Nghiên cứu xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và nitơ bằng phương pháp sục khí luân phiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG Nguyễn Việt Hoàng NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN Khóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

Nguyễn Việt Hoàng

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành Công nghệ Môi trường (Chương trình đào tạo Chuẩn)

Hà Nội – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

Nguyễn Việt Hoàng

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành Công nghệ Môi trường (Chương trình đào tạo Chuẩn)

Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Hà

TS Phan Đỗ Hùng

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thiện được khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực không ngừng của bản thân, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới các thầy cô khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn quan tâm và tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian theo học tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Hà và TS Phan Đỗ Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp này

Trân trọng cảm ơn lãnh đạo Hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm, lãnh đạo phòng Công nghệ xử lý nước, thầy cô Bộ môn Công nghệ môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện cũng như luôn giúp đỡ cho

em hoàn thành khóa luận này

Cuối cùng, em xin dành lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn

bè, những người vẫn luôn quan tâm, động viên và đồng thời là chỗ dựa tinh thần giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập

và quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp vừa qua

Hà Nội, tháng 5 năm 2014

Sinh viên

Nguyễn Việt Hoàng

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

MLSS Mixed Liquoz Suspendid

Solids

Nồng độ chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp chất lỏng – rắn huyền phù

SBR Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng hoạt động theo

mẻ kế tiếp

TOC Total Organic Carbon Tổng cacbon hữu cơ

ThOD Theorical Oxygen Demand Nhu cầu oxy theo lý thuyết

UASB Upflow Anaerobic Sludge

Blanket

Bể với lớp bùn kỵ khí dòng chảy ngược

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải 3

1.1.1 Các chất hữu cơ 3

1.1.2 Các hợp chất chứa Nitơ 3

1.2 Ảnh hưởng của Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người 4

1.3 Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải 6

1.3.1 Các phương pháp xử lý chất hữu cơ 6

1.3.2 Các phương pháp xử lý Nitơ 7

1.3.3 Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải10 1.3.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 12

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Đối tượng nghiên cứu 18

2.1.1 Nước thải tự pha 18

2.1.2 Hệ thiết bị sục khí luân phiên 19

2.2 Phương pháp nghiên cứu 20

2.2.1 Phương pháp tổng quan tài liệu 20

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 21

2.2.3 Phương pháp phân tích, đánh giá, xử lý số liệu thực nghiệm 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Kết quả đánh giá đặc tính nước thải đầu vào 26

3.1.1 Kết quả nghiên cứu quá trình chuẩn bị mẫu nước 26

3.1.2 Kết quả diễn biến các thành phần ô nhiễm trong nước thải 27

3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến

hiệu suất xử lý chất hữu cơ và Nitơ 29

3.2.1 Hiệu suất xử lý chất hữu cơ 29

3.2.2 Hiệu suất xử lý Nitơ 31

3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ và Nitơ đến hiệu suất xử lý 34

3.3.1 Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD 34

3.3.2 Ảnh hưởng của tải trọng Nitơ đến hiệu suất xử lý Nitơ 35

3.4 So sánh, đánh giá và xác định chế độ vận hành tối ưu 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

PHỤ LỤC 43

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Các chế độ vận hành thí nghiệm 22 Bảng 2 Kết quả thí nghiệm điều chế nước thải 26 Bảng 3 So sánh hiệu quả xử lý COD giữa các nghiên cứu khác nhau 30 Bảng 4 So sánh hiệu quả xử lý T – N với các nghiên cứu khác 33 Bảng 5 So sánh hiệu quả xử lý COD, NH 4+ và T – N giữa các chế độ thí nghiệm 36

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ 4 Hình 2 Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải 9 Hình 3 Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm 19 Hình 4 Diễn biến thành phần COD trong nước thải pha 27 Hình 5 Diễn biến thành phần NH 4+ trong nước thải pha 28 Hình 6 Diễn biến giá trị pH của nước thải pha 29 Hình 7 Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến hiệu suất xử lý COD 30 Hình 8 Nồng độ N – NH 4+ đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý ở các chế độ khác nhau 31 Hình 9 Hiệu quả xử lý T – N ở các chế độ thí nghiệm khác nhau 32 Hình 10 Quá trình chuyển hóa nitrit và nitrat ở các chế độ khác nhau 33 Hình 11 Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD 34 Hình 12 Ảnh hưởng của tải trọng T – N đến hiếu suất xử lý T – N 35

MỞ ĐẦU

Việt Nam đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh

tế, nhằm đạt mục tiêu chiến lược là trở thành một đất nước công nghiệp tiên tiến vào năm 2020 Song song với các hoạt động để có thể đạt được mục tiêu phát triển đó, một trong những nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu là bảo vệ môi trường và phát triển nền kinh tế bền vững Nếu không được sự quan tâm của chính quyền cũng như người dân, môi trường sống sẽ ngày càng giảm sút, đặc biệt là môi trường nước

Nguyên nhân chính gây ra quá trình ô nhiễm nước thải là do quá trình sử dụng của con người trong các hoạt động sống hay sản xuất, làm thay đổi tính chất và thành phần nước ban đầu Các chất thải này khi phát thải ra môi trường

sẽ gây mùi hôi thối khó chịu, làm chậm quá trình chuyển hóa và hòa tan oxi vào nước, dinh dưỡng hóa nước mặt, làm cản trở quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Hiện nay, xử lý nước thải với đặc tính ô nhiễm giàu chất hữu cơ và Nitơ bằng biện pháp sinh học được coi là phương pháp thân thiện với môi trường và được ứng dụng nhiều ở các nước trên thế giới Đây là công nghệ xử lý nước thải dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ, hợp chất chứa Nitơ có trong nước thải mang lại hiệu quả cao, chi phí hợp lý, dễ dàng vận hành Quá trình phát triển của vi sinh vật xảy ra trong các điều kiện có sự chuyển hóa năng lượng tế bào vi sinh vật nhờ các quá trình sinh học

Xuất phát từ thực tiễn đó, với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp xử lý sinh học để xử lý chất hữu cơ cũng như các hợp chất chứa

Nitơ trong nước thải, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và

Nitơ bằng phương pháp sục khí luân phiên” được chọn làm khóa luận tốt

nghiệp, nhằm mục tiêu lựa chọn được phương pháp phù hợp để xử lý nước thải với đặc tính giàu chất hữu cơ và Nitơ, trong đó tập trung nghiên cứu các nội dung chính bao gồm:

 Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD, N – NH4+, T – N bằng phương pháp sục khí luân phiên

 Đánh giá nồng độ các thành phần NH4+, NO3-, NO2-, T – N và COD qua từng bước xử lý cũng như tính ổn định của hệ thống và khả năng ứng dụng phương pháp trong điều kiện việt nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải

1.1.1 Các chất hữu cơ

Dựa vào khả năng có thể phân hủy nhờ vi sinh vật có trong nước mà ta

có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm:

a Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy

Đó là các hợp chất protein, hidratcacbon, chất béo có nguồn gốc động vật và thực vật Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt

b Các chất hữu cơ khó bị phân hủy

Các chất loại này thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm (hidrocacbua của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ… Trong số các chất này có nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người Chúng tồn lưu lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống

Trong nguồn nước tự nhiên, hàm lượng các chất hữu cơ rất thấp, ít có ảnh hưởng đến nước sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản và tưới tiêu thủy lợi Khi bị

ô nhiễm thì hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước sẽ tăng cao

1.1.2 Các hợp chất chứa Nitơ

Hợp chất chứa Nitơ trong nước thường tồn tại ở ba dạng: hợp chất hữu

cơ, amoniac và dạng oxi hóa (nitrat, nitrit) Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ, ví dụ: protein và hợp phần của protein

Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm NH3 trong nước sẽ gây độc với cá và sinh vật khác trong nước

Nếu trong nước có hợp chất N chủ yếu là nitrit (NO2-) là nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài hơn

Nếu nước chủ yếu là hợp chất N ở dạng nitrat (NO3-) chứng tỏ quá trình phân hủy đã kết thúc Tuy vậy, các nitrat chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrat dễ bị khử thành N2O, NO và Nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí

 Amoniac (NH3): amoniac trong nước tồn tại ở dạng NH3 và NH4+(NH4OH, NH4NO3, (NH4)2SO4 ) tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một bazơ yếu NH3 và NH4+ có trong nước cùng với photphat sẽ thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước

 Nitrat (NO3-): là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa N có trong nước thải của người và động vật

1.2 Ảnh hưởng của Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người

Amoni hầu như không có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý amoni được chuyển hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại đối với con người Nitrit là chất rất độc vì nó có thể chuyển hoá thành nitroamin, chất này có khả

Hình 1 Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ

năng gây ung thư cho con người Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ, các dạng Nitơ vô cơ cơ bản tồn tại với tỉ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường nước Nitrat là muối Nitơ vô cơ trong môi trường nước được sục khí đầy đủ và liên tục, nitrit tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) và ion NH4+ tồn tại trong điều kiện kỵ khí Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thành ion NH4+ và OH- Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng Nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng ion amoni

Nitơ không những chỉ có thể gây ra các vấn đề phì dưỡng mà khi chỉ tiêu

N – NO3- trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45 mg/l sẽ gây ra mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khỏe con người Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng định khi hàm lượng NO3- trên 45 mg/l sẽ khiến cho dân cư dùng thường xuyên nguồn nước này bị mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu đường

Trong đường ruột trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển hoá nitrat thành nitrit Nitrit có ái lực với hồng cầu trong máu mạnh hơn oxy, khi nó thay thế oxy sẽ tạo thành methermoglobin, hợp chất này không thể nhận oxy và gây ra bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ (methermoglobinemia), thậm chí có thể gây tử vong Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được 6 tháng tuổi dễ

bị mắc căn bệnh này vì hàm lượng enzym methaemoglobin reductase tương đối thấp – đây là một loại enzym có khả năng chuyển hoá methermoglobin trở lại thành hemoglobin

Ngoài Mỹ, một số nước Đông Âu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao Ví dụ tại Transylvania ở Rumani trong thời gian từ 1990 – 1994 trung bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363

ca nhiễm độc Độ nguy hiểm của NO3- đã khiến người Mỹ quy định trong Đạo luật về An toàn Nguồn nước Sinh hoạt của Mỹ (SDWA – Safe Drinking Water Act) hàm lượng N – NO3- tối đa là 10 mg/l [15]

Ngoài ra, nếu trong nước tồn tại amoni sẽ làm giảm hiệu quả của khâu clo hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm

đảm bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng Khi có mặt amoni, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao gồm monochloramine, dichloramine, trichloramine, organochloramine) có tính sát khuẩn kém hàng trăm lần so với clo nguyên tố Bên cạnh đó amoni là nguồn dinh dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển Sự phát triển này làm ô nhiễm nước thứ cấp trong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các chất độc nitrit và nitrat

1.3 Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải

1.3.1 Các phương pháp xử lý chất hữu cơ

Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S, các sunfit, amoniac, Nitơ,… Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa

Như vậy, nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD Để có thể xử lý bằng phương pháp này, nước thải sản xuất cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5

Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải đều có xuất sứ trong

tự nhiên Nhờ thực hiện các biện pháp tăng cường hoạt động của vi sinh vật trong các công trình nhân tạo, quá trình làm sạch các chất bẩn diễn ra nhanh hơn Trong thực tế hiện nay người ta vẫn tiến hành xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ở điều kiện tự nhiên và điều kiện nhân tạo tùy thuộc vào khả năng kinh phí, yêu cầu công nghệ, địa lý cùng hàng loạt các yếu tố khác Nói chung, các quá trình sinh học trong xử lý nước thải gồm 5 nhóm quá trình chủ yếu sau:

 Quá trình hiếu khí

 Quá trình kỵ khí

 Quá trình trung gian – anoxic

 Quá trình tùy nghi

a Phương pháp clo hóa tới điểm đột biến

Bản chất của phương pháp là quá trình oxy hóa – khử xảy ra giữa clo khi hòa tan vào trong nước có chứa amoniac và amoni tạo thành các cloramin Nếu clo dư, các cloramin sẽ bị phân hủy thành khí N2 Tuy phương pháp clo hóa nhìn chung rất đơn giản và rẻ về mặt thiết bị cũng như xây dưng cơ bản nhưng rất khó áp dụng vì dư lượng clo nếu quá lớn sẽ gây khó khăn cho các nhà máy trong việc giải quyết vấn đề an toàn sức khỏe

b Phương pháp thổi khí ở pH cao

Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:

NH4+ ⇌ NH3 (khí hòa tan) + H+ với pKa = 9,5 (1.1) Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với amoni Nếu ta nâng pH tới 9,5; tỷ lệ [NH3]/[NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH3 Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm dịch chuyển cân bằng về phía phải:

NH4+ + OH- ⇌ NH3↑ + H2O (1.2)

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH3 ở mức 1600 m3 không khí/1m3 nước và quá trình rất phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, tuy nhiên khó có thể xử

lý triệt để N – amoni và cũng không có khả năng xử lý Nitơ trong các hợp chất hữu cơ

c Phương pháp sinh học

Để xử lý nước thải người ta có thể sử dụng phương pháp vật lý, hóa lý

và hóa học; nhưng xu hướng ngày nay thường sử dụng phương pháp sinh học cho các hệ xử lý nói chung bởi những tính năng ưu việt mà phương pháp này mang lại Trong rất nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh xử lý bằng phương pháp sinh học đã mang lại cho con người những lợi điểm như sau: hiệu suất xử lý cao: từ 80 – 90% và có thể là 90 – 99%, ít sử dụng hoá chất, chi phí năng lượng cho một đơn vị thể tích xử lý thấp so với các phương pháp khác

và do những ưu điểm trên nên phương pháp sinh học mang tính kinh tế rất cao

Trong phương pháp này, amoni sẽ bị chuyển hoá thành nitrat rồi thành

N2 nhờ hoạt tính của vi sinh vật trong tự nhiên Trong quá trình xử lý, vi sinh vật sẽ được tạo các điều kiện về dinh dưỡng cũng như các yếu tố khác để có thể đạt được hoạt tính cao nhất… Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá

Như đã nói ở trên, công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế từ những năm

1960 Trên thực tế, có rất nhiều quy trình công nghệ xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học khác nhau Chúng giống nhau ở nguyên lý là thực hiện các quá trình nitrat hoá và khử nitrat hoá nhưng khác nhau ở cách sắp xếp trình tự các quá trình trong sơ đồ xử lý và nguồn cacbon sử dụng Các quá trình này có thể

là các quá trình sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng bám dính hay sinh trưởng lơ lửng – bám dính kết hợp Sau đây là một số qui trình cơ bản thường được ứng dụng trong xử lý Nitơ trong nước thải

Trong quy trình (a) Hình 2 cho hiệu suất xử lý cao (70 – 90%) vì toàn bộ nitrat sinh ra trong bể hiếu khí sẽ được đưa qua quá trình khử nitrat Trong quy trình này, quá trình tái sục khí tiếp theo quá trình khử nitrat là cần thiết nhằm

xử lý thành phần hữu cơ dư sau khử nitrat Quy trình công nghệ này có nhược điểm là phức tạp, cần phải bổ sung cơ chất hữu cơ cho quá trình khử nitrat

Hình 2 Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải

Quy trình (b) là quy trình có thể tận dụng ngay nguồn cơ chất hữu cơ sẵn

có trong nước thải mà không cần bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài Quy trình này đơn giản, chi phí đầu tư thấp nhưng nhược điểm là hiệu suất khử nitrat phụ thuộc vào tỷ lệ dòng hồi lưu nước sau bể nitrat hoá Hiệu suất xử lý Nitơ đạt 60 – 70%, tỷ lệ hồi lưu so với dòng vào là từ 1 – 4 lần [20]

Quy trình (c) là quy trình được ứng dụng để xử lý đồng thời N, P trong nước thải Hiệu suất xử lý tương tự như quy trình (b)

1.3.3 Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải

Phương pháp sục khí luân phiên (Intermittent Aeration methods) là một dạng công trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính theo mẻ Thiết

bị giống quá trình bùn hoạt tính, tuy nhiên chế độ sục khí không liên tục mà theo chu kỳ, bao gồm các chu trình sục khí (hiếu khí)/ngừng sục khí (thiếu khí) luân phiên nhau Hệ thống sục khí luân phiên là hệ thống được áp dụng để xử

lý nước thải chứa chất hữu cơ và Nitơ cao mà không cần phải bổ sung cơ chất cho quá trình khử nitrat

 Ưu điểm:

 Xử lý đồng thời COD, Nitơ, photpho

 Thay đổi được chế độ làm việc một cách linh động để nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ và có thể làm việc liên tục

 Thiết bị tương đối đơn giản so với các hệ thiết bị hiếu khí – thiếu khí kết hợp

 Tiết kiệm năng lượng so với phương pháp hiếu khí – thiếu khí truyền thống

 Tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu

 Nhược điểm:

 Công nghệ và thiết bị chưa được nghiên cứu đầy đủ tại Việt Nam

 Hiệu suất xử lý Nitơ phụ thuộc chế độ vận hành (nước thải khác nhau cần chế độ vận hành tối ưu khác nhau)

Trong nước cũng như trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu phòng thí nghiệm và quy mô pilot về phương pháp sục khí luân phiên ứng dụng trong xử

lý nước thải với đặc tính chứa nhiều chất hữu cơ, hợp chất Nitơ và photpho

Cụ thể, tác giả Trần Thị Thu Lan (2013) (Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Trường đại học Khoa học Tự nhiên – ĐH QGHN) [3] đã nghiên cứu xử lý đồng thời các thành phần hữu cơ và Nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng phương pháp sục khí luân phiên Sau hơn 10 tháng nghiên cứu, vận hành hệ thiết bị thí nghiệm với 3 chế độ sục – ngừng sục luân phiên khác nhau, kết quả cho thấy hiệu suất xử lý COD ở các chu kỳ sục khí luân phiên khác nhau đều đạt khá cao (80 – 88%); hiệu quả xử lý N – NH4+ đạt rất cao và ổn định, xấp xỉ 100% và không bị ảnh hưởng bởi các chế độ khác nhau Chu kỳ sục – ngừng sục luân phiên cách nhau 3 giờ được xác định là tương đối phù hợp để xử lý T – N (hiệu suất đạt 72 – 86%)

Nhóm tác giả Koottatep S và cộng sự (1994) [24] đến từ Chiangmai, Thái Lan đã nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt cho một khu dân cư nhỏ bằng

mô hình thí điểm hồ sục khí đặt tại Đại học Chiangmai Kết quả cho thấy 45%

T – N bị loại bỏ với tổng thời gian sục và ngừng sục mỗi chu kỳ là 12 giờ và chế độ sục khí luân phiên không ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ

Nhóm tác giả Kousei Sasaki và cộng sự (1994) [25] từ Kanagawa, Nhật Bản đã nghiên cứu xử lý đồng thời Nitơ và photpho bằng quá trình bùn hoạt tính 2 bể sục khí luân phiên khuấy trộn hoàn toàn và nối tiếp với nhau Quá trình sục khí, ngừng sục khí kết hợp khuấy trộn được lặp lại định kỳ trong mỗi chu trình làm việc 2 giờ, lưu lượng nước thải đầu vào 225 l/ngày, thời gian lưu nước trong mỗi bể là 16 giờ Sau 2 tháng vận hành, kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý đạt được khá ổn định, cụ thể đối với TOC là 94,9%, T – N là 89,4% và T – P là 95,5%

Tác giả Katsuto Inomae và nnk (1987) [23] đến từ Khoa Khoa học và

Kỹ thuật, Đại học Saga, Nhật Bản đã nghiên cứu quá trình loại bỏ Nitơ trong

hệ mương oxy hóa có sục khí luân phiên Tác giả đã chỉ ra rằng các điều kiện vận hành tối ưu để có thể đạt được hiệu quả loại bỏ Nitơ cao chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa Mô hình thí nghiệm trong

nghiên cứu được vận hành với chu kỳ 45 phút trong đó tỷ lệ quá trình hiếu khí

là 0,42; hiệu quả xử lý Nitơ đạt được lên đến 81% mà không cần bổ sung độ kiềm và nguồn carbon hữu cơ

1.3.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và Nitơ nói chung bằng các biện pháp sinh học là rất phổ biến trong đại đa số các ngành công nghiệp sản xuất bởi tính khả thi và tính kinh tế cao của các phương pháp này mang lại Bên cạnh đó, phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác

ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt là hiệu quả xử lý cao ở thời gian lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học

a Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các loại chất thải có đặc trưng chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ và Nitơ đã được nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp, hệ thống xử

lý một cách rộng rãi và khoa học Nhìn chung, các nghiên cứu vẫn chủ yếu được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot thí điểm

Gần đây, bước đầu đã có một số nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi Nhóm tác giả Ngô Kế Sương và cộng sự (2006) [6] đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên mô hình thử nghiệm 30 m3/ngày – đêm bằng hệ thống bể yếm khí – bể lọc yếm khí – hồ sinh học tại Xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao Hiệu quả xử lý các thành phần hữu cơ, Nitơ và chất rắn lơ lửng (SS) của hệ thống này khá cao, đạt trên 95% Tuy nhiên thời gian lưu nước thải của hệ thống lớn (bể yếm khí – 22,4 h; bể lọc yếm khí – 16 h; hồ sinh học 720 m2 (24 m2/1 m3nước thải), thể tích thiết bị và mặt bằng xây dựng lớn, vì vậy khả năng áp dụng trong thực tế là chưa cao

Tác giả Trương Thanh Cảnh (2010) đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng bùn ngược [1] Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình tương đối thích hợp cho việc xử lý nước thải chăn nuôi với hiệu quả xử lý vào khoảng 97; 80 và 90% tương ứng với các chỉ tiêu COD; BOD5 và N Việc kết hợp 3 modul trong một quá trình xử lý (3 quá trình thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học bằng dòng bùn ngược) tạo ra ưu điểm lớn trong

việc nâng cao hiệu quả xử lý, với sự kết hợp này sẽ đơn giản hóa hệ thống, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống

Về nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn ở Việt Nam, tác giả Lê Công Nhất Phương (2009) (Đề tài luận văn tiến sĩ, Viện Môi trường và Tài nguyên, Trường ĐHQG TP HCM) đã bước đầu nghiên cứu làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ bùn ở bể UASB của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn và nghiên cứu thử nghiệm xử lý amoni trên

mô hình thí nghiệm 10 L/ngày [5] Kết quả cho thấy thời gian làm giàu nhóm

vi khuẩn Anammon từ 4 – 5 tháng, hiệu suất loại bỏ amoni của quá trình nitrit hóa – Anammox kết hợp trên thiết bị phòng thí nghiệm là 80 – 97% Nghiên cứu cũng cho thấy rằng việc điều khiển khống chế quá trình nitrit hóa để đạt được tỷ lệ N – NH4+/N – NO3- xấp xỉ 1/1 là rất quan trọng, quyết định đến hiệu suất xử lý tổng của quá trình và tỷ lệ COD/T – N cao sẽ ảnh hưởng không tốt đến hoạt động xử lý Nitơ của vi khuẩn Anammox, do cạnh tranh yếu hơn so với các nhóm vi khuẩn kỵ khí khác Đây là một phương pháp có nhiều triển vọng trong tương lai, tuy nhiên cần có thêm nhiều nghiên cứu đầy đủ, đặc biệt

là về mặt kỹ thuật kiểm soát quá trình và làm chủ công nghệ, đồng thời cần được phát triển để phù hợp với điều kiện trang trại Việt Nam

Nhóm tác giả Nguyễn Văn Phước và cộng sự Viện Môi trường Tài nguyên, ĐHQG – HCM, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM (2009) đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì được lấy tại cơ sở sản xuất quy mô hộ gia đình – Thủ Đức, TP HCM (Số 5 – Đường số 9 – KP4 – phường Bình Chiểu) trên mô hình thử nghiệm với công nghệ HYBRID (lọc sinh học – aerotank) [4] Sau 58 ngày vận hành trong đó thời gian thích nghi là 10 ngày, nghiên cứu đã thu được những kết quả khả quan như sau:

 Mô hình HYBRID kết hợp lọc sinh học hiếu khí với Aerotank có khả năng xử lý nước thải tinh bột mì đạt hiệu xuất xử lý cao (đối với COD là

87 – 95% và đối với N – NH3 là 60 – 98%) Tải trọng 1 kg COD/m3/ngày được chọn là tải trọng tối ưu, tương ứng hiệu quả xử lý COD và N – NH3 lần lượt là

95 và 98%

 Nước sau xử lý mất mùi, trong, pH trung tính Điều kiện vận hành COD vào 1000 mg/L với thời gian lưu nước thích hợp là 1 ngày

Nhìn chung kết quả thu được sau quá trình nghiên cứu là rất khả quan, tuy nhiên một số loại mỳ đặc biệt có hàm lượng photpho cao nên trong quá trình xử lý cần áp dụng công nghệ khử P, cùng với đó là cần tiếp tục nghiên cứu trong thời gian dài việc ứng dụng công nghệ lai hợp lọc sinh học và aerotank trên những loại nước thải có tính chất tương tự

Tác giả Lê Quang Huy và nnk (2009) đã nghiên cứu ứng dụng quá trình thiếu khí từng mẻ để xử lý oxit Nitơ nồng độ cao trong nước rác cũ [2] Mô hình thiếu khí sinh học từng mẻ sử dụng trong bài nghiên cứu (Anoxic Sequencing Batch Reactor – ASBR) được áp dụng nhằm xử lý TNOx (các oxit Nitơ gồm nitrit và nitrat) trong nước rỉ rác của bãi rác cũ với nồng độ TNOxvào khoảng 1000 mg/L bằng biện pháp sinh học thiếu khí (anoxic) Hiệu quả khử Nitơ qua cơ chế khử nitrit lại cho hiệu quả cao khi bổ sung đủ nguồn C cho quá trình Tỷ lệ COD bổ sung/N – NO2 thích hợp là 1,5/1 và tỷ lệ COD khử/NO2khử là 2,2/1,0 trong đó 30% COD khử là COD sẳn có trong nước thải Hiệu quả khử nitrit có thể đạt đến 95% với tải trọng Nitơ đạt 0,115 kg N – NO2 khử/g MLSS/ngày Với kết quả này đem lại hiệu quả khử Nitơ ammonia của cả quá trình xử lý sinh học đạt 80 – 85%

b Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Quá trình xử lý amoni trong nước bằng vi sinh dựa trên hai quá trình sinh học nối tiếp và rất khác nhau là nitrat hoá và khử nitrat Bước 1: vi khuẩn nitrat hoá oxy hoá NH4+ thành NO2-, rồi sau đó thành NO3-, phản ứng này được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng (là nhóm vi khuẩn dùng cacbon vô cơ trong nước để tổng hợp tế bào) Bước 2: vi khuẩn khử nitrat khử NO3- (và cả NO2-) thành N2 Nhóm vi khuẩn này phải dùng cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào mới, chúng là nhóm dị dưỡng

Nhìn chung, các vi khuẩn dị dưỡng – vi khuẩn khử nitrat hoá "khoẻ" hơn các vi khuẩn tự dưỡng Chính vì vậy, để tăng lượng sinh khối đến mức cần thiết nhằm giảm thời gian phản ứng thì các phương pháp lọc sinh học với vật liệu

mang vi sinh thích hợp có thể thực hiện được điều này và tỏ ra có ưu thế tuyệt đối trong các kỹ thuật sinh học để xử lý amoni

Những kỹ thuật thường được áp dụng là lọc sinh học ngập nước, lọc cát nhanh, lọc với lớp đệm mở rộng hoặc giả lỏng (fluidized hoặc expanded bed reactor), và lọc với lớp vật liệu lọc là than hoạt tính

Những thông báo đầu tiên trong lĩnh vực này thuộc về người Anh Họ sử dụng bể lọc với vật liệu lọc là đá, dày 2m, tốc độ lọc 0,8 – 2,8 m/h để xử lý nước sông Thames với nồng độ amoni 2 – 3 mg/l Do vật liệu lọc thô, không

có hệ sục khí nên sau 1 năm hoạt động hệ chỉ đạt hiệu suất 80%, ngoài ra nhiệt

độ thấp và sự thiếu ôxy cũng ảnh hưởng xấu đến hiệu quả xử lý

Ở Oberding CHLB Đức có một nhà máy giết mổ động vật Nhà máy này sản xuất tới 380 tấn sản phẩm/tuần với công nghệ tách mỡ theo phương pháp

“khô” nên lượng nước thải thấp Lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý là 1,9 – 2,1m3/h Quy trình xử lý nước thải: xử lý sơ bộ và xử lý sinh học Nước thải qua xử lý có pH đầu ra: 7,2 – 7,6; COD: 200 – 300mg/l; N – amoni: 270 – 700 mg/l

Một số nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của phương pháp SBR cũng đã được thực hiện Nghiên cứu của Bortone và cộng sự về xử

lý nước thải chăn nuôi lợn [16] cho thấy chế độ cấp nước thải 2 lần trong chu

kỳ xử lý cho hiệu suất cao hơn chế độ cấp nước thải 1 lần Hiện nay người ta cũng cải tiến hệ thống SBR bằng cách bổ sung thêm bể hoạt hóa bùn sinh học vào phía trước hệ thống và hồi lưu bùn trở lại nhằm làm tăng hoạt tính của bùn Phương pháp SBR được coi là một công nghệ xử lý hiệu quả đối với nhiều loại nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Nghiên cứu loại bỏ carbon và Nitơ từ nước thải của một phòng thí nghiệm chế biến sữa công nghiệp do Garrido và cộng sự đăng trên Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Nước tập 43, số 3 năm 2001

 Các công trình xử lý nước thải có đặc tính giàu chất hữu cơ và Nitơ đã

áp dụng trong nước và trên thế giới

c Trong nước

Hệ thống xử lý nước thải giết mổ Lương Yên bắt đầu hoạt động từ tháng

3 năm 2002, công suất 18 – 20 m3/ngày đêm, công nghệ xử lý bằng các biện pháp hóa – lý kết hợp sinh học (lọc sinh học), hiệu quả xử lý đạt được là tương đối cao (COD 96%, T – N 95%)

Hệ thống xử lý nước thải chế biến hải sản Phước Cơ tại Vũng Tàu được xây dựng và chính thức hoạt động từ tháng 11 năm 2005 nhằm xử lý nước thải

từ quá trình chế biến hải sản đông lạnh với công suất 180 m3/ngày Công nghệ

xử lý của hệ thống là chủ yếu là xử lý bằng biện pháp sinh học bao gồm các bể tuyển nổi, bể xử lý hiếu khí, bể lắng…cho nước thải đầu ra đạt loại C TCVN 5945:2005 (nay được thay thế bằng Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc Gia về nước thải Công nghiệp – QCVN 40:2011)

Một loại hình nước thải khác có tính chất giàu chất hữu cơ và Nitơ là nước thải chế biến mủ cao su Hiện nay trong nước đang có hệ thống xử lý nước thải mủ cao su Xuân Lập được khởi công xây dựng từ năm 2004 với các đơn

vị xử lý như bể gạn mủ, bể DAF và hồ hoàn thiện

Nhà máy xử lý nước rác Nam Sơn sau gần 5 tháng thi công và 3 tháng đưa vào chạy thử đã chính thức đưa vào hoạt động trong năm 2005 Nước thải

từ bãi rác qua 15 khâu trước khi đưa ra hệ thống thoát nước chung, các khâu xử

lý sinh học có thể kể đến như là hồ kỵ khí, hồ hiếu khí, bể kỵ khí, bể xử lý gián đoạn Công suất nhà máy đạt từ 500 m3 nước thải/ngày đêm và được điều khiển tự động hoàn toàn

d Trên thế giới

Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại thành phố Ebina, tỉnh Kangawa Nhật bản với công suất 12 m3/ngày được xây dựng và đi vào hoạt động từ tháng 3 năm 1969 với công nghệ xử lý sinh học bằng hệ thống mương oxy hóa Hiệu suất xử lý COD và T – N tương ứng đạt 97 và 95%

Tại Shangdong Trung Quốc, hệ thống xử lý nước thải giết mổ với công nghê MBR đã được xây dựng và hoạt động từ tháng 11 năm 2008 Công suất

xử lý của nhà máy lên đến 8000 m3/ngày, nước thải sau khi xử lý đạt đủ tiêu chuẩn có thể tái sử dụng

Hệ thống xử lý nước thải mủ cao su tại Nhật Bản (tháng 6 năm 1959) với công nghệ xử lý hiếu khí (quá trình bùn hoạt tính) kết hợp xử lý bậc cao (kết tủa hóa học và lọc cát), công suất xử lý đạt trung bình 5500 m3/ngày và lớn nhất

là 7800 m3/ngày, hiệu quả xử lý tương ứng đối với COD và T – N là 88 và 70%

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Nước thải tự pha

Nước thải thí nghiệm trong bài là nước thải tự pha mô phỏng một loại hình nước thải với thông số ô nhiễm đặc trưng là chứa nhiều các chất hữu cơ

dễ phân hủy và các hợp chất của Nitơ (chủ yếu là NH4+) Các thông số mô phỏng trong nước thải bao gồm các chỉ tiêu COD, N – NH4+, N – NO2-, N –

NO3- và T – N Các mẫu nước thải trong quá trình điều chế và thực hiện thí nghiệm đều được xác định các thông số như pH, COD, NH4+, NO2-, NO3-, T –

N Các thông số mô phỏng trong nước thải sẽ được tạo ra bằng việc pha chế các hóa chất công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm với nguồn nước thải sinh hoạt được lấy sau vòi tại xưởng 2C Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Hóa chất sử dụng gồm có:

 Cồn công nghiệp (C2H5OH)

 Amoni clorua NH4Cl

 Kali dihydrophotphat KH2PO4

 Soda Na2CO3

2.1.2 Hệ thiết bị sục khí luân phiên

Thí nghiệm được thực hiện trên mô hình thiết bị thể hiện như ở Hình 3

Bể sục khí luân phiên được làm bằng nhựa PVC trong suốt có thể tích hữu ích là 20 L Không khí được sục vào trong hệ thông qua ống phân phối khí đặt dưới đáy bể với tốc độ 10 L/phút bằng máy thổi khí Bơm cấp nước thải là bơm định lượng có thể điều chỉnh được lưu lượng Chế độ hoạt động (thời gian hoạt động, dừng) của các bơm, máy thổi khí và motor khuấy có thể cài đặt, thay đổi được và được điều khiển hoàn toàn tự động Các thông số pH, ORP (thế oxy hóa khử - Oxydation Reduction Potential), DO (lượng oxy hòa tan trong nước) được hiển thị trên bảng điều khiển, kết nối trực tuyến và lưu lại trên máy tính

 Địa điểm nghiên cứu: hệ thí nghiệm được đặt tại Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Hình 3 Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm