Khảo sát khả năng xử lý nitơ trong hệ thống SBR : chu kỳ thông khí, tỷ lệ C/N

Hiện nay đ• có rất nhiều lời cảnh báo về ảnh hươởng của nơước thải chứa nitơ đến môi trơường trong đó có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra ảnh hơưởng nghiêm trọng của nươớc ô nhiễm nitơ đến sức khoẻ của cộng đồng. Không chỉ ở Việt Nam, mà trên thế giới hiện tơượng này đ• gây đau đầu không ít nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này. Các phơương pháp xử lý nươớc ô nhiễm nitơ nói riêng và nơước thải nói chung hiện nay có rất nhiều. Cùng vói nó là các hệ thống xử lý nươớc thải khác nhau. ở Việt Nam hiện nay đ• áp dụng và nghiên cứu đơược một số hệ thống xử lý nơước thải nói chung, tuy nhiên các hệ thống xử lý mới thì hiểu biết về nó còn hạn chế. Hệ thống SBR hiện nay được đánh giá là một giải pháp lý tưởng nhất cho ứng dụng thương mại và đô thị. Đây là những gì EPA đánh giá về hệ thống này “ Hệ thống SBR có một ứng dụng rộng r•i cho xử lý máy hoá với những lưu lượng nước nhỏ, bởi vì nó cung cấp xử lý gián đoạn. Hệ thống này phù hợp lý tưởng cho các dòng chảy có lưu lượng thay đổi rộng điều khiển bằng chế độ ‘nạp và rút’, ngăn ngừa hiện tượng thoái hoá bùn mà hay gặp ở các hệ thống hiếu khí mở rộng. Một thuận lợi khác của hệ thống là không cần nhiều người điều khiển nhưng hiệu quả xử lý vẫn rất cao”. ở Việt Nam hiện nay việc tìm hiểu, nghiên cứu về hệ thống này chưa được biết đến nhiều. Hi vọng rằng hệ thống này với những rất nhiều ưu điểm sẽ nhanh chóng được quan tâm và triển khai tại Việt Nam. Nhằm góp phần làm giảm ô nhiễm về nơước, cũng nhơư đóng góp vào việc tìm hiểu và áp dụng các phơương pháp mới vào việc xử lý nươớc thải chứa nitơ ở Việt Nam chúng tôi tiến hành làm đề tài nghiên cứu : ” Khảo sát quá trình phản nitrat hoá và nghiên cứu điều kiện xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí”. Đề tài của bao gồm các phần sau : 1. Phân lập và tuyển chọn bùn hoạt tính phản nitrat hoá. 2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưỏng đến khả năng phản nitrat hoá của bùn hoạt tính nghiên cứu : Nồng độ N-NO3, nồng độ bùn, tỷ lệ C/N. 3. Thiết lập được hệ thống SBR. 4. Khảo sát khả năng xử lý nitơ trong hệ thống SBR : chu kỳ thông khí, tỷ lệ C/N.

Lời cảm ơn Bản luận án này đợc hoàn thành tại Bộ môn hoá sinh và sinh học phân tử, phòng 202- C4, Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm, Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc sự hớng dẫn rất tận tình, chu đáo, khoa học của TS.Tô Kim Anh đã giúp đỡ tôi tận tình trong quá trình làm luận án tốt nghiệp. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chân thành của các bạn sinh viên trong nhóm Xử lý nớc thải chứa nitơ , đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo: Trần Ngọc Hân. Cho phép tôi đợc bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể anh, chị, em, các bạn sinh viên làm việc tại các phòng thí nghiệm thuộc Viện Công nghệ sinh học và thực phẩm, Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập để cho tôi hoàn thành bản luận án này. Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. Đặt vấn đề Hiện nay đã có rất nhiều lời cảnh báo về ảnh hởng của nớc thải chứa nitơ đến môi trờng trong đó có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra ảnh hởng nghiêm trọng của nớc ô nhiễm nitơ đến sức khoẻ của cộng đồng. Không chỉ ở Việt Nam, mà trên thế giới hiện tợng này đã gây đau đầu không ít nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này. Các phơng pháp xử lý nớc ô nhiễm nitơ nói riêng và nớc thải nói chung hiện nay có rất nhiều. Cùng vói nó là các hệ thống xử lý nớc thải khác nhau. ở Việt Nam hiện nay đã áp dụng và nghiên cứu đợc một số hệ thống xử lý nớc thải nói chung, tuy nhiên các hệ thống xử lý mới thì hiểu biết về nó còn hạn chế. Hệ thống SBR hiện nay đợc đánh giá là một giải pháp lý tởng nhất cho ứng dụng thơng mại và đô thị. Đây là những gì EPA đánh giá về hệ thống này Hệ thống SBR có một ứng dụng rộng rãi cho xử lý máy hoá với những lu lợng nớc nhỏ, bởi vì nó cung cấp xử lý gián đoạn. Hệ thống này phù hợp lý tởng cho các dòng chảy có lu lợng thay đổi rộng điều khiển bằng chế độ nạp và rút, ngăn ngừa hiện tợng thoái hoá bùn mà hay gặp ở các hệ thống hiếu khí mở rộng. Một thuận lợi khác của hệ thống là không cần nhiều ngời điều khiển nhng hiệu quả xử lý vẫn rất cao. ở Việt Nam hiện nay việc tìm hiểu, nghiên cứu về hệ thống này cha đợc biết đến nhiều. Hi vọng rằng hệ thống này với những rất nhiều u điểm sẽ nhanh chóng đợc quan tâm và triển khai tại Việt Nam. Nhằm góp phần làm giảm ô nhiễm về nớc, cũng nh đóng góp vào việc tìm hiểu và áp dụng các phơng pháp mới vào việc xử lý nớc thải chứa nitơ ở Việt Nam chúng tôi tiến hành làm đề tài nghiên cứu : Khảo sát quá trình phản nitrat hoá và nghiên cứu điều kiện xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. Đề tài của bao gồm các phần sau : 2 Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. 1. Phân lập và tuyển chọn bùn hoạt tính phản nitrat hoá. 2. Khảo sát các yếu tố ảnh hỏng đến khả năng phản nitrat hoá của bùn hoạt tính nghiên cứu : Nồng độ N-NO3, nồng độ bùn, tỷ lệ C/N. 3. Thiết lập đợc hệ thống SBR. 4. Khảo sát khả năng xử lý nitơ trong hệ thống SBR : chu kỳ thông khí, tỷ lệ C/N. Trong đợt làm luận án này việc tìm hiểu về đề tài này đã mang lại cho chúng tôi nhiều điều bổ ích. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên, những thầy cô giáo đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình này. Mọi ý kiến góp ý xin gửi về địa chỉ : tuantmyb@yahoo.com. 3 Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. Các ký hiệu, cụm chữ viết tắt dùng trong luận án BBS (Blue Baby Syndrome) : Hội chứng xanh da. Bộ KHCN & MT :Bộ Khoa Học Công Nghệ và Môi Trờng BOD (Biochemical Oxygen Demand) :Nhu cầu oxy sinh học COD (Chemiacal Oxygen Demand) :Nhu cầu oxy hoá học ĐBSH :Đồng bằng sông Hồng. ĐBSCL :Đồng bằng sông Cửu Long DO (Dissolved Oxygen) :Nhu cầu oxy hoà tan EPA (Environment protect agent) :Cơ quan bảo vệ môi trờng Mỹ KCN :Khu công nghiệp KCX :Khu chế xuất NHL (lympho non-Hodgkin) :Bệnh u hệ bạch huyết NH 4 + :Amoni NO 3 - :Nitrat NO 2 - :Nitrit N- NH 4 + :Nit amoni N- NO 3 - :Nit nitrat N- NO 2 - :Nit nitrit HNO 2 :Axít nitơ O 2 :Oxy Sắt nitronsyl :Fe 2 (SCH 3 ) 2 (NO) 4 SBR (Sequencing Batch Reactor) :Thiết bị xử lý gián đoạn SS (Suspend Solid) :Hàm lợng rắn huyền phù Vin KTN & BVMT :Vin K thut Nhit i v Bo v mụi trng VSV :Vi sinh vt WHO ( World Health Organization) :Tổ chức sức khoẻ thế giới 4 Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. phần I : tổng quan tài liệu chơng I : tổng quan về ô nhiễm nguồn nớc chứa nitơ I.1. Tình hình ô nhiễm nguồn nớc chứa nitơ : I.1.1Nớc sinh hoạt : Theo tiờu chun v sinh nc n ung da trờn quyt nh 1329 ca B Y t, nc sinh hot t chun mc hm lng amoni : 1.5mg/l. Trờn thc t, kt qu phõn tớch cỏc mu nc u vt quỏ ch tiờu cho phộp, nhiu ni cao t 2030 ln. Theo s liu iu tra mi õy ca B Xõy dng cho thy: nc dựng n ung cỏc lng quờ, th xó, thnh ph ly t nc ging khoan u b nhim nit liờn kt: amoni, nitrat v nitrit. B Xõy dng ó phõn loi tng a bn, tin hnh iu tra ly mu nc sinh hot ti mt lng, xó, nụng thụn, ng bng, th xó v thnh ph cú mt dõn c cao v phỏt hin thy mu nc sinh hot ti tt c cỏc thụn u b nhim nng amoni t 1530mg/l quỏ cao so vi tiờu chun cho phộp. [9], [10], [11] I.1.2Nớc mặt : S liu v cht lng nc mt Vit Nam cũn rt ớt. Tuy cỏc kt qu thc nghim cũn cha c thc hin nhiu nhng cng cho thy mc ụ nhim h lu mt s con sụng chớnh ngy cng tng. Cht lng nc thng lu mt s con sụng chớnh cũn rt tt, trong khi cỏc vựng h lu ó cú du hiu b ụ nhim do nh hng ca cỏc vựng ụ th, v cỏc c s cụng nghip. Mng quan trc mụi trng quc gia tin hnh quan trc 4 con sụng chy qua cỏc ụ th chớnh Vit Nam l sụng Hng (H Ni), sụng Cu (Hi Phũng), sụng Hng (Hu) v sụng Si Gũn (Thnh ph H Chớ Minh) v cú mt s con sụng khỏc cng c quan trc (Bng 1). 5 Ph¶n nitrat ho¸ vµ xö lý nit¬ trong hÖ thèng SBR thiÕu khÝ. I. I. Bảng 1 : Chất lượng một số con sông chính ở Việt Nam. [9] Vùng Sông Vượt tiêu chuẩn loại A ĐBSH Sông Hồng - Lào Cai – Hà Nội 1.5÷2/NH 4 + Sông Hồng đoạn từ Sông Hồng đến Việt Trì 3.8/BOD 5 , 2/ NH 4 + Sông Cầu 2/NH 4 + Sông Thương 2.7/BOD 5 Bắc Trung Bộ Sông Hiếu 2÷3/BOD 5, 1.5÷1.8/NH 4 + Sông Hương 2.5/BOD 5 Duyên Hải và Nam Trung Bộ Sông Hàn 1÷2/BOD 5, 1.4÷2.6/ NH 4 + ĐBSCL Sông Sài Gòn 2÷4/BOD 5 Sông Thị Vải 10÷15/BOD 5 Các số liệu khảo sát do Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ môi trường cũng cho thấy, hàm lượng của các chất gây ô nhiễm trong các sông của Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Hải Dương, Bắc Giang, Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam và Đồng Nai cao hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều. số liệu được trình bày ở bảng 2 : I. Bảng 2 : Chất lượng nước ở các sông ngòi, ao hồ và kênh mương vùng đô thị Các xu thế cho thấy, giá trị đo được ở 2 thông số ô nhiễm cơ bản là : amoni và nhu cầu oxy sinh hóa dao động khá nhiều và vượt mức tiêu chuẩn loại A một vài lần (hình sau). Tình trạng ô nhiễm càng trở nên trầm trọng hơn 6 Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. vo mựa khụ khi m cỏc dũng chy sụng ngũi h thp. S liu xem hỡnh 1 I. Hỡnh 1 : Nng BOD v NH 4 mt s sụng c quan trc I.1.3Nớc ngầm : ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, theo kết quả khảo sát của các cơ sở nghiên cứu thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và Trờng đại học Mỏ-Địa chất thì phần lớn nớc ngầm gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hà Nội, Hải Dơng, Hng Yên, Thái Bình đều bị nhiễm bẩn bởi amoni rất nặng. [10], [11] Mt nghiờn cu thc hin H Ni ó cnh bỏo v tỡnh hỡnh ụ nhim amoni trong nc di t phớa Nam H Ni. Nng amoni trong nc ó qua x lý ca 3 nh mỏy nc cao hn tiờu chun cho phộp 2ữ8 ln. Tt c cỏc mu nc ly t tng nc trờn u cú hm lng amoni cao hn tiờu chun nhiu ln. Cỏc nh khoa hc c tớnh l vi mc khai thỏc 700.000 m 3 /ngy nh hin nay thỡ s dn n nguy c h thp mc nc ngm xung 114 m v hin tng ụ nhim ngun nc di t s ph bin H Ni. Nguy hi hn, mc ụ nhim ang tng dn theo thi gian, xó Yờn S trong nm 2002 kt qu o c cho thy hm lng amoni l 37.2 mg/l hin nay ó tng lờn 45.2 mg/l, phng Bỏch Khoa mc nhim t 9.4 mg/l, nay tng lờn 14.7 mg/l, phng Tng Mai l 13.5 mg/l. Ngi dõn ti khu vc ny cng tha nhn ngun nc ly t cỏc ging khoan rt c, vng. ễng Trn Vn Dng, xó Yờn S, huyn Thanh Trỡ núi: "Chỳng tụi ch bit dựng b 7 Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. cỏt lc ly nc n, song vn khụng kh ht mựi tanh v l l". Cú ni cha tng b nhim amoni song nay cng ó vt tiờu chun cho phộp nh Long Biờn, phng Trung Hũa, xó Tõy M, xó Trung Vn, ụng Ngc .Hin gi cỏc ngun nc nhim bn ó lan rng trờn ton thnh ph. Xác suất các nguồn nớc ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nớc sinh hoạt (3 mg/l) khoảng 7080%. Trong nhiều nguồn nớc ngầm còn chứa khá nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxy hoá có nguồn đạt tới 3040 mgO 2 /l. Tng nc ngm di (cỏch mt t t 4560 m) l ngun cung cp cho cỏc nh mỏy cng b nhim bn. Hin cỏc nh mỏy nc H ỡnh, Tng Mai, Phỏp Võn, Linh m ó b nhim amoni v cú hm lng st cao 1.219.5 mg/l. Nc t cỏc nh mỏy ang ng trc nguy c nhim bn bi vn cha cú hng mc x lý amoni. Duy nht, nh mỏy nc Nam D ang xõy dng h thng ny vi chi phớ khong 40 t ng. Nh vậy có thể nói rằng, khả năng nhiễm bẩn bởi amoni và hợp chất hữu cơ trong nớc ngầm ở đồng bằng Bắc Bộ đã đến mức báo động và khả năng tác động amoni lên cơ thể con ngời là chắc chắn. [10] I.1.4Nớc thải : khu vc kinh t trng im phớa Nam theo Vin KTND & BVMT, mi ngy cỏc khu cụng nghip v cỏc khu ch xut thi ra trờn 137.000 m 3 nc thi cú cha gn 93 tn cht thi ra cỏc h thng sụng ng Nai, Th Vi v Si Gũn. Trong khi ú thỡ ch cú 2 trong s 12 KCN v KCX ca thnh ph H Chớ Minh, 3 trong s 17 KCN v KCX ca ng Nai, 2 trong s 13 khu ca Bỡnh Dng v khụng cú khu no ca B Ra Vng Tu cú h thng x lý nc thi. Theo cỏc chuyờn gia v mụi trng khu vc kinh t trng im phớa Nam, cn phi u t khong 5.7 nghỡn t ng (380 triu ụ la M) n nm 2003 v 13 nghỡn t ng (687 triu ụ la M) n nm 2010. I.2. các nguồn gây ô nhiễm nitơ trong nớc : S ụ nhim nitrat cng xut hin trong cỏc c cu a lý liờn quan n 8 Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. lng nit t cỏc ngun khớ thi nh xe hi, cỏc khớ thi cụng nghip v cỏc c tớnh ti tiờu cho t. Cỏc khu vc m t c ti tiờu tt v ngun nit u vo cao thỡ nng nitrat cú trong ngun cung cp nc l cao nht. Vớ d : mt vi khu vc rng ln ca cỏc bang c mnh danh l vnh ai ng cc ca Midwestern M cú nng nitrat cao hn nng t nhiờn. Mc ụ nhim tng lờn trong khi cỏc tỏc nhõn nhim bn cha c ngn chn. Nhiu h dõn khoan ging bng nhng thit b khụng ỳng tiờu chun, nc bn trờn b mt thm theo ng khoan i vo lũng t, tỡnh trng ny cng ph bin trờn nhng rung rau ngoi thnh nh ụng Anh, Gia Lõm, Thanh Trỡ. Cựng vi ú l rỏc thi nhiu khu dõn c khụng c thu gom v x lý ó tỏc ng xu ti ngun nc. Cỏc yu t t nhiờn nh phõn hy cht hu c trong than bựn cng l ngun gc gõy ụ nhim amoni. I.3. thực trạng xử lý : Để xử lý hoặc loại bỏ amoni trong nớc sinh hoạt ngời ta có thể sử dụng một số giải pháp kỹ thuật nh trao đổi ion, clo hoá, sục khí, phơng pháp vi sinh .Trong tất cả các phơng pháp xử lý amoni, phơng pháp vi sinh đợc sử dụng có hiệu quả trong thời gian gần đây, phơng pháp này có thể biến đổi amoni thành nitơ dạng khí hoặc chuyển hoá tới dạng nitrat đỡ độc hại hơn, ở Việt Nam đã có một số kết quả khả quan về phơng pháp này ở quy mô nhỏ (xử lý 20ữ30 l/ngày). Vấn đề nhiễm bẩn nớc chứa amoni và các hợp chất hữu cơ vẫn đang đợc các nhà khoa học nghiên cứu. Tuy nhiên nhu cầu về công nghệ xử lý nớc nhiễm amoni và các hợp chất nitơ trong nớc là rất cấp bách và không thể trì hoãn. 9 Phản nitrat hoá và xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí. I.4. ảnh hởng của nguồn nớc chứa nitơ đến môi tr- ờng: Nớc thải giàu nitơ nếu không đợc xử lý trớc khi thải vào môi trờng sẽ gây ra những ảnh hởng sau: 1. Gây hiện tợng phì dỡng trong hệ sinh thái nớc. 2. Làm cạn kiệt oxy trong nớc. 3. Gây độc với hệ sinh vật nớc. 4. Làm nớc ngầm ô nhiễm nitrat, ảnh hởng tới sức khỏe cộng đồng. Hiện tợng phì dỡng trong nớc là do d thừa chất dinh dỡng dẫn tới sự phát triển bùng nổ của các loài tảo và vi sinh vật, còn gọi là hiện tợng tảo nở hoa. Khi đó mật độ thuỷ sinh vật trong hồ rất dày đặc làm cho nớc có độ màu và độ đục cao. Ngoài ra khi một số lớn tảo chết đi sẽ cần lợng ôxy lớn tơng ứng để phân huỷ dẫn đến hàm lợng ôxy hòa tan trong nớc bị cạn kiệt, làm chết các sinh vật sống trong nớc. Ti liu Hng dn v cht lng nc ung ca T chc Y t th gii cng nh Tiờu chun 1329/2002 (B Y t) khụng coi amụni l cht gõy nguy hi cho sc kho con ngi m xp vo nhúm cỏc cht cú th lm ngi dựng nc than phin vỡ lý do cm quan (mựi, v). Tuy nhiờn, amụni li l yu t gõy cn tr trong cụng ngh x lý nc cp th hin hai mt: Th nht : nú lm gim tỏc dng ca clo l tỏc nhõn sỏt trựng ch yu ỏp dng cỏc nh mỏy nc Vit Nam, do phn ng vi clo to thnh monocloamin l cht sỏt trựng th cp hiu qu kộm clo hn 100 ln. Th hai : amụni cựng vi mt s vi lng trong nc (hu c, pht pho, st, mangan) l thc n vi khun phỏt trin, gõy hin tng khụng n nh sinh hc ca cht lng nc sau x lý. Nc cú th b c, úng cn trong h thng dn, cha nc. Nc b xung cp v cỏc yu t cm quan. Mt hin tng na cn c quan tõm l khi nng amụni trong nc 10