Nghiên cứu xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khi hiếu khí cải tiến

Trong đó, biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng biện pháp sinh học có sử dụng vi sinh vật trong điều kiện thiếu khí và hiếu khí đang được chú ý nghiên cứu và áp dụng.. Nhận thấy được

Hình 2 Sơ đồ phostrip tách loại photpho

Hình 3 Sơ đồ xử lý nitơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình VIP

Hình 4 Đường chuẩn photpho

Hình 5 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm

Hình 6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý P của toàn hệ

Hình 7 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý P của toàn hệ

Hình 8 Ảnh hưởng của tải lượng tới hiệu suất xử lý P của toàn hệ

Bảng 2 Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20oC

Bảng 3 Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho Bảng 4 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu

Bảng 5 Ảnh hưởng của các ion silic đến kết quả phân tích

Bảng 6 Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm

Bảng 7 Các chế độ vận hành

AAO (Anaerobic – Anoxic - Oxic)

BOD ( Biological Oxyzen Demand)

COD ( Chemical Oxyzen Demand)

Yếm khí – thiếu khí – hiếu khí

Hiếu khí Yếm khí Thiếu khí Axit béo dễ bay hơi Sinh vật tích lũy photpho Nhu cầu oxi hóa sinh học

Nhu cầu oxi hóa hóa học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 3

1.1.1 khái niệm nước thải sinh hoạt 3

1.1.2 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt 3

1.1.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường 3

1.1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 4

1.2 Tổng quan về photpho 6

1.2.1 Định nghĩa 6

1.2.2 Vai trò của photpho 7

1.2.3 Thực trạng, nguyên nhân ô nhiễm photpho hiện nay 7

1.2.4 Ảnh hưởng của photpho tổng 7

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt 9

1.3.1.Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho 9

1.3.2 Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước thải 14

1.4 Công nghệ xử lý nước thải AO 29

1.4.1 Quá trình Anoxic (xử lý sinh học thiếu khí) 30

1.4.2 Quá trình Oxic (xử lý sinh học hiếu khí) 31

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Đối tượng nghiên cứu 32

2.2 Mục đích nghiên cứu 32

2.3 Nội dung nghiên cứu 32

2.4 Phương pháp nghiên cứu 33

2.4.1 Phương pháp tài liệu kế thừa 33

2.4.2 Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 33

2.4.2.1 Phương pháp thu thập số liệu 33

hóa ướt bằng K2S2O8 33

2.4.3.1 Nguyên tắc 33

2.4.3.2 Yếu tố ảnh hưởng 34

2.4.3.3 Dụng cụ thiết bị 35

2.4.3.4.Hóachất………36

2.4.3.5 Quy trình phân tích……… …… 37

2.4.4 Phương pháp thực nghiệm 38

2.4.4.1 Hệ thiết bị thí nghiệm 39

2.4.4.2 Các chế độ thí nghiệm và quy trình vận hành 40

CHƯƠNG 3:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý photpho 41

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý photpho 41

3.3 Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu quả xử lý photpho 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

Đặng Thị Thịnh 1

LỜI MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, nước cần thiết cho sự sống

và phát triển của động thực vật và con người vì vậy có thể nói ở đâu có nước

ở đó có sự sống Nước tự nhiên bao gồm toàn bộ nước từ các đại dương, biển vịnh sông hồ, ao suối…trong đó nước ngọt chiếm tỷ lệ rất nhỏ khoảng 2,6% tổng lượng nước Nước ngọt được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau như: sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, sản xuất công nghiệp và dịch vụ Sau khi sử dụng thì nước sẽ trở thành nước thải và bị ô nhiễm ở mức độ khác nhau Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa hiện đại hóa và sự bùng nổ dân số thì nhu cầu nước sạch càng trở nên cấp thiết hơn

đi đôi với đó lượng nước thải ra ngày càng nhiều Tuy nhiên, nước thải đã và đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, vấn đề ô nhiễm nước đang rất được quan tâm, đang là mối lo ngại của rất nhiều quốc gia trong đó có cả Vệt Nam

Ở việt Nam, trong các khu đô thị thì nước thải sinh hoạt sẽ được thải ra

hệ thống thu gom nước đưa về khu xử lý tập trung để xử lý Tuy nhiên, nguồn nước thải sinh hoạt vẫn chưa được xử lý một cách triệt để do nước thải sinh hoạt có thành phần phức tạp, chi phí xử lý cao, các khu xử lý có hiệu suất xử

lý thấp chưa đáp ứng yêu cầu xử lý Còn ở nông thôn, nước sau khi được sử dụng lại thải bỏ trực tiếp ra ao hồ sông ngòi vì vậy dẫn tới tình trạng ô nhiễm nguồn nước và gây mùi khó chịu làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới con người động thực vật khác Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là COD, nito, photpho Ngoài ra, nước thải sinh hoạt còn chứa hàm lượng N và P rất lớn, nếu không được loại

bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy hòa tan) biến động liên tục và mạnh là những tác nhân khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống nổi đối thủy động vật

Đặng Thị Thịnh 2

Từ thực trạng đó, đã có rất nhiều biện pháp được đưa ra để xử lý nước thải sinh hoạt Trong đó, biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng biện pháp sinh học có sử dụng vi sinh vật trong điều kiện thiếu khí và hiếu khí đang được chú ý nghiên cứu và áp dụng Nhận thấy được biện pháp trên có nhiều

ưu điểm như: có giá thành vận hành rẻ, thích hợp cho các loại nước thải có độ

ô nhiễm cao, phù hợp với điều kiện ấm nóng của Việt Nam, trong bản khóa luận

này, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khi - hiếu khí cải tiến”

Đặng Thị Thịnh 3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1 khái niệm nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân… Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, phòng thí nghiệm, trường học… Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào lượng dân số của khu vực đó Các trung tâm đô thị thường có lượng nước thải sinh hoạt cao hơn so với nông thôn Nước thải sinh hoạt ở các đô thị được thải ra hệ thống thoát nước còn ở nông thôn không được xử lý mà đổ trực tiếp ra hệ thống kênh rạch và xả thẳng vào các ao, hồ, sông, ngòi và được tiêu thoát tự nhiên

1.1.2 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt

Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại chính: nước đen và nước xám

 Nước đen là nước thải từ các 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 thải phát sinh từ quá trình tắm rửa, cạn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể cả các chất thải từ nấu nướng…với thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể

1.1.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường

Các thành phần ô nhiễm chính thường thấy trong nước thải sinh hoạt là BOD, COD, nitơ và phôtpho Nước thải sinh hoạt chứa nhiều hợp chất hữu cơ

dễ bị phân hủy sinh học, các chất hữu cơ khó phân hủy, ngoài ra còn có cả thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Chất hữu cơ

 Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền như tiêu chảy, ngộ độc thức ăn, vàng da, kiết lị…

 Ammoni, photpho: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồng độ trong nước quá cao có thể dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa (sự phát triển bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước thấp vào ban đêm gây ngạt thở và diệt vong của các vi sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy lại rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra)

 Màu: gây mất mĩ quan

 Chất thải lơ lửng: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận gây điều kiện yếm khí

 Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt ảnh hưởng đến đời sống của thủy sinh vật dưới nước

 Dầu mỡ gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt nước gây thiếu hụt oxy Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí hình thành tạo khí như H2S, Nh3, CH4…gây mùi hôi thối khó chịu cho nước

1.1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt gây nhiều tác hại đến môi trường cũng như đời sống con người và sinh vật vì vậy chúng ta cần phải xử lý nước thải sinh hoạt thật tốt để bảo vệ môi trường cũng như bảo vệ hệ sinh thái đặc biệt là hệ sinh thái dưới nước Hiện nay các phương pháp xử lý nước thải phổ biến được

xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học chủ yếu có các nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình kị khí, quá trình kết hợp khác

Ví dụ như hệ thống xử lý bằng thực vật nước: lục bình, sậy, tảo…

 Phương pháp xử lý lý học

Xử lý lý học là nhằm loại bỏ các tạp chất không hòa tan chứa trong nước thải và được thực hiện ở các công trình xử lý như: song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng, bể lọc

Song chắn rác, lưới chắn rác làm nhiệm vụ giữ lại các chất bẩn kích thước lớn có nguồn gốc hữu cơ

Bể lắng, bể lọc giữ lại các tạp chất vô cơ, chất lơ lửng trong nước

Về nguyên tắc đây là phương pháp xử lý sơ bộ trước khi xử lý tiếp theo

 Phương pháp xử lý hóa học

Các phương pháp hóa học dùng trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt bao gồm: 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 phản ứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào đó Ưu điểm của phương pháp hóa học là hiệu quả xử lý cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là rất tốn kém, không phù hợp áp dụng trên diện rộng

Chất lượng nước thải sau khi xử lý phải đạt tiêu chuẩn môi trường bảng 1

Đặng Thị Thịnh 6

Bảng 1 Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT

STT Thông số ô nhiễm Đơn vị

PO ) (tính theo P)

- Photpho là một phi kim, nguyên tử lượng 31, tỉ trọng 1.83, điểm nóng chảy 940C, điểm sôi 2780C, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ Photpho là một chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm, dễ uốn

- Photpho tồn tại dưới ba dạng thù hình cơ bản: photpho đỏ, photpho trắng, photpho đen Trong đó photpho trắng và photpho đỏ là hai dạng tồn tại chính

- Tổng lượng photpho trong nước thải sinh hoạt bao gồm ortho photphat (PO43-), poly photphat (hai phân tử axit ortho photphoric ngưng tụ

1.2.2 Vai trò của photpho

- Photpho là một yếu tố cần cho cuộc sống, sinh vật bao gồm cả con người sở hữu lượng nhỏ nguyên tố này Photpho rất quan trọng trong quá trình sản sinh năng lượng của tế bào, tham gia cấu thành tế bào

- Trong nông nghiệp, photpho khai thác từ các mỏ được sử dụng rộng rãi để chế biến thành phân bón giúp tăng năng xuất cây trồng

- Trong công nghiêp photpho được dùng để làm nguyên liệu sản xuất phân bón, nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất sản xuất axit photphoric (H3PO4, photpho pentao oxit (P2O5)…

- Ngoài ra photpho còn có rất nhiều vai trò quan trọng khác nữa

1.2.3 Thực trạng, nguyên nhân ô nhiễm photpho hiện nay

- Thực trạng dư thừa photpho trong nước thải sinh hoạt cũng như trên các cánh đồng chính là nguyên nhân chính gây nên sự phát triển của tảo, làm giảm chất lượng của nước Ô nhiễm photpho làm nguy hiểm cho các vi sinh vật sống dưới nước, con người và các loài sống phụ thuộc vào nguồn nước sạch Trong một số trường hợp dư thừa photpho còn làm cho các loài tảo độc

phát triển gây hại cho con người và vi sinh vật

- Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho trong nước sinh hoạt phát sinh từ:

+ Thất thoát từ phân bón có trong ruộng đất

+ Chất thải từ người và động vật

+ Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch

1.2.4 Ảnh hưởng của photpho tổng

Đặng Thị Thịnh 8

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 Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hoá học vào môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, cũng tương tự như vậy

1 kg photpho sẽ sinh ra được 138 kg COD dưới dạng tảo chết

Trong nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy thực vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn Vào ban ngày hoặc khi nhiều nắng, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh liệt Khi quang hợp tảo hấp thụ khí CO2 hoặc bicarbonat (HCO3-) trong nước

và nhả ra khí oxy pH của nước tăng nhanh, nhất là khi nguồn nước nhận có

độ kiềm thấp (tính đệm thấp do cân bằng của hệ H2CO3 - HCO3- - CO32-), vào thời điểm cuối buổi chiều, pH của một số ao, hồ giàu dinh dưỡng có thể đạt giá trị trên 10 Nồng độ oxy tan trong nước thường ở mức siêu bão hoà, có thể tới 20 mg/l

Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân huỷ chất hữu cơ để tạo ra năng lượng, ngược với quá trình quang hợp) xảy ra Trong khi hô hấp, tảo thải ra khí CO2, tác nhân làm giảm pH của nước Vào ban đêm hoặc những ngày ít nắng, quá trình hô hấp diễn ra mạnh mẽ gây tình trạng thiếu oxy và làm giảm pH trong nước Trong các nguồn nước giàu dinh dưỡng vào buổi sáng sớm, trước lúc bình minh, lượng oxy trong nước hầu như cạn kiệt và pH có thể thấp hơn 5,5

Hiện tượng nêu trên được gọi là phú dưỡng - lượng dinh dưỡng cho thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi trường nước

Đặng Thị Thịnh 9

Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động liên tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống đối với thuỷ động vật

Thời gian hay chu kỳ sống của tảo có giới hạn, sau khi phát triển mạnh (bùng nổ tảo hay còn gọi là nước nở hoa) tảo chết lắng xuống lớp đáy và tiếp tục bị phân huỷ trong điều kiện yếm khí Giống loài tảo rất phong phú, trong

đó có loài tảo độc (tiết ra độc tố), trong điều kiện phú dưỡng tỷ lệ thành phần tảo thường thay đổi theo chiều hướng bất lợi, hình thành nhiều loại tảo độc

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

1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho

Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải dưới ba dạng hợp chất: photphat đơn (PO43-), polyphotphat (P2O7) và hợp chất hữu cơ chứa photphat, hai hợp chất sau chiếm tỉ trọng lớn Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước thải duy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào Hàm lượng photpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 – 2,5%) khối lượng khô Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật

có khả năng hấp thu photphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 – 7%), lượng photpho dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau Trong điều kiện yếm khí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng photphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng photphat đơn Một vài loại tảo cũng có khả năng tích trữ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế bào

Hiện tượng trên được sử dụng để tách loại hợp chất photpho ra khỏi môi trường nước thải bằng cách tách vi sinh có hàm lượng photpho cao dưới dạng bùn thải hoặc tách photphat tồn tại trong nước sau khi xử lý yếm khí bằng biện pháp hóa học

Đặng Thị Thịnh 10

Biện pháp loại bỏ photpho từ bùn được gọi là phương pháp tách trực tiếp, biện pháp sau áp dụng giải pháp xử lý kế tiếp giữa hiếu khí - yếm khí có ghép thêm công đoạn xử lý hóa học (công đoạn phụ - side stream)

Xử lý photpho vì vậy không phải là một hệ xử lý độc lập mà là bổ sung hoặc vận hành hợp lý một tổ hợp đã tồn tại nhằm mục đích tách loại thêm so với các hệ cũ: phương pháp tăng cường xử lý photpho bằng biện pháp sinh học (enhanced biological phophorus removal EBPR)

Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình hấp thu - tàng trữ - thải photpho được quy chung về nhóm vi sinh bio - P mà vi sinh Acinetobacter là chủ yếu Loại vi sinh bio - P phát triển trong điều kiện vận hành kế tiếp chu trình hiếu khí - yếm khí, tham gia vào quá trình tách loại photpho theo cơ chế trên Hệ thống xử lý photpho theo nguyên tắc trên được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tiễn xử lý nước thải mặc dù cơ chế của quá trình vẫn chưa được hiểu thấu đáo

Dưới điều kiện hiếu khí (O2) vi sinh bio - P tích lũy photphat trùng ngưng trong cơ thể chúng từ photphat đơn tồn tại trong nước thải

C2H4O2 + 0,16 NH4+ + 1,2 O2 + 0,2 PO43-  0,16 C5H7NO2 + 1,2 CO2 + 0,2 (HPO3) + 0,44 OH- + 1,44 H2O (1.1)

Phương trình tỷ lượng (1.1) được thành lập trên cơ sở chất hữu cơ là axit axetic (C2H4O2) với tỉ lệ tính theo mol của PO43-/C2H4O2 = 0,2 và với hiệu suất sinh khối hữu hiệu là 0,3 g/g C2H4O2 HPO3 là photphat ở dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy, chỉ có mặt nitrat) quá trình tích lũy photpho xảy ra:

C2H4O2 + 0,16NH4+ + 0,2PO43-+0,96NO3- 0,16C5H7NO2 + 1,2CO2 + 0,2(HPO3) + 1,4OH- + 0,48N2 + 0,96H2O (1.2)

Từ (1.2) cho thấy chủng loại vi sinh tích lũy photpho cũng có khả năng khử nitrat

Đặng Thị Thịnh 11

Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn:

2 C2H4O2 + (HPO3) + H2O  (C2H4O2)2 + PO43-+ 3H+ (1.3)

(C2H4O2)2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ ngoài vào Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol P/mol axit axetic

Hiệu suất sinh khối của loại vi sinh bio – P (còn gọi là loại tích lũy photpho, Phosphorus acccumulating organisms, PAOs) tương tự như loại dị dưỡng hiếu khí có giá trị 0,5 – 0,6 g SK/g COD tan (sinh khối cũng tính theo COD) Nếu hiệu suất sinh khối của bio – P tính theo khối lượng của thành phần không tan thì giá trị thu được phụ thuộc vào hàm lượng photpho trong

cơ thể vi sinh vật, tương ứng với sự “thay thế” của chất hữu cơ khi photphat được thải ra

Số liệu động học liên quan đến quá trình tích lũy - thải photpho của vi sinh vật từ nghiên cứu chênh lệch nhau khá nhiều, vì vậy nên có những đánh giá trong từng trường hợp cụ thể Tuy nhiên khi xét về mặt động học cần chú

ý tới cả ba giai đoạn của một quá trình: tích lũy trong điều kiện hiếu khí, thiếu khí và tách photphat trong điều kiện yếm khí

Trong điều kiện hiếu khí tốc độ hấp thu photphat được mô tả qua phương trình động học dạng Monod:

) (

,

,

K S

S Y

v

P P P p

m

p m P

v, : tốc độ hấp thu photphat từ môi trường nước

m, p, Ym, p là hằng số tốc độ phát triển cực đại và hiệu suất sinh khối cực đại của vi sinh bio – P

SP và KP là nồng độ photphat trong dung dịch và hằng số bán bão hòa X(PAO) là nồng độ vi sinh tích lũy photpho

Đặng Thị Thịnh 12

Trong điều kiện thiếu khí, tốc độ hấp thu photphat nằm trong khoảng

40 – 60% so với tốc độ trong điều kiện hiếu khí

Tốc độ tách photphat từ vi sinh vật trong điều kiện yếm khí phụ thuộc vào tốc độ hấp thu cơ chất, tức là phụ thuộc vào bản chất của cơ chất Nếu sử dụng cơ chất là axit axetic thì phương trình động học dạng Monod mô tả quá trình tách photphat có dạng:

) (

K S

S k

v

Ax Ax

Ax Ax

Ax i

và tỉ lượng giữa axit axetic và photphat từ phương trình (1.3)

Bảng 2 ghi các giá trị động học quá trình xử lý photpho bằng phương pháp vi sinh

thu axit axetic

Đặng Thị Thịnh 14

lũy photphat hoạt động trong giai đoạn hiếu khí sau đó Sự có mặt của nitrat gây ra hai tác động: sử dụng cạnh tranh nguồn cơ chất dễ sinh hủy giữa vi sinh Denitrifier và bio - P (1,26 mol axit axetic/mol NO3-), làm thay đổi cơ chế trao đổi chất của bio - P dẫn đến mất khả năng tích lũy photphat trùng ngưng

1.3.2 Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước thải

Dựa trên nguyên tắc hoạt động của vi sinh vật bio – P, quá trình tách loại photpho trong một hệ thống xử lý nước thải có thể thực hiện phối hợp với oxy hóa BOD, với khử hợp chất nitơ theo các phương án kỹ thuật khác nhau

bể thứ cấp chứa hàm lượng photpho cao được tách loại photpho trong quá trình AO phụ thuộc vào tỉ lệ BOD:P, nếu tỉ lệ trên lớn hơn 10, hiệu quả tách loại tốt, nếu tỉ lệ trên thấp có thể bổ xung thêm muối sắt, nhôm để giảm nồng

Bùn thải Yếm khí Hiếu khí

Đặng Thị Thịnh 15

độ photpho tại đầu ra Quá trình AO là quá trình tách loại photpho trực tiếp, không ghép thêm công đoạn tách phụ vào hệ xử lý nước thải thông dụng Trong trường hợp nước thải chứa hợp chất nitơ, hệ trên cũng có tác dụng xử

lý, tuy nhiên cần phải tính toán đủ thời gian lưu cho giai đoạn hiếu khí để oxy hóa amoni

Quá trình Phostrip

Phostrip là quá trình tách loại photpho có ghép thêm công đoạn phụ để kết tủa photphat tan sau khi xử lý yếm khí như (hình 2):

Hình 2 Sơ đồ phostrip tách loại photpho

Trong sơ đồ công nghệ Phostrip, một phần bùn thải từ bể lắng thứ cấp được đưa vào xử lý yếm khí với thời gian lưu thủy lực từ 8 - 12 giờ Photphat đơn tách ra từ xử lý yếm khí tan trong nước, phần nước này được tách ra để kết tủa với hóa chất Sinh khối sau khi tách photpho được đưa về cùng với sinh khối từ bể lắng thứ cấp hòa trộn với dòng vào để xử lý hiếu khí

Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn

Sử dụng kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn cũng có thể tách loại đồng thời BOD, hợp chất nitơ, photpho bằng cách thay đổi thời gian vận hành đối với

Nước sau kết tủa

Bùn thải

Hóa chất Nước sau xử lý yếm khí

Bùn thải Hiếu khí

Yếm khí

Kết tủa hóa học

Đặng Thị Thịnh 16

từng chu kỳ Trong giai đoạn sục khí xảy ra các quá trình oxy hóa BOD, amoni và tích lũy photpho Trong giai đoạn khuấy trộn xảy ra quá trình khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối Tách photpho ra khỏi nước thải có thể thực hiện với hóa chất hay trực tiếp (ngay sau xử lý hiếu khí) Để khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối cần bổ xung thêm BOD hoặc sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh

Quá trình AAO

AAO là một biến hình công nghệ của sơ đồ AO bao gồm các công đoạn

xử lý yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic), trong đó giai đoạn xử lý thiếu khí dành cho quá trình khử nitrat với thời gian lưu thủy lực khoảng một giờ Khoảng xử lý thiếu khí được bổ xung nitrat, nitrit từ bể hiếu khí (quay vòng), bùn từ bể lắng thứ cấp được hồi lưu về bể yếm khí Sơ

đồ AAO có khả năng xử lý đồng thời hợp chất nitơ và photpho

Quá trình Bardenpho năm giai đoạn

Quá trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho Giai đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho Giai đoạn xử lý thiếu khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu

cơ phân hủy nội sinh Bể hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phần amoni, BOD dư và để hạn chế quá trình tách loại photpho từ vi sinh trong bể lắng thứ cấp Hỗn hợp bùn - vi sinh được quay vòng từ bể hiếu khí đầu về bề thiếu khí thứ nhất So với AAO thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn (10 - 40 ngày)

Quá trình UCT

UCT là tên viết tắt của University of Cape Town, nơi thiết lập sơ đồ công nghệ xử lý có khả năng đồng thời loại bỏ BOD, hợp chất nitơ và photpho Sơ đồ UCT tương tự sơ đồ công nghệ AAO, tuy vậy có hai điểm

Chất hữu cơ có trong dòng quay vòng từ bể xử lý thiếu khí là loại dễ sinh hủy và hàm lượng nitrat trong đó thấp vì vậy thích hợp cho quá trình tách photpho từ vi sinh vật Dòng quay vòng nội bộ thứ hai và bùn từ bể lắng thứ cấp có tác dụng khử nitrat

Quá trình VIP

VIP là tên viết tắt của Virginia Initiative Plant in Norfork, Virginia) tương tự như AAO và UCT, điểm khác biệt là chu trình quay vòng bùn và hỗn hợp bùn – nước (hình 3 d) Bùn từ bể lắng cùng với hỗn hợp bùn nước từ

bể hiếu khí được đưa về bể xử lý thiếu khí, còn hỗn hợp bùn – nước từ bể thiếu khí được quay vòng về bể yếm khí Do một phần chất hữu cơ của dòng vào được xử lý qua hai giai đoạn yếm khí và thiếu khí nên tiết kiệm được lượng oxy tiêu thụ tại bể hiếu khí

Hình 3 Sơ đồ xử lý nitơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho

năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình VIP

Bùn thải Yếm khí Thiếu khí Hiếu khí

Bùn thải

Yếm

khí

Thiếu khí

Hiếu khí

Thiếu khí

Hiếu khí

Yếm

khí

Thiếu khí

Thiếu khí

Hiếu khí

Bùn thải

Yếm

khí

Thiếu khí

Hiếu khí

Bùn thải

Đặng Thị Thịnh 19

Đặc thù của quá trình xử lý photpho

Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ bùn Dòng bùn quay vòng cùng với nước thải được đưa về bể xử lý yếm khí Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí Trong môi trường yếm khí, nơi giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu

cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí chúng tích lũy photphat tan trong nước thải Do thay đổi về điều kiện cơ chất

từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên bề yếm khí còn đóng vai trò của bể chọn lọc vi sinh: thúc đẩy sự phát triển của vi sinh tích lũy photpho và hạn chế vi sinh dạng sợi phát triển, tạo điều kiện lắng bùn tốt hơn trong bể lắng thứ cấp

Thông thường thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí có ảnh hưởng không lớn lắm đến quá trình giải phóng photpho, quá trình này chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và các thông số vận hành: bản chất và nồng

độ chất hữu cơ, oxy hòa tan, nitrat, pH, nhiệt độ Vì lý do đó, thiết kế hệ xử lý photpho đạt hiệu quả cao là việc không dễ dàng Trong thiết kế cũng phải đảm bảo cho yếu tố và điều kiện vận hành sao cho điều kiện yếm khí được duy trì,

ví dụ giảm lượng oxy hòa tan từ dòng vào và từ dòng hồi lưu bùn Quá trình giải phóng photpho cũng xảy ra trong bể lắng và cũng cần được hạn chế khi quay vòng bùn Do biến động của nhiều yếu tố nên hệ xử lý được thiết kế rất cần yếu tố linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu

Mục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ trong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải Hệ xử lý photpho

có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc thiết kế đòi hỏi gọn, ít thay đổi cơ cấu của hệ cũ Ví dụ với hệ xử lý bùn hoạt tính theo kỹ thuật dòng

Đặng Thị Thịnh 20

lý tưởng khi chuyển đổi một phần thể tích bể sang chế độ hoạt động yếm khí thì có thể xây dựng vách ngăn để tách riêng hai vùng, ngăn chặn sự lưu thông ngược lại từ vùng hiếu khí sang yếm khí Tất nhiên, ngay trong vùng yếm khí cũng cần được khuấy trộn để tạo điều kiện cho sinh khối ở trạng thái lơ lửng

Hệ được bố trí như vậy kèm thêm các điều kiện khác như cấp đầy đủ chất hữu

cơ thích hợp, kiểm soát được oxy hòa tan, nitrat, nitrit thì hệ sẽ hoạt động có hiệu quả

Một số mô hình có thể sử dụng để tính toán thiết kế hệ xử lý photpho: ASM2, ASM2d (IWA 1994, 2000) hoặc EAWAG Bio - P module (phiên bản của ASM3), mô hình kinh nghiệm

Để có thể thiết kế hiệu quả một hệ thống xử lý photpho, yếu tố cực kỳ quan trọng là đánh giá đầy đủ các đặc trưng của nước thải cần xử lý, đặc biệt

là nguồn chất hữu cơ trong đó mà vi sinh vật có thể hấp thu trong môi trường yếm khí

Để hệ xử lý photpho hoạt động có hiệu quả cần đáp ứng các điều kiện:

- Điều kiện môi trường yếm khí, hiếu khí kế tiếp nhau

- Đủ lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể hấp thu

- Lượng photpho trong nước thải cao hơn mức nhu cầu tổng hợp tế bào