ 80-90% 70-95%
Chu yéu chuyé
" gett enuyen Thu hoach Thu hoach sinh
Thu hoach tao hoa thanh NH3- Le b 50-80%
sinh khơi khối
NH4+
" Chun hố
Q trình nitrat hoá Xử lý có giói hạn yen oa 0 5-20%
thanh nitrat
Chủ yếu chuyển | Xử lý boi qua | Tach bang cac
Hồ ơxyhóa hố thành NH3- trình làm quả trình nitrat 20-90% NH4+ thoáng và khử nitrat
Các phương pháp hoá học
Châm clo Kém ổn định 90-100% Ụ 80-95%
Đơng tụ hố học 50-70% Hiệu suất thấp | Hiệu suất thấp 20-30%
Cacbon dính bám 30-50% Hiệu suất thap | Hiệu suất thấp 10-20%
Trao đổi iôn có chọn lọc Hiệu suất
ns œ fy, kg 80-97% 0 70-95%
voi Amoni thap,kém 6n dinh
Trang 8Qua bang phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý nitơ, ta thấy việc xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học cho hiệu quả rất cao Cùng với việc ứng dụng phương pháp sinh học đề khử nitơ trong nước thải, ta còn lưu ý đến các phương pháp khác như: hóa học
(châm clo), vật lý (thôi khí), trao đổi ion Theo thống kê các nhà máy ứng dụng các
công nghệ để xử lý nitơ thì chỉ có 6/1200 nhà máy là sử dụng biện pháp thôi khí, 8/1200 nhà máy sử dụng biện pháp châm clo và duy nhất có 1 nhà máy là sử dụng biện pháp trao đôi ion Sở dĩ những biện pháp này ít được dùng là do chỉ phí đầu tư lớn, thêm vào đó là sự phức tạp trong quá trình vận hành và bảo dưỡng
Các phương pháp chủ yếu là: Phương pháp sinh học:
- - Các muối nitrat, nitrit tạo thành trong quá trình phân hủy hiếu khí sẽ được khử trong điều kiện thiếu khí (anoxie) trên cơ sở các phản ứng khử nitrat
Phương pháp hoá học và hố lý:
- Vơi hố nước thải đến pH = 10+11 đề tạo thành NHạOH và thôi bay hơi trên các
tháp làm lạnh
- Phốt pho được lắng xuống nhờ các muỗi sắt, nhôm hoặc vôi
Tuy nhiên, trong đó, phương pháp sinh học lại có những ưu điểm nỗi bật như; - Hiệu suất khử nitơ rat cao
- Sự ôn định và đáng tin cậy của quá trình rất lớn
- Tương đối đễ vận hành, quản lý
- Diện tích đất yêu cầu nhỏ
- Chi phí đầu tư hợp lý, vừa phải 2.4 Kếtluận
Với những tác động xấu của hàm lượng nitơ có trong nước thải sinh hoạt và khu công nghiệp đến sức khỏe con người cũng như môi trường, chúng ta nên xử lý nitơ xuống
dươi tiêu chuẩn cho phép trước khi xả nước thải ra môi trường (sông, hồ )
Từ việc xem xét, đánh giá hiệu quả xử lý cũng như tổng quan các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải, chúng tôi lựa chọn phương pháp sinh học đề xử lý
Trang 9
3 Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học
3.1 Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học
Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiểu khí, nitơ amôn sẽ được chuyên thành nitrit và nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter Khi môi trường thiểu ôxy, các loại vi khuân khử nitrat Denitrificans (dạng ky khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrát (NO; ) và nitrit (NOz) đề ơxy hố chất hữu cơ Nitơ phân tử N› tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước +8 NOS - +4 /} I I = +4 - NOS NOs +2 - ' +i+erptrrphHic 2 : " Ễ l z : 3 H 5 1 pe I = ! a Wholly | & o : mạ ¬ Sree - + : x I 1 ` ' -2 oF I % - 1 Š ' -3 NH4* l2NH4’ VeNH4* — 7 7 & Nitrification = -: =#= Partha nititston ——F Denibificattion = Anammox
——e® Shortout denitrification
Fig.1 Principle steps of nitrogen removal processes
Hình 3 Qúa trình chuyển hóa Nitơ trong nước thải
Quá trình chuyền NO; > NO, > NO > NO > N)> với việc sử dụng mêtanol làm nguồn các bon được biểu diễn bằng các phương trình sau đây:
3.1.1 Nitrat hóa
Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được lây từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni Ngược với các vi sinh vat di dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO; (dạng vô cơ) hơn là các nguồn các bon hữu co dé tổng hợp sinh khối mới Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng
Trang 10
Qua trinh Nitrat hoa tir Nito Am6ni duoc chia lam hai bước và có liên quan tới hai loại vi sinh vat , dé la vi khudn Nitosomonas va Vi khuan Nitobacteria 6 giai doan dau tiên amôni được chuyén thanh nitrit va 6 bước thứ hai nitrit được chuyền thành nitrat
Bước 1 NH, + 1,5 O; > NO, + 2H" + H,0
Bước2 NO; + 05O; > NO;
Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lẫy từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối Có thể tổng hợp quá trình bằng phương trình sau :
NH, +20, > NO; +2H' +H,0 (*)
Cùng với quá trình thu năng lượng, một số iôn Amôni được đồng hoá vận chuyên vào trong các mô tế bào Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn băng phương trình SAU :
4CO›+ HCO; + NHÍ¿+HạO > €C:H;OsN + 50,
C;H;O;N tạo thành được dùng dé tong hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi khuẩn Toàn bộ q trình ơxy hố và phản ứng tổng hợp được thê hiện qua phản ứng sau :
NH¿ +1,83O;+1,98 HCO;' >3 0,021C;H;O¿N + 0,98NO3+1,041H,O+1,88H,CO; Lượng ôxy cần thiết để ơxy hố amơni thành nitrat cần 4,3 mg Oz/ Img NH¿” Giá tri này gần bằng với giá trị 4,57 thường được sử dụng trong các công thức tính toán thiết
kế Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trình tổng hợp sinh khỗi tế
bào không được xét đến 3.1.2 Khir nitrit va nitrat:
Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit va nitrat Denitrificans (dang ki khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất hữu cơ Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước
+ Khử nitrat :
NO:' + 1,08 CH:OH + H” > 0,065 CsH;Q)N + 0,47 N> + 0,76CO> + 2,44H 0 + Khử nitrit :
NO, + 0,67 CH;OH + H' > 0,04 C;H;OzN + 0.48 Nạ + 0,47CO; + 1,7H;O Như vậy đẻ khử nitơ công trình xử lý nước thải cần :
Điều kiện yếm khí ( thiếu ôxy tự do )
Có nitrat (NO;' ) hoặc nitrit (NOs”)
Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat;
Trang 11
Có nguôn cácbon hữu cơ
Nhiệt độ nước thải không thấp
3.2 Các dây chuyển và công trình xử lý nitơ trong nước thải 3.2.1 Dây chuyền công nghệ xử lý nitơ
- _ Quá trình hậu phản (Post - denitrification)
Nitrat hóa (Xử ly sinh học bậc 2) —> Phản nitrat(Xử lý bậc 3)
Cấp khí Có thể bổ sung nguồn cácbon hữu cơ
Nước thải trước xử lý | Aeroten (XLSH hoàn toàn Anoxic Nước thải sau xử lý
hay thổi khí kéo dài) | + Ôxy hóa hiếu khí chất hữu cơ _ + Khử nitrat hóa | + Nitrat hoa | [_ _ _ _ _ _mwểnhkn | NO, | i Bun du
Hình 4 Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Qúa trình hậu phan - _ Quá trình tiền phan (Pre — denitrification)
Khir nitrat (Oxi hóa hợp chat hữu cơ trong điều kiện ky khí) —> nitrat hóa (xử lý bậc 2) Hình 4 Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Qúa trình hậu phán
Nước thải sau xi ly bac | AtioSil AăFBBIB Nước thải sau xử lý
(thổi khí kéo dài)
| — — — — — — i a, — Bùn tuần hoàn 7
Bun du
Hình 5 Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Qua trinh tién phan - Quá trình kết hợp 2 phương pháp trên bằng cách tráo đỗi các quá trình
nitrat hóa và phản nitrat
Trang 12
C1 Nước thải sau xử lý bậc I = Nước thải sau xứ lý | | 3 | Aerobic | | | L_— _.t Baer ae es = Hy Nước thải sau xử lý bậc I Nước thải sau xử lý Aerobic L_—_—_ BmAmm— 1
C3 Nước thải sau xử lý bậc I 5
Trang 133.2.2 Một số dạng công trình kết hợp xứ lý BOD/N 3.2.3 Kênh ơxy hố tuần hoàn Guéng quay p= bess Nước Bùn thải vào tuần hoàn Tưước thải sau xử lý Bơm bùn
Bùn hoạt tính dư ra sân phơi bùn
Hình 7 Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Kênh oxi hóa tuần hồn
Kênh ơxy hố tuần hoàn hoạt động theo nguyên lý thôi khí bùn hoạt tinh kéo dai Qua
trình thối khí đảm bảo cho việc khử BOD và ôn định bùn nhờ hô hấp nội bào Vì vậy bùn hoạt tính dư ít gây hôi thối và khối lượng giảm đáng kẻ
Các chất hữu cơ trong công trình hầu như được ơxy hố hồn toàn, hiệu quả khử BOD đạt 85+95%% Trong vùng hiểu khí diễn ra quá trình ôxy hoá hiểu khí các chất hữu cơ và nitrat hoá Trong vùng thiếu khí (hàm lượng ơxy hồ tan thường đưới 0,5 mg/l) diễn ra quá trình hô hấp ky khí và khử nitrat
Để khử N trong nước thải, người ta thường tạo điều kiện cho quá trình khử nitrat diễn ra trong công trình Kênh ơxy hố tuần hồn hoạt động theo nguyên tắc của acrôten đây và các guồng quay được bố trí theo một chiều dài nhất định nên dễ tạo cho nó được các vùng hiểu khí (aerobic) và thiểu khí (anoxie) luân phiên thay đôi Quá trình nitrat hoá và khử nitrat cũng được tuần tự thực hiện trong các vùng này Hiệu quả khử nitơ trong kênh ơxy hố tuần hồn cé thé đạt từ 40+80%
3.2.4 Aerôten hoạt động gián đoạn theo mẻ (hệ SBR)
Trang 14
Nước thải LL Bể lắng Bể lắng vào cát _ | đợt một — Bể SBR 1 Bể SBR 2 T T Xả bùn hoạt tính dư | [LY | (len Loe J Ỷ Khử trùng '
Xả nước thải ra sông, hồ
Hình 7 Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Bễ SBR
Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bao gồm: làm đầy nước thải, thối khí,
để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư Nước thải vào Ls Jp 1 Lầm đầy nước thải 41 — || Xã nước thải 2 Thổi khí 5 E———-.= Xảbùndư 3|, — _| Ling ——————' | Uy S s8
Hình 8 Các giai đoạn hoạt động trong bễ SBR
Trong bước một, khi cho nước thải vào bê, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước Sau đây hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước hai với thời gian thôi khí đúng như thời gian yêu cầu Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được ôxy hoá trong giai đoạn này Bước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh Sau đó nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể Bước cuối cùng là xá lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí
Trang 15
ra khỏi ngăn bề, các ngăn bề khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp n- ước thải lên trạm XLNT liên tục
Công trình hoạt động gián đoạn, có chu kỳ Các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng bùn cặn, diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử lý nước thải cao BOD của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 20 mg/1, hàm lợng cặn lơ lửng từ 3 đến 25 mgíI và N-NH; khoảng từ 0,3 đến 12 mgil
Hệ thống aerôten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử được nitơ và phốt pho sinh hoá do có thê điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và ky khí trong bể bằng
việc thay đồi chế độ cung cấp ôxy
3.3 Xứ lý kết hợp nifơ và phốt pho
Phốt pho xâm nhập vào nước có nguồn gốc từ nước thải đô thị, phân hố học, cuốn trơi từ đất, nước mưa hoặc phốt pho trầm tích hoà tan trở lại
Phốt pho trong nước thường tổn tại dưới dạng orthophotphat (PO¿`,HPO¿”, H;PO¿
,H;PO,) hay polyphotphat [Na;(PO:),] và phốt phát hữu cơ Tất cả các dạng
polyphotphat như pyrometaphotphat Na(PO,)s, trpolyphotphat NazP:O¡, pyrophotphat Na¿PzO; đều chuyển hoá về đạng orthophotphat trong môi trường nước Trong nước mưa, hàm lượng nitơ và phốt pho phụ thuộc vào lưu vực thoát nước, đặc điểm mặt phủ Bảng 3: Lượng nitơ và phốt pho theo nước mưa chảy vào sông, hồ, kg/ha.năm Nguyên tố Rừng Nông nghiệp Đô thị Nước mưa Nito 3 5 5 24 (1,3 -10,2) (0,5-50) (1-20) Phốt pho 0,4 0,5 1 1 (0,01-0,9) (0,1-5) (0,1-10) (0,05-5)
Hợp chất photpho tự nhiên không độc hại , chỉ có một số loại tổng hợp este trung tính của axit photphoric dùng làm hoá chất bảo vệ thực vật là có độc tính cao Trong nước bị ô nhiễm, hàm lượng photpho (tính theo photphat) không lớn, khoảng 0,1 mg/I, chủ yêu dạng orthophotphat Trong nước thải nồng độ photphat cao Phốt pho là nguyên nhân chính gây ra bùng nỗ táo ở một số nguồn nước mặt , gây ra hiện tượng tái nhiễm bản và nước có màu, mùi khó chịu
3.3.1 Kết hợp xử lý Phốt pho và Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh
học
Trang 16
Một trong những quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học đang được phát triển đó
là kết hợp xử lý cả nitơ và photpho Bằng cách sử dụng bùn hoạt tính, các hợp chất
trong các quá trình xử lý thiếu khí (anoxic), xử lý hiểu khí (aerobie), xử lý yếm khí (anaerobic) kết hợp hoặc riêng biệt để thực hiện quá trình khử nitơ và photpho Ban đầu quá trình này được phát triển để khử Photpho, sau đó là kết hợp khử cả nitơ và photpho
Các công nghệ được sử dụng thông dụng nhất là: - Quy trinh A7/O
- Quy trình Bardenpho (Š bước) - Quy trinh UCT
- Quy trinh VIP
Kỹ thuật xử lý mẻ kế tiếp cũng có khả năng kết hợp khử Nitơ và Phốtpho Quy trình A?/O
Quy trình này được cải tiễn từ quy trình A/O và bổ sung thêm vùng cấp oxi để khử nitrat Giai đoạn lưu trong quá trình thiểu khí xấp xỉ một giờ Tại vùng anoxic (thiểu oxy), vi sinh vật lấy oxi từ nitrat (NO; ) và nitrit (NOz”), lượng nitrat và nitrit được bố sung bởi hỗn hợp nước thái tuần hoàn từ sau vùng aerobice Hàm lượng phótpho tập trung trong nước nước thải nhỏ hơn 2mg/1 là có thể chấp nhận được với nước thải không có công đoạn lọc, và nhỏ hơn 1.5mgi] với nước thải sau lọc
Hỗn hợp nước thải tuần hoàn
So thai trước xử lý Sid Nước thải sau xử lý
Nước thái trước xử lý Anaerobic Anoxic Aerobic Be lang y
L =_ a gs es sg Ws eg we Bùn tuần hoàn { Bùn cặn
chứa photpho
Hình 9 Quy trình A?/O
Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn)
Từ bề Bardenpho 4 giai đoạn để xử lý Nitơ, bổ sung thêm 1 giai đoạn để kết hợp khử cả nitơ và photpho Thêm giai đoạn thứ 5 là quá trình yếm khí anarobic để khử photpho lên đầu tiên của quy trình kết hợp khử nitơ, photpho Sự sắp xếp các giai đoạn và cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải sau các vùng cũng khác nhau và khác quy trình xử lý A”/O Hệ thống 5 bước cung cấp các vùng anaerobic, anoxie, aerobic đề khử cả Nitơ, Photpho và hợp chất hữu cơ Vùng Anoxie (giai đoạn 2) đề khử nitrat và được bố sung nitrat từ bê aerobic (giai đoạn 3) Bê aerobie cuối cùng tách khí N; ra khỏi nước
Trang 17
và giám hàm lượng Photpho xuống tối đa Thời gian xử lý kéo dài hơn quy trình A”/O
Tổng thời gian lưu nước là 10-40ngày, tăng sinh khối cua vi sinh vật
Hỗn hợp nước thải tuần hoàn | | Anaerobic | Anoxic Aerobic | Anoxic Aerobic
mm số Nước thải sau xử lý
Nước thải trước xử lý Bể lắng ¥ L Bùn tuần hoàn V_ Bin cặn Sa chứa photpho Hình 10 Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn) Quy trình UCT
Được sáng tao tai trượng đại học Cape Town, giống quy trinh A”/O nhưng có 2 sự khác biệt Thứ nhất, bùn hoạt tính được tuần hoàn đến bể Anoxic thay vì bé anaerobic Thứ hai, xuất hiện vòng tuần hoàn từ bể anoxic đến anaerobic Bùn hoạt tính đến bể anoxic, hàm lượng nifrat trong bé anaerobic sé bi loại bỏ, theo đó ta tách được photpho trong bể anaerobic Bản chất của vòng tuần hoàn giữa các bề là cung cấp hợp chất hữu cơ đến bê anaerobic Hợp chất từ bể anoxic bao gồm các hợp chất hữu cơ hòa tan (BOD) nhung hàm lượng nitrat rất ít, tạo điều kiện tốt nhất dé lên men ky khí trong bể anaerobic Vào năm 1989, chưa có nhà máy nào tại Mỹ sử dụng quá trình này
Hỗn hợp nước thải Hỗn hợp nước thải
tuần hồn tuần hồn y
¬"¬ Nước thải sau xử lý NUGE thal HUGG REY Anaerobic] Anoxic Anoxic Aerobic :
A
| ù A à Bun can
Lag a =>
chtta photpho
Hinh 10 Quy trinh UCT Quy trinh VIP (Virginia Initiative Plant in Norfolk Virginia)
Quy trình này giống A?/O và UCT ngoại trừ cách tuần hoàn hỗn hợp nước thái giữa các bê, Bùn hoạt tính cùng với nước thải sau bé aerobic (đã khử mitrat) được đưa lại bé anoxic Nước thải từ bể anoxic quay trở lại đầu vào của anaerobic Trên cơ sở những đữ liệu kiểm tra được, xuất hiện một SỐ hợp chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, đảm bảo sự ôn đỉnh trong hoạt động của bê ky khí, làm giảm nhanh chóng lượng oxi theo yêu cầu
Trang 18
Hỗn hợp nước thải
Nước thải trước xử lý
Nước thải sau xử lý Bể lắng Hỗn hợp nước thải tuần hoàn tuần hoàn Anaerobic Anoxic Aerobic A L BMMỂNHẨNT _ Bùn cặn => chứa photpho
Hình 10 Quy trinh VIP
3.3.2 So sánh ưu, nhược điểm của các quá trình kết hợp xử lý cá nitơ và photpho Bang 4: So sánh ưu nhược điểm của các quá trình kết hợp xử lý nitơ và photpho Gas qua Uu diém Nhược điểm trình
Bùn thải có một hàm lượng tương | Hoạt động dưới điều kiện khí hậu lạnh đối cao phôtpho ( 3 — 5%) và là , thường không ồn định
A?/O _ | một nguôn phân bón giá trị Phức tạp hơn so với công nghệ A/O
Khả năng khử nitrat cao hơn so với dây chuyền A/O
Tạo ra ít bùn thải nhất trong hệ, Với nhiều vòng tuần hoàn, cần phải thống các phương pháp xử lý tính tốn thêm cơng suất của bơm và phốtpho hiện thời các yêu cầu về vẫn đề bảo dưỡng
Bùn thải có một hàm lượng tương Mới chỉ được thí nghiệm chủ yếu ở
đối cao phôtpho và là một nguồn | Mỹ
phân bón giá trị, Những yêu cầu cho hoá chất phụ trợ Có khả năng giảm thiểu tổng lượng | thường không ôn định
Bardenpho tite toi mirc thap, tot hon so voi da Yêu cầu khối tích lớn hơn so với quá SỐ các phương pháp khác trình A?/O
Độ kiềm được khôi phục cho hệ
théng Vi vay cé thé tiết kiệm lượng hoá chất tiêu thụ
Được sử dụng rộng rãi ở Nam Phi
và những nơi có điều kiệnvẻ tài
chính
UCT Luân chuyển các vùng Anoxic để , Chưa có những công trình thực tế tại loại bỏ quá trình tái hợp của Nitrat
Trang 19
Cac qua
trinh Ưu điểm Nhược điểm
và cung cấp môi trường tách phôtpho tốt hơn trong các vùng Anaerobic
Dung tích ngăn phản ứng nhỏ hẹp hơn so với quá trình Bardenpho
Mỹ
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất
quá trình vẫn chưa được chuẩn hoá Tỷ suất BODF yêu cầu cao
Những yêu câu đôi với hoá chat phụ trợ khơng ơn định
Tuần hồn nội vi rộng làm tăng điện
năng tiêu thụ của máy bơm và các yêu
cầu vận hành báo dưỡng
VIP
Tuan hoan nitrat qua ving anoxic để giảm lượng ôxy yêu cầu và lượng kiềm tiêu thụ
Luân phiên nước thải từ vùng anoxic sang vung anaerobic dé giảm lượng nitrat trong vùng hiếu khí
Có thể áp dụng để xử lý Nitơ tạm
thời hoặc phốt pho quanh năm Tuần hoản nội vi rộng làm tăng điện năng tiêu thụ của máy bơm và các yêu cầu vận hành bảo đưỡng
Chỉ mới được áp dụng hạn chế tại Mỹ
Nhiệt độ thấp làm giảm khả năng tách
Nito
3.4 Kết luận
Sử dụng phương pháp sinh học thông thường đề xử lý nitơ cần phải bổ sung nguồn các bon, cung cấp lượng lớn khí oxi cho quá trình nitrat hóa và duy trì được vi khuẩn ky
khí tùy tiện
Trong chu trình chuyên hóa nitơ amôn thành nitơ phân tử khí ta thấy có quá trình nitơ
amôn kết hợp với nitrit để chuyển hóa thành nitơ phân tử Đó cũng là nguyên nhân và
động lực để tìm ra một phương pháp xử lý mới có hiệu suất cao, dễ làm và chỉ phí thấp Chính là quá trình xử lý bằng Anammox
Trang 20
4 Nghiên cứu phương pháp xử lý Ni trong nước thải bằng quá trình Anammox
Từ những năm 1980 và 1990 người ta đã thấy rằng ngoài phương pháp xử lý sinh học
kết hợp hai quá trình nitrat hoá và khử nitrat hoá có thể loại bỏ được amôni ra khỏi nguồn thải mà còn tồn tại một loại vi khuẩn có khả năng ôxy hố amơni thành dạng khí Ns sử dụng nitrit được hình thành từ quá trình xử lý thay thế cho việc phái sử dụng ôxy cấp từ nguồn bên ngoài vào.Các nhà khoa học Hà Lan và Đức đã nghiên cứu và phát hiện ra loại vi khuẩn này thuộc chủng Planctomyce - tales gồm hai dạng chính là : Brocadia anammoxidans va Kuene-nia stuttgartiensis
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong hệ thống các lớp siêu mỏng của lớp mang biofilm được hình thành thì trên đó có sự phân bố ôxy theo những đường dốc Các lớp phía trên là những lớp giàu ôxy trong khi các lớp ở phía dưới cùng nằm trong trạng thái ki khí Ta giả thiết răng những vi sinh vật chúng ta đang tìm kiếm cư trú ở những lớp thấp nhất của màng bioflm Sử dụng đầu dò gen đặc biệt và công nghệ FISH (Flourescence In Situ — Hybridization) chúng ta có thê xác nhận sự có mặt của vi khuẩn thuộc chủng Planctomycetes
Sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử và những thí nghiệm sinh lý học khác chúng ta có thể kết luận rằng chính vi khuẩn Kuene- nia stuttgartiensis đã ơxy hố amơni thành N; trong điều kiện kị khí Quá trình này vì vậy được gọi là quá trình ôxy hoá amôni trong điều kién ki khi (Anaerobic Ammonia Oxidation) hay con goi la ANAMMOX
4.1 Cơ chế quá trình
Quá trình ANAMMOX là quá trình ơxy hố amơni trong điều kiện kị khí thành nitơ bởi các vi khuẩn anammox
Trong quá trình Anammox amôni cùng với nitrit được chuyển đổi dưới điều kiện ki khí tới Nz cung cấp hơi đốt và một lượng nhỏ nitrat theo phương trình phản ứng sau:
NH: + 1,32 NO; + H >3 1,02N; + 026 NO; + 2H;O
Để loại bỏ nitơ amôn từ nước thải sử dụng vi khuân anammox một phần nito amon thích hợp được sử dụng dé san sinh ra lượng nitrit NO; theo phương trình phản ứng sau :
NH4+ + 1,502 +2HCO3- >3 NO2- + 2CO2 + 3H20
Trong thực tế để thực hiện thành công quá trình anammox thì bắt buộc phải thực hiện trước một bước quá trình aerobic để oxy hố amơn thành nitrit Quá trình này còn gọi là quá trình nitrit hoá bộ phận Tiếp theo NO; như một chất nhận điện tử sẽ tiếp tục
Trang 21
phản ứng với amôni còn lại để tạo thành N> Qua trinh nay được gọi là quá trình
anammox
Tổng hợp ta có quá trình nitrit hoá bộ phận/anammox Quá trình này điễn ra trong hai giai đoạn:
Sự ơxy hố amơni trong điêu kiện hiệu khí ở giai đoạn I nho cac vi khuan nitrit hoa
Quá trình anammox được thực hiện trong điều kiện hiểu khí ở giai đoạn II nhờ các vi
khuẩn anammox
Như vậy cả hai loại vi khuan nay đều có thể song song tồn tại trong cùng một khu vực dựa vào lượng ôxy và lượng ôxy tự do theo chiều sâu của lớp mảng sinh học biofilm Amơniắc sẽ được ơxy hố dưới điều kiện giới hạn về ôxy để tạo ra một lượng nitrit
thích hợp Lượng nitrit này sẽ kết hợp với lượng amôniắc con lai dé tạo thành N; bởi
các vi khuẩn anammox Kết hợp hai quá trình theo phản ứng sau :
NH4+ + 0,85 O2 > 0,435 N2 + 0,13 NO3- + 1,3 H20 + 1,4 H+
Công nghệ dựa trên quá trình này có thể áp dụng đẻ nghiên cứu xử lý nước thải giàu amôni của nước thải thu gom trên bề mặt của các quá trình xử lý sinh hóa bùn đặc Trong khi hyđrô cacbonat và amôn là những iôn dễ bị ảnh hưởng bởi các quá trình tích nạp điện tích trên bề mặt do chúng đều trải qua những sự biến đổi trong thời gian nitrit hoá bộ phận và anammox Vì vậy chúng ta có thê sử dụng những phương pháp đo dẫn
điện như một tham số đề đi theo quá trình loại bỏ nitơ
Mục tiêu là sử dụng chúng ước lượng tính dẫn điện như một tham số đơn giản để theo dõi quá trình nitrit hoá và anammox trong hệ thống xử lý một hoặc hai giai đoạn
4.2 Phương pháp thí nghiệm
4.2.1 Nguyên vật liệu và phương pháp
Bùn hoạt hoá vi khuẩn nitrit hoá trong điều kiện ơxy hố sử dụng môi trường nhân tạo Môi trường nhân tạo được sử dụng là môi trường tổng hợp chứa đựng peptôn, thịt rút, NaHCO: , MgSO¿, CaCl, , NaCl va KCL
Sau 6 tháng nuôi cấy bùn giống sẽ được lấy ra để làm thí nghiệm Dòng vào được chuẩn bị bằng cách hoà tan 47,1 - 471mg (NH¿}SO¿ và 13,6g KH;PO¿ vào trong nước máy
4.2.2 Vật liệu mang
Giá thể vi sinh là sợi Acrylin chuyên dụng có đặc tính nhẹ dang soi xu xi dé tăng độ
bám cho mảng vi sinh vật, đường kính 2mm, kết nối với nhau thành dạng lưới do
cong ty Biofix , Net Co, Ltd sản xuat
Trang 22
Hình 11: Vật liệu mang Acrylin
Vật liệu này có thể tạo chiều dài dính bám tương đương 23,324 m/mỶ và diện tích bề
mặt 165 m”/m` cho phép tạo khả năng giữ một lượng bùn đặc cao cho hiệu suất xử lý
tốt hơn các vật liệu khác 4.2.3 Thiết bị thí nghiệm
Trang 23
Fig.3 Schematic diagram of reactor system (1) Influent tank (2) NaHCO; solution (3) pH controller (4) Bicarbonate pump (5) Influent pump (6) Air-flow meter
(7) Reactor (8) Air pump (9) Heater (10) Effluent
Hình 13: Sơ đồ mô hình Anammox Sử dụng 60 g vật liệu mang
Không khí được cấp ở đáy tại trung tâm với luồng gió là 0,7 - 1 I/phút Tác dụng của dòng không khí là xáo trộn dòng chảy trong bề phản ứng
Các thiết bị phụ trợ : Thiết bị điều chinh pH
Trang 24Quá trình thôi khí dé xáo trộn dòng chảy tạo điều kiện tiếp xúc giữa nước mẫu và khối giá thể
Sau 4h bùn đã được dính bám tốt và phân bố đều trên toàn bộ bề mặt khối vật liệu
mang
Sự thích nghi với điều kiện môi trường của bùn giống được tuân theo quy luật bậc
thang với sự tăng tải lượng lưu lượng đầu vào từ 0,04 tới 0,37 kgN/mỶ/ngày
4.2.5 Quá trình thí nghiệm
Sử dụng bùn hoạt tính đã được hoạt hóa nitrit đã thích hợp với điều kiện môi trường và chất tổng hợp nitrit hoá Gắn và giữ cố định các giá thể phản ứng dưới những điều kiện vận hành khác nhau
Quá trình thí nghiệm có thẻ được mô tả theo sơ đồ sau
Activated sludge AOB + HOB Major AOB AOB + Anammox
No org influent là Low VLR ip High WLR là Hinh VLR
High aeration High DO LowD0 LowD0
(hnmobilize bacteria) (ircreasa biomass) | | Selectively inhib NOB)| | (Co-exst AOD, Anamimox)
Hinh 14: Qua trinh thi nghiém Những điều kiện vận hành cho quá trình xử lý nitrit hoá bộ phận
Trang 25Nitơ Amôn được xác định bởi phương pháp Indophenol và được đo bằng thiết bị ảnh
phổ kế U — 2010
Nitơ tồn tại ở dạng NO; và NO;” được phân tích bởi thiết bị phân tích iôn TOALA — 100
Mẫu bùn đặc trong mô hình thí nghiệm được lấy ra đẻ phân tích kết hợp các loại vi khuẩn Các mẫu ADN sẽ được giải mã khuếch đại, lắp ghép và tím kiếm những mẫu
tương thích Những phân tích ADN và phân tích quang hoá quan sát và quét dưới kính
hiển vi đồng cự được tiễn hành theo chuẩn của Fujii 4.3 Kết quả và đánh giá
4.3.1 Quá trình Nitrit hoá cục bộ
Những thay đổi của nồng độ nitơ tập trung trong nước thải dòng ra trong những điều kiện khác nhau của quy trình thí nghiệm được thể hiện trong đồ thị [2 Non v 3 a°s = Hiên "To ERED 17 TA 19 oe Z=smy) Some a - cone (mg/L) s 3
Hình 15: Biéu dé thé hién sy thay d6i cia Nito tập trung theo cac diéu kién thi nghiém
Dưới điều kiện pH = 6 -7,5 tại nhiét d6 35 °C cac thi nghiém trong diéu kién III thay
rằng lượng N tồn tại ở đạng amôni và nitrit được tìm thấy nhưng nitơ đạng nitrat thì không cé Ty lé N dang NO, sẽ tăng lên khi pH vượt qua ngưỡng 7,25 ở giá trị 35°C
Tỷ lệN dạng NH„” và NO; của dòng ra sẽ cùng ở một mức khi giá trị pH đạt mức từ
7,5 — 7,7 và nhiệt độ ở mức 35°C
Trang 26
Những kết quả thí nghiệm dưới điều kiện pH = 7,8 , t= 35 °C thường không ồn định vì thế không được thể hiện trên biểu đồ
Nitơ trong nước thải của đòng ra trong điều kiện pH = 7,9 hoàn toàn ở đạng Nitrit và đạt tới quá trình nitrit hoá hoàn toàn
Định hưởng chung là N dạng NO; được phát hiện trong mẫu nước thải dòng ra khi pH > 7 trong mọi trường hợp
Kết quả này chỉ ra rằng hoạt động của các vi khuẩn ơxy hố nitrit bị ngăn cản dưới điều kiện kiềm Có thê kết luận rằng quá trình nitrit hoá từng phần là pH = 7.5 - 7,7 6 nhiệt độ 35C
4.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ NH; đến quá trình nitrit hoá
Thống kê được rằng tải lượng NH; tir 0,1 - 10 mg/I sẽ ngăn cản hoạt động của các vi khuẩn ơxy hố nitrit Khi NHạ có giá trị từ 10 - 150 mg/1 sẽ ngăn cản hoạt động của các vi khuẩn ôxy hố amơni Độ tập trung NH: được tính theo tổng nitơ amôni TAN ( Total Amonium Nitrogen ) pH
NH; tr do ="2 TAN, ——— 19
14 2THT +19 p
Sử dụng công thức này độ tập trung NH; trong các phản ứng nitrit hoá được tính toán cho mỗi điều kiện vận hành khác nhau Kết quả được thẻ hiện như sau:
Nếu độ tập trung NH; nhỏ hon 1,5 mg/l va gid tri pH từ 6 - 7 sẽ ngăn cản q trình amơn1 hố và không tạo thành NO;
Khi NH: từ 2 - 3 mg/l va gia tri pH = 7,3 thì các thử nghiệm trong điều kiện I và II và pH =7,25 với thử nghiệm III được xem như có tác động ngăn cản các hoạt động của vi khuẩn ơxy hố nitrit
Khi NH: > 6,5 mg/Ï cùng với điều kiện pH từ 7,8 tới 7,9 thì thử nghiệm trong điều kiện III cũng có dấu hiệu ngăn cản hoạt động cua vi khuẩn ơxy hố nitrit và tồn bộ nitrit được hình thành sẽ vẫn nằm lại trong nước
Như vậy, kết luận rằng cường độ NH;: tập trung trong bể phản ứng nên năm trong
khoảng 4 -6,5 mg/1 dé qua trình xử lý nitrít hoá từng phần có thể diễn ra 4.3.3 Kiểm tra độ ốn định lâu dài của quá trình
Dưới những điều kiện xác định của quả trình nitrit hóa bộ phan, tải lượng Nitơ dạng
amôni đòng vào được có định ở mức 100mg/1, thời gian thí nghiệm HRT = 6h
Trang 27
Sự thay đi tải lượng Nitơ trong 40 ngày thí nghiệm được thê hiện trên biểu đồ 20 -~ x Sy Fy 0 T= = T T 7 0 10 20 3% “40 Time (days)
Hinh 16: Dién bién qua trinh chuyén héa nito trong SNAP Quá trình nitrit hóa được hình thành sau 20 ngày thí nghiệm
Nhưng lượng Nitơ dạng amôni và dạng nitrit giảm dần theo thời gian Sau 30 ngày
thây răng bên cạnh việc loại bỏ đồng thời cả amôni và nitrit có sự hình thành một lượng nhỏ nitrat Cùng với nó là hiện tượng bùn chuyển sang màu đỏ Người ta lay dau hiệu này đề kết luận quá trình loại bỏ nitơ trong bề phản ứng có điễn ra theo quá trình Anammox hay không
Những điều kiện sống của vi khuẩn anammox được tạo ra bên trong các khối giá thé bùn được gắn có định trong suốt quy trình thí nghiệm Các điều kiện yếm khí được tạo ra bởi quá trình tiêu thụ ôxy hòa tan của các vi khuẩn ôxy hóa amôni cư trú trên bề mặt của khối vật liệu mang
Nguồn thức ăn của vi khuẩn Anammox được lấy từ nước máy khi chuẩn bị dòng vào Gia thiết các vi khuẩn ôxy hóa amôni và anammox cùng tỒn tại song song trên các giá thể bùn trong suốt quá trình thí nghiệm Người ta gọi đây là quá trình loại bỏ nitơ theo trạng thái đơn sử dụng Anammox và quả trình nitrit hóa bộ phận Còn gọi là quả trình SNAP
SNAP : Single stage Nitrogen removal using the Anammox and Partial Nitritatio
Những thí nghiệm liên tục được tiến hành trong một thời gian dài để làm sáng tỏ
những đặc trưng trong khả năng loại bỏ nitơ của Quá trình SNAP Những thay đổi
hàng ngày về tỷ lệ nitơ được loại bỏ được biêu diễn theo đồ thị dưới đây
Trang 28
ee ee ee en 284 4185 28664 238309
Fig.2 Model of SNAP process
Hình 17: Sơ đồ quá trình SNAP
Sau 40 ngày tiễn hành thí nghiệm 70 % NH ¿`- N được loại bỏ khỏi nguồn thải đòng vào với nồng độ ban đầu là 100 mg/1 và thời gian phản ứng trong 5h Khi nồng độ dòng vào tăng lên 125 mg/1 thì sự gia tăng đột ngột làm cho hiệu suất loại bỏ Nitơ
giảm xuống tới 40 - 50 % Kết quả này cho thay rang AOB (Amonium Oxidizing
Bacteria) không có khả năng phản ứng nhanh nhạy với những thay đổi đột ngột về tải
lượng NH ;'- N đầu vào Do đó giá trị nồng độ NH ;Ï- N đầu vào được xác định là 100
mg/l va 6 h phản ứng là những giá trị ồn định nhất cho quá trình SNAP
Hiệu suất loại bỏ Nitơ được tăng thêm 60 - 80% khi giảm tải lượng NHy- N đầu vào Luong Nito tinh theo NH ,* - N dau ra dao dong tt 5 - 40 mg/l , lwong NO? - N thi luôn luôn dat gia tri nho hon 5 mg/l Hàm lượng NO); - N thì ở mức 10 - 15 mg/l la những kết quả thu duoc trong gua trinh SNAP so sanh véi gia tri 5 mg/l trong qua trình nitrit hoá từng phần Những kết quả này chỉ ra rằng những phản ứng anammox
chắc chắn xảy ra và bước giới hạn tỷ lệ của quá trình SNAP là quá trình ôxy hố Amơniắc int NHN ICO reply In NHyM125mg© ¡ - ln NHgM 100 mại ¡ VU HRT l HRT Sh 1 HAT fh I 100 100 | aa - _ - - gee an 3 #®NH4=N aN02=N * NO2H = sh ry - 7 sms 2 8 re — ỳ - — 8 Ề 4 ‹ S © a * @ 60 f 8P Ễ fags ? e o 9 5 Š ay, | _“ + : a : c 4) | É i : ° š 2D | za 2 sẻ 0 0 i i} 0 â â #đ mã KH Ww 14 0 2 40 BO 80 100 120 140
Tine (days) Tienes (days)
Hình 18 : Đồ thị thể hiện sự thay đối về hiệu suất loại bó nitơ trong
quá trình SNAP
Trang 29
Độ ơxy hồ tan DO trong bé phan ứng đạt giá trị từ 2 - 3 mg/1 trong suốt quá trình thí nghiệm pH dòng vào đạt giá trị 7,25 và pH dòng ra tăng lên từ 7,7 tới 8,0 Những kết quả nảy cho thấy việc thiết lập những giá trị pH cao hơn hoặc thấp hơn bằng thiết bị điều chỉnh pH sẽ rất thuận loi dé đạt được quá trình SNAP diễn ra thích hợp nhất 4.3.4 Sơ đồ hoá quá trình Single System Nitrogen Removal Anammox Plants aerobic aerobic | Ananmmox bacteria
Ammonium oxidizing bacteria
Hình 19: Sơ đồ hóa quá trình SNAP trong bé phan tng
Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trong đồ thị sau :
Trang 304.4 So sánh với qúa trình xử lý thông thường
So sánh với các quá trình xử lý sinh học truyền thống công nghệ mới xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp Anammox có những ưu điểm sau :
Elemental Treated water to the nitrogen (N2) pre-settlement tank Sludge digester effluent Mixture of (low concentrations of
(ammoniume-rich) ammonium and nitrite NHa+, NO2-, NO3-) QV ÍI œ o °° 8 = eo “=—= + = aoe a ; NHi++NO2 = Nz Pg? Acration (Oz) No oxygen Hình 21: Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ bằng phương pháp anammox Nitrification Partial nitritation NH+: NH+ 0.75 O2 | (40%) 202(100%) ——{ ff % NOs: 0.5 NHs+ 0.5 NO2 Organiccaton < ———} N c7 te.g., methanol: 3.4 kg/kg N} 0.5 No 0.5 Nz - + +
" lots of biomass little biomass Anan
Hình 22: So sánh sơ đồ công nghệ khử nitơ bằng phương pháp thông thường và Anammox
- _ Lượng ôxy cung cấp có thể giảm tới 60% đồng nghĩa với việc giảm năng lượng cần để cung cấp ôxy cho quá trình sinh hoá
- _ Quá trình anammox không yêu cầu nguồn các bon hữu cơ Trái ngược với quá trình Nitrification /Denitrification khi phải cung cấp nguồn cacbon hữu cơ ( metanol ) dé làm tác nhân cho quá trình sinh hoá
- Các vi khuẩn Anammox tạo ra ít sinh khối hơn do đó giảm được lượng bùn xử lý
- _ Quá trình Anammox không những sử dụng ít năng lượng và các nguồn hoá chất phụ trợ khác mà còn có giá thành thấp hơn so với phương pháp xử lý sử dụng kết hợp hai quá trình nitrat hoá và khử nitrat hố thơng thường
Trang 31
5 Kếtluận
Trong các phương pháp xử lý nitơ, thì xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học cho hiệu
suất khử nitơ cao từ 70-95% lượng nitơ trong nước thải Quá trình xử lý ổn định, đáng
tin cậy Các công trình sử dụng cũng dễ vận hành và quản lý, diện tích đất yêu cầu nhỏ, chỉ phí đầu tư hợp lý
Bên cạnh quá trình khử nitơ bằng phương pháp thông thường là nitrat hóa và phản nitrat thì quá trinh Anammox (Anaerobic Ammonia Oxidation) cho hiệu suất xứ lý cao hơn với nhiều ưu điểm nỗi trội nhất là giảm được lượng bùn xử lý và lượng oxi cung cấp cho quá trình xử lý
Với những tác hại do nitơ trong nước thải đem đến cho sức khỏe con người và cho môi trường, việc tìm ra các biện pháp xử lý cho hiệu quả cao, ít tốn kém đồng thời đảm bảo sự phát triển bền vững, dùng chính những yếu tố sinh thái trong tự nhiên đề xử lý là vô cùng cần thiết Chúng ta cần nghiên cứu đẻ phát triển và hoàn thiện hơn nữa các quá trình xử lý này, đảm báo sự ồn đỉnh của môi trường sống
Trang 32
Cac tài liệu tham khảo
I Trần Đức Hạ, Đỗ Văn Hải
Cơ sở hóa học quá trình xử lý nước cấp và nước thải
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật , Hà Nội,2002
2 Hoàng Huệ, Trần Đức Hạ Thoát nước Tập 2: Xử lý nước thải NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,2002 3 Trịnh Xuân Lai Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải NXB Xây Dung , 2000 4 Tran Hiéu Nhué, Lam Minh Triét Xử ly nước thải
Trường Đại Học Xây Dựng, 1978
5 Trần Hiếu Nhuệ, Trần Đức Hạ,Lê Thị Hiền Thảo
Các quá trình sinh học trong các công trình cấp thoát nước NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội, 1995,
6 Melcalfand Eddy Inc