NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO, PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC (USBF)

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 1 1. Đặt vấn đề 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Nội dung nghiên cứu 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG 3 1.1. Tổng quan về phenol 3 1.1.1. Nguồn gốc và hiện trạng sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp 3 1.1.2. Tính chất 4 1.1.3. Tính độc của phenol đối với con người 5 1.1.4. Những vấn đề môi trường gây ra bởi hợp chất phenol 5 1.2. Tổng quan về Nito và Photpho 7 1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải: 7 1.2.2. Tổng quan về Photpho trong nước 9 1.3. Tổng quan về ô nhiễm môi trường do nước thải công nghiệp 11 1.4. Một số phương pháp xử lý phenol trong nước thải được áp dụng hiện nay 15 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng và nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật 17 1.6. Tổng quan về công nghệ USBF 22 1.6.1. Cấu tạo bể USBF 23 1.6.2. Nguyên tắc hoạt động của công nghệ 23 1.6.3. Ưu, nhược điểm của công nghệ USBF 24 1.6.4. Ứng dụng của công nghệ USBF 25 CHƯƠNG II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1. Sửa chữa, vận hành hệ thống xử lí nước thải quy mô phòng thí nghiệm 26 2.1.1. Sửa chữa và bổ sung hệ thống USBF quy mô phòng thí nghiệm 26 2.1.2. Vận hành hệ thống USBF 27 2.2. Thành phần nước thải giả định 28 2.3. Bùn hoạt tính trong bể USBF 30 2.4. Phương pháp phân tích 32 2.4.1. Phân tích Phenol. 32 2.4.2. Phân tích tổng P 35 2.4.3. Phân tích NH4+ bằng phương pháp trắc quang 38 2.4.4. Phân tích NO3 bằng phương pháp trắc quang 40 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 3.1. Kết quả sửa chữa hệ thống USBF 43 3.1.1. Bơm nước thải đầu vào 43 3.1.2. Ngăn khuấy trộn (ngăn thiếu khí) 45 3.1.3. Ngăn hiếu khí 46 3.1.4. Ngăn lắng 47 3.2. Kết quả phân tích giai đoạn 1(nuôi bùn lần 1) 49 3.2.1. Kết quả phân tích phenol 49 3.2.2. Kết quả phân tích tổng P 50 3.2.3. Kết quả phân tích tổng NH4+ 52 3.1.3. Kết quả phân tích tổng NO3 55 3.3. Kết quả phân tích giai đoạn 2 (Nuôi bùn lần 2) 58 3.4. Giai đoạn 3: Giữ nguyên nồng độ phenol đầu vào và thay đổi hàm lượng NH4+, P đầu vào 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

PHẠM THỊ THƯ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO, PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC

(USBF)

HÀ NỘI – 5/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

PHẠM THỊ THƯ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO, PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC (USBF)

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường

Mã ngành :

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS LÊ NGỌC THUẤN

HÀ NỘI, THÁNG 5 NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng tất cả quá trình làm đồ án đều theo hướng dẫn củaTS.Lê Ngọc Thuấn

Mọi kết quả trong đồ án đều trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễnViệt Nam Các kết quả thực hiện được chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiêncứu nào khác

Mọi sao chép trích dẫn đều có căn cứ tài liệu đầy đủ, không sao chép gian lận

vi phạm quy chế đào tạo, nếu vi phạm thì chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệmtrước hội đồng và nhà trường

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2017

Sinh viên

Phạm Thị Thư

LỜI CẢM ƠN

Trong bốn năm học tập và khoảng thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, emluôn nhận được sự quan tâm, động viên và giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, ngườithân và bạn bè Với những kiến thức thầy cô truyền đạt, sự động viên của bạn bè vàgia đình đã giúp đỡ em rất nhiều để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giảng viên Khoa Môi trường củatrường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất cho emthực hiện nghiên cứu này

Xin đặc biệt cảm ơn TS.Lê Ngọc Thuấn đã giành nhiều thời gian hướngdẫn, tận tình giúp đỡ và truyền đạt nhiều kinh nghiệm thực tế cho em trong quátrình học tập cũng như thực hiện đồ án tốt nghiệp

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân bêncạnh và các bạn sinh viên lớp ĐH3CM1 đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ để hoànthành tốt đồ án tốt nghiệp

Cuối cùng, xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến ba mẹ, anh chị, tất cả mọingười trong gia đình luôn là nguồn động viên, là điểm tựa vững chắc, đã hỗ trợ vàgiúp bản thân em có đủ nghị lực để vượt qua khó khăn và hoàn thành tốt nhiệm vụcủa mình

Dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, em rất mongnhận được sự góp ý và sửa chữa của thầy cô và các bạn về đồ án tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2017

Sinh viên

Phạm Thị Thư

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG 3

1.1 Tổng quan về phenol 3

1.1.1 Nguồn gốc và hiện trạng sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp 3

1.1.2 Tính chất 4

1.1.3 Tính độc của phenol đối với con người 5

1.1.4 Những vấn đề môi trường gây ra bởi hợp chất phenol 5

1.2 Tổng quan về Nito và Photpho 7

1.2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải: 7

1.2.2 Tổng quan về Photpho trong nước 9

1.3 Tổng quan về ô nhiễm môi trường do nước thải công nghiệp 11

1.4 Một số phương pháp xử lý phenol trong nước thải được áp dụng hiện nay 15

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng và nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật 17

1.6 Tổng quan về công nghệ USBF 22

1.6.1 Cấu tạo bể USBF 23

1.6.2 Nguyên tắc hoạt động của công nghệ 23

1.6.3 Ưu, nhược điểm của công nghệ USBF 24

1.6.4 Ứng dụng của công nghệ USBF 25

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Sửa chữa, vận hành hệ thống xử lí nước thải quy mô phòng thí nghiệm 26

2.1.1 Sửa chữa và bổ sung hệ thống USBF quy mô phòng thí nghiệm 26

2.1.2 Vận hành hệ thống USBF 27

2.2 Thành phần nước thải giả định 28

2.3 Bùn hoạt tính trong bể USBF 30

2.4 Phương pháp phân tích 32

2.4.1 Phân tích Phenol 32

2.4.2 Phân tích tổng P 35

2.4.3 Phân tích NH4+ bằng phương pháp trắc quang 38

2.4.4 Phân tích NO3- bằng phương pháp trắc quang 40

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43

3.1 Kết quả sửa chữa hệ thống USBF 43

3.1.1 Bơm nước thải đầu vào 43

3.1.2 Ngăn khuấy trộn (ngăn thiếu khí) 45

3.1.3 Ngăn hiếu khí 46

3.1.4 Ngăn lắng 47

3.2 Kết quả phân tích giai đoạn 1(nuôi bùn lần 1) 49

3.2.1 Kết quả phân tích phenol 49

3.2.2 Kết quả phân tích tổng P 50

3.2.3 Kết quả phân tích tổng NH4+ 52

3.1.3 Kết quả phân tích tổng NO3- 55

3.3 Kết quả phân tích giai đoạn 2 (Nuôi bùn lần 2) 58

3.4 Giai đoạn 3: Giữ nguyên nồng độ phenol đầu vào và thay đổi hàm lượng NH4+, P đầu vào 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG

Bảng1.1 Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp 6

Bảng 2.1 Hàm lượng thành phần các chất trong 50 lít nước thải giả định 28

Bảng 2.2 Hàm lượng các chất trong nước thải giả định theo tính toán 29

Bảng 2.3: Các nhóm vi khuẩn có trong bùn hoạt tính 31

Bảng 2.4 Dụng cụ thí nghiệm để phân tích phenol 33

Bảng 2.5 Bảng lập đường chuẩn phenol 34

Bảng 2.6 Dụng cụ thí nghiệm trong phân tích tổng P 35

Bảng 2.7 Bảng lập đường chuẩn photpho 36

Bảng 2.8 Dụng cụ thí nghiệm trong phân tích NH4+ 38

Bảng 2.9 Quy trình xây dựng đường chuẩn NH4 39

Bảng 2.10 Dụng cụ thí nghiệm trong phân tích NO3- 40

Bảng 2.11 Quy trình lập đường chuẩn NO3- 41

Bảng 3.1 Thời gian hoạt động của bơm 45

Bảng 3.2 Các thông số vận hành ngăn thiếu khí 45

Bảng 3.3 Các thông số vận hành ngăn hiếu khí 47

Bảng 3.4 Các thông số vận hành ngăn lắng 48

Bảng 3.5 Bảng kết quả xây dựng đường chuẩn phenol 49

Bảng 3.6 Kết quả xây dựng đường chuẩn tổng P 50

Bảng 3.7 Hàm lượng P có trong mẫu giả định trong giai đoạn 1 51

Bảng 3.8 Kết quả xây dựng đường chuẩn NH4+ 52

Bảng 3.9 Hàm lượng NH4+ có trong mẫu giả định của giai đoạn 1 53

Bảng 3.10 Kết quả xây dựng đường chuẩn NO3- 55

Bảng 3.11 Hàm lượng NO3- có trong mẫu giả địnhtrong giai đoạn 1 56

Bảng 3.12 Hàm lượng P có trong mẫu giả định của giai đoạn 2 58

Bảng 3.13 Hàm lượng NH4+ có trong mẫu giả định trong giai đoạn 2 59

Bảng 3.14 Hàm lượng NO3- có trong mẫu giả định của giai đoạn 2 61

Bảng 3.15: Kết quả phân tích sự thay đổi nồng độ tổng P đầu vào trong nước thải chứa phenol có nồng độ trong khoảng 100 mg/l 62

Bảng 3.16 Kết quả phân tích sự thay đổi nồng độ NH4+ đầu vào trong nước thải chứa phenol có nồng độ trong khoảng 100 mg/l 64

Bảng 3.17 Kết quả phân tích sự thay đổi nồng độ NO3- trong nước thải chứa phenol có nồng độ trong khoảng 100 mg/l 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên tắc hoạt động của bể USBF 23

Hình 2.1 Sơ đồ bể USBF 27

Hình 2.2 Hệ thống USBF trong phòng thí nghiệm 27

Hình 2.3 Công ty cổ phần chăn nuôi CP Việt Nam 30

Hình 2.4 Bùn tại bể hiếu khí công ty CP 30

Hình 2.5 Dung dịch xây dựng đường chuẩn phenol 34

Hình 2.6 Phân tích tổng P đầu vào và đầu ra 36

Hình 2.7 Dung dich xây dựng đường chuẩn P 37

Hình 2.8 Phân tích NH4+ đầu vào và đầu ra 39

Hình 2.9: Đường chuẩn NH4+ 39

Hình 2.10 Phân tích NO3- đầu vào và đầu ra 41

Hình 2.11 Đường chuẩn NO3- 42

Hình 3.1 Hệ thống USBF sau khi sửa chữa và bổ sung 43

Hình 3.2 Hệ thống bơm nước thải đầu vào 43

Hình 3.3 Thiết bị hẹn giờ bơm tự động 44

Hình 3.4 Bộ phận điều chỉnh cánh khuấy 46

Hình 3.5 Máy bơm cấp khí vào ngăn hiếu khí 46

Hình 3.6 Hệ thống tuần hoàn bùn tự động 47

Hình 3.7 Hệ thống ống thu nước đầu ra 48

Hình 3.8 Hệ thống ống thu nước đầu ra 49

Hình 3.9 Phương trình đường chuẩn phân tích phenol 49

Hình 3.10 Phương trình đường chuẩn P 50

Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện sự loại bỏ P trong nước thải chứa phenol theo từng ngày ở giai đoạn 1 51

Hình 3.12: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng nồng độ phenol đến quá trình xử lý P trong giai đoạn 1 52

Hình 3.13 Phương trình đường chuẩn NH4 53

Hình 3.14 Biểu đồ thể hiện hiệu quả xử lý amoni theo từng ngày trong giai

đoạn 1 54

Hình 3.15 Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của phenol đầu vào đến hiệu quả xử lý NH4+ trong giai đoạn 1 54

Hình 3.16 Phương trình đường chuẩn NO3- 55

Hình 3.17 hàm lượng NO3- đầu ra theo từng ngày trong giai đoạn 1 56

Hình 3.18 Hiện tượng bùn trong ngày mới bắt đầu nuôi 57

Hình 3.19 Hiện tượng bùn sau khi đã nuôi 20 ngày 57

Hình 3.20 Biểu đồ thể hiện sự loại bỏ P trong nước thải chứa phenol theo từng ngày trong giai đoạn 2 58

Hình 3.21 Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng nồng độ phenol đến quá trình xử lý P trong giai đoạn 2 59

Hình 3.22 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi NH4+ theo từng ngày ở nồng độ phenol khác nhau 60

Hình 3.23 Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của phenol đầu vào đến hiệu quả xử lý NH4+ trong giai đoạn 2 60

Hình 3.24 Hàm lượng NO3- đầu ra theo từng ngày ở giai đoạn 2 61

Hình 3.25 Biểu đồ thể hiện hiệu quả xử lý khi thay đổi nồng độ P đầu vào của giai đoạn 3 63Hình 3.26 Biểu đồ thể hiện hiệu quả xử lý NH4+ khi thay đổi nồng độ NH4+ đầu vào của giai đoạn 3 64Hình 3.27 hàm lượng NO3- đầu ra theo từng ngày của giai đoạn 3 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

LD50 : Liều lượng hóa chất phơi nhiễm trong cùng một thời điểm gây ra

cái chết cho 50% của một nhóm động vật dùng thử nghiệm

Organization of the United Nations)

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn nạn chung của nhiều quốc gia trên thếgiới, nhất là những nước đang phát triển như Việt Nam Ô nhiễm môi trường gồm 3loại chính: Ô nhiễm đất, không khí, và ô nhiễm nước Trong đó ô nhiễm nguồnnước đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng Các thành phố lớn mọc lên hàngtrăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không cócông trình và thiết bị xử lý chất thải Có thể nói ô nhiễm nước do sản xuất côngnghiệp là rất nặng Nguyên nhân chính là do sự vô tâm của các doanh nghiệp, đặtmục tiêu tối đa hóa lợi nhuận mà không quan tâm, đầu tư vào hệ thống xử lý nướcthải tại các khu công nghiệp, dẫn đến nước thải ô nhiễm liên tục thải ra sông, hồ gâynhiễm độc nguồn nước tự nhiên.Các chất độc hại này nếu không được xử lý trướckhi thải ra môi trường sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe conngười

Với nỗ lực giảm thiếu tối đa những ảnh hưởng tiêu cực của quá trình côngnghiệp tới môi trường thì tiêu chuẩn thải nước trên thế giới ngày càng nghiêm ngặt.Công nghiệp sản xuất keo, nhựa nhân tạo, dệt, dầu khí sinh ra một lượng lớn chấtthải hữu cơ độc hại, trong số các chất bẩn hữu cơ được sử dụng làm vật liệu thô chocác ngành công nghiệp này thì phenol và các dẫn xuất của phenol đang ngày càngnhận được sự quan tâm do tính độc hại của chúng

Phenol và các dẫn xuất của phenol là một trong những loại chất thải hữu cơđộc hại khó xử lý Đây là chất hữu cơ tương đối bền, có khả năng tích lũy trong cơthể con người và sinh vật, gây nhiễm độc cấp tính, mãn tính Ngay cả ở nồng độthấp nó cũng là tác nhân tiềm ẩn gây ung thư

Bên cạnh đó, hàm lượng hai thông số về nito và photopho cũng được quyđịnh khá nghiêm ngặt trong tiêu chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như của ViệtNam Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, liên quan mật thiết đốivới các hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp Hợp chất của nitơ, photphođược gọi là thành phần dinh dưỡng và là đối tượng gây ô nhiễm nghiêm trọng Khithải loại nước này vào nguồn tiếp nhận thường xảy ra các hiện tượng phú dưỡnghóa, làm giảm oxy hòa tan trong nước, phá hủy hệ động, thực vật thủy sinh của các

thủy vực tiếp nhận, gây mùi hôi thối ảnh hưởng đến cảnh quan, môi trường, sứckhỏe của con người và thậm chí có thể làm chết các loài động vật sống dưới nước.

Nhận thức rõ được những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trườngnếu không xử lý phenol trong nước thải của các ngành công nghiệp đồng thời cũngthấy được tính cấp thiết của việc phải có một phương pháp xử lý phenol hiệu quả cả

về mặt môi trường và kinh tế Mặt khác, qua quá trình tìm hiểu thấy được ưu điểmvượt trội của công nghệ sinh học dòng bùn ngược trong ứng dụng xử lý nước thải.Song song vào đó, em cũng muốn khảo sát xem hiệu quả xử lý nito và photphotrong mẫu nước thải có chứa phenol khi tiến hành dùng công nghệ này Từ đó em

quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng loại bỏ Nito, Photpho trong quá trình

xử lý nước thải chứa phenol bằng công nghệ sinh học dòng bùn ngược (USBF)” đề

làm đề tài tốt nghiệp và nghiên cứu thực hiện đề tài bằng mô hình thực nghiệm đểđánh giá hiệu quả xử lý nước thải của mô hình USBF

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu, cải tạo lại mô hình công nghệ USBF

- Nghiên cứu được khả năng xử lý Nito và photpho trong nước thải có chứa

phenol bằng công nghệ sinh học dòng bùn ngược USBF

3 Nội dung nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu

- Phân tích trong phòng thí nghiệm

- Mô hình thực tế

- Phân tích, thống kê, xử lý số liệu và tổng hợp kết quả

- Phương pháp so sánh: so sánh giá trị các chỉ tiêu nước thải đầu vào và đầu

ra của nước thải

- Phương pháp đồ họa: Sử dụng phần mềm Autocad để mô tả mô hình thínghiệm

- Tìm hiểu cơ sở khoa học, cấu tạo bể USBF.

- Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ USBF trong xử lý nước

- Cải tạo lại bể USBF

- Nghiên cứu được khả năng xử lý Nito và photpho trong mẫu giả định chứa

phenol

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Tổng quan về phenol

1.1.1 Nguồn gốc và hiện trạng sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp

Nguồn gốc phát sinh phenol

Phenol được sinh ra qua 2 con đường: tự nhiên và nhân tạo Trong tự nhiênphenol có trong một số loại thực phẩm, chất thải của động vật, con người và trongsản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ hoặc phenol còn được tạo ra bên trong cơthể sinh vật do quá trình trao đổi chất chuyển hóa từ axit amin Phenol được pháthiện vào năm 1834, khi nó được chiết xuất từ nhựa, than đá, đó là nguồn chính sảnxuất phenol cho đến khi ngành công nghiệp hóa dầu phát triển

Hiện nay, phenol được sản xuất, sử dụng rộng rãi trong rất nhiều loại hìnhsản xuất công nghiệp như sản xuất nhựa phenolic, gỗ dán, chất kết dính, xây dựng,

ô tô và thiết bị vật tư cho các ngành công nghiệp; phenol cũng được tạo ra từ cácquá trình sản xuất sợi tổng hợp như nilon, nhựa epoxy…

Ứng dụng của phenol trong công nghiệp

Phenol và các dẫn xuất của phenol rất quan trọng trong nhiều ngành côngnghiệp khác nhau Năm 1963 toàn thế giới sản xuất 40 vạn tấn phenol Năm 1993tổng lượng phenol do Mỹ sản xuất là 1,67 triệu tấn trong đó một nửa lượng trêndùng trong công nghiệp xây dựng và nhà ở Ứng dụng chính của phenol là sản xuấtchất dẻo phenol – fomandehit, các loại nhựa phenolic, sợi nilon, sợi capolacton,nhựa epoxit Năm 2001 phenol được sản xuất trên toàn thế giới khoảng 64 triệu tấn.Ngoài ra phenol còn được dùng để sản xuất axit salyxilic, các chất màu, dược phẩm,chất hóa dẻo, chất chồng oxi hóa, chất tẩy uế côn trùng, thuốc trừ sâu, thuốc diệtcỏ…sử dụng làm thuốc thử trong phòng thí nghiệm, công nghệ hóa dầu, dượcphẩm Các sản phẩm nitro hóa của phenol dùng làm thuốc nổ. [11,Tr 4- 14]

Một số ứng dụng hợp chất của phenol:

- Bisphenol A (BPA) được sử dụng trong sản xuất các thiết bị ngưng tụ, nó

được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhựa polycarbonate Đây là loại nhựa kỹ thuậtđược sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô như làm lớp phủ ô tô, chất phủ điện tử

và các ứng dụng khác

- Nhựa phenolic: Được sản xuất bằng các ngưng giá thành sản xuất thấp, đã

được sản xuất thương mại hóa trên thế giới 100 năm qua Chúng được sử dụng làmchất kết dính trong nhiều ngành công nghiệp như gỗ dán và trong công nghiệp sảnxuất ô tô

- Các chất sát trùng mang đặc tính của phenol được sử dụng bởi Sir Joseph

Lister (1827-1912) trong kỹ thuật phẫu thuật tiên phong của ông dùng chất khửtrùng, mặc việc tiếp xúc liên tục với phenol gây kích ứng da Lister đã phủ nhữngvết thương với một miếng giẻ hoặc vải thô được ngâm trong axit carbolic (một tênkhác của phenol)

1.1.2 Tính chất

Tính chất vật lí của phenol

Khối lượng phân tử 94,11 g/mol

Khối lượng riêng: 1,06 g/cm3

Nhiệt độ tan chảy: 43 oC

Nhiệt độ sôi: 182oC

Khả năng hòa tan trong nước (ở 20oC): 70g/l

Các dung môi hòa tan được phenol: etanol, ete, chloroform…

Là chất không màu hoặc màu trắng, khi nó ở dạng tinh khiết, ở dạng này thìphenol là thể rắn Thường tồn tại ở dạng lỏng Ngưỡng ngửi mùi của phenol là 0.04ppm (ở nồng độ này có mùi hơi cay, ngọt) Phenol rất dễ cháy

Tính chất hóa học của phenol

Phenol (acid cacbolic) có công thức phân tử: C6H5OH

Để lâu ngoài không khí, phenol bị oxi hóa một phần nên có màu hồng và bịchảy rữa do hấp thụ hơi nước Phenol ít tan trong nước lạnh, tan trong một số hợpchất hữu cơ Phenol rất độc, gây bỏng nặng khi rơi vào da Phenol tan vô hạn ở

660C

Ngoài ra phenol còn có các tính chất khác như: Tính axit, tính chất như rượu

và tính chất của nhân thơm

1.1.3 Tính độc của phenol đối với con người

Các con đường xâm nhập vào cơ thể con người:

nhầy của người

với những triệu chứng như co giật, không có khả năng kiểm soát, hôn mê dẫn tới rốiloạn hô hấp, máu trong cơ thể thay đổi dẫn đến tụt huyết áp Ảnh hưởng tới tim,gan, thận

Tiếp xúc với phenol lâu ngày: Đau bắp thịt, sung gan Phenol còn làm bỏng

da, rối loạn nhịp tim Giới hạn tối đa cho phép của phenol trong cơ thể là 0.6mg/kgtrọng lượng cơ thể

Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải công nghiệp Sự xuất hiệncủa các hợp chất phenol trong nước là một trong các nguyên nhân làm cho nước cómùi, đồng thời gây tác hại cho hệ sinh thái và sức khỏe con người Giá trị LD50 củapentaclorophenol là 27mg/kg đối với chuột Một số phenol có khả năng gây ungthư Theo quy định của tổ chức Y tế Thế giới WHO, hàm lượng 2.4-triclophenol vàpentaclophenol trong nước uống không quá 1 Tiêu chuẩn nước thủy sản của FAOđối với quy định nồng độ các phenol, đối với các loại cá họ salmonid và cyprinid

1.1.4 Những vấn đề môi trường gây ra bởi hợp chất phenol

Phenol tìm thấy khá phổ biến trong tự nhiên, nó có mặt trong không khí, đất,nước mặt và nước ngầm Hàm lượng phenol trong môi trường phụ thuộc vào nguồnphát sinh ra nó như các khu sản xuất, ngành công nghiệp tạo ra phenol… Thời giantồn tại phenol trong đất rất ngắn (2 – 5 ngày), tuy nhiên ở trong nước phenol có thờigian tồn tại lâu hơn, có thể hàng tuần Nếu nồng độ phenol càng lớn, thời gian tồntại của nó càng lâu

Với nồng độ lớn hơn 50 ppb, phenol đã gây độc với sinh vật thủy sinh Thêmvào đó, các hợp chất phenol có nhu cầu oxi cao, tiêu tốn 24 mg O2 cho 1 mg phenol.Ngoài ra phenol còn kết hợp với clo trong nước uống tạo clorophenol, là hợp chấtrất độc và khó phân hủy.[11]

Bảng1.1 Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp

Ngành công nghiệp Nồng độ phenol (mg/l)

(Luận văn thạc sĩ Trịnh Anh Nam, tr.8, http://documents.tips/documents/luan-van-18-12-2011.html)

Một số vi sinh vật xử lý phenol.

- Một số hệ vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa phenol:[13,Tr_9]

Một số loài có khả năng phân giải phenol một cách độc lập như chủng

Pseudomonas putida, Pseudomonas paucimobilis, Rhodococcus, Bacillus, Cyanobacterium, Phormidium valderianumBDU30501 hoặc có thể sự phân giải

phenol được diễn ra đồng thời dưới sự tổ hợp của một quần xã vi sinh vật trong khu

hệ đó

- Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu

vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải Trong các

bể bùn hoạt tính một phần chất hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khíkhông bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lạithành tế bào vi khuẩn mới Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống

Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter.

Ngoài ra còn các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothirix, Lecicothrix

và Geotrichum Ngoài các vi khuẩn các vi sinh khác cũng đóng vai trò quan trọng

trong các bể bùn hoạt tính

1.2 Tổng quan về Nito và Photpho

1.2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải: [2, Tr.16-19]

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

cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat) Trong nước thải sinh hoạtnitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%) Nguồn nitơ chủ yếu là từ nướctiểu Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tươngđương với 12 g nitơ tổng số Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH2-)2) là 0,7g, cònlại là các loại nitơ khác

a Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường

Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinhdưỡng Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du nhưrêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượngnước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trongnước như NH4 , H2S, CO2, CH4… tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước.Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước

b.Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước

Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệuquả làm việc của các công trình Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chấttrong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người

c Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học

Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, nitơ

amôn sẽ được chuyển thành nitrit và nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và

Nitrobacter Khi môi trường thiếu ôxy, các loại vi khuẩn khử nitrat Denitrificans

(dạng kỵ khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chấthữu cơ Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước

Xử lý nitơ trong nước thải và các phương pháp

Quá trình chuyển hóa Nitơ trong nước thải

Quá trình chuyển NO3- –> NO2- –>NO –> N2O –> N2 với việc sử dụngmethanol làm nguồn cacbon được biểu diễn bằng các phương trình sau đây:

Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan

tới hai loại vi sinh vật, đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria ở giai

đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyểnthành nitrat

Bước 1 NH4 + 1,5 O2 => NO2- + 2H+ + H2O

Bước 2 NO2- + 0,5 O2 => NO3

-Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lấy

từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối Có thểtổng hợp quá trình bằng phương trình sau:

NH4 + 2O2 => NO3- + 2H+ + H2O (*)

Cùng với quá trình thu năng lượng, một số iôn Amôni được đồng hoá vậnchuyển vào trong các mô tế bào Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằngphương trình sau :

thức tính toán thiết kế Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trìnhtổng hợp sinh khối tế bào không được xét đến

Khử nitrit và nitrat:

Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitratDenitrificans (dạng kị khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) đểôxy hoá chất hữu cơ Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏinước

+ Khử nitrat:

NO3- + 1,08 CH3OH + H+ => 0,065 C5H7O2N + 0,47 N2 + 0,76CO2 +2,44H2O

+ Khử nitrit:

NO2- + 0,67 CH3OH + H+ => 0,04 C5H7O2N + 0,48 N2 + 0,47CO2 + 1,7H2O

Điều kiện áp dụng

˗ Điều kiện yếm khí ( thiếu ôxy tự do )

˗ Có nitrat (NO3- ) hoặc nitrit (NO2-)

˗ Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat

˗ Có nguồn cácbon hữu cơ

1.2.2 Tổng quan về Photpho trong nước [12]

Sự phát triển của tảo, trong trường hợp xấu nhất có thể gây hiện tượng phúdưỡng hóa nước bề mặt, là kết quả của sự gia tăng nồng độ phophat quá mức trong

tượng này Các nhà máy xử lý nước thải vì thế cần phải loại trừ PO4 trong các quátrình nitrat hóa/đề nitrat hóa hay trong quá trình xử lý hóa học bằng cách tạo kết tủa

cầu quan trắc giới hạn xả thải mà còn để đánh giá hiệu suất và chi phí xử lý của quátrình loại trừ photpho

a Các ảnh hưởng của photpho lên nước mặt

Hợp chất photpho là chất dinh dưỡng cần thiết cho thực vật và gây nên sựphát triển của tảo trong nước mặt Tùy vào nồng độ photpho trong nước mà hiện

nhu cầu 100 g tảo phát triển Khi những loại tảo này chết, quá trình phân hủy chúng

sẽ cần đến khoảng 150g oxy hòa tan Nồng độ để bắt đầu gây ra hiện tượng phú

trong nước tĩnh Phòng ngừa nguy hại tiềm ẩn cho nước bề mặt, hướng dẫn 91/271/EEC của EU đã đưa ra các mức giới hạn của nguồn thải trước khi xả vào nguồn tiếpnhận Phụ thuộc vào công suất của nhà máy xử lý nước thải, các giá trị này có thể là

2 mg/L P-tổng (10000 – 100000 p.e) hay 1 mg/L P-tổng (>100000 p.e)

b Nguồn gốc của Photphat

Hợp chất photphat tìm thấy trong nước thải hay được thải ra trực tiếp vàonguồn nước mặt phát sinh từ:

˗ Thất thoát từ phân bón có trong đất

˗ Chất thải từ người và động vật

˗ Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch

Tổng lượng photpho bao gồm ortho photphat + poly-photphat + hợp chấtphotpho hữu cơ trong đó ortho photphat luôn chiếm tỉ lệ cao nhất Photphat có thể ởdạng hòa tan, keo hay rắn Trước khi phân tích cần xác định dạng tồn tại củaphotpho Nếu chỉ xác định orth-photphat (mục đích kiểm soát quá trình kết tủaphotpho) thì mẫu cần được lọc trước khi phân tích Tuy nhiên nếu phân tíchphotpho tổng (kiểm soát giới hạn thải) thì mẫu phải được đồng nhất và sau đó đượcthủy phân

c Phương pháp loại bỏ

Phương pháp sinh học loại bỏ photphat

Photphat có trong bể chứa nhiều hơn so với nhu cầu bình thường trong bùnhoạt tính Đó là do lượng bùn bị tuần hoàn giữa môi trường kị khí và hiếu khí Hiệuquả loại trừ bằng phương pháp sinh học phụ thuộc vào lượng hữu cơ dễ bị phân hủy(BOD5) Tỉ lệ P/BOD5 là nhỏ hơn 0.03 và N/BOD5 là nhỏ hơn 0.25 trong dòng vào

bể sục khí nơi lượng photpho bị phân hủy gia tăng

Phương pháp hóa học loại bỏ photphat bằng kết tủa

Các hợp chất ortho-photpho bị kết tủa khi lượng photphat kim loại hòa tankém và sự có mặt của các hóa chất tạo lắng (muối sắt, nhôm, vôi sữa) Các muốinày lắng xuống và lưu lại trong bùn thải Các chất tạo kết tủa có thể được cho vào ởquá trình xử lý sơ bộ (trước kết tủa), trong bể khí (kết tủa đồng thời) hay tại bể phảnứng phụ cuối dòng của bể hiếu khí (sau kết tủa) Hiệu quả nhất là tại quá trình kếttủa đồng thời và tiết kiệm chi phí nhất

1.3 Tổng quan về ô nhiễm môi trường do nước thải công nghiệp

Trong sản xuất công nghiệp, nước thải được tạo ra trong quá trình khai thác

và chế biến các nguyên liệu hữu cơ, vô cơ Trong các quá trình công nghệ, cácnguồn nước thải như:

Nước tạo thành từ quá trình phản ứng khoa học

được tách ra trong quá trình chế biến

Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị

Nước chiết, hấp thụ

Nước do quá trình làm nguội

nhiễm hóa học trong nước được chia như sau:

Chất hữu cơ không bền sinh học

Chất muối vô cơ ít độc

Các hợp chất gen sinh học

hữu cơ không phân hủy sinh học

Tính chất vật lý của nước thải

Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: màu sắc,mùi, nhiệt độ và lưu lượng

vẩn đục, màu sắc của nước thải sẽ thay đổi đáng kể nếu như bị nhiễm khuẩn, khi đómàu sẽ đen tối

Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy cáchợp chất hữu cơ

Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thường cao so với nguồn nước sạch ban đầu, do

có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máy móc sản xuất

của nước thải, có đơn vị m3/người.ngày Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo ngày

Tính chất hóa học của nước thải

Các thông số thể hiện tính chát hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ,

vô cơ và khí Hay để đơn giản hóa, người ta xác dịnh các thông số như: độ kiềm,BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (vô cơ, hữu cơ,huyền phù, và không tan) và nước

quá trình xử lý sinh hóa

trong nước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100-300mg/l

nước thải COD thường trong khoảng 200-500mg/l/ Tuy nhiên, có một số loại nướcthải công nghiệp BOD có thể tăng cao nhiều lần

Các chất khí hòa tan: đây là những chất khí có thể hòa tan trong nước thải.Nước thải công nghiệp thường có lượng oxy hòa tan tương đối thấp

Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi đối với mỗiloại nước thải khác nhau

khoảng 1-14 Để xử lý nước thải có hiệu quả pH thường 6-9 (hay tối ưu 6,5-8)

Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa P thường khoảng6-20mg/l

Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chấtrắn

Nước: luôn là thành phần cấu tạo chính của nước thải Trong một số trườnghợp, nước có thể chiếm 99,5%-99,9%

 Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp

Các phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học như: Trung hòa, keo tụ - tạo bông Nguyên tắccủa phương pháp này là dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm có:trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại

Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm vàhóa chất thêm vào Ưu điểm của phương pháp là hiệu quả xử lý cao, thường được

sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín Tuy nhiên, phương pháp hóa học

có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lýnước thải với quy mô lớn Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lýnước thải là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phảnứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành cácchất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễmmôi trường

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có

trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm Visinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn Một cách tổngquát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:

- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điềukiện không có oxy

- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trongđiều kiện cung cấp oxy liên tục

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóasinh hóa Để thực hiện quá trình này các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chấtphân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3giai đoạn chính như sau:

- Giai đoạn 1: Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinhvật

- Giai đoạn 2: Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênhlệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào

- Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh nănglượng và tổng hợp tế bào mới

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàmlượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý

Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứngsinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, PH, dinhdưỡng và các yếu tố vi lượng

Các loại hình công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học bao gồm:

- Phương pháp sinh học kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo

ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên phương trìnhphản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;

• Giai đoạn 2: acid hóa;

• Giai đoạn 3: acetate hóa;

• Giai doạn 4: methan hóa

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quátrình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵkhí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB);

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quátrình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process)

- Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn:

- Oxy hóa các chất hữu cơ;

- Tổng hợp tế bào mới;

- Phân hủy nội bào

Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điềukiện tự nhiên hoặc nhân tạo Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều

kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suấtcao hơn rất nhiều

Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khínhân tạo có thể chia thành:

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếuđược sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làmthoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí.Trong số các quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quátrình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phảnứng nitrate với màng cố định

1.4 Một số phương pháp xử lý phenol trong nước thải được áp dụng hiện nay [11]

Dùng CO 2 tới hạn để xử lý nước thải chứa phenol

trong nước thải Phương pháp này cho thấy là tốn ít kinh phí hơn so với nhữngphương pháp khác như đốt cháy, oxy hóa không khí ẩm (oxy hóa nước tới hạn) vàphương pháp sinh học

Oxy hóa chất xúc tác ở nhiệt độ thấp trong nguồn nước thải có chứa phenol

Phenol là một trong những chất hữu cơ thường thấy nhất có nguồn gốc từngành công nghiệp chế biến hóa học Ở nhiệt độ thấp, ôxi hóa chất xúc tác khôngđồng nhất ở dạng lỏng của những hợp chất hữu cơ đã phân hủy có ý nghĩa lớn đốivới việc xử lý nước trên bề mặt và nước ngầm bị ô nhiễm, nước thải công nghiệp vànhững nguồn nước thải khác Khả năng cho việc xử lý ở điều kiện không khí và ápsuất thích hợp ổn định, so với phương pháp oxi hóa nước tới hạn và không khí ẩm

đã thành công thông qua việc sử dụng một chất xúc tác thuộc dòng lưỡng kim hoạtđộng cực mạnh Chất xúc tác thường dùng là muối kim loại (Cu, Fe, Ti…) hoặcZeolit kim loại

C6H5OH + 7CO2 zeolit 6CO2 + 3H2OTuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là kim loại bị tan ra trong quá trình phản ứng gây hiệu ứng ô nhiễm thứ cấp Sử dụng Zeolit kim loại khắc phục

được nhược điểm trên nhưng để xử lý chất hữu cơ có kích thước phân tử lớn các xúc tác này lại kém hiệu quả

Xử lý nước thải có chứa phenol bằng quá trình Fenton:[10]

Sử dụng phản ứng oxy hóa để phá hủy các chất độc hại là một phương pháp

xử lý ô nhiễm có hiệu quả Nguyên tắc phản ứng Fenton để xử lý ô nhiễm nước thải

mà theo đó hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl

có khả năng phá hủy các chất hữu cơ Trong một số trường hợp nếu phản ứng xảy rahoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành CO2 và nước Hiện nay các quyđịnh bảo vệ môi trường càng trở nên khắt khe hơn vì vậy phương pháp Fenton lạicàng được chú trọng

Dùng cho phản ứng Fenton cần có xúc tác và chất oxy hóa Chất xúc tác cóthể là muối sắt hai hoặc sắt ba còn chất oxy hóa là hyđro peroxit Phản ứng tạo ragốc tự do hyđroxyl diễn ra như sau:

C6H5OH + OH CO2 +H2O

Phương pháp xử lý phenol trong nước thải bằng ozone

Ozon (O3) là một tác nhân oxi hoá mạnh với thế oxi hoá là 2,07V, ozon cóthể xảy ra phản ứng oxi hoá với nhiều chất hữu cơ, các chất vô cơ trong nước, cóthể làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất của asen,chất hoạt động bề mặt, xyanua, thuốc nhuộm, hidrocacbon thơm, thuốc sát trùng.Ozon có công thức phân tử là O3, ở nồng độ cao có màu xanh

Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong nước theo hai con đường:

- Oxi hóa trực tiếp bằng phân tử ozon hòa tan trong nước.

- Oxi hóa gián tiếp qua gốc hydroxyl khi phân hủy O3 trong nước

Hấp thụ bằng than hoạt tính.

Than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp với diện tích bề mặt riêng rất lớn, trên1000m2/g Do đó, than hoạt tính có khả năng hấp thụ nhiều chất hữu cơ, vô cơ vàđược ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường Nước thải có chứa phenol được chochảy trực tiếp qua bể lọc với vật liệu than hoạt tính Tại đây, than hoạt tính sẽ giữ lạiphenol và các hợp chất hữu cơ khác Sau một thời gian hoạt động, than hoạt tính sẽsuy giảm và mất khả năng hấp thụ, tiến hành tái sinh để khôi phục hoạt tính củathan.

Tuy nhiên, quá trình hấp thụ bằng than hoạt tính cũng có một số nhược điểmnhư chịu ảnh hưởng lớn của các yếu tố pH, nhiệt độ, sự có mặt của các ion Ca2+,

Mg2+ hay quá trình giải hấp thụ tương đối phức tạp và tốn kém, tuổi thọ của thanhoạt tính có hạn

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng và nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật

Chất dinh dưỡng đối vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấp thụ từmôi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp chocác quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp chocác quá trình trao đổi năng lượng Như vậy, chất dinh dưỡng phải là những hợp chất

có tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào

Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật

Tuỳ từng nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp dưới dạngcacbon vô cơ (CO2, ) hoặc cacbon hữu cơ và nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trờihay nguồn năng lượng là sản phẩm của trao đổi chất (ATP)

Trên thế giới hầu như không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị visinh vật phân giải Không ít những vi sinh vật có thể đồng hoá được cả các hợp chấtcacbon rất bền vững như cao su, chất dẻo, dầu mỏ,

Đối với những chất hữu cơ không tan trong nước hoặc có khối lượng phân tửlớn, để hấp thụ được các chất này thì vi sinh vật phải tiết ra các enzym ngoại bàothuỷ phân để chuyển hoá chúng thành những hợp chất dễ hấp thụ (đường, axitamin, )

Người ta thường dùng đường làm nguồn thức ăn cacbon khi nuôi cấy phầnlớn các vi sinh vật dị dưỡng Để nuôi cấy các vi sinh vật khác nhau, người ta thườngdùng các nồng độ đường không giống nhau

Đối với vi sinh vật dị dưỡng, nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng:nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng.

Nguồn thức ăn nitơ của vi sinh vật

Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4+ Muối amoni

vô cơ rẻ hơn nhưng thường làm chua môi trường, làm ức chế sự phát triển của visinh vật Thường dùng urê làm nguồn nitơ vì tạo môi trường trung tính

nhiên có những vi sinh vật có thể chuyển hoá N2 thành NH3 nhờ hoạt động xúc tác

của một hệ thống enzym có tên là nitrogenaza.

Đối với nguồn thức ăn nitơ hữu cơ, vi sinh vật có khả năng đồng hoá rất tốt.Các thức ăn này sẽ vừa làm nguồn cacbon vừa là nguồn cung cấp nitơ cho vi sinhvật

Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật

Nhu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố khoáng là không giống nhautuỳ thuộc vào từng loài, từng giai đoạn phát triển

Các nguyên tố khoáng chia làm 2 loại:

Nguyên tố đa lượng: là các nguyên tố mà vi sinh vật sử dụng với lượng lớn

Đó là các nguyên tố: P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca, Fe,

Nguyên tố vi lượng : là các nguyên tố mà vi sinh vật chỉ đòi hỏi một lượngrất nhỏ: B, Mo, Cu, Zn, Mn,

Hàm lượng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chất của vi sinh vật khácnhau là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôi cấy

của vi sinh vật trong nước

Sự phát triển của vi sinh vật trong các thuỷ vực chịu ảnh hưởng của nhiềunhân tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theonhiều kiểu Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần loài của các quần thể, đếnhình thái và sinh lý của vi sinh vật Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàm

Hàm lượng oxy hoà tan (DO)

DO là hàm lượng oxy hoà tan trong nước để duy trì sự sống cho các vi sinhvật trong nước

Đây là điều kiện đầu tiên đảm bảo cho vi sinh vật hiếu khí có khả năng oxihoá các chất bẩn hữu cơ Do đó, trong quá trình xử lý phải đảm bảo cung cấp đủlượng oxi mà chủ yếu dưới dạng hoà tan trong môi trường lỏng Để đáp ứng đượclượng oxi hoà tan trong bể hiếu khí người ta thường chọn giải pháp khuấy trộn cơhọc hoặc sục khí

Khi nồng độ oxy hoà tan dưới 0,5mg/l thì quá trình xử lý nước thải bằng visinh vật hiếu khí hầu như ngưng trệ Lượng oxy hoà tan tốt nhất là ≥4,0 mg/l

Khuấy trộn hoặc sục khí làm tăng sự tiếp xúc giữa bùn hoạt tính và các chấtthải trong nước, làm cho khả năng làm sạch nước thải của vi sinh vật tăng lên

Nhiệt độ

Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinhvật Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hoá của sinh vật tăng, nhưng độ hoà tan oxytrong nước giảm Nhiệt độ đa số vi sinh vật có thể hoạt động được là từ 6400C.Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm quá ngưỡng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt hoá củacác enzym Vì vậy, vi khuẩn sẽ ngừng hoạt động, cuối cùng dẫn đến tử vong, cònnhiệt độ quá thấp thì tốc độ làm sạch sẽ bị giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vậtvới môi trường mới sẽ chậm lại

Độ pH

Đây là thông số ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trongnước (quá trình trao đổi chất, quá trình sinh sản và phát triển của vi sinh vật, độngthực vật trong nước) pH cũng ảnh hưởng đến các quá trình vật lý và các phản ứnghoá học xảy ra trong môi trường nước Đối với đa số vi sinh vật, thường sinh trưởng

và phát triển ở pH 6,0 8,5 Khi pH nằm ngoài khoảng trên sẽ làm giảm hoạt lựccủa bùn hoạt tính, do đó làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý

Việc đo pH là rất cần thiết để điều khiển quá trình lý học, hoá học, sinh học.Thông số pH được xác định bằng máy đo pH

Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng

để oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3- Phương trình tổngquát như sau:

Chất hữu cơ + O2vik h u ẩ n

Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân huỷhoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian mà người ta thường chỉ xác địnhlượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C, kí hiệu BOD5 Tại thời điểmnày đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá

Nhu cầu oxy hoá hoá học COD

COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học

lượng các chất hữu cơ có thể và không thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó, nó cógiá trị cao hơn BOD Phép phân tích COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh nên đãkhắc phục được nhược điểm của phép đo BOD

Đối với nhiều loại nước thải, giữa chỉ số COD và BOD có mối tương quannhất định Vì vậy, khi thiết lập được mối quan hệ tương quan này có thể sử dụngphép đo COD để vận hành và kiểm soát hoạt động của nhà máy xử lý nước thải

Hàm lượng nitơ

Nitơ là nguyên tố rất cần thiết cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ chứanitơ trong cơ thể vi sinh vật Để tiến hành quá trình đồng hoá được các hợp chấtchứa nitơ có trong môi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzymngoại bào sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác Chính

vì thế mà trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin, nitơamoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do

Xác định hàm lượng nitơ trong môi trường để ta có khái niệm về khả năng sửdụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm nước và mức độ ô nhiễm nước Khi thiếunitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá, các chất hữu cơ còn tạo ra bùnhoạt tính khó lắng

Trong kỹ thuật môi trường, người ta thường xác định nitơ bằng phương phápKjendahl, còn N – NH4, N – NO3- bằng phương pháp so màu

100 : 5 : 1 (đối với 3 ngày đầu) còn đối với thời gian xử lý dài hơn thì tỷ lệ trên là

200 : 5 : 1

Hàm lượng sunphat

Sunphat sắt luôn có mặt trong nước bị ô nhiễm và trong nước thải Lưuhuỳnh có mặt trong một số aminoaxit cấu tạo nên protein (cystein và methionin).Lưu huỳnh sẽ được chuyển hoá theo phương trình sau trong điều kiện kị khí nhờ vikhuẩn:

Chất hữu cơ + SO 4 2- S 2- + H 2 O + CO 2

S 2- + 2H + H 2 S

Sự có mặt của lưu huỳnh dạng H2S trong nước làm cho nước có mùi thối

Hàm lượng các kim loại nặng

Khi trong nước chứa các kim loại nặng như: chì (Pb), thuỷ ngân (Hg),Crom (Cr), Cadimi (Cd), Asen (As) thì ngoài việc gây hại cho con người, động thựcvật sử dụng nguồn nước, các kim loại nặng này còn có ảnh hưởng nhiều đến hoạtđộng của các vi sinh vật trong nước

Các kim loại nặng ở hàm lượng nhất định nào đó có thể làm cho quá trìnhtrao đổi chất của cơ thể vi sinh vật bị rối loạn do sự kìm hãm hoạt động của cácenzym khi có mặt một số kim loại Tuy nhiên đối với một vài kim loại nặng ở dạngvết thì lại có tác dụng tốt nhất định đối với sự phát triển sinh vật

1.6 Tổng quan về công nghệ USBF [5]

Công nghệ lọc dòng ngược bùn sinh học USBF (Upflow Sludge BlanketFilter) được thiết kế dựa trên trên mô hình động học xử lý BOD, nitrate hoá

(nitrification) và khử nitrate hóa (denitrification) của Lawrence và McCarty, Inc.

lần đầu tiên được giới thiệu ở Mỹ những năm 1900 sau đó được áp dụng ở châu âu

từ 1998 trở lại đây Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới mô hình của Lawrence vàMcCarty được áp dụng kết hợp trên nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào đặc điểmcủa mỗi nước Công nghệ này chưa được sử dụng ở Việt Nam, mặc dù công nghệbùn hoạt tính đã được sử dụng như một công nghệ kinh điển trong công tác xử lýnước thải phổ biến ở nước ta Nghiên cứu này sử dụng mô hình công nghệ USBFcải tiến của quá trình bùn hoạt tính trong đó kết hợp 3 quá trình Anoxic, Aeration vàlọc sinh học dòng ngược trong một đơn vị xử lý nước thải Đây chính là điểm khácvới hệ thống xử lý bùn hoạt tính truyền thống, thường tách rời ba quá trình trên nêntốc độ và hiệu quả xử lý thấp Với sự kết hợp này sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý,

tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệthống Đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ, N và P cao.[1]

1.6.1 Cấu tạo bể USBF

Mô hình gồm 3 module chính: ngăn thiếu khí (anoxic), ngăn hiếu khí(aerobic) và ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Mương chảy tràn thunước đầu ra nhằm hạn chế tác động của dòng vào đối với ngăn thiếu khí và tănghiệu quả xáo trộn giữa dòng nước thải đầu vào và bùn tuần hoàn Các thiết bị cầnthiết bao gồm: mương chảy tràn thu nước đầu ra, ống thu bùn, bộ phận sục khí, cánhkhuấy…

Các thiết bị trong mô hình:

1.6.2 Nguyên tắc hoạt động của công nghệ

Hình 1.1 Nguyên tắc hoạt động của bể USBF

Nước thải loại bỏ rắn trước khi bơm vào ngăn thiếu khí cùng trộn lẫn vớidòng tuần hoàn bùn Ngăn này có vai trò như là ngăn chọn lọc thiếu khí (AnoxicSelector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọctrao đổi chất (Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động của vi sinh vật

tạo bông từ đó tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của các

vi sinh vật hình sợi gây vón bùn và nổi bọt Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại

bỏ P diễn ra trong ngăn này Sau đó, nước thải chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hởdưỡi đáy ngăn USBF Ở đây ôxy được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua mộtmáy bơm Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển từ dướilên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Đây chính làcông đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học củachính khối bùn hoạt tính Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy tràn vàomương thu nước đầu ra Một phần hỗn hợp nước thải và bùn trong ngăn này đượctuần hoàn trở laị ngăn thiếu khí

1.6.3 Ưu, nhược điểm của công nghệ USBF

chất hữu cơ dạng carbon và cả Nitơ và phốt pho

Lượng bùn thải bỏ ít: Hệ thống được thiết kế với tuổi bùn tối thiểu là 25ngày nên lượng bùn sản sinh ít hơn với hệ thống sinh học hiếu khí thông thường

giảm những tác nhân gây mùi

Thay đổi thể tích linh động: Bể lắng hình côn trong bể tạo không giantrống để các phản ứng khác xảy ra chung quanh và bản thân bể lắng cũng có thểthay đổi thể tích linh động, tác động lên thể tích của các công đoạn còn lại

cải thiện cấu trúc đặc tính cơ học làm cho quá trình làm khô bùn xảy ra nhanh hơn

lý đợt 1 phía trước Đối với các hệ thống lớn chỉ cần trang bị hệ thống sàng rác, loạicát để đảm bảo cho yêu cầu xử lý sinh học

Tiết kiệm mặt bằng sử dụng: Công nghệ USBF kết hợp tất cả các quá trìnhkhử nitrat, nitrat hóa, lắng và ổ định bùn trong một công trình làm giảm kích thướcchung của công trình dẫn đến tiết kiệm mặt bằng sử dụng.

gặp khó khăn trong việc vận hành

Khó xây dựng và bảo trì hệ thống

1.6.4 Ứng dụng của công nghệ USBF

Công nghệ USBF đã và đang được áp dụng ở Việt Nam Điển hình là công tyVietnam Green Environment (Vnxanh) ứng dụng nhằm xử lý triệt để nước thải chokhách sạn, tòa nhà cao cấp, một số công trình ứng dụng USBF:[5]

Khách sạn Novotel tại Phan Thiết - Bình Thuận;

Khu Du lịch Sinh Thái An Viên - Nha Trang;

Ngoài ra, công nghệ USBF được sử dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới

từ thể kỷ XX Vào năm 1992 công ty ECOfluid ra đời hoạt động dựa trên việc ápdụng công nghệ USBF Một số công trình ứng dụng công nghệ USBF của công tyECOfluid như:[16,Tr.46-49]

Ski Resort;

Pinzolo ở Italy;

Budca ở Slovak Republic;

Pro Sus ở Italy

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Sửa chữa, vận hành hệ thống xử lí nước thải quy mô phòng thí nghiệm

2.1.1 Sửa chữa và bổ sung hệ thống USBF quy mô phòng thí nghiệm

Dựa trên sự kế thừa hệ thống USBF của sẵn trong phòng thí nghiệm củakhoa, chúng tôi đã cải tạo lại hệ thống sao cho tự động và thuận tiện nhất trong quátrình chạy hệ thống:

- Thùng nước đựng nước thải đầu vào và nước đầu ra

- Giá đỡ đựng thùng chứa nước thải và máy bơm bùn

- Ống dẫn nước thải, van vòi

- Thanh sục khí