CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2. Các q trình và cơng nghệ xử lý nước thải
1.2.1. Hiện trạng các cơng trình xử lý nước thải ở Việt Nam
Theo báo cáo nghiên cứu về môi trường của GS.TS. Trần Hiếu Nhuệ và cộng sự (2015), hiện nay, ở Việt Nam đang triển khai xây dựng các nhà máy và các trạm
xử lý nước thải sinh hoạt đô thị. Đến cuối năm 2014, đã có 32 thành phố có dự án thốt nước và vệ sinh với tỷ lệ số hộ đầu nối vào hệ thống thoát nước là hơn 90%. Khoảng 25% lượng nước thải đô thị được xử lý bởi 27 nhà máy xử lý nước thải tập trung, với công suất khoảng 770.000 m3/ngđ trong tổng số phát sinh 3.080.000 m3/ngđ. Hơn nữa, có khoảng 20 nhà máy XLNT tập trung đang xây dựng với công suất 1,4 triệu m3/ngđ. Tổng công suất XLNT ước đạt vào năm 2020 là khoảng 2,1 triệu m3/ngđ. Bên cạnh việc xây dựng các nhà máy XLNT đô thị, trạm XLNT cho các khu đô thị mới cũng được đầu tư xây dựng. Tuy nhiên, các thành phố lớn như Hà Nội mới chỉ có khoảng một nửa số khu đơ thị mới có trạm XLNT tập trung, các khu đơ thị cịn lại chưa có trạm XLNT gây ơ nhiễm mơi trường nghiêm trọng. Riêng khu vực Hà Nội hiện nay đang có khoảng 150÷160 khu đơ thị mới dân số khoảng 9 triệu người. Theo quy hoạch đến năm 2030, TP Hà Nội sẽ đầu tư xây dựng 39 NMXLNT cho KĐT trung tâm và 5 đơ thị vệ tinh. Nhưng hiện mới có 5 nhà máy với công suất thiết kế 263.200 m3/ngđ đang vận hành; 3 nhà máy đang chuẩn bị đầu tư, xây dựng với cơng suất 368.500 m3/ngđ.
Về tình hình quản lý, vận hành bảo dưỡng các nhà máy trạm XLNT, sau khi xây dựng và đưa vào vận hành, mặc dầu chủ đầu tư các nhà máy XLNT sinh hoạt đô thị đều thực hiện việc đào tạo chuyển giao công nghệ và vận hành một cách nghiêm chỉnh, bài bản, khá nghiêm túc, nhưng thực tế vẫn còn những tồn tại cần khắc phục. Nước thải đầu vào của các nhà máy XLNT với hệ thống thốt nước riêng hồn tồn có nồng độ thuộc loại trung bình như đối với nhà máy XLNT Đà Lạt và Bn Ma Thuột (BOT: 340÷380 mg/L; COD: 560÷600 mg/L; T-N: 90÷95 mg/L). Nước thải của 24 nhà máy XLNT cịn lại với hệ thống thoát nước chung đang hoạt động đều thuộc loại có nồng độ thấp (SS, BOD: 30÷135 mg/L; COD: 60÷230 mg/L; T-N: 11÷40 mg/L) [14,15].
Nhiều hệ thống XLNT quy mô lớn, nhỏ và vừa đã được đầu tư và đưa vào hoạt động, sử dụng nhiều công nghệ xử lý khác nhau. Cụ thể:
- XLNT sinh hoạt đô thị tập trung quy mô lớn sử dụng công nghệ hồ sinh học: Hệ thống XLNT hồ sinh học kỵ khí tại Sơn Trà, Phú Lộc, Hịa Cường, Ngũ Hành Sơn TP Đà Nẵng; Hệ thống XLNT hồ sinh học hiếu khí và triệt để tại Tháp Chàm –
TP Phan Rang; Hệ thống XLNT hồ sinh học hiếu khí tùy tiện và triệt để tại Bình Hưng Hịa TP HCM; Hệ thống XLNT hồ sinh học hiếu khí cưỡng bức tùy tiện, triệt để và trồng cây tại Đồng Hới, Ninh Bình, Thanh Hóa.
- Mơ hình XLNT sinh hoạt quy mơ nhỏ bằng cơng nghệ kị khí kết hợp với xử lý bậc 3 bằng hệ thống bãi lọc ngầm nhân tạo đã được Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường – Đại học Xây dựng, một số trung tâm thuộc Bộ Xây dựng, Trung tâm Công nghệ Môi trường, Tổng cục Môi trường, v.v… đã nghiên cứu áp dụng tại xã Chiềng Châu, huyện Mai Châu – Hịa Bình; thị trấn Me, huyện n Mơ – Nình Bình; phường Bách Quang - thị xã Sơng Cơng. Đây là mơ hình dễ vận hành với chi phí vận hành thấp, vừa xử lý nước thải vừa khôi phục cảnh quan môi trường, kết hợp làm công viên sinh thái, dễ áp dụng trong điều kiện ở Việt Nam.
- Đối với các trạm XLNT của các tòa nhà cao tầng, thương mại, dịch vụ hay khu đô thị, việc quản lý, vận hành do chủ dự án tổ chức thực hiện. Đối với các khu dân cư tại Ninh Bình, thị xã sơng Cơng, phường Tây Mỗ do UBND xã, Phường tổ chức vận hành quản lý.
Có nhiều kỹ thuật xử lý đã và đang được áp dụng để XLNT, gồm 3 nhóm phương pháp chính là vật lý, hóa học và sinh học. Đối với nước thải sinh hoạt là loại nước thải có thành phần chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao, kĩ thuật chính thường được sử dụng là kết hợp xử lý hóa lý và xử lý sinh học.
1.2.2. Các q trình hóa lí
Q trình hóa – lí rất đa dạng, từ gạn rác, lắng cặn, lọc, chỉnh pH tới kết tủa, keo tụ - tạo bơng, lắng, ơxi hóa/khử, hấp phụ, lọc màng, bay hơi... Tuy nhiên, chỉ một vài q trình hóa lí đơn giản như lắng, lọc thường được áp dụng vận hành đơn giản và chi phí vận hành khơng cao. Các q trình cịn lại, hầu hết đều ít được sử dụng do có chi phí vận hành cao như các q trình hấp phụ và q trình ơxi hóa-khử, hoặc do địi hỏi kĩ thuật vận hành phức tạp như quá trình lọc màng, bay hơi ...
Để thực hiện mỗi q trình hóa lí ứng sẽ cần một đơn vị xử lí (dạng máy hoặc bồn), đây là cơ cấu được chế tạo theo các quy luật riêng và ứng với các yêu cầu thiết kế riêng để thực hiện tốt nhất quá trình.
1.2.3. Các quá trình sinh học
a. Về khía cạnh q trình:
Các quá trình vi sinh sử dụng trong xử lý nước thải gồm: (i) Các q trình Hiếu khí; (ii) Các q trính Yếm khí; và (iii) Các q trình Thiếu khí.
(i) Các q trình hiếu khí:
- Chuyển hóa C (carbon hydrat):
Phương trình ơxi hóa 1 mol gluco (M =180 g) là:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O (E = 2.870 kJ) (1)
(1) Nếu tải BOD cao (khoảng >0,6 kg m–3đ–1 BOD), nghĩa là dư thức ăn so với lượng sinh khối thì 0,5 mol (90 g) sẽ được ơxi hố thành CO2 và nước, ứng với nhu cầu 3mol O2 (96 g). Còn lại 0,5 mol gluco (90 g) chuyển thành pyruvat theo một trong ba cơ chế chuyển hố gluco (glycolytic pathways), khi đó sẽ tạo thành 0,5–1 mol ATP. Pyruvat sẽ chuyển hoá tiếp tạo các sản phẩm như axetat hoặc đicarboxylic axit được sử dụng làm nguyên liệu để tổng hợp tế bào vi sinh mới. Tối đa ta có 20 mol ATP tham gia vào tổng hợp tế bào. Ở pH 7 trong điều kiện chuẩn từ 180 g gluco sẽ tạo thành 90 g tế bào vi khuẩn mới (sinh khối). Thiêu nhiệt của 1g sinh khối khô = 22 kJ, vậy khoảng 1980 kJ (= 2870 ÷890 kJ) được tích lũy dưới dạng sinh khối, 890 kJ là tổng năng lượng toả ra trong q trình hơ hấp và tái tạo tế bào.
(2) Nếu tải BOD thấp, phần gluco tích lũy dưới dạng sinh khối sẽ giảm. Khi đó khoảng gần 0,7 mol (126 g) gluco được oxi hoá thành CO2, ứng với tiêu thụ 4,2 mol O2 (134,4g). Như vậy chỉ có 30% lượng cacbon chuyển hố thành sinh khối (trường hợp đầu là 50% lượng cacbon).
Hình 1. 1. Sơ đồ các q trình chuyển hóa bằng vi sinh Yếm khí [16].
Khi trong hệ có amoni, sau khi chất hữu cơ bị ơxi hố gần hết (BOD cịn khoảng 10÷30 mg/L) sẽ xảy ra sự ôxi hoá amoni trước hết thành nitrit, sau thành nitrat. Phản ứng nối tiếp như sau:
NH4+ + 1,5O2 → NO2– + 2H+ + H2O + 84 kcal.mol-1 (2) NO2– + 0,5O2 → NO3– + 17 kcal.mol-1 (3) Phương trình tổng là:
NH4+ + 2O2 → NO3– + 2H+ + H2O (4)
Theo đó, 1 mol NH4+ tiêu thụ 2 mol O2 hay 1 g N-NH4+ tiêu thụ 4,57 g O2; 1 mol NH4+ tạo thành 1 mol NO3- và 2 mol H+; lượng H+ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3-, 1g N-NH4+ tiêu thụ 7,14 g độ kiềm (quy về CaCO3).
(ii) Các q trình yếm khí:
Phương trình tổng của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau: CcHhOoNnSs + 1/4(4c–h–2o+3n+2s) H2O
→ 1/8(4c –h+2o+3n+2s) CO2 + 1/8(4c + h – 2o – 3n – 2s) CH4 + nNH3 + sH2S (5)
Tính chung cho các chất thải, q trình YK bao gồm 3 giai đoạn với sản phẩm cuối là biogas (CH4 + CO2) được mô tả bằng sơ đồ rút gọn như Hình 1.1, thành phần khí (được gọi là biogas-khí sinh học) và giá trị nhiệt lượng phụ thuộc vào thành phần đầu vào và được cho ở Bảng 1.5.
Bảng 1. 5. Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng
vào thành phần thải [16]
Cơ chất V tạo thành, cm3/g
Biogas
%CH4 %CO2 Thiêu nhiệt kWh/m3(d)
Cacbonhyđrata Chất béob Đạm 746,7 1434 636 50 71 60 50 29 40 4,95 7,02 5,93
aTính cho đường hexoza; bTính cho triglixerit với 3 mol axit palmitic; cTính cho polyalanin với sự phân huỷ N thành NH4+ rồi thành (NH4)2CO3
Để so sánh với q trình chuyển hóa hiếu khí ta cũng xét sơ đồ chuyển hố chất chuẩn là glucơ Hình 1.2.
Hình 1. 2. Cân bằng chất và năng lượng trong q trình vi sinh yếm khí. [16]
Theo sơ đồ 1.2 thì từ 1 mol (180g) glucơ có dự trữ nhiệt = 2870 kJ khi chuyển hóa sẽ tạo thành 2,85 mol CH4 (dự trữ nhiệt = 891,6 kJ/mol×2,85mol = 2541 kJ) + 2,85 mol CO2 (dự trữ nhiệt = 0) + 9 gam sinh khối (dự trữ nhiệt 22 kJ/gam × 9 gam = 198 kJ); tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt xảy ra trong q trình chuyển hóa ATP chỉ bằng 131 kJ = 4,6%. Như vậy, q trình yếm khí là q trình từ chất thải sinh ra năng lượng chủ yếu ở dưới dạng biogas là hỗn hợp khí CH4 + CO2 (~88,5% tổng năng lượng đầu vào). Ngồi ra cịn một lượng nhỏ tích lũy dưới dạng 9 gam sinh khối mới (~6,9%), tổn thất dưới dạng nhiệt năng chiếm khoảng 4,6%. So sánh hai q trình Yếm khí và Hiếu khí ta thấy:
- Yếm khí khơng xử lí được tới chất lượng đầu ra cao, chỉ áp dụng như phương tiện tiền xử lí
- Yếm khí thuận lợi vì sinh ít bùn, giảm chi phí xử lí bùn
- Yếm khí thu hồi năng lượng, rất quan trọng trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng, biogas được coi là nguồn năng lượng tái tạo
- Yếm khí sinh ra amoni, photphat nên khơng phải là phương tiện xử lí N, P; có tiềm năng thu hồi N, P.
(iii) Các q trình thiếu khí:
Về khía cạnh xử lí nước các q trình thiếu khí (DO ~ 0 mg/L) rất quan trọng về khía cạnh khử nitrat, nitrit. Trước hết q trình này cần chất khử (cho điện tử), ví dụ:
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e– (6)
CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e– (7) N-nitrat sẽ nhận điện tử và lần lượt qua các trạng thái sau:
2e- e- e- e-
NO3– → NO2– → NO → 0,5N2O → 0,5N2 (8) Như vậy tuỳ chất cho điện tử, ta có các phương trình ví dụ như sau:
5CH3OH + 6HNO3 → 5CO2 + 3N2 + 13H2O (9) 5CH3COOH + 8HNO3 → 10CO2 + 4N2 + 14H2O (10) Chất cho điện tử cũng có thể là chính hữu cơ trong nước thải.
b. Về khía cạnh kỹ thuật xử lý:
Các kỹ thuật xử lý nước thải: Tùy yêu cầu chất lượng nước sau xử lí, cơng nghệ vi sinh xử lí nước thải thường được phân cấp như sau: (i’) Xử lí cấp 1 (bao gồm
cả tiền xử lí); (ii’) Xử lí cấp 2; và (iii’) Xử lí cấp 3 (nâng cao).
(i’) Xử lí cấp 1: (bao gồm cả tiền xử lí) thường là các cơng đoạn, đơi khi rất đơn
giản như lược rác, lắng cát mang tính hỗ trợ, loại bỏ những yếu tố cơ học (rác, cát sạn có thể gây tắc, hỏng bơm và hệ van, ống), điều hòa làm tăng độ tin cậy và ổn định của các đơn vị xử lí đi sau. Lắng cấp 1, trong trường hợp nước thải đầu vào quá đậm đặc (COD trên 1000 mg/L) có thể áp dụng cả các kĩ thuật yếm khí làm giảm tải cho xử lí cấp hai. Xử lí cấp 1 khó đạt các QCVN về mơi trường.
(ii’) Xử lí cấp 2 thường là cơng nghệ sinh học để xử lí các ơ nhiễm hữu cơ. Công
nghệ sinh học là cơng nghệ xử lí ơ nhiễm sinh thái nhất, hầu như khơng sử dụng hố chất, nước thải sau xử lý có thể đạt chất lượng rất cao. Q trình thường dùng là quá trình sinh học hiếu khí. Chất thải duy nhất là bùn vi sinh (sinh khối). Xử lí cấp 2
thường đạt QCVN loại B, đôi khi đạt loại A về các chỉ tiêu hữu cơ (BOD/COD) nhưng khơng xử lí được N, P và một số thơng số khác. Kĩ thuật xử lí cấp 2 thường là kĩ thuật bùn hoạt tính cổ điển (bùn hoạt tính).
Với q trình hiếu khí, vi sinh hiếu khí thực hiện đồng thời hai q trình: Đồng
hố sử dụng các cơ chất chứa các nguyên tố C,H,O,N,P, vi lượng có trong nước thải
để tổng hợp tế bào với cơng thức gần đúng C5H7NO2 và Dị hố là ơxi hố các chất hữu cơ và các chất có khả năng ơxi hố khác để tạo năng lượng sử dụng cho các hoạt động sống. Các nội dung này được thể hiện ở cân bằng cacbon như Hình 1.3. Kết quả là nước giảm các chất ô nhiễm và sinh khối tăng. Để thực hiện điều này trong thực tế xử lí nước thải phải áp dụng các kĩ thuật sao cho hệ vi sinh có điều kiện thực hiện tốt các chức năng đã nêu, đồng thời phải tách được lượng bùn dư hình thành. Kĩ thuật bùn hoạt tính ra đời đáp ứng được các yêu cầu này, quá trình bùn hoạt tính được nghiên cứu phát triển bắt đầu khoảng năm 1913 bởi Clark and Gage tại Lawrence Experiment Station tại Massachusetts và Ardern and Lockett (1914) tại Davyhulme Sewage Works, Manchester (nước Anh) [17].
Các q trình vi sinh hiếu khí bao gồm hai q trình chính được thể hiện ở hai phương trình dưới đây:
(i) Q trình ơxi hóa phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ:
(4/100)C10H19NO3 + (25/100)O2 + (1/100)NH4+ + (1/100)HCO3−
→ (16/100)CO2 + (23/100)H2O + (5/100)C5H7NO2 (11) Ở đây: C10H19NO3 là công thức nước thải sinh hoạt gần đúng, C5H7NO2 là công thức vi sinh gần đúng. Nghiên cứu nhận thấy ở vế trái của phương trình là nhu cầu tối thiểu các chất mà vi sinh cần có để thực hiện quá trình, vế phải của phương trình là các sản phẩm CO2 + H2O không gây ô nhiễm nước và sản phẩm phụ C5H7NO2 - là bùn (sinh khối vi sinh cần phải tách loại).
Hình 1. 3. Cân bằng vật chất cacbon (BOD5) trong sinh học hiếu khí (ii) Q trình nitrat hóa (ơxi hóa) N-amoni: (ii) Q trình nitrat hóa (ơxi hóa) N-amoni:
Nếu phản ứng hiếu khí phân hủy hữu cơ (pt.1) được thực hiện đủ sâu sẽ xảy ra quá trình tiếp theo là nitrat hóa:
(11/20)NH4+ + (15/20)O2 + (4/20)CO2 + (1/20)HCO3−
→ (10/20)NO3− + (20/20)H+ + (9/20)H2O + (1/20)C5H7NO2 (12) Nghiên cứu nhận thấy sản phẩm của quá trình là N-NO3− và sinh khối đi kèm. Điều kiện của phản ứng này là phải cấp đủ DO (ơxi hịa tan) và nguồn cácbon vơ cơ (độ kiềm). Nếu xem xét kĩ hơn sẽ thấy (12) là tổng của hai quá trình: trước tiên NH4+ sẽ được ơxi hóa thành NO2− (q trình nitrit hóa được thực hiện bởi tập hợp các chủng
Nitrosomonas), tiếp theo NO2− sẽ được ơxi hóa tiếp thành NO3− (q trình nitrat hóa được thực hiện bởi tập hợp các chủng Nitrobacter). Để đơn giản hóa ta thể hiện hai q trình này dưới dạng phương trình tổng (12).
Trong thực tế N-amơni được xử lí qua hai giai đoạn: nitrat hóa (pt.2) và tiếp theo khử nitrat sinh ra theo (pt.3), ở đây khơng có ơxi nên q trình này được gọi là q trình thiếu khí:
(iii) Q trình thiếu khí khử nitrat bằng chất cho điện tử là hữu cơ trong nước thải:
(1/5)NO3− + (0,5/50)NH4+ + (2/50)C10H19NO3 + (0,5/50)HCO3− + (1/5)H+
→ (8/50)CO2 + (5/50)N2 + (16,5/50)H2O + (2,5/50)C5H7NO2 (13)
Trong các hệ bùn hoạt tính, ba phương trình trên là đủ khái qt q trình xử lí nước thải đối với các thành phần hữu cơ (thể hiện qua COD và BOD5) và N (thể
hiện qua N-amơni và N-nitrat). Nếu thực hiện cả q trình khử nitrat nghĩa là làm giảm tổng N (pt.3) ta có mức xử lí cấp 3 về khía cạnh T-N.
Kết quả của q trình hiếu khí ở (11) là các chất ô nhiễm hữu cơ bị phân hủy thành CO2 + H2O, giảm các thơng số BOD/COD nghĩa là q trình (11) chỉ xử lí ơ nhiễm hữu cơ, q trình này chỉ được thực hiện tốt khi DO 2mg/L. Nếu tiếp tục sục khí cấp ơxi, q trình nitrat hóa sẽ được thực hiện (12), khi đó N-amơni sẽ chuyển hóa thành N-nitrit rồi thành N-nitrat. Để thực hiện phản ứng (12) hệ cần được cấp đủ DO như trên và độ kiềm (HCO3-). Một số hệ xử lí cấp 2 cũng đạt đến mức độ nitrat hóa này.
Các quá trình đã nêu sẽ được VSV thực hiện hoàn hảo khi các điều kiện sống của chúng được đảm bảo, đó là các điều kiện về: pH (phải trung tính hoặc gần); khơng có chất độc hoặc có ở mức khơng nguy hiểm (các kim loại nặng, nhiều loại hóa chất); tỷ lệ các chất (tỷ lệ C:N:P) tạo nên tế bào vi sinh, mật độ vi sinh phải phù hợp; phải có đầy đủ các nguyên tố vi lượng; nồng độ ôxi (DO), nhiệt độ phù hợp… Trong các điều kiện kể trên thì nước thải từ q trình ni tơm STC đáp ứng hầu hết các yêu