Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống thiếu khí hiếu khí luân phiên

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống thiếu khí hiếu khí luân phiên Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống thiếu khí hiếu khí luân phiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TS Nguyễn Minh Phương

TS Chu Xuân Quang

Hà Nội – 2022

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Phương và TS Chu Xuân Quang, đã tận tình chỉ bảo, định hướng đề tài và tạo mọi điều kiên thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian thực hiên luận văn Em cũng xin gửi lời cảm ơn các Thầy cô công tác tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt cho em những kiến thức trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn Cuối cùng là lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè đã luôn luôn động viên, cổ vũ tinh thần, giúp em tự tin hoàn thành luận văn này

Mặc dù em đã nỗ lực hết mình, nhưng trong quá trình thực hiện luận văn cũng không thể tránh khỏi những sai sót Em kính mong nhận được sự góp ý của Thầy cô để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2022

Học viên thực hiện

Phạm Duy Hoàn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 11

1.1 Các hợp chất nitơ trong nước thải: 11

1.1.1 Nguy cơ đến môi trường 11

1.1.2 Các dạng hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt 12

1.2 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 14

1.2.1 Xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp cơ học 14

1.2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh 16

1.3 Công nghệ vi sinh thiếu khí - hiếu khí xử lý nước thải sinh hoạt 20

1.3.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ vi sinh thiếu khí - hiếu khí 20

1.3.2 Hiệu quả xử lý các hợp chất nitơ của hệ thống vi sinh thiếu khí - hiếu khí truyền thống 20

1.3.3 Tình hình nghiên cứu về hệ thống thiếu – hiếu khí luân phiên: 21

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của hệ thống vi sinh thiếu khí - hiếu khí luân phiên xử lý nước thải 22

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 24

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 25

2.2 Vật liệu nghiên cứu: 25

2.2.1 Nước thải nhân tạo: 25

2.2.2 Hệ thiết bị trong phòng thí nghiệm 29

2.3 Phương pháp nghiên cứu 30

2.3.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 30

2.3.2 Phương pháp phân tích và bảo quản mẫu 33

2.3.3 Phương pháp xử lý số liệu 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 36

3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính tới hiệu quả xử lý của hệ thống 36

3.2 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí đến hiệu quả xử lý hệ thống 39

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí đến hiệu quả xử lý COD 39

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí đến hiệu quả xử lý amoni, nitrit, nitrat 40

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí đến hiệu quả xử lý photpho 45

3.3 Biến thiên giá trị oxy hòa tan (DO) và pH trong quá trình thí nghiệm 46

3.4 Ảnh hưởng của tổng thời gian lưu thủy lực đến hiệu quả xử lý amoni 47

3.5 So sánh hệ bùn hoạt tính thông thường và hệ thiếu khí – hiếu khí luân phiên 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bốn giai đoạn lên men và tỷ lệ phân hủy các chất hữu cơ phức tạp 18

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nuôi bùn hoạt tính hiếu khí……… 26

Hình 2.2 Sự biến thiên MLSS, MLVSS và tỷ số MLVSS/MLSS trong quá trình nuôi sinh khối 27

Hình 2.3 Sự biến thiên của SVI trong quá trình nuôi sinh khối 29

Hình 2.4 Hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí – thiếu khí luân phiên 29

Hình 2.5 Sơ đồ vận hành hệ thống luân phiên hiếu khí – thiếu khí và hệ bùn hoạt tính thông thường 30

Hình 2.6 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm 32

Hình 3.1 Hiệu quả xử lý COD theo thời gian tại hàm lượng bùn khác nhau 36

Hình 3.2 Hiệu quả xử lý NH4+- N theo thời gian tại hàm lượng bùn khác nhau 37

Hình 3.3 Hiệu quả xử lý NO3-- N theo thời gian tại hàm lượng bùn khác nhau 38

Hình 3.4 Hiệu quả xử lý NO2-- N theo thời gian tại hàm lượng bùn khác nhau 38

Hình 3.5 Hiệu quả xử lý PO43-- P theo thời gian tại hàm lượng bùn khác nhau 39

Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ ngừng cấp khí tới hiệu quả xử lý COD 39

Hình 3.7 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ ngừng cấp khí 50 phút/10 phút tới hiệu quả xử lý amoni, nitrat, nitrit 41

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ ngừng cấp khí 40 phút/20 phút tới hiệu quả xử lý amoni, nitrat, nitrit 41

Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ ngừng cấp khí 30 phút/30 phút tới hiệu quả xử lý amoni, nitrat, nitrit 42

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ ngừng cấp khí 20 phút/40 phút tới hiệu quả xử lý amoni, nitrat, nitrit 43

Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ ngừng cấp khí10 phút/50 phút tới hiệu quả xử lý amoni, nitrat, nitrit 43

Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí đến hiệu quả xử lý photpho 45 Hình 3.13 Sự biến thiên của giá trị oxy hòa tan (DO) 46 Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước tới hiệu quả xử lý COD và amoni của hệ thống 47 Hình 1A Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước thải công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Tấn Tài 56 Hình 1B Bản vẽ mô tả hệ thống xử lý 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Giá trị các chất ô nhiễm đặc trưng phân tích và tiêu chuẩn cho phép thải vào

nguồn tiếp nhận 25

Bảng 2.2 Phương pháp phân tích và thiết bị, máy móc sử dụng trong phân tích các thông số 34

Bảng 3.1 Hiệu quả xử lý theo thời gian của hệ thiếu khí-hiếu khí luân phiên 48

Bảng 3.2 So sánh các giá trị ô nhiễm giữa hệ xử lý thông thường 49

Bảng 1A Các thông số thiết kế của bể 62

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAO Anaerobic – Anoxic - Oxic Kỵ khí - Thiếu khí - Hiếu khí

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

MLSS Mixed liquor suspended solids Hàm lượng chất rắn lơ lửng MLVSS Mixed liquor volatile suspended solids Hàm lượng chất rắn dễ bay hơi NTSH Nước thải sinh hoạt

MỞ ĐẦU

Các hợp chất của nitơ (amoni, nitrit, nitrat) là yếu tố cần thiết phải loại bỏ trong trong nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng do với hàm lượng cao, các hợp chất này gây ra độc tính đến sức khỏe con người và hệ sinh thái Quá trình chuyển hóa nitơ chính trong nước thải sinh hoạt là quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa Trong hai quá trình này, sự chuyển đổi giữa các hợp chất NH4+, NO2-, NO3-, N2 diễn ra Quá trình nitrat hóa chuyển đổi amoni thành nitrat được tiến hành bởi nhóm vi khuẩn nitrat hóa Trong giai đoạn đầu tiên (nitrit hóa), amoni (NH4+) được chuyển đổi thành nitrit (NO2-), quá trình này được tiến hành bởi các loài vi khuẩn Nitrosomonas Trong giai đoạn thứ hai, các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3-) Quá trình phản nitrat hóa khử nitrat thành khí nitơ Nhờ vào các loại vi khuẩn như

Pseudomonas và Clostridium trong môi trường thiếu khí lấy oxy trong nitrat để tổng

hợp tế bào, khử nitrat thành N2 dạng khí

Công nghệ thiếu khí - hiếu khí luân phiên (intermittent aeration) được biết đến là một trong những công nghệ xử lý amoni đặc biệt hiệu quả Với tỉ lệ C/N thích hợp, hiệu quả loại bỏ nitơ của công nghệ này có thể đạt đến 77,3% Tỉ lệ N/BOD5 bằng 0,18, khả năng loại bỏ nitơ của hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên đạt tới 96,9% [28] Có thể thấy đối với những đối tượng nước thải có đặc trưng khác nhau thì quá trình chuyển hóa khác nhau, do đó cần áp dụng những thông số vận hành phù hợp để đạt hiệu quả xử lý cao nhất Việc xây dựng được quy trình vận hành phù hợp cho hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên sẽ giúp tiết kiệm diện tích xây dựng, phù hợp với các công trình bị hạn chế về không gian mà vẫn đạt được hiệu quả cao đối với yêu cầu về xử lý nitơ trong nước thải Tuy nhiên, nhược điểm là nếu quy trình vận hành không phù hợp, không xác định, không hiểu rõ được quá trình chuyển hóa chất ô nhiễm thì hiệu quả xử lý sẽ không cao Ngoài việc kiểm soát các thành phần nước đầu vào thì việc điều chỉnh lưu lượng khí cấp vào hệ thống cũng như thời gian lưu thủy lực phù hợp giữa giai đoạn thiếu khí

và giai đoạn hiếu khí đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả xử lý của hệ thống Do

vậy, luận văn “Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên” được thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý nitơ và

nghiên cứu quá trình chuyển hóa nitơ trong hệ thống khi thay đổi các thông số ảnh hưởng, góp phần giải quyết những hạn chế nêu trên

Mục tiêu của quá trình nghiên cứu:

- Xác định, đánh giá hiệu quả chuyển hóa các hợp chất nitơ NH4+, NO2-, NO3- trong một hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên xử lý nước thải sinh hoạt Ngoài ra đánh giá thêm một số chỉ tiêu phổ biến như COD và PO43-- P để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thiếu – hiếu khí luân phiên với nước thải sinh hoạt nói chung

- Lựa chọn được thông số vận hành phù hợp cho hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên để quá trình chuyển hóa nitơ đạt hiệu suất cao

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Nội dung 1: Ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính tới hiệu quả xử lý của hệ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Các hợp chất nitơ trong nước thải:

Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ hoạt động hằng ngày của con người như tắm giặt, vệ sinh, ăn uống, là loại nước thải phổ biến, thường gặp nhất trong cuộc sống Nước thải sinh hoạt được phân loại như sau:

➢ Theo nguồn thải:

Nước thải từ các khu nhà vệ sinh Nước thải từ khu vực nhà bếp, nấu nướng, rửa thức ăn Nước thải từ khu vực rửa chân tay, tắm giặt

➢ Theo mức độ ô nhiễm:

- Nước thải đen: nước thải tại các khu vệ sinh

- Nước thải xám: nước thải khu vực nhà bếp, khu vực nhà tắm

Đặc tính chung của nước thải sinh hoạt là bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, dầu mỡ,

chất hoạt động bề mặt, các cặn bã lơ lửng, các vi trùng, vi sinh vật gây bệnh (E.coli, Coliform…), các chất dinh dưỡng như phốt pho và đặc biệt là nitơ Hiện nay, tại Việt

Nam tình trạng ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt gây ra vẫn là một vấn đề rất đáng lo ngại Tình trạng ô nhiễm nước thấy rõ nhất là ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh

và một số thành phố lớn khác Nước thải sinh hoạt có rất ít các hệ thống xử lý tập trung

mà trực tiếp đổ ra nguồn tiếp nhận Khiến các kênh mương, sông hồ trong thành phố trở thành điểm chết gây mất mỹ quan đô thị và ảnh hưởng tới cuộc sống của người dân Theo Sở Xây dựng Hà Nội, cả Thủ đô hiện chỉ có 7 nhà máy xử lý nước thải, đáp ứng được 22% số lượng nước thải ra hằng ngày, còn tới 78% đang được xả thẳng ra môi trường Với dân số hơn 8 triệu người, trong một ngày, Hà Nội tiếp nhận 350.000 đến 400.000 m3 nước thải sinh hoạt, trong đó chỉ có 10% được xử lý còn lại tất cả được đổ

ra hệ thống kênh rạch, sông hồ trong thành phố [9] Chỉ số BOD, oxy hòa tan, các chất

NH4+, NO2-, NO3- ở các sông, mương nội thành đều vượt quá quy định cho phép Không chỉ các thành phố lớn, ở nông thôn, nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước bề mặt và cả nguồn nước ngầm ngày càng trầm trọng Trong

số đó, ô nhiễm nguồn nước do amoni và các hợp chất khác của nitơ là nghiêm trọng và

rõ ràng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của con người

Các hợp chất của nitơ trong nước thải như nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), amoni (NH4+)

là thức ăn đối với sinh vật phù du và tảo Khi nồng độ nitơ trong sông, suối, ao, hồ hay nước biển tăng do quá trình xả thải nước thải sinh hoạt ra môi trường, sẽ dẫn đến hiện tượng phú dưỡng Do dư thừa dinh dưỡng, thức ăn trong nước, các vi sinh vật và tảo phát triển nhanh về số lượng sẽ làm giảm lượng ô xy hòa tan trong nước gây ngạt cho các sinh vật sống trong khu vực đó, thậm chí là chết hàng loạt [8]

Ngoài ra, nitrit là hợp chất rất độc đối cho con người do nó có thể chuyển hóa thành nitroamin, một chất có khả năng gây ung thư Cả nitrit và nitrat đều có khả năng tạo methaemoglobin, là nguồn gốc gây bệnh methemoglobin huyết cho cả trẻ sơ sinh và người lớn [4]

Trong nước thải sinh hoạt, các hợp chất của nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-)

a) Amoni (NH4+)

Cation amoni (còn được gọi là azani hoặc amôn, amon) là một ion đa năng tích

điện dương với công thức hóa học NH4+ nó được hình thành bởi sự khuếch tán amonia (NH3)

Trong nước, amoni tồn tại chủ yếu dưới dưới dạng cation NH4+ Amoni không tồn tại lâu trong nước mà dễ dàng chuyển thành nitrit Nitrit trong nước sẽ ức chế men enzym trong thịt cản trở quá trình chuyển màu của thịt Vì thế, thịt khi nấu trong nước có nhiễm amoni chín nhừ vẫn giữ màu như thịt sống Ngoài ra, với những mẫu nước nhiễm amoni

từ 20 mg/l trở lên có thể ngửi thấy mùi khai [27]

Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hoá, nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin Khi hàm lượng amoni trong nước ăn uống cao hơn tiêu chuẩn cho phép chứng tỏ nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi chất

thải động vật, con người có khả năng xuất hiện các loại vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh Amoni không độc với cơ thể con người, nhưng nếu tồn tại trong nước với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó có thể chuyển hóa thành các chất gây ung thư

và các bệnh nguy hiểm khác Trong khi hàm lượng cho phép của nitrit là 0,01 mg/lít và nitrat là 10-50 mg/lít [27]

Amoni là một trong những yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp: làm giảm tác dụng của clo, giảm hiệu quả khử trung nước do phản ứng với clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần Amoni cùng với các chất vi lượng trong nước (hợp chất hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức ăn”

để vi khuẩn phát triển, gây ảnh hưởng tới chất lượng nước sau xử lý Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước Nước bị xuống cấp, làm giảm các yếu tố cảm quan (NH4+ là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan) [3]

b) Nitrit (NO2-)

Nitrit là một dạng hợp chất của nitơ và oxy, được hình thành trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ và nitrit trong nước chính là sản phẩm trung gian của quá trình chuyển amoniac thành nitrat bởi sự hoạt động của vi khuẩn Hàm lượng nitrit có trong nước chứng tỏ nguồn nước đó đã bị ô nhiễm trong thời gian dài

Nitrit chỉ có thể tồn tại trong nước thời gian rất ngắn vì khi gặp oxi có trong nước nitrit sẽ chuyển hóa thành nitrat

Nitrit rất độc đối với sức khỏe con người khi nhiễm phải, gây ra các bệnh về thiếu oxy trong máu

c) Nitrat (NO3-)

Nitrat (NO3-) là bazơ liên hợp của axit nitric, gồm một nguyên tử nitơ trung tâm bao quanh bởi 3 nguyên tử ôxy giống hệt nhau và xếp trên cùng một mặt phẳng tam giác

Trong nước nó là sản phẩm cuối cùng của phản ứng oxy hóa dưới tác động của vi khuẩn từ NH4+ thành NO2- và cuối cùng là NO3-

Khi sử dụng nguồn nước hoặc thực phẩm có hàm lượng nitrat lớn hơn 10 mg/l sẽ gây ra các bệnh về máu đặc biệt là ở trẻ nhỏ Khi NO3- hấp thụ vào máu, các hemoglobin (có chức năng chuyên chở oxy trong máu) sẽ biến thành methemoglobin Các methemoglobin này sẽ bị mất hoặc suy giảm khả năng vận chuyển oxy, gây nên hiện tượng thiếu oxy cho các tế bào, đặc biệt là não hoạt động Nguy hiểm hơn, trong cơ thể trẻ em, methemoglobin không thể chuyển hóa ngược lại thành hemoglobin Việc não không đủ oxy rất dễ dẫn đến tình trạng tử vong [27]

NO3- bình thường không độc, nhưng khi đi vào trong hệ tiêu hóa sẽ bị vi khuẩn chuyển thành nitrit Sau đó, nitrit có thể chuyển thành các loại nitrosamin – một chất gây ung thư Tuy nhiên, không phải tất cả nitrat khi ăn vào đều biến thành nitrit Nitrat sau khi đi vào hệ tiêu hóa sẽ được hấp thụ vào máu rất nhanh ở phần đầu của ruột non Tiếp đó, khoảng 25% lượng nitrat từ máu được chuyển vào trong tuyến nước bọt và cũng chỉ khoảng 20% trong số này, khi nước bọt tiết ra bị khử thành nitrite bởi hệ vi khuẩn ở vùng lưỡi Hiện chỉ thấy nitrosamin gây ung thư trên động vật thí nghiệm, còn trên cơ thể người chưa có khẳng định nào chắc chắn [27]

1.2 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học thực chất là áp dụng các lực vật lý để loại bỏ các tạp chất cơ học không tan ra khỏi nước thải bằng cách gạn lọc, lắng, lọc [2]

Các công trình xử lý trong phương pháp cơ học này gồm có: song chắn rác, bể lắng cát, bể vớt dầu, mỡ, bể lắng, bể lọc,…mỗi công trình đơn vị này đều có nhiệm vụ khác nhau và hỗ trợ nhau để loại bỏ các tạp chất cơ học tương ứng trong nước thải

Song chắn rác

Song chắn rác làm nhiệm vụ loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn hơn 5 mm chủ yếu là rác hữu cơ chứa trong nước thải Khi các tạp chất này có kích thước nhỏ hơn thì phải dùng lưới chắn rác

Bể lắng cát

Nhiệm vụ của bể lắng cát là loại bỏ các tạp chất có nguồn gốc vô cơ, chủ yếu là cát chứa trong nước thải Theo tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 51:2008/BXD thì với công suất của nhà máy xử lý nước thải lớn hơn hoặc bằng 100 m3/ngày phải thiết kế bể lắng cát Việc loại bỏ cát ra khỏi nước thải (tách cát ra khỏi các chất hữu cơ), tạo điều kiện thuận lợi cho các công trình xử lý sau đó

Bể lắng

Bể lắng được ứng dụng để loại bỏ các chất lơ lửng lắng được và các tạp chất nổi Trong công nghệ xử lý nước thải vị trí của bể lắng nằm sau song chắn rác, bể lắng cát

Bể lắng trong giai đoạn xử lý cơ học được gọi là bể lắng đợt I (trong giai đoạn

xử lý sinh học, được gọi là bể lắng đợt II), bùn ở bể lắng đợt I được gọi là cặn tươi Bùn

ở bể lắng II được gọi là bùn hoạt tính (sau aeroten) và màng sinh học (biophin)

Bể lọc

Các loại lưới lọc và bể lọc với vật liệu lọc dạng hạt được ứng dụng để loại bỏ các chất kích thước nhỏ chứa trong nước thải công nghiệp Đồng thời bể lọc còn được sử dụng để xử lý bổ sung (xử lý bậc cao) nước thải đô thị

Giai đoạn xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học về nguyên tắc chỉ là giai đoạn xử lý sơ bộ và thứ cấp trước khi xử lý sinh học Hiệu suất xử lý cơ học đạt đến 60% theo chất không tan chứa trong nước thải, đồng thời có thể làm giảm lượng BOD đến 20%

Để tăng hiệu suất, xử lý cơ học có thể tiến hành bằng cách làm thoáng sơ bộ - thổi nước thải tại bể làm thoáng, hoặc làm thoáng có bùn hoạt tính tại bể đông tụ sinh học

Khi lưu lượng nước thải khu dân cư nhỏ nhưng nguồn tiếp nhận rất lớn thì vai trò xử lý cơ học là chủ yếu, tuy nhiên phải được sự cho phép của cơ quan chức năng quản lý Nhà nước về quản lý và môi trường

Phương pháp này dựa trên hoạt động sống của VSV, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải Quá trình hoạt động của chúng cho kết quả là các chất hữu

cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản

và nước VSV trong nước sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển tăng số lượng tế bào (tăng sinh khối) Để VSV sinh trưởng và phát triển tốt thì cần cung cấp đủ chất hữu cơ cũng như chất dinh dưỡng cho chúng theo tỷ lệ BOD5:N:P = 100:5:1 hay COD:N:P = 150:5:1 [11] Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sunfit, muối amon, nitrat Sản phẩm của quá trình phân hủy này là khí CO2, nước, khí N2, ion sunfat

Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sở khác nhau Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau:

- Phương pháp kỵ khí

Quá trình kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kỵ khí và sản phẩm cuối cùng

là hỗn hợp bao gồm các khí (gọi là hỗn hợp khí Biogas): CH4, CO2, H2S, các dạng khí

có chứa nitơ, nhưng chiếm phần lớn là khí CH4 (khoảng 65%) nên đôi khi được gọi là quá trình lên menn mêtan và quần thể sinh vật được gọi tên chung là các VSV mêtan

Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất là chất ô nhiễm hiện diện trong nước là nguồn dinh dưỡng (thức ăn) và tạo năng lượng, xây dựng

tế bào vi sinh vật, giúp vi sinh vật sinh trưởng và sinh sản vi sinh vật kỵ khí mới nên sinh khối (bùn, hàm lượng bùn, mật độ bùn) của chúng tăng lên, từ đó chúng tiếp tục tham gia chu trình góp phần làm giảm COD, BOD trong nước thải Lượng chất hữu cơ dùng cho mục đích này chỉ khoảng 10% so với tổng số chất hữu cơ (đối với VSV hiếu

khí con số này là 40%) Do vậy lượng BHT hình thành trong phân hủy kỵ khí là rất thấp Ngoài ra, xử lý sinh học kỵ khí còn được áp dụng để xử lý các loại bùn, cặn

Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo

ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian trong điều kiện kỵ khí Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ 𝑣𝑖 𝑠𝑖𝑛ℎ 𝑣ậ𝑡 𝑘ỵ 𝑘ℎí→ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Hoặc:

(CHO)nNS 𝑣𝑖 𝑠𝑖𝑛ℎ 𝑣ậ𝑡 𝑘ỵ 𝑘ℎí→ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Quá trình chuyển hóa bao gồm 4 giai đoạn chính: Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử mạch cácbon dài, mạch vòng (các hợp chất cao phân tử này khó bị phân hủy bằng phương pháp sinh học hiếu khí) thành các hợp chất mạch ngắn, hợp chất đơn giản:

Giai đoạn 2: Axit hóa các sản phẩm của giai đoạn 1

Giai đoạn 3: Axetat hóa các sản phẩm giai đoạn 2

Giai đoạn 4: Mêtan hóa các sản phẩm của giai đoạn thành dạng khí, nghĩa là các chất ô nhiễm có trong nước dạng CxHyOzNtSh chuyển hóa thành một số khí bay hơi ra khỏi môi trường nước như khí CH4, CO2, H2, NH3, H2S và một phần CxHyOzNtSh đi vào

cơ thể vi sinh vật, một số vi sinh vật này chết hình thành bùn lắng xuống đáy công trình

xử lý Hỗn hợp khí bay ra ngoài khỏi môi trường nước và lượng bùn chết được thu ra nên các thành phần CxHyOzNtSh có trong nước thải bị mất đi, nước thải sẽ giảm mức độ

ô nhiễm so với ban đầu

Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas Thành phần khí sinh học từ quá trình lên men kỵ khí như sau:

Hình 1.1 Bốn giai đoạn lên men và tỷ lệ phân hủy các chất hữu cơ phức tạp [2]

Quá trình lên men sinh học kỵ khí xử lý nước thải gồm hai dạng phổ biến:

+ Quá trình sinh trưởng lơ lửng, các quần thể sinh vật kỵ khí (bùn) ở trạng thái

lơ lửng là nhờ quá trình xáo trộn thủy lực, xáo trộn bằng hỗn hợp khí biogas, xáo trộn bằng cơ khí

+ Quá trình sinh trưởng dính bám, quần thể các vi sinh vật kỵ khí (bùn) dính bám vào một loại vật liệu (vật liệu dính bám sinh học, vật liệu đệm sinh học), vật liệu này do quá trình thiết kế đưa vào trong bể kỵ khí ở dạng cố định vị trí hay dạng không

cố định có thể xáo trộn hoặc lơ lửng Vật liệu này phải trơ với môi trường tiếp xúc, có

độ bền cơ học cao, không gây phản ứng với môi trường nước thải, không tan trong môi trường nước thải, có khối lượng càng nhẹ càng tốt

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể phân loại các công trình xử lý kỵ khí thành: + Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật dạng lơ lửng: như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước thải đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB), quá trình sinh học kỵ khí xáo trộn hoàn toàn

Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dính bám: Quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process), quá trình lọc kỵ khí tầng lơ lửng

- Phương pháp hiếu khí: sử dụng các nhóm VSV hiếu khí Để đảm bảo hoạt động

sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 đến 40oC Hoạt động sống của VSV hiếu khí bao gồm quá trình dinh dưỡng: VSV sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các nguyên tố khoáng vi lượng kim loại để xây

dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản Quá trình phân hủy: VSV oxi hóa các chất hữu cơ hòa tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác

Trong điều kiện hiếu khí NH4+ và H2S cũng bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hóa, sunfat hóa bởi VSV tự dưỡng

NH4+ sẽ được chuyển thành NO2-, NO3- nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitobactor thực hiện để sản xuất năng lượng, theo 2 bước:

- Bước 1: NH4+ bị oxi hóa thành NO2- do tác động của vi khuẩn nitrat hóa theo phản ứng:

NH4+ + 2O2 𝑣𝑖 𝑘ℎ𝑢ẩ𝑛 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡 ℎó𝑎→ NO3- + 2 H+ + H2O Các vi khuẩn sử dụng năng lượng lấy từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối

Khoảng 20 - 40% NH4+ bị đồng hóa thành vỏ tế bào Phản ứng tổng hợp thành sinh khối có thể được viết như sau:

4 CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O → C5H7O2N + 5 O2

C5H7O2N biếu diễn tế bào vi khuẩn đã được tổng hợp thành

Một số quy trình xử lý hiếu khí có thể kể đến như: Bể phản ứng sinh học hiếu khí aeroten truyền thống, mương oxy hóa, lọc sinh học, hồ sinh học hiếu khí, bể aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR), bể phản ứng sinh học kết hợp lọc màng (MBR) Ngoài ra còn một số công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt khác

Trong những năm gần đây, các phương pháp xử lý sinh học nước thải theo các phương pháp cải tiến hơn để tiết kiệm diện tích, phù hợp với đặc tính của nước thải sinh hoạt và mang lại hiệu quả xử lý cao hơn được nghiên cứu và ứng dụng nhiểu hơn trên

tế giới nói chung Việt Nam nói riêng

1.3 Công nghệ vi sinh thiếu khí - hiếu khí xử lý nước thải sinh hoạt

Xử lý amoni bằng công nghệ vi sinh thiếu khí - hiếu khí bao gồm hai quá trình là nitrat hóa và phản nitrat hóa Trong môi trường hiếu khí, đầu tiên, amoni bị oxi hóa thành

thành nitrit nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hóa mà điển hình nhất là Nitrosomonas, vi khuẩn

hình cầu hoặc hình bầu dục, gram âm (-), không sinh bào tử [3], bên cạnh đó còn có

Nitrosococcus, Nitrosospira và một số loài vi sinh vật hiếu khí khác Sau đó nitrit bị oxi hóa thành nitrat nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hóa như Nitrosopina, Nitrococcus, Nitrospira hay Nitrobacter Quá trình này diễn ra như sau:

Để tiếp tục loại bỏ nitrat ra khỏi nước thải, phải trải qua quá trình tiếp theo là quá trình khử nitrat Quá trình này buộc phải diễn ra trong môi trường thiếu khí Các vi sinh vật

thiếu khí như Pseudomonas và Clostridium sẽ lấy các phân tử oxy từ nitrat ra sử dụng

để tổng hợp tế bào, từ đó khử nitrat thành nitơ phân tử Mặt khác, các loại vi sinh denitrat này đều là nhóm vi khuẩn dị dưỡng, do đó để quá trình đạt hiệu suất cao cần bổ sung thêm nguồn cacbon cho vi sinh như đường hoặc dấm [5;6]

truyền thống

Hệ thống vi sinh thiếu khí - hiếu khí truyền thống là hệ thống các nhóm vi sinh riêng biệt chỉ hoạt động và sinh trưởng ở môi trường thiếu khí hoặc hiếu khí Cụ thể, khi xử

lý amoni bằng phương pháp này, cần phải sử dụng hai bể xử lý khác nhau, một bể là

môi trường hiếu khí để các vi sinh vật hiếu khí như Nitrosomonas, Nitrobacter phát triển

nhằm nitrat hóa amoni Còn một bể có môi trường thiếu khí để nhóm vi sinh vật dị

dưỡng như Pseudomonas, Clostridum hoạt động nhằm khử nitrat về dạng nitơ phân tử

Phương pháp xử lý truyền thống trên đã được ứng dụng từ rất lâu tại Việt Nam cũng như trên thế giới và có hiệu quả tốt đối với hoạt động xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt Theo đó, quá trình loại bỏ amoni có thể đạt 13,71% trong các bể thiếu khí và

78,77% trong bể hiếu khí Sự đóng góp của các vùng thiếu khí vào việc loại bỏ tổng nitơ (TN) là 57,41% [23]

Mặc dù là phương pháp hiệu quả để xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt, phương pháp

xử lý thiếu, hiếu khí truyền thống chỉ phù hợp với các hệ thống xử lý trung bình đến lớn Đối với các tòa nhà, nhà máy, công xưởng có lưu lượng nước thải sinh hoạt nhỏ chỉ từ

5 đến 10 m3/ngày đêm, sẽ dẫn đến khó khăn cho việc xây dựng bể, khó lựa chọn và lắp đặt thiết bị, chi phí xử lý trên 1 m3 nước thải cao

Để khắc phục các vấn đề trên, một công nghệ cải tiến dựa trên phương pháp xử lý truyền thống đã được đưa vào sử dụng từ nhiều năm nay trên thế giới, đó là hệ thống vi sinh thiếu khí- hiếu khí luân phiên hay hệ thống cấp khí gián đoạn (Intermittent aeration) Về nguyên lý, hệ thống xử lý thiếu - hiếu khí luân phiên giống với hệ thống xử lý theo phương pháp truyền thống, vẫn dựa vào quá trình nitrat hóa và khử nitrat Tuy nhiên phương pháp thực hiện thì có thay đổi, hệ thống xử lý luân phiên không cần phải chia

ra làm hai bể thiếu khí và hiếu khí riêng biệt Quá trình nitrat hóa và khử nitrat sẽ cùng diễn ra trong một bể duy nhất Trong pha hiếu khí, khí được cấp từ máy thổi khí sẽ được tán mịn và cấp vào bể xử lý để thực hiện quá trình nitrat hóa Trong pha thiếu khí, hệ thống sẽ ngừng cấp khí, nước thải trong bể được đảo trộn liên tục và được cấp thêm dinh dưỡng nếu cần thiết để quá trình khử nitrat diễn ra thuận lợi

a) Trên thế giới:

Đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống IA và hiệu quả xử lý của hệ thống Tiêu biểu như nghiên cứu của Isabela Pires da Silva và các cộng sự (2019), các tác giả đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng lượng nitơ (TN) trong đất ngập nước khi sử dụng công nghệ sục khí gián đoạn Hai vùng đất ngập nước được thiết kế như sau: một vùng không có sục khí và vùng còn lại được sục khí ngắt quãng (1 giờ có sục khí / 7 giờ không có sục khí) Cả hai vùng đất đều được dùng để xử lý nước thải sinh hoạt Lưu lượng nước thải là 8,6 L/ngày với thời gian lưu thủy lực là 3 ngày Kết quả cho thấy đất ngập nước được xây dựng có sục khí không liên tục có hiệu quả cao trong việc loại bỏ COD (98,25%), Tổng Nitơ (83,60%) và tổng phốt pho (78,10%), trong khi đất ngập nước xây dựng không có sục khí cho thấy hiệu quả loại bỏ COD thấp hơn (93,89 %), TN (48,60%) và tổng photpho (58,66%) [19]

Ngoài ra, trong nghiên cứu của Changkyoo Choi và các cộng sự (2016), các tác giả

đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực khí đến hiệu quả xử lý nước thải của hệ thống màng lọc sinh học kết hợp với công nghệ sục khí gián đoạn Kết quả cho thấy, thời gian lưu 6 giờ được chọn làm thời gian thích phù hợp hơn 9 giờ và 12 giờ Vì hiệu quả xử lý nitơ và phốt pho trong thời gian lưu 6 giờ so với 9 giờ và 12 giờ chênh lệch nhau không đáng kể [15]

Cũng trong nghiên cứu này, các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian cấp khí và ngừng cấp khí đối với hiệu quả xử lý của hệ thống Các tác giả chọn thời gian sục khí và ngừng sục khí là: 30/30 phút và 60/60 phút Kết quả cho thấy, khả năng loại bỏ nitơ và phốt pho của màng lọc sinh học đối với thời gian cấp/ ngừng cấp khí 30/30 phút lần lượt là 22,7 mg/l và 4,56 mg/l Đối với thử nghiệm 60/60 phút là 19,6 và 4,41 mg/l [15]

b) Tại Việt Nam:

Một số nghiên cứu trong nước đối với hệ thống IA đã được tiến hành Tiêu biểu như: Nghiên cứu của Lê Sỹ Chính và các cộng sự (2018), các tác giả đã sử dụng hệ thống

IA để xử lý nước thải chăn nuôi Kết quả cho thấy khả năng xử lý COD, N-NH4+, T-P của hệ thống IA lần lượt đạt 81 - 87%, 95 - 99% và 49 – 55% [12]

Nghiên cứu của Dương Văn Nam và các cộng sự (2017), các tác giả sử dụng hệ thống SBR kết hợp công nghệ thiếu – hiếu khí luân phiên để xử lý nước thải chế biến cao su Kết quả cho thấy, ngoài khả năng xử lý COD hiệu quả tương đương hệ SBR thông thường, hệ thống SBR kết hợp công nghệ IA cho hiệu quả vượt trội về khả năng

xử lý TN và amoni lần lượt đạt 94-97% và 97% [13]

Các nghiên cứu trong nước, mới chỉ đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ IA

mà chưa đưa ra được điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống Do đó, luận văn sẽ tập trung đưa ra điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống IA bằng cách đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính, thời gian cấp khí/ngừng cấp khí và thời gian lưu đến hiệu quả xử lý của hệ thống

hiếu khí luân phiên xử lý nước thải

a) Thời gian lưu thủy lực

Thời gian lưu thủy lực là một trong những yếu tố quan trọng trong hiệu quả xử lý amoni Thời gian lưu thủy lực khác nhau thu về hiệu xử lý khác nhau

Trong nghiên cứu của Changkyoo Choi và các cộng sự (2016), các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực khí đến hiệu quả xử lý nước thải của hệ thống màng lọc sinh học kết hợp với công nghệ sục khí gián đoạn Các tác giả đã tiến hành thí nghiệm trong điều kiện thời gian lưu thủy lực lần lượt là: 6 giờ, 9 giờ và 12 giờ Kết quả cho thấy, trong tất cả các điều kiện, tổng nitơ và tổng phốt pho đều giảm đi trên 90% [15] Thời gian lưu 6 giờ được chọn làm thời gian thích phù hợp và hiệu quả hơn 9 giờ

và 12 giờ Vì hiệu quả xử lý nitơ và phốt pho trong thời gian lưu 6 giờ so với 9 giờ và

12 giờ chênh lệch nhau không đáng kể

b) Giá trị oxy hòa tan (DO)

Kiểm soát DO trong hệ thống là một vấn đề phải đặc biệt lưu ý Nồng độ oxy hòa tan trong trong hệ thống phải được duy trì ở mức nhất định để xử lý đạt hiệu quả Nồng độ

DO quá thấp sẽ tiêu diệt sẽ tiêu diệt hệ vi sinh vật Trong khi nếu duy trì DO quá cao, pha thiếu khí sẽ không đạt trạng thái cần thiết để thực hiện quá trình khử nitrat hiệu quả Cũng trong nghiên cứu của Changkyoo Choi và các cộng sự (2016), để hệ vi sinh phát triển và hoạt động ổn định, các tác giả đã duy trì DO tại pha hiếu khí duy trì từ 3.8 đến

4 mg/L Còn trong quá trình thiếu khí DO duy trì dưới 0,05 mg/L [15]

Trong khi đó, nghiên cứu của Hong W.Zhao, và các cộng sự (1999), kết quả cho thấy, quá trình khử nitrat diễn ra tốt nhất khi DO được duy trì dưới 0,5 mg/L Còn quá trình nitrat hóa DO được duy trì trong khoảng 3 mg/L [17]

c) Thời gian cấp khí/ngừng cấp khí

Thời gian cấp khí/ngừng cấp khí cũng là vấn đề cần nghiên cứu và làm rõ Vì yếu tố này quyết định trực tiếp tới hiệu quả xử lý của vi sinh vật đối với nước thải sinh hoạt Nghiên cứu của Jingjing Yang và các cộng sự (2015), các tác giả đã tiến hành thí nghiệm hai chế độ vận hành cấp khí/ngừng cấp khí là: 45/15 phút và 30/30 phút Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý nitơ giữa hai chế độ chênh lệch không đáng kể [20] Điều này có nghĩa chế độ vận hành 30/30 phút là tối ưu hơn khi có thể rút ngắn thời gian cấp khí cho

hệ thống mà không ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nitơ

Nghiên cứu của Changkyoo Choi và các cộng sự (2015), các tác giả tiến hành nghiên cứu hiệu quả xử lý của hệ thống IA với hai chế độ vận hành cấp khí/ ngừng cấp khí là : 30/30 phút và 60/60 phút Kết quả cho thấy, nồng độ T-N và T-P bị loại bỏ trong 60 phút bật/60 phút tắt tương ứng là 19,6 và 4,41 mg/L Và 30 phút bật/30 phút tắt lần lượt

là 22,7 và 4,56 mg/L [15]

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng sử dụng trong quá trình nghiên cứu là nguồn nước thải sinh hoạt thực tế của công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Tấn Tài (Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước thải được thể hiện trong phụ lục 1) Nghiên cứu sử dụng nguồn nước thải thực tế

để bố trí các thí nghiệm liên quan đến các nội dung: Ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính tới hiệu quả xử lý của hệ thống; ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí tới hiệu quả xử lý của hệ thống; đánh giá sự biến thiên của giá trị oxy hòa tan (DO) và pH trong quá trình thí nghiệm, ảnh hưởng của tổng thời gian lưu thủy lực đến hiệu quả xử

lý amoni

Nguồn thải và địa điểm:

Nước thải thực tế được lấy từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt công suất 8

m3/ngày của công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Tấn Tài, địa chỉ tại thôn Phạm Dùng,

xã An Hồng, huyện An Dương, thành phố Hải Phòng Hiện tại, lĩnh vực hoạt động của công ty là sản xuất plastic và cao su tổng hợp dạng nguyên sinh, tuy nhiên toàn bộ quá trình sản xuất được thực hiện tại nhà xưởng của công ty nằm tại vị trí khác Địa chỉ trên

là khu văn phòng, ký túc xá của công ty, không có bất kỳ hoạt động sản xuất nào Nước thải phát sinh hoàn toàn là nước thải sinh hoạt Nguồn thải của công ty bao gồm: + Nước thải được từ hệ thống nhà vệ sinh của công ty

+ Nước thải từ khu rửa ráy tắm giặt

+ Nước thải từ khu vực nhà bếp của công ty

Giá trị trung bình của các chất ô nhiễm đặc trưng trong nước thải sinh hoạt khu vực nghiên cứu (phân tích được ở phòng thí nghiệm) và tiêu chuẩn cho phép thải vào nguồn tiếp nhận được thể hiện qua Bảng 2.1

Bảng 2.1 Giá trị các chất ô nhiễm đặc trưng phân tích và tiêu chuẩn

cho phép thải vào nguồn tiếp nhận

STT Các chỉ tiêu Đơn vị Thông số

đầu vào trung bình

QCVN 14:2008/BTNMT- B

- N của hệ thiếu – hiếu khí luân phiên với các chế độ vận hành cấp khí khác nhau Ngoài

ra, các chỉ tiêu COD, PO43-- P cũng được thực hiện đánh giá

2.2 Vật liệu nghiên cứu:

2.2.1 Nước thải nhân tạo:

Nước thải nhân tạo được pha tại phòng thí nghiệm được sử dụng cho quá trình nuôi cấy bùn hoạt tính Nghiên cứu sẽ tiến hành đánh giá sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong quá trình nuôi cấy Sau đó, lượng bùn hoạt tính này sẽ được đưa vào hệ

xử lý thiếu – hiếu khí luân phiên trong phòng thí nghiệm để thực hiện các nội dung nghiên cứu tiếp theo

Ưu điểm của nước thải nhân tạo là nồng độ đầu vào cố định, không thay đổi như đối với nước thải ngoài thực tế, có thể điều chỉnh tỷ lệ nồng độ các chất ô nhiễm như COD, nitơ, photpho sao cho phù hợp, tạo điều kiện tốt nhất cho sự phát triển của vi sinh vật

Công thức nước thải nhân tạo bao gồm: 0,464 g Glucozo (C6H12O6), 0,191 g Amoniclorua (NH4Cl), Kalidihydrophophat 0,022 g (KH2PO4), 3.2 g NaHCO3 và các hóa chất vi lượng Công thức của các nguyên tố vi lượng Trong 1 lít nguyên tố vi lượng chứa 1,5 g FeCl3.6H2O; 0,18 g KI; 0,15 g CoCl2.6H2O; 0,15 g H3BO3; 0,12 g MnCl2.4H2O; 0,12 g ZnSO4.7H2O; 0,03 g CuSO4.5H2O và 10 g EDTA

a) Phương pháp nuôi cấy bùn hoạt tính:

Với mục đích để vi sinh vật thích nghi với môi trường và phát triển tăng hàm lượng sinh khối phục vụ cho các nghiên cứu, hệ thống nuôi cấy và làm giàu bùn hoạt tính là

bể hình trụ tròn bằng nhựa PVC với dung tích 100 lít được mô tả trên Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nuôi bùn hoạt tính hiếu khí

(1) Bơm nước thải vào; (2) - Bơm cấp khí; (3) - Bơm nước thải ra

Quá trình nuôi cấy bùn hoạt tính hiếu khí: Mẫu nước thải giả lập được pha trong phòng thí nghiệm với công thức được nêu trong mục 2.1.1 với tỷ lệ COD: N: P = 150: 5: 1, nạp và khuấy đồng thời, pH nằm trong khoảng 7,5 – 8,5, điều chỉnh pH bằng NaHCO3 Tiếp đến, hỗn hợp nước thải và BHT được sục khí DO duy trì ở mức 2 - 4 mgO2/L Kiểm soát lưu lượng khí bằng thiết bị đo lưu lượng khí Thời gian sục khí 90 phút và thời gian lắng 30 phút luân phiên trong 48 giờ Sau 48 giờ tháo nước thải VSV

sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng để tổng hợp tế bào mới tăng sinh khối,

sinh trưởng và phát triển Vì vậy, khi VSV thích nghi với môi trường nước thải mới thì hàm lượng MLSS, MLVSS tăng lên, khả nằng lắng của bùn tốt hơn Tiến hành đo các chỉ tiêu MLSS, MLVSS, SVI để đánh giá quá trình nuôi cấy bùn hoạt tính hiếu khí

b) Đánh giá sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong quá trình nuôi cấy:

Kết quả nghiên cứu thu được về sự thay đổi hàm lượng sinh khối theo thời gian được thể hiện trên Hình 2.2

Hình 2.2 Sự biến thiên MLSS, MLVSS và tỷ số MLVSS/MLSS

trong quá trình nuôi sinh khối

Quan sát kết quả nghiên cứu thể hiện trên đồ thị Hình 2.2, có thể thấy rằng, lượng sinh khối (MLSS) tăng dần từ 920 - 6010 mg/L sau 30 ngày thích nghi với NTSH Ở giai đoạn đầu khi bắt đầu vận hành từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 12, do lượng VSV trong bùn đang trong giai đoạn thích nghi với môi trường mới nên bùn phát triển chậm,

từ ngày bắt đầu vận hành tới ngày thứ 4, hàm lượng bùn hoạt tính còn có xu hướng giảm

từ 920 mg/L xuống còn 810 mg/L Sau đó, hàm lượng bùn hoạt tính đã tăng nhưng không đáng kể từ ngày thứ 4 tới ngày thứ 12, từ 810 mg/L tới 1500 mg/L VSV khi cho vào môi trường mới cần có một khoảng thời gian để thích nghi Sau giai đoạn thích nghi với môi trường mới, vi sinh vật bước vào giai đoạn sinh trưởng Trong môi trường với

tỷ lệ các chất hữu cơ và dinh dưỡng thích hợp, bùn phát triển tốt, lắng nhanh, bùn chuyển

từ màu nâu sẫm sang màu nâu vàng Hàm lượng bùn hoạt tính trong bể đã phát triển mạnh từ ngày thứ 12 tới ngày thứ 22, MLSS tăng từ 1500 lên 4400, trung bình mỗi ngày hàm lượng bùn hoạt tính trong bể tăng lơn hơn 500 mg/L Sau đó từ ngày 22 tới ngày

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

30, hàm lượng MLSS vẫn tiếp tục tăng lên, nhưng không tăng mạnh như giai đoạn trước, tới ngày thứ 30, hàm lượng bùn đạt giá trị 6010 mg/L

Để đánh giá mật độ sinh khối trong BHT hiếu khí cần xem xét thêm tỷ lệ MLVSS/MLSS

Từ các số liệu kết quả thể hiện trên đồ thị Hình 2.2 thấy rằng, tỉ lệ MLVSS/MLSS dao động từ 0,74 – 0,87 Khi cho BHT vào thích nghi với NTSH thì tỷ lệ MLVSS/MLSS giảm từ 0,8 xuống còn 0,75 Tỷ lệ này tăng lên trong 8 ngày tiếp theo, tăng từ 0,75 – 0,87 Tuy nhiên đến ngày thứ 14 thì tỷ lệ này giảm xuống còn 0,78 và ngày thứ 20 thì

tỷ lệ này còn 0,75 Nguyên nhân là do quá trình tiền xử lý chưa tốt, trong nước thải chứa nhiều cặn vô cơ (lúc này dùng rây lọc có kích thước lỗ 0,5 mm và nước đầu vào chưa được để lắng trước khi đưa vào bể) Do đó, sử dụng rây lọc có kích thước 0,1 mm thay thế cho rây lọc cũ để loại bỏ cặn tốt hơn Đến ngày thứ 22 – 30 thì tỷ lệ MLVSS/MLSS tăng lên từ 0,80 – 0,89 Tỷ lệ này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Chu Xuân Quang

và các cộng sự (2018), các tác giả kết luận tỷ lệ MLVSS/MLSS thích hợp cho hệ thống

xử lý nước thải sinh hoạt sử dụng bùn hạt hoạt tính dạng hạt nằm trong khoảng 0.73 – 0.89 [31]

Từ ngày thứ 26, MLSS tăng nhanh, tỷ lệ MLVSS/MLSS ổn định, BHT hiếu khí

có chất lượng tốt và thích nghi với NTSH, tuy nhiên để MLSS đủ cho các thí nghiệm sau thì hệ thống vận hành đến ngày thứ 30 Đối với quá trình BHT thông thường, tỉ số này thường là khoảng 0,8 [6] Điều này cho thấy, BHT sử dụng trong nghiên cứu có chất lượng tốt

Khả năng lắng của bùn (khả năng tách giữa pha rắn - lỏng trong bể phản ứng) thể hiện qua chỉ số SVI BHT có chỉ số SVI càng nhỏ lắng càng nhanh và càng đặc Chỉ số SVI của BHT trong bể dao động từ 67 - 105 mL/g (Hình 2.3), trong khi đối với hệ thống

BHT thông thường, SVI thường nằm trong khoảng 50 - 150 mL/g [31] Điều này chứng

tỏ BHT trong bể có sự thích nghi và tăng trưởng tốt với nước thải Như vậy có thể thấy trong cả quá trình, khả năng lắng của bùn gần như rất tốt Tuy nhiên, có những thời điểm bùn lắng không tốt, SVI dao động từ 102 – 105 mL/g từ ngày 22 đến ngày 26 Nguyên nhân có thể do thời gian sục khí kéo dài, lưu lượng khí cấp vào lớn, bông bùn vỡ và mịn hơn dẫn đến bùn khó lắng Ở giai đoạn sau đó, sau khi điều chỉnh hệ cấp khí, bùn phát triển tốt trở lại, SVI dao động từ khoảng 82 - 87 mL/g

Hình 2.3 Sự biến thiên của SVI trong quá trình nuôi sinh khối

2.2.2 Hệ thiết bị trong phòng thí nghiệm

Hệ xử lý nước thải được vận hành theo phương pháp hiếu khí - thiếu khí luân phiên trong với bể phản ứng có thể tích hữu dụng là 5 lít Hệ phản ứng vận hành liên tục theo quy trình sục khí – khuấy trộn luân phiên theo tỷ lệ thời gian 60 phút: 60 phút được thể hiện trong Hình 2.4

Chú thích:

(1) Bể chứa nước đầu vào (2) Bơm nước

(3) Van (4) Bể phản ứng (5)Bơm sục khí (6) Thiết bị đo lưu lượng khí (7) Cánh khuấy

(8) Hệ sục khí (9) Bể lắng (10) Bể chứa nước đầu ra

Hình 2.4 Hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí – thiếu khí luân

phiên

Thuyết minh quy trình xử lý nước thải:

Nước thải sinh hoạt chứa trong bể chứa nước đầu vào được bơm vào bể phản ứng Tại bể phản ứng, quá trình sục khí – ngưng sục khí diễn ra luân phiên nhau Trong giai đoạn sục khí giá trị DO được duy trì trong khoảng từ 2 – 4 mg/L, tại đây diễn ra quá

0 20 40 60 80 100 120

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, nitơ Amoni trong nước thải bị oxy hóa một phần tạo thành nitrit, nitrat Sau đó tới giai đoạn thiếu khí, trong giai đoạn này giá trị DO được duy trì nhỏ hơn 0,5 mg/L [17], nitrit và nitrat tạo thành sẽ bị khử để tạo thành khí nitơ Trong giai đoạn sục khí tiếp theo, các chất hữu cơ, amoni còn lại sẽ lại tiếp tục bị oxy hóa một phần, amoni bị oxy hóa thành nitrit, nitrat và chúng lại được khử thành khí nitơ trong quá trình ngưng sục khí tiếp theo Quá trình sục khí-ngưng sục khí lặp lại cho tới khi các chất ô nhiễm được xử lý hết Nếu như xử lý nước thải theo hệ luân phiên sục khí – ngưng sục khí quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, amoni và quá trình khử nitrat diễn ra xen kẽ nhau, hệ bùn hoạt tính thông thường sau khi kết thúc quá trình oxy hóa amoni và các chất hữu cơ mới diễn ra quá trình khử nitrit, nitrat (Hình 2.2)

Hình 2.5 Sơ đồ vận hành hệ thống luân phiên hiếu khí – thiếu khí

và hệ bùn hoạt tính thông thường

Sau khi xử lý nước sẽ được chảy qua bể lắng, tại đây bùn sẽ lắng xuống đáy của

bể Bùn sẽ được tuần hoàn lại bể phản ứng, lượng bùn hoạt tính dư sẽ được rút ra ngoài phía dưới đáy bể lắng Nước thải sau khi qua bể lắng được khử trùng trước khi thải ra môi trường

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Từ quá trình đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính tới hiệu quả xử lý của hệ thống, lựa chọn được hàm lượng bùn hoạt tính thích hợp phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo

Thí nghiệm 2 Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí đến hiệu quả xử lý COD, amoni, nitrit, nitrat, photpho

Thời gian cấp khí/ngừng cấp khí được thay đổi với các giá trị khác nhau:

Thời gian cấp khí/ngừng cấp khí = 50 phút/ 10 phút, 40 phút/20 phút, 30 phút/30 phút, 20 phút/40 phút, 10 phút/50 phút

Cơ sở lựa chọn các thông số vận hành cho thí nghiệm dựa vào các nghiên cứu trước đây về hệ thống sục khí luân phiên Trong nghiên cứu của Chang Kyoo Choi và các cộng sự (2015), các tác giả đã tiến hành thí nghiệm với hệ thống thiếu- hiếu khí luân phiên với hai chế độ cấp khí là 30 phút cấp khí/ 30 phút ngừng cấp khí và 60 phút cấp khí/ 60 phút ngừng cấp khí [15] Nghiên cứu của Mia Y.Zhang và các cộng sự (2022), các tác giả tiến hành thí nghiệm xác định hiệu quả của hệ thiếu – hiếu khí luân phiên với khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải Các tác giả lựa chọn thời gian lưu thủy lực là 6 giờ,thời gian cấp khí trong một giờ là 25 phút và 50 phút [34] Do đó, nghiên cứu lựa chọn các chế độ thời gian cấp khí như trên để tiến hành đánh giá

Sau mỗi giai đoạn cấp khí/ngừng cấp khí lấy mẫu nước thải tiến hành phân tích các chỉ tiêu COD, NH4+- N, NO3-- N, NO2-- N, PO43-- P để đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và quá trình nitrat hóa và quá trình khử nitơ

Sơ đồ thiết kế thí nghiệm thể hiện trên Hình 2.6:

Hình 2.6 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm

Nước thải đầu ra sau khi đưa vào bể xử lý sẽ được tiến hành xử lý qua hai giai

đoạn thiếu khí và hiếu khí Tại thời điểm này, thí nghiệm sẽ bắt đầu được diễn ra Mặt

khác, thời gian cài đặt cho một chu kỳ xử lý thiếu khí/hiếu khí sẽ diễn ra với năm chế

Nước thải đầu ra

Lấy mẫu

Phân tích:

BOD 5 ; COD; NH 4 + -N; NO 3 - N; NO 2 - -N; MLSS; MLVSS;

-SVI; DO