Nghiên cứu xử lý nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến

ÐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ÐẠI HỌC NÔNG LÂM  ĐÀO THỊ ÁNH DƯƠNG Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HỆ BÙN HOẠT TÍNH AAO CẢI TIẾN” KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Khoa học môi trường Khoa : Môi trường Khóa học : 2013 - 2015 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Thị Lan Khoa Môi trường - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên Thái Nguyên, năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực tập làm khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân em còn nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ gia đình, bạn bè, sự tận tình chỉ bảo của các thầy cô giáo và các cán bộ khoa học công tác tại Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD)- Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Lê Văn Chiều - Trưởng Phòng Công nghệ Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD) - người đã dìu dắt giúp đỡ em trong những bước đầu tiên tiên và tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian em làm khóa luận. Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán bộ công tác tại Phòng Công nghệ - Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD) đặc biệt là Ths. Nguyễn Trường Quân, Nguyễn Việt Hà, Nguyễn Thị Trang và Võ Thị Thanh Tâm những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian em làm việc tại đây. Em xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Đỗ Thị Lan và các thầy cô trong khoa Môi trường - Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên là những người đầu tiên không chỉ mang đến cho em niềm đam mê mà còn truyền đạt cho em rất nhiều kiến thức bổ ích, tận tình giúp đỡ cho em trong những năm học tập và rèn luyện tại trường. Cuối cùng em xin cảm ơn đến gia đình bạn bè, những người luôn tin tưởng và cổ vũ cho em trong suốt thời gian qua, để em có thể hoàn thành tốt đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên ĐÀO THỊ ÁNH DƯƠNG DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học 6 Bảng 2.2. Hợp chất photpho và khả năng chuyển hóa 7 Bảng 3.1. Chất lượng nước thải dự kiến đưa vào hệ pilot để khảo sát 23 Bảng 4.1. Thành phần nước thải trại lợn sau pha loãng 26 Bảng 4.2. Tổng hợp các kết quả khảo sát hệ xử lý AAO cải tiến 40 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Một số cấu trúc điển hình của màng vi sinh (dạng xếp lớp, dạng hình nấm, dạng hợp lưu và dạng lông mao; kể từ trên xuống, từ trái sang phải) 11 Hình 2.2. Vật liệu mang xốp dạng khối lập phương hình a (sản phẩm thương phẩm của nghiên cứu), hình b (sản phẩm của Hàn Quốc) 15 Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động 15 Hình 2.4. Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng tĩnh. 15 Hình 3.1. Mô tả nguyên lý hoạt động 21 Hình 4.1. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ 27 Hình 4.2. Diễn biến của tổng N trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ . 28 Hình 4.3. Diễn biến của NH 4 + trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ 29 Hình 4.4. Diễn biến của NO 3 - trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ 30 Hình 4.5. Diễn biến của octophotphat và tổng P trong chế độ HRT = 24 giờ 30 Hình 4.6. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ HRT = 24 giờ 31 Hình 4.7. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m 3 /h 32 Hình 4.8. Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m 3 /h 33 Hình 4.9. Diễn biến của NH 4 + trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m 3 /h 33 Hình 4.10. Diễn biến của NO 3 - trong chế độ HRT: 36 giờ, Qr = 7,2 m 3 /h 34 Hình 4.11. Diễn biến của octophotphat và P tổng trong chế độ HRT: 36 giờ, Qr = 7,2 m 3 /h 35 Hình 4.12. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m 3 /h 35 Hình 4.13. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU 36 Hình 4.14. Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU 37 Hình 4.15. Diễn biến của NH 4 + trong chế độ HRT: 36 giờ, có vật liệu xốp PU 38 Hình 4.16. Diễn biến của NO 3 - trong chế độ HRT: 36 giờ, có vật liệu xốp PU 38 Hình 4.17. Diễn biến của otophotphat và P tổng trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU 39 Hình 4.18. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU 40 Hình 4.19.Thiết lập quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lý 42 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AAO Anaerobic - anoxic - oxic Yếm khí - thiếu khí - hiếu khí BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi sinh hóa BTNMT Bộ tài nguyên môi trường COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hóa học COD t COD tổng COD ht COD hòa tan HSXL Hiệu suất xử lý HRT Hydrcalic Residence time Thời gian lưu PAO Polyphosphate Accumulatin Organisms Vi khuẩn tích lũy photpho QCVN Quy chuẩn Việt Nam NSXL Năng suất xử lý T-N Tổng số nito T-P Tổng số photphat TSS Tổng chất rắn lơ lửng MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 2 1.3. Mục đích nghiên cứu 2 1.4. Ý nghĩa của đề tài 2 1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học 2 1.4.2. Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất 2 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 2.1. Các cơ sở nghiên cứu của đề tài 4 2.1.1. Nước thải giàu N, P 4 2.1.2. Xử lý hợp chất N 5 2.1.3. Xử lý hợp chất P 7 2.1.4. Xử lý đồng thời hợp chất vô cơ 8 2.1.5. Xử lý thành phần chứa N, P bằng công nghệ vi sinh 9 2.1.6. Công nghệ màng vi sinh 10 2.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16 2.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 16 2.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 17 PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu 20 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu 20 3.2. Địa điểm và thời gian tiến hành 20 3.2.1. Địa điểm tiến hành 20 3.2.2. Thời gian tiến hành 20 3.3. Nội dung nghiên cứu 20 3.4. Phương pháp nghiên cứu 21 3.4.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm 21 3.4.2. Phương pháp thực nghiệm 24 3.4.3. Các phương pháp phân tích 24 3.4.4. Các phương pháp thu thập số liệu 25 PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 26 4.1. Diễn biến thành phần nước thải 26 4.2. Đánh giá các chế độ 27 4.2.1. Chế độ thời gian lưu nước 24h, Qr = 7,2 m 3 / h 27 4.2.2. Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, Qr = 7,2 m 3 /h 31 4.2.3. Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, có vật liệu xốp PU gắn biofilm 36 4.3. Mối quan hệ giữa năng suất xử lý và tải lượng 41 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 5.1. Kết luận 43 5.2. Kiến nghị 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 I. Tài liệu tiếng Việt 44 II. Tài liệu tiếng Anh 45 PHỤ LỤC 1 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của xã hội, vấn đề ô nhiễm môi trường cũng ngày càng trở nên đáng báo động, trong đó có vấn đề ô nhiễm nước. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận. Rất nhiều hợp chất gây ô nhiễm trong nước thải có khả năng chuyển hoá cao trong môi trường nước tự nhiên thông qua các phản ứng hoá học, sinh hoá, quang hoá và tác động đến cân bằng sinh thái của môi trường. Thành phần gây ô nhiễm trong nước thải, xét về khía cạnh tác động gây hại và giải pháp công nghệ xử lý, có thể chia thành ba nhóm chính: chất hữu cơ có khả năng sinh hủy, thành phần dinh dưỡng và loại hợp chất hóa học cần đặc biệt quan tâm. Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thành phần dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường. Tác dụng xấu của nước thải lên môi trường được con người nhận biết từ lâu và luôn tìm cách hạn chế. Kỹ thuật hay công nghệ xử lý nước thải có thể được đặc trưng bởi trình độ phát triển qua các giai đoạn: xử lý sơ cấp, thứ cấp và bậc ba (phương pháp tiên tiến). Rất nhiều các giải pháp kỹ thuật được sử dụng để xử lý nước thải đã và đang được sử dụng trong các điều kiện khác nhau như kỹ thuật huyền phù, cố định vi sinh trên chất mang, kỹ thuật bùn hoạt tính, đĩa quay, lọc nhỏ giọt, tầng cố định, tầng giãn nở, tầng linh động (lưu thể) hoặc tổ hợp (lai ghép) của các kỹ thuật trên. Mỗi phương pháp kỹ thuật đều có những ưu, nhược điểm riêng. Xử lý các thành phần gây ô nhiễm trong nước thải đòi hỏi mức độ phát triển công nghệ khác nhau. Việc xử lý mức độ khó và chi phí tốn kém đối với việc xử lý các chất thải chứa thành phần chứa chất dinh dưỡng hay các hợp 2 chất hoá học đặc biệt nêu trên. Nhận biết được mức độ gây hại của thành phần dinh dưỡng trong nước thải, vào thập kỷ 90, một loạt các nước công nghiệp đề ra chiến lược và qui định kiểm soát các yếu tố trên. Công nghệ xử lý nước thải luôn được phát triển và hoàn thiện trên cơ sở những thành tựu mới về khoa học, kỹ thuật nhằm hạ giá thành xây dựng và vận hành hệ thống xử lý nước thải cũng như nâng cao chất lượng nước sau khi xử lý. Tuy nhiên hiện nay việc xử lý nước thải nói chung và nước thải giàu N, P nói riêng theo hướng áp dụng các kỹ thuật sinh học được chú trọng phát triển mạnh trong thời gian gần đây do chúng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện trong tự nhiên. Từ các lý do trên em lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến” 1.2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá các chế độ vận hành hệ xử lý phối hợp đồng thời nitơ và phốtpho hệ thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu, tải lượng đến khả năng xử lý N và P. - Thiết lập quan hệ tải lượng hữu cơ - năng suất xử lí N và P, nhằm đưa ra giá trị thông số thiết kế áp dụng cho các hệ thống qui mô lớn trong thực tiễn. 1.3. Mục đích nghiên cứu Đánh giá số liệu, hiệu chỉnh vận hành phù hợp; đề xuất hiệu chỉnh cho quy trình tổng thể hợp nhất xử lý nước thải giàu N, P. Đánh giá hiệu quả kinh tế của đề tài. 1.4. Ý nghĩa của đề tài 1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học + Vận dụng kiến thức đã học + Nâng cao tay nghề 1.4.2. Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất Ý nghĩa thực tiễn của việc áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải là vô cùng quan trọng trong đời sống. Vừa mang lại lợi ích cho kinh [...]... khoa học và có tính khả thi trong công nghệ xử lý nước thải bị amoni bằng quá trình ANAMMOX 20 PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu + Nước thải từ trang trại chăn nuôi dự kiến từ trại lợn xã Thụy Phương, Đông Ngạc, Hà Nội + Hệ thống bùn hoạt tính AAO cao tải xử lý nitơ và phốtpho với 3 giai đoạn: yếm khí, thiếu khí và hiếu... cũng được tiến hành về quá trình ANAMMOX trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn nhưng tất cả mới đang trong giai đoạn đầu Trong những năm gần đây TS Hoàng Phương Hà, phòng Công nghệ Sinh học Môi trường, Viện Công nghệ Sinh học-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã và đang nghiên cứu thử nghiệm với đề tài: Nghiên cứu quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (ANAMMOX) để ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải ô... gian nghiên cứu hệ thống với kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán thu thập đầy đủ số liệu thực hiện tiếp bước nghiên cứu tiếp theo dùng vật liệu mang vi sinh phân tán Polyerutan (dạng đệm mút kích thước LxWxH = 2x2x2cm) 3.4.2 Phương pháp thực nghiệm Tiến hành các thí nghiệm xử lý đồng thời nitơ và phốtpho trong nước thải ô nhiễm cao bằng hệ thống bùn hoạt tính cải tiến khi thay đổi các yếu tố đầu vào và chế... Cát, 2007) [ 1] Nước thải được coi là giàu nitơ hay photpho về phương diện công nghệ xử lý (vi sinh) được hiểu trong mối tương quan với chất hữu cơ, ví dụ trong xử lý hiếu khí thì chỉ khi BOD: N: P vượt tỉ lệ 100: 5:1, trong xử lý yếm khí thì 900: 5: 1 Xét theo khía cạnh đó thì nước thải chăn nuôi tại Việt Nam (khí hậu nóng, BOD dễ phân hủy), nước thải sau xử lý yếm khí (nước rác, nước thải chuồng trại,... kín, xử lý chất thải hiệu quả mà không mang lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường Chất lượng nước đầu ra sạch hơn và có tính chất như nước tự nhiên Vai trò của Công nghệ sinh học trong xử lý nước thải + Công nghệ sinh học là công cụ xử lý triệt để và chủ động trên thành phần và tính chất nước thải, không cần thiết có sự can thiệp trực tiếp của con người vào quá trình xử lý tự... ngàn lần trong các dòng suối bần dưỡng chảy trên núi cao và 200 lần cao hơn trong nhiều nguồn nước thải Trong hệ thống xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt tính, mật độ vi sinh vật được duy trì trong khoảng 700 - 2500 mg/l, trong khi mật độ vi sinh trong kỹ thuật lọc nhỏ giọt đạt 2000 - 10000 mg trong một lít của bể lọc • Hoạt tính trao đổi chất lớn Trong nhiều trường hợp quan sát được hoạt tính vi... giao thông công chính Hà Nội và thực hiện đề tài của Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa trong nước ngầm sử dụng vật liệu làm chất mang vi sinh là đá bazan Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về xử lý nước thải giàu nitơ và photpho (1999 - 2002) tập trung vào nước thải chế biến thủy sản; phối... khác nhau và khả năng sử dụng từng phương pháp còn phụ thuộc vào nồng độ của hợp chất nitơ (amoni) trong nước Cho tới nay giải pháp xử lý sinh học được thực hiện rộng rãi hơn các giải pháp khác Bảng 2.1 ghi một số đặc trưng của các hệ thống sinh học dùng để xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ Bảng 2.1 Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học Hệ xử lý Tải lượng kgN/(ha.ngày) Bùn hoạt tính, 200-700... chưa thấy có ứng dụng trong thực tế 2.1.4 Xử lý đồng thời hợp chất vô cơ Một số phương pháp khi sử dụng, đồng thời xử lý cả hợp chất nitơ và photpho, có biện pháp chỉ là hệ quả kèm theo và có những biện pháp được xây dựng trên kết quả nghiên cứu công phu và chủ động áp dụng Những phương pháp mang tính hệ quả có thể kể ra là: quá trình xử lý đơn lẻ như lắng thứ cấp, xử lý bậc hai, xử lý với thủy thực vật... tiện trong công tác vận hành và quản lý + Tiết kiệm kinh phí trong việc xử lý nước thải Chi phí cho các biện pháp sinh học thường thấp hơn chi phí cho các biện pháp xử lý khác Bên cạnh đó chi phí quản lý cũng thấp do việc quản lý đơn giản hơn + Những chất không bị phân hủy trong nước thải công nghiệp trước giờ 4 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Các cơ sở nghiên cứu của đề tài 2.1.1 Nước thải giàu N, P Nước . DƯƠNG Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HỆ BÙN HOẠT TÍNH AAO CẢI TIẾN” KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên. phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến 1.2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá các chế độ vận hành hệ xử lý phối hợp đồng thời nitơ và phốtpho hệ thí nghiệm quy. hạ giá thành xây dựng và vận hành hệ thống xử lý nước thải cũng như nâng cao chất lượng nước sau khi xử lý. Tuy nhiên hiện nay việc xử lý nước thải nói chung và nước thải giàu N, P nói riêng