Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ hiếu khí theo mẻ không thải bùn dư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN LINH NGUYỄN VĂN LINH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG BẰNG CƠNG NGHỆ HIẾU KHÍ THEO MẺ KHÔNG THẢI BÙN DƯ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUN NGÀNH KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG KHĨA 2011 Hà Nội – Năm 2013 MỤC LỤC Mở đầu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Tổng quan nước thải sinh hoạt 1.1 Hiện trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt Hà Nội 10 1.1.1 Hiện trạng môi trường nước sông Hà Nội 11 1.1.2 Hiện trạng môi trường nước mặt hồ, ao Hà Nội 12 1.2 Công nghệ SBR lịch sử phát triển công nghệ SBR … 15 1.2.1 Công nghệ SBR 15 1.2.2 Lịch sử phát triển công nghệ SBR 19 1.2.3 Các q trình sinh học cơng nghệ SBR 20 1.2.4 Ưu nhược điểm công nghệ SBR 22 1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình xử lý cơng nghệ SBR 24 1.2.6 Một số cơng trình nghiên cứu SBR Việt Nam giới 30 CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 Phương pháp nghiên cứu 36 2.1 Mục đích đối tượng nghiên cứu 36 2.1.1 Mục đích nghiên cứu 36 2.1.2 Đối tượng nghiên cứu 36 2.2 Lấy mẫu phân tích mẫu 36 2.2.1 Vị trí lấy mẫu nước thải sinh hoạt 36 2.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực lấy mẫu 37 2.2 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đầu vào 38 2.3 Mơ tả thí nghiệm 39 2.3.1 Các thiết bị 39 2.3.2 Quy trình thí nghiệm 41 2.3.3 Quy trình vận hành hệ thống 42 2.4 Quy trình phân tích thí nghiệm 43 2.4.1 Chất rắn lơ lửng (MLSS) 43 2.4.2 Chỉ số thể tích lắng bùn 43 2.4.3 Nhu cầu oxy hoá học COD 44 2.4.4 Tổng Nitơ Kjeldahl 47 2.4.5 Tổng Photpho 48 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1 Giai đoạn nuôi bùn 51 3.2 Giai đoạn vận hành ổn định lấy mẫu phân tích 51 3.2.1 Hàm lượng MLSS 52 3.2.2 Hiệu xử lý COD 54 3.2.3 Hiệu xử lý TN 59 3.2.4 Hiệu xử lý TP 63 3.2.5 Khả lắng bùn 66 3.2.6 Tương quan lượng MLSS tăng lên lượng COD tiêu thụ 67 3.2.7 Hiệu xử lý SS hệ thống 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BOD (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu ơxy hóa sinh hóa COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu ơxy hóa hóa học DO (Dissolved Oxygen) Nồng độ ơxy hịa tan SS (Suspended Solid) Chất rắn lơ lửng TSS (Total Suspended Solid) Tổng chất rắn lơ lửng MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) Hỗn hợp bùn – nước thải SVI (Sludge Volume Index) Chỉ số thể tích bùn SRT (Solid Retention Time) Thời gian lưu bùn HRT (Hydraulic Retention Time) Thời gian lưu thủy lực F/M (Food – Microorganism ratio) Tỷ lệ thức ăn cho vi sinh vật TKN (Total Nitơ Kjeldahl) Hàm lượng Nitơ Kjeldahl TP (Total Photpho) Hàm lượng Phốt tổng số TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VSV Vi sinh vật NTSH Nước thải sinh hoạt DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Lượng chất bẩn người xả vào hệ thống thoát nước ngày Bảng Tiêu chuẩn cấp nước Bảng 1.3 So sánh SBR với trình xử lý bùn hoạt tính liên tục .23 Bảng 1.4 Thời gian lưu bùn tiêu biểu cho q trình bùn hoạt tính …………… 28 Bảng 2.1 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đầu vào………………………………… 39 Bảng 3.1 Hàm lượng MLSS hệ thống……………………………………… 52 Bảng 3.2 Lượng COD xử lý hệ thống………………………….…………… 52 Bảng 3.3 Lượng Nitơ xử hệ thống……………………………………….… 61 Bảng 3.4 Lượng Photpho xử hệ thống…………….…………………….… 64 DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1 Chu trình xử lý nước thải theo cơng nghệ SBR…………………… .15 Hình 2.1: Vị trí lấy mẫu nước thải đầu vào……………………………………… 37 Hình 2.3 Máy sục khí HAILEA ACO - 328 40 Hình 2.4 Bơm khuấy LifeTech AP 3100 40 Hình 2.6 Phân tích SVI 44 Hình 2.7 Thiết bị đun mẫu phân tích COD .46 Hình 2.8 Thiết bị dùng phân tích TNK 47 Hình 2.9 Thiết bị dụng cụ dùng phân tích tổng P .49 Hình 2.10 Thiết bị Xác định pH 50 Hình 4.2 Hiệu xử lý COD 56 Hình 4.3 Nước thải đầu vào nước thải đầu sau xử lý 58 Hình 3.7 Tương quan MLSS tăng lên COD tiêu thụ bể SBR .69 Mở đầu Tốc độ phát triển kinh tế cao, mang lại lợi ích to lớn cho người xã hội như: đời sống người dân nâng cao, lĩnh vực văn hóa xã hội, giáo dục, thể thao, quốc phòng đầu tư phát triển mạnh,… bên cạnh cịn tác động nặng nề đến chất lượng mơi trường Trong đó, ô nhiễm nước thải sinh hoạt vấn đề gây nhức nhối Đối với nước phát triển Việt Nam chủ yếu tập trung vào phát triển kinh tế, chất thải phát sinh từ hoạt động sản xuất sinh hoạt thường ngày chưa kiểm sốt xử lý hiệu quả, chất thải nói chung nước thải nói riêng gây áp lực ngược lại cho phát triển, nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường sống ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng, phá hủy cảnh quan sinh thái Hiện nay, phần lớn nước thải xả trực tiếp môi trường mà không qua xử lý, ngun nhân gây nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt nước ngầm Năng lực xử lý nước thải Việt Nam đáp ứng mức thấp so với nhu cầu thực tế Theo số nghiên cứu đánh giá thực thị Việt Nam xử lý 10% lượng nước thải so với nhu cầu thực tế Đã có nhiều nghiên cứu vấn đề xử lý nước thải sinh hoạt giới Việt Nam phương pháp xử lý đưa bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp sinh học Nước thải sinh hoạt với đặc trưng như: phát sinh gián đoạn với lưu lượng nồng độ chất ô nhiễm không ổn định phụ thuộc vào trình sinh hoạt người Do phương pháp xử lý đánh giá phù hợp phương pháp xử lý cơng nghệ hiếu khí theo mẻ (SBR) SBR mang lại hiệu xử lý chất ô nhiễm cao ổn định có ln chuyển q trình thiếu khí hiếu khí chu trình xử lý, chế độ vận hành đơn giản tốn khơng gian công nghệ xử lý khác Các yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý nước thải sinh hoạt cơng nghệ SBR gồm có: hàm lượng oxy hịa tan (DO), pH mơi trường, nhiệt độ, thành phần dinh dưỡng, chất kiềm hãm, hàm lượng sinh khối (MLSS) tỉ lệ F/M, nồng độ chất bẩn hữu nước thải Bùn hoạt tính sinh q trình phân hủy hiếu khí chất hữu Đặc tính bùn, khả ổn định, tuổi bùn đặc biệt hàm lượng bùn hoạt tính có ảnh hưởng lớn đến hiệu xử lý Hàm lượng bùn biểu lượng vi sinh vật bùn có chức xử lý chất ô nhiễm nước thải Bên cạnh việc xử lý lượng bùn dư sinh cơng nghệ SBR làm chi phí chung cho q trình xử lý nước thải tăng lên nhiều Đã có nhiều nghiên cứu khác để đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý cơng nghệ SBR, nhiên có thông tin nghiên cứu hệ thống SBR vận hành chế độ không thải bùn dư Trên sở đề tài “Đánh giá hiệu xử lý nước thải sinh hoạt công nghệ sinh học hiếu khí theo mẻ khơng thải bùn dư” thực với tính thực tiễn cao, nhằm nâng cao hiệu xử lý công nghệ SBR CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Tổng quan nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt (NTSH) nước thải trình sinh hoạt hàng ngày cộng đồng, bao gồm hoạt động như: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh,… NTSH thoát từ hộ, trường học, bệnh viện, sở dịch vụ, quan, chợ công trình cơng cộng khác… Hàng ngày q trình sinh hoạt, người xả vào hệ thống thoát nước lượng lớn chất bẩn định, phần lớn loại cặn, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, chất tẩy rửa chất hoạt động bề mặt, Bảng 1.1 Lượng chất bẩn người xả vào hệ thống thoát nước ngày [2] STT Các chất Giá trị, g/người.ngày Chất rắn lơ lửng (SS) 60 - 65 BOD nước thải chưa lắng 65 BOD nước thải lắng 30 - 35 Nitơ amon (N-NH ) Phốt phát (P O ) 3,3 Chất hoạt động bề mặt - 2,5 Lượng nước thải sinh hoạt phát sinh ước tính 80 -100% lượng nước cấp, bên cạnh lượng nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào đời sống, đặc điểm khu dân cư, điều kiện trang thiết bị vệ sinh, khí hậu, tập quán sinh hoạt Ở nước ta tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt khu vực đô thị loại I khoảng 165 – 200 l/người.ngày (nội đô) 120 – 150 l/người.ngày (ngoại vi) Bảng Tiêu chuẩn cấp nước [10] TT Đối tượng dùng nước thành phần cấp nước Giai đoạn 2010 2020 165 200 + Ngoại vi 120 150 + Nội đô 85 99 + Ngoại vi 80 95 b) Nước khu cơng nghiệp (m3/ha/ngđ) 22÷ 45 22÷ 45 c) Nước thất thốt; tính theo % (a+b) < 25 < 20 120 150 + Ngoại vi 80 100 + Nội đô 85 99 + Ngoại vi 75 90 b) Nước khu cơng nghiệp (m3/ha/ngđ) 22÷ 45 22÷ 45 c) Nước thất thốt; tính theo % (a+b) < 25 < 20 - Tiêu chuẩn cấp nước (l/người.ngày): 60 100 - Tỷ lệ dân số cấp nước (%): 75 90 b) Nước thất thốt; tính theo % (a+b) < 20 < 15 Đô thị loại đặc biệt, đô thị loại I, khu du lịch, nghỉ mát a) Nước sinh hoạt: - Tiêu chuẩn cấp nước (l/người.ngày): + Nội đô I - Tỷ lệ dân số cấp nước (%): Đô thị loại II, đô thị loại III a) Nước sinh hoạt: - Tiêu chuẩn cấp nước (l/người.ngày): + Nội đô II - Tỷ lệ dân số cấp nước (%): Đô thị loại IV, đô thị loại V; điểm dân cư nông thôn a) Nước sinh hoạt: III Đặc trưng nước thải sinh hoạt hàm lượng chất hữu hàm lượng cặn lơ lửng lớn (hàm lượng chất hữu chiếm 55% - 65% tổng lượng chất ô nhiễm), giàu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong thời gian nghiên cứu vận hành hệ thống thí nghiệm từ đầu tháng 8/2012 đến cuối tháng 12/2012 rút số kết luận sau: - Mẫu nước thải lấy ngõ chùa Hưng Ký - phường Minh Khai – Hai Bà Trưng – Hà Nội có hàm lượng nhiễm tương đối cao so với QCVN 14:2008/BTNMT, đặc biệt chất hữu Hàm lượng COD trung bình khoảng 608 mg/l hàm lượng chất nhiễm có biến động lớn - Có khác biệt rõ giai đoạn vận hành khác nhau: + Giai đoạn 2: q trình khuấy trộn khơng sục khí (q trình thiếu khí) hiệu xử lý N, P mức thấp không ổn định + Giai đoạn 3: Có q trình khuấy trộn khơng sục khí riêng sau làm đầy nước thải vào bể hiệu xử lý N, P tăng cao rõ rệt hiệu suất xử lý ổn định Điều chứng minh tầm quan trọng việc luân chuyển trình thiếu khí hiếu khí việc loại bỏ N P hệ thống SBR - Cùng với tăng lên bùn hoạt tính, MLSS tăng từ 900 mg/l đến 8200 mg/l hiệu xử lý COD đạt mức cao, có xu hướng tăng nhẹ tương đối ổn định Hiệu suất xử lý COD thường xuyên đạt mức từ 94 – 98% Hiệu suất xử lý TN tăng từ 40% lên đến 97% đặc biệt lượng bùn giai đoạn cuối ổn định mức 8000 mg/l hiệu suất xử lý TN ổn định quanh mức 95 – 97% Tương tự hiệu suất xử lý TP tăng từ mức gần 50% lên đến 96%, giai đoạn cuối hiệu suất xử lý TP thường xuyên trì ổn định mức 96% - Hệ thống SBR vận hành chế độ không thải bùn dư giúp loại bỏ chi phí xử lý bùn dư với hiệu suất xử lý cao ưu điểm bật so với SBR thông thường Tuy nhiên hệ thống SBR vận hành chế độ không thải bùn dư lượng nước thải xử lý ngày giảm Trong nghiên cứu từ 6/8/2012 đến 19/11/2012 lượng nước thải làm đầy cho chu trình lít, từ ngày 20/11/2012 đến 4/12/2012 lượng 71 nước thải đầu vào chu trình giảm xuống cịn lít, từ 5/12/2012 đến kết thúc nghiên cứu lượng nước thải đầu vào cho chu trình giảm xuống cịn lít Điều đưa lựa chọn cho việc xử lý nước thải sinh hoạt hệ thống SBR là: hiệu cao, ổn định, khơng tốn chi phí xử lý bùn dư lưu lượng nước thải xử lý ngày giảm đến mức định (SBR không thải bùn dư) hiệu tốt, tốn chi phí xử lý bùn dư lưu lượng nước thải xử lý lớn cố định (SBR thơng thường) - Cần có thêm nghiên cứu giúp cho hiệu xử lý ngày tăng cao phù hợp với yêu cầu xả thải ngày nghiêm ngặt, đặc biệt hướng ứng dụng hệ thống lọc màng sau trình xử lý SBR - Hệ thống SBR không thải bùn dư mang lại hiệu xử lý nước thải cao, nhiên cần quan tâm nghiên cứu thêm nhằm khắc phục nhược điểm lưu lượng nước thải xử lý hệ thống 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Bộ Tài nguyên Môi Trường (2011), Báo cáo trạng Môi trường quốc gia năm 2010, Tổng quan Môi trường Việt Nam, Hà Nội Trần Đức Hạ (2006), Xử lý nước thải đô thị, Hà Nội, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Hoàng Văn Huệ (2002), Thoát nước tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trịnh Xn Lai (2000), Tính tốn thiết kế cơng trình xử lý nước thải, NXB Xây dựng, Hà Nội Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2006), Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Lương Đức Phẩm (2007), Công nghệ xử lý nước thải biện pháp sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội Tổng cục thống kê (2010), Niên giám thống kê thành phố Hà Nội năm 2010, NXB Thống kê, Hà Nội Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân (2004), Xử lý nước thải Đơ thị Cơng nghiệp, Tính tốn thiết kế cơng trình, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh Trần Mạnh Tuấn (2003), Khảo sát q trình phản Nitrat hóa nghiên cứu điều kiện xử lý khí Nitơ hệ thống SBR thiếu khí, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội 10 TCXDVN 33 : 2006 11 TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989) 12 TCVN 5987 - 1995 (ISO 5663:1984) 13 TCVN 6202:2008 (ISO 6878:2004) 14 Đỗ Khắc Uẩn, Banu J.Rajesh, Ick T.Yeom (2010), "Đánh giá ảnh hưởng thông số động học điều kiện vận hành đến sản lượng bùn dư hệ thống 73 xử lý nước thải đô thị phương pháp sinh học kết hợp lọc màng", Tạp chí Khoa học Công nghệ, 4(39), tr.25 - 33 15 http://haibatrung.hanoi.gov.vn/tabid/298/Entry/91/Default.aspx 16 http://vov.vn/Xa-hoi/Moi-truong/Ao-ho-Ha-Noi-dang-bi-o-nhiemnang/232911.vov 17 http://www.gso.gov.vn/default.aspx?tabid=383&idmid=2&ItemID=13480 18 Al-Rekabi, W.S., H Qiang, and W.W Qiang (2007), "Review on sequencing batch reactors", Pakistan Journal of nutrition, 6(1), p.11-19 19 B Q Liao, I G Droppo, C G Leppard, S N Liss (2006), "Effect of solids retention time on structure and characteristics of sludge flocs in sequencing batch reactor", Water research , 40(13), p 2583-91 20 Bull, P., et al (1983), "Biological technology of the treatment of leachate from sanitary landfills", Water Research, 17(11), p 1473-1481 21 Christian, G.K.R (2006), Wastewater Treatment: Concepts and Design Approach, Prentice-Hall of India Private Limited, New Delhi 22 Debik, E and N Manav (2010), "Sequence optimization in a sequencing batch reactor for biological nutrient removal from domestic wastewater", Bioprocess and biosystems engineering, 33(5), p 533-540 23 E Klimiuk*, D Kulikowska (2006), "The Influence of Hydraulic Retention Time and Sludge Age on the Kinetics of Nitrogen Removal from Leachate in SBR", Polish J Environ , 15(2), p 283-289 24 Hajiabadi, H., M.A Moghaddam, and S Hashemi (2009), "Effect of sludge retention time on treating high load synthetic wastewater using aerobic sequencing batch reactors", Iranian Journal of Environmental Health Science & Engineering, (4), p.217-222 25 Liao, B., et al.(2001), "Surface properties of sludge and their role in bioflocculation and settleability", Water Research, 35(2), p 339-350 74 26 Metcalf, L., H Eddy, and G Tchobanoglous (2003), Wastewater engineering: treatment, disposal, and reuse, ed 4, McGraw-Hill 27 Mines Jr, R.O and G.D Milton (1988), Bionutrient removal with a sequencing batch reactor Water, Air, and Soil Pollution, 107(1-4), p 81-89 28 New England interstate water pollution control commission (2005), Sequencing batch reactor desigh and operational considerations 29 Office of Water Washington D.C (1999), Wastewater Technology Fact Sheet Sequencing Batch Reactors, EPA 832-F-99-073 30 Sebastià Puig Broch (2007), Operation and control of SBR processes for enhanced biological nutrient removal from wastewater,Girona 31 Vo Thi My Hanh, Van Thi Thu, Do Khac Uan (2012), "Effects of sludge concentrations on performances of a lab-scale SBR system treating domestic wastewater from HUST: a case study", The 5th ASEAN civil Engineering Conference, The 5th ASEAN Enviromental Engineering Conference and the 3rd seminar on Asian wastewater environment 32 Xing L, Dawen G, Hong L, Lin L and Yuan F (2012) "Phosphorus removal characteristics of granular and flocculent sludge in SBR", Appl Microbiol Biotechnol, 94(1): 231-6 75 PHỤ LỤC PHỤ LỤC I: VỊ TRÍ VÀ HÌNH ẢNH LẤY MẪU NƯỚC THẢI Vị trí lấy mẫu nước thải Hình ảnh lấy mẫu nước thải PHỤ LỤC II: MƠ HÌNH HỆ THỐNG SBR Mơ hình hệ thống thực nghiệm SBR Máy bơm thổi khí HAILEA ACO – 328 Thiết bị hẹn PHỤ LỤC III: THIẾT BỊ PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM Thiết bị dùng phân tích COD Thiết bị dùng tạo nước cất lần Bộ dụng cụ dùng phá mẫu Nitơ Thiết bị dùng phân tích tổng Nitơ Tủ sấy mẫu phân tích SS MLSS Cân điện tử dùng q trình phân tích thí nghiệm Phân tích số SVI Mẫu nước trước sau xử lý ... định hiệu suất xử lý NTSH mơ hình hiếu khí theo mẻ vận hành chế độ khơng thải bùn dư Từ nghiên cứu đánh giá hiệu xử lý nước thải sinh hoạt cơng nghệ hiếu khí theo mẻ (SBR) vận hành chế độ không thải. .. cơng nghệ sinh học hiếu khí theo mẻ khơng thải bùn dư? ?? thực với tính thực tiễn cao, nhằm nâng cao hiệu xử lý công nghệ SBR CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Tổng quan nước thải sinh hoạt. .. đến hiệu xử lý Hàm lượng bùn biểu lượng vi sinh vật bùn có chức xử lý chất ô nhiễm nước thải Bên cạnh việc xử lý lượng bùn dư sinh công nghệ SBR làm chi phí chung cho q trình xử lý nước thải