Bài viết Tầm quan trong kiểm soát photpho trong xử lý nước thải trình bày tầm quan trọng kiểm soát photpho; Các dạng photpho trong nước thải; Loại bỏ photpho bằng lắng đọng và bằng sinh học; Loại bỏ photpho bằng kết tủa hóa học; Một số các lưu ý để loại bỏ photpho sinh học.
Trang 1The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
TẦM QUAN TR NG KIỂM SOÁT PHOTPHO
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Bùi Thị Thu Hà
Đại học Tài nguyên & Môi trường TP HCM,
Số 236B Lê Văn Sỹ, Phường 1, quận Tân Bình, TP HCM
Email: hathubuithi@gmail.com
TÓM TẮT
Nước thải và bùn thải đô thị chứa một lượng lớn chất dinh dưỡng ở dạng các hợp chất của Photpho có thể gây ra các hiện tượng phú dưỡng trong nguồn tiếp nhận sông, hồ và nước biển ven
bờ Tốc độ tăng trưởng kinh tế và đô thị hóa nhanh chóng ở Việt Nam hiện nay là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước ngày càng trầm trọng, đặc biệt các thành phố lớn
Từ khóa: Photpho, phú dưỡng, phèn, vi khuẩn Acinetobacter, photpho sinh học, bể phản ứng
sinh học, nước thải
Nước và bùn đô thị chứa một lượng lớn chất dinh dưỡng ở dạng các hợp chất của Photpho (P),
có thể gây ra các hiện tượng phú dưỡng trong nguồn tiếp nhận sông, hồ và nước biển ven bờ Tốc
độ tăng trưởng kinh tế và đô thị hóa nhanh chóng ở Việt Nam hiện nay là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước ngày càng trầm trọng, đặc biệt các thành phố lớn
Tầm quan trọng kiểm soát Photpho
Phần lớn photpho (P) được thải ra nước mặt là do chúng ta sử dụng phân bón Giống như nitơ,
P được các sinh vật sống sử dụng xấp xỉ theo tỷ lệ 100C: 5N: 1P Nó là một trong những dưỡng chất thiết yếu để xây dựng tế bào và duy trì sự sống Thực vật không phát triển ở những nơi không cung cấp đủ P Trong nông nghiệp, người ta thêm P vào đất để khuyến khích sự tăng trưởng cây trồng, còn trong các hệ thống thủy sinh, lại cần thiết hạn chế tăng trưởng sinh thực vật [1, 2, 3]
Sự tăng trưởng sinh thực vật ở các nguồn nước mặt như sông, hồ, ao có liên quan đến trạng thái phú dưỡng Ví dụ, ở hồ nước lạnh và sâu, thực vật tăng trưởng hạn chế và chất dinh dưỡng rất thấp Trong khi các hồ nóng, ấm áp có lượng chất dinh dưỡng cao
Kiểm soát tỷ lệ phú dưỡng của các nguồn nước mặt liên quan đến việc kiểm soát tốc độ tăng trưởng của sinh thực vật Điều này có thể được thực hiện bằng cách kiểm soát tải lượng dinh dưỡng vào nguồn nước mặt Photpho hoặc khoáng chất có chứa photpho tan được thải ra nguồn nước mặt
từ các nguồn thải công nghiệp hoặc từ nông nghiệp Kiểm soát tải lượng photpho vào nguồn nước mặt là một phương pháp thực tế hạn chế tốc độ tăng trưởng của sinh thực vật và tỷ lệ phú dưỡng Giới hạn photpho được quy định cho hầu hết các loại nước thải ra nguồn tiếp nhận ở mức 6-20 mg/L Ví dụ, các nhà máy chế biến thủy sản của nước ta đều sử dụng photphat là một loại phụ gia thực phẩm trong quá trình sản xuất nên lượng photpho trong nước thải tăng lên Theo dự thảo QCVN về nước thải chế biến thủy sản [4], giá trị tối đa cho phép của chỉ tiêu photpho là 4 mg/L (cơ
sở mới) và 10 mg/L (cơ sở đang hoạt động) đối với nước thải loại A và 20 mg/L đối với nước thải
Trang 2Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
loại B để thay thế cho quy định hiện hành là 10 mg/L (nước thải loại A) và 20 mg/L (nước thải loại B)
Tuy nhiên, giới hạn này được xác định bởi lưu lượng thải, bởi các đặc tính của nguồn tiếp nhận Ở những vùng dân cư phát triển và tiếp tục phát triển, giới hạn photpho đã trở nên hạn chế hơn trong một số khu vực, đặc biệt là ở các khu vực gần các nguồn nước mặt như hồ nơi có sự phát triển nhanh chóng và có nhiều nguồn photpho góp phần vào môi trường
Các dạng Photpho trong nước thải
Tổng P bao gồm ba dạng phổ biến của P: Organic (hữu cơ)-P, Poly (ngưng tụ)-P và Ortho-P [1, 2]
Cả ba hình thức P đều có mặt trong nước thải đô thị
P hữu cơ trong dòng thải là một phần của hợp chất hữu cơ như phế liệu thực phẩm, con người, chất thải động vật Hợp chất hữu cơ-P có thể hòa tan trong nước thải, nhưng thường được kết hợp với các hạt vật chất
Poly-P ở dạng một chuỗi dài, bao gồm nhiều phân tử PO4
3-
liên kết Poly-P hòa tan, được tìm thấy trong nhiều chất tẩy rửa
Ortho-P có thể được coi là phân tử PO4
3; thường được gọi là "phốt phát đơn " Dạng photpho này hòa tan và phổ biến trong nhiều chất tẩy rửa, đặc biệt là các chất tẩy rửa công nghiệp Ví dụ, các nhà sản xuất sữa và các cơ sở chế biến thực phẩm thường sử dụng dung dịch axit photphoric (H3PO4) để làm sạch và có thể thải ra nồng độ Ortho-P cao
Loại bỏ Photpho bằng lắng đọng và bằng sinh học
Vì phần lớn chất hữu cơ-P sẽ kết hợp với hạt rắn lơ lửng trong nước thải thô, một số trường hợp P sẽ được loại bỏ khi các hạt rắn bằng lắng đọng trong các bể lắng sơ cấp và giai đoạn này có thể loại bỏ 5-15 % tổng lượng P [6, 7]
Photpho cũng sẽ được hấp thụ bởi sinh khối vi sinh vật đang phát triển trong bể xử lý sinh học
ở tỷ lệ 100C: 5N: 1P Với bể lọc sinh học nhỏ giọt có thể loại bỏ 20-30 % tổng lượng P Nhiều bể sinh học sử dụng bùn hoạt tính có thể loại bỏ từ 30 đến 50 % tổng lượng ảnh hưởng P Đây là phương thức loại bỏ P khá đáng kể
Loại bỏ Photpho bằng kết tủa hóa học
Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để loại bỏ P bằng cách kết tủa với một muối kim loại Trong quá trình này một hóa chất được thêm vào sẽ kết hợp với P để tạo thành một hạt ổn định, rồi nhiều hạt ổn định sẽ kết thành bông và bị loại ra trong quá trình lắng
Khi sử dụng muối kim loại với liều lượng hợp lý thì Organic-P và Poly-P được chuyển thành Ortho-P và thường được thêm vào cuối bể sục khí hoặc ngay trước bể lắng thứ cấp
Dung dịch muối sắt đã được sử dụng để loại bỏ P hiệu quả trong thực tế ở nhiều nơi trên thế giới Sắt có thể được thêm vào ở trạng thái hóa trị hai như Ferrous Chloride (FeCl2), hoặc trong trạng thái hóa trị ba như Clorua sắt (FeCl3) Cả hai giải pháp đều có tính axit, ăn mòn các đường ống và van, làm bẩn các thiết bị bởi màu nâu da cam Ferric Chloride (FeCl3) thường là một sản phẩm sạch hơn với tỷ lệ sắt cao hơn trong dung dịch, nhưng đắt hơn [6, 7]
Các dung dịch muối nhôm cũng thường được sử dụng để loại bỏ P trong nhiều cơ sở Các muối được sử dụng phổ biến nhất là nhôm sunfat (Al2 (SO4)3.14H2O), được gọi là phèn Trong khi vẫn là một dung dịch có tính axit, điều này không nguy hiểm như các dung dịch muối sắt và không
Trang 3The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
bị ố vàng Những bất lợi chính với phèn là liều lượng gấp đôi các giải pháp muối sắt và chi phí có thể cao hơn
Loại bỏ photpho sinh học
Vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970, người ta phát hiện ra rằng một số vi sinh vật trong bùn hoạt tính sử dụng trong các công trình sinh học có thể loại bỏ P nhiều hơn tỷ lệ 100C: 5N: 1P (tỷ lệ P tối thiểu để nuôi cấy vi sinh vật) mà không cần bổ sung hóa chất [6, 7]
Các lý thuyết đều tập trung vào tính chất cấp khí và tính chất nước thải Cuối cùng người ta đã tìm thấy rằng trong các bể sinh học khi tốc độ loại bỏ P đạt hiệu quả tốt là khi MLSS chuyển từ môi trường kỵ khí sang môi trường hiếu khí
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong các tình huống mà chu kỳ MLSS từ kỵ khí theo sau là điều kiện hiếu khí thì vi khuẩn Acinetobacter bắt đầu tích lũy trong sinh khối sử dụng P làm cơ chế lưu trữ năng lượng [1, 2, 3]
Trong quá trình phân hủy kỵ khí vi khuẩn bắt đầu phân hủy chất hữu cơ trong chất thải, giải phóng axit dễ bay hơi như axit axetic vào dung dịch Những axit hữu cơ trở thành nguồn cung cấp thực phẩm cho Acinetobacter Khi những vi khuẩn này tiêu thụ axit hữu cơ chúng giải phóng P vào dung dịch để tạo ra năng lượng cần thiết cho sự trao đổi chất Nồng độ Ortho-P lúc này trong bể phản ứng sẽ cao hơn so với P dòng vào Khi MLSS đi vào phần phản ứng hiếu khí, Acinetobacter tiêu thụ thực phẩm được lưu trữ và kết hợp lượng photpho dư thừa vào sinh khối, do đó loại bỏ P khỏi hệ thống
Nhiều thiết kế công nghệ khác nhau đã tăng lên qua nhiều năm trong nỗ lực tối đa hóa số lượng
P bị loại bỏ bởi sinh khối A/O (kỵ khí /hiếu khí) là một nét công nghệ sớm nhất của quá trình sinh học loại bỏ photpho Quy trình A2/O (kỵ khí, Anoxic, Oxic) tương tự như A/O, nhưng thêm bể khuấy khí và tuần hoàn nước hỗn hợp thành một khu vực anoxic nơi quá trình khử nitơ diễn ra Điều này nhằm giảm thiểu nồng độ nitrat mà nếu không sẽ được tái tuần hoàn đến khu kỵ khí [7, 8]
Mương Oxy hóa là một sửa đổi của quá trình bùn hoạt tính loại bỏ photpho sinh học Cơ chế sinh học cũng giống như đã mô tả bên trên nhưng sử dụng cấu hình bể khác nhau Được thiết kế như ba bể là ba vòng đồng tâm, nước thải đi vào vòng đầu tiên được vận hành trong điều kiện yếm khí Sau đó hỗn hợp đi vào hai vòng bên trong, cả hai thường hiếu khí Khi nước thải đi qua kỵ khí photpho hữu cơ bị phân hủy thành photpho vô cơ và bị hấp thu ở hai vòng hiếu khí bên trong và loại
bỏ photpho ra khỏi dòng thải [8, 9]
Một công trình bùn hoạt tính khác thường loại bỏ photpho sinh học là bể phản ứng dạng mẻ SBR Hệ thống điền đầy và bắt đầu bằng một giai đoạn kỵ khí, trong đó phân hủy photpho và được theo sau bởi một giai đoạn hiếu khí, trong đó photpho sử dụng làm tăng sinh khối, giai đoạn này giải quyết ở phía dưới, còn nước sạch được rút ra từ phía trên cùng của bể phản ứng
Một số các lưu ý để loại bỏ photpho sinh học
• Loại bỏ photpho sinh học tốt nhất khi có một BOD phù hợp Các chất thải yếu, pha loãng có thể là môi trường không đủ nhu cầu ôxy để đạt được môi trường yếm khí cần thiết Lượng BOD cần thiết thường được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ BOD với Photpho (BOD: P), với tỷ lệ khoảng 15-20: 1 thường là thích hợp hơn (tỷ lệ P trong nước thải đầu vào)
• Phải có đủ thời gian giữ yếm khí, để giảm chuyển sulfate thành sulfide Tối ưu thời gian yếm khí phụ thuộc vào tỷ lệ BOD: P, nhưng trong khoảng 1-3 giờ
• Thời gian hiếu khí phải đủ dài để loại bỏ BOD phù hợp cũng như nitrat hóa nếu cần thiết Điển hình sẽ là 4-5 giờ
Trang 4Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
• Nitrat hóa có thể gây nhiễu nếu không cần khử nitơ Nitrate trở thành nguồn ôxy cho vi khuẩn khi D.O không có sẵn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Lương Đức Phẩm - Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học (2007) Nhà Xuất bản Giáo dục
2 Lâm Ngọc Thụ, Trần Thị Hồng - Hóa học nước (2006) Nhà Xuất Khoa học và Kỹ thuật
3 Lâm Minh Triết Đỗ Hồng Lan Chi - Vi sinh vật kỹ thuật môi trường (2003) Viện Tài nguyên & Môi trường TP Hồ Chí Minh
4 VASEP góp ý Dự thảo QCVN 11:2017 về nước thải chế biến thủy sản (2007) - Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam
5 Activated Sludge Process - London, Canada: City of London URL [Accessed: 22.05.2012
6 Frelund B, Griebe T, Nielsen P H, 1995 - Enzymatic activity in the activated-sludge floc matrix, Appl Microbiol Biotechnol, (2012) 43:755-761
7 Rick Snyder, Governor, Dan Wyant- Activated Sludge Process Control, Training Manual For Wastewater Treatment Plant Operators (2017) State of Michigan, Department of Environmental Quality
8 Rose D G - Community‐Based Technologies for Domestic Wastewater Treatment and Reuse‐ options for urban agriculture (1999) Ottawa: International Development Research Center Canada (IDRC)
9 Jiri Wanner - The Activated Sludge Process, (2000) Institute of Chemical Technology Prague,
CZ
IMPORTANT OF PHOSPHORUS CONTROL IN WASTEWATER TREATMENT
Bui Thi Thu Ha
HCMC University of Natural Resources and Environment, 236B Le Van Sy,
Ward 1, Tan Binh district, Ho Chi Minh City
Email: hathubuithi@gmail.com
ABSTRACT
Wastewater and urban sludge contains large amounts of nutrients in the form of Phosphorus compounds can cause eutrophication in the receiving waters of rivers, lakes and coastal waters The rapid economic growth and urbanization in Vietnam is the cause of the increasingly severe water pollution, especially the big cities