Nghiên ứu xử lý nướ thải giàu abon và nitơ bằng ông nghệ mbbr

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN VĂN HANH Trang 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN VĂN HANHNGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC TH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN HANH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CACBON VÀ NITƠ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN HANH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CACBON VÀ NITƠ

BẰNG CÔNG NGHỆ MBBR

Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN

HÀ NỘI – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo Viện

công nghệ môi trường Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội Trong suốt thời gian -

học tập và nghiên cứu tại trường, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt

những tri thức quý báu giúp tác giả hoàn thành chương trình đào tạo và Luận

văn thạc sĩ

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Đặng Xuân Hiển

trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình

nghiên cứu khoa học

Và cuối cùng, xin được biết ơn cha mẹ, anh em trong gia đình, biết ơn tất

cả các anh chị, các bạn lớp cao học Kỹ thuật Môi Trường trường Đại Học Bách

khoa Hà Nội đã động viên, giúp đỡ, đồng hành trong suốt hai năm học vừa qua

và trong quá trình thực hiện luận văn

Tác xin cam đoan Luận văn thạc sĩ được thực hiện đúng hướng dẫn của

Trường Đại học bách khoa Hà Nội và thầy hướng dẫn PGS.TS Đặng Xuân Hiển

, ngày tháng 5 2017

Nguyễn Văn Hanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1.2 1.2 Quá trình 1.2.1 1.2.2

1.2.3

1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 18

1.4 X 1.4 1.4 1.4.3.Tình hình nghiên CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CACBON VÀ NITƠ BẰNG CÔNG NGHỆ MBBR 34

u nghiên 3

2.2

2.3

2.4

2.4

2.4

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

nghi

3.1.4 COD

-NO 2 + N-NO3 54

3.2.5 3 55

-NO 3 và N-NO2 59

3.3 3 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHẦN PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 BOD 5 Biochemical Oxygen Demand

5 days

2 BTNMT

3 COD Chemical Oxygen Demand

5 F/M Food/Microorganism

6 HRT Hydraulic Retention Time

7 MBBR Moving bed biofilm reactor

8 MLSS Mixed Liquor Suspended Solids

9 MLVSS Mixed Liquor Volatile Suspended Solids Hà

10 OLR Organic loading rate

11 QCVN

12 SRT Sludge retention time

13 TSS (otal Suspended Solid

14 SVI Sludge volume index

soát

4567

8

9 .2.10

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.2 C

Hình 1.3 ho ng c a b SBR 18

Hình 1.7 Hình 1.9

K3 Hình 2.2 Hình 2

Hình 2

Hình 2

Hình 2 40

Hình 2

nhau

-NO 2 + N-NO3 Hình 3.9 3 , TN và NH COD/TN

Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 3 và N NO N-NO - 2 khi

Hình 3.16

1.1 Tổng quan về nước thải giầu chất cacbon và nitơ cần nghiên cứu

1.1.1 Một số loại nước thải giàu cacbon và nito

a Nước thải sinh hoạt

Hình 1.1 Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt [10.1]

theo 1.1

Bảng 1.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý[11]

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Đậm Loại nước thải

đặc

Vừa phải Loãng loãng Rất

TTNC Lợn Thụy Phương

Trại lợn Tam Điệp

Trại Cty Gia Nam

Trại Hồng Điệp

Trung bình

tâm Đánh đông Cán cắt cốm

Bảng 1.5 Thành phần nước thải chế biến thủy sản[10]

Chỉ tiêu Đơn vị

Nồng độ Tôm đông lạnh Cá da trơn

(tra basa) –

Thủy sản đông lạnh hỗn hợp

2S, NH3, CH4thúi

Nh y, 1 mol NH4+ tiêu th 2 mol O2 hay 1 g N-NH4+ tiêu th 4,57 g O2, 1

mol NH4+ t o thành 1 mol NO3-, 1 mol NH4+ t o thành 2 mol H+ ng H+ t o ra

ph n ng v ki m HCO3- v y 1g N-NH4+ tiêu th ki m (quy v

N u tính c các quá trình t ng h p sinh kh i (vi khu n) ta có:

v y, 1 gam N-NH4+ tiêu th 4,3 g O2, 1 gam N-NH4+ tiêu th

ki m (quy v CaCO3)

hoá là ph m b ki m cho vi sinh v t th c hi n quá trình oxy hoá

Th c nghi m cho th y pH có ng l n quá trình nitrat hoá Nghiên

c u c a Grady và Lim (1980), cho th y vi khu n nitrat hoá r t nh y c m v i pH,

i v i Nitrosomonas có d i pH t i thích t i v i Nitr

cho th y m t s loài có th thích h p m c pH > 9 Tuy nhiên nhi u nghiên c u cho r ng kho ng pH thích h p cho quá trình nitrat hoá là pH = 7,0 - 8,5

Nhi có ng r t l n t c a quá trình nitrat hoá

ng t 0C N u n giá tr ginhi quá cao (> 35 0C) s làm gi m ho t tính c a vi sinh, gây c ch ho ng

và có khi gây ch t vi sinh v t Kho ng nhi có th ng d 0C, c là 5 35 kho ng t 0C 35

So v i các vi khu n d ng, các vi khu n t ng nitrat hoá nh y c m v i nhi u kim lo i n ng và hóa ch t

Turk, O., và Mavinic, D.S (1986) [12 ra r ng các quá trình oxy hoá nitrit b c ch khi n 3 NHt 0,1 - 1 mg/l và n 3 t 5 - 20 mg/l, NH

quá trình oxi hóa NH4+ c ch Tuy nhiên, Ford cùng nhóm nghiên c u (1980) [12] l i cho s li u v n gây c ch

nhi u (10 - 150 mg NH3/l) S có m t c a NO2- và pH th p sinh ra HNO2 không

c ch quá trình ôxy hoá nitrit Allem

th y khi n nitrit cao t i 27 mg/l thì Nitrobacter b c ch m

thi u và CO2 cao, s có m t c a NH3 t ng bùn làm gi m t p

tri n c a Nitrobacter và kéo theo s gi m oxi hóa nitrit Ngoài ra, s c amoni và s

kh nitrat có th gây ra s tích lu ch 2-c NO Nitrosomonas ít nh y

c i v i s c NH3 Nitrobacter d n t initrit trong h

1.2.3 Cơ chế của quá trình khử nitrat

Khác v i quá trình nitrat hoá quá trình kh nitrat s d ng ôxy t nitrat nên

g i là anoxic (thi u khí) Các vi khu n n d

ngu n cacbon h t o nên sinh kh i m i

Quá trình kh nitrat là t ng h p c a b n ph n ng n i ti p sau:

u ki n phát tri n vi khu n kh nitrat: pH 7 - 8; nhi 0 t 5 - 35

ch t là ch t tan, càng d c vi sinh h p th càng t t

+ DO c ch men kh nitrit (m ng lên men k

N u có DO, nitrit s tích lu N u DO = 5% m c bão hoà, t t o khí NOx gi m,

n u t 13% thì men kh nitrit không ho ng, n

c ch + B 2- 14 mg/l pH = 7 thì quá  c N u N-NO

trình chuy n hóa ch t h i Pseudomonas Aeruginosa s ch m l i, n

350 mg/l quá trình b c ch hoàn toàn (k c quá trình oxic dùng ch t nh n e- là

O2) T , các khí NOx c

+ S kh i v i NO2- b ng m nh khi gi

v i s kh NO3-)

1.6

Bảng 1.6 Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước

STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật Nguồn

1a

C5H7O2N + 4H2O 

2,5CH4 + 1,5CO2 + HCO3- + NH4+

Ammonification Environ- ental

Biotec- nology: princip-es and applica- ion, Rittman v Mcácarty (2001); Henze (2002) 1b C5H7O2N + 5O2  4CO2

N eutropha N.europea Nitrosospira

5

NO2- + 0,5O2  NO3- Nitratation Nitrobacter,

e.g

N agilis Nitrospira Nitrococácus Nitrosocystics

6 + 7 5C + 2H2O + 4NO3- 

2N2 + 4HCO3- + CO2 Denitrification

Heterotrophs:

Pseudomonas Paracoca Bacillus Alcaligenes

Ammonia- oxidizing bacteria

Rittman v Mcácarty (2001) Henze (2002)

Sliekers (2002)

10 NH4+ + 0,75O2 

0,5N2 + H+ + 1,5H2O OLAND Nitrosomonas

Verstraet-e v Philips (1998)

11 3NH4+ + 3O2 + 3[H] 

1,5N2 + 3H+ + 6H2O

Quá trình NOx Nitrosomonas Schmidt (2003)

(Luzia Gut, 2006)

1.3 Một số phương pháp xử lý chất hữu cơ và nitơ trong nước thải

1.3.1 Phương pháp thiếu khí – hiếu khí truyền thống

t h p các quá trình nitrat hóa và kh truy n th x c th i, hi n nay v

r ng rãi trên th gi i Có th k t h p các quá trình thi u khí và hi u khí theo hai

Hình 1(a), 1(b)

Hình 1.2 Công nghệ thiếu – hiếu khí xử lý đồng thời các chất hữu cơ và nitơ

oxy hóa amoni thành nitrit/nitrat (nitrit/nitrat hóa)

Chất hữu cơ

Bùn hồi lưu

t (

Bùn hồi lưu

u k

t (

Nước thải hồi lưu

1.3.2 Phương pháp lọc sinh học thiếu khí – hiếu khí

c sinh h c l c áp d ng M

c phát thai lo i: L c sinh h c v i v t li u ti p xúc không ng c và l c sinh h c có v

 Cơ chế ủ c a quá trình l c sinh h c ng p nư c ọ ọ ậ ớ

Nguyên lý c c sinh h c là d a trên quá trình ho

vi sinh v t trên màng sinh h c, oxy hóa các ch t b c Các màng

h c, là t p th các vi sinh v t hi u khí, k khí và thi u khí Các vi khu n hi u khí t p trung ph n l p ngoài c a màng sinh h c, n và gmang là các v t li u l c Ch t h m b c th i b

qu n th vi sinh v t màng sinh h ng d y kho ng t 0

mm Các ch t h c h t b phân h y b i vi sinh v t hi u khí, sau khi thsâu vào màng, s b phân h y b i vi sinh v t k khí Khi các ch t h

c th i c n ki t, vi sinh v t màng sinh h c s chuy n sang hô h p n i bào và

l ng), ví d quá trình l c sinh h c ng p n c.

Vi sinh v t nitrat hóa có t ng ch

sinh v t trong thi t b x lý nh m nâng cao t

d ng bám dính cho quá trình này Các nghiên c u

hi n nay trên th gi ng t p trung vào v ch t o và ng d ng các lo

Pha rút nước Pha lắng

Xả nước

Thổi khí/trộn

Các giai đoạn x lý b ng SBR gử ằ ồm 5 giai đoạn:

y c (Fill): c c th i vào b ph m

ch u hòa, không quá m t o ti p xúc t t gi c th

m b o tính kinh t

vi c tiêu th ch t n n Quá trình nitrit hóa, nitrat hóa và phân h y ch t h y

ra, và k t thúc khi 1 th i gian t vi c tiêu th ch t n t

n này c n ti n hành thí nghi ki m soát các thông s

s c khí, nhi t o bông

qu cho quá trình l ng sau này

n l ng (Settle): quá trình l ng di n ra toàn, các ch t r c tách ra và l ng xu ng, th i gian l ng nh

Trong m t s ng h p, khu y tr n nh trong th u c a pha l ng t

1.4 Xử lý nước thải giàu cacbon và nitơ bằng công nghệ MBBR

1.4.1 Tổng quan về công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)

a Giới thiệu về công nghệ MBBR

có nuôi

khí và khí

Hình 1.4 Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR

Bảng 1.7 Thông số các loại giá thểSTT Loại giá thể Chất liệu Kích thước (DxL) dụng (m2/m3)Diện tích hữu

1 K1 Polyetylen 10mm x 7mm 500

2 K2 Polyetylen 15mm x 15mm 350

3 K3 Polyetylen 25mm x 10mm 350

4 Natrix Polyetylen 60mm x 50mm 310

5 Biofilm Chip M Polyetylen 45mm x 3mm 900

trong

oxy hòa tan không có

oxy tán

trong

phát dày

qua sau biofilm thì

oxy hòa tan qua màng

Hình 1.7 Nồng độ của chất nền theo chiều sâu lớp màng

1.4.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR

Sinh vật

3000 - 4000 gTSS/m3, giá có trong quá trìn

lý

Phát sinh bùn ít;

l

Hạn chế

1.4.3.Tình hình nghiên cứu công nghệ ngoài nước và trong nước

a Nghiên cứu ngoài nước

màng

17, 19 ]:

[13]:

№rwegian Water TNorwegian Institute of Technology, The University of Trondheim, Norway (1993)

-Mehdi Ahmadi, Hassan Izanloo, Aliakbar Mehr alian, Hoda Amiriand Mohammad №ori Sepehr

P Haapea, S Korhonen, T

tích 0,22- -22 o C, HRT=2-

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC THẢI

GIÀU CACBON VÀ NITƠ BẰNG CÔNG NGHỆ MBBR

về tính ổn định thiết bị

Nghiên cứu về tỉ lệ COD/TN

Nghiên cứu

về tải trọng COD và nitơ

Tỉ lệ 5/1 Tỉ lệ 4/1 Tỉ lệ 3/1

TN

4Cl; TP

KH2PO4

2.2.2.Giá thể di động

Hình 2.1 Giá thể di động kiểu K3Bảng 2.2 Thông số đặc trƣng của giá thể sử dụng trong đề tài

(DxL) 2/m3 kg/m3K3 Polyetyle 25mm x 10mm 350 0,9

2.2.3 Mô hình nghiên cứu

phía trong t

vào bùn

hí

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí mô hìnhGhi chú:

Hình 2.4 Mô hình thực tế

Mô

Hình 2.7.Mô tơ khuấy

Máy khí: 0.038 m3

Hình 2.8 Máy thổi khí RESUNThông số kiểm soát

a/ Kiểm soát lưu lượng nước

bùn,

b/ Kiểm soát các yếu tố khá c

Bảng 2.3 Các thông số kiểm soátThông số kiểm soát Giá trị kiếm soát

0,1 0,5 mg/l

> 2,5

5.000 mg/l 5.000 mg/l

2.3 Nội dung thực nghiệm

Hình 2.9 Các nội dung nghiên cứu thực hiệnGiai đoạn thích nghi

Giai đoạn nghiên cứu

GD 1

GD 2

GD 3

3 /ngày; 0.5 kgCOD/m 3

0.15 kgN/m3/ngày; 0.75 kgCOD/m 3 /ngày

0.2 kgN/m 3 /ngày; 1.0 kgCOD/m3/ngày

TN 1

TN 2

TN 3

duy



,5; 0,75 và 1,0 kgCOD/m30,1; 0,15 và 0,2 kgN/m3

Bảng 2.4 Thông số vận hành thí nghiệm thích nghiChế độ và thời gian vận hành Gia đoạn 1 Gian đoạn 2 Gian đoạn 3

hoàn (l/h)

0,5 0,75 1

0,5 0,75 1

Giai đoạn nghiên cứu

Thí nghiệm 1: ảnh hưởng của tỷ lệ COD/TN

3/ngày và 0,2 kgN/m3

lý và COD, TN, NH4+

Bảng 2.5.Thông số thí nghiệm 1 ở tỷ lệ COD/TN = 3/1STT Thông số Chỉ số Đợn vị

Bảng 2.7.Thông số thí nghiệm 1 ở tỷ lệ COD/TN = 5/1STT Thông số Chỉ số Đợn vị

1 l/h

1 l/h

1 l/h

4

7,66

2

7 ngày 1,25 kg/m3/ngày 0,25 kg/m3/ngày 1,25 l/h 1,25 l/h

1,25 l/h 3,2

6,13

3

7 ngày 1,5 kg/m3/ngày 0,3 kg/m3/ngày 1,5 l/h 1,5 l/h

1,5 l/h 2,66

Bảng 2.9.Thông số thí nghiệm 3 STT Thông số Chỉ số Đợn vị

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp hồi cứu

2.4.2 Phương pháp thí nghiệm và phân tích

a/ Quy trình lấy mẫu và phân tích

tiêu COD, TN

Phương pháp phân tích mẫu

Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, Eaton DA, and AWWA(Joint eds.1998)

Bảng 2.10 Các phương pháp phân tích mẫu

Chỉ tiêu Phương pháp Đơn vị Thiết bị

Độ chính xác

pH 4500 H+ B Electrometric

Method - WQC-22A ± 0,01

COD 5220 C Closed Reflux,

Titrimetric Method mgCOD/L 0C -

PO43- 4500P D Standar Method mgPO43- /L -

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả vận hành thí nghiệm thích nghi

3.1.1 Chỉ số DO

Hình 3.1 Sự biến đổi chỉ số DO trong quá trình thí nghiệm thích nghi

Nhận xét:

ì

* Các phản ứng làm giảm pH của nước thải:

+ Oxy hóa amonia:

NH4+ + 3/2 O2 NO2- + 2 H+ + H2O

NO2- + 1/2 O2 = NO3- :

Hình 3.3 Sự biến đổi chỉ số MLSS trong quá trình thí nghiệm thích nghi

3.1.4 Diễn biến sự biến đổi chỉ số COD

Hình 3.4 Sự biến đổi chỉ số COD trong quá trình thí nghiệm thích nghi

cao (

COD

kgCOD/m3

Nhận xét:

3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ COD/TN

3.2.1 Kết quả loại bỏ COD

Hình 3.5 Hiệu quả xử lý COD khi thay đổi tỷ lệ COD/TN

-3.2.2 Kết quả loại bỏ TN

Hình 3.6 Hiệu quả xử lý TN khi thay đổi tỷ lệ COD/TN

4/1 và 5/1

2 + N2 + H2O + OH- COD/TN: 3/1

3.2.3 Chỉ số MLSS

Hình 3.7 Chỉ số MLSS ở các tỷ lệ COD/TN khác nhau

3.2.5 Hiệu suất xử lý COD, tổng N và NH 3

3 cho

Hình 3.9 Hiệu xuất xử lý COD, TN và NH 3 khi thay đổi tỷ lệ COD/TN

3

3 là ca89%

-NO

2 + N-NO3

S

3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng COD và TN

3.3.1 Kết quả loại bỏ COD

Hình 3.10 Hiệu quả xử lý COD khi thay đổi tải trọng COD và TN

Hình 3.12 Tải trọng xử lý TN khi thay đổi tải trọng COD và TN

3.3.3 Chỉ số MLSS

Hình 3.13 chỉ số MLSS thay đổi tải trọng COD và TN

và TN

M

3.3.4 Sự chuyển hóa N-NO 3 và N-NO2

Hình 3.14 Sự chuyển hóa N-NO 3 và N-NO 2 khi thay đổi tải trọng COD và TN

3.3.5 Hiệu suất xử lý COD, tổng N và NH 3

K t qu thí nghi m cho th 3 và N-NOng N-NO2 sau x lý c a thi t

t kho ng 10,67 mg/l

ng N-NO3 và N-NO2 c sau x lý ng gi m

g t i tr u vào M c khác thí nghi m 3.2.2 cho th y tlàm vi c c a thi t b i v i TN h i các t i tr

u này cho th y s chuy n hóa N-NO3 và N-NO2 có hi u qu khi thi t b làm vi c t i tr ng COD th p

3.4 Kết quả nghiên cứu tính ổn định của thiết bị

Hình 3.16 Tính ổn định của hiệu suất xử lý TN và COD

+ H

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp Tính toán thiết kế công trình, -

– Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu quá trình n

Nuôi

- [11].Melcaft and Eddy (2003) Wastewater treatment engineering, McG awr

Hill

[12 Water environmental Federation (2010) Biofilm reactors McGraw ]

Hill professional

[13] Water environmental Federation (2009) Chapter 13 Biofilm reactor

technology and design, In Design of municipal wastewater treatment