Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu mang vi sinh chuyển động nhằm tăng cường xử lý nitơ trong nước thải đô thị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Thu Hoài NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG NHẰM TĂNG CƢỜNG XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC THẢI ĐÔ THỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Thu Hồi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG NHẰM TĂNG CƢỜNG XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC THẢI ĐÔ THỊ Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số: 8520320.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trần Thị Huyền Nga PGS.TS Lê Văn Chiều Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động nhằm tăng cƣờng Nitơ nƣớc thải đô thị” cơng trình nghiên cứu độc lập, khơng có chép từ cơng trình nghiên cứu khác Đề tài sản phẩm mà em toàn nhóm nghiên cứu nỗ lực nghiên cứu trình thực đề tài mã số QG.17.21 Trong trình viết có tham khảo số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, dƣới hƣớng dẫn TS Trần Thị Huyền Nga PGS.TS Lê Văn Chiều Em xin chịu trách nhiệm thông tin đƣợc công bố luận văn cá nhân em Học viên Trần Thị Thu Hoài LỜI CẢM ƠN Là học viên cao học Khoa Môi Trƣờng, trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG Hà Nội, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy, Cơ ngồi Khoa, ngƣời giúp đỡ em đƣờng học tập nghiên cứu giai đoạn vừa qua Những thông tin kiến thức mà em nhận đƣợc qua trình học tập giúp em vững bƣớc đƣờng nghiên cứu riêng giai đoạn Cảm ơn Thầy, Cơ tận tâm chúng em Em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lê Văn Chiều Trong trình thực luận văn tốt nghiệp em gặp khơng khó khăn, Thầy tận tình bảo em tìm hƣớng tháo gỡ giải vấn đề cách hợp lý để hoàn thành luận văn Đặc biệt, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Thị Huyền Nga, cô tận tình dạy em học tập, hỗ trợ em lúc khó khăn Em xin gửi lời cảm ơn đến nghiên cứu đƣợc tài trợ Đại học Quốc Gia Hà Nội thông qua đề tài mã số QG.17.21 Sau cùng, em muốn gửi lời cảm ơn đến tất bạn bè gia đình, ngƣời động viên tạo điều kiện giúp em vƣợt qua khó khăn sống để hồn thành khóa học Học viên Trần Thị Thu Hồi MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1Nƣớc thải đô thị công nghệ xử lý nƣ 1.1.1Tổng quan v 1.1.2Công nghệ x 1.2Công nghệ MBBR vật liệu mang 1.2.1Công nghệ M 1.2.2Vật liệu man CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1Đối tƣợng nghiên cứu 2.2Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1Phƣơng pháp 2.2.2Phƣơng pháp 2.2.3Phƣơng phá CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá đặc tính hóa lý vật liệu chế tạo đƣợc 3.1.1Kết quan 3.1.2Kết đánh 3.2 Đánh giá hiệu xử lý Nitơ mơ hình xử lý có vật liệu mang 3.2.1Đặc trƣng nƣ 3.2.2Đánh giá hiệ mang 3.2.3Đánh giá hiệ KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Việt TT Bùn hoạt tính Nhu cầu oxy hóa sinh học Nhu cầu oxy hóa hóa học Oxy hịa tan Tỷ lệ thức ăn sinh khối Thời gian lƣu nƣớc Giá thể mang màng sinh học chuyển động Hỗn hợp chất rắn lơ lửng 10 Tải trọng diện tích bề mặt Chất rắn lơ lửng 11 12 13 14 15 16 VLM 17 XLNT Chỉ số thể tích bùn Tổng nitơ Tổng bon hữu Tổng photpho Vật liệu mang Xử lý nƣớc thải DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phân loại chất rắn nƣớc thải Hình 1.2 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nƣớc thải thơng thƣờng 11 Hình 1.3 Chu trình Nitơ – Cơ sở trình sinh học loại nitơ 13 Hình 1.4 Quá trình Ludzack – Ettinger 15 Hình 1.5 Quá trình Ludzack – Ettinger cải tiến 15 Hình 1.6 Chuyển động VLM bể MBBR hiếu khí thiếu khí 17 Hình 2.1 Ngun liệu chế tạo đá rỗng thủy tinh 29 Hình 2.2 Sơ đồ mơ tả thí nghiệm 29 Hình 2.3 Micromeritics Gemini VII 2390 phân tích diện tích bề mặt 31 Hình 2.4 Sơ đồ cơng nghệ mơ hình MBBR 32 Hình 2.5 Cấu tạo hệ thống MBBR 33 Hình 2.6 Mơ hình MBBR thực tế 34 Hình 3.1 Mẫu M1 (a) tổng thể (b) mặt cạnh 38 Hình 3.2 Mẫu M2 (a) tổng thể (b) mặt cạnh 38 Hình 3.3 Mẫu M3 (a) tổng thể (b) mặt cạnh 38 Hình 3.4 Mẫu M4 (a) tổng thể (b) mặt cạnh 39 Hình 3.5 Mẫu M5 (a) tổng thể (b) mặt cạnh 39 Hình 3.6 Mẫu M6 (a) tổng thể (b) mặt cạnh 39 Hình 3.7 Mẫu M3 (a) dạng viên (b) sau đập nhỏ mài .40 Hình 3.8 Hình ảnh chụp mẫu đá M3 kính hiển vi (X100) 42 Hình 3.9 Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc thải trạm xử lý Kim Liên .43 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính nƣớc thải sinh hoạt thơng thƣờng nhìn chung .7 Bảng 1.2 Các cơng trình nghiên cứu MBBR giới 19 Bảng 1.3 Tổng hợp ƣu điểm, nhƣợc điểm MBBR 23 Bảng 1.4 Đặc điểm số VLM 24 Bảng 1.5 Các nghiên cứu sử dụng VLM 26 Bảng 2.1 Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu theo trọng lƣợng 29 Bảng 2.2 Kích thƣớc thiết kế mơ hình 33 Bảng 2.3 Các thông số vận hành hệ pilot 34 Bảng 2.4 Tần suất vị trí lấy mẫu phân tích 35 Bảng 2.5 Chỉ tiêu phƣơng pháp phân tích 36 Bảng 3.1 Một số tính chất vật liệu 41 Bảng 3.2 So sánh diện tích bề mặt mẫu đá VLM thị trƣờng 42 Bảng 3.3 Đặc tính nƣớc thải trạm XLNT Kim Liên 44 Bảng 3.4 Đặc tính nƣớc thải trạm XLNT Kim Liên năm 2013 44 Bảng 3.5 So sánh hiệu xử lý hệ thống cơng trình khác .54 DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 2.1 Quá trình gia nhiệt với NaHCO3 CaCO3 30 Biểu đồ 3.1 Biến thiên pH thí nghiệm khơng có VLM 45 Biểu đồ 3.2 Biến thiên pH thí nghiệm có VLM 45 Biểu đồ 3.3 Biến thiên nhiệt độ thí nghiệm khơng có VLM 46 Biểu đồ 3.4 Biến thiên nhiệt độ thí nghiệm có VLM 46 Biểu đồ 3.5 Biến thiên DO thí nghiệm khơng có VLM 47 Biểu đồ 3.6 Biến thiên DO thí nghiệm khơng có VLM 47 Biểu đồ 3.7 Hiệu loại bỏ COD hệ thống VLM 48 Biểu đồ 3.8 Hiệu loại bỏ COD hệ thống có VLM 48 Biểu đồ 3.9 Hiệu loại bỏ TN hệ thống khơng có VLM 49 Biểu đồ 3.10 Hiệu loại bỏ TN hệ thống có VLM 50 + Biểu đồ 3.11 Hiệu loại bỏ NH4 hệ thống khơng có VLM 51 + Biểu đồ 3.12 Hiệu loại bỏ NH4 hệ thống có VLM 51 - Biểu đồ 3.13 Hiệu loại bỏ NO3 hệ thống khơng có VLM 52 - Biểu đồ 3.14 Hiệu loại bỏ NO3 hệ thống có VLM .53 MỞ ĐẦU Vấn đề xử lý nƣớc thải thị nói chung, Hà Nội nói riêng đƣợc quan tâm từ lâu, quy hoạch thành phố trạm xử lý nƣớc thải tập trung đƣợc ý Trạm xử lý nƣớc thải Kim Liên, Hà Nội trạm xử lý sử dụng công nghệ xử lý nƣớc thải đô thị phổ biến Trạm xử lý nƣớc thải công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng với nhiều ƣu điểm nhƣ loại bỏ tốt chất hữu cơ, xử lý đƣợc hợp chất Nitơ Photpho, hạn chế sử dụng hóa chất, phát sinh độc tố/chất thải thứ cấp q trình xử lý, thân thiện với mơi trƣờng Tuy nhiên, bên cạnh ƣu điểm nhƣợc điểm nhƣ: xử lý Nitơ chƣa hiệu quả, vấn đề kiểm sốt bùn gặp nhiều khó khăn nhƣợc điểm lớn hệ bùn hoạt tính lơ lửng Để khắc phục nhƣợc điểm nhiều giải pháp công nghệ đƣợc nghiên cứu nhƣ công nghệ giá thể mang màng vi sinh chuyển động, đĩa quay sinh học, lọc nhỏ giọt tổ hợp (lai ghép) công nghệ Mỗi phƣơng pháp cơng nghệ có ƣu, nhƣợc điểm riêng Nhìn chung phƣơng pháp hƣớng tới việc tăng hiệu xử lý cách tăng mật độ vi sinh (trên đơn vị thể tích) Cơng nghệ giá thể mang màng vi sinh chuyển động (MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor) đáp ứng đƣợc tiêu chí Điểm bật công nghệ MBBR vật liệu mang làm giá thể cho vi sinh bám vào chuyển động mơi trƣờng nƣớc thải nhờ dịng khí cấp cho vi sinh hiếu khí hoạt động Vi sinh vật bể hiếu khí tồn hai trạng thái: huyền phù nƣớc màng vi sinh chất mang Chính q trình chuyển động chất mang giúp tăng mật độ vi sinh đơn vị thể tích, phân bố bùn khơng gian đƣợc đồng Lớp màng vi sinh bám chất mang thực đồng thời q trình nitrat hóa khử nitrat, nhờ nâng cao hiệu xử lý Nitơ Mặc dù có nhiều ƣu điểm nhƣng phƣơng diện kinh tế cơng nghệ MBBR có hạn chế vật liệu mang cần phải nhập khẩu, giá thành cao Việt Nam dẫn đến hạn chế việc áp dụng Hiện tƣợng bào mòn giá thể vấn đề cần đƣợc quan tâm Hiện tƣợng xảy giá thể chuyển động bể va chạm (lƣu ý: biện pháp phòng ngừa an tồn) Sau đun mẫu 150 C 2h phá mẫu COD Sau làm nguội từ từ nhiệt độ phịng, khơng ngâm vào nƣớc lạnh Đo mẫu máy quang phổ UV-VIS bƣớc sóng 600nm Sử dụng mẫu trắng chƣa đƣợc phân hủy làm dung dịch đối chiếu Phân tích mẫu thải đƣợc thủy phân để xác nhận chất phản ứng phân tích tốt để xác định COD mẫu 9.2 Thử mẫu trắng Tiến hành thử mẫu trắng nhƣ mô tả 9.1, nhƣng thay phần mẫu thử 2.5 ml nƣớc cất 9.3 Chuẩn bị đồ thị chuẩn Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn (5 điểm) theo dải nồng độ mong muốn từ dung dịch chuẩn KHP (6.3) Tiến hành phân hủy mẫu nhƣ mô tả (9.1) Độ hấp thu dung dịch khác trừ độ hấp thu bình zero vẽ đồ thị độ hấp thu tƣơng ứng với hàm lƣợng COD Đồ thị phải tuyến tính phải qua gốc tọa độ 10 Tính kết quảĐo kết trực tiếp đƣờng chuẩn 69 PHỤ LỤC XÁC ĐỊNH AMONI THEO TCVN 6179-1:1996 Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn trích dẫn Định nghĩa Nguyên tắc Các phản ứng Thuốc thử vật liệu thử 70 Thiết bị dụng cụ Lấy mẫu Cách tiến hành Chuẩn bị dung dịch thử: dùng pipet lấy 40ml mẫu thử vào bình định mức 50ml Thêm 4ml ± 0.05ml thuốc thử màu (6.2) lắc kĩ, sau thêm 4ml ± 0.05ml dung dịch (6.3) lại lắc kĩ 0 Đặt mẫu vào tủ ấm, giữ nhiệt độ 25 C ± 10 C Sau 60 phút, lấy bình đo độ hấp thụ dung dịch bƣớc sóng 655nm 9.2 Thử mẫu trắng: Tiến hành nhƣ nhƣng sử dụng nƣớc cất khơng chứa amoni thay cho mẫu thử 10 Tính kết quảĐo kết trực tiếp đƣờng chuẩn Nếu mẫu thử đậm màu có mặn đến mức mà sai số phép đo độ hấp thụ nhiễu nồng độ cuae magie ,clorua cao mẫu thử cần đƣợc chuẩn bị cách chƣng cất.Trình tự tiến hành thực theo TCVN 5988-1995 ( ISO 5664- 1984), nhƣng lƣu ý việc thu thập dịch cất đƣợc thực môi trƣờng axit 11 Các trƣờng hydrocloric 1% Dịch cất đƣợc trung hòa làm thành hợp đặc biệt thể tích V2, ml Thể tích mẫu thử đƣợc lấy để chƣng cất V1,ml Nồng độ mẫu gốc đƣợc tính theo cơng thức sau : PN1= 2/ Trong ρN1 kết mẫu thử V1 V2 đƣợc xác định nhƣ 72 PHỤ LỤC XÁC ĐỊNH NITRAT – SMEWW 4500 C Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn trích dẫn Định nghĩa Nguyên tắc Các phản ứng Thuốc thử vật liệu thử 73 Thiết bị dụng cụ Lấy mẫu Cách tiến hành Pha loãng 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 2,5 mL dung dịch nitrat (6.1) với nƣớc cất định mức 100 mL 10 Tính kết quảĐo kết trực tiếp đƣờng chuẩn Các chất gây nhiễu: 11.1 Nitrit: Phổ hấp thu nitrit tƣơng tự nhƣ nitrat Tuy nhiên nồng độ nitrit thƣờng thấp nhiều nồng độ nitrat 11.2 Bicarbonate hấp thụ yếu sóng độ dài dƣới 210 nm, nhƣng khơng ảnh hƣởng đến độ hấp thụ nitrat 11 Các trƣờng 11.3 Bromide có nƣớc biển (68 mg Br/L, độ mặn 35 ‰) gây ảnh hƣởng đến phép đo, phƣơng pháp hợp đặc biệt khơng thể đƣợc sử dụng để xác định nitrat nƣớc biển 11.4 Fe Cu không gây nhiễu với hàm lƣợng mg/L, nhƣng hai kim loại gây nhiễu nghiêm trọng hàm lƣợng 20 mg/L Phƣơng pháp đƣợc kiểm tra nƣớc uống Tính phù hợp cho việc xác định hàm lƣợng nitrat nƣớc thải chƣa đƣợc kiểm tra 75 PHỤ LỤC XÁC ĐỊNH TỔNG NITƠ THEO TCVN 6638:2000 Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn trích dẫn Định nghĩa Nguyên tắc Các phản ứng Thuốc thử vật liệu thử 76 nƣớc Để nguội đến nhiệt độ phịng pha lỗng nƣớc đến l Giữ dung dịch bình polyetylen 6.4 Hợp kim Devarda [khoảng 45% (m/m) Al, 50% (m/m) Cu 5% (m/m) Zn], dạng bột Chọn mua loại có hàm lƣợng nitơ thấp tốt 6.5 Kali sunfat, (K2SO4) 6.6 Dung dịch axit boric / thị 6.6.1 Hoà tan 0,10 g ± 0,01 g bromocresol xanh 0,020 g ± 0,005 g metyl đỏ khoảng 80 ml etanol pha loãng etanol đến 100 ml ống đong 6.6.2 Hoà tan 20 g ± g axit boric (H 3BO3) nƣớc ấm Làm nguội đến nhiệt độ phòng Thêm 10 ml ± 0,5 ml dung dịch thị (xem 6.6.1) pha loãng đến l 6.7 Dung dịch chuẩn axit clohydric, c(HCl) = 0,02 mol/l Pha từ dung dịch axit clohydric (6.1) chuẩn hố phƣơng pháp phân tích thơng thƣờng 6.8 Dung dịch glycin, pN = 1000 mg/l Hoà tan 5,362 g ± 0,002 g glycin (H 2NCH2COOH) khoảng 800 ml nƣớc pha loãng đến l nƣớc bình định mức 6.9 Dung dịch glycin, pN = 10 mg/l Dùng pipét hút 10 ml dung dịch glycin (6.8) cho vào bình định mức vạch 1000 ml thêm nƣớc đến vạch Chuẩn bị dung dịch cho lơ phân tích 6.10 Dung dịch gốc kali nitrat, pN = 1000 mg/l Hoà tan 7,215 g ± 0,001 g kali nitrat (KNO 3) (đã sấy khô o trƣớc 105 C h) vào khoảng 750 ml nƣớc Chuyển định lƣợng vào bình định mức vạch 1000 77 Thiết bị dụng cụ Lấy mẫu Cách tiến hành 78 Do việc vơ hố cần thực tủ hút tốt Dùng pipet hút 50 ml mẫu vào bình Kjeldahl Thêm 4,0 ml ± 0,1 ml axit sunfuric (6.2), 0,20 g ± 0,01 g hợp kim Devarda (6.4) 2,00 g ± 0,05 g kali sunfat (6.5) Sau 60 Thêm vài hạt đá bọt (6.12) đun sơi lƣợng bình dƣới tủ hút Thể tích lƣợng bình giảm dần nƣớc bay Khi khói trắng bắt đầu xuất đậy phễu nhỏ vào cổ bình Kjeldahl để giảm bay Khơng đun đến cạn khô Nhiệt độ chất lỏng giai đoạn không o đƣợc vƣợt 370 C Sau hết bốc khói quan sát định kỳ vơ hố, sau chất lỏng trở thành khơng màu xanh nhẹ, tiếp tục đun 60 ± Để bình nguội đến nhiệt độ phịng Trong lấy 20 ml ± ml dung dịch axit boric / thị (6.6.2) vào bình hứng máy chƣng cất Đảm bảo đầu mút sinh hàn nhúng sâu vào dung dịch thị Thêm cẩn thận 10 ml ± ml nƣớc vào bình vơ hố Sau thêm 25 ml dung dịch natri hydroxit (6.3) nối bình vào máy chƣng cất Đun bình cho tốc độ cất khoảng ml/min Dừng cất thu đƣợc khoảng 30 ml Chuẩn độ phần cất đƣợc axit clohydric 0,02 mol/l (6.7) đến màu đỏ thị (6.6.2) sẵn có bình hứng, ghi thể tích tiêu tốn Nồng độ nitơ tổng số pN, tính bằngmiligam lít, đƣợc 10 Tính kết tính theo cơng thức: 79 V0 thể tích phần mẫu thử, tính mililít (thƣờng 50 ml, xem 9.2); V1 thể tích dung dịch tiêu chuẩn axit clohyric dùng để chuẩn độ (xem 9.2), tính mililit V2 thể tích dung dịch tiêu chuẩn axit clohydric dùng để chuẩn độ mẫu trắng (xem 9.1), tính mililit; c(HCl) nồng độ xác dung dịch HCl dùng để chuẩn độ, tính mol lít ; 14,01 khối lƣợng nguyên tử tƣơng đối nitơ Biểu thị kết pN tính miligam lít cN tính micromol lít Chuyển đổi pN CN theo công thức: CN = 71,4 pN 80 ... mang vi sinh chuyển động chế tạo * Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu mang tăng tính mang vi sinh vật chuyển động - Đánh giá đặc tính hóa lý khả ứng dụng để xử lý nƣớc thải vật liệu. .. nƣớc thải * Mục tiêu đề tài - Chế tạo vật liệu mang vi sinh vật chuyển động thích hợp cho xử lý nƣớc thải đô thị - Nâng cao hiệu xử lý Nitơ nƣớc thải đô thị hệ bùn hoạt tính có sử dụng vật liệu mang. .. KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Thu Hoài NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG NHẰM TĂNG CƢỜNG XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC THẢI ĐƠ THỊ Chun ngành: Kỹ thuật mơi trƣờng