TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Sau hơn 25 năm thực hiện công cuộc đổi mới, cơ cấu nền kinh tế Việt Nam đã cơ bản được chuyển đổi theo hướng công nghiệp h a, hiện đại h a Kéo theo là sự phát t
PHẦN MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sau hơn 25 năm thực hiện công cuộc đổi mới, cơ cấu nền kinh tế Việt Nam đã cơ bản được chuyển đổi theo hướng công nghiệp h a, hiện đại h a Kéo theo là sự phát triển trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp và sự ra đời của hàng loạt khu công nghiệp và khu chế xuất M t trái của tiến trình phát triển kinh tế đã tạo ra nhiều hệ quả tiêu cực ảnh hưởng đến đời sống xã hội của người dân, gây ô nhiễm môi trường, đ c biệt nghiêm trọng là dòng chất thải phát sinh hằng ngày
Tổng lượng nước thải tại các khu công nghiệp đang hoạt động tại thành phố Hồ Chí Minh ƣớc tính lên tới hơn 1 triệu m 3 /ngày, chỉ c khoảng 60-75% khu chế xuất, khu công nghiệp c trạm xử lý nước thải tập trung, trong đ lại hơn 50% lượng nước thải xử lý chưa đạt yêu cầu thải ra môi trường nước m t của sông Sài Gòn và sông Đồng Nai Nước thải khu công nghiệp phần lớn chứa nhiều thành phần nguy hại, nếu không đƣợc xử lý thì sẽ gây hại đến sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và đe dọa sức khỏe của người dân Nước thải chứa chất hữu cơ vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng, làm giảm lƣợng ôxy hòa tan khiến các loài thủy sinh chết hàng loạt Các loại dầu mỡ, kim loại n ng, h a chất trong nước c ng sẽ đi vào chu i thức ăn và cuối c ng quay lại gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người [1]
Trong những năm đầu của thời kỳ mở cửa, vấn đề ô nhiễm môi trường và vệ sinh nguồn nước không được quan tâm khắc phục do sự lấn át của quan niệm ưu tiên cho sự phát triển kinh tế đồng thời tồn tại các hạn chế về m t khoa học công nghệ Trong giai đoạn hiện tại, với tốc độ gia tăng dân số đang b ng nổ thì nhu cầu được sử dụng nước sạch ngày càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết Để giải quyết vấn đề ô nhiễm nhƣ hiện nay thì các khu công nghiệp đã đưa vào vận hành hệ thống xử lý nước thải tập trung bằng biện pháp sinh học, trong đ hay áp dụng công nghệ SBR vì mang lại sự linh động cao, c thể đáp ứng sự biến động về thành phần và lưu lượng của dòng nước thải
Công nghệ xử lý nước bằng bể sinh học hiếu khí dạng mẻ (Sequencing Batch Reactor – SBR), là một dạng quá trình bùn hoạt tính cải tiến đã đƣợc ứng dụng rộng rãi đối với nước thải sinh hoạt và cả nước thải công nghiệp Công nghệ này c cấu tạo đơn giản, c khả năng xử lý COD, SS, thành phần dinh dƣỡng Nitơ và Phospho ở tải trọng ô nhiễm cao Ở Tp Hồ Chí Minh, công nghệ SBR đã đƣợc áp dụng trong các khu công nghiệp nhƣ khu công nghiệp Tân Bình, khu công nghiệp Vĩnh Lộc, khu công nghiệp Sóng Thần… Hiện nay việc thắt ch t tiêu chu n xả thải ở các khu công nghiệp là một động lực lớn cho việc nghiên cứu phát huy các ƣu điểm vốn có của công nghệ SBR, khắc phục các khuyết điểm và cải tiến nâng cấp các hệ thống sử dụng công nghệ SBR nhƣ c thể dùng các giá thể theo kiểu: moving-bed, swim-bed và fix-bed
Trong vài năm gần đây, tại nhiều nơi trên thế giới, các nhà khoa học đang nghiên cứu khả năng tăng cường hiệu quả xử lý của công nghệ SBR thông thường bằng cách cho sử dụng kết hợp các loại giá thể sinh học theo kiểu chuyển động tầng sôi (moving bed) Theo các số liệu khảo sát trên mô hình và thực nghiệm cho thấy công nghệ SBR truyền thống vẫn còn hạn chế ở hiệu quả xử lý, kiểm soát vận hành, khả năng chịu sốc tải, mức độ ổn định… nên cải tiến bằng cách bổ sung thêm giá thể nhƣ kiểu mô hình
MB – SBR (Moving Bed - Sequencing Batch Reactor) chính là sự kết hợp giá thể di động của MBBR vào công nghệ truyền thống SBR sẽ tạo ra kết quả xử lý tốt hơn Một số kết quả nghiên cứu khác của Suntud Sirianuntapiboon, 2005 [2] và Kwannate Sombatsompop, 2011 [3] cho thấy tiềm năng xử lý cao hơn của MB – SBR khi so với SBR truyền thống Công nghệ SBR cải tiến này c thể đáp ứng các tiêu chí xả thải ngày càng khắt khe và g p phần đề xuất một công nghệ xử lý nước thải khu công nghiệp tập trung với thiết kế và lắp đ t đơn giản, dễ vận hành, hiệu quả xử lý tốt, chi phí đầu tƣ và vận hành thấp Các loại giá thể đƣợc sử dụng để cải thiện hiệu quả của SBR thông thường c thể là những vòng sứ, đá bọt, polyurethane, polystyren… rất ph hợp để tạo môi trường dính bám cho màng sinh học phát triển Việc lựa chọn loại giá thể ph hợp cho các bể SBR phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ giá thành, tính sẵn c , khả năng tái sử dụng nhiều lần, tính tương thích với các chủng vi sinh vật… Tại Việt Nam hiện nay, c thể n i giá thể sinh học loại K1 của hãng Anox Kaldnes là c thể đáp ứng tốt nhất các điều kiện n i trên, đây là loại giá thể c thể đáp ứng về tính kinh tế và tính kỹ thuật của công trình Giá thể K1 c tác dụng tốt đối với sự phát triển sinh khối của Biofilm, đã đƣợc nhà sản xuất kiểm chứng c ng nhƣ c nhiều ứng dụng thực tiễn trên khắp thế giới nhƣ Pháp, Thổ Nhĩ Kỳ, Iran, Thái Lan, Hàn Quốc … Đề tài: “ Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp tập trung sử dụng công nghệ SBR kết hợp giá thể di động K1 so với công nghệ SBR truyền thống ” sẽ kế thừa thành quả của công nghệ c và kết hợp ƣu điểm của cả hai công nghệ nhƣ độ linh hoạt và ổn định cao c ng với tiềm năng nâng cao đƣợc cả tải trọng và hiệu quả xử lý để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trên các khía cạnh kỹ thuật trong việc xử lý chất hữu cơ (COD) và các thành phần dinh dưỡng (N, P) c trong nước thải tập trung khu công nghiệp ở các chu kỳ hoạt động khác nhau Trên nền tảng đ sẽ tìm ra phương thức cải tiến trong vận hành các bể xử lý nước thải tập trung nhằm mục đích cải tiến quy trình xử lý, cải thiện chất lượng nước thải đầu ra của nước thải công nghiệp đáp ứng quy chu n kỹ thuật quốc gia về môi trường đối với nước thải công nghiệp QCVN
40:2011/BTNMT - cột A đồng thời tiến tới yêu cầu xử lý sạch hơn nhằm giảm thiểu nhu cầu khai thác nước m t, nước ngầm cho các mục đích dân dụng
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải khu công nghiệp bằng mô hình SBR c sự kết hợp của giá thể chuyển động tầng sôi trên quy mô phòng thí nghiệm thông qua 2 vấn đề:
- Đánh giá hiệu suất xử lý chất hữu cơ COD trong nước thải khu công nghiệp qua mô hình thí nghiệm;
- Đánh giá khả năng tăng cường xử lý các chất dinh dưỡng N, P thông qua mô hình thí nghiệm
iới thiệu t ng qu n hiện trạng nước thải khu công nghiệp v công nghệ giá thể tầng sôi moving-bed
- Giới thiệu tổng quan về nước thải KCN và hiện trạng xử lý nước thải KCN tại thành phố Hồ Chí Minh;
- Trình bày cơ sở lý thuyết của các quá trình sinh học;
- Giới thiệu sơ lƣợc về công nghệ SBR
- Xu hướng ứng dụng kết hợp giá thể vào kỹ thuật truyền thống trong xử lý nước thải;
- Giới thiệu các loại giá thể tầng sôi có thể áp dụng với bể SBR ;
- Tổng hợp một số nghiên cứu trong và ngoài nước c liên quan đến đề tài
Thiết kế mô h nh nghi n c u quy mô ph ng th nghiệm
- Lập kế hoạch và sơ đồ nghiên cứu;
- Chế tạo mô hình ở quy mô phòng thí nghiệm;
- Tổng hợp và thu thập các vật liệu phục vụ nghiên cứu: nước thải, b n kị khí, b n hiếu khí và giá thể;
- Tiến hành lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu của mẫu nước thải, mẫu b n ban đầu trước khi khởi động mô hình
ận h nh mô h nh theo các tải tr ng khác nh u
- Chạy thích nghi mô hình thí nghiệm với tải trọng hữu cơ 0 64; 0 96 và 1 28 kgCOD/m 3 ngày ;
- Vận hành mô hình ở HRT của bể xử lý giảm dần từ 12 giờ; 8 giờ và 6 giờ tương ứng với các tải trọng hữu cơ tăng dần từ 0 64 đến 1 28 kgCOD/m 3 ngày;
- Lấy mẫu theo trình tự kế hoạch đề ra và phân tích các chỉ tiêu: pH, COD, SS, NH 4 +-N, NO 3 - -N, NO 2 - -N, TN, TP, MLSS
- Khảo sát sự sinh trưởng của sinh khối ở cả hai bể cùng với hiệu quả xử lý nước thải đầu ra khi thay đổi tải trọng hữu cơ
- Dựa trên kết quả phân tích, tiến hành tính toán, xử lý số liệu và dựng đồ thị thể hiện kết quả bằng phần mềm Excel;
- Trình bày và thảo luận các kết quả thông qua đồ thị
1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a Đối tƣợng nghiên cứu
- Nước thải của nhà máy xử lý nước thải tập trung khu Công nghiệp Tân Bình
- Mô hình MB-SBR có giá thể K1 và mô hình SBR truyền thống hoạt động cùng một chu kỳ và tải trọng hữu cơ
- Các đ c tính của giá thể di động K1 ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của mô hình MBSBR b Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài
- Nghiên cứu thực hiện với quy mô phòng thí nghiệm
- Mô hình đƣợc đ t tại khuôn viên trạm bơm Bến Phú Lâm (quận 6) trực thuộc công ty TNHH MTV Thoát nước Đô thị Tp Hồ Chí Minh có nhiệt độ không khí trung bình từ 30 o C-33 o C
- Các chỉ tiêu h a lý đ c trưng cho nước thải đầu vào, đầu ra được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Môi trường trực thuộc Viện Môi trường và Tài Nguyên Tp Hồ Chí Minh
- Thông số đƣợc phân tích và đánh giá hiệu quả của mô hình: pH, DO, COD, SS, NH 4 + -N, NO 3 - -N, NO 2 - -N, TN, TP, MLSS, độ màu, độ đục
1.5 Ý NGHĨA PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Để kiểm chứng hiệu quả xử lý chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải khu công nghiệp của công nghệ MB-SBR và công nghệ SBR truyền thống Đề tài nghiên cứu sẽ bao gồm việc thiết kế và vận hành đồng thời 02 bể phản ứng SBR c kích thước giống nhau, một trong hai bể c chứa giá thể chuyển động tự do Kaldnex K1 Sinh khối được lấy từ một hệ thống xử lý nước thải bằng b n hoạt tính được đưa vào 02 bể, vận hành thí nghiệm ở các tải trọng khác nhau Kết quả và số liệu sau khi phân tích sẽ là cơ sở để người thực hiện nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý của cả 02 công nghệ, so sánh các ƣu điểm và hạn chế, đồng thời đƣa ra kiến nghị cho việc các nghiên cứu tiếp theo và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn
1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN a Ý nghĩa khoa học
Công nghệ SBR truyền thống bản chất vẫn là quá trình sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật nên vẫn còn hạn chế ở hiệu quả xử lý, khả năng chịu sốc tải, khả năng tự ổn định… Công nghệ màng sinh học trên giá thể di động MBBR sử dụng giá thể bằng nhựa HDPE có diện tích bề m t riêng lớn để vi sinh dính bám với sự kết hợp của các quá trình bùn hoạt tính và lọc sinh học trong lớp màng vi sinh ở trạng thái tầng sôi đã đƣợc các nhà khoa học Thụy Điển nghiên cứu phát triển từ năm 1986 và cho thấy hiệu quả cao trong xử lý chất hữu cơ c ng như chất dinh dưỡng c trong nước thải, đồng thời khắc phục đƣợc các hạn chế trong khâu vận hành, chống sốc tải tốt, hệ thống có tính ổn định tương đối… Do đ việc kết hợp giá thể di động của MBBR vào công nghệ truyền thống nhƣ SBR trong mô hình MB – SBR sẽ c đƣợc ƣu điểm của cả công nghệ: độ linh hoạt và ổn định cao; bên cạnh đ là tiềm năng nâng cao đƣợc cả tải trọng và tiêu chu n xả thải đầu ra của nước thải công nghiệp b Tính thực tiễn
Sự kết hợp giá thể K1 của công nghệ màng sinh hoc lơ lửng tầng sôi vào công nghệ SBR truyền thống sẽ nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm diện tích xây dựng và chi phí bảo trì hệ thống Ngoài hiệu quả xử lý tốt thành phần carbon hữu cơ trong nước thải, khả năng xử lý chất dinh dưỡng nito - phospho của công nghệ mới c ng đƣợc đánh giá cao hơn Lƣợng bùn thải sinh ra sau quá trình phản ứng c ng giảm đi về khối lƣợng, không cần thải bỏ liên tục, giúp tiết kiệm một phần chi phí lắp đ t, vận hành và chi phí xử lý bùn Các nghiên cứu về công nghệ MB-SBR nếu đƣợc hoàn thiện sẽ giúp các khu công nghiệp, khu chế xuất đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về m t kỹ thuật-kinh tế-môi trường góp phần vào việc tạo dựng một nền kinh tế giàu mạnh, bền vững, thân thiện với môi trường
1.7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Các mô hình thực tế để xử lý nước thải chủ yếu sử dụng cộng nghệ c , ít c sự cải tiễn rõ rệt nên mang tính đột phá mang lại ý nghĩa cho ngành công nghiệp xử lý nước tại Việt Nam Việc tiến hành đề tài nghiên cứu trên nền tảng công nghệ SBR kết hợp giá thể tầng sôi trong xử lý nước thải khu công nghiệp g p phần cải thiện được những hạn chế của quá trình trên nhƣ đảm bảo hiệu quả xử lý khi tăng tải trọng hữu cơ, kết hợp tăng cường hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng và g p phần giảm chi phí nhân công và bảo trì hệ thống
Mô hình phục vụ cho nghiên cứu này gồm 02 đơn nguyên độc lập nhƣng vận hành hoàn toàn giống nhau theo nguyên tắc làm đầy và tháo nước theo mẻ của công nghệ SBR Bể MB-SBR có kết hợp với giá thể K1 dùng làm bể kiểm chứng, bể SBR thông thường dùng làm bể đối chứng, các quá trình diễn ra tự động thông qua các đầu dò điện tử, đồng hồ điện tử và bộ điều khiển đƣợc lập trình sẵn
TỔNG QUAN
Nguồn gốc phát sinh
Đ c trưng của nước thải công nghiệp là: hàm lượng chất hữu cơ cao (chiếm khoảng 55-65% tổng lƣợng chất b n), c thể chứa nhiều loại tạp chất với nồng độ khác nhau (vô cơ, hữu cơ,ho c h n hợp) Thành phần, tính chất nước thải rất đa dạng và phức tạp, một số loại nước thải đ c trưng chứa các chất độc hại như kim loại n ng (ngành xi mạ), chứa nhiều vi khu n gây bệnh gây tổn hại cho sức khỏe con người và động thực vật, ngoài ra còn c các loài vi khu n phân hủy chất hữu cơ cần thiết cho các quá trình chuyển h a thành phần ô nhiễm
Nước thải tập trung của khu công nghiệp c thành phần ô nhiễm c ng như lưu lƣợng dòng chảy không đồng nhất do đ c gây kh khăn trong việc lựa chọn công nghệ ph hợp để đạt hiệu quả xử lý tối ưu Phương pháp xử lý sinh học thường sẽ được kết hợp với các biện pháp xử lý h a lý để vừa loại bỏ các thành phần nguy hại, vừa tăng cường khả năng sinh trưởng của sinh khối vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải
Trong các xí nghiệp công nghiệp thường tạo thành 3 loại nước thải: nước được sử dụng như nguyên liệu sản xuất, giải nhiệt, làm sạch bụi và kh i thải; nước được sử dụng vệ sinh công nghiệp, nhu cầu tắm rửa, ăn ca của công nhân; nước mưa chảy tràn
Nhu cầu về cấp nước và lượng nước thải sản xuất phụ thuộc vào: loại hình, công nghệ sản xuất, loại và thành phần nguyên vật liệu, công suất nhà máy,… Công nghệ sản xuất ảnh lớn đến lượng nước tiêu thụ, lượng nước thải tạo thành, chế độ xả thải và thành phần tính chất nước thải Áp dụng công nghệ tiên tiến và trang thiết bị càng hiện đại, lượng nước sử dụng sẽ giảm rất nhiều
Bảng 2 1: Nhu cầu cấp nước và lượng nước thải một số ngành công nghiệp [4]
Ngành công nghiệp Đơn vị tính Nhu cầu cấp nước Lượng nước thải
Sản xuất bia L nước/L bia 10-20 6-12
Công nghiệp đường m 3 nước/ tấn đường 30-60 10-50 Công nghiệp giấy m 3 nước/ tấn giấy 300-500 250-450
Dệt nhuộm m 3 nước/ tấn vải 400-6000 380-580
2.1.4 Các chỉ tiêu ô nhiễm đặc trưng trong nước thải công nghiệp a Các chất rắn trong nước thải
Nước thải là hệ đa chất phân tán bao gồm nước và các tạp chất hữu cơ, tạp chất vô cơ Các tạp chất tồn tại dưới dạng c n lắng, các chất rắn lơ lửng không lắng được và các chất hòa tan và dạng keo
Bảng 2 2: Khối lượng chất bẩn có trong nước thải sinh hoạt Thành phần Cặn lắng Chất rắn lơ lửng Chất hòa tan Tổng cộng
Tổng cộng 40 15 125 180 b Các hợp chất hữu cơ trong nước thải
Trong nước thiên nhiên và nước thải tồn tại nhiều tạp chất hữu cơ nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo nhƣ: protein, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất tạo màu tổng hợp… Các nguyên tố chủ yếu có trong thành phần của nước thải là C, H, O, N với công thức chung là CxHyOz Nước thải (tỉ lệ các nguyên tố trung bình thường là
C 12 H 26 O 6 N) Các hợp chất hữu cơ tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan, bay hơi, không bay hơi, dễ phân hủy, khó không hủy Phần lớn các chất hữu cơ trong nước đ ng vai trò là dƣỡng chất đối với vi sinh vật, tham gia vào quá trình tổng hợp tế bào và tạo năng lƣợng cho vi sinh vật
Xác định riêng rẽ từng loại chất hữu cơ là rất khó và tốn kém, vì vậy người ta thường xác định tổng các chất hữu cơ Các thông số thường được chọn là: TOC, DOC, COD; BOD Thường giá trị COD nhỏ hơn nhiều giá trị BOD do không phải bất kỳ chất nào c ng khoáng hóa chuyển thành CO 2 Giữa đại lƣợng COD và BOD có mối quan hệ với nhau và liên hệ theo một tỉ lệ phụ thuộc vào loại nước thải, nước nguồn và cả trong quá trình xử lý
COD (Cr 2 O 7 2- ):BOD20:COD (MnO 4 - ):BOD5= 0.95:0.71:0.65:0.48
2.1.5 Qúa trình nitrat hóa và khử nitrat; quá trình hòa tan và tiêu thụ oxy trong nước thải a Quá trình nitrát hóa và khử nitrát
Trong môi trường nước, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ C x H y O z Nước thải , amonia, các hợp chất dạng oxy hóa (nitrit, nitơrat) Các hợp chất nitơ là các chất dinh dƣỡng, luôn vận động trong tự nhiên chủ yếu nhờ các quá trình sinh hóa
Trong nước thải công nghiệp, nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%) Nitrit là sản ph m trung gian của quá trình oxy hóa amoniac ho c nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khu n Nitrosomonas Sau đ nitrit hình thành tiếp tục đƣợc vi khu n Nitrobacteroxy hóa thành nitrat
NH 4 + +1.5 O 2 + Nitrosomonas NO 2 - + H 2 O + 2H + NO 2 - + 0.5 O 2 + Nitrobacter NO 3 -
Nitrit là hợp chất không bền, n c ng c thể đƣợc tạo thành trong quá trình khử nitrat trong điều kiện yếm khí Nitrat h a là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ chứa nitơ Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học M t khác, quá trình nitrat hóa còn tạo nên sự dự trữ oxy trong hợp chất nitơ để cho các quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hòa tan trong nước rất ít ho c bị hết
Khi thiếu oxy và tồn tại nitrat sẽ xảy ra quá trình ngƣợc lại: tách oxy khỏi nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ khác Quá trình này đƣợc thực hiện nhờ các vi khu n phản nitrat hóa (vi khu n yếm khí tùy tiện) Trong điều kiện không có oxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cacbon, một số loại vi khu n khử nitrat ho c nitrit để lấy oxy cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ b Qúa trình hòa tan và tiêu thụ oxy trong nước thải
Chất hữu cơ trong nước thải là môi trường cho các loại vi khu n phát triển Quá trình xử lý nước thải công nghiệp c nhiệm vụ là: tách các chất b n hữu cơ, các chất dinh dưỡng và khử tr ng nước thải
Quá trình khoáng hóa chất hữu cơ nhờ oxy hóa sinh hóa xảy ra theo 2 giai đoạn:
+oxy hóa các hợp chất chứa Carbon thành CO 2 và nước +oxy hóa các hợp chất chứa Nitơ thành nitrit và cuối cùng thành nitơrat
Quá trình khoáng h a các hợp chất trong điều kiện hiếu khí thực tế là quá trình tiêu thụ oxy hòa tan từ môi trường không khí vào môi trường nước thải
Khi c đủ oxy trong nước thải, tốc độ oxy h a chất hữu cơ chứa C tỷ lệ thuận với khối lượng chất hữu cơ c trong nước thải
2.1.6 Trình tự quá trình xử lý nước thải công nghiệp
Hình 2 1: Quy trình công nghệ xử lý nước thải chung của khu công nghiệp
Nước ép bùn Nước sân phơi
Ngăn tập trung-hầm bơm
Bể lắng cát thổi khí
Bể trộn chất dinh dƣỡng
Thiết bị ép bùn Bể tiếp xúc
Hồ xử lý bổ sung NaOH
Chôn lấp Nước thải tập trung
2.2 Hiện trạng nước thải và quá trình xử lý nước thải tại khu c ng nghiệp T n Bình
2.2.1 Thành phần và tính chất nước thải
Hiện KCN có khoảng 150 xí nghiệp lớn nhỏ và các ngành nghề sản xuất, gia công khác nhau như: công nghiệp cơ khí, chế biến lương thực, may m c, giày da, nhựa, cao su, vật liệu xây dựng, trang trí nội thất, gốm xứ, thủy tinh, lắp ráp điện tử, đồ điện gia dụng… Thành phần nước thải rất đa dạng phụ thuộc vào từng khâu, từng nhà máy và luôn thay đổi Nó chứa các chất hữu cơ, vô cơ, chất rắn lơ lửng, kim loại n ng, chất nổi… các hợp chất này ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lý nước thải của nhà máy
Qúa trình nitrat hóa và khử nitrat; quá trình hòa tan và tiêu thụ oxy trong nước thải
a Quá trình nitrát hóa và khử nitrát
Trong môi trường nước, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ C x H y O z Nước thải , amonia, các hợp chất dạng oxy hóa (nitrit, nitơrat) Các hợp chất nitơ là các chất dinh dƣỡng, luôn vận động trong tự nhiên chủ yếu nhờ các quá trình sinh hóa
Trong nước thải công nghiệp, nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%) Nitrit là sản ph m trung gian của quá trình oxy hóa amoniac ho c nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khu n Nitrosomonas Sau đ nitrit hình thành tiếp tục đƣợc vi khu n Nitrobacteroxy hóa thành nitrat
NH 4 + +1.5 O 2 + Nitrosomonas NO 2 - + H 2 O + 2H + NO 2 - + 0.5 O 2 + Nitrobacter NO 3 -
Nitrit là hợp chất không bền, n c ng c thể đƣợc tạo thành trong quá trình khử nitrat trong điều kiện yếm khí Nitrat h a là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ chứa nitơ Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học M t khác, quá trình nitrat hóa còn tạo nên sự dự trữ oxy trong hợp chất nitơ để cho các quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hòa tan trong nước rất ít ho c bị hết
Khi thiếu oxy và tồn tại nitrat sẽ xảy ra quá trình ngƣợc lại: tách oxy khỏi nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ khác Quá trình này đƣợc thực hiện nhờ các vi khu n phản nitrat hóa (vi khu n yếm khí tùy tiện) Trong điều kiện không có oxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cacbon, một số loại vi khu n khử nitrat ho c nitrit để lấy oxy cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ b Qúa trình hòa tan và tiêu thụ oxy trong nước thải
Chất hữu cơ trong nước thải là môi trường cho các loại vi khu n phát triển Quá trình xử lý nước thải công nghiệp c nhiệm vụ là: tách các chất b n hữu cơ, các chất dinh dưỡng và khử tr ng nước thải
Quá trình khoáng hóa chất hữu cơ nhờ oxy hóa sinh hóa xảy ra theo 2 giai đoạn:
+oxy hóa các hợp chất chứa Carbon thành CO 2 và nước +oxy hóa các hợp chất chứa Nitơ thành nitrit và cuối cùng thành nitơrat
Quá trình khoáng h a các hợp chất trong điều kiện hiếu khí thực tế là quá trình tiêu thụ oxy hòa tan từ môi trường không khí vào môi trường nước thải
Khi c đủ oxy trong nước thải, tốc độ oxy h a chất hữu cơ chứa C tỷ lệ thuận với khối lượng chất hữu cơ c trong nước thải
2.1.6 Trình tự quá trình xử lý nước thải công nghiệp
Hình 2 1: Quy trình công nghệ xử lý nước thải chung của khu công nghiệp
Nước ép bùn Nước sân phơi
Ngăn tập trung-hầm bơm
Bể lắng cát thổi khí
Bể trộn chất dinh dƣỡng
Thiết bị ép bùn Bể tiếp xúc
Hồ xử lý bổ sung NaOH
Chôn lấp Nước thải tập trung
Hiện trạng nước thải và quá trình xử lý nước thải tại khu công nghiệp Tân Bình
2.2.1 Thành phần và tính chất nước thải
Hiện KCN có khoảng 150 xí nghiệp lớn nhỏ và các ngành nghề sản xuất, gia công khác nhau như: công nghiệp cơ khí, chế biến lương thực, may m c, giày da, nhựa, cao su, vật liệu xây dựng, trang trí nội thất, gốm xứ, thủy tinh, lắp ráp điện tử, đồ điện gia dụng… Thành phần nước thải rất đa dạng phụ thuộc vào từng khâu, từng nhà máy và luôn thay đổi Nó chứa các chất hữu cơ, vô cơ, chất rắn lơ lửng, kim loại n ng, chất nổi… các hợp chất này ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lý nước thải của nhà máy
Trong công nghiệp sản xuất hình thành từ các quá trình sau: Nước rửa nguyên liệu, sản ph m, thiết bị, nước làm nguội, nước được tách ra trong quá trình chế biến nguyên liệu, các loại nước khác: nước rửa bao bì, nhà xưởng, máy m c…
Nhà máy xử lý nước thải tập trung của KCN Tân Bình với công suất thiết kế
2000m 3 /ngày đã đƣợc xây dựng và đi vào vận hành ổn định, đƣợc Sở Tài Nguyên &
Môi Trường cấp văn bản nghiệm thu số 7272/TNMT-QLMT ngày 03/08/2006 cùng với giấy phép xả vào nguồn tiếp nhận
2.2.2 Tổng quan công nghệ xử lý nước thải Khu công nghiệp Tân Bình
Thành phần tính chất đ c trưng của nước thải đầu vào của trạm xử lý KCN Tân Bình nhƣ sau:
Bảng 2 3: Thông số nước thải đầu vào và sơ đồ công nghệ của KCN Tân Bình
STT Thông số Đơn vị Giá trị trung nh
(Nguồn Báo cáo thông số nước thải đầu vào KCN T n B nh năm 2013
Quy trình công nghệ xử lý nước thải KCN Tân Bình như sau:
Hình 2 2: Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải KCN Tân Bình
Bể chứa nước sau xử lý
Tái sử dụng Nước thải đầu vào
Công ty thu gom rác
Máy ép bùn Bể chứa và nén bùn
Công ty thu gom CTR Th ng chứa
Thuyết minh quy trình công nghệ:
Nước thải từ nhiều nguồn khác nhau sẽ chảy tập trung về nhà máy xử lý nước thải bằng hai tuyến ống Từ hai vị trí này sẽ đƣợc nối vào bể thu gom có song chắn rác với kích thước khe là 10mm sẽ giữ lại rác c kích thước lớn trước khi cho nước đi vào hệ thống xử lí Nước thải từ bể thu gom được đưa lên thiết bị lọc rác tinh bằng 3mm, bơm chìm kiểu cánh hở nhằm loại bỏ những chất rắn có kích thước lớn hơn 0 75mm
Khi lưu lượng nước thải KCN ở mức trung bình thì một bơm hoạt động, khi lưu lượng nước cao thì hai bơm hoạt động Một bơm đ t dự phòng khi một trong hai bơm có sự cố không hoạt động
Tại bể thu gom mùi phát sinh từ nước thải rất khó chịu nên bể dược thiết kế có nắp đậy để hạn chế mùi Sau khi qua thiết bị lọc rác tinh thì nước thải tự chảy vào bể tách dầu mỡ nhờ bố trí theo sự chênh lệch cao độ Dầu mở đƣợc tách ra nổi lên trên m t nước thải sẽ được thải gạt vào máng bằng máy gạt và dầu này được đưa đi xử lý như chất thải độc hại, phần nước còn lại sẽ chảy tràn qua bể điều hòa
Tại bể điều hòa, đầu dò pH sẽ kiểm tra pH của nước thải và đồng thời sẽ được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH, HCl NaOH, HCl đƣợc cấp bởi bơm riêng và hoạt động dựa trên tính hiệu nhận đƣợc từ máy điều khiển đ t trong bể cân bằng Thông thường khoảng pH làm việc tốt nhất là 6.5 – 7.5 Trong bể điều hòa, nước được khuấy trộn chìm liên tục để điều hòa nồng độ và lưu lượng nước đồng thời ngăn không cho quá trình lắng xảy ra
Bơm chìm được sử dụng tại bể điều hòa để vận chuyển nước thải đến hai bể SBR Đồng thời bể điều hòa c ng c vai trò làm bể chứa nước thải m i khi hệ thống dừng lại để sửa chữa ho c bảo trì
Tiếp đến, nước từ bể điều hòa được bơm chìm sang bể SBR theo từng mẻ một
Hai bể hoạt động luân phiên nhau tạo thành một quy trình xử lý liên tục của hệ thống Đây là bể phản ứng sinh học hiếu khí từng mẻ liên tục (sequencing bacth reactor)
Quy trình xử lý tại bể SBR diễn ra 5 giai đoạn: cấp nước, cấp nước kèm sục khí, sục khí, lắng, xả nước Các giai đoạn này được vận hành liên tục và được điều khiển với chương trình tự động Khi thời gian cấp nước kết thúc thì giai đoạn cấp nước và sục khí diễn ra Nước được cấp đủ vào hồ chứa trong quá trình sục khí thì sẽ được dừng lại nhưng khí vẫn được sục liên tục, lúc này nước được xáo trộn liên tục để tăng hiệu quả của quá trình xử lý hiếu khí bằng vi sinh Thời gian sục khí kết thúc và bắt đầu giai đoạn lắng, bùn sẽ đƣợc lắng trong điều kiện tĩnh, các bông c n n ng sẽ lắng xuống với tốc độ nhanh trong suốt quá trình lắng Giai đoạn cuối cùng của bể SBR là xả nước Nước được xả cách nước m t 30cm và được đưa qua bể khử trùng
Tại bể khử trùng, Ca(OCl) 2 đƣợc châm vào với liều lƣợng xác định tùy thuộc vào dòng thải bể khử tr ng nước trước khi đưa ra hồ chứa nước sau xử lý Ngoài ra, sau quá trình xử lý ở bể SBR, một phần b n dƣ nén ở đáy đƣợc chuyển đến máy ép b n để xử lý bằng bơm cấp bùn Phần nước sinh ra trong quá trình ép bùn sẽ được dẫn ngược về bể thu gom Phần b n sau khi ép đƣợc đem đi phơi
Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý sinh học
Quá trình b n hoạt tính là quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, chúng sống tập trung kết dính lại với nhau thành hạt b n ho c những bông b n với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%), những bông b n hay hạt b n này còn được gọi là b n hoạt tớnh c kớch thước khoảng từ 50 đến 200àm, màu vàng nõu và dễ lắng Chất nền trong b n hoạt tính c thể đến 90% là phần chất rắn của rong rêu, tảo Những sinh vật sống trong b n thường là vi khu n đơn bào ho c đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khu n, các động vật nguyên sinh và hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là các ấu tr ng sâu bọ, vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của b n hoạt tính là vi khu n, c thể chia làm 8 nh m: Pseudomona; Achrobacter; Enterobacteriaceae;
Athrobacter bacillus; Alkaligenes- Achromobacter; Cytophaga- Flavobacterium;
Pseudomonas - Vibrio aeromonas; và hỗn hợp các vi khuẩn khác, Ecoli, Micrococus
Trong nước thải các tế bào của loài Zooglea c thể sinh ra bao nhầy xung quanh tế bào c tác dụng gắn kết các vi khu n các hạt lơ lửng kh lắng và các chất gây m i… và phát triển các hạt bông c n Các hạt bông c n này khi kuấy trộn và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc Trong b n hoạt tính luôn c động vật nguyên sinh mà đại diện là
Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác Quan hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khu n là quan hệ “mồi – thú” thuộc cân bằng động chất hữu cơ – vi khu n – động vật nguyên sinh Khi b n lắng xuống, hoạt tính b n giảm gọi là “b n già” Hoạt tính của b n c thể đƣợc hoạt h a trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dƣỡng và cơ chất hữu cơ Phần lớn các vi sinh vật c đều khả năng xâm chiếm, bám dính trên bề m t vật rắn khi c cơ chất, muối khoáng và oxy tạo nên màng sinh học dạng nhầy c màu thay đổi theo thành phần nước thải từ vàng xám đến nâu tối Trên màng sinh học c chứa hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khu n, nấm men, và một số đông vật nguyên sinh khác Tuy nhiên, khác với hệ quần thể vi sinh vật trong b n hoạt tính thành phần loài và số lượng các loài trong màng sinh học là tương đối đồng nhất công thức b n hoạt tính thường d ng trong các tính toán là C 5 H 7 O 2 N
Một số giống vi khu n chính c trong b n hoạt tính và chức năng của chúng khi tham gia xử lý nước thải được trình bày trong bảng sau
Bảng 2 4: Một số giống vi khuẩn và chức năng của chúng
STT Vi khuẩn Chức năng
1 Pseudomonas Phân hủy hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ… và khử nitrate
2 Arthrobacter Phân hủy hydratcacbon 3 Bacillus Phân hủy hydratcacbon, protein…
4 Cytophaga Phân hủy các polymer
5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysaccarit), chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích l y polyphosphate, khử nitrate
9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân hủy các chất hữu cơ
10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrate 11 Flavobacterium Phân hủy protein
12 Nitrococcus denitrificans Khử nitrate (khử nitrate thành N 2 )
Khử nitrate ( khử nitrate thành N 2 ) 14 Acinetobacter
16 Desulfovibrio Khử sulfate, khử nitrate
(Nguồn Lương Đức Phẩm, Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học [5])
2.3.2 Xử lý sinh học sinh trưởng dính bám
Quá trình sinh trưởng bám dính hay còn gọi là màng sinh học c ng như những phương pháp xử lý sinh học khác bao gồm các vi sinh vật, hạt vật chất, và các polymer ngoại bào bám dính trên các vật liệu giá thể Các vật liệu giá thể này c thể là nhựa, đá, ho c các vật liệu khác Đối với quá trình sinh trưởng bám dính, cơ chất được tiêu thụ trong màng sinh học Độ dày của lớp màng sinh học t y thuộc vào điều kiện sinh trưởng trưởng của vi sinh vật và các điều kiện thủy động lực học của hệ thống Một lớp màng chất lỏng (lớp khuếch tán) chia tách màng sinh học với khối chất lỏng chảy trên bề m t của màng sinh học ho c đƣợc xáo trộn bên ngoài lớp chia cắt Cơ chất, oxy và chất dinh dƣỡng khuếch tán qua các lớp phân tách chất lỏng này để đến lớp màng sinh học, và các sản ph m của quá trình phân huỷ sinh học từ màng sinh học đƣợc đƣa vào khối chất lỏng sau khi khuếch tán qua lớp phân tách
Bể phản ứng màng sinh học cho nhiều ưu điểm hơn các hệ thống sinh trưởng lơ lửng truyền thống; c khả năng chịu đựng điều kiện sốc tải Những vật liệu giá thể với khả năng hấp phụ ho c trao đổi ion cho phép chúng trở thành chất đệm nếu nồng độ của chất độc hại vƣợt quá khả năng chịu đựng của các vi sinh vật Hơn nữa, quá trình sinh trưởng bám dính c thể xử lý nước thải c nồng độ ô nhiễm thấp Thông thường đối với hệ thống b n hoạt tính, nếu giá trị BOD của nước thải thấp hơn 50 – 60 mg/L, n sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của b n Tuy nhiên với các quá trình sinh trưởng bám dính thì giá trị BOD 5 của nước thải c thể giảm xuống thấp từ 20 – 30 mg/L đến 5 – 10 mg/L
Trong quá trình b n hoạt tính truyền thống, MLVSS thường c thể duy trì từ
1500 – 3000 mg/L trong bể hiếu khí, và b n đƣợc giữ ở trạng thái lơ lửng hoàn toàn Do đ , nếu tải trọng ho c ho c nồng độ chất hữu cơ đƣợc nạp vào quá cao, n sẽ là nguyên nhân làm vi sinh vật chết và sinh khối khối bị trôi ra ngoài ho c làm giảm hiệu quả lắng, dẫn đến chất lượng nước đầu ra giảm Ngược lại, quá trình sinh trưởng bám dính c thể duy trì nồng độ sinh khối cao do các vi sinh vật đƣợc bám trên bề m t của vật liệu h trợ Hàm lƣợng MLVSS tối đa c thể đạt đến nồng độ 22000 mg/L đến 150000 mg/L, gấp 7 – 20 lần so với quá trình b n hoạt tính truyền thống
Quá trình sinh trưởng bám dính c thể được chia thành hai nh m cơ bản sau:
Nitrat hoá là thuật ngữ đƣợc d ng để mô tả quá trình sinh học 2 bậc mà ammonia (NH 4 + -N) bị oxy hoá thành nitrit (NO 2 - -N) và từ nitrit oxy hoá thành nitrat (NO 3 - -N)
Quá trình nitrat hoá cần phải xảy ra trong quá trình xử lý nước thải vì những yếu tố liên quan đến chất lượng nước như:
- Ảnh hưởng của ammonia trên nguồn nước tiếp nhận đ c biệt đối với nồng độ DO và gây độc cho cá
- Cần loại bỏ nitơ để kiểm soát tốt hiện tƣợng phú dƣỡng
- Cần kiểm soát nitơ cho quá trình tái sử dụng lại bằng cách tái nạp nước ngầm Quá trình oxy hoá amoni thành nitrat xảy ra theo 2 bước sau:
Vi khuẩn Nitrosomonas: 2NH 3 + 3O 2 → 2NO 2 - + 2H + + 2 H 2 O
Vi khuẩn Nitrobacter: 2NO 2 - + O 2 → 2 NO 3 -
Phản ứng oxy hoá ammoni thành NO 3 - : NH 4 + + 2O 2 → NO 3 - + 2H + + 2H 2 O Dựa vào phản ứng trên, nhu cầu oxy cần cho oxy hoá hoàn toàn amoni là 4.57 g O 2 /gN oxy hoá với 3.43 g O 2 /gH sử dụng cho tạo thành Nitrit và 1.14 g O 2 /gNO 2 đƣợc oxy hoá Khi sự tổng hợp đƣợc xem xét, tổng lƣợng oxy yêu cầu thấp hơn 4 57 g O 2 /gN do oxy đƣợc lấy từ sự cố định CO 2 và Nitơ ở trong tế bào sinh khối
Bỏ qua màng tế bào, lƣợng kiềm cần thiết để thực hiện cho phản ứng có thể ƣớc tính theo phương trình sau:
NH 4 + + 2HCO 3 + 2O 2 → NO 3 - + 2CO 2 + 2H 2 O Từ cân bằng trên, m i gam Nitơ amoni (N) đƣợc chuyển hoá thì cần 7.14 g kiềm
(CaCO 3 )[2x(50gCaCO 3 /eq)/14] Cùng với năng lƣợng lấy đƣợc, một phần ion amoni đƣợc đồng hoá vào trong tế bào Sự tổng hợp sinh khối đƣợc thể hiện theo phản ứng sau:
4CO 2 + HCO 3 + NH 4 + + H 2 O → C 5 H 7 O 2 N + O 2 Như đã ghi chú trước, công thức hoá học C 5 H 7 O 2 N được sử dụng để thể hiện sự tổng hợp sinh khối Phương trình tổng quát [5]
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrat hoá được tóm tắt như bảng sau:
Bảng 2 5: Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá
STT Yếu tố Ảnh hưởng
Tốc độ Nitrat hoá nhạy với pH và đạt tối ƣu ở giá trị pH trong khoảng 7.5 đến 8 Giá trị pH = 7 – 7.2 thường được ứng dụng để duy trì tốc độ Nitrat hoá thích hợp
Những chất gây độc bao gồm: hợp chất hữu cơ hoà tan, amin, protein, tanin, những hợp chất phenol, rƣợu, xianit, ete, carbamates và benzen Các chất này có khả năng ức chế ho c gây chết các vi khu n nitrat hóa ở các nồng độ tương ứng
3 Kim loại Ni ở nồng độ 0.25 , Cr ở nồng độ 0.25 và Pb ở nồng độ
0.1mg/L sẽ gây ức chế hoàn toàn tới việc oxy hoá amoni
Nitrat hoá c ng bị ức chế bởi amoni tự do, axit nitrit Quá trình bị ức chế phụ thuộc vào nồng độ nitơ tổng, nhiệt độ, pH Ở 20 0 C và pH = 7, nồng độ NH 4 –N100mg/L và 20mg/L có thể thu được từ sự oxy hoá NH 4 -Nvà NO 2 -Ntương ứng Nồng độ NO 2 -Nở 28mg/L có thể gây ức chế việc oxy hoá NO 2 -N
C 2 cách khử nitrat c thể xảy ra trong quá trình sinh học là: đồng h a và dị h a Quá trình đồng h a bao gồm sự khử nitrat thành amonia sử dụng cho tổng hợp tế bào Chúng xảy ra khi NH 4 + -N không c sẵn và không phụ thuộc vào nồng độ DO Dị h a khử nitrat ho c khử nitrat sinh học kết hợp một chu i chuyển h a điện tử và nitrat ho c nitrit đƣợc sử dụng nhƣ chất nhận điện tử cho việc oxi h a hợp chất hữu cơ khác ho c chất cho điện tử vô cơ
Quá trình khử nitrat bao gồm việc oxi h a nhiều cơ chất hữu cơ trong xử lý nước thải sử dụng nitrat ho c nitrit nhƣ là chất nhận điện tử thay cho oxi Phản ứng khử nitrat bao gồm những bước sau: từ nitrat thành nitrit, oxit nitrit, oxit nitrous và thành khí nitơ:
Trong quá trình khử nitơ, chất cho điện tử là 1 trong 3 nguồn: (1) bsCOD trong nước thải đầu vào, (2) bsCOD sinh ra trong quá trình phân hủy nội bào và (3) nguồn từ bên ngoài nhƣ methanol ho c acetate Sau khi đƣợc thêm vào trong đơn vị xử lý tách riêng, nhƣ lọc bổ sung, sau nitrat h a mà phần lớn bsCOD không còn Đẳng lƣợng phản ứng cho những chất cho điện tử khác nhau đƣợc trình bày nhƣ dưới đây Công thức C 10 H 19 O 3 N thường được sử dụng để mô tả những hợp chất hữu cơ phân hủy sinh học trong nước thải (Metcalf and Eddy, 2003[21])
Nước thải C 10 H 19 O 3 N + 10NO 3 → 5N 2 + 10CO 2 + 3H 2 O + NH 3 + 10OH -
Methanol: 5CH 3 OH + 6NO 3 → 3N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O + 6OH -
Cơ sở lý thuyết của màng sinh học
Màng sinh học là quần thể của vi sinh vật sinh trưởng dính bám trên bề m t giá thể nhờ vào các chất kết dính là các polymer ngoại bào (EPS - Extracellular Polymeric Substances) [11] Quá trình hình thành màng sinh học diễn ra qua các giai đoạn sau:
Sự gắn kết của các tế o đơn lẻ lơ lửng lên bề mặt giá thể : Các tế bào lơ lửng tiếp xúc với bề m t giá thể khi va chạm ngẫu nhiên và gắn kết tạm thời lên bề m t giá thể Cơ chế gắn kết tạm thời chịu ảnh hưởng bởi: a) sự tương tác tĩnh điện bề m t giữa tế bào và giá thể, b) tính ưa nước của tế bào và bề m t giá thể, c) độ nhám của bề m t giá thể, d) sự hiện diện của một lớp màng ổn định trên bề m t giá thể, e) sự hiện diện của các cấu trúc protein phụ bên ngoài tế bào (lông và roi) và f) thuộc tính của khối chất lỏng nhƣ tốc độ dòng chảy và nhiệt độ [11]
Sự gắn kết không thuận nghịch của tế bào lên bề mặt: Khi gắn kết tạm thời lên bề m t giá thể, các tế bào lơ lửng sẽ “nhận biết” nếu giá thể phù hợp cho sự phát triển cùa màng sinh học theo một cơ chế chƣa đƣợc biết Khi một giá thể phù hợp đƣợc
“nhận biết”, các tế bào đơn lẻ thường kích hoạt các gen đ c biệt ở chế độ sinh trưởng màng sinh học và thường mất đi các cấu trúc phụ bên ngoài tế bào để trở thành bất động Trong chế độ sinh trưởng màng sinh học, các gen có nhiệm vụ tổng hợp các tín hiệu bào và kích hoạt sản xuất EPS và kết quả là các tế bào lơ lửng không thể tách rời khỏi bề m t giá thể
Sự tăng trư ng của màng sinh h c: Màng sinh học đƣợc tạo thành chủ yếu từ tế bào vi sinh vật và EPS, chiếm 90% tổng carbon hữu cơ của màng sinh học Các đ c tính hóa học và vật lý của EPS khác nhau và phụ thuộc vào hệ sinh thái của màng sinh học EPS rất háo nước kể cả hai dạng ưa nước và kỵ nước Hai đ c tính của EPS có ảnh hưởng đáng kể đối với màng sinh học là: 1) thành phần và cấu trúc của các polysaccharide, 2) sự biến đổi không gian và thời gian của EPS Sự tăng trưởng của màng sinh học phát triển nhanh chóng khi bề m t giá thể đƣợc bao phủ hoàn toàn bởi các tế bào vi sinh vật và các tế bào lơ lửng gắn kết nhiều hơn lên màng sinh học Các quá trình bên trong và bên ngoài màng sinh học kiểm soát cấu trúc của nó dẫn đến cấu trúc này sẽ thay đổi theo thời gian
Hình 2 9: Quá trình hình thành màng sinh học
Sự trư ng thành của màng sinh h c: Màng sinh học phát triển thành một cấu trúc không đồng nhất và phức tạp Các đơn vị cấu trúc cơ bản trong một màng sinh học là khu n lạc và sự tương tác trong hệ sinh thái của các khu n lạc ảnh hưởng đến thành phần và cấu trúc của màng sinh học Độ dày của màng sinh học bị ảnh hưởng bởi số lượng của các vi sinh vật cấu thành khu n lạc và tương tác giữa các vi sinh vật thông qua thức ăn, cạnh tranh và hợp tác Độ dày duy trì thông qua sự phát triển của các tế bào trong màng sinh học và sự phân tán của các tế bào từ màng sinh học Phân tán của tế bào có thể xảy ra thông qua: (1) sự mất đi của các tế bào con, (2) sự tách rời của các tế bào màng sinh học, (3) sự phân cắt của màng sinh học phần lớn xảy ra tại bề m t màng sinh học [12]
2.6.2 Cấu tạo và hoạt động của màng sinh học
Chủng loại vi sinh vật trong màng sinh học tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt tính lơ lửng Màng sinh học có thể bao gồm nhiều loại vi sinh vật nhƣ tảo, nấm, vi khu n, cổ khu n và động vật nguyên sinh và trong hầu hết các màng sinh học tự nhiên, bao gồm các các cộng đồng vi khu n phức tạp với nhiều loài Hầu hết các loại vi sinh vật trên màng sinh học thuộc loại dị dƣỡng (sử dụng carbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy nghi chiếm ƣu thế
Hình 2 10: Cấu tạo và cơ chế trao đổi chất qua màng sinh học
Cơ chế xử lý chất hữu cơ
Quá trình tiêu thụ cơ chất của màng sinh học nhƣ sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề m t màng sau đ chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng ho c có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng đƣợc chúng sẽ phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề m t màng sau đ mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh giống nhƣ trên Sản ph m cuối cùng của màng trao đổi đƣợc vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng
Quá trìnhtiêu thụ cơ chất đƣợc mô tả theo công thức sau:
Chất hữu cơ + oxy + nguyên tố vết → sinh khối của vi khu n + sản ph m cuối
Chất hữu cơ + nguyên tố vết → sinh khối của vi khu n + sản ph m cuối
Quá trình nitrat hóa ảy ra trong ể phản ứng và lớp màng hiếu kh
Quá trình nitrat h a là quá trình oxy h a nitơ h a các muối amoni đầu tiên thành nitrit và sau đ thành nitrat trong điều kiện thích ứng ( c oxy và nhiệt độ trên 4 o C)
Vi khu n tham gia quá trình nitrat h a gồm c 2 nh m:
Vi khuẩn nitrit: oxy h a amoni thành nitrit hoàn thành giai đoạn thứ nhất
Vikhuẩn nitrat: oxy h a nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ hai
Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau:
Quá trình khử nitrat ảy ra ở lớp màng kỵ kh
Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khu n yếm khí (vi khu n khử nitrat) Oxy đƣợc tách ra từ nitrit và nitrat đƣợc d ng lại để oxy h a các chất hữu cơ Sự chuyển hoá nitơ ở dạng nitrat thành dạng dễ khử c thể qua nhiều con đường với nhiều loài vi khu n Trong số đ c : Achromobacter,
Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirillum Những vi khu n này là loại dị dƣỡng c khả năng khác nhau trong việc khử nitrat theo quá trình hai bước: 1) chuyển hoá nitrat thành nitrit; 2) tạo nitơ oxit, đinitơ oxit và khí nitơ, các phản ứng khử nitrat diễn ra nhƣ sau: NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 Nitơ đƣợc tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển
Hình 2 11:Sơ đồ m tả nồng độ NH 4 + - N và NO 3 - - N
Quá tr nh khử phospho
Hợp chất phospho tồn tại trong nước thải dưới 3 dạng: phosphat đơn (PO 4 3- ), polyphosphat (P 2 O 7 ) và hợp chất hữu cơ chứa phosphat Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng phospho hao hụt từ nước thải duy nhất làlượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào Hàm lƣợng phospho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1.5 – 2.5%) khối lƣợng khô Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật c khả năng hấp thu phosphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2-7%), lượng phospho dƣ đƣợc vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau Trong điều kiện yếm khí, với sự c m t của chất hữu cơ, lượng phosphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng phosphat đơn Một vài loại tảo c ng c khả năng tích trữ một lƣợng phosphat dƣ so với nhu cầu của tế bào
Trong điều kiện hiếu khí (quá trình tiêu thụ O 2 hòa tan) VSV tích l y phosphat tr ng ngưng trong cơ thể chúng từ phosphat đơn tồn tại trong nước thải
C 2 H 4 O 2 + 0.16NH 4 + + 1.2O 2 + 0.2 PO 4 3- → 0 16 C 5 H 7 NO 2 + 1.2 CO 2 + 0.2 (HPO 3 ) + 0.44OH - + 1.44 H 2 O
HPO 3 là photphate ở dạng tr ng ngƣng tồn tại trong cơ thể VSV
Trong điều kiện thiếu khí (không c oxi, chỉ c m t nitrat) quá trình tích l y phospho xảy ra dưới đây cho thấy chủng loại vi sinh tích l y phospho c ng c khả năng khử nitrat:
C 2 H 4 O 2 + 0.16NH 4 + + 1.2O 2 + 0.2 PO 4 3- → 0 16 C 5 H 7 NO 2 + 1.2 CO 2 + 0.2 (HPO 3 ) + 0.44OH - + 1.44 H 2 O
Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy phosphat tr ng ngưng trong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng phosphat đơn:
2.7 Các c ng tr nh nghiên cứu trước đ y
Công nghệ sử dụng bể giá thể di động trong xử lý trên thế giới áp dụng khá phổ biến Một số công trình điển hình tiêu biểu trên thế giới mà học viên đã tham khảo phục vụ cho mục đích nghiên cứu nhƣ sau:
Đề tài “Nghiên cứu xử lý itrogen và carbon hữu cơ ra khỏi nước thải trên nền vật liệu mang UTC”, Yen – Hui Lin, Khoa Kỹ thuật Môi trường, An toàn và Sức khỏe, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Đài Loan, tháng 01 năm 2005 Đề tài đã nghiên cứu trong điều kiện hệ thống hoạt động bình thường, ổn định, quá trình loại bỏ
NH 4 + –N, NO 3 –N và COD tương ứng 75%, 92% và 70%
VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42
Giai đoạn thích nghi
Giai đoạn thích nghi của bùn với nước thải là giai đoạn để vi sinh vật thích nghi dần với một môi trường dinh dưỡng mới, đồng thời để màng sinh học bắt đầu hình thành sơ khai trên giá thể đối với bể MB-SBR Đầu tiên ta cho chu n b n để cấy ban đầu vào bể MB-SBR và bể SBR truyền thống đến 60% thể tích bể với nồng độ MLSS khoảng 2500 mg/L B n đƣợc chu n bằng cách cứ cho thêm 0 2 lít nước cất vào m i lít h n hợp b n ban đầu để được hàm lƣợng bùn là 2500mg/L MLSS; khuấy trộn đều trong 30 phút và đong lấy 4.5 L cho vào m i bể phản ứng Tiếp theo đong khoảng 2 lít giá thể K1 cho vào bể MB-SBR Hệ thống được khởi động bằng cách nạp nước thải đến thể tích làm việc, nước thải đầu của giai đoạn thích nghi có tải trọng hữu cơ 0.3 kg COD/m 3 ngày tương ứng với nồng độ COD đƣợc pha loãng đến 150 mg/L
Cho tiến hành sục khí đảm bảo DO ở mức xấp xỉ 3 ho c 4 mg/L và khảo sát độ pH, nồng độ COD trong giai đoạn sục khí và giai đoạn lắng với tần suất 1 ngày/lần
Sau khi cho lắng và tháo nước sẽ nạp nước và sục khí tiếp Quá trình này l p lại cho đến khi lớp màng mỏng màu nâu nhạt hình thành trên bề m t giá thể K1 ở bể MB-SBR
Cho cả hai bể hoạt động với các chu kỳ có thởi gian giảm dần từ 24 giờ (nạp 1 giờ, sục khí 20 giờ, lắng 2 giờ và xả 1 giờ) đến 16 giờ (nạp 1 giờ, sục khí 12 giờ, lắng 2 giờ và xả 1 giờ); việc thay đổi chu kỳ vận hành khi khảo sát hiệu quả xử lý COD của cả hai bể xấp xỉ 75% Giai đoạn thích nghi kết thúc khi nồng độ sinh khối ở dạng dính bám trong bể MB-SBR trong khoảng 600-1000 mg/L cùng với hiệu quả xử lý COD của cả 2 bể đạt khoảng 80%
3.4.2 Giai đoạn vận hành theo tải trọng khác nhau
Sau khi kết thúc quá trình thích nghi ta tiến hành giai đoạn khảo sát theo từng tải trọng nhằm theo dõi ảnh hưởng của nồng độ ô nhiễm và các yếu bên ngoài đến hiệu quả loại xử lý, nhận xét và giải thích các hiện tƣợng diễn ra trong quá trình vận hành và theo dõi khả năng xử lý các chất ô nhiễm của bể SBR và bể MB-SBR ở các tải trọng khác nhau để đƣa ra đƣợc tải trọng thích hợp đối với công nghệ
Tiếp tục bơm nước tải vào để xử lý, cho giảm thời gian chu kỳ vận hành, tăng tải trọng hữu cơ, theo dõi các thông số vận hành và chỉ tiêu nước thải đối với từng chu kỳ (tải trọng) Nước thải đầu vào trong nghiên cứu này có nồng độ trung bình là 594 ±
56mgCOD/L được đưa vào với lưu lượng tăng dần là 8 lít/ngày, 12 lít/ngày, 16 lít/ngày tương ứng với thời gian của các chu kỳ được giảm dần là 12 giờ (2 chu kỳ/ngày), 8 giờ (3 chu kỳ/ngày), 6 giờ (4 chu kỳ/ngày) đồng thời tải trọng hữu cơ ở các bể đƣợc tăng dần từ 0.64 kgCOD/m 3 ngày; 0.96 kgCOD/m 3 ngày; 1.28 kgCOD/m 3 ngày
Giá trị pH của nước thải trong khoảng thích hợp từ 6.5 đến 8.2 DO trong cả 2 bể luôn đƣợc ổn định, duy trị từ 3 đến 4 mg/L Lƣợng bùn sinh ra ở các bể đƣợc thải bỏ ra ngoài nhằm duy trì thời gian lưu b n trong cả hai bể là khoảng 30 ngày và hàm lượng sinh khối MLVSS đạt 3000-3500 mg/L
Thực hiện lấy mẫu nước 200mL/mẫu với tần suất 02 ngày/lần, với các mẫu được lấy tại (1) bể chứa trước khi bơm vào hệ thống, (2) mẫu nước trong giai đoạn sục khí và (3) nước thu được sau quá trình lắng Các mẫu b n lơ lửng và b n sinh trưởng dính bám đƣợc lấy vào các giai đoạn đầu, giữa và cuối của m i tải trọng hữu cơ ở m i bể để khảo sát diễn biến quá trình sinh trưởng của hệ vi sinh vật và tính toán để duy trì hàm lượng sinh khối trong môi trường phản ứng Đối vơi mẫu b n sinh trưởng dính bám trên giá thể K1, m i lần lấy phân tích 5 giá thể
Các chỉ tiêu khảo sát ở đầu vào và đầu ra là: COD, TKN, TP, N-NO 3 - , N-NO 2 - , N-NH 4 + , pH, độ màu, độ đục, MLSS, lƣợng sinh khối bám trên giá thể.
Bảng 3 4: Thời gian các pha trong các chu kỳ vận hành
Thời gian lắng và ả nước
3.5 Phương pháp ph n t ch mẫu và ử lý số liệu 3.5.1 Các phương pháp ph n t ch mẫu nước
Các mẫu nước mang đi phân tích bao gồm mẫu đầu vào và mẫu đầu ra của m i mô hình Các phép thửchủ yếu dựa trên các phương pháp phân tích “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” (APHA 1998)[22]
Các thông số nước thải và phương pháp đo đạc, phân tích tương ứng được thể hiện trong bảng 3.5
Bảng 3 5: Các phương pháp ph n t ch mẫu sử dụng trong nghiên cứu STT Chỉ tiêu Phương pháp, thiết bị sử dụng Nguồn
1 pH Điện cực Hannan TCVN 6492 - 2011
2 DO Điện cực Hannan Hi 9143
3 SS Cân, tủ sấy 105 o C Apha – 2540 D
4 COD Đun hoàn lưu kín với K 2 Cr 2 O 7 Apha – 5220 C
5 TN Chƣng cất, chu n độ Apha – 4500 C
6 NH 4 + -N Chƣng cất, chu n độ Apha – 4500 C
8 NO 3 - -N Đun cạn, so màu TCVN 4562 - 1988
3.5.2 Phương pháp ph n t ch hàm lượng sinh khối a) Sinh khối lơ lửng
- Giấy lọc: sấy ở 105 0 C trong 2h, hút m 1h, sử dụng cân điện tử đến 3 số thập phân, cân lấy khối lƣợng m 1
- Mẫu: đồng nhất mẫu, lấy thể tích nhất định (V s ), đối với b n lơ lửng hiếu khí lấy thể tích mẫu là 50ml, lọc qua giấy lọc ( dùng thiết bị hút chân không), sấy đến khối lƣợng không đổi ở 105 0 C trong 2 h, hút m 1 h, cân và xác định m 2 :
b) Sinh khối dính bám trên giá thể Đo MLSS trên giá thể được thực hiện theo phương pháp của P Regmi và cộng s
+ Thời điểm lấy mẫu: cuối m i tải trọng;
+ Lấy ngẫu nhiên 5 giá thể/lần phân tích
+ Bước 1: Lấy ngẫu nhiên 5 giá thể cho vào cốc đã sấy và hút m;
+ Bước 2: Sấy cốc và mẫu ở 105 o C đến khối lượng không đổi, cân a (g);
+ Bước 3: Rửa sạch giá thể loại bỏ hết sinh khối;
+ Bước 4: Sấy cốc và mẫu đã loại bỏ sinh khối ở 105 o C đến khối lượng không đổi, cân đƣợc b (g)
Trong đ :a 2 : Khối lƣợng của cốc và mẫu chƣa loại bỏ sinh khối sau khi sấy; b 2 : Khối lƣợng của cốc và mẫu đã loại bỏ sinh khối sau khi sấy
3.5.3 Các phương pháp ử lý số liệu
Kết quả phân tích được xử lý theo phương pháp thống kê toán học của 3 lần phân tích cùng một chỉ tiêu
Trị số trung bình số học x đƣợc tính: ̅ ∑ (2.3) Độ lệch chu n S đƣợc tính bởi công thức:
Toàn bộ số liệu c đƣợc từ quá trình vận hành mô hình, phân tích mẫu đƣợc nhập liệu và tính toán bằng các thuật toán thống kê, trình bày qua các dạng đồ thị trên phần mềm Microsoft Excel
