Ứng dụng quá trình lọc sinh học nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nitơ cho nước thải sau xử lý bậc II

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG LÊ THANH SƠN ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ NI TƠ CHO NƯỚC THẢI SAU XỬ LÝ BẬC II Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường Mã số học viên : 02505565 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN TP HỒ CHÍ MINH THÁNG NĂM 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN QUỐC BÌNH Cán chấm nhận xét : TS LÊ HOÀNG NGHIÊM Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 18 tháng năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ THANH SƠN Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 26/5/1973 Nơi sinh : Hà Tĩnh Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường MSHV: 02505565 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng trình lọc sinh học nhằm nâng cao hiệu xử lý nitơ cho nước thải sau xử lý bậc II 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Khảo sát q trình lọc sinh học hiếu khí vật liệu hạt, vật liệu lọc nhằm nâng cao hiệu xử lý ni tơ cho nước thải sau xử lý bậc II - Xác định tải thủy lực, tải trọng amonia cho q trình lọc sinh học hiếu khí vật liệu hạt vật liệu lọc 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 7/2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Phước Dân CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS TS Nguyễn Phước Dân Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua Ngày tháng năm 200 TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc lời cám ơn chân thành đến thầy Nguyễn Phước Dân tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn cao học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Môi trường trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp phịng Thốt nước thải, Xí nghiệp Bình Hưng Hồ, phịng thí nghiệm cơng ty ban giám đốc cơng ty Thốt nước Đơ thị giúp đỡ tạo điều kiện để thực hoàn tất luận văn Tác giả xin gửi cám ơn đến em Phạm Hoàng Lâm giúp đỡ q trình chạy mơ hình Cuối cùng, xin chia sẻ niềm vinh dự gia đình, bạn bè động viên giúp đỡ suốt thời gian vừa qua Tp HCM ngày tháng năm 2009 LÊ THANH SƠN iv TÓM TẮT Hiện việc xử lý triệt để nước thải quan tâm nghiên cứu rộng rãi, để đáp ứng tiêu chuẩn thải sơng ngịi ngày gắt gao Xử lý nước thải triệt để (Advanced Wastewater Treatment) hiểu công đoạn xử lý bổ sung cần thiết để loại bỏ hợp chất lơ lửng hoà tan nước thải nồng độ giới hạn sau công đoạn xử lý bậc II truyền thống Việc nghiên cứu ứng dụng hệ vi sinh bám dính để xử lý triệt để nước thải sinh hoạt công nghiệp mở khả việc giảm thiểu tiêu BOD, SS, N, P chí kim loại nặng Phương pháp có ưu điểm đơn giản tiết kiệm vận hành Lượng bùn dư hệ vi sinh bám dính nhiều so với hệ bùn hoạt tính lơ lửng, chi phí để xử lý bùn Các cơng trình xử lý dùng hệ vi sinh bám dính gọn nhẹ dễ hợp khối, mở triển vọng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt cơng trình xử lý vừa nhỏ dân dụng công nghiệp Nghiên cứu chủ yếu luận văn là: khảo sát hiệu xử lý ni tơ cho nước thải sau xử lý bậc II q trình lọc sinh học Mơ hình mơ hình lọc sinh học hiếu khí vật liệu hạt than antraxít kích thước 1,5 – 3,5 mm ngập nước vật liệu lọc polystyrene đường kính hạt – mm Với mơ hình nhận thấy hiệu xử lý amonia từ 16 – 52% tổng nitơ từ 20 – 27% tương với tải trọng thủy lực bề mặt tương ứng 24 – 60 m2/m3.ngày, q trình nitrat hóa (chuyển từ nitrit sang nitrat) tốt hiệu lên đến 95% Đối với cá tiêu khác SS, COD giảm đáng kể SS hiệu trung bình 41 – 42%, COD 34 – 51% v MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT – GIẢI THÍCH TỪ NGỮ XI CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 GIỚI THIỆU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .3 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .4 1.6.1 Tính đề tài: .4 1.6.2 Ý nghĩa khoa học: 1.6.3 Ý nghĩa thực tiễn: .4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI BÌNH HƯNG HỊA 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Quy trình xử lý .5 2.2 XỬ LÝ AMONIA BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 2.2.1 Khử nitơ trình nitrat hóa khử nitrat 2.2.2 Quá trình Anammox (anaerobic amonia oxidation) 17 2.3 QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC 21 2.3.1 Định nghĩa 21 2.3.2 Cấu tạo màng vi sinh vật 22 2.3.3 Quá trình tiêu thụ chất làm nước: 23 2.4 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH LỌC TIẾP XÚC 24 2.4.1 Khái niệm: 24 2.4.2 Vật liệu lọc .24 2.5 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 25 2.5.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước: 25 2.5.2 Tình hình nghiên cứu nước: 26 vi 2.6 ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH: 29 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 31 3.2 TÍNH TỐN, LỰA CHỌN VẬT LIỆU, THIẾT BỊ CHO MƠ HÌNH 33 3.2.1 Lựa chọn vật liệu lọc: 33 3.2.2 Chọn bơm nước thải, bơm rửa lọc 34 3.2.3 Tính tốn lượng khí cấp cho cột lọc C1 .34 3.2.4 Thời gian lưu nước 35 3.2.5 Tính tốn lượng methanol (CH3OH)cần bổ sung vào cột lọc C2 35 3.3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU .36 3.4 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 42 3.5 CÁC CHỈ TIÊU CẦN XÁC ĐỊNH 42 3.6 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH: .43 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN .44 4.1 NỘI DUNG 1: LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ VẬT LIỆU HẠT 44 4.1.1 Nội dung 1a: Lọc sinh học hiếu khí vật liệu hạt hồ hoàn thiện M13 44 4.1.2 Nội dung 1b: Lọc sinh học hiếu khí vật liệu hạt hồ lắng S2 50 4.2 NỘI DUNG 2: LỌC SINH HỌC VẬT LIỆU NỔI 59 4.3 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG AMONIA, NOX CHO Q TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ VẬT LIỆU HẠT: 65 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 1.1 KẾT LUẬN 70 1.2 KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 PHỤ LỤC 73 vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các tiêu thiết kế trạm xử lý nước thải BHH .5 Bảng 2.2 Thời gian lưu nước hồ Bảng 2.3 Các phản ứng chuyển hóa sinh học nitơ nước (Luiza Gut, 2006) Bảng 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nitrat hóa bán phần anammox 19 Bảng 2.5 Đặc trưng chung bể lọc cát chậm, lọc cát nhanh 25 Bảng 3.1 Thành phần, tính chất nước thải hồ hoàn thiện M13 hồ lắng S2 32 Bảng 3.2 Các phương pháp thân tích 43 Bảng 4.1 Tải trọng xử lý amonia ND1b 66 Bảng 4.2 Tải trọng xử lý N-NO2- ND1b 66 Bảng 4.3 Tải trọng xử lý amonia ND1b 67 Bảng 4.4 Tải trọng xử lý N-NO2- ND1b 67 Bảng 4.5 Tải trọng xử lý amonia ND1b 68 Bảng 4.6 Tải trọng xử lý N-NO2-, ND1b 68 Bảng 4.7 Tải trọng thuỷ lực, tải trọng khử amonia lọc sinh học hiếu khí vật liệu than antraxít ngập nước 69 Bảng 4.8 Tải trọng thuỷ lực, tải trọng khử amonia lọc sinh học hiếu khí vật liệu 69 viii DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng Hồ Hình 2.2 Sơ đồ chuyển hố nitơ q trình xử lí sinh học: Hình 2.3 Vi sinh vật tự dưỡng Nitrosomonas Nitrobacter 10 Hình 2.4 Vi khuẩn Anammox kính hiển vi (x1000)( Stijn Van Hulle, 2005) 17 Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu 31 Hình 3.2 Vị trí lắp đặt mơ hình 33 Hình 3.3 Sơ đồ mơ hình nghiên cứu 37 Hình 3.4 Chi tiết mơ hình cột lọc C1 39 Hình 3.5 Chi tiết cột lọc C2 40 Hình 3.6 Vật liệu than antraxít 41 Hình 3.7 Vật liệu lọc 41 Hình 4.1 Sự biến thiên pH cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1a 45 Hình 4.2 Sự biến thiên DO nước thải đầu vào cột lọc C1 (nước thải hồ M13) - ND1a 45 Hình 4.3 Sự biến thiên SS cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1a 46 Hình 4.4 Hiệu xử lý SS cột lọc C1 thí nghiệm ND1a 46 Hình 4.5 Sự biến thiên COD, hiệu xử lý COD cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1a 47 Hình 4.6 Hiệu xử lý COD cột lọc C1 thí nghiệm ND1a 47 Hình 4.7 Sự biến thiên NH4+, hiệu xử lý NH4+ cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1a 48 Hình 4.8 Hiệu xử lý NH4+ cột lọc C1 thí nghiệm ND1a 48 Hình 4.9 Sự biến thiên NO2-, hiệu xử lý NO2- cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1a 49 Hình 4.10 Hiệu xử lý NO2- cột lọc C1 thí nghiệm ND1a 49 Hình 4.11 Sự biến thiên tổn thất áp lực theo thời gian 50 Hình 4.12 Sự biến thiên pH cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1b 51 Hình 4.13 Sự biến thiên DO cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1b 52 Hình 4.14 DO trung bình theo tải trọng cột lọc C1 thí nghiệm ND1b 52 ix Hình 4.15 Sự biến thiên SS cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1b 53 Hình 4.16 Hiệu xử lý SS cột lọc C1 theo theo tải trọng thuỷ lực ND1b 54 Hình 4.17 Sự biến thiên COD cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1b 55 Hình 4.18 Hiệu xử lý COD cột lọc C1 theo theo tải trọng thuỷ lực ND1b 55 Hình 4.19 Sự biến thiên N-Amonia cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1b 56 Hình 4.20 Hiệu xử lý amonia cột lọc C1 theo theo tải trọng thuỷ lực ND1b 57 Hình 4.21 Sự biến thiên N-NO2- cột lọc C1 theo thời gian thí nghiệm ND1b 58 Hình 4.22 Hiệu xử lý N-NO2- cột lọc C1 theo theo tải trọng thuỷ lực ND1b 58 Hình 4.23 Sự biến thiên tổn thất áp lực theo thời gian ND1b 59 Hình 4.24 Sự biến thiên DO cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 60 Hình 4.25 Sự biến thiên SS cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 61 Hình 4.26 Hiệu xử lý SS cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 61 Hình 4.27 Sự biến thiên COD cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 62 Hình 4.28 Hiệu xử lý COD cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 62 Hình 4.29 Sự biến thiên N-NH4+ cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 63 Hình 4.30 Hiệu xử lý N-NH4+ cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 63 Hình 4.31 Sự biến thiên N-NO2- cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 64 Hình 4.32 Hiệu xử lý N-NO2- cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND264 Hình 4.33 Sự biến thiên N-NO3- cột lọc C2 theo thời gian thí nghiệm ND2 65 x TẢI TRỌNG THỦY LỰC BỀ MẶT M/H CỘT C1, HỒ LẮNG S2 Bảng 4.5 Tải trọng xử lý amonia ND1b STT Amonia Tải lượng Tải trọng Hiệu khử Amonia Amonia xử lý mg/l g/h + g(NH4 )/m h % 3,4 1,714 13,6 16 3,024 24 25 4,9 2,470 19,6 21 4,1 2,066 16,4 20 Bảng 4.6 Tải trọng xử lý N-NO2-, ND1b STT Nitrit Tải lượng Tải trọng Hiệu khử Nitrit Nitrit xử lý mg/l g/h g(NO2-)/m3.h % 0,026 0,013 0,104 0,085 0,043 0,34 0,101 0,051 0,404 0,03 0,015 0,120 68 Tổng hợp bảng ta đưa bảng tổng kết lọc sinh học với hai loại vật liệu sau: Bảng 4.7 Tải trọng thuỷ lực, tải trọng khử amonia lọc sinh học hiếu khí vật liệu than antraxít ngập nước STT Đặc tính TK Dạng giá thể tiếp xúc Tải trọng thuỷ lực bề mặt (m/h) Thời gian lưu nước HRT (phút) Tải trọng thủy lực (m3/m2.ngày) Tải trọng amonia (kg NH4+/m3.ngày) Tải trọng NO2- (kg NO2-/m3.ngày) Tải trọng COD (kgCOD/m3.ngày) Chiều sâu (m) Hiệu khử amonia (%) 10 Hiệu xử lý tổng nitơ (%) 11 Chất lượng đầu Than antraxít 60 24 0,06 - 0,13 0,01 - 0,1 0,29 - 0,86 16 - 52 (TB 39%) (TB 27%) Than antraxít 2,5 24 60 0,26 - 0,56 0,001 – 0,04 0,36 - 2,28 17 - 32 (TB 22%) (TB 20%) Than antraxít 15 96 0,33 - 0,58 0,002 - 0,01 0,288 - 1,344 10 - 33 (TB 20%) (TB 14%) Nitrát hoá tốt Nitrát hoá tốt Khơng có nitrát hố Bảng 4.8 Tải trọng thuỷ lực, tải trọng khử amonia lọc sinh học hiếu khí vật liệu STT 10 11 12 13 14 Đặc tính TK Dạng giá thể tiếp xúc Vân tốc lọc (m/h) Thời gian lưu nước HRT (phút) Tải trọng thủy lực (m3/m2.ngày) Tải trọng amonia (kg NH4+/m3.ngày) Tải trọng NO2- (kg NO2-/m3.ngày) Tải trọng NO3- (kg NO3-/m3.ngày) Tải trọng COD (kgCOD/m3.ngày) Chiều sâu (m) Hiệu khử amonia (%) Hiệu khử nitrit (%) Hiệu khử nitrat (%) Hiệu xử lý tổng nitơ (%) Chất lượng đầu 69 Vật liệu lọc 48 24 0,28 - 0,35 0,0024 - 0,05 0,003 - 0,03 0,54 - 0,72 0,8 13 - 19 42 – 63 – 32 (TB 17%) Nitrát hoá tốt CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1.1 KẾT LUẬN Đề tài số kết sau: - Khảo sát đánh giá hiệu lọc sinh học hiếu khí vật liệu than antraxít tải trọng khác chất lượng nước đầu vào khác để xử lý COD, amonia, nitrat hoá nước thải tạo điều kiện nâng cao hiệu xử lý nitơ cho nước thải sau xử lý bậc II - Đưa tải trọng thuỷ lực tải trọng xử lý amonia, NOx - Với q trình lọc sinh học hiếu khí vật liệu hạt ngập nước xảy q trình nitrat hố (nitrification) với hiệu suất chuyển hoá từ amonia sang nitrit từ nitrit sang nitrat có hiệu cao với thời gian lưu nước nhanh Và việc vận hành bể lọc gần giống bể lọc cát thông thường tương đối đơn giản 1.2 KIẾN NGHỊ Cần nghiên cứu thêm loại vật liệu lọc dạng hạt khác san hô, đá laterite để so sánh, chọn loại vật liệu phù hợp Nghiên cứu việc sục khí lớp vật liệu, sục nhiều tầng sục ngang lớp vật liệu lọc vừa đáp ứng việc cung cấp oxy cho vi sinh vật vừa đáp ứng yêu cầu thuỷ lực, kiểm soát DO cột lọc cho DO