NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MBBR TRONG XỬ LÝ NITO NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Đề tài này nghiên cứu công nghệ Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) nhằm xử lý nước thải sinh hoạt. Sử dụng mô hình nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm với 2 bể sinh học bùn hoạt tính, bể thiếu khí và bể hiếu khí. Nước thải sinh hoạt lấy từ ngăn phân phối sau bể lắng cát của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt, bị ô nhiễm chính là BOD5, COD, SS và Nitơ. Giá thể sinh học K3 được đưa vào bể sinh học với tỷ lệ 40% so với thể tích bể sinh học. Các thông số vận hành của mô hình là HRT = 424h, pH = 424h, DO = 0,10,5 (bể thiếu khí) và 2,53,5 (bể hiếu khí). Qua các tải trọng 1 kg CODm3.ngày, 2 kg CODm3.ngày, 3 kg CODm3.ngày hiệu quả xử lý COD cao nhất lần lượt là 93,22%, 92,82%, 85,61% và với TN (tổng nitơ) cao nhất qua từng tải trọng đạt 69,03%, 76,74%, 61,40%.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC YERSIN ĐÀ LẠT KHOA KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

-o0o -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MBBR

XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC

THẢI SINH HOẠT

SVTH : Lê Đức Anh CBHD : Đào Vĩnh Lộc

Đà Lạt, tháng 5 năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC YERSIN ĐÀ LẠT

  

-Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Đào Vĩnh Lộc

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:

Cán bộ phản biện:

Khóa luận được thông qua HỘI ĐỒNG CHẤM KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC YERSIN ĐÀ LẠT Ngày tháng năm …

ể hoàn thành bài báo cáo luận văn này, dựa trên sự cố gắng rất nhiều của bản thân em, nhưng không thể thiếu sự hỗ trợ của các thầy cô, các anh chị tại đơn vị thực tập

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

- Thầy Đào Vĩnh Lộc đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em thực hiện và hoàn thành tốt bài luận văn

- Các thầy cô Khoa Khoa Học Môi Trường, trường Đại học Yersin Đà Lạt đã trang bị cho em nền tảng kiến thức về môi trường và nhiều lĩnh vực liên quan khác

- Các bạn sinh viên lớp Khoa Học Môi Trường khóa 05 đã động viên giúp đỡ khi em gặp nhiều khó khăn

- Bạn Lê Thị Minh đã giúp đỡ trong quá trình phân tích ở phòng thí nghiệm

Em xin chân thành cám ơn và gửi đến thầy cô những lời chúc tốt đẹp nhất cả trong cuộc sống và trong công tác

SINH VIÊN THỰC HIỆN

LÊ ĐỨC ANH

Đ

BOD5 Biochemical Oxygen Demand 5 days (Nhu cầu oxy sinh hóa)

BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa hóa học)

DO Dissolved Oxygen (Oxy hòa tan)

F/M Food/Microorganism (Tỷ lệ dinh dưỡng/vi sinh)

HRT Hydraulic Retention Time (Thời gian lưu nước)

MBBR Moving Bed Biofilm Reactor (Bể phản ứng sinh học giá thể di động)

MLSS Mixed Liquor Suspended Solids (Hỗn hợp chất rắn lơ lững)

NMXLNT Nhà máy xử lý nước thải

OLR Organic Loading Rate (Tải trọng chất hữu cơ)

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

PTN Phòng thí nghiệm

TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

TKN Total Kjeldahl Nitrogen (Tổng nitơ Kjeldahl)

TNHH Trách nhiệm hữu hạn

TSS Total Suspended Solid (Tổng chất rắn lơ lửng)

Bảng 1.1: Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 6

Bảng 1.2: Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư 6

Bảng 1.3: Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải 11

Bảng 1.4: Một số giống vi khuẩn có trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng 15

Bảng 2.1: Ảnh hưởng các ion NH4+, NO2-, NO3- 22

Bảng 2.2 Yêu cầu xả thải đối với các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt 23

Bảng 2.3 Thông số Nitơ trong nước thải sinh hoạt 24

Bảng 2.4 Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải 25

Bảng 2.5 Các phản ứng chuyển hóa sinh học Nitơ trong nước thải 29

Bảng 2.6 Thông số các loại giá thể Kaldnes 40

Bảng 2.7 Các giá trị điển hình theo tải trọng BOD 48

Bảng 3.1 Thành phần nước thải sinh hoạt tại nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt 51

Bảng 3.2 Các thông số đặc trưng của giá thể sử dụng trong đề tài 52

Bảng 3.3 Các thông số kiểm soát trong quá trình 55

Bảng 3.4 Thông số vận hành thí nghiệm thích nghi 57

Bảng 3.5 Thông số vận hành thí nghiệm 1 58

Bảng 3.6 Thông số vận hành thí nghiệm 2 59

Bảng 3.7 Thông số vận hành thí nghiệm 3 60

Bảng 3.8 Các chỉ tiêu phân tích từng vị trí 61

Bảng 3.9 Vị trí và tần suất lấy mẫu 61

Bảng 3.10 Các phương pháp phân tích mẫu 62

Hình 1.1: Nhà máy xử lý nước thải 4

Hình 1.2: Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt 7

Hình 2.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên 18

Hình 2.2: Ảnh hưởng của pH trong quá trình nitrat hóa 31

Hình 2.3: Dây truyền xử lý nitơ (quá trình hậu phản) 38

Hình 2.4: Dâu truyền xử lý nitơ (quá trình tiền phản) 38

Hình 2.5: Cấu tạo bể MBBR 39

Hình 2.6: Các loại giá thể thường dùng trong công nghệ MBBR 40

Hình 2.7: Màng biofilin trên giá thể 41

Hình 2.8: Hệ thống màng biofilin theo lý thuyết 42

Hình 2.9: Mô tả sự khuyếch tán chất dinh dưỡng qua lớp màng biofilm 43

Hình 2.10: Cơ chế trao đổi chất của lớp màng biofilm 44

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí mô hình thí nghiệm 52

Hình 3.2: Kích thước bể thiếu khí, hiếu khí và bể lắng 53

Hình 3.3: Máy bơm tuần hoàn 54

Hình 3.4: Máy thổi khí và môtơ khuấy 54

Hình 3.5: Quy trình nội dung nghiên cứu 55

Hình 3.6: Mô hình dạng vận hành 57

Hình 3.7: Các vị trí lấy mẫu 60

Hình 4.1: Chỉ số DO ở thí nghiệm thích nghi 63

Hình 4.2: Sự chuyển hóa pH 64

Hình 4.3: Hiệu quả xử lý COD 65

Hình 4.4: Sự thay đổi DO theo thời gian 66

Hình 4.6: Hiệu quả xử lý T-N ở thí nghiệm 1 68

Hình 4.7: Hiệu quả xử lý T-N ở thí nghiệm 2 69

Hình 4.8: Hiệu quả xử lý T-N ở thí nghiệm 3 70

Hình 4.9: Hiệu quả xử lý T-N 71

Hình 4.10: Hiệu quả xử lý N-NH3 ở thí nghiệm 1 71

Hình 4.11: Hiệu quả xử lý N-NH3 ở thí nghiệm 2 72

Hình 4.12: Hiệu quả xử lý N-NH3 ở thí nghiệm 3 73

Hình 4.13: Hiệu quả xử lý N-NH3 73

Hình 4.14: Hình ảnh lớp màng biofilm ở giá thể trong bể thiếu khí 74

Hình 4.15: Hình ảnh lớp màng biofilm ở giá thể trong bể hiếu khí 75

Hình 4.16: So sánh hiệu quả xử lý N-NH3 với QCVN 14:2008/BTNMT 76

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 2

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

2.2 Đối tượng nghiên cứu 2

3 Phạm vi và giới hạn đề tài 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 4

1.2 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 5

1.2.1 Sự hình thành nước thải sinh hoạt 5

1.2.2 Phân loại và thành phần nước thải sinh hoạt 5

1.2.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt 7

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt 8

1.3.1 Phương pháp cơ học 8

1.3.2 Phương pháp hóa học 9

1.3.3 Phương pháp hóa lý 9

1.3.4 Phương pháp sinh học 9

1.3.4.1 Xử lý sinh học sinh trưởng lơ lửng 13

1.3.4.2 Xử lý sinh học sinh trưởng dính bám 16

2.1 Các dạng tồn tại của Nitơ trong môi trường 18

2.1.1 Chu trình Nitơ trong tự nhiên 18

2.1.2 Các dạng tồn tại của Nitơ trong nước thải 19

2.2 Ảnh hưởng của Nitơ 20

2.2.1 Ảnh hưởng Nitơ đối với môi trường 20

2.2.2 Ảnh hưởng của Nitơ đối sức khỏe cộng đồng 24

2.3 Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải hiện nay 24

2.3.1 Tổng quan các phương pháp xử lý 24

2.3.2 Xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học 27

2.3.2.1 Quá trình Nitrat hóa 30

2.3.2.2 Quá trình khử Nitrat 32

2.3.2.4 Dây chuyền công nghệ sinh học xử lý Nitơ 37

2.4 Tổng quan về công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) 38

2.4.1 Công nghệ MBBR 38

2.4.2 Giá thể sinh học 40

2.4.3 Lớp màng biofilm 41

2.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR 47

2.4.5 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBBR 49

2.4.6 Các nghiên cứu ứng dụng khác nhau của công nghệ MBBR 50

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 51

3.1 Đối tượng nghiên cứu 51

3.1.1 Nước thải 51

3.1.2 Bùn hoạt tính 51

3.1.3 Giá thể 51

3.2 Mô hình nghiên cứu 52

3.2.1 Thiết kế mô hình 52

3.2.2 Kích thước của các bể 53

3.2.3 Thông số kỹ thuật các thiết bị trong mô hình 54

3.2.4 Thông số kiểm soát 54

3.3 Nội dung nghiên cứu 55

3.3.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu 55

3.3.2 Quy trình thí nghiệm 56

3.3.2.1 Giai đoạn 1 (Thí nghiệm thích nghi) 56

3.3.2.2 Giai đoạn 2 (Thí nghiệm nghiên cứu hiệu quả xử lý Nitơ bằng công nghệ MBBR với các tải trọng hữu cơ khác nhau) 57

3.3.2.2.1 Thí nghiệm 1 58

3.3.2.2.2 Thí nghiệm 2 59

3.3.2.2.3 Thí nghiệm 3 59

3.4 Phương pháp lấy mẫu và phân tích 60

3.4.1 Lấy mẫu 60

3.4.2 Phương pháp phân tích 62

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 63

4.1.1 Chỉ số DO 63

4.1.2 Chỉ số pH 64

4.1.3 Hiệu quả xử lý COD 65

4.2 Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ qua các tải trọng 66

4.2.1 Chỉ tiêu DO 66

4.2.2 Chỉ tiêu pH 67

4.2.4 Hiệu quả xử lý Nitơ 68

4.2.4.1 Hiệu quả xử lý T-N thí nghiệm 1 68

4.2.4.2 Hiệu quả xử lý Nitơ ở thí nghiệm 2 69

4.2.4.3 Hiệu quả xử lý Nitơ ở thí nghiệm 3 69

4.2.5 Hiệu quả xử lý N-NH3 71

4.2.5.1 Hiệu quả xử lý N-NH3 ở thí nghiệm 1 71

4.2.5.2 Hiệu quả xử lý N-NH3 ở thí nghiệm 2 72

4.2.5.3 Hiệu quả xử lý N-NH3 ở thí nghiệm 3 72

4.3 Đánh giá quá trình tạo màng biofilm trên giá thể 74

4.4 So sánh kết quả đầu ra của các chỉ tiêu với QCVN 14:2008/BTNMT 76

KẾT LUẬN 78

1 Kết luận 78

2 Kiến nghị 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Chúng ta đều biết nước là nguyên liệu cho sản xuất không thể thiếu và là nguồn sống đặc biệt Trữ lượng nước ngọt trong những năm gần đây không những không được tăng lên mà còn giảm theo thời gian do ảnh hưởng của sự gia tăng dân số, phát triển đô thị…Và một nguyên nhân nữa đó là nguồn nước ngọt ngày càng bị ô nhiễm Do vậy chúng ta đang dần dần đứng trước nguy cơ thiếu nước ngọt ngày càng trầm trọng

Nếu không có chiến lược bảo vệ nguồn nước đúng đắn và các phương pháp xử

lý thích hợp thì đất trên thế giới sẽ rơi vào quá trình sa mạc hóa, các hệ sinh thái sẽ

bị hủy hoại, cuộc sống con người sẽ khó khăn, bệnh tật sẽ hoành hành và sự sống trên trái đất sẽ dần thu hẹp

Nước Việt Nam nói chung và thành phố Đà Lạt nói riêng cũng không nằm ngoài quy luật này Do sự phát triển cả về mặt kinh tế và xã hội, việc đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt đang là vấn đề cần thiết mà chúng ta phải quan tâm và cần có biện pháp xử lý thích hợp

Nền kinh tế chính của thành phố Đà Lạt chủ yếu là phát triển nông nghiệp, lâm nghiệp và dịch vụ Trước sự phát triển đó có thể thấy vấn đề môi trường của thành phố Đà Lạt chủ yếu là nước thải sinh hoạt Mặc dù nước thải tại thành phố Đà Lạt

đã được thu gom để xử lý tuy nhiên cần có các nghiên cứu để không ngừng nâng cao hiệu quả và chất lượng xử lý của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt

Một vấn đề đáng lo ngại là nước đầu ra của các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt vẫn còn chứa một lượng Nitơ cao hơn so với tiêu chuẩn cho phép Mà Nitơ là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa cho nguồn nước

Công nghệ MBBR là một công nghệ được hình thành đầu tiên tại Nauy vào năm

1980 với mục đích nhằm loại bỏ Nitrat trong nước thải Tuy nhiên mãi đến năm

1990 các cơ sở đầu tiên sử dụng công nghệ MBBR mới được đem vào sử dụng Ngay sau đó công nghệ MBBR lập tức được các nước Châu Âu sử dụng Công nghệ MBBR có nhiều ưu điểm hơn so với công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính thông

thường, đặc biệt là tải trọng hữu cơ và hiệu quả xử lý cao, thời gian lưu nước ngắn,

do đó sẽ làm giảm diện tích mặt bằng xây dựng bể

Tuy nhiên đối với Việt Nam hiện nay thì MBBR là một công nghệ còn khá mới

và chưa có các hệ thống áp dụng thực tế, hiện nay nước ta vẫn đang còn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và trên lý thuyết để có thể điều chỉnh công nghệ này cho phù hợp với điều kiện khí hậu của Việt Nam

Đề tài mở ra hướng đi cho việc nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt cho thành phố Đà Lạt Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể triển khai áp dụng rộng rãi đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt và tạo điều kiện thuận lợi cho các đề tài nghiên cứu

về công nghệ MBBR về sau

2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá hiêu quả loại bỏ Nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng công nghệ MBBR sử dụng giá thể di động K3 với các tải trọng khác nhau

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Thu thập các thông tin và tổng hợp các tài liệu liên quan đến xử lý nước thải sinh hoạt và công nghệ MBBR trên thế giới và Việt Nam

Thu thập thông tin, tìm hiểu đặc trưng của khu vực nghiên cứu, phân tích đặc điểm của nước thải sinh hoạt tại Đà Lạt, khảo sát thực tế tình hình xử lý nước thải tại Đà Lạt

Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm về khả năng loại bỏ Nitơ trong nước thải bằng công nghệ MBBR với các tải trọng khác nhau, gồm có:

- Xây dựng mô hình xử lý và phương pháp vận hành mô hình

- Vận hành mô hình thực nghiệm với các tải trọng khác nhau

- Lấy mẫu phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm trong nước thải và các chỉ tiêu đánh giá hoạt động của mô hình xử lý

- Đánh giá hiệu quả loại bỏ Nitơ và khả năng ứng dụng của mô hình nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng hợp tài liệu: Nhằm thu thập thống kê các số liệu, các tài liệu liên quan đến đề tài trong và ngoài nước

Phương pháp thực nghiệm: Căn cứ trên tài liệu đã thu thập bắt đầu tiến hành lắp đặt mô hình thí nghiệm và phân tích các chỉ tiêu

Phương pháp lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu môi trường: Toàn bộ kỹ thuật lấy mẫu phân tích các chỉ tiêu môi trường được tiến hành theo đúng tiêu chuẩn Việt Nam và các tiêu chuẩn của quốc tế

Phương pháp xử lý số liệu trong môi trường: Sử dụng phần mềm excel để thống

kê và xử lý số liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt được lấy từ Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt, vị trí lấy mẫu là bể phân phối trước khi nước thải đi vào bể Imhoff

Đà Lạt là một thành phố thuộc cao nguyên Lâm Viên, nằm ở độ cao trung bình 1.500 mét so với mực nước biển Trải qua 115 hình thành và phát triển, Đà Lạt đã trở thành trung tâm chính trị, kinh tế và văn hoá của tỉnh Lâm Đồng, với dân số theo thống 256.593 người

Hệ thống xử lý nước thải tập trung của thành phố Đà Lạt là một hạng mục thuộc

Dự án Vệ sinh thành phố Đà Lạt, thực hiện theo hiệp định ký kết năm 2000 giữa Chính phủ Đan Mạch và Việt Nam Được khởi công xây dựng từ 26/03/2003 hoàn thành và đưa vào hoạt động 10/12/2005 Từ 04/2007 Hệ thống xử lý nước thải tập trung tách ra và là thành viên trực thuộc Công ty TNHH Cấp thoát nước Lâm Đồng đồng thời đổi tên thành Xí nghiệp quản lý nước thải Đà Lạt

Nhà máy xử lý nước thải (NMXL) là mắt xích cuối cùng của chuỗi các công trình nước thải của thành phố Đàlạt với công suất 7.400m3/ngày đêm Chức năng của NMXL là bảo đảm toàn bộ nước thải thô đã được thu được xử lý đạt yêu cầu trước khi đổ vào suối Cam Ly

Nước đã được xử lý từ nhà máy

thoát ra hạ lưu suối Cam Ly đạt

tiêu chuẩn loại B theo QCVN

14:2008 BTNMT

Công nghệ xử lý hiện tại của

nhà máy xử lý nước thải sinh

hoạt Đà Lạt: Sử dụng công nghệ

sinh học chính bể Imhoff và bể

1.2 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

1.2.1 Sự hình thành nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải từ khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng

từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí,…Ví dụ: Nước dùng sau khi nấu ăn, lau nhà, tắm rửa, nước sử dụng cho nhà vệ sinh,…

Đặc điểm quan trọng của nước thải sinh hoạt là thành phần của chúng tương đối

ổn định Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thải sinh hoạt đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi các vi sinh vật có trong phân Vi sinh vật gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào và giun sán

1.2.2 Phân loại và thành phần nước thải sinh hoạt

Phân loại nước thải sinh hoạt:

Nước thải sinh hoạt được chia làm hai loại: Nước đen và nước xám

- Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu

là các chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng

- Nước xám là nước phát sinh từ các quá trình: rửa, tắm, giặt, với thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể

Thành phần nước thải sinh hoạt:

Nước thải là một hệ đa phân tán thô bao gồm nước và chất bẩn Các chất bẩn trong nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ hoạt động của con người Các chất bẩn này có thành phần hữu cơ và vô cơ, tồn tại dưới dạng cạn lắng, gồm chất rắn không lắng được và các chất hòa tan

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngoài ra còn có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp, nước thải sinh hoạt không được xử lý đúng cách cũng là một nguồn gây ô nhiễm môi trường khu vực đó Tuy nhiên mức độ tác hại của nước thải sinh hoạt tùy thuộc vào thành phần, tính chất và nồng độ của các chất ô nhiễm sau khi xả thải ra môi trường

Thành phần của các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt được biểu diễn theo hình 1.2

Bảng 1.1: Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước

[Nguồn: TCXDVN 51:2007]

Bảng 1.2: Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư

Qua bảng 1.1 và bảng 1.2 cho thấy tải lượng các chất ô nhiễm có trong nước thải rất cao Nếu không được xử lý trước khi thải ra môi trường thì khả năng gây ô nhiễm môi trường rất lớn

1.2.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt

COD, BOD: Sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây

thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong quá trình phân hủy yếm khí ra các sản phẩm như H2S, NH3, CH4,…làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường

SS: Lắng động ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí

Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đời

sống của thủy sinh vật nước

Vi trùng gây bệnh: Gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy,

ngộ độc thức ăn, vàng da,…

Ammonia, Phospho: Là những yếu tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồng độ trong

nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa

Cacbonhydrat

25%

Protein 65%

Chất béo 10%

Cát Muối Kim loại

Hình 1.2: Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt

Dầu mỡ: Gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt

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

Các loại nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và những hợp chất tan trong nước Xử lý nước thải sinh hoạt

là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước xả vào nguồn hoặc tái sử dụng lại nước thải Để đạt được những mục đích đó chúng ta thường dựa vào đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn các phương pháp xử lý thích hợp Thông thường có các loại phương pháp xử lý nước thải phổ biến như sau:

Các loại tạp chất trên dùng các phương pháp xử lý cơ học là thích hợp (trừ hạt dạng chất keo)

Trong xử lý nước thải sinh hoạt bằng biện pháp cơ học: chắn rác, lắng cát, loại

bỏ dầu, mỡ nổi, lọc Các phương pháp xử lý cơ học này được sử dụng dựa vào các lực vật lý như lực từ trường, lực ly tâm, lực đẩy Acsimet… để tách các chất không tan ra khỏi nước thải

Phương pháp này có những ưu điểm là tương đối đơn giản, vận hành dễ dàng và chi phí đầu tư ban đầu và vận hành thấp Nhưng nhược điểm là phương pháp này chỉ có hiệu quả cao đối với xử lý các chất lơ lửng Vì vậy các chất ô nhiễm chưa được xử lý thì cần có những phương pháp khác

1.3.2 Phương pháp hóa học

Cơ sở của phương pháp hóa học là các chất phản ứng hóa học, các quá trình phản ứng hóa học diễn ra giữa chất bẩn với hóa chất thêm vào Các phương pháp hóa học thường là oxy hóa, trung hòa, … Những phản ứng hóa học xảy ra là phản ứng trung hòa, phản ứng oxy hóa – khử, phản ứng tạo chất kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các chất độc hại

Phương pháp này có hiệu quả xử lý rất cao, tuy nhiên chi phí vận hành cao và tạo ra các chất ô nhiễm khác nếu không được vận hành tốt

Các phương pháp này được sử dụng chủ yếu trong các công nghệ keo tụ - tạo bông, trao đổi ion, hấp phụ… Các phương pháp này có nhược điểm chủ yếu là chi phí đầu tư và vận hành cao

1.3.4 Phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, 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 ô nhiễm được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, chất khí đơn giản và nước

Ngày nay, các nhà khoa học đã chứng minh được rằng các vi sinh vật có thể phân hủy được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo Mức độ phân hủy và thời gian phân hủy phục thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hòa tan trong nước và nhiều yếu tố khác

Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp 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), đông thời làm sạch (có thể hoàn toàn) các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ Do vậy,

trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất như Sulfite, muối Ammoni, Nitrat, Phospho… Các chất chưa bị oxy hóa hoàn toàn Sản phẩm của các quá trình phân hủy này thường là khí CO2, khí N2, nước và một số khí sinh học khác

Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu thường gặp bao gồm:

- Quá trình xử lý hiếu khí (Aerobic (hay oxic) process): quá trình xử lý sinh học trong điều kiện có mặt oxy

- Quá trình xử lý kỵ khí (Anaerobic process): quá trình xử lý sinh học trong điều kiện không có oxy

- Quá trình xử lý thiếu khí (Anoxic process): quá trình chuyển Nitrat thành Nitơ trong điều kiện không cung cấp thêm oxy từ bên ngoài vào Quá trình này cũng được gọi là quá trình khử Nitrat kỵ khí

- Quá trình sinh học tùy tiện (Facualtative process): quá trình xử lý sinh học trong đó quần thể vi sinh vật có thể hoạt động trong điều kiện có oxy hoặc không

có oxy phân tử

- Quá trình hồ sinh học (Lagoon process): là thuật ngữ chung để chỉ quá trình xử

lý xảy ra trong các ao hồ có chiều sâu và cường độ xử lý khác nhau

Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải đều có xuất xứ trong tự nhiên Nhờ thực hiện các biện pháp tăng cường hoạt động của vi sinh vật trong các công trình nhân tạo quá trình làm sạch các chất bẩn diễn ra nhanh hơn Trong thực tế hiện nay người ta vẫn tiến hành xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ở điều kiện tự nhiên và điều kiện nhân tạo tùy thuộc và khả năng kinh phí, yêu cầu công nghệ, địa lý cùng các yếu tố khác

Bảng 1.3: Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải

- Ổn định tiếp xúc

- Làm thoáng kéo dài

- Mương oxy hóa Nitrat hóa sinh trưởng lơ lửng

Hồ làm thoáng Phân hủy hiếu khí

Khử BOD chứa cacbon (Nitrat hóa)

Nitrat hóa Khử BOD – chứa cacbon (Nitrat hóa)

Ổn định, khử BOD chứa cacbon

- Lọc nhỏ giọt – vật liệu rắn tiếp xúc

- Quá trình bùn hoạt tính – lọc sinh học

Khử BOD chứa cacbon – Nitrat hóa

Khử BOD chứa cac bon Khử BOD chứa cacbon – Nitrat hóa

Quá trình thiếu Sinh trưởng lơ lửng khử Nitrat

hóa Màng cố định khử Nitrat

Khử Nitrat hóa

Quá trình lọc kỵ khí Lớp vật liệu – thời gian kéo dài

Ổn định, khử BOD, COD

Khử BOD chứa cacbon

Ổn định chất thải – khử Nitrat hóa

Khử BOD chứa cacbon, Nitrat hóa, khử Nitrat hóa, khử Phospho

Khử BOD chứa cacbon (ổn định chất thải – bùn)

[Nguồn: Lương Đức Phẩm, Công nghệ xử lý nước thải, 2007]

1.3.4.1 Xử lý sinh học sinh trưởng lơ lửng

Trong nước thải, sau một thời gian làm quen, các tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng, sinh sản và phát triển Nước thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng Các tế bào vi khuẩn sẽ dính và các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước thể hiện bằng BOD Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo sẽ lơ lửng trong nước và dần được lớn dần lên do hấp phụ được nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc Những hạt bông này khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước cạn kiệt chúng sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ thành bùn Bùn này được gọi là bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu và vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất lơ lửng ở trong nước Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 đến 150 m Những bông này gồm các vi sinh vật sống và cặn lắng (khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạo bông, nếu hiếu khí bằng thổi khí và khuấy đảo đầy đủ trong thời gian ngắn thì con số này khoảng 30%, thời gian dài khoảng 35% và kéo dài tới vài ngày có thể lên 40%) Những vi sinh vật sống ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh…

Bùn hoạt tính lắng xuống là bùn già, hoạt tính giảm Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích hợp có sục khí đầy đủ) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi

Khi cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước thải cần quan tâm tơi tỷ số BOD5:N:P Tỷ số này tối ưu là 100:5:1 đối với các công trình hiếu khí tích cực và 200:5:1 trong trường hợp dài ngày

Khi cân bằng dinh dưỡng người ta có thể dùng NH4OH, Urê và các muối Ammoni là nguồn Nitơ và các muối Phosphat, Supephosphat làm nguồn Phospho Trong trường hợp BOD nhỏ hơn 500 mg/l thì chọn nồng độ Nitơ trong muối Ammoni là 15 mg/l và nồng độ Phospho theo P2O5 là 3 mg/l, còn trường hợp BOD trong khoảng 500 – 1000 mg/l thì chọn các số tương ứng là 25 và 8 mg/l

Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng hợp chất thích hợp cho tế bào vi sinh vật, dễ hấp thụ và đồng hóa là tốt nhất Nguồn Nitơ là NH4+ - dạng khử, Phospho ở dạng Phosphat – dạng oxy hóa, là những chất dinh dưỡng tốt nhất đối với vi khuẩn Các nguyên tố K, Mg, Ca, S, Fe, Zn… đều cần cho vi sinh vật nhưng ở trong nước thải sinh hoạt có mặt các chất này nên không cần phải cho thêm Thiếu các nguyên tố dinh dưỡng sẽ kìm hãm sự sinh trưởng và ngăn cản các quá trình oxy hóa – khử trong tế bào sinh vật

Nếu thiếu Nitơ lâu dài sẽ làm cho vi sinh vật không sinh sản, tăng sinh khối, ngoài ra còn cản trở các quá trình hóa sinh và làm cho bùn hoạt tính khó lắng, trôi theo nước ra khỏi bể lắng

Nếu thiếu Phospho sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật sinh ra dạng sợi làm cho quá trình lắng chậm và giảm hiệu suất oxy hóa các chất hữu cơ của bùn hoạt tính

Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 đến 1012 trên

1 mg chất khô Phần lớn chúng là Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Microcous, Flavobacterium

Trong khối nhầy ta thấy các loài Zooglea, đặc biệt là Z ramigoza, rất giống Pseudomonas Chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy chung quanh tế bào Bao

nhầy này là một polymer sinh học, thành phần là polysacarit, có tác dung kết các tế bào vi khuẩn lại thành hạt bông

Các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa NH3 thành N2 cũng thấy có mặt

trong bùn như Nitromonas, Nitrobacter, Acinetobacter, Hyphomicrobium, Thiobacillus Ngoài ra còn thấy Sphacrotilus và Cladothirix

Bảng 1.4: Một số giống vi khuẩn có trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng

Pseudomonas Phân hủy các hydratcacbon, protein, các hợp chất hữu cơ khác và phản Nitrat hóa

Arthrobacter Phân hủy hydratcacbon

Bacillus Phân hủy hydratcabon, protein

Cytiphaga Phân hủy các polymer

Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysacarit), hình thành chất keo tụ

Acinetobacter Tích lũy polyphosphate, phản Nitrat

Nitrosomonas Nitrit hóa

Nitrobacter Nitrat hóa

Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các hợp chất hữu cơ

Alcagenes Phân hủy protein, phản Nitrat hóa

Flavobacterium Phân hủy protein

Desulfovibrio Khử sunlfat, khử Nitrat

Các chất keo dính trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu, mùi… trong nước thải Do vậy hạt bùn sẽ lớn dần và tổng

[Nguồn: Lương Đức Phẩm, Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, 2007]

lượng bùn cũng tăng dần lên rồi từ từ lắng xuống đáy Kết quả là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước được làm sạch

Tùy thuộc và điều kiện bên trong cũng như bên ngoài của nước thải, các nhóm

vi sinh vật tồn tại trong bùn cũng sẽ khác nhau Chúng có khả năng thích ứng với điều kiện sống mới

Thành phần nước thải thay đổi cũng sẽ làm thay đổi chủng loại thành phần tăng giảm số lượng từng loài trong quần thể vi sinh vật của bùn hoạt tính

Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông Theo lý thuyết của Mekhati thì sự tạo bông xảy ra ở giai đoạn trao đổi chất có tỷ lệ chất dinh dưỡng với sinh khối trở lên thấp dần Tỷ lệ này thấp sẽ đặc trung cho nguồn năng lượng thấp của

hệ thống và dẫn tới giảm năng lượng chuyển động Động năng tác dụng đối khác với lực hấp dẫn Nếu động năng nhỏ thì tác động đối kháng cũng sẽ nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn với nhau Điện tích bề mặt tế bào, sự hình thành vỏ nhầy tiết

ra niêm dịch là nguyên nhân keo tụ của các tế bào vi khuẩn

Để phát huy được vai trò của bùn hoạt tính, trong các quy trình công nghệ chúng

ta phải quan tâm đến: nồng độ oxy hòa tan trong nước là điều kiện hiếu khí (có thể làm tăng mặt thoáng của ao hồ, bể chứa hoặc sục khí và khuấy cưỡng bức), nồng độ

và tuổi của bùn hoạt tính, các chất gây độc cho vi sinh vật nước hay trong bùn hoạt tính, cùng pH, nhiệt độ nước thải

1.3.4.2 Xử lý sinh học sinh trưởng dính bám

Trong dòng nước thải có những vật làm giá đỡ (giá thể), các vi sinh vật (chủ yếu

là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt Trong số các vi sinh vật có những loài sinh ra polysacarit có tính chất như chất dẻo (gọi là polymer sinh học), tạo thành màng (màng sinh học) Màng này cứ dày dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các giá thể Màng này có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán…

Như vậy màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng Màng này dày từ 1 –

3 mm và hơn nữa Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối Trong quá trình xử lý nước thải chảy qua phin lọc sinh học có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ với kích thước 15- 30 m có màu sáng hoặc nâu

Nước thường được xử lý cơ học qua các phin lọc nước mỏng theo các mô hình thấm nước tự nhiên trên bề mặt Phin lọc nước có thể là các thung, các bể, thậm chí

là ao hồ … Vật liệu lọc là các giá thể thường là các lớp sỏi cuội đã rửa sạch có kích thước đến nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên được trải qua lớp cát vàng hạt to rồi đến nhỏ Nước qua cát nhỏ trên cùng rồi thấm dần qua lớp lọc, bề mặt của lớp cát cần phải rộng vì nước thấm qua lọc tương đối chậm Đây là một phin lọc chậm mà loài nười đã biết làm từ thời xa xưa

Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và các phin lọc sinh học là các công trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là hệ tùy tiện Ngoài các vi khuẩn hiếu khí màng cón có các vi khuẩn tùy tiện và kỵ khí

Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thất các loại trực khuẩn Bacillus Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus Lớp sâu bên trong màng là kỵ khí, thấy có sự hiện diện các vi khuẩn kỵ khí khử lưu huỳnh và khử Nitrat Desulfovibrio

Bể phản ứng màng sinh học cho nhiều ưu điểm hơn các hệ thống sinh trưởng truyền thống Một đặc tính quan trọng của các hệ thống màng sinh học là có khả năng chịu đựng điều kiện sốc tải Những vật liệu giá thể với khả năng hấp phụ hoặc trao đổi cho phép nó trở thành chất đệm nếu nồng độ của chất độc hại vượt quá khả năng chịu đựng của các loài vi sinh vật Hơn nữa, quá trình sinh trưởng bám dính

có thể xử lý nước ở nồng độ ô nhiễm thấp Thông thường đối với hệ thống bùn hoạt tính, nếu giá trị BOD nước thải thấp hơn 50 -60 mg/l, nó sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của bùn Tuy nhiên với các quá trình sinh trưởng bám dính thì giá trị BOD5 của nước thải có thể giảm xuống thấp từ 20 -30 mg/l xuống 5 -10 mg/l Ngoài ra, quá trình sinh trưởng bám dính còn dễ dàng quản lý và vận hành

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN XỬ LÝ NITƠ TRONG

NƯỚC THẢI

2.1 Các dạng tồn tại của Nitơ trong môi trường

2.1.1 Chu trình Nitơ trong tự nhiên

Chu trình Nitơ là một quá trình mà theo đó Nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học của nó Việc biến đổi này có thể được tiến hành bởi cả hai quá trình sinh học và phi sinh học Quá trình quan trọng trong chu trình Nitơ bao gồm sự cố định Nitơ , khoáng hóa, Nitrat hóa, và khử Nitrat Thành phần chính của khí quyển (khoảng 78%) là Nitơ , có thể xem đó là một bể chứa Nitơ lớn nhất Tuy nhiên, Nitơ trong khí quyển có những giá trị sử dụng hạn chế đối với sinh vật, dẫn đến việc khan hiếm lượng Nitơ có thể sử dụng được đối với một số kiểu hệ sinh thái Chu trình Nitơ là một nhân tố đáng chú ý của các nhà sinh thái học do chúng

có thể ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của các quá trình sinh thái chính, như sản lượng thứ cấp và phân hủy Các hoạt động của con người như đốt nhiên liệu hóa học, sử dụng các loại phân bón Nitơ nhân tạo và thải Nitơ trong nước thải làm biến đổi đáng kể đến chu trình Nitơ trên trái đất

Hình 2.1 Chu trình Niơ trong tự nhiên

2.1.2 Các dạng 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, Ammoni và các hợp chất dạng oxy 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

Hợp chất hữu cơ chứa Nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành phần phân huỷ protein như là các peptid, axit amin, urê Hàm lượng Ammonia (NH3) chính là lượng Nitơ ammoni (NH+4) trong nước thải sinh 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, còn lại là các loại Nitơ khác Urê thường được Ammoni hoá theo phương trình như sau Trong mạng lưới thoát nước urê bị thuỷ phân:

CO(NH2)2 + 2H2O = (NH4)2CO3

Sau đó bị thối rữa:

(NH4)2CO3 = 2NH3 + CO2 + H2O Như vậy NH3 chính là lượng Nitơ amôn trong nước thải Trong điều kiện yếm khí Ammonia cũng có thể hình thành từ Nitrat do các quá trình khử Nitrat của vi

khuẩn Denitrificans Lượng chất bẩn Nitơ ammoni (N-NH4) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước: 7 g/người.ngày

Nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của quá trình oxy hoá Ammonia hoặc Nitơ

ammoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas Sau đó Nitrit hình thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter oxy hoá thành Nitrat Các quá trình

Nitrit và Nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I:

-NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+Quá trình Nitrat hoá cần 4,57g oxy cho 1g Nitơ ammoni Các loại vi khuẩn

Nitrosomonas và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện

nhiệt độ từ 20-30oC

Nitrit là hợp chất không bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử Nitrat trong điều kiện thiếu khí Ngoài ra, Nitrit còn có nguồn gốc từ nước thải quá trình công nghiệp điện hoá Trong trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nồng độ Nitrit , Nitrat thường rất thấp, nó thường nhỏ hơn 0,02 mg/l Nếu nồng độ Ammoni, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao, quá trình Nitrit hoá diễn ra thuận lợi, và nồng

độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn Trong quá trình xử lý nước, Nitrit trong nước

sẽ tăng lên đột ngột

Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của Nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá chất, chứa một lượng lớn các hợp chất Nitơ Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị Nitrat hoá, tạo thành Nitrat Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ chứa Nitơ Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Mặt khác, quá trình Nitrat hoá còn tạo nên sự tích lũy oxy trong hợp chất Nitơ

để cho các quá trình oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hoà tan trong nước rất ít hoặc bị hết Khi thiếu oxy và tồn tại Nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách oxy khỏi Nitrat và Nitrit để sử dụng lại trong các quá trình oxy hoá các chất hữu cơ khác Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản Nitrat hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện) Trong điều kiện không có oxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cacbon, một số loại vi khuẩn khử Nitrat hoặc Nitrit để lấy oxy cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ Quá trình khử Nitrat được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:

4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ → 5CO2 + 2N2 + 2H2O Trong quá trình phản Nitrat hoá, 1g Nitơ sẽ giải phóng 1,71g O2 (khử Nitrit )

và 2,85g O2 (khử Nitrat)

2.2 Ảnh hưởng của Nitơ

2.2.1 Ảnh hưởng Nitơ đối với môi trường

Việc thải các hợp chất Nitơ có thể gây ra tác động đến môi trường về hệ sinh thái và các nguồn tiếp nhận nguồn nước Các hợp chất Nitơ thường có mặt trong một nhà máy xử lý nước thải ảnh hưởng đến nguồn tiếp nhận là:

- Sự suy giảm oxy hòa tan (O2);

- Gây ngộ độc đối với thực vật và động vật trong nguồn nước tiếp nhận;

- Gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa;

- Làm suy thoái chất lượng nước về mặt mỹ quan và mùi hôi từ tảo phân hủy Ion Ammoni được oxy hóa thành các ion Nitrit bởi các vi khuẩn và các ion Nitrit được oxy hóa thành các ion Nitrat

Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các ion NH4+, NO2-, NO3-

Quá trình tập trung chất dinh dưỡng dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa và gây nên tảo nở hoa Tảo nở hoa gây thiệt hại về giá trị sinh thái, thương mại, giải trí và thẩm mỹ của nguồn nước tại khu vực đó

Hiện tượng phú dưỡng hóa được định nghĩa bởi Ủy ban môi trường châu Âu là

“làm giàu của nước bởi các chất dinh dưỡng, đặc biệt là các hợp chất Nitơ gây ra

sự tăng trưởng mạnh của tảo và tạo ra sự xáo trộn làm mất cân bằng của các sinh vật hiện diện trong nước làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước”

Hiện tượng phú dưỡng được ghi nhận như là một vấn đề ô nhiễm ở châu Âu, Bắc Mỹ và hồ nước và hồ chứa nước châu Á từ thế kỷ 20 (theo Rodhe, 1969)

Theo Cơ quan bảo vệ môi trường Thụy Điển (2000) tổng Phospho, Nitơ tổng số

và tỷ lệ Nitơ /Phospho được sử dụng để đánh giá chất lượng nước các hồ Tỷ lệ N/T-P cho thấy sự liên quan của Nitơ và phốt pho với hiện tượng tảo nở hoa Khi tỷ

T-lệ T-N/T-P > 30 bắt đầu xuất hiện tảo nở hoa

Tổng Nitơ (T-N) là tổng của Nitơ vô cơ hòa tan (tức là Nitơ – Nitrat N-NO3-), Nitơ -Nitrit (N-NO2-), Nitơ – ammonia (N-NH4+) và Nitơ hữu cơ (như urê,

peptide, protein) Tổng số Kjeldahl Nitơ (TKN) được dùng để chỉ tổng hợp Nitơ

và NH3, đây là phương pháp xác định tổng Nitơ trong nước

Các ion Nitơ gây ngộ độc cho đời sống các sinh vật thủy sinh đặc biệt là cá (theo Gerardi M H, 2002) Ion Ammoni và Nitrit đều là những độc chất nguy hiểm, trong đó chất có tính độc cao nhất trong các dạng tồn tại của Nitơ là ion Nitrit Ion Ammoni là chất dinh dưỡng cần thiết đối với các loại thực vật, tuy nhiên các ion này có thể chuyển sang thành dạng Ammonia làm cho pH của nước tăng lên (trên 8 – 9) gây độc hại cho đời sống thủy sinh với nồng độ thấp từ 0,025 mg/l NH3 Giá trị

NH3 phù hợp với cuộc sống của các loài cá là 0,005 mg/l NH3 Khi nguồn nước có nhiệt độ cao và độ mặn thấp (nước ngọt) cùng với một vài yếu tố khác thường dẫn đến hàm lượng Ammonia trong nước tăng lên

Các quốc gia trên thế giới đều có các quy định trong các tiêu chuẩn về xả thải Nitơ ra môi trường Bảng 2.2 là tiêu chuẩn về yêu cầu hàm lượng Nitơ từ các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt trước khi thải ra môi trường

Bảng 2.2: Yêu cầu xả thải đối với các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt

Giá trị Nitơ

Dân số trung bình (1)

Nồng độ (mg/l)

Hiệu quả xử lý (%)

Nồng độ (mg/l)

Hiệu quả xử lý(2)

(%)

[Nguồn: Tiêu chuẩn 91/271/EEC]

(1): Một người tương đương với 0,2 m3/ngày (theo Henze et al, 2002)

(2): Hiệu quả xử lý so với tải lượng đầu vào

Tuy nước ta chưa có quy định riêng về việc yêu cầu xử lý cho các nhà máy xử lý nước thải nhưng trong QCVN 14: 2008/BTNMT đã có quy định đối với hàm lượng Nitơ trong nước trước khi xả thải ra môi trường

Bảng 2.3: Thông số Nitơ trong nước thải sinh hoạt

để Nitơ thì nhà máy cần phải xây dựng với các công nghệ hiện đại và tốn kém

2.2.2 Ảnh hưởng của Nitơ đối sức khỏe cộng đồng

Trên bình diện sức khỏe Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng

về môi trường Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng Khi nước thải có nhiều Ammonia có thể gây độc cho cá và hệ động vật thủy sinh, làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước Khi hàm lượng Nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng Phospho có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxy hòa tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho các và hệ sinh vật trong hồ

Khi xử lý Nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất Nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm Nitrat tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamine là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với Nitrat lọt vào sữa mẹ hoặc qua nước dùng để pha sữa Khi lọt vào cơ thể, Nitrat chuyển hóa thành Nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột ion Nitrit còn nguy hiểm hơn Nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất gây ung thư Trong cơ thể Nitrit có thể oxy hóa sắt II ngăn cản quá trình hình thành hemoglobin làm giảm lượng oxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong

2.3 Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải hiện nay

2.3.1 Tổng quan các phương pháp xử lý

Đã có nhiều phương pháp, nhiều công trình xử lý Nitơ trong nước thải được đưa vào vận hành và nghiên cứu trong đó có cả phương pháp hóa học, sinh học, vật lý… Nhưng phần lớn chúng đều chưa đưa ra được một mô hình xử lý Nitơ chuẩn

để có thể áp dụng trên một phạm vi rộng Dưới đây là bảng phân tích một cách tổng quan nhất về dạng và hiệu suất làm việc của các phương pháp xử lý Nitơ trong

nước thải đã được nghiên cứu và ứng dụng

Bảng 2.4: Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải

Nitrat hóa

Xử lý có giới hạn

Tách bằng các quá trình Nitrat và khử Nitrat

Cacbon sinh

bám 30 – 50% Hiệu suất thấp Hiệu suất thấp 10 – 20%

Trao đổi ion

[Nguồn: Trần Đức Hạ, Xử lý nước thải đô thị, 2008]

Qua bảng phân tích và đánh gia hiệu quả xử lý Nitơ , ta thấy việc xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học cho hiệu quả rất cao Cùng với việc ứng dụng phương pháp sinh học để khử Nitơ trong nước thải, ta còn lưu ý đến các phương pháp khác như: hóa học (châm clo), vật lý (thổi khí), trao đổi ion… Theo thống kê các nhà máy ứng dụng các công nghệ để xử lý Nitơ thì chỉ có 6/1200 nhà máy là sử dụng biện pháp thổi khí, 8/1200 nhà máy sử dụng biện pháp châm clo và duy nhất có 1 nhà máy là sử dụng biện pháp trao đổi ion Sở dĩ nhưng biện pháp này ít được sử dụng là do chi phí đầu tư lớn, thêm vào đó là sự phức tạp trong quá trình vận hành

và bảo dưỡng

Các phương pháp chủ yếu là:

Phương pháp sinh học: Các muối Nitrat, Nitrit tạo thành trong quá trình phân

hủy hiếu khí sẽ được khử trong điều kiện thiếu khí trên cơ sở các phản ứng Nitrat

Phương pháp hóa học và hóa lý: Vôi hóa nước thải đến pH = 10 – 11 để tạo

thành NH4OH và thổi bay hơi trên các tháp làm lạnh

Tuy nhiên, trong đó phương pháp sinh học lại có những ưu điểm nổi bật như:

- Hiêu suất khử Nitơ cao

- Tương đối dễ vận hành, quản lý

- Diện tích yêu cầu nhỏ

- Chi phí đầu tư hợp lý, vừa phải

Từ việc xem xét, đánh giá hiệu quả xử lý cũng như tổng quan các phương pháp

xử lý Nitơ trong nước thải, ở trong đề tài nghiên cứu tôi sử dụng phương pháp sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt

2.3.2 Xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học

Ngày nay đã có rất nhiều công nghệ để làm giảm hàm lượng Nitơ trong nước thải Có 2 phương pháp xử lý Nitơ chủ yếu chính là xử lý bằng phương pháp vi sinh và phương pháp hóa lý Tuy nhiên các phương pháp xử lý Nitơ bằng sinh học được ưa chuộng hơn bởi chi phí hoạt động thấp hơn và hầu như không sử dụng hóa chất (không tạo ra chất ô nhiễm thứ cấp), nhưng chi phí đầu tư ban đầu khá cao nên hiện nay tại Việt Nam còn rất ít nhà máy xây dựng có quy trình xử lý Nitơ trong nước thải

Quá trình xử lý sinh học được ứng dụng trong viêc khử Ammoni và Nitrat trong nước thải được ứng dụng một cách rộng rãi với nhiều quy trình công nghệ xử lý ngày càng trở nên phổ biến Từ đầu tiên là công nghệ SBR, mương oxy hóa đến những công nghệ gần đây là ANAMMOX (Mulder, 1995), SHARON (Hellinga, 1998), CANON (Schmidt, 2003)

Quá trình thông thường Nitơ trong nước thải được loại bỏ nhờ sự chuyển hóa của vi khuẩn đối với các hợp chất của Nitơ như N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, thành Nitơ tự do nhờ quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat (Nitrification và Denitrification) Đầu tiên, Ammoni được oxy hóa thành các Nitrit nhờ các vi khuẩn

Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus (pha thứ 1) Sau đó các ion Nitrit bị oxy hóa thành Nitrat nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus (pha thứ 2) Các vi khuẩn Nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter

thuộc loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng Năng lượng sinh ra từ phản ứng Nitrat hóa (Nitơ Ammoni là chất nhường điện tử) được vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào Nguồn cacbon để sinh tổng hợp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô

cơ (HCO3- là chính) Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh O2

Quá trình trên thường được thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính bám trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh Vận tốc quá trình oxy hóa Nitơ ammoni phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng Nitơ ammoni, oxy hòa tan, vật liệu lọc Các vi khuẩn Nitrat hóa có khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính bám cũng có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tương quan sản phẩm của phản ứng sinh hóa Sử dụng vật liệu mang phù hợp làm giá thể cố định vi sinh cho phép giữ được sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bùn, nâng cao và ổn định hiệu suất xử lý trong cùng một khối tích công trình cũng như tránh được những sốc do thay đổi điều kiện môi trường

Để loại bỏ Nitrat trong nước thải, sau công đoạn Nitrat hóa Ammoni là khâu khử Nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu khí (anoxic) Nitrit và Nitrat sẽ chuyển thành dạng khí N2 Để thực hiện phương pháp này, người

ta cho nước qua bể lọc kỵ khí với vật liệu lọc, nơi dính bám và sinh trưởng của vi sinh vật khử Nitrat Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử Chúng

có thể là chất hữu cơ, H2S, Nếu trong nước không có oxy nhưng có mặt các hợp chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ được, trong môi trường anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3- như nguồn oxy để oxy hóa chất hữu cơ (chất nhường điện tử), còn NO3- (chất nhận điện tử) bị khử thành khí Nitơ

Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ quá trình chuyển hoá NO3- thành khí

N2 và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào Do đó khi khử NO3- sau quá trình Nitrat hóa mà thiếu các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải đưa thêm các chất này vào nước Hiện nay, người ta thường sử dụng khí tự nhiên (chứa metan), rượu, đường, cồn, dấm, axetat natri, Axetat natri là một trong những hoá chất thích hợp nhất

Các quá trình khử Nitơ trong phương pháp này được thể hiện một cách tổng quát theo các phản ứng trong bảng 2.5:

Bảng 2.5: Các phản ứng chuyển hóa sinh học của Nitơ trong nước thải

Ammonification (hiếu khí) Vi khuẩn

2 NH4+ + OH- → NH3 + H2O ammonia/ammonia Cân bằng -

3 4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O →

C5H7O2N + 5O2

Quang hợp, tự dưỡng Vi khuẩn, tảo

4 2 NH4+ + 3 O2 + 4HCO3- + →

2NO2- 4CO2 + 6H2O Nitrit ation

Nitrisomonas,

N eutropha Nitrosospira

5 2 NO2- + O2 → NO3- Nitrit ation

Nitrobacter, Nitrospira Nitrosocystics

6 NH4+ +2O2 + 2HCO3- → NO3- +

2CO2 + 3H2O Nitrification Nitrifying bacteria

7 C + 2NO3- → 2NO2- + CO2 DeNitratation

Denitrifying, Hecterotrophic bacteria

8 3C + 2H2N2O + CO2 + 4NO2- →

2 + 4HCO3- DeNitrit ation

Denitrifying, Hecterotrophic bacteria

9 5C + 2H2O + 4NO3- → 2N2 +

4HCO3- + CO2 Denitrification

Heterotrophs Pseudomonas Bacillus Alcaligenes

10 2NH4+ +3/2O2 + 2HCO3- →

NH4+ + NO2- + 2CO2 + 3/2 H2O

Nitrat hóa bán phần (partial Nitrit

Ammonia oxidizing bacteria

[Nguồn: Luzia Gut, 2006]

2.3.2.1 Quá trình Nitrat hóa

Sau quá trình ammoni hóa NH3 được hình thành, một phần phản ứng với các anion trong nước thải tạo thành muối ammoni, muối ammoni được oxy hóa thành dạng Nitrat gọi là quá trình Nitrat hóa Nhóm vi sinh vật tiến hành quá trình này gọi chung là nhóm vi khuẩn Nitrat hóa bao gồm hai nhóm tiến hành qua hai giai đoạn

Giai đoạn Nitrit hóa: quá trình oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi vi khuẩn Nitrit hóa Chúng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy không khí tạo ra năng lượng

NH4+ + 1,5O2 Nitrosomonas NO2+ + H2O + 2H+ + Q Năng lượng được vi khuẩn sử dụng để đồng hóa CO2 thành cacbon hữu cơ Enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí

Nhóm vi khuẩn Nitrit hóa bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, và Nitrosospira chúng đều thuộc loại tự dưỡng Năng

lượng tạo ra từ phương trình phản ứng oxy hóa Ammonia khoảng 66 – 84 kcal/mol Ammonia

Giai đoạn Nitrat hóa: Quá trình oxy hóa NO2- thành NO3- được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn Nitrat Chúng cũng là những vi sinh vật tự dướng hóa năng có khả năng oxy hóa NO2- thành NO3- và tạo ra năng lượng

NO2- + 0,5O2 Nitrobacter NO3- + Q Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hóa NO2- thành NO3- bao gồm 3 chi khác nhau:

Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói