xử lý nitơ trong nước rỉ rác bằng phương pháp sinh học

ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HCM ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HCM SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN KTNĐ&BVMT ___________________ ______________ B B Á Á O O C C Á Á O O C C H H U U Y Y Ê Ê N N Đ Đ Ề Ề Chuyên đề : X X Ử Ử L L Ý Ý N N I I T T Ơ Ơ T T R R O O N N G G N N Ư Ư Ớ Ớ C C R R Ỉ Ỉ R R Á Á C C B B Ằ Ằ N N G G P P H H Ư Ư Ơ Ơ N N G G P P H H Á Á P P S S I I N N H H H H Ọ Ọ C C THỰC HIỆN: GS. TS. NGÔ KẾ SƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH THÁNG 11/2007 MỤC LỤC I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC RỈ RÁC (NRR) 1 II. CÁC CHỈ SỐ VÀ NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ SINH HỌC ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI 2 2.1. Nhu cầu oxy hóa sinh (BOD) 2 2.2. Tổng chất thải rắn lơ lửng 4 2.3. Tổng Nitơ 4 2.4. Tổng photspho 6 2.5. Nguyên tắc xử lý sinh học đối với nước thải 6 2.5.1. Sự phân hủy k ị khí 7 2.5.2. Sự phân hủy hiếu khí 8 III. KHỬ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI 9 3.1. Quá trình Nitrrat hóa 9 3.2. Quá trình phản Nitrrat hóa (Denitrification) 10 3.3. Quá trình Sharon 12 3.4. Quá trình Anammox 14 3.4.1. Cơ chế họat động của quá trình Anammox 15 3.4.2. Đặc điểm sinh lý học của vi khuẩn anammox 17 3.4.3. Vi sinh học quá trình Anammox 17 3.5. Tổng hợp các quá trình Nitơ sinh học trong tự nhiên 19 3.6. Khử Nitơ bằng phươ ng pháp ghép Sharon/Anammox 21 3.7. Khử Nitơ bằng công nghệ Snap 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 1 Báo cáo chuyên đề: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC GS. TS. Ngô Kế Sương I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC RỈ RÁC (NRR) Thành phần hóa học của NRR thường dao động rất lớn, tùy thuộc tính chất và nguồn thu nhận rác thải, cách chôn lấp và thời gian họat động của bãi chôn lấp cũng như cách lấy mẫu, kỹ thuật xử lý và bảo quản mẫu, thiết bị dụng cụ dùng trong phân tích và bản thân cán bộ thực hiện nhiệm vụ phân tích. Tuy nhiên, đặc điểm đặc trưng nhất của NRR từ nhiều nguồn khác nhau đều thể hiện ở một vài chỉ số quan trọng sau đây (xem bảng 1): 1.1. Nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy hóa sinh (BOD 5 ) đều rất cao (từ vài ngàn mg 0 2 /L ở NRR già đến hàng chục ngàn mg 0 2 /L ở NRR non hoặc tươi, tức là NRR bị phân hủy chưa sâu), tỷ lệ BOD 5 /COD càng nhỏ thì NRR càng già, thành phần COD trong dó bao gồm chủ yếu là các acide humic, acide fulvic và lignin. Đó là những hợp chất khó phân hủy sinh học. 1.2. Hàm lượng N-organic thường cao ở NRR non, trong khi hàm lượng NH3 ở NRR già lại rất cao và tồn tại khá lâu dưới dạng ion NH4+ khi giá trị pH của NRR là trung tính hoặc hơi acide. Bảng 1: Thành phần hóa học của nước rỉ rác (TM. Trí, 2007, NV. Phước, 2007, NP. Loan, 2007 và NV. Thu, 2007). BÃI CHÔN LẤP CHỈ SỐ Gò Cát Phước Hiệp Đông Thạnh Thời gian thu mẫu ĐƠN VỊ TÍNH NRR mới thu vào các tháng 2,3,4/2002 NRR cũ thu vào tháng 8 /2006 NRR mới thu vào tháng 1,4/2003 NRR cũ thu vào các tháng 4/03- 8/06 NRR thu vào các tháng 2,4/2002 NRR thu vào các tháng 8,11/2003 pH - 4,8 - 6,2 7,5 - 8,0 5,6 - 6,5 7,3 - 8,3 6,0 - 7,5 8,0 - 8,2 COD mgO 2 /L 39.614 - 59.750 2.950 - 7.000 24.000 - 57.300 1.510 - 4.520 38.533 - 65.333 916 - 1.702 BOD mgO 2 /L 30.000 - 48.000 1.010 - 1.430 18.000 - 48.500 240 - 2.120 33.570 - 56.250 235 - 735 BOD 5 / COD - 0,76 - 0,8 0,2 - 0,34 0,75 - 0,85 0,16 - 0,47 0,87 - 0,89 0,25 - 0,43 N-NH 3 mg/L 297 - 790 1.360 - 1.720 760 - 1.550 1.590 - 2.190 1.245 - 1.765 520 - 785 N-Organic mg/L 336 - 678 - 252 - 400 110 - 159 202 - 319 - TDS mg/L 7.300 - 12.200 9.800 - 16.100 18.260 - 20.700 6.500 - 8.470 10.950 - 15.800 9.100 - 11.100 Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 2 Với nồng độ rất cao lại tồn tại dưới nhiều dạng thức khác nhau Nitơ từ NRR có thể làm cạn kiệt nguồn oxy hòa tan của nguồn tiếp nhận, kích thích tăng trưởng các lòai thực vật nước, gây độc cho cho các lòai động vật sinh sống trong thủy vực; độc chất tạo ra còn có thể ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng dân cư, ảnh hưởng tới sự ổ n định của nguồn nước trong việc tái sử dụng. Ví dụ, Nitrate là sản phẩn oxy hóa NH 4 + khi nhiễm vào nguồn nước cấp có thể là tác nhân nguyên phát bệnh “da tái xanh ở trẻ em”. Sở dĩ như vậy vì Nitrite, sản phẩm khử Nitrate của vi khuẩn khư trú trong đường ruột người, có thể oxy hóa nguyên tố sắt trong Hemoglobin làm cho chất này trở thành Met-Hemoglobin, do đó không còn khả năng tiếp nhận oxy phân tử trong khi hô hấp, kết quả là da trẻ bị “nhuộm” xanh, nghẹt thở và dẫn đến tử vong. Giới hạn Nitrat trong nước thải sau x ử lý phải còn khỏang 12 mg/L trước khi xả thải vào ao hồ, còn nếu xả thải vào các con sông, con suối thì giới hạn tổng Nitơ theo Kjeldahl là 3 mg/L hoặc ở mức 0,2 mg/L đối với ammonia ở dạng NH 3 . Để đạt được các giới hạn vừa nêu nhiệm vụ của các nhà máy xử lý nước thải giàu ammonium nói chung và NRR nói riêng, không chỉ lọai bỏ được BOD, COD, TSS mà còn phải làm sao biến các hợp chất chứa Nitơ độc hại trở thành những hợp chất ít độc nhất cho môi trường. Vì vậy, việc khảo sát, phân tích đánh giá các quy trình khử Nitơ trong các lọai nước thải giàu NH 4 + như NRR chẳng hạn bằng phương pháp sinh học có thể sẽ tìm được những khuyến cáo hữu ích góp phần lựa chọn và đề xuất được các quy trình công nghệ khả thi và phù hợp để xử lý NRR. II. CÁC CHỈ SỐ VÀ NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ SINH HỌC ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI Nắm vững các chỉ số liên quan đến quá trình công nghệ xử lý nước thải sẽ rất hữu ích khi cần phân tích và lựa chọn những công nghệ thích hợp để xử lý nguồn nước thải nói chung cũng như xử lý riêng từng yếu tố gây độc hiện diện trong nước thải. Các chỉ số cơ bản đó là: Biochemical Oxygen Demand (BOD), tổng chất rắn hòa tan (TSS), Nitrat hóa (Ntrification) và Phản Nitrat hóa (Denitrification). Một vài quá trình căn bản liên quan đế n công nghệ xử lý nước thải cũng được đề cập. Nếu hiểu được phần lý thuyết đứng đằng sau các quá trình xủ lý căn bản đó thì sẽ dễ dàng nhận biết được vì sao lại áp dụng và áp dụng như thế nào các quá trình công nghệ ấy cho một đối tượng xử lý cụ thể. 2.1. Nhu cầu oxy hóa sinh (BOD) Nước thải chứa đựng nhiều các lọai chất hữu cơ và vô cơ khác nhau. Hợp phần hữu cơ chủ yếu trong nước thải là những chất cao phân tử được hình thành trên cơ Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 3 sở nguyên tố cacbon, phân và chất thải cũng như các chất tẩy rửa, xà phòng, mỡ động thực vật, dầu nhớt và các thức ăn thừa… (đặc biệt là rác từ nhà bếp còn thô hoặc đã xay nhỏ). Với sự có mặt của oxy các phân tử hữu cơ khổng lồ đó sẽ dễ dàng bị vi khuẩn phân hủy thành những phân tử nhỏ hơn, và sau đó thành C0 2 và nước. Lượng oxy cần cho quá trình đó được gọi là nhu cầu oxy hóa sinh – BOD hoăc BOD 5 , tức là lượng oxy thể hiện bằng số mg O 2 mà vi sinh vật tiêu thụ trong vòng 5 ngày để phân hủy được một lượng (hoặc nồng độ) vật chất hữu cơ tương đương. BOD cũng được dùng như là một tiêu chí để xác định độ sạch của nước thải đầu ra từ các nhà máy xử lý nước thải trước khi cho hòa nhập vào nguồn nước mặt hoặc xả thải vào sông, suối…Nước thải có nồng độ BOD cao khi xả thải vào thủy v ực dễ làm cạn kiệt oxy của các nguồn tiếp nhận, làm cho cá chết, làm thay đổi hệ sinh thái của thủy vực… Do đó người ta thường dựa vào tiêu chuẩn nước mặt mà quy định tiêu chuẩn BOD cho nước thải sau xử lý (thường phải xử lý để BOD đạt 30 mg O 2 /L - tức là mổi lit nước sau xử lý còn tiêu thụ 30 mg O 2 trong 5 ngày để phân hủy lượng chất hữu cơ còn lại trong đó). Tuy nhiên, hàm lượng BOD của nước thải cũng hết sức quan trọng đối với các hệ tự họai. Xử lý nước thải trong các hệ tự họai thường là quá trình xử lý kỵ khí (không có oxy). Thực vậy, sau khi chảy vào bể tự họai lượng oxy hòa tan sẵn có trong nước thải rất nhanh bị cạn kiệt do vi khuẩn hiếu khí sử dụ ng để phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Còn đa phần BOD dưới dạng các chất tẩy rửa và dầu mỡ bị mất đi do phân hủy kị khí hoặc do bị lắng tủa ở vùng thấm của hệ bể tự họai, Vì là nguồn thức ăn cho các vi khuẩn nên BOD giúp sớm tăng trưởng một lớp “đệm sinh học” (Biomat) nằm dưới vùng thấm. Đó là điều vừa tốt lại vừa xấu. Tốt ở chỗ “đệm khuẩn” đó có khả năng giữ lại các vi khuẩn và virus có hại hiện diện trong nước thải, không cho chúng thâm nhập vào mạch nước ngầm. Vi khuẩn bám trên “đệm sinh học” cũng phân hủy nốt phần BOD còn lại trong nước thải. Tuy nhiên khi lượng BOD quá lớn có thể làm cho bề mặt lớp “đệm sinh học” thừa sinh khối và khi nồng độ BOD cao đến mức mà tất cả oxy hòa tan bị tiêu thụ hết thì vùng “đệm sinh học” trở nên kị khí. Đó là điều không nên vì trong điều kiện đó nhiều vi khuẩn và nguyên sinh động vật cần thiết khác sẽ bị chết, làm hạn chế khả năng tự họai của bể. Lượng oxy ở vùng “đệm sinh học” thấp cũng đồng thời kích thích tăng trưởng các vi khuẩn kị khí không đ òi hỏi oxy. Nhiều lòai vi khuẩn kị khí tạo màng nhầy bao quanh nhanh chóng bịt kín các lỗ thóat ở vùng thấm (giống như trường hợp các lỗ thóat của phễu đã bị bịt kín để nước không còn chỗ thóat). Như vậy, sự quá thừa BOD trong nước thải làm cho màng thấm họat động yếu ớt, bể tự họai nhanh chóng mất khả năng tự hủy. Việc khử bớt BOD đặc biệt quan trọ ng khi nước thải chảy vào vùng thấm là lọai Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 4 đất chặt, khó thấm. Lọai đất kém thấm này thường cấu tạo từ bùn phù sa và sét (kích thước hạt < 0,05 mm). Những hạt đất nhỏ bé như thế thường xếp rất chặt và các khỏang trống giữa chúng thường rất hẹp. Khi nồng độ BOD giảm có nghĩa là nước thải đã giúp vi khuẩn tăng trưởng giới hạn, và do đó nước thải ở đầu ra có khả năng thấm vào đấ t khó thấm. Có những thiết kế đặc biệt để nước từ bể tự họai thấm nhanh vào bùn phù sa hoặc đất sét. Khử BOD trong bẻ tự họai có thể thực hiện khá dễ dàng nếu bể được cung cấp thêm oxy; nó sẽ giúp vi khuẩn tăng trưởng và phân hủy BOD hữu cơ. Vì thế khi thiết kế các hệ xử lý nâng cao người ta thường gắn thêm một bộ phận “tái sinh oxy”. Bộ phận này thườ ng được đặt ở giữa ngăn tự họai và ngăn thấm trong hệ tự họai hoặc đặt vào bên trong bể tự họai để cung cấp thêm oxy. Khi đó việc giảm BOD trở nên tương đối dễ dàng và quá trình tự họai trở nên có hiệu quả, nước thải sau bể tự họai có lượng BOD thấp sẽ chảy tiếp vào “vùng thấm”. Cần nhấn mạnh rằng BOD trong bể tự h ọai quá thấp cũng có thể dẫn tới việc tạo nên một hệ “đệm sinh học” họat động kém hiệu quả. Sở dĩ như vậy vì BOD cũng là nguồn thức ăn cho vi khuẩn phản Nitrat hóa - lọai vi khuẩn cần cho quá trình vô cơ hóa các hợp chất chứa Nitơ. Thực vậy, quá trình Nitrat/phản Nitrat hóa không thể vận hành hiệu quả nếu không có đủ BOD để nuôi các vi khuẩn tham gia quá trình này. 2.2. Tổng chất thả i rắn lơ lửng Nước thải dân dụng thường chứa một lượng lớn các chất rắn lơ lửng hữu cơ hoặc vô cơ.Các chất rắn này thường được đo bằng một đại lượng gọi là Tổng chất rắn lơ lửng hoặc TSS (Total Suspended Solids) và được biểu diễn bằng số mg TSS/Lit nước. Vật chất lơ lửng này là lọai vật th ể rất khó chịu vì nó có thể đi theo dòng nước thải xuống vùng thấm. Do đa phần là những hạt rất nhỏ nên chất rắn lơ lửng có khả năng bịt những lỗ trống nhỏ bé nằm giữa các hạt đất tại vùng thấm. Có nhiều cách để làm giảm TSS trong nước thải. Đơn giản nhất là sử dụng màng lọc để lọc nguồn nước thóat ra từ bể phân hủy. Đó là lọai “màng lọc gạn” làm bằng các phiến PVC có rãnh và nếp nhăn để cản chất rắn lơ lửng không cho tràn qua phần bể thấm. 2.3. Tổng Nitơ Nitơ hiện diện trong hệ tự họai dưới nhiều dạng khác nhau. Phần Nitơ do con người thải ra thường ở dạng hữu cơ (xác tế bào, protein, amino acid) và urea. Trong bể tự họai thì các hợp chất Nitơ hữu cơ bị vi khuẩn phân hủy khá nhanh thành Ammonia (NH 3 ). NH 3 là dạng Nitơ đầu tiên rời khỏi bể tự họai. Tuy nhiên, khi ở trong dung dịch NH 3 thường tồn tại dưới dạng các ion NH 4 + và sự hiện diện của Oxy giúp vi khuẩn oxy hóa chất này thành Nitrat (NO 3 - ). Ở các hệ tự họai thông thường với điều kiện thông thóang tốt thì đa phần Ammonia ở tầng thấm biến thành Ntrat. Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 5 Nitrat có thể gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe nếu như nó thâm nhập vào giếng, nơi cung cấp nước để ăn uống và sinh họat. Nitrat và các dạng khác của Nitơ có thể có hại đối với môi trường, đặc biệt là ở các vùng duyên hải, nơi mà sư thừa Nitơ kích thích một quá trình được gọi là phú dưỡng (Eutrophication). Vì lý do đó đã tạo ra các lọai công nghệ thích hợp cho phép lựa chọn để lọai Nit ơ khỏi nước thải. Các công nghệ đó thường sử dụng vi khuẩn oxy hóa Ammonia thành Nitrat và khí Nitơ (N 2 ) trả lại cho khí quyển. Sự biến đổi sinh học Ammonia thành khí Nitơ là một quá trình 2 bước. Ở bước thứ nhất Ammonia bị oxy hóa thành Nitrat và sau đó, ở bước hai Nitrat bị khử thành khí Nitơ. Các phản ứng trên đòi hỏi các điều kiện môi trường khác nhau và thường thực hiện ở các khu vực riêng trong hệ xử lý nước thải. Ở bước thứ nhất, sự biến đổi Ammonia thành Nitrit và sau đó thành Nitrat, được gọi là quá trình Nitrat hóa (NH 3 → NO 2 - → NO 3 - ). Tổng quát quá trình này được thể hiện qua 2 phương trình [1] và [2] như sau : NH 4 + + 3/2 O 2 → NO 2 - + 2H + + H 2 O [1] NO 2 - + ½ O 2 → NO 3 - [2] Cần nhấn mạnh rằng quá trình này đòi hỏi tiêu thụ oxy và chính nó cũng đóng góp thêm một phần BOD trong tổng BOD của nước thải. Quá trình này đươc các vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter thực hiện, chúng đòi hỏi có môi trường hiếu khí (sự có mặt của Oxy) để tăng trưởng và chuyển hóa Nitơ. Như vậy, quá trình nitrat hóa phải diễn ra trong điều kiện hiếu khí. Bước 2 của quá trình là sự biền đổi Nitrat thành khí Nit ơ được gọi là Phản Nitrat hóa (denitrification). Nó được thể hiện bằng phản ứng [3] như sau: NO 3 - + 5/6 CH 3 OH → 1/2 N 2 + 5/6 CO 2 + 7/6 H 2 O + OH - [3] Quá trình này do các vi khuẩn Pseudomonas denitrificans, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans…thực hiện. Để việc khử Nitrat thành khí Nitơ có thể sẩy ra bình thường thì mức oxy hòa tan trong môi trường phản ứng phải gần hoặc bằng số không; như vậy quá trình phản Nitrat hóa phải diễn ra trong điệu kiện kị khí. Tuy nhiên, để thực hiện phản Nitrat hóa các vi khuẩn trên cần được cung cấp năng lượng qua việc sử dụng vật liệu chứa cacbon hoặc BOD trong nướ c thải làm nguồn dinh dưỡng và chuyển hóa thành CO 2 . Sự giảm BOD của nước thải là rất cần thiết, nhưng, nếu nồng độ BOD còn lại quá thấp sẽ không đủ nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn tăng trưởng và lúc đó quá trình phản Nitrat hóa xảy ra không/kém hiệu quả. Rõ ràng là bất kỳ một hệ xử lý nước thải nào được thiết kế để lọai Nitơ bằng quá trình Nitrat hóa/phản Nitrat hóa đều phải được thiết kế làm sao để cả 2 quá trình Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 6 Nitrat hóa và phản Nitrat hóa sẩy ra một cách hài hòa và đồng bộ ở cả 2 khu vực hiếu khí và kị khí. 2.4. Tổng photspho Nồng độ phospho trong nước thải sinh họat trung bình khỏang 10 mg/L, tồn tại dưới dạng liên kết như polyphosphat hoặc orthophosphat. Phospho liên kết có nguồn gốc từ nước tiểu, phế thải thực phẩm…; khi bị phân giải sinh học chúng biến thành orthophosphat. Polyphosphat trong thành phần chất tẩy rửa, chiếm khỏang ½ tổng phospho trong nước thả i cũng bị thủy giải thành orthophosphat. Như vậy, phospho trong nước thải hiện diện chủ yếu dưới dạng orthophosphat và tồn tại dưới dạng các ion âm PO 4 3- , HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , chúng cũng có thể tạo thành dạng tổ hợp với các cation (các ion mang điện tích dương). Hiện vẫn chưa biết được có bao nhiêu phospho có thể lọai bỏ được trong các hệ tự họai thông thường. Một lượng nhất định có thể bị vi sinh vật lấy đi để tạo sinh khối (khi vi khuẩn chết thì đương nhiên löôïng phospho được giải phóng ra sẽ hòan trả lại cho bể tự họai; như thế càng khó xác định được có bao nhiêu phospho thực sự bị vi sinh vật lấy đi). Một lượng phospho trong bể tự họai cũng có thể bị lọai qua vùng thấm bằng kết tủa hóa học. Ở pH acid nhẹ (như thường thấy trong đất) orthophosphat liên kết với các cation sắt hoặc nhôm hóa trị 3 để tạo thành tủa FePO 4 và AlPO 4 không tan qua các phản ứng [4] và [5] như sau: Fe 3+ + (H n PO 4 ) (3- n) → FePO 4 + nH [4] Al 3+ + (H n PO 4 ) (3- n) → AlPO 4 + nH [5] Lượng sắt và nhôm trong nước thải sinh họat thường rất ít, chỉ là dấu vết. Tuy nhiên, ở một số lọai đất lại có khá nhiều sắt ở dạng liên kết với các hạt đất. Nhờ đó mà một khối lượng phospho đáng kể có thể bị lọai tại khu vực thấm.tự tạo. Có điều cần lưu ý thêm rằng khi môi trường đất vùng thấm trở nên k ị khí thì ion Fe 3+ có thể bị khử thành Fe 2+ hòa tan và có khả năng lưu chuyển vào mạch nước ngầm. Tương tự như vậy, hợp chất sắt-phospho cũng có thể bị phân hủy và phospho cũng sẽ trở thành dạng hòa tan và thâm nhập vào nguồn nước ngầm. Điều kiện kị khí ở lớp đất lọc cũng có thể sẩy ra khi vùng lọc không được thông thóang hoặc khi BOD trong nước thải quá cao làm cho nguồn oxy sớm bị cạn kiệt do oxy hóa chất h ữu cơ. 2.5. Nguyên tắc xử lý sinh học đối với nước thải Xử lý nước thải thực chất là sự vận hành các quá trình hóa sinh học với sự tham gia của các vi sinh vật để biến nước thải độc hại thành vô hại. Điều kiện môi trường tương thích đối với sinh trưởng và phát triển của mỗi nhóm vi sinh vật, ảnh hưởng đến hiệu quả họat động xử lý, đế n sự hình thành các sản phẩm cuối và sự hòan tất tòan bộ quá trình xử lý nước thải. Các hệ xử lý nước thải nói chung, dù là những hệ Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 7 tự họai rất chuẩn xác hoặc là những công nghệ xử lý tiên tiến, đều phải quan tâm trước hết đến việc tạo ra môi trường hóa sinh tốt nhất để kiểm sóat quá trình xử lý. Có 3 lọai biến đổi hóa sinh thường gập trong quá trình xử lý nước thải. Thứ nhất: khử vật chất hữu cơ hòa tan như chất tẩy rửa, dầu mỡ và chất thải hòa tan từ cơ th ể chẳng hạn; những chất này là hợp phần chủ yếu tạo nên BOD trong nước thải. Thứ hai: phân hủy và ổn định vật chất hữu cơ không hòa tan như các chất thải từ cơ thể và các thực phẩm thừa chẳng hạn; chúng là hợp phần của lượng BOD còn lại.Thứ ba: xử lý để giảm thiểu các hợp chất của nitơ và phospho tới nồng độ nhỏ nhất có thể để không ảnh hưởng tới môi trường sinh thái và sức khỏe con người. Hai môi trường hóa sinh chủ yếu mà trong đó sẩy ra quá trình xử lý nước thải là môi trường hiếu khí và môi trường kị khí. Hiếu khí là môi trường trong đó oxy hòa tan hiện diện với lượng đủ để vi sinh vật tăng trưởng và hô hấp, tức là các họat động sống không bị hạn chế do thiếu oxy. Ngược lạ i, kị khí là môi trường mà trong đó không có sự hiện diện của oxy hòa tan hoặc nếu có thì nồng độ cũng chỉ ở mức vừa đủ để hạn chế quá trình biến dưỡng hiếu khí. Môi trường hóa sinh thường ảnh hưởng rất sâu sắc đến sinh thái và dân số các vi khuẩn tham gia họat động xử lý nước thải. Các điều kiện hiếu khí hướng tới việc đảm bảo duy trì chuỗi thức ă n cho tòan bộ sinh vật từ vi khuẩn đến luân trùng và protozoa. Các vi sinh vật này phân hủy vật chất hữu cơ bằng việc sử dụng các con đường biến dưỡng khác nhau trên cơ sở hô hấp hiếu khí để tạo ra sản phẩm cuối cùng mà chủ yếu là cacbon dioxyd (CO 2 ). Điều kiện kị khí thường thích hợp cho họat động sống của các lọai vi khuẩn cổ nhằm tạo ra nhiều dạng sản phẩm chuyển hóa khác nhau. 2.5.1. Sự phân hủy kị khí Vật chất hữu cơ là thành phần chất rắn chủ yếu trong nước thải, nó giúp vi sinh vật tăng trưởng nhanh trong điều kiện môi trường xử lý hiếu khí. Còn trong điều kiện kị khí thì vi ệc phân hủy các vật liệu hữu cơ lại ít phục vụ cho việc tạo sinh khối. Lượng sinh khối tạo ra chỉ bằng khỏang 1/10 so với lượng sinh khối tạo ra khi xử lý trong điều kiện hiếu khí. Chức năng chủ yếu và có tính nguyên tắc của sự phân hủy kị khí là ổn định vật liệu hữu cơ không tan và chuyển hóa dần thành các sản phẩm cuối là nước và khí làm sao đượ c càng nhiều càng tốt (kể cả khí Metan) trong khi sinh khối tạo ra càng ít càng tốt. Vì lý do đó mà xử lý nước thải trong các bể tự họai thường được thiết kế theo nguyên lý họat động của quá trình kị khí. Vật liệu hữu cơ trong xử lý kị khí không bị phân hủy ngay thành CO 2 ; sản phẩm phân hủy là những hợp chất có trọng lượng phân tử nhỏ như các acid hữu cơ và rượu. Các phân tử này sẽ tiếp tục biến đổi kị khí thành metan hoặc thành khí CO 2 nếu được lưu chuyển vào môi trường có vi khuẩn hiếu khí (như vùng thấm trong bể tự họai chẳng hạn). Sự phân hủy kị khí vật liệu hữu cơ vì thế thường diễn ra chậm hơn phân hủy Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 8 hiếu khí và chính vì lẽ đó mà cần phải cân nhắc xem ở đâu cần phân hủy nhanh vật liệu hữu cơ thì ở đấy nên sử dụng quá trình phân hủy hiếu khí. Như đã bàn tới ở trên, môi trường kị khí là bắt buộc đối với quá trình phản Nitrat hóa, bởi vì các vi khuẩn thực hiện quá trình này đòi hỏi các điều kiện kị khí để khử Nitrat thành khí Nitơ. Tại nhiều hệ xử lý n ước thải người ta thường gắn thêm một thiết bị xử lý kị khí nhằm để lọai bỏ các hợp chất nitơ và được coi là một hợp phần mới của quá trình công nghệ xử lý nước thải. 2.5.2. Sự phân hủy hiếu khí Đó là quá trình phân hủy nước thải bằng vi khuẩn hiêu khí. Ưu điểm chính của quá trình này là khả năng phân hủy nhanh và đến cùng vật liệu hữu cơ làm cho nồ ng độ BOD giảm đến mức thấp nhất. Quá trình này được sử dụng trước hết để khử BOD, lọai Nitơ bằng quá trình Nitrat hóa/ Phản Nitrat hóa. Bởi lẽ hàm lượng BOD trong nước thải tươi thường cao nên lượng oxy hòa tan tiêu thụ quá nhanh nên đa phần các xử lý được thiết kế đều có gắn thêm thiết bị cung cấp oxy để duy trì họat động xử lý hiếu khí.Một số lọai thiết bị sử dụ ng cách sục khí mở rộng (extended aeration) để phân hủy hòan tòan chất rắn trong nước thải. Nhiều thiết bị xử lý hiếu khí được cung cấp thêm giá thể nhân tạo để vi khuẩn sinh trưởng bám lên bề mặt giá thể.Các hệ nuôi cấy bám như thế được thiết kế sao cho khi ở bên trong bể xử lý, nước thải sẽ chảy tràn lên bề mặt lớp màng vi khuẩn kết bám. Diện tích mặt tiếp xúc củ a “màng sinh học” (biofilm) này được tăng cường bằng cách đặt vào bồn xử lý một số lọai giá thể nhân tạo như các khối bọt hoặc các miếng nhựa xoắn với diện tích mặt tiếp xúc lớn. Môi trường nhân tạo trong bồn xử lý được sắp xếp sao cho dòng chảy chảy tuần hòan thường xuyên được bổ sung không khí để họat động xử lý luôn ở trạng thái hiếu khí. Cũng có thể đặt môi tr ường ở bên ngòai bồn xử lý và khi đó nước thải chảy qua “màng sinh học” theo các liều chu kỳ liên tục. Thiết bị lọc nhỏ giọt (trickle filters) được coi là thiết bị điển hình có sử dụng chủng nuôi cấy bám. Một số thiết kế khác lại sử dụng cát làm môi trường nuôi vi khuẩn bám. Vì các hệ nuôi cấy bám đều hiếu khí nên cả một tổ hợp nhiều quần xã vi sinh vật từ vi khuẩn hiế u khí, vi nấm, protozoa và luân trùng phát triển được trên đó. Các hệ này xử lý BOD rất hiệu quả. Vì là hiếu khí nên nó cũng hỗ trợ vi khuẩn Nitrat hóa phát triển và do đó có thể sử dụng để thực hiện quá trình Nitrat hóa ammonium trong nước thải. Các hệ hiếu khí khác sử dụng kiểu nuôi cấy huyền phù vi khuẩn để xử lý hiếu khí. Công nghệ này cho rằng, dân số vi khuẩn luôn bám dính trên bề mặt chất thải rắn và các hạt bùn tạo ra trong đó nhờ khuấy sục nên luôn ở trạng thái huyền phù, ở trạng thái này chúng thực hiện rất hiệu quả quá trình xử lý hiếu khí nước thải. [...]... gian lưu nước càng lâu + Thực hiện: GS TS Ngơ Kế Xương 12 Báo cáo chun đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng cơng nghệ sinh học thì hiệu quả biến đổi Ammonium theo quy trình SHARON càng lớn Trong điều kiện thực tế tại nhà máy xử lý nước thải Dokhaven (Hà Lan) hệ thống xử lý ammonium hoạt động trong các năm 1997/1998, 1999, 2000 cho hiệu quả loại Nitơ đạt giới hạn 80-90%, trong đó khoảng 70% tải trọng Nitơ loại... phát sinh lòai của vi khuẩn anammox (A): quan hệ với các chi khác thuộc bộ Planctomycetales (B) quan hệ giữa các chi và dòng có hoạt tính anammox (Schmid et al., 2005) 3.5 Tổng hợp các q trình Nitơ sinh học trong tự nhiên Các q trình Nitơ sinh học sẩy ra trong tự nhiên với sự tham gia của vi sinh vật được tổng hợp trong bảng 3 và sơ đồ khử N-NH4+ bằng phương pháp sinh học (bảng 3) Bảng 3: Các q trình Nitơ. .. 105 đến 455 ngày Giải pháp tốt nhất để vượt qua khó khăn nêu trên là làm giàu trước sinh khối vi khuẩn anammox từ bùn hoạt hóa Thực hiện: GS TS Ngơ Kế Xương 25 Báo cáo chun đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng cơng nghệ sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Trần Mạnh Trí, 2007: Báo cáo nghiệm thu đề tài: “Áp dụng các quy trình oxi hóa nâng cao để xử lý NRR đã qua xử lý sinh học ở nhà máy xử lý Gò Cát, thực hiện trên... Khử Nitơ bằng phương pháp ghép Sharon/Anammox Gần đây hai q trình SHARON và Anammox được ghép lại để xử lý nước thải giàu các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ và ammonium (hình 5) Trong nước thải, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ bị phân hủy thành acid amin, các chất này tiếp tục bị oxy hóa thành các acid hữu cơ và NH4+ Nồng độ ammonium trong nước thải Thực hiện: GS TS Ngơ Kế Xương 21 Báo cáo chun đề: Xử lý Nitơ. .. được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm và tại pilot Hình 5: Cơng nghệ SHARON/Anammox ghép với nhà máy xử lý nước thải để xử lý Nitơ NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI Cung cấp C Nước vào Bể lắng I Năng lượng sục khí Bể lắng II Aerobic bùn họat tính Anoxic Nước ra Bùn hồi lưu Xử lý bùn - Cơ đặc - Lọai nước - Phân hủy Nước ép bùn giàu NH4+ Bùn khơ Kiểm sóat pH 90% N2 Anammox 50% N-NH4 SHARON 50% N-NO2 10% N-NO3 Năng... nitrit XỬ LÝ NƯỚC ÉP BÙN BẰNG CƠNG NGHỆ SHARON/Anammox Do bị oxy hóa hạn chế nên ở bể SHARON chỉ khoảng 50% NH4+ của nước thải Thực hiện: GS TS Ngơ Kế Xương 22 Báo cáo chun đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng cơng nghệ sinh học đầu vào biến thành NO2- và sau đó ở bể Anammox hiệu quả biến đổi hỗn hợp NH4+/NO2- (tỷ lệ khỏang 50/50) thành N2 đạt tới 95%, một lượng nhỏ NH4+ còn lại biến đổi thành NO3- Xử lý nước. .. Thực hiện: GS TS Ngơ Kế Xương 14 Báo cáo chun đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng cơng nghệ sinh học được Anammox là q trình sinh học, trong đó ammonium được oxy hóa trong điều kiện kỵ khí với Nitrit là yếu tố nhận điện tử để tạo ra khí Nitơ (Van de Graaf et al., 1995, 1996 và 1997) Tiếp đó, phản ứng Anammox cũng lần lượt được phát hiện tại các hệ xử lý nước thải ở Đức (Schmid et al., 2000), Nhật bản (Furukawa... khí trong bùn sẽ phản Nitrat hóa chất thải Đó là cơ sở khoa học của cơng nghệ sử dụng bùn họat tính trong các tháp xử lý theo mẻ Như tên gọi cho thấy, sau mỗi lần xử lý hiếu khí nước thải trong tháp được cho lắng tủa để lọai bỏ chất rắn; sau đó bể này lại được sục khí, đảo trộn và cho lắng tủa để qua giai đọan xử lý kị khí (q trình này có thể lặp lại một số lần) Khi việc xử lý đã hòan tất thì mẻ nước. .. một trong những động Thực hiện: GS TS Ngơ Kế Xương 11 Báo cáo chun đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng cơng nghệ sinh học thái thích hợp nhằm tạo thuận lợi cho sự thóat khí Nitơ, đặc biệt trong trường hợp khi khí này bị lưu giữ trong bùn và đồng thời cũng là động tác tái tạo hỗn hợp bùn lỏng trước khi cho hồi lưu một phần, còn lượng bùn thừa được lưu chuyển sang bồn lắng Tuy nhiên cần lưu ý rằng phương pháp. .. cứu triển khai cơng nghệ xử lý nước rác bằng chế phẩm vi sinh trên giá thể Diatomit quy mơ 10 m3/ngày 3 Nguyễn Thị Phương Loan, 2007: Báo cáo nghiệm thu đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả và giảm chi phí xử lý NRR”, Sở Khọc & Cơng nghệ Tp HCM 4 Nguyễn Việt Thu, 2997: Báo cáo nghiệm thu đề tài: “Hòan chỉnh quy trình cơng nghệ xử lý NRR Gò Cát cơng suất 10 m3/ngày”, Sở Khoa học & Cơng nghệ Tp HCM 5 . Khử Nitơ bằng công nghệ Snap 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương 1 Báo cáo chuyên đề: XỬ LÝ NITƠ TRONG. 1 Báo cáo chuyên đề: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC GS. TS. Ngô Kế Sương I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC RỈ RÁC (NRR) Thành phần hóa học của NRR thường dao động rất lớn,. động xử lý, đế n sự hình thành các sản phẩm cuối và sự hòan tất tòan bộ quá trình xử lý nước thải. Các hệ xử lý nước thải nói chung, dù là những hệ Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng