Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng cánh đồng lọc quy mô phòng thí nghiệm

Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 1 LỜI MỞ ĐẦU Nước ngọt là nguồn tài nguyên quý giá không thể thiếu đối với con người, cùng với sự phát triển của xã hội nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng theo nhịp độ phát triển đô thị và phát triển xã hội, ngoài ra nhu cầu về nước ngọt cho nuôi trồng động, thực vật ngày càng nhiều. Chất lượng nước cho mỗi đối tượng rất khác nhau nhưng có một điều cơ bản là các cây trồng, vật nuôi, con người tiêu thụ nước cần phải được phát triển bình thường không bị nhiễm độc trước mắt và lâu dài. Điều đó đặt ra một vấn đề là cần bảo vệ nguồn nước cũng như môi trường sống quanh ta để đảm bảo cuộc sống lâu bền của loài người trên trái đất. Để cải thiện tình trạng trên đã có rất nhiều phương pháp xử lý được đưa ra như phương pháp cơ học, hoá-lý, hoá học, sinh học .Trong đó phương pháp cánh đồng lọc sinh học là phương pháp đem lại hiệu quả cao về kinh tế và không làm phức tạp thêm môi trường, phù hợp và dễ áp dụng ngoài thực tế. Trong một phạm vi nhất định, phương pháp này không cần dùng đến hoá chất mà dùng chính hệ vi sinh vật có sẵn trong nước thải và môi trường đất để phân huỷ các chất bẩn. Được sự động viên, giúp đỡ của ThS. Hoàng Thị Thúy, em thực hiện đề tài ― Nghiên cứu xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng cánh đồng lọc quy mô phòng thí nghiệm ‖ nhằm đóng góp một phần trong việc áp dụng phương pháp cánh đồng lọc vào thực tế tại Việt Nam. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 2 CHƢƠNG I : TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm, phân loại, thành phần của nƣớc thải sinh hoạt 1.1.1. Khái niệm nước thải [5] Nước thải là nước đã qua sử dụng cho các mục đích như sinh hoạt, dịch vụ, tưới tiêu, chế biến…mà thành phần, tính chất đã bị thay đổi so với nước ban đầu. Trong nước thải có chứa các tạp chất vô cơ và hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hòa tan, keo, hòa tan, lơ lửng và các vi sinh vật. Nếu các thành phần này có hàm lượng cao sẽ gây hại cho môi trường sống và con người. 1.1.2. Phân loại nước thải [7] Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Đó cũng là cơ sở cho việc lựa chọn biện pháp hoặc công nghệ xử lý. Theo cách phân loại này ta có các loại nước thải sau: - Nước thải sinh hoạt: Là nước thải phát sinh trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của con người như từ các hộ gia đình, các khu dân cư, khu thương mại, các cơ quan, trường học…Do đó nước thải loại này thành phần rất phức tạp, lưu lượng không ổn định, phân bố không tập trung. Đặc điểm của nước thải sinh hoạt là chúng có hàm lượng lớn các chất hữu cơ dễ bị phân hủy (hydratcacbon, protein, các chất béo), các chất vô cơ dinh dưỡng (phosphat, nitơ), các vi sinh vật (cả các vi sinh vật gây bệnh). Tùy từng vùng từng nơi mà hàm lượng các chất gây ô nhiễm là khác nhau vì nó phụ thuộc vào điều kiện sống của vùng, chất lượng bữa ăn, lượng nước sử dụng và các công trình tiếp nhận nước thải. Ở nước ta lượng nước thải phát sinh trung bình trên đầu người trong một ngày là 100-150lít. Tính cả cho sản xuất là 250 lit/người/ngày, ở các nước phát triển có thể lên tới 400 lit/người/ngày. -Nước thải công nghiệp: Được thải ra từ các cơ sở công nghiệp nặng và công nghiệp nhẹ, thủ công nghiệp, giao thông vận tải… Nước thải loại này không có đặc điểm chung về thành phần mà phụ thuộc vào quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm sản xuất. Nước thải từ Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 3 ngành chế biến thực phẩm như nhà máy chế biến thủy sản, nhà máy bia, lò giết mổ…thì hàm lượng các chất hữu cơ dễ phân hủy cao. Ngược lại nước thải các ngành kim khí, hóa chất, khoáng sản như nhà máy sản xuất ắc quy, luyện thép…thì hàm lượng các chất hữu cơ ít mà chủ yếu là hàm lượng kim loại nặng, sun phua, axit, kiềm cao. Đặc điểm chung của nước thải công nghiệp là lưu lượng khá ổn định, tập trung và dễ thu gom để xử lý. Nước thải loại này có độc tính cao, nếu không xử lý sẽ gây hại lớn cho môi trường. -Nước thải nông nghiệp: có nguồn gốc từ việc sản xuất nông nghiệp. Thành phần chủ yếu của nước thải nông nghiệp là các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ các loại thuốc trừ sâu, phân bón hóa học, chất thải từ vật nuôi, thức ăn thừa của vật nuôi. -Nước thải bệnh viện: Có nguồn gốc từ việc khám chữa bệnh tại các bệnh viện, trung tâm y tế, phòng khám, chứa nhiều vi trùng gây bệnh và nhiều hợp chất hữu cơ khác. Tùy theo các khoa khác nhau mà chất nhiễm bẩn khác nhau về đặc tính cũng như mức độ độc hại. -Nước thải đô thị: Gồm nước mưa, nước thải sinh hoạt từ các gia đình, trường học, cơ quan, khu vui chơi…và nước sản xuất lẫn vào. Trong đó, tỷ lệ các loại nước như sau: + Nước thải sinh hoạt khoảng 50-60 % + Nước mưa thấm qua đất khoảng 10-14% + Nước sản xuất khoảng 30-36% 1.1.3. Thành phần của nước thải sinh hoạt [4], [5] Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật. Phần lớn các vi sinh vật trong nước thải thường ở dạng các virut và vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn…Đồng thời trong nước thải cũng chứa các vi khuẩn hữu ích, có tác dụng phân hủy các chất thải. 1.1.3.1. Thành phần vô cơ. -H 2 S hình thành do quá trình khử của muối sunfat (quá trình vi sinh yếm khí), phân huỷ axit amin có chứa lưu huỳnh, tạo nên mùi khó chịu và là nguồn Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 4 gốc của sự ăn mòn. -Amoni (NH 4 + ): là một chất tạo ra sự ô nhiễm do thúc đẩy qúa trình phú dưỡng của nước, là nguồn dinh dưỡng cho phép một số vi khuẩn sinh trưởng trong mạng ống dẫn. Nếu pH cao amoni ở dạng amoniac gây mùi khó chịu. -Kim loại nặng: Cd, Cr, Pb, Hg, As .đều có độc tính cao đối với người và động vật, đa số những chất này xâm nhập vào nguồn nước do rửa trôi, vật thải . Chúng bị hấp phụ bởi các chất huyền phù có mặt trong nước tự nhiên. -Nitrat (NO 3 - ): là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có trong chất thải của người, động vật, thực vật. Bản thân nitrat không phải là chất có độc tính nhưng ở trong cơ thể nó bị chuyển hoá thành nitrit (NO 2 - ) rồi kết hợp với một số chất khác tạo thành các hợp chất nitrozo là các chất có khả năng gây ung thư, gây bệnh thiếu máu đặc biệt đối với trẻ em. 1.1.3.2. Thành phần hữu cơ. -Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: hydratcacbon, protein, chất béo, lignin, pectin .có từ tế bào và các tổ chức của động vật, thực vật. Nước thải khu dân cư có khoảng 25 50% hydratcacbon, 40 60% protein, 10% chất béo. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm lượng oxy hoà tan trong nước, dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt. -Các chất hữu cơ khó bị phân hủy: hợp chất hữu cơ vòng thơm, hợp chất đa vòng ngưng tụ, hợp chất clo hữu cơ, thuốc trừ sâu, các dạng polyme, polyancol .Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người, khó bị phân hủy do tác nhân sinh học bình thường, tồn tại lâu dài, tích lũy, gây mất mỹ quan, gây độc cho môi trường, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống. 1.1.3.3. Vi sinh vật trong nước thải sinh hoạt. Vi sinh vật có trong nước thải sinh hoạt chiếm đa số về loài và số cá thể trong tập đoàn sinh vật của nước thải. Chủ yếu là vi khuẩn, virut, nguyên sinh động vật, trứng giun sán, tảo, rêu . Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 5 Bảng 1.1. Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các phương pháp của Apha(GTZ, 1989) Các chất (mg/l) Mức ô nhiễm Nặng Trung bình Thấp Tổng chất rắn - TS 1000 500 200 Chất rắn hòa tan - DS 700 350 120 Chất rắn không tan 300 150 8 Tổng chất rắn lơ lửng - SS 600 350 120 Chất rắn có thể lắng 12 8 4 BOD 5 300 200 100 Oxy hòa tan –DO 0 0 0 Tổng Nitơ- TN 85 50 25 N- hữu cơ 35 20 10 NH 3 50 30 15 NO 2 - 0.1 0.05 0 NO 3 - 0.4 0.2 - Tổng phospho (mg/l)-TP - 8 0 Clorua 175 100 0.1 Độ kiềm (mg CaCO 3 /l) 200 100 15 Chất béo 40 20 50 1.2. Một số thông số đặc trƣng đánh giá chất lƣợng nƣớc thải. [5] ,[6], [1] Đánh giá chất lượng nước cũng như mức độ ô nhiễm nước cần đựa trên một số thông số cơ bản để so sánh với các chỉ tiêu cho phép về thành phần nước thải. Nước thải bao gồm nước và tập hợp các yếu tố vật lý, hóa học, sinh học. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 6 Vì vậy xem xét và đánh giá độ ô nhiễm của nước chính là xem xét và đánh giá bản chất và nồng độ các chất chứa trong nước. Các chỉ tiêu thường dùng là: 1.2.1. Chỉ tiêu cảm quan 1.2.1.1. Màu sắc Nước sạch không màu. Khi nước bị nhiễm bẩn sẽ có màu đặc trưng. Màu cuả nước được phân làm hai dạng: Màu thực do các chất hòa tan hoặc các hạt keo và màu biểu kiến là do các chất lơ lửng trong nước tạo nên. Nước thải thường có màu nâu đen hoặc đỏ nâu. Nguyên nhân xuất hiện màu do các chất hữu cơ trong xác động thực vật phân rã tạo thành, hoặc nước có sắt và mangan ở dạng keo hoặc hòa tan. Đối với nước thải công nghiệp, tùy thuộc vào bản chất từng loại nước thải khác nhau sẽ cho màu sắc khác nhau. 1.2.1.2. Độ đục Nước sạch thường trong suốt. Nước đục là do các hạt lơ lửng, các chất hữu cơ phân hủy hoặc do giới thủy sinh gây ra. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước, ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của sinh vật tự dưỡng trong nước, làm giảm thẩm mỹ và chất lượng nước khi sử dụng. Độ đục càng lớn thì độ nhiễm bẩn càng cao. Đơn vị chuẩn của độ đục là sự cản quang do 1mg SiO 2 hòa tan trong 1 lít nước cất gây ra (ký hiệu FTU hoặc NTU) 1.2.1.3. Mùi Nước tự nhiên không có mùi. Mùi của nước chủ yếu là do sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ mà trong thành phần có các nguyên tố nitơ, phốt pho, lưu huỳnh. Ví dụ như nước có mùi khai là do các amin (R 3 N, R 2 NH, RNH 2 .) và photphin (PH 3 ), mùi hôi thối là do H 2 S, các hợp chất Indol, Scattol (phân hủy từ aminoaxit) Có thể xác định mùi của nước theo phương pháp sau: Mẫu nước đưa vào bình đậy kín nắp, lắc khoảng 10s – 20s rồi mở nắp, ngửi mùi rồi đánh giá không mùi, mùi nhẹ, trung bình, nặng và rất nặng. Lưu ý, không để dòng hơi đi thẳng vào mũi. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 7 1.2.2. Chỉ tiêu hóa lý 1.2.2.1. Chỉ số pH Độ pH là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải. Chỉ số này cho thấy cần thiết phải trung hòa hay không và tính lượng hóa chất cần thiết trong quá trình đông tụ, keo tụ và khử khuẩn… Độ pH của nước được đặc trưng bởi nồng độ ion H + có trong nước. Tính chất của nước được xác định theo các giá trị khác nhau của pH. pH = 7: Nước trung tính. pH > 7: Nước mang tính kiềm. pH < 7: Nước mang tính axit. Sự thay đổi trị số pH làm thay đổi các quá trình hòa tan hoặc keo tụ, làm tăng hay giảm vận tốc của các phản ứng hóa sinh xảy ra trong nước. Giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý nước theo những phương pháp thích hợp, hoặc điều chỉnh lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý nước. Các công trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học hoạt động ở pH nằm trong giới hạn từ 6.5 - 9.0. Môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩn phất triển thường có pH từ 7 – 8. Ngoài ra pH còn ảnh hưởng đến quá trình tạo bông cặn của các bể lắng sử dụng phèn nhôm. 1.2.2.2. Nhiệt độ , . Nhiệt độ của nước thay đổi theo mùa, theo các thời điểm trong ngày. Ở nước ta, nước bề mặt có khoảng dao động từ 14.3 o C – 33.5 o C, nhiệt độ nước Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 8 ngầm ít biến đổi hơn: từ 24 o C – 27 o C. 1.2.2.3. Hàm lượng oxy hòa tan DO ( Dissolved Oxygen ). Hàm lượng oxi hòa tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước thải vì oxi không thể thiếu được với các quá trình sống. Oxi duy trì quá trình trao đổi chất sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Hàm lượng oxy hòa tan trong nước có nguồn gốc từ không khí hay từ quá trình quang hợp của sinh vật thủy sinh. Bình thường oxy hòa tan trong nước khoảng 8 – 10 mg/l, chiếm 70% – 85% khi oxy bão hòa. Mức oxy hòa tan trong nước tự nhiên và nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, vào hoạt động của giới thuỷ sinh và vào các hoạt động hóa sinh, hóa học, vật lý của nước… Các nguồn nước mặt do có bề mặt tiếp xúc với không khí nên thường có hàm lượng DO cao. Quá trình quang hợp và hô hấp của các loài thủy sinh cũng làm thay đổi hàm lượng DO có mặt trong nước. Việc theo dõi thường xuyên hàm lượng oxy hòa tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện hiếu khí trong quá trình xử lý nước thải. Mặt khác lượng oxy hòa tan còn là cơ sở của phép phân tích xác định nhu cầu oxy sinh hóa. Có hai phương pháp xác định DO là phương pháp Winkler và phương pháp điện cực oxy. 1.2.2.4. Hàm lượng các chất rắn + Các chất vô cơ là dạng các muối hòa tan hoặc không tan như đất đá ở dạng huyền phù lơ lửng. + Các chất hữu cơ như xác các vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, động thực vật phù du…các chất hữu cơ tổng hợp như phân bón, chất thải công nghiệp. -Tổng chất rắn (TS): được xác định bằng trọng lượng khô phần còn lại sau khi cho bay hơi 1 lít mẫu nước trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 103 0 C cho đến khối lượng không đổi. Đơn vị tính bằng mg/l hoặc g/l. -Chất rắn lơ lửng ở dạng huyền phù (SS): được xác định bằng trọng lượng Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 9 khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh, khi lọc 1l mẫu nước qua phễu lọc Gooch rồi sấy khô ở 103-105 0 C tới khi trọng lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/l hay g/l. -Chất rắn hòa tan (DS): Là hiệu số của tổng chất rắn(TS) với chất rắn lơ lửng(SS): DS=TS-SS Đơn vị tính bằng mg/l hoặc g/l -Chất rắn bay hơi (VS): là trọng lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù TSS ở 550 0 C trong một khoảng thời gian xác định. Thời gian này phụ thuộc vào loại mẫu nước (nước cống, nước thải hoặc bùn). Đơn vị tính là mg/l hoặc phần trăm (%) của SS hay TS -Chất rắn có thể lắng: là số ml phần chất rắn của 1 lít mẫu nước đã lắng xuống đáy phễu sau một khoảng thời gian (thường là 1 giờ) Đơn vị tính là ml/l 1.2.3. Chỉ tiêu hóa sinh 1.2.3.1. Nhu cầu oxy sinh hóa BOD (Biochemical Oxygen Demand). Nhu cầu oxy sinh hóa BOD là lượng oxy cần thiết cho việc oxi hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật (sự phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học). Đơn vị tính theo mgO 2 /l. Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm nước. BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước càng lớn. BOD thấp thì ngược lại. +Cơ chế của quá trình. Chất hữu cơ + O 2 + VSV — > CO 2 + H 2 O + Tế bào mới + sinh khối cơ, các chủng loại vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, cũng như một số chất có độc tính ở trong nước. Bình thường 70% nhu cầu oxi được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo, 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21. Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian. Do đó, người ta xác định lượng oxy cần thiết để vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong vòng 5 ngày ở 20 0 C là BOD 5 20 . Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trần Đức Hạnh-MT1101 10 1.2.3.2. Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand). Chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO 2 và nước. COD biểu thị lượng chất hữu cơ có thể oxy hóa bằng con đường hóa học. Chỉ số COD có giá trị cao hơn BOD vì nó bao gồm cả lượng chất hữu cơ không bị oxy hóa bằng vi sinh vật. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp crommat: oxi hóa các hợp chất hữu cơ bằng đicromat trong dung dịch H 2 SO 4 đặc có mặt chất xúc tác Ag 2 SO 4 . Ag 2 SO 4 Chất hữu cơ + Cr 2 O 7 2- + H + CO 2 + H 2 O + Cr 3+ 6e + Cr 2 O 7 2- + 14H + 2Cr 3+ + 7H 2 O + CO 2 Lượng Cr 2 O 7 2- dư có thể được xác định bằng phương pháp trắc quang hoặc bằng phương pháp chuẩn độ bởi dung dịch muối Mohr Theo phương pháp chuẩn độ lượng Cr 2 O 7 2- dư được chuẩn độ bằng dung dịch muối Morh - Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 - FAS với chất chỉ thị là dung dịch Ferroin. Điểm tương đương được xác định khi dung dịch chuyển từ màu xanh sang nâu đỏ. 6Fe 2+ + Cr 2 O 7 2_ + 14H + 6Fe 3+ + 2Cr 3+ + 7H 2 O 1.2.3.3. Tổng hàm lượng nitơ Trong nước hợp chất chứa nitơ thường tồn tại ở các dạng: Nitơ hữu cơ, amoniac (NH 3 ), nitrit (NO 2 - ), nitrat (NO 3 - ) và nitơ tự do (N 2 ) Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa nitơ hữu cơ, chủ yếu là protein và hợp phần của protein. Mối quan hệ giữa BOD 5 với nitơ và phospho có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và khả năng oxy hóa của bùn hoạt tính. Vì vậy, trong xử lý nước thải cùng với các chỉ số khác, người ta cần xác định chỉ số tổng nitơ. Tổng Nitơ là tổng các hàm lượng Nitơ hữu cơ, ammoniac, nitrit, nitrat.