Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nước cần cho mọi sự sống và phát triển. Nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới. Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ.Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống Ở nước ta hiện nay, hầu hết các khu đô thị, khu dân cư, làng, xã hay một số điểm du lịch được xây dựng phục vụ nhu cầu con người có nguồn nước thải sinh hoạt sinh ra còn chưa được xử lý triệt để, mặc dù một vài nơi có hệ thống xử lý tâp trung nhưng còn nhiều khó khăn về vấn đề vận hành cũng như các chi phí xử lý cao dẫn đến nước thải sinh hoạt không đạt tiêu chuẩn môi trường mà đã xả trực tiếp ra sông, hồ. Ngoài nguồn nước thải khổng lồ , thải ra từ các hoạt động của con người thì chúng ta cũng phải đối mặt với một hiện tượng môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng là hiện tượng phú dưỡng gây ra do bùng nổ các loài rong, tảo, thực vật phù du và nồng độ chất dinh dưỡng Nitơ, Phôtpho quá cao. Điều đó khiến tình trạng tầng nước mặt bị ô nhiễm, bốc mùi khó chịu, nước có màu xanh đen hoặc đen, theo thời gian sẽ ảnh hưởng tới tầng nước ngầm làm mất cảnh quan cũng như biến đổi hệ sinh thái nước và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người. Ngày nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt, nhưng phương pháp sinh học được áp dụng rộng rãi hơn cả. Phương pháp này cũng đã được ứng dụng để xử lý Nitơ trong nước thải từ những năm 1960. Xuất phất từ những lí do trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường nước, bước đầu chúng tôi thực hiện: “Nghiên cứu xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng công nghệ tổ hợp hiếu khí thiếu khí”.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THCS GIANG BIÊN - LONG BIÊN ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015) Tên đề tài: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ TỔ HỢP THIẾU KHÍ-HIẾU KHÍ Lĩnh vực: Khoa học mơi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN - GV: Đồng Mai Trang - Đơn vị công tác: THCS Giang Biên TÁC GIẢ: Nguyễn Công Hoàng Phong Lớp: 9A Trường: THCS Giang Biên Trương Anh Tuấn Lớp: 9B Trường:THCS Giang Biên Hà Nội, tháng 11 năm 2014 MỤC LỤC PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI .3 PHẦN II: TỔNG QUAN VÀ ĐIỂM MỚI ĐIỂM SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI .4 PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ PHẦN IV: KẾT LUẬN .27 PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nước cần cho sống phát triển Nước giúp cho tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào phản ứng hoá sinh tạo nên tế bào Nước dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp dịch vụ.Vì vậy, nói đâu có nước có sống Ở nước ta nay, hầu hết khu đô thị, khu dân cư, làng, xã hay số điểm du lịch xây dựng phục vụ nhu cầu người có nguồn nước thải sinh hoạt sinh cịn chưa xử lý triệt để, vài nơi có hệ thống xử lý tâp trung cịn nhiều khó khăn vấn đề vận hành chi phí xử lý cao dẫn đến nước thải sinh hoạt không đạt tiêu chuẩn môi trường mà xả trực tiếp sơng, hồ Ngồi nguồn nước thải khổng lồ , thải từ hoạt động người phải đối mặt với tượng môi trường ngày trở nên nghiêm trọng tượng phú dưỡng gây bùng nổ loài rong, tảo, thực vật phù du nồng độ chất dinh dưỡng Nitơ, Phơtpho q cao Điều khiến tình trạng tầng nước mặt bị nhiễm, bốc mùi khó chịu, nước có màu xanh đen đen, theo thời gian ảnh hưởng tới tầng nước ngầm làm cảnh quan biến đổi hệ sinh thái nước ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ người Ngày nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt, phương pháp sinh học áp dụng rộng rãi Phương pháp ứng dụng để xử lý Nitơ nước thải từ năm 1960 Xuất phất từ lí trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường nước, bước đầu thực hiện: “Nghiên cứu xử lý Nitơ nước thải sinh hoạt cơng nghệ tổ hợp hiếu khí - thiếu khí” PHẦN II TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA CỦA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu xử lý nguồn ô nhiễm vô hữu nước coi biện pháp tối ưu để giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước Kế thừa phát huy nghiên cứu trước đây, đề tài chúng tơi có thêm bước cải tiến mặt kĩ thuật chọn nguồn vi sinh vật thiếu khí – hiếu khí Trong phương pháp thực nghiệm sử dụng hai loại bình (thiếu khí – hiếu khí) khiến cho hệ thống xử lý bớt cồng kênh hệ thống hiếu khí – thiếu khí – kị khí mà cho hiệu suất xử lý tương đương Bên cạnh đó, nguồn vi si vật thiếu khí, hiếu khí tương đối dễ ni cấy trực tiếp tận dụng bùn vi sinh nhà máy sản suất sữa Nguồn vốn ban đâu của hệ thống o cao nên phủ hợp với thực tế lượng nước thải sinh hoặt không tập trung chỗ PHẦN III QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1.1 Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt nước thải phát sinh từ hoạt động sinh hoạt cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui chơi giải trí, quan cơng sở, … Thơng thường, nước thải sinh hoạt hộ gia đình chia làm hai loại chính: nước đen nước xám Nước đen nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn chất ô nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, vi sinh vật gây bệnh cặn lơ lửng Nước xám nước phát sinh từ trình rửa, tắm, giặt, với thành phần chất nhiễm khơng đáng kể Các thành phần nhiễm đặc trưng thường thấy nước thải sinh hoạt Nitơ Phốt Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng N P lớn, không loại bỏ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng – tượng thường xảy nguồn nước có hàm lượng N P cao, lồi thực vật thủy sinh phát triển mạnh chết đi, thối rữa, làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng nước thải sinh hoạt, đặc biệt phân, loại mầm bệnh lây truyền vi sinh vật có phân Vi sinh vật gây bệnh từ nước thải có khả lây lan qua nhiều nguồn khác nhau, qua tiếp xúc trực tiếp, qua mơi trường (đất, nước, khơng khí, trồng, vật nuôi, côn trùng…), thâm nhập vào thể người qua đường thức ăn, nước uống, hô hấp,…,và sau gây bệnh Vi sinh vật gây bệnh cho người bao gồm nhóm virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào giun sán Với thành phần nhiễm tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ loại chất không tan đến chất tan hợp chất tan nước, việc xử lý nước thải sinh hoạt loại bỏ tạp chất đó, làm nước đưa nước vào nguồn tiếp nhận đưa vào tái sử dụng Trong trình sinh hoạt, người xả vào hệ thống thoát nước lượng chất bẩn định, phần lớn loại cặn, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng Ở nước ta Tiêu chuẩn TCXD 51:2007 quy định lượng chất bẩn tính cho người dân xả vào hệ thống nước ngày theo bảng sau Bảng 1: Lượng phát thải sinh hoạt bình quân người ngày xả vào hệ thống thoát nước(theo quy định TCXD 51:2007) Các chất Giá trị , gam/ngày.đêm Chất lơ lửng  (SS ) 60¸65 BOD5 nước thải chưa lắng 65 BOD5 nước thải lắng 30¸35 Nitơ amơn (N-NH4) Phốt phát  (PO43-) 3,3 Ngồi ra, lượng nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm hệ thống thoát nước điều kiện trang thiết bị vệ sinh tham khảo theo bảng sau Bảng 2: Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư Chỉ tiêu Trong khoảng Trung bình Tổng chất rắn ( TS), mg/l 350-1.200 720 Chất rắn hoà tan (TDS) , mg/l 250-850 500 Chất rắn lơ lửng (SS), mg/l 100-350 220 BOD5, mg/l 110-400 220 Tổng Nitơ, mg/l 20-85 40 Nitơ hữu cơ, mg/l 8-35 15 Nitơ Amoni, mg/l 12-50 25 Nitơ Nitrit, mg/l 0-0,1 0,05 Nitơ Nitrat, mg/l 0,1-0,4 0,2 Clorua, mg/l 30-100 50 Độ kiềm , mgCaCO3/l 50-200 100 Tổng Phốt pho, mg/l _ Dựa vào số liệu ta thấy lượng nước thải tập trung khu dân cư lớn, ví dụ tổng lượng nước thải thành phố Hà Nội riêng năm 2006 500.000m3/ngày Từ đặc tính nước thải cho thấy thành phần nhiễm đặc trưng nước thải sinh hoạt BOD5, COD, Nitơ, Phốtpho, SS, TOC chất tẩy rửa, nước thải sinh hoạt hàm lượng Nitơ phốtpho lớn, (từ 50 đến 55%), chứa nhiều vi sinh vật, có vi sinh vật gây bệnh phát triển Nếu không xử lý làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng Đồng thời nước thải  có nhiều vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ, cần thiết cho q trình chuyển hố chất bẩn nước Như nước thải sinh hoạt đô thị, khu dân cư sở dịch vụ, cơng trình cơng cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh nguồn gây nhiễm mơi trường nước.Và vấn đề đặt yêu cầu chất lượng nước thải sau xử lý phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn thải sau: Bảng Yêu cầu nước thải sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT Giới hạn cho phép TT Đơn vị (QCVN 14:2008) Mức A Mức B pH mg/L 5-9 5-9 Chất rắn lơ lửng mg/L 50 100 Tổng chất rắn tan mg/L 500 1000 Sunfua (H2S) mg/L mg/L 10 mg/L 30 50 Thông số ô nhiễm Amoni Nitrat 1.2 Tổng quan ô nhiễm Nitơ nước thải 1.2.1 Trạng thái tồn Nitơ nước thải Trong nước thải, hợp chất nitơ tồn dạng: hợp chất hữu cơ, amoni hợp chất dạng ơxy hố (nitrit nitrat) Các hợp chất nitơ chất dinh dưỡng, chúng vận động tự nhiên, chủ yếu nhờ q trình sinh hố Sơ đố ô nhiễm Nitơ nước thải: Hợp chất hữu chứa nitơ phần cấu thành phân tử protein thành phần phân huỷ protein peptit, axit amin, urê Hàm lượng amoniac (NH3) lượng nitơ amôn (NH+4) nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm số loại nước thải khác cao Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ nước thải công nghiệp: chế biến sữa, rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc da Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn dạng vô (65%) hữu (35%).Nguồn nitơ chủ yếu từ nước tiểu Mỗi người ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số Trong số nitơ urê (N-CO(NH2)2) 0,7g, lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH4) người ngày xả vào hệ thống thoát nước g/ng.ngày lại loại nitơ khác 1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm Nitơ môi trường nước 10 + Phương pháp hóa học: oxi hoa chất oxi hóa gốc clo, đơng tụ hóa học, trao đổi ion chọn lọc với NO3-… +  Phương pháp sinh học: sử dụng vi sinh vật có sẵn nước thải bổ sung thêm chủng, giống vi sinh vật để nâng cao hiệu suất xử lý nước thải Các phương pháp sinh học trì điều kiện yếm khí (khơng có oxy), thiếu khí hiếu khí (bổ sung thêm oxy từ ngồi vào) 1.3.2 Cơng nghệ xử lý Nitơ nước thải sinh hoạt phân tán tổ hợp thiếu khí – hiếu khí Việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp thường đặc điểm loại tạp chất có nước thải Các phương pháp thường sử dụng cơng trình xử lý nước thải sinh hoạt là: phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học.Các phương pháp hóa học dùng hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm có: trung hịa, oxy hóa khử, tạo kết tủa phản ứng phân hủy hợp chất độc hại Cơ sở phương pháp phản ứng hóa học diễn chất nhiễm hóa chất thêm vào, Do đó, ưu điểm phương pháp có hiệu xử lý cao, thường sử dụng hệ thống xử lý nước khép kín Tuy nhiên, phương pháp hóa học có nhược điểm chi phí vận hành cao, khơng thích hợp cho hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô lớn Bản chất phương pháp hố lý q trình xử lý nước thải sinh hoạt áp dụng trình vật lý hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng để gây tác động với tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành chất khác dạng cặn chất hoà tan không độc hại gây ô nhiễm môi trường Những phương pháp hoá lý thường áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược siêu lọc… Giai đoạn xử lý hố lý giai đoạn xử lý độc lập xử lý với phương pháp học, hoá học, sinh học cơng nghệ xử lý nước thải hồn chỉnh Bản 14 chất phương pháp sinh học trình xử lý nước thải sinh hoạt sử dụng khả sống hoạt động vi sinh vật có ích để phân huỷ chất hữu thành phần ô nhiễm nước thải Các trình xử lý sinh học chủ yếu có năm nhóm chính: q trình hiếu khí, q trình trung gian anoxic, q trình kị khí, q trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic –kị khí q trình hồ Căn đặc tính đầu vào đầu nước thải sinh hoạt mà giới nói chung Việt Nam nói riêng cơng nghệ xử lý thường kết hợp xử lý học phương pháp xử lý sinh học qua bước sau: - Tiền xử lý: Có nhiệm vụ loại bỏ khỏi nước thải tất vật gây tắc nghẽn đường ống làm hư hại máy bơm - Xử lý sơ bộ: Có nhiệm vụ lắng cát tách dầu mỡ khỏi nước thải đồng thời điều hòa lưu lượng nồng độ nước thải - Xử lý sinh học: Mục đích q trình xử lý sinh học lợi dụng hoạt động sống sinh sản vi sinh vật để khử hợp chất hữu chứa cacbon, Nitơ, photpho nước thải bước xử lý quan trọng cho nước thải sinh hoạt định chất lượng nước đầu Với hiệu suất xử lý cao 90-99% sử dụng hóa chất, chi phí xử lý thấp so với phương pháp khác Xử lý Nitơ nước thải sinh hoạt phương pháp sinh học dựa hai q trình nối tiếp nitrat hóa khử nitrat Q trình nitrat hóa: Sử dụng vi sinh vật tự dưỡng Vi sinh vật trình Nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật: Nitrosomonas Nitrobater Cả hai nhóm vi sinh vật mày có yêu cầu đặc trưng điều kiện mơi trường pH, nhiệt độ, oxy hịa tan (DO); chúng có tốc độ tăng sinh khối mức thấp nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng Nitrosomonaschỉ oxy hóa NH4+ thành NO2-, sau đóNitrobacter làm chức chuyển hóa NO2- thành NO3- 15 Q trình khử nitrat Quá trình khử nitrat sử dụng oxy từ nitrat nên gọi anoxic (thiếu khí) Là q trình tổng hợp bốn phản ứng nối tiếp sau: NO3-" NO2-" NO (k) " N2O (k) " N2 (k) Quá trình khử nitrat màng tế bào chất vi khuẩn minh họa sau: 16 Khi kết hợp q trình nitrat hóa khử nitrat có ưu điểm sau: - Giảm thể tích khí cần cung cấp cho q trình nitrate hóa; - Khơng cần bổ sung nguồn carbon cho q trình khử nitrat; - Giảm cơng trình lắng cho riêng q trình; - Có khả khử 60-80% tổng lượng nitơ nước thải ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nước thải sinh hoạt từ hộ gia đình (Nước thải làm thí nghiệm lấy từ cống xả khu vực Phường Giang Biên , Quận Long Biên, Hà Nội) Thời gian: Từ ngày tháng năm 2014 đến ngày tháng 10 năm 2014 2.2 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát tổng quan nước thải sinh hoạt phân tán – Hộ gia đình - Xây dựng mơ hình AO quy mơ phịng thí nghiệm để xử lý nước thải sinh hoạt - Nghiên cứu ảnh hưởng N-anoni đầu vào, đầu N tổng đầu vào, đầu đến hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt phân tán hệ thống AO - Nghiên cứu ảnh hưởng dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý tổng Nitơ nước thải sinh hoạt phân tán hệ thống AO 2.3 Phương pháp nghiên cứu: có phương pháp Phân tích số tiêu để đánh giá chất lượng nước: NH4+, Nitơ tổng, photpho tổng a) Phân tích amoni: Xác định phương pháp Phenat (theo Standard Method 1995), so màu máy UV - 2450 (Shimazu, Nhật Bản) bước sóng 630 nm Lấy 25,0 ml mẫu cho vào bình định mức dung tích 50 ml Thêm ml dung dịch chất thị phenol, 1ml dung dịch natri nitroprusit, 2,5ml dung dịch oxi hóa (trộn lẫn dung dịch sau lần thêm thuốc thử) Thêm nước cất đến vạch mức 17 trộn đều, để bong tối nhiệt độ phịng giờ, đo mật độ quang bước sóng 640 nm với dung dịch mẫu trắng dung dịch so sánh - Xác định tổng nitơ máy TOC – N (Shimazu, Nhật Bản) b) Phương pháp thực nghiệm + Sơ đồ thí nghiệm Chú thích: Bể thiếu khí Bể hiếu khí Ngăn lắng Hình Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm - Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm gồm hệ thống * Bể thiếu khí (1) * Bể hiếu khí (2) * Ngăn lắng (3) - Bể thiếu khí với thể phận cấp khí liên tích làm việc 5.0 lít tục - Bể hiếu khí với thể - Bể lắng với thể tích tích làm việc 9.0 lít có làm việc 4.0 lít - Nguyên lý hoạt động thiết bị Nước thải chứa thùng chứa V=120 lít Nước thải cấp vào bể thiếu khí bơm định lượng với lưu lượng Q = lít/giờ, sau nước cấp 18 đầy bể thiếu khí nước thải chảy tràn sang bể hiếu khí Ở bể đáy bể có phận cấp khí liên tục làm tăng lượng oxy nước thải, kết hợp với bể hiếu khí bể lắng, nước thải sau qua bể lắng chảy tràn vào thiết bị chứa, đồng thời bể lắng nước thải bơm tuần hoàn phần trở lại bể thiếu khí Hàm lượng bùn bể lắng kết hợp với bể hiếu khí tự động lắng ngược trở lại sang bể hiếu khí + Điều kiện thí nghiệm: pH đầu vào: 7.0 - Nhiệt độ: 29 – 30o C 19 3.KẾT QUẢ Q=1,5l/h Hình: Mối quan hệ tổng N , vào, hiệu suất xử lý tổng N NX: Kết đồ thị cho thấy hiệu suất xử lý T-N thay đổi cách rõ rệt, chế độ 1, đầu bể thiếu khí 3-5 mg/l, đầu bể hiếu khí 1-3 mg/l, hiệu suất xử lý T-N, TK 69 -75%, hiệu suất xử lý T-N, HK 40-60% Ở chế độ 2, hiệu suất xử lý đạt hiệu tương đối cao tăng so với chế độ Ở chế độ 3, hiệu suất xử lý TK 50-65%, HK 69-89% hiệu suất xử lí tổng N 89-92% Ở chế độ 4, lượng N tăng hiệu suất xử lí giảm hẳn so với chế độ trước 20 Q= 0,75l/h ... thực hiện: ? ?Nghiên cứu xử lý Nitơ nước thải sinh hoạt công nghệ tổ hợp hiếu khí - thiếu khí” PHẦN II TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA CỦA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu xử lý nguồn... Nitơ, photpho nước thải bước xử lý quan trọng cho nước thải sinh hoạt định chất lượng nước đầu Với hiệu suất xử lý cao 90-99% sử dụng hóa chất, chi phí xử lý thấp so với phương pháp khác Xử lý. .. phương pháp hoá lý thường áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược siêu lọc… Giai đoạn xử lý hố lý giai đoạn xử lý độc lập xử lý với phương