Nghiên cứu quá trình chuyển hóa nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí và hiếu khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THẾ NAM NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THẾ NAM NGHIÊN CỨU Q TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRỊNH LÊ HÙNG Hà Nội – 2014 Lời cảm ơn Luận văn thực mơn Hố mơi trường - khoa Hoá Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Trịnh Lê Hùng, người thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy mơn Hố mơi trường, bạn em phịng thí nghiệm Bộ mơn Hóa công nghệ tạo điều kiện, giúp đỡ hoàn thành đề tài nghiên cứu Hà Nội, tháng năm 2014 Học viên Lê Thế Nam DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Một số vi khuẩn sinh axit hữu ………… ……………… 41 Bảng 1.2 Một số vi khuẩn sinh metan …………….………… …42 Bảng 2.1 Kết xây dựng đường ch Bảng 2.2 Kết xây dựng đường c Bảng 2.3 Kết xây dựng đường chuẩn nitrat……….…… .57 3- Bảng 2.4 Kết dựng đường chuẩn PO4 ……………… .60 Bảng 3.1 Kết thí nghiệm yếm khí lần 1…… ………… 63 Bảng 3.2 Kết thí nghiệm yếm khí lần …………… 63 Bảng 3.3 Kết trung bình thí nghiệm xử lý yếm khí……… ……… Bảng 3.4 Kết thí nghiệm hiếu khí lần 1………… …… Bảng 3.5 Kết thí nghiệm hiếu khí lần 2… .………… Bảng 3.6 Kết trung bình thí nghiệm xử lý hiếu khí……… 69 Bảng 3.7 Kết thí nghiệm yếm khí hiếu khí ngày… … .……75 + - - Bảng 3.8 Phần trăm N chuyển hóa thành NH4 , NO2 , NO3 qua ngày… 79 Bảng 3.9 Kết thí nghiệm yếm khí trước ngày, sau tiếp tục xử lý hiếu khí ngày ngược lại …… …80 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sự phụ thuộc nồng độ Clo dư nước vào nồng độ Clo xử lí nước có khơng có NH3 13 Hình 1.2 Vi khuẩn Nitrosomonas 18 Hình 1.3 Vi khuẩn Nitrobacter 18 Hình 1.4 Vi khuẩn Bacillus 20 Hình 1.5 Vi khuẩn Pseudomonas 20 Hình 1.6 Cơ chế sinh hóa giả thiết phản ứng Anammox 27 Hình 1.7 Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia 28 Hình 1.8 Chu trình N tự nhiên 35 Hình 1.9 Chuyển hóa hợp chất nitơ xử lý sinh học 46 Hình 2.1 Phương trình đường chuẩn amoni 51 Hình 2.2 Phương trình đường chuẩn nitrit 55 Hình 2.3 Phương trình đường chuẩn nitrat 58 Hình 2.4 Phương trình đường chuẩn photphat 60 Hình 3.1 Sự thay đổi COD (mg/l) thí nghiệm yếm khí 64 Hình 3.2 Sự thay đổi nồng độ amoni thí nghiệm yếm khí 65 Hình 3.3 Sự thay đổi nồng độ nitrit thí nghiệm yếm khí 66 Hình 3.4 Sự thay đổi nồng độ nitrat thí nghiệm yếm khí 67 Hình 3.5 Sự thay đổi nồng độ photphat thí nghiệm yếm khí 68 Hình 3.6 Sự thay đổi COD (mg/l) thí nghiệm hiếu khí 70 Hình 3.7 Sự thay đổi nồng độ amoni thí nghiệm hiếu khí 71 Hình 3.8 Sự thay đổi nồng độ nitrit thí nghiệm hiếu khí 72 Hình 3.9 Sự thay đổi nồng độ nitrat thí nghiệm hiếu khí 73 Hình 3.10 Sự thay đổi nồng độ photphat thí nghiệm hiếu khí 74 Hình 3.11 Sự thay đổi COD (mg/l) thí nghiệm yếm khí hiếu khí ngày .75 Hình 3.12 Sự thay đổi nồng độ amoni thí nghiệm yếm khí hiếu khí ngày.76 Hình 3.13 Sự thay đổi nồng độ nitrit thí nghiệm yếm khí hiếu khí ngày 77 Hình 3.14 Sự thay đổi nồng độ nitrat thí nghiệm yếm khí hiếu khí ngày 77 Hình 3.15 Sự thay đổi nồng độ photphat thí nghiệm yếm khí hiếu khí ngày 78 Hình 3.16 Sự thay đổi COD (mg/l) thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí 81 Hình 3.17 Sự thay đổi nồng độ amoni thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí 82 Hình 3.18 Sự thay đổi nồng độ nitrit thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí 82 Hình 3.19 Sự thay đổi nồng độ nitrat thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí 83 Hình 3.20 Sự thay đổi nồng độ photphat thí nghiệm kết hợp yếm khí hiếu khí 84 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AOB Ammonium oxidizing bacteria BOD Biochemical Oxygen Demand COD Chemical Oxygen Demand DO Dissolved oxigen EPA Environmental Protection Agency FA Free amoni FNA Free nitrogen amonium HRT Hydranliz Retention Time MAP SRT Sludge Retention Time WHO World Health Organization MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng ô nhiễm cần thiết phải xử lý hợp chất Nitơ nước 1.1.1 Tình hình nhiễm nguồn nước 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm hợp chất nitơ nước 1.1.3 Nguyên nhân 1.1.4 Tác hại hợp chất chứa nitơ thể người 1.1.5 Nguồn gây ô nhiễm hợp chất chứa nitơ 1.1.5.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm tự nhiên 1.1.5.2 Nguồn gốc gây ô nhiễm người 10 1.2 Khái quát chung số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ 10 1.2.1 Các phương pháp hóa lý hóa học tách loại amoni 11 1.2.1.1 Làm thoáng để khử amoni (Air stripping) 11 1.2.1.2 Phương pháp clo hoá đến điểm đột biến (break point) 12 1.2.1.3 Phương pháp trao đổi ion (Ion Exchange) 14 1.2.1.4 Phương pháp điện hóa 15 1.2.1.5 Phương pháp tạo kết tủa Magie Amoni Photphat (MAP) 15 1.2.2 Các phương pháp sinh học tách loại amoni 16 1.2.2.1 Các điều kiện nước thải đưa vào xử lý sinh học 16 1.2.2.2 Phương pháp sinh học truyền thống 17 1.2.2.3 Phương pháp sinh học Sharon 21 1.2.2.4 Phương pháp sinh học Anammox 26 1.2.3 Xử lý nước thải chứa amoni phương pháp bãi lọc trồng ngập nước (wetland) 29 1.2.3.1 Tình hình nghiên cứu nước giới 30 1.2.3.2 Các ưu - nhược điểm bãi lọc trồng 32 1.3 Đánh giá phương pháp xử lý nitơ nước thải 32 1.4 Q trình chuyển hóa sinh học nitơ nước thải 33 1.4.1 Hệ vi khuẩn nước thải 33 1.4.2 Q trình amoni hóa sinh học 35 1.4.3 Q trình nitrat hóa sinh học 36 1.4.4 Đenitrat hóa 38 1.4.5 Quá trình yếm khí 39 1.4.6 Quá trình hiếu khí 44 1.4.7 Quá trình chuyển hóa nitơ nước thải vi sinh vật 46 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 47 2.1 Đối tượng nghiên cứu 47 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 47 2.3 Phương pháp nghiên cứu 47 2.4 Phương pháp phân tích 47 2.4.1 Phương pháp xác định COD kalibicromat 47 2.4.2 Xác định hàm lượng amoni 48 - 2.4.3 Xác định hàm lượng Nitrit (NO2 ) nước phương pháp so màu với thuốc thử Griss 52 - 2.4.4 Xác định nitrat (NO3 ) nước phương pháp so màu với thuốc thử phenoldisunfonic 55 3- 2.4.5 Xác định photphat (PO4 ) nước phương pháp trắc phổ dùng amoni molipđat 58 2.5 Thực nghiệm 61 2.5.1 Q trình yếm khí 61 - - - NO2 oxi hố lên NO3 dư oxy nên sản phẩm cuối NO3 , hàm lượng - NO3 tăng đến mức cao Hình 3.15 Sự thay đổi nồng độ photphat thí nghiệm yếm khí hiếu khí ngày Hàm lượng P q trình hiếu khí có giảm nhẹ hoạt động tăng trưởng vi sinh vật Ngược lại q trình yếm khí, phân giải chất chủ yếu nên hợp chất hữu tiếp tục bị thuỷ phân dẫn đến hàm lượng P tăng nhẹ 78 + - - Bảng 3.8 Phần trăm N chuyển hóa thành NH4 , NO2 , NO3 qua ngày so với tổng nitơ ban đầu trình hiếu khí yếm khí STT Ghi chú: Tổng N = 338,8 mg/lít Từ bảng tổng hợp thấy so với tổng nitơ ban đầu nước thải 338,8 mg/lít với q trình yếm khí sau ngày chuyển hóa thành sản phẩm cuối amoni chiếm gần 50% (46,62%) Trong q trình hiếu khí chuyển hóa hai sản phẩm cuối amoni chiếm khoảng 20% (20,95%) nitrat chiếm gần 3% Như để đạt tiêu cho phép nitơ thiết phải có trình xử lý hiếu khí 79 3.4 Kết thí nghiệm xử lý phối hợp yếm khí hiếu khí Bảng 3.9 Kết thí nghiệm yếm khí trước ngày, sau tiếp tục xử lý hiếu khí ngày ngược lại STT Ngày 15/11/2013 16/11/2013 17/11/2013 17/11/2013 18/11/2013 19/11/2013 Các kết thể qua biểu đồ đây: 80 Hình 3.16 Sự thay đổi COD (mg/l) thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí Trong thí nghiệm theo trật tự yếm khí sau chuyển sang hiếu khí thấy COD giảm đặn Tuy nhiên nước thải sau xử lý yếm khí chuyển sang hiếu khí tốc độ giảm nhanh nhiều trị số COD cuối nhỏ Ngược lại nước thải sau xử lý hiếu khí chuyển sang xử lý yếm khí lúc đầu có tăng COD sau giảm, dù có giảm giá trị COD cuối cao Một phần COD giảm giai đoạn yếm khí phần BOD tham gia vào phản ứng khử nitrit, nitrat Q trình hiếu khí thực tế không phân giải số chất hữu khó phân hủy, đến đưa sang yếm khí chất hữu có điều kiện phân giải thành chất dễ tan, dẫn đến số COD tạm thời tăng 81 Hình 3.17 Sự thay đổi nồng độ amoni thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí Amoni điều kiện yếm khí nồng độ tăng lên, chuyển sang hiếu - - khí điều kiện có oxy chúng bị oxi hoá chuyển sang NO , NO3 nên hàm lượng + NH4 giảm rõ rệt Amoni điều kiện hiếu khí sau chuyển sang yếm khí biến đổi ngược lại Lúc đầu hiếu khí nồng độ amoni giảm rõ rệt, sau chuyển sang yếm khí lại tăng lên vi khuẩn yếm khí tiếp tục phân giải chất hữu chứa + nitơ thành amoni nên nồng độ NH4 tiếp tục tăng lên 3.5 - [NO2 ] (mg/lít) 2.5 1.5 0.5 0 Hình 3.18 Sự thay đổi nồng độ nitrit thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí 82 Đối với nitrit, q trình yếm khí trước khơng thấy biến đổi sau chuyển sang hiếu khí tăng lên q trình hiếu khí chuyển hóa amoni thành nitrit Ngược lại hiếu khí trước dẫn đến tăng lên nitrit q trình yếm khí góp phần đenitrit có chất hữu nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn dị dưỡng đenitrit hoạt động 35 30 - [NO3 ] (mg/lít) 25 20 15 10 0 Ngày Hình 3.19 Sự thay đổi nồng độ nitrat thí nghiệm kết hợp hiếu khí yếm khí Nitrat q trình yếm khí chi phát với lượng vết nhỏ có giá trị Khi chuyển sang bình hiếu khí tăng lên vi sinh vật hiếu khí bắt đầu hoạt + - động, chuyển hóa NH4 thành NO3 Ngược lại q trình hiếu khí trước làm tăng - hàm lượng NO3 , sau chuyển sang yếm khí với hàm lượng chất hữu cịn lại có tác dụng nguồn C dị dưỡng cung cấp cho vi khuẩn đenitrat có tác dụng chuyển - hóa NO3 thành N2 Hàm lượng nitơ nước thải chế biến thuỷ sản dư so với nhu cầu dinh dưỡng tế bào, muốn có chất lượng nước thải sau xử lý đáp ứng tiêu chuẩn - NO3 cần có thêm bước xử lý yếm khí cho q trình khử nitrat để hồn ngun lại nitơ 83 35 30 25 20 15 10 Hình 3.20 Sự thay đổi nồng độ photphat thí nghiệm kết hợp yếm khí hiếu khí Quá trình yếm khí trước làm tăng hàm lượng P nên chuyển sang hiếu khí lượng P góp phần làm tăng tốc độ sinh trưởng vi sinh vật hiếu khí P giảm nhanh Ngược lại q trình hiếu khí trước hàm lượng P khơng tăng cường vi khuẩn hiếu khí không phân giải chất hữu mạnh vi khuẩn yếm khí hàm lượng P khơng giảm giống trình trước 84 KẾT LUẬN Các hợp chất protein dễ dàng bị phân hủy điều kiện yếm khí giải phóng amoni nhanh Qua ngày so với tổng nitơ ban đầu chuyển hóa 20% (20,49%) thành amoni qua ngày chuyển hóa gần 50% (46,62%) Để xử lý amoni chủ yếu phải tiến hành điều kiện hiếu khí xử lý triệt để amoni Qua ngày so với tổng nitơ ban đầu, lượng amoni chiếm 20% (20,49%) nitrat chiếm gần 3% (2,2%) xử lý yếm khí lại chuyển hóa gần 50% tổng nitơ amoni - - Trong điều kiện hiếu khí amoni chuyển hóa chủ yếu tạo NO3 cịn NO2 sản - phẩm trung gian nên hàm lượng nhỏ nhiều so với NO3 - Hàm lượng NO3 điều kiện yếm khí giảm xuống nhanh chưa cần bổ sung dinh dưỡng cho trình đenitrat chất hữu dễ bị oxy hóa metanol, etanol hay đường glucozơ mà chúng tận dụng lượng BOD sinh q trình chuyển hóa yếm khí chất hữu Trật tự cho quy trình xử lý triệt để amoni phương pháp sinh học : Yếm khí  Hiếu khí 85  Yếm khí KIẾN NGHỊ Xây dựng quy trình chung cho xử lý cho nước thải giàu amoni phương pháp sinh học theo sơ đồ khối sau: Nước thải vào Bể thu gom Quy trình vận hành: Nước thải tập trung bể thu gom sau bơm sang bể yếm khí Từ bể yếm khí nước chảy tràn sang bể hiếu khí Từ bể hiếu khí nước chảy tràn sang bể lắng Nước từ bể lắng tràn mơi trường Trường hợp nước mơi trường có nồng - độ NO3 cao vượt tiêu cho phép hồi lưu phần bể yếm khí để xử lý - NO3 Bùn thải sau bể lắng hồi lưu phần bể hiếu khí để tăng mật độ sinh khối, phần thải thu gom xử lý chất thải rắn 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Việt Anh (2005), Nghiên cứu xử lý amoni nước ngầm phương pháp sinh học, NXB Giáo Dục, Hà Nội Kiều Hữu Ảnh (1999), Giáo trình vi sinh vật học công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Vũ Đăng Độ (1999), Hóa học ô nhiễm môi trường, NXB Giáo Dục, Hà Nội Trịnh Lê Hùng (2006), Kỹ thuật xử lý nước thải, NXB Giáo Dục, Hà Nội Nguyễn Văn Khôi, Cao Thế Hà (2002), Nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm bẩn amoni, Báo cáo thuộc chương trình 01C-09, Hà Nội Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, (2003), Công nghệ xử lý nước thải, NXB Bách Khoa, Hà Nội Lương Đức Phẩm (2002), Công nghệ xử lý nước thải biện pháp sinh học, NXB Giáo Dục, Hà Nội Lê Thị Hiền Thảo (2003), Nitơ photpho môi trường, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội Đặng Thị Thu, Lê Ngọc Tú, (2001), Hóa sinh công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 10 Trung tâm kỹ thuật môi trường đô thị khu công nghiệp (CEETIA) (2001), Hội thảo công nghệ xử lý hợp chất chứa nitơ nước ngầm, trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội 11 Weebsite cục bảo vệ môi trường, (2008), Báo cáo diễn biến môi trường Việt Nam 87 Tiếng Anh 12 Dapena-Mora, A., et al (2006), “Anammox process for nitrogen removal from anaerobically digested fish canning effluents”, Water Science and Technology, 53(12), pp 265 13 Dosta, J., et al (2008), “Short- and long – term effects of temperature on the Anammox process”, Journal of Hazordous Materials, 154, pp 688 – 692 14 Environmental Biotechnology: principles and applications, Rittmann McCarty (2001); Henze (2002) 15 Eveline I.P Volcke, et al., “Genenration of Anammox-optimal nitrit: ammonium ratio with Sharon process: usefulness of process control?” 16 Liang Zhu, Liu Jun-xin (2007), “Control factors of partial nitritation for landfill leachate treatment”, Journal of Environment Sciences, 19, pp.523 – 524 17 Manipura, A., (2005), “Potential biological processes available for removal of nitrogenous compounds from metal industry wastewater”, Process Safety and Environmental Protection, 83 (B5), pp 472 – 473 18 Mulder The quest for sustainable nitrogen technologies Wat Sci Technol Vol 48, No 1, 67 - 75 (2003) 19 Nicholas P., Cheremisnnoff P., “Biotechnology for waste and wastewater treatment”, Noyes publication, New Jersey, USA 20 Than Khin, Ajit P Annachhatre (2004), “Novel microbial nitrogen removal processes”, Botechnology advances, 22, pp 521 – 525 21 van Dougen, U., Jetten, M.S.M, Van Loosdrecht, M.C.M (2001), “The Sharon – Anammox process for treatment of ammonium rich wasterwater”, Water Science and Technology, 44 (1), pp 153 – 154 22 Wang Jianlong, Kang Jing (2005), “The characteristic of anaerobic ammonium oxidation (anammox) by granular sludge from an EGSB reactor”, Process Biochemistry, 40, pp 1973 – 1974 88 23 Yu-Jou Feng, et al (2007), “Partial Nitrification of Ammonium – Rich Wastewater as Pretreatment for Anaerobic Ammonium Oxidation (Anammox) Using Membrane Aeration Bioreactor”, Journal of Bioscience and Bioengineering, 104 (3), pp 182 – 183 89 ... 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THẾ NAM NGHIÊN CỨU Q TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ Chun ngành: Hóa mơi... Đánh giá phương pháp xử lý nitơ nước thải 32 1.4 Quá trình chuyển hóa sinh học nitơ nước thải 33 1.4.1 Hệ vi khuẩn nước thải 33 1.4.2 Quá trình amoni hóa sinh học ... đề tài: ? ?Nghiên cứu q trình chuyển hóa nitơ xử lý nước thải phương pháp sinh học yếm khí hiếu khí ” nhằm góp phần tăng cường hiểu biết chung nitơ để làm chủ q trình xây dựng hệ thống xử lý vận