nghiên cứu xử lý ni tơ trong nước thải bằng hệ thống tổ hợp hiếu khí và thiếu khí

Ngoài nguồn nước thải khổng lồ , thải ra từ các hoạt động của con người thì chúng ta cũng phải đối mặt với một hiện tượng môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng là hiện tượng phú dưỡn

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THCS GIANG BIÊN - LONG BIÊN

**************

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ

LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI

SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ TỔ HỢP THIẾU KHÍ-HIẾU KHÍ

MỤC LỤC

PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 3PHẦN II: TỔNG QUAN VÀ ĐIỂM MỚI ĐIỂM SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI .4PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 5PHẦN IV: KẾT LUẬN 27

PHẦN I:

LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nước cần cho mọi sự sống và phát triển Nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổichất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ.Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống

Ở nước ta hiện nay, hầu hết các khu đô thị, khu dân cư, làng, xã hay một số điểm du lịch được xây dựng phục vụ nhu cầu con người có nguồn nước thải sinh hoạt sinh ra còn chưa được xử lý triệt để, mặc dù một vài nơi có hệ thống xử lý tâptrung nhưng còn nhiều khó khăn về vấn đề vận hành cũng như các chi phí xử lý cao dẫn đến nước thải sinh hoạt không đạt tiêu chuẩn môi trường mà đã xả trực tiếp ra sông, hồ Ngoài nguồn nước thải khổng lồ , thải ra từ các hoạt động của con người thì chúng ta cũng phải đối mặt với một hiện tượng môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng là hiện tượng phú dưỡng gây ra do bùng nổ các loài rong, tảo, thực vật phù du và nồng độ chất dinh dưỡng Nitơ, Phôtpho quá cao Điều đó khiến tình trạng tầng nước mặt bị ô nhiễm, bốc mùi khó chịu, nước có màu xanh đen hoặc đen, theo thời gian sẽ ảnh hưởng tới tầng nước ngầm làm mất cảnh quan cũngnhư biến đổi hệ sinh thái nước và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người

Ngày nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt, nhưng phương pháp sinh học được áp dụng rộng rãi hơn cả Phương pháp này cũng đã được ứng dụng để xử lý Nitơ trong nước thải từ những năm 1960 Xuất phất từ những lí do trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường nước, bước đầu chúng tôi thực

hiện: “Nghiên cứu xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng công nghệ tổ hợp hiếu khí - thiếu khí”.

PHẦN II

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO

CỦA CỦA ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu xử lý các nguồn ô nhiễm vô cơ cũng như hữu cơ trong nước được coi là biện pháp tối ưu nhất để giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước Kế thừa và phát huy những nghiên cứu trước đây, đề tài của chúng tôi đã có thêm những bước cải tiến hơn về mặt kĩ thuật cũng như chọn nguồn vi sinh vật thiếu khí – hiếu khí Trong phương pháp thực nghiệm chỉ sử dụng hai loại bình (thiếu khí – hiếu khí) khiến cho hệ thống xử lý bớt cồng kênh hơn hệ thống hiếu khí – thiếu khí – kị khí

mà vẫn cho hiệu suất xử lý tương đương Bên cạnh đó, nguồn vi si vật thiếu khí, hiếu khí tương đối dễ nuôi cấy hoặc trực tiếp tận dụng bùn vi sinh ở các nhà máy sản suất sữa Nguồn vốn ban đâu của của hệ thống o quá cao nên phủ hợp với thực

tế lượng nước thải sinh hoặt không tập trung một chỗ

PHẦN III

QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

1.1 Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui chơi giải trí,

cơ quan công sở, … Thông thường, nước thải sinh hoạt của hộ gia đình được chia làm hai loại chính: nước đen và nước xám Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh

và cặn lơ lửng Nước xám là nước phát sinh từ quá trình rửa, tắm, giặt, với thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là Nitơ và Phốt pho Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng N và P rất lớn, nếu không được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng – một hiện tượng thường xảy ra ở nguồn nước có hàm lượng N và P cao, trong đó các loài thực vật thủy sinh phát triển mạnh rồi chết đi, thối rữa, làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thải sinh hoạt, đặc biệt là trong phân, đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi các vi sinh vật có trong phân Vi sinh vật gây bệnh từ nước thải có khả năng lây lan qua nhiều nguồn khác nhau, qua tiếp xúc trực tiếp, qua môi trường (đất, nước, không khí, cây trồng, vật nuôi, côn trùng…), thâm nhập vào cơ thể người qua đường thức ăn, nước uống, hô hấp,…,và sau đó có thể gây bệnh Vi sinhvật gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào và giun sán Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước

và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng

Trong quá trình sinh hoạt, con người xả vào hệ thống thoát nước một lượng chất bẩn nhất định, phần lớn là các loại cặn, chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng Ở

nước ta Tiêu chuẩn TCXD 51:2007 quy định về lượng chất bẩn tính cho một người dân xả vào hệ thống thoát nước trong một ngày theo bảng 1 sau đây.

Bảng 1: Lượng phát thải sinh hoạt bình quân của một người trong

một ngày xả vào hệ thống thoát nước(theo quy định của TCXD 51:2007)

Bảng 2: Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư

Dựa vào các số liệu trên ta thấy lượng nước thải tập trung của các khu dân

cư là rất lớn, ví dụ như tổng lượng nước thải ở thành phố Hà Nội riêng năm 2006

là 500.000m3/ngày

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng ở nướcthải sinh hoạt là BOD5, COD, Nitơ, Phốtpho, SS, TOC chất tẩy rửa, trong nước thải sinh hoạt hàm lượng Nitơ và phốtpho rất lớn, (từ 50 đến 55%), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có vi sinh vật gây bệnh phát triển Nếu không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng Đồng thời trong nước thải còn

có nhiều vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ, cần thiết cho các quá trình chuyển hoá chất bẩn trong nước Như vậy nước thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và các

cơ sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn cao,

nhiều vi khuẩn gây bệnh là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước.Và vấn đề đặt ra là yêu cầu chất lượng nước thải sau khi xử lý phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn thải sau:

Bảng 3 Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT

TT Thông số ô nhiễm Đơn vị

Giới hạn cho phép (QCVN 14:2008)

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước thải

1.2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải

Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu

cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat) Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá

Sơ đố sự ô nhiễm Nitơ trong nước thải:

Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành phần phân huỷ protein như là các peptit, axit amin, urê

Hàm lượng amoniac (NH3) chính là lượng nitơ amôn (NH+

4) trong nước thảisinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khác có thể rất cao Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong nước thải công nghiệp: chế biến sữa, rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc da

Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%).Nguồn nitơ chủ yếu là từ nước tiểu Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH2)2) là 0,7g, lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH4) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước là 7 g/ng.ngày còn lại là các loại nitơ khác

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước

Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước, nhưng nguyên nhân chínhdẫn đến ô nhiễm Nitơ trong nước theo đánhgiá của các nhà khoa học là từ các nguồn nước như nước thải sinh hoạt, nước thải

công nghiệp có chứa các hợp chất Nitơ, phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Bên cạnh đó, rác thải ở nhiều khu dân cư không được thu gom xử lý đã tácđộng xấu tới nguồn nước Ở Việt Nam, một nguồn chính khác góp phần gây ô nhiễm Nitơ trong nước là các hoạt động sản xuất nông nghiệp, nước ta đang sử dụng trên 9 triệu ha đất nông nghiệp, hằng năm phải bón 5-7 triệu tấn phân hóa học Như vậy, phân bón hóa học (urê, lân, kali) sẽ còn một lượng dư thừa lớn, có tới hang nghìn tấn các chất N, P, K trong đất mỗi năm sẽ rửa trôi theo sông ngòi, mương rạch ảnh hướng đến nguồn nước cấp sinh hoạt, hoặc ngấm xuống gây ô nhiễm tầng nước ngầm Không chỉ vậy, một số ngành công nghiệp có nước thải chứa Nitơ cũng là nguồn gây nên tình trạng ô nhiễn Nitơ trong môi trường nước Với mức độ tăng trưởng kinh tế như hiện nay, chắc chắn Việt Nam sẽ gặp khó khăn đáng kể với vấn đề ô nhiễm môi trường nước nếu không có các biện pháp xử

lý ô nhiễm phù hợp và kịp thời

1.2.3 Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người

Sự ô nhiễm N trong nước thải gây những ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước mặt, nước ngầm Dòng nước thải ô nhiễm Nitơ làm tăng đáng kể hàm lượng dinh dưỡng trong nước gây ra hiện tượng phú dưỡng trong ao, hồ, sông ngòi.Gây chết cá cũng như tác động nhiều đến đời sống của vi sinh vật trong nước từ đósinh ra các mùi khó chịu, các khí độc làm ô nhiễm môi không khí và môi trường sống làm ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Tại Hà Nội, nước sông Tô Lịch rất đen và bốc mùi khó chịu, những ngày nước cạn, khí độc trong bùn sộc lên (do phânhủy yếm khó dưới đáy) làm chết cá và mùi xú uế thì lan tràn ra các khu dân cư Đến nay, hầu hết các hồ trong nội thành Hà Nội chỉ còn sót lại rất ít cá rô và sinh vật nhỏ.Trên thực tế, những tác động này xảy ra ở khắp nơi, quy mô trên cả nước

và ngày càng hết sức nghiêm trọng.Ô nhiễm Nitơ trong nước thải cũng gây ảnh hưởng đến nguồn nước cấp sinh hoạt Theo đánh giá của các nhà khoa học Amoni (NH4+) thì hầu như không ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý Amoni sẽ chuyển thành Nitrit (NO2-) và Nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại đối với con người Nitrit là chất rất độc hại đối vì nó có thể chuyển hóa thành Nitrosami, chất này có khả năng gây ung thư

ở người Có nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng nitrit và nitrat rất độc với trẻ em vìnguy cơ gây bệnh mất sắc tố máu Methaemoglobinaemia, đặc biệt là với những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn 6 tháng tuổi dễ mắc phải bện này do hàm lượng enzym Methaemoglobinaemia reductase tương đối thấp – đây là một loại enzym tế bào máu đỏ có khả năng chuyển hóa methemoglobin trở thành hemoglobin Ngoài ra, thức ăn có hàm lượng nitrit và nitrat cao cũng rất đáng lo ngại Theo chuỗi thức ăn,các hợp chất sẽ tồn tại trong cơ thể con người và đây là những hiểm họa tiềm ẩn đối với sức khỏe con người

Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư thì chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ được nêu ở bảng sau:

Bảng 4: Chỉ tiêu trung bình hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt

Việt Nam với tốc độ đô thị hóa nhanh cùng với sự phát triển của công nghiệp Tỉ lệ dân số tại các thành thị tăng cùng với tốc độ đô thị hóa Nước thải từ các thành phố, khu dân cư tập trung, khu công nghiệp cũng tăng theo mức tăng dân

số với lượng thải lớn vì vậy ô nhiễm Nitơ trong nước gây ra những ảnh hưởng trực tiếp tới nguồn nước cũng như hệ sinh thái tiếp nhận và những ảnh hưởng gián tiếp đến môi trường sống, sức khỏe con người Do đó, vấn đề ô nhiễm nước thải sinh hoạt nói chung và ô nhiễm Nitơ nói riêng cần được các nhà quản lí, các nhà khoa học và mọi người dân chú trọng quan tâm nhiều hơn nữa

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt

1.3.1 Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt

Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải có thể chia thành:

+ Phương pháp vật lí: lọc, làm thoáng, kết tủa bằng điện cực, thẩm thấu ngược… các phương pháp này cho hiệu suất không được cao

+ Phương pháp hóa lý: sục khí đuổi ammoniac trong môi trường kiềm, xử lýNitơ tồn tại dưới dạng NH4+…

+ Phương pháp hóa học: oxi hoa bằng các chất oxi hóa gốc clo, đông tụ hóa học, trao đổi ion chọn lọc với NO3-…

+ Phương pháp sinh học: sử dụng các vi sinh vật có sẵn trong nước thải hoặc bổ sung thêm các chủng, giống vi sinh vật để nâng cao hiệu suất xử lý nước thải Các phương pháp sinh học có thể được duy trì trong các điều kiện yếm khí (không có oxy), thiếu khí và hiếu khí (bổ sung thêm oxy từ ngoài vào)

1.3.2 Công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán bằng tổ hợp thiếu

khí – hiếu khí.

Việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải Các phương pháp chính thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là: phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý, và phương pháp sinh học.Các phương pháp hóa học dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm có: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại Cơ sở của phương pháp này là các phảnứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào, Do đó, ưu điểm của phương pháp làcó hiệu quả xử lý cao, thường được sử dụng trong các hệ thống xử

lý nước khép kín Tuy nhiên,phương pháp hóa học có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thảisinh hoạt với quy mô lớn.Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là

áp dụng các quátrình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó

để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễm môi

trường Những phương pháp hoá lý thường được áp dụngđể xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêulọc… Giaiđoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng với các phươngpháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là sử dụngkhả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân huỷ các chất hữu cơ

và các thành phần ônhiễm trong nước thải Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu

có năm nhóm chính: quá trình hiếukhí, quá trình trung gian anoxic, quá trình kị khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic –kị khí các quá trình hồ Căn cứđặc tính đầu vào và đầu ra của nước thải sinh hoạt mà hiện nay trên thế giới nói

chung và Việt Nam nói riêng công nghệ xử lý thường là sự kết hợp xử lý cơ học vàphương pháp xử lý sinh học và qua các bước sau:

- Tiền xử lý: Có nhiệm vụ loại bỏ ra khỏi nước thải tất cả các vật có thể gây tắc nghẽn đường ống làm hư hại máy bơm

- Xử lý sơ bộ: Có nhiệm vụ lắng cát và tách dầu mỡ ra khỏi nước thải đồng thời điều hòa lưu lượng và nồng độ nước thải

- Xử lý sinh học: Mục đích quá trình xử lý sinh học và lợi dụng các hoạt động sống

và sinh sản của vi sinh vật để khử các hợp chất hữu cơ chứa cacbon, Nitơ, photpho trong nước thải đây là bước xử lý quan trọng cho nước thải sinh hoạt quyết định chất lượng nước đầu ra Với hiệu suất xử lý khá cao 90-99% ít sử dụng hóa chất, chi phí xử lý thấp hơn so với các phương pháp khác

Xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học dựa trên hai quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat

Quá trình nitrat hóa: Sử dụng các vi sinh vật tự dưỡng Vi sinh vật của quá trình Nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật: Nitrosomonas và Nitrobater Cả hai

nhóm vi sinh vật mày đều có những yêu cầu khá đặc trưng đối với các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và chúng có tốc độ tăng sinh khối

ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng Nitrosomonaschỉ có thể oxy hóa

NH4+ thành NO2-, sau đóNitrobacter làm chức năng chuyển hóa NO2- thành NO3-