Trang 1 Ũ PHƯƠNG THUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI------ LU VẬN ĂN THẠC Ĩ SKHOA HỌCKỸ MÔTHUẬTI TRƯỜNGNGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNGMƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Tra
VŨ PHƯƠNG THUYÊN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRÊN THIẾT BỊ TỔ HỢP AEROTEN - BIOFILTER VŨ PHƯƠNG THUYÊN 2006 - 2008 Hà Nội 2008 Hà Nội 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205026521000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRÊN THIẾT BỊ TỔ HỢP AEROTEN - BIOFILTER NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG VŨ PHƯƠNG THUYÊN 23.04.3898 Người hướng d ẫn khoa học: PGS.TSKH.NGUYỄN XUÂN NGUYÊN Hà Nội 2008 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Lời mở đầu Như biết, trình xử lý nước thải trình phức tạp bao gồm q trình vật lý, chuyển hố ho học chuyển hố sinh học Việc mơ hình hố c ác trình cho phép linh hoạt tính tốn thiết kế c ác q trình xử lý nước thải, tối ưu hố q trình nhằm đạt hiệu cao, đơn giản ho vấn đề xử lý nước thải c ông tác b ảo vệ môi trường Xử lý nước thải phương pháp sinh học xem phương pháp phổ biến, áp dụng rộng rãi để xử lý hầu hết c ác loại nước thải giàu hữu nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp nói chung, nước thải công nghiệp s ố ngành đ iển cơng nghiệp chế biến thực phẩm, nước thải bệnh viện, nước rác…Xử lý nước thải phương pháp sinh học thơng thường chia thành hai q trình: xử lý hiếu khí xử lý yếm khí ; xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí sử d ụng rộng rãi c ả hiệu xử lý cao, triệt để khô ng gây ô nhiễm thứ cấp Tuy nhiên, ng nghệ xử lý hiếu khí lại có nhược đ iểm chi phí đầu tư xây dựng, chi phí vận hành_đặc biệt chi phí cho lượng cấp khí tương đối cao Do thực tế thiết kế c ác hệ thống xử lý người ta có nhiều nghiên c ứu ứng dụng cho thấy việc thực trình xử lý kết hợp kỹ thuật xử lý yếm khí , hiếu khí cho phép c ó thể giảm đáng kể c ác chi phí Trong khuôn khổ đề tài này, xây dựng mơ hình q trình xử lý nước thải sinh hoạt thiết bị tổ hợp Aeroten – Biofilter (BFA) nhằm tối ưu hố q trình ho tan oxy sở tính tốn đồng b ộ Biofilter Aeroten cao tải, nhằm giảm chi phí vận hành đảm b ảo hiệu xử lý cao Trong q trình thực hiện, chúng tơi khơ ng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý c c ác thầy cô chuyên gia để chúng tơi tiếp tục hồn thiện mơ hình thời gian tới, nhằm cung cấp thêm TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên phương pháp lĩnh vực xử lý nước thải nước ta nay, góp phần bảo vệ mơi trường ngày c àng hiệu TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Phần I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1 Tổng quan trình xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí I.1.1 Cơ sở lý thuyết Phương pháp sinh học hiếu khí phương pháp s d ụng vi sinh vật hiếu khí để phân huỷ c ác chất hữu c có nước thải điều kiện c ấp đủ oxy điều kiện nhiệt độ, pH thích hợp Bản chất phương pháp q trình oxy hố sinh hố hay q trình lên men vi sinh vật Các vi sinh vật sử dụng chất hữu c số chất khống có nước thải làm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng phát triển Sản phẩm tạo thành c trình lên men sinh khối vi sinh vật, chất đơn giản CO 2, H2O, NH3,…và lượng Cơ chế c trình gồm ba giai đoạn sau: - Giai đ oạn vi sinh vật oxy ho chất hữu nước thải để sinh trưởng: Men vi sinh vật CxHy Oz N + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O x CO2 + [(y-3)/2] H2O + NH3 + ΔH (1.1) - Giai đoạn tổng hợp xây dựng tế bào mới, vi sinh vật phát triển luỹ tiến số lượng: Men vi sinh vật C xHyO z N + NH3 + O x CO2 + C 5H7NO2 + ΔH (1.2) - Giai đoạn chuyển hoá chất tế bào (tự oxy hố) khơng cịn đủ chất cho trình sinh trưởng phát triển tế bào: Men vi sinh vật C5H7NO + O2 x CO + NH3 + H2O + ΔH Men vi sinh vật (1.3) Men vi sinh vật NO3 + O HNO2 + O2 HNO3 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI (1.4) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Như trình xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí phụ thuộc vào nồng độ chất hữu có nước thải, nồng độ oxy cung cấp cho trình oxy hố hoạt tính vi sinh vật I.1.1.1 Xác định nồng độ chất hữu nước thải Nước thải theo định nghĩa nước thải trình sinh hoạt, sản xuất người nước chảy qua vùng đất ô nhiễm làm thay đổi thành phần, tính chất ban đầu nước Tuỳ thuộc vào nguồn gốc phát sinh mà nước thải có c ác thành phần nhiễm khác Thô ng thường nước thải chứa nhiều hợp chất, với số lượng nồng độ c ũng khác Việc xác định thành phần ô nhiễm nồng độ c chúng phức tạp, địi hỏi nhiều thời gian, ng s ức tiền Do vậy, người ta thường dựa vào s ố tiêu để xác định mức độ ô nhiễm Các tiêu để đánh giá định lượng nồng độ c ác chất hữu c nước thải thường xác định thông qua lượng oxy tiêu thụ cho q trình oxy hố chất hữu đó; q trình oxy hố ho học, người ta xác định nhu cầu oxy hoá học (COD_Chemical Oxygen Demand); q trình oxy hố sinh học , người ta xác định nhu cầu oxy sinh hoá (BOD_ Biochemical Oxygen Demand) Ngồi ra, người ta xác định nồng độ nhiễm bẩn hữu c thông qua tổng hàm lượng cacbon hữu ( TOC_Total Organic Carbon) Một tiêu c ũng thường d ùng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn hữu độ oxy hoà tan (DO_Dissolved Oxygen) nước thải oxy d ùng nhiều cho trình sinh hoá nên dẫn đến tượng giảm lượng oxy hoà tan, c sở để xác định nhu cầu oxy hoá sinh học BOD a Xác định hàm lượng oxy hoà tan DO Oxy hoà tan thành phần khơng thể thiếu q trình xử lý nước thải phương pháp sinh học hiếu khí , oxy trì trình trao đổi chất, sinh lượng cho sinh trưởng, sinh sản tái sản xuất sinh vật TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Oxy chất khí khó tan nước, độ hồ tan phụ thuộc vào nhiều yếu tố áp suất, nhiệt độ, đặc tính c nước, chế độ thuỷ lực, q trình hơ hấp, quang hợp lồi thuỷ sinh…Nồng độ b ão hoà c oxy nước nhiệt độ cho trước tính theo định luật Henry Trong nước thải, hàm lượng oxy hoà tan thường thấp q trình oxy hố làm tiêu tốn lượng oxy đáng kể Để xác định nồng độ oxy hoà tan nước người ta thường dùng phương pháp iot (hay gọi phương pháp Winkler) Phương pháp dựa vào q trình oxy hố Mn2+ thành Mn4+ mơi trường kiềm Mn4+ lại có khả oxy hoá I- thành I2 tự mơi trường axit Lượng I2 tự giải phóng tương đương với oxy hoà tan nước [3] - Nếu khơng c ó oxy: Mn2+ + OH- Mn(OH)2 ↓ (1.5) (trắng) - Nếu có oxy: Mn2+ + 2OH- + ½ O MnO2↓ + H2O (1.6) (nâu) MnO + 2I- + 4H+ Mn2+ + I2 + 2H2 O (1.7) Ngoài ra, với phát triển khoa học đại người ta xác định tương đối xác hàm lượng oxy hoà tan b ằng máy đo DO khác b Xác định nhu cầu oxy sinh hoá BOD Nhu cầu oxy sinh hoá lượng oxy cần thiết mà vi sinh vật sử dụng để oxy hố chất hữu cơ, hay nói cách khác, BOD thông số biểu thị cho nồng độ chất hữu có nước thải mà bị phân huỷ sinh học Khi q trình oxy hố xảy ra, vi sinh vật s dụng oxy c ác chất hữu c có nước thải làm nguồn lượng nguồn cacbon để sinh tổng hợp c ác sinh chất tạo thành tế b TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Trong thực tế, để xác định lượng oxy tiêu tố n cho q trình oxy hố hồn toàn chất hữu c ần khoảng thời gian dài, khoảng từ 10 – 20 ngày chí lâu hơn, người ta thường xác định lượng oxy cần thiết ngày đầu, nhiệt độ ủ 20oC, thông qua xác định lượng tổng lượng oxy hồ tan mẫu pha lỗng ngày đầu ngày thứ 5: BOD5 = DO1 -DO2 mg/l P (1.8) đó: - DO1 : nồng độ oxy hồ tan mẫu nước thải pha lỗng trước ủ (mg/l) - DO2 : nồng độ oxy hoà tan mẫu nước thải pha loãng sau ủ ngày 20°C (mg/l) - P : tỷ s ố pha lỗng Phương trình động học c q trình oxy hố sinh học mơ tả sau: dL t = - K*L t dt (1.9) đó: - Lt : hàm lượng BOD thời điểm t - K : s ố tốc độ phản ứng Lấy tích phân phương trình (1.9) với điều kiện đầu t = 0, Lt = L0 ta được: Lt = L0* e-Kt (1.10) Từ phương trình dễ d àng nhận nhu cầu oxy sinh hố l n tỷ lệ với s ố tốc độ phản ứng K, hay lượng chất hữu có khả tham gia phản ứng sinh hố tỷ lệ với tốc độ phản ứng Khi tốc độ phản ứng tăng số tốc độ phản ứng K tăng Tốc độ c phản ứng sinh hoá phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc tính chất hữu c nước thải, nồng độ c ũng khả phân huỷ chất ô nhiễm vi sinh vật, nhiệt độ mô i trường nước thải… TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Vũ Phương Thuyên Việc xác định nhu c ầu oxy sinh hoá BOD thực tế thu giá trị tương đối, ngồi q trình oxy hố sinh hố c ác chất hữu c tồn song song q trình oxy hố hợp chất nitơ làm cho nhu cầu oxy tăng lên, dẫn đến sai lệch giá trị BOD Do vậy, để xác định BOD, người ta cần phải xác định lượng oxy tiêu thụ cho q trình nitrit hố c Xác định nhu cầu oxy hoá học COD Nhu cầu oxy hoá học COD s ố biểu thị cho hàm lượng chất hữu có nước thải, lượng oxy cần thiết cho q trình oxy hố hố học c ác hợp chất hữu c nhờ s ự xúc tác c tác nhân oxy hoá mạnh Phương pháp x ác định COD phổ biến phương pháp bicromat Phương pháp s dụng bạc s unfat làm chất xúc tác, nhiệt độ sôi mơi trường axit để oxy hố chất hữu Tuy nhiên phương pháp có hạn chế vài hợp chất chứa nitơ, ví dụ metylamin, etylamin, pyridin,… bị oxy hoá chậm, c ũng có vài hợp chất vơ c lại bị oxy hoá c ùng với hợp chất hữu ion clorua, nitrit, sunfit, dẫn đến s lệch kết I.1.1.2 Xử lý nước thải vi sinh vật hiếu khí a Quá trình phát triển vi sinh vật mơi trường nước thải Nước thải thải môi trường thường có vi sinh vật, nhiên sau thời gian ngắn vi sinh vật phát triển lên gấp nhiều lần Vi sinh vật sử d ụng chất hữu c có mặt nước thải làm nguồn dinh dưỡng để tổng hợp sinh chất tế bào tạo lượng Như trình sinh trưởng phát triển mình, vi sinh vật làm tiêu hao c chất có nước thải, đồng thời tạo sinh khối vi sinh vật hay bùn hoạt tính Q trình sinh trưởng vi sinh vật môi trường nước thải thường nhận biết qua khối lượng tăng sinh khối vi sinh vật, bao gồm khối lượng vi sinh vật chết tạp chất khác Quá trình chia thành giai đoạn mơ tả hình 1.1 TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP II III IV Nồng độ sinh khối X, mg/l I Vũ Phương Thuyên Thời gian,t Hình 1.1: Đường cong sinh trưởng tế bào việc sử dụng dinh dưỡng - Giai đ oạn I: giai đ oạn thích nghi với mơ i trường sống, sinh khối tăng chậm - Giai đ oạn II: giai đoạn phát triển luỹ tiến, vi sinh vật phát triển mạnh mẽ đ iều kiện dư thừa dinh dưỡng môi trường, tốc độ tăng trưởng phụ thuộc vào khả trao đổi chất vi sinh vật hay tốc độ sinh trưởng riêng loại vi sinh vật xác định b ằng biểu thức: rg = dX = µ.X dτ (1.11) rg : tốc độ tăng trưởng sinh khối (mg/l.t) X: nồng độ sinh khối (mg/l) µ: s ố tốc độ sinh trưởng (l/τ) τ: thời gian - Giai đ oạn III: giai đoạn phát triển chậm dần, khối lượng sinh khối tăng không đáng kể, chí đạt mức cân b ằng nguồn dinh dưỡng môi trường c ạn kiệt dần TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC _ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI