Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu ảnh hưởng của chế dộ vận hành đến hiệu quả xử lý photpho của hệ thống lọc yếm khí thiếu khí hiếu khí cải tiến

Phân loại nước thải sinh hoạt Phù hợp với mục đích của kỹ thuật xử lý nước thải thì thành phần gây ô nhiễm được phân loại theo tính chất hóa học, vật lý và sinh hóa của chúng.. Phân loại

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học ThS LÊ CAO K HẢI

H À N Ộ I - 2 0 1 5

L Ờ I CẢM ƠN

Đe hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt báo cáo khóa luận tốt nghiệp, em đã nhận được sự giúp đở, hướng dẫn nhiệt tinh của các quý Thầy, Cô của trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 và các Thầy, Cô của Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS Lê Cao Khải người đã

tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp

Nhân đây em xin cảm ơn đến Ban giám hiệu N hà trường và các Thầy, Cô trong Khoa Hóa Học đã tạo điều kiện tốt nhất để em học tập và hoàn thiện tốt kiến thức trong những năm học vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị phụ trách phòng thí nghiệm công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường của Viện Công N ghệ Môi Trường -Viện Hàn Lâm Khoa Học và C ông nghệ Việt Nam đã rất nhiệt tình giúp đõ' về mọi cơ sở vật chất và chỉ bảo em trong quá trình tiến hành làm thí nghiệm

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự trao đổi và đóng góp ý kiến thẳng thắn của các bạn học cùng khoá đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành bài báo cáo khóa luận tốt nghiệp của mình

HÀ NỘI, N gày tháng năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Hải Yến

DANH MUC CAC KY HIEU, C H If VIET TAT

AO (Anoxic - Oxic) Thiếu khí - hiếu khí

A AO (Anaerobic - Anoxic - Oxic) Yem khi - thieu khi - hieu khi

Axit beo de bay hai

Sinh vät tich lüy photpho

Bảng 1 Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20°c 26

Bảng 2 Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý p h o tp h o 35

Bảng 3 Dung tích hữu ích của ngăn trong thiết bị thí nghiện 56

Bảng 4 Các chế độ vận h à n h 59

Bảng 5 Đặc trưng của nước thải trong nghiên c ứ u 61

DANH MỤC CÁC BẢNG

Hình 1 : Quá trình xử lý photpho A O 28

Hình 2 Sơ đồ phostrip tách loại p h o tp h o 30

Hình 3 Sơ đồ xử lý nitơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình V I P 32

Hình 4 Mô hình cải tiến công nghệ A A O 45

Hình 5 Quá trình phân hủy yếm k h í 47

Hình 6 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí ng hiệm 57

Hình 7 Sơ đồ thiết bị thí n ghiệm 59

Hình 8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 60

Hình 9 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 62

Hình 10 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn yếm khí 63

DA NH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 11 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn 64

M Ụ C L Ụ C

M Ở Đ Ầ U 8

C H Ư Ơ N G 1: T Ó N G Q U A N V È x ử L Ý T Ổ N G P H O T P H O T R O N G N Ư Ớ C T H Ả I S I N H H O Ạ T P H Â N T Á N 10

1.1 Tổng quan về nước thải sinh h o ạ t 1 0 1.1.1 Khái niệm về nước thải sinh h o ạ t 10

1.1.2 Đặc điểm chung về nươc thải sinh h o ạ t 10

1.1.3 Phân loại nước thải sinh h o ạ t 11

1.1.4 Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trư ờ n g 13

1.1.5 Quản lý nước thải ở Việt N a m 14

1.2 Tổng quan về p h o tp h o 16

1.2.1 Định n g h ĩa 16

1.2.2 Vai trò của p h o t p h o 16

1.2.3 Thực trạng ô nhiễm photpho hiện n a y 17

1.2.4 Nguyên nhân gây ô nhiễm p h o tp h o 18

1.2.5 Ảnh hưởng của photpho tổ n g 18

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý tổng photpho (T-P) trong nước thải sinh hoạt 21

1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất p h o t p h o 21

1.3.2 Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước t h ả i 26

1.3.3 Đặc thù của quá trình xử lý p h o t p h o 30

1.3.4 Ảnh hưởng của các yếu tố lên hiệu quả xử l ý 36

1.4 Công nghệ xử lý nước thải A A O 40

C H Ư Ơ N G 2: Đ Ớ I T Ư Ợ N G , M Ụ C Đ Í C H V À P H Ư Ơ N G P H Á P

N G H I Ê N C Ứ U 47

2.1 Đối tượng và mục đích nghiên c ứ u 47

2.1.1 Đối tượng nghiên c ứ u 47

2.1.2 Mục đích nghiên c ứ u 47

2.2 Nội dung nghiên c ứ u 47

2.3 Phương pháp nghiên c ứ u 48

2.3.1 Phương pháp tài kiệu kế th ừ a 48

2.3.2 Phương pháp phân tích định lượng photpho bằng phương pháp oxy hóa ướt bằng K 2s 20 8 48

2.4 Phương pháp thực n g h iệ m 53

C H Ư Ơ N G 3: K É T Q U Ả V À T H Ả O L U Ậ N 57

3.1 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên c ứ u 57

3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý T - P 58

3.3 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T - P 59

K É T L U Ậ N V À K I Ế N N G H Ị 62

T À I L I Ệ U T H A M K H Ả O 63

MỞ ĐẦU

N ước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người cũng như các sinh vật trên Trái đất, tất cả các sự sống đều phụ thuộc vào nước và vòng tuần hoàn nước Lượng nước trên Trái đất vào khoảng 1,38 tỉ k m3 trong đó 97,4% là nước mặn trong các đại dương, còn 2 ,6 %, là nước ngọt, tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tuyết ở Bắc Cực, Nam Cực và trên các ngọn núi, chỉ có 0,3% nước trên toàn thế giới (hay 3,6 triệu km 3) là có thể sử dụng làm nước uống

Hiện nay vấn đề ô nhiễm nước rất được quan tâm Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày, dưới tốc độ phát triển như hiện nay con người vô tình làm ô nhiễm nguồn nước bằng các hóa chất, chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy, xí nghiệp Ở nước ta hiện nay, hầu hết các khu đô thị, khu dân cư, làng, xã hay một số điểm du lịch được xây dựng phục vụ nhu cầu con người có nguồn nước thải sinh hoạt thải ra còn chưa được xử lý triệt đê, mặc dù một vài nơi có hệ thống xử lý tập trung nhưng còn nhiều khó khăn về vấn đề vận hành cũng như các chi phí xử lý cao dẫn đến nước thải sinh hoạt không đạt tiêu chuẩn môi trường mà đã xả trực tiếp ra sông, hồ Ngoài nguồn nước thải không lồ, thải ra từ các hoạt động của con người thì chúng ta cũng phải đối mặt với một hiện tượng môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng là hiện tượng phú dưỡng gây ra do bùng nổ các loài rong, tảo, thực vật phù du và nồng độ chất dinh dưỡng nitơ, photpho quá cao Điều đó khiến tình trạng tầng nước mặt bị ô nhiễm, bốc mùi khó chịu, nước có màu xanh đen hoặc đen, theo thời gian sẽ ảnh hưởng tới tầng nước ngầm làm mất cảnh quan cũng như biến đổi hệ sinh thái nước và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người

Hàm lượng cho phép của các thành phần dinh dưỡng N, p được quy định chặt chẽ trong tiêu chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như Việt Nam Vì vậy, trong xử

lý nước thải ngoài việc xử lý các thành phần ô nhiễm hữu cơ (BOD, CO D, s s )

việc xử lý các thành phần dinh dưỡng nitơ, photpho cũng là yêu cầu quan trọng

Hiện nay, người ta đã đưa ra nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt M ột trong những phương pháp đó là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Đe góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường, trong bản khóa luận này bước đầu chúng tôi

thực hiện đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưỏ’ng của chế độ vận hành đến hiệu quả xử

lý photpho của hệ thống lọc yếm khí - thiếu khí - hiếu khí cải tiến”

C H Ư Ơ N G 1

TỒ N G Q U A N VỀ X Ử LÝ T Ố N G PH O T P H O T R O N G N Ư Ớ C TH Ả I SINH

H O Ạ T PH ÂN TÁN

1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1 Khái niệm về nưó’c thải sinh hoạt

N ước thải sinh hoạt là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, trong đó chất bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới thành phần không hòa tan, dạng keo và dạng hòa tan Thành phần và tính chất của chất bẩn phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện thiết bị, trạng thái làm việc của hệ thống m ạng lưới vận chuyển, tập quán sinh hoạt của người dân, mức sống xã hội, điều kiện tự nhiên Do tính chất hoạt động của đô thị mà chất bẩn của nước thải thay đổi theo thời gian và không gian

1.1.2 Đặc điểm chung về nước thải sinh hoạt

Lượng nước thải thực sự từ mỗi người hàng ngày gần tương đương với lượng nước tiêu thụ, chỉ khoảng 4 1/ngày, khi đó hàm lượng chất rắn trong nước thải sẽ đạt trên 10% Tuy nhiên, trong cuộc sống hàng ngày, lượng nước sử dụng trên đầu người cao hơn nhiều lần, mức độ càng cao khi khả năng cung cấp càng lớn và càng giàu có càng tiêu thụ nhiều nước Đó là nước dùng vào các mục đích vệ sinh, chuẩn

bị đồ ăn thức uống hàng ngày Trong quá trình thu gom và vận chuyển nước thải về nguồn nhận nước, các thành phần có khả năng sinh hủy bị biến đổi theo thời gian, các thành phần dễ sinh hủy bị phân hủy với tốc độ cao hơn so với các thành phần khó phân hủy nên thành phần tạp chất trong nước thải biến động cả về số lượng và nồng độ tạp chất theo thời gian và m ang tính cục bộ (đặc thù) khá cao

Nhìn chung, tại các thành phố lớn của các nước phát triển, mức độ sử dụng nước nằm trong khảng 150 - 200 1/ngày trên đầu người Tại các vùng nông thôn, m ức độ

sử dụng nước thường thấp hơn so với thành phố

Trong sinh hoạt gia đình, nước thải bao gồm ba nguồn chính với lưu lượng gần ngang nhau: từ nhà vệ sinh, từ các hoạt động vệ sinh nhà cửa, tắm gội, từ giặt giũ vàchuẩn bị cho ăn uống Nước thải từ bể phốt được gọi là nước thải đen , nước thải từnhà bếp và tắm giặt gọi là nước thải xám.

Thành phần tạp chất trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp rất phong phú, chẳng những từ điểm phát thải ban đầu mà còn là các sản phẩm chuyển hóa tiếp theo của chúng trong môi trường Các thành phần tạp chất cũng có thể phân loại theo hậu quả mà chúng gây ra:

• Thành phần tiêu thụ oxy trong nước

1.1.3 Phân loại nước thải sinh hoạt

Phù hợp với mục đích của kỹ thuật xử lý nước thải thì thành phần gây ô nhiễm được phân loại theo tính chất hóa học, vật lý và sinh hóa của chúng

Phân loại theo đặc trưng vật lý

Đặc trưng vật lý của tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các tiêu chí: trạng thái tập hợp, khối lượng riêng và mức độ phân tán

Trạng thái của vật chất trong nước thải gồm ba dạng là hơi (khí), lỏng và rắn Khí

và chất rắn có thể nổi trên mặt nước hay phân tán trong nước dưới dạng hạt keo (chất rắn mịn, khó lắng) hay dạng nhũ, bọt khí Tính chất nổi, chìm hay phân tán của chất rắn và lỏng trong nước trước hết phụ thuộc vào khối lượng riêng của nó so với của nước và mức độ phân tán (kích thước càng nhỏ thì độ phân tán càng cao) Mức độ phân tán có thể chia thành ba cấp: tan (tồn tại ở mức phân tử độc lập trong nước), chỉ tan một phần (dạng keo, ví dụ keo gelatin, lòng trắng trứng) và dạng huyền phù Kích thước của các chất rắn trong nước thải nằm trong khoảng rất rộng,

từ vài mm đến mức phần triệu mm (virus) Kích thước của chất rắn liên quan mật thiết đến biện pháp kỳ thuật tách chúng ra khỏi nước (kích thước lưới lọc rác, loại

m àng lọc)

Phân loại theo đặc trưng hóa học

Trong nước thải, hầu như tất cả các nguyên tố hóa học bền đều có thể có mặt, tuy vậy không nhất thiết và cũng không thể nhận biết chúng một cách chi tiết được Trước hết chúng được phân loại theo tiêu chí hợp chất vô cơ, hữu cơ Hợp chất vô

cơ bao gồm các thành phần không thuộc kim loại (nitrat, phosphat, sunfat), thành phần bán kim loại (borat, silicat ) và kim loại (muối Na, Cu, C a )

Hợp chất hữu cơ có thể phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng (ví dụ chất hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, đồng phân, nhân th ơ m ) Cách phân loại đó phức tạp và thiếu tính thực tế trong công nghệ xử lý nước thải do sự tồn tại của hàng triệu chất hữu cơ đã biết cho tới nay Cách phân loại thực tế và có ích hơn là theo nguồn gốc của chúng: từ tự nhiên hay thuộc loại nhân tạo Tuy vậy cách phân loại này cũng gặp những khó khăn vì nhiều loại hợp chất hữu cơ có trong thiên nhiên cũng được con người chế tạo và còn biến tính thành các hợp chất mới hữu dụng hơn Đại diện cho các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên như mỡ, protein, carbohydrat, axit humic, tanin, lignin Hợp chất hóa học tổng hợp có thể là chất tẩy rửa, nước gội đầu, xà phòng, hóa mỹ phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật, chất màu công nghiệp

Phân loại theo đặc trưng sinh hóa

Phân loại tạp chất trong nước thải theo phương diện sinh hóa dựa trên đặc điểm

về tốc độ phân hủy chúng bởi vi sinh vật gây ra trong các hệ thống xử lý nước thải,

ví dụ phân hủy nhanh (đường, rượu etanol, metanol), chậm (mở, protein), không phân hủy, bền trong môi trường tự nhiên (hợp chất hữu cơ chứa clo, một số loại thuốc trừ sâu), độc (dioxin)

1.1.4 Tác hại của nước thảỉ sinh hoạt đến môỉ trường

Tác hại đến môi trường của nước thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nước thải gây ra

• C O D , B O D : sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây ra thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước Neu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong phân hủy yếm khí sinh ra các sản phẩm như : H2S, N H 3, C H 4 làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường

• SS: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí

• Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đời sống của thủy sinh vật nước

• Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ độc thức ăn, vàng da,

• Am oniac, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng N eu nồng độ trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa (sự phát triển bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở và diệt vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra)

• Màu: mất mỹ quan

• Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt.

1.1.5 Quản lý nước thải ở Việt Nam

Kiểm soát ô nhiễm nước thải mới được thực hiện từ giữa những năm 1990 tại Việt Nam , một khoảng thời gian rất ngắn so với các nước phát triển đã có lịch sử khoảng 100 năm nay Do mới ở giai đoạn đầu nên những kết quả đạt được cho đến nay cũng còn khiêm tốn

Tại các khu công nghiệp tập trung, nơi có nhiều nhà máy (đa dạng về ngành nghề sản x u ấ t) cùng hoạt động , các nguồn thải được thu gom về một vị trí để xử lý (thường gọi là trạm xử lý tập trung , thực chất mang tính phân tán ) Hệ thống xử lý nước thải tại các khu công nghiệp thường được lập kế hoạch xây dựng ngay từ giai đoạn xây dựng hạ tầng cơ sở nên có thể đưa vào hoạt động cùng với sự hoạt động của khu công nghiệp đó

Các cơ sở sản xuất công nghiệp không nằm trong khu công nghiệp tồn tại xen lẫn với vùng dân cư, thường được xây dựng trước đây (công nghệ lạc hậu ) và với quy

mô sản xuất nhỏ nên phần lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải (khoảng 70 %)

Hoạt động sản xuất tại các làng nghề (chế biến nông sản , thực phẩm , mủ cao su

tự nhiên, đồ gỗ, thủ công mỹ n g h ệ , gia công kim loại ) gắn liền với sinh hoạt của cộng đồng dân cư (trong vùng nông thôn ) cũng phát sinh một lượng lớn nước thải

và mang tính thời vụ, hầu hết chưa được quản lý

M ột loại hình nước thải khác với lượng rất lớn liên quan đến canh tác nông nghiệp (trồng lúa n ư ớ c , nuôi trồng thủy sản ) chăn nuôi gia s ú c , gia cầm đang được xem là “vùng trắng” vì mức độ kiểm soát nguồn thải trên còn rất h ạn chế Tác động tiêu cực của các nguồn thải từ các hoạt động nông nghiệp khi không được kiểm soát cũng rất nặng nề khi xét về phương diện lưu lượng thải (trồng lúa, nuôi trồng thủy sản) và các thành phần ô nhiễm (dinh dưỡng, hóa chất bảo vệ thực vật ) Tác động

tiêu cực của các nguồn thải không chỉ thể hiện về phương diện làm cạn kiệt oxy trong vực nhận nước do thành phần hữu cơ có khả năng sinh hủy (BOD), gây ra hiện tượng phú dưỡng (N, P), tác động trực tiếp đến sức khỏe con người (chất lượng thực phẩm thông qua chuỗi thức ăn ) và ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất của vật nuôi và cây trồng (ví dụ phát tán dịch bệnh cho vật nuôi , nguồn thủy sản trong tự nhiên).

Nguồn nước thải sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao nhất so với các nguồn thải khác với lưu lượng thải rất biến động phụ thuộc vào mật độ và quy mô của các vùng dân cư

Số lượng các thành phố lớn có dân số tập trung trên 1 - 2 triệu người sinh sống hiện nay không nhiều (tăng lên trong tương lai do quá trình đô thị hóa ) nhưng các khu dân cư tập trung quy mô nhỏ (thị xã, thị trấn, thị tứ, làng xóm , khu vực du lịch, giải trí) thì lại với số lượng rất ca o, thường được ngăn cách khá xa nhau bởi những vùng đất canh tác nông nghiệp , rừng núi, sông nước M ột đặc điêm khác hiếm thấy

là dân cư sống đông đúc dọc theo các trục đường giao thông (tỉnh, huyện và xã lộ)

Hiện trạng quản lý nguồn nước thải sinh hoạt xuất phát từ các địa điêm trên chưa được hoạch định , là vấn đề còn đang bỏ ngỏ Giải pháp quản lý nguồn nước thải sinh hoạt đối với từng khu vực chắc chắn sẽ rất khác nhau , không thế có giải pháp chung chung (như ta thường làm cho đến nay ) Phương pháp tiếp cận hợp lý có thể

là (đang thực h iện) phát triển giải pháp quản lý tập trung cho các vùng dân cư có quy mô l ớ n , lưu lượng thải cao , quản lý phân tán cho các quy mô nhỏ Trong các giải pháp quản lý nước thải phân tán cho nước thải sinh hoạt và của các cơ sở sản xuất nhỏ cần chú ý tới tính chất tổ hợp tương hỗ, kết hợp xử lý ô nhiễm với sản xuất nông n g h i ệ p , sản x u ấ t năng lượng , sản xuất sinh khối sơ cấp , thứ cấp, nuôi trồng thủy sản, tái sử dụng nước thải vào những mục đích thích hợp cùng với mục đích giảm nhẹ gánh nặng ch i phí cho xử lý nước thải như các nơi khác trên thế giới đang thực hiện, đặc biệt tại các nước đang phát triển

1.2 Tổng quan về photpho

1.2.1 Định nghĩa

Photpho (P) là một nguyên tố trong tự nhiên tồn tại dưới dạng quặng Ở sinh vật photpho có vai trò quan trọng có nhiều trong xương động vật dưới dạng canxi photphat, trong não, lòng đỏ trứng, dưới dạng hợp chất hữu cơ

Photpho là một phi kim, nguyên tử lượng 31, tỉ trọng 1,83, điểm nóng chảy

94 °c, điểm sôi 278 °c, không tan trong nước, tan trong dung môi hưu cơ Là một chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm, dễ uốn

Tổng lượng photpho bao gồm ortophotphat ( P 0 43’), poly photphat (hai phân

tử axit ortophotphoric ngưng tụ lại thành một phân từ) và các hợp chất photpho hữu

cơ trong đó ortophotphat luôn chiếm tỉ lệ cao nhất Photphat có thể ở dạng hòa tan, keo hay rắn Trước khi phân tích cần xác định dạng tồn tại của photpho N eu chỉ xác định ortophotphat (mục đích kiểm soát quá trình kết tủa của photpho) thì mẫu cần lọc trước khi phân tích Tuy nhiên nếu phân tích photpho tổng (kiểm soát giới hạn thải) thì mẫu phải được đồng nhất và thủy phân

1.2.2 Vai trò của photpho

Photpho là một yếu tố cần thiết cho sự sống, sinh vật sống, bao gồm cả con người, sở hữu một số lượng nhỏ và yếu tố này rất quan trọng trong quá trình sản sinh năng lượng của tế bào Trong nông nghiệp, photpho khai thác từ các mỏ được

sử dụng rộng rãi đê chế biến làm phân bón giúp tăng năng suất cây trồng Photpho cũng đã được sử dụng công nghiệp khác

Photpho là nguyên tố quan trọng trong mọi dạng hình thành sự sống đã biết Photpho vô cơ trong dạng photphat P 0 43’ đóng một vai trò quan trọng trong các phân tử sinh học như AN D và ARN trong đó nó tạo thành m ột phần của phần cấu trúc cốt tủy của các phân tử này Các tế bào sống cũng sử dụng photphat để vận

chuyển năng lượng tế bào thông qua adenosine triphotphat (ATP) Gần như mọi tiến trình trong tế bào có sử dụng năng lượng đều có nó trong dạng ATP ATP cũng là quan trọng trong photphat hóa, một dạng điều chỉnh quan trọng trong các tế bào Các photpholipit là thành phần cấu trúc chủ yếu của mọi màng tế bào Các muối photphat canxi được các động vật dùng để làm cứng xương của chúng Trung bình trong cơ thể người chứa khoảng gần lk g photpho, và khoảng ba phần tư số đó nằm trong xương và răng dưới dạng apatit M ột người lớn ăn uống đầy đủ tiêu thụ và bài tiết ra khoảng l-3 g photpho trong ngày dưới dạng photphat.

Theo thuật ngữ sinh thái học, photpho thường được coi là chất dinh dưỡng giới hạn trong nhiều môi trường, tức là khả năng có sẵn của photpho điều chỉnh tốc

độ tăng trưởng của nhiều sinh vật Trong các hệ sinh thái sự dư thừa photpho có thê

là một vấn đề, đặc biệt là trong các hệ thủy sinh thái, gây phú dưỡng và bùng nổ tảo

1.2.3 Thực trạng ô nhiễm photpho hiện nay

Dư thừa photpho từ các cánh đồng và bãi cỏ ở ngoại ô các thành phố xuống các ao, hồ, sông, suối là nguyên nhân chính để tảo phát triển, sau đó chúng đi vào các nguồn nước và làm giảm chất lượng nước Ô nhiễm photpho gây nguy hiểm cho

cá và các loài thủy sinh khác cũng như các loài động vật và con người, những sinh vật sống phụ thuộc vào nguồn nước sạch Trong một số trường hợp dư thừa photpho còn giúp tảo độc phát triển, gây ra mối đe dọa trực tiếp đến sinh mạng con người và động vật

Dư thừa photpho trong môi trường là vấn đề chủ yếu ở các nước công nghiệp, phần lớn ở Châu Âu, Bắc M ỹ và một số khu vực Châu Á Ở các khu vực khác, đặc biệt là Châu Phi và Australia, đất rất nghèo photpho, gây ra một sự mất cân bằng dinh dưỡng Trớ trêu thay, đất ở những nơi như Bắc Mỹ, khu vực mà phân bón với photpho được sử dụng phổ biến nhất

1.2.4 Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho

Hợp chất photphat được tìm thấy trong nước thải sinh hoạt hay được thải trực tiếp vào nguồn nước mặt phát sinh từ:

• Thất thoát từ phân bón có trong đất

• Chất thải từ người và động vật

• Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch

Việc sử dụng photpho trên toàn thế giới, m ột loại phân bón quan trọng trong nông nghiệp hiện đại - phân lân, một nhóm nhà nghiên cứu cảnh báo rằng kho dự trữ photpho trên thế giới sẽ sớm khan hiếm và việc sử dụng quá mức trong một thế giới công nghiệp hóa là nguyên nhân hàng đầu dẫn tới sự ô nhiễm ao, hồ, sông, suối như hiện nay

1.2.5 Ảnh hưởng của photpho tổng

Hiện nay, nông nghiệp nước ta phải sử dụng phân hóa học và thuốc trừ sâu,

cỏ dại với khối lượng ngày càng lớn Đây là xu thế tất yếu bởi lẽ phân hóa học và thuốc trừ sâu, trừ cỏ dại có tác dụng quyết định đến 40-50% mức tăng sản lượng cây trồng hàng năm, vấn đề đặt ra ở đây là cần có các biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế mặt độc hại của những hóa chất ấy đối với môi trường sống và sức khỏe con người

Có hàng trăm loại hóa chất trừ dịch hại và phân hóa học được đưa vào nước

ta Theo nhiều nhà nghiên cứu, trong khoảng hơn 120 hóa chất trừ sâu bệnh thông dụng thì có tới 90 chất độc hại, 33 chất gây đột biến di truyền, 22 chất gây dị dạng khuyết tật, 14 chất gây u độc và ung thư cho các loại động vật máu nóng Nói chung, hầu hết các loại phân hóa học và hóa chất trừ dịch bệnh, cỏ dại ít nhiều đều gây độc cho người và gia súc

Mỗi loại hóa chất có tính chất hóa lý khác nhau nên cơ chế gây độc cũng khác nhau Có thể chia làm hai loại: Loại độc mạnh, cấp tính nguy hiểm và loại gây độc từ từ, tích lũy dần, gây tác hại mãn tính cho người.

N hóm cơ photpho phân hủy tương đối nhanh trong đất, cây, trong cơ thể người và động vật Khi bị nhiễm độc nặng, sẽ ảnh hưởng rõ rệt đến hệ huyết áp,

hô hấp, làm thay đổi chức năng của hệ thần kinh, làm tổn thương chức năng bài tiết của thận và quá trình trao đổi chất trong cơ thể Neu nhiễm độc nhóm Clo hữu cơ,

sẽ tác động mạnh đến hệ thần kinh, gây co giật cơ, làm nhịp tim và hệ tiêu hóa rối loạn

1.2.5.1 Anh hưởng đến môi trường nước

Khả năng tồn tại của photphat sinh học hoàn toàn phụ thuộc vào pH:

+ Ở pH thấp (môi trường axit): photpho gắn chặt với các hạt sét và tạo thành các chất tổng hợp không tan với ion sắt ví dụ [ F e ( 0 H )2H2P 0 4)] và nhôm [A1(0H)2H2P 0 4] D o sự xuất hiện của ion F e 3+ và nhôm trong đất, của cặn lắng và nước, nên lượng photpho hòa tan rất thấp trong điều kiện axit Khi môi trường không có oxy, photpho được cố định là các phức hợp sắt không tan, có thể giải phóng Fe3+,giảm thành F e 2+ và tạo thành sunfit sắt

+ Trong điều kiện pH cao (môi trường kiềm): Photpho hình thành các hợp chất không hòa tan khác nhất là canxi (ví dụ hydroxyapatite C a i0(PO4)6(O H 2)) Trong điều kiện hiếu khí có Ca, Al và ion Fe thì photphat tan nhiều nhất ở

khí làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước và điều này gây độc hại đến đời sống thủy sinh.

Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống vào trong nhiều ngành công nghiệp, nông nghiệp Khi thải lk g nitơ dưới dạng hợp chất hóa học và môi trường nước sẽ sinh ra 20kg C O D, cũng như vậy, khi thải l k g p sẽ sinh ra 138kg COD Trong nguồn nước giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy sinh phát triển mạnh tạo nên mật độ lớn vào ban ngày hoặc khi nhiều nắng tảo quang hợp mạnh Đe quang hợp, tảo hấp thụ khí C 02 hoặc bicacbonat ( H C C ^ trong nước và nhả oxy pH của nước tăng nhanh, nhất là khi nguồn nước có

pH thấp (tính đệm thấp do cân bằng H2C O3 - H C O3 -C O32" ) vào cuối buổi chiều;

pH của một số ao, hồ giàu dinh dưỡng có thể đạt giá trị trên 10 N ồng độ oxi hòa tan trong nước thường siêu bão hòa, tới 20mg/L

Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân hủy chất hữu

cơ để tạo năng lượng, ngược với quá trình quang hợp) xảy ra

Trong khi hô hấp, tảo và thực vật thủy sinh tiêu thụ oxy thải ra C 02 là tác nhân làm giảm pH của nước

Trong các nguồn nước, nếu hàm lượng N>30-60m g/L, P>4-8mg/L sẽ xảy ra hiện tượng phú dưỡng Vào ban đêm hoặc những ngày ít nắng, quá trình hô hấp diễn ra mạnh mẽ gây hiện tượng thiếu oxy và làm giảm pH của nước Do vậy, vào buổi sáng thường oxy trong nước cạn kiệt và pH rất thấp

Hiện tượng phú dưỡng cũng xảy ra ở hệ sinh thái biển, đặc biệt vùng cửa sông hay các vịnh kín hoặc các vùng biển kín Tảo nở hoa gây ra hiện tượng thủy triều đỏ và phân hủy hệ sinh thái thủy sinh Ví dụ trong suốt mùa du lịch trên thế giới có khoảng 200 triệu người du lịch cùng với 85% nước thải sinh hoạt không được xử lý từ các thành phố lớn thải ra biển sẽ gây ô nhiễm biển ở nhiều nơi Cá chết và gây ô nhiễm trầm tích

1.2.5.2 Anh hưởng đối với con người

Đây là nguyên tố có độc tính với 50mg là liều trung bình gây chết người (photpho trắng nói chung được coi là dạng độc hại của photpho trong khi photphat

và ortophotphat lại là các chất dinh dưỡng thiết yếu) Thù hình photpho trắng cần được bảo quản dưới dạng ngâm nước do nó có độ hoạt động hóa học rất cao với oxy trong khí quyển và gây ra nguy hiểm cháy và thao tác với nó cần được thực hiện bằng kẹp chuyên dụng do việc tiếp xúc trực tiếp với da có thể sinh ra các vết bỏng nghiêm trọng Ngộ độc mãn tính photpho trắng đối với các công nhân không được trang bị bảo hộ lao động tốt dẫn đến trứng chết hoại xương hàm N uốt phải photpho trắng có thể sinh ra tình trạng mà trong y tế gọi là “ hội chứng tiêu chảy khói” Các hợp chất hữu cơ của photpho tạo ra một lớp lớn các chất, một số trong đó là cực kì độc M ột loạt các hợp chất hữu cơ chứa photpho được sử dụng bằng độc tính của chúng để làm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm, vv Phần lớn các hợp chất photphat vô cơ là tương đối không độc và là các chất dinh dưỡng thiết yếu

Khi photpho trắng bị đưa ra ánh nắng mặt trời hay bị đốt nóng thành dạng hơi ở 250 độ c thì nó chuyển thành dạng photpho đỏ, và nó không tự cháy trong không khí, do vậy nó không nguy hiểm như photpho trắng Tuy nhiên, việc tiếp xúc với nó vẫn cần sự thận trọng do nó cũng có thể chuyển thành dạng photpho trắng trong một khoảng nhiệt độ nhất định và nó cũng tỏa ra khói có độc tính cao chứa các oxit photpho khi bị đốt nóng

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý tổng photpho (T-P) trong nước thải

sinh hoạt

1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho

Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải dưới ba dạng hợp chất: photphat đơn ( P 0 43’), p o l y p h o t p h a t ( P 2 O 7 ) v à h ợ p c h ấ t h ữ u c ơ c h ứ a p h o t p h a t , h a i h ợ p c h ấ t s a u

chiếm tỉ trọng lớn Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước thải duy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào Hàm lượng photpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 - 2,5%) khối lượng khô Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu photphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 - 7%), lượng photpho dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau Trong điều kiện yếm khí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng photphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng photphat đơn Một vài loại tảo cũng có khả năng tích trừ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế bào

Hiện tượng trên được sử dụng để tách loại hợp chất photpho ra khỏi môi trường nước thải bằng cách tách vi sinh có hàm lượng photpho cao dưới dạng bùn thải hoặc tách photphat tồn tại trong nước sau khi xử lý yếm khí bằng biện pháp hóa học.Biện pháp loại bỏ photpho từ bùn được gọi là phương pháp tách trực tiếp, biện pháp sau áp dụng giải pháp xử lý kế tiếp giữa hiếu khí - yếm khí có ghép thêm công đoạn xử lý hóa học (công đoạn phụ - side stream)

Xử lý photpho vì vậy không phải là một hệ xử lý độc lập mà là bổ xung hoặc vận hành hợp lý một tổ hợp đã tồn tại nhằm mục đích tách loại thêm khi so với các hệ cũ: phương pháp tăng cường xử lý photpho bằng biện pháp sinh học (enhanced biological phophorus removal EBPR)

Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình hấp thu - tàng trữ - thải photpho được quy chung về nhóm vi sinh bio - p mà vi sinh Acinetobacter là chủ yếu Loại

vi sinh bio - p phát triển trong điều kiện vận hành kế tiếp chu trình hiếu khí - yếm khí, tham gia vào quá trình tách loại photpho theo cơ chế trên Hệ thống xử lý photpho theo nguyên tắc trên được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tiễn xử lý nước thải mặc dù cơ chế của quá trình vẫn chưa được hiểu thấu đáo

Dưới điều kiện hiếu khí ( 0 2) vi sinh bio - p tích lũy photphat trùng ngưng trong

cơ thể chúng từ photphat đơn tồn tại trong nước thải

C2H402 + 0,16 N H 4+ + 1 , 2 0 2 + 0 , 2 P O43' -> 0,16 C5H7N 02 + 1,2 C0 2 + 0 , 2

(H P O3) + 0,44 O H ' + 1,44 H 20 (1.1)

Phương trình tỷ lượng (1.1) được thành lập trên cơ sở chất hữu cơ là axit axetic (C2H4O2) với tỉ lệ tính theo mol của P0 4 3VC2H4 0 2 = 0 , 2 và với hiệu suất sinh khối hữu hiệu là 0,3 g/g C2H4O2 H P O3 là photphat ở dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy, chỉ có m ặt nitrat) quá trình tích lũy photpho xảy ra:

C2H4O2 + 0 ,16N H 4+ + 0 , 2 P 0 43"+0,96N 03"—> 0,16C 5H 7N 0 2 + 1,2 C 02 +

0 ,2 ( H P 0 3) + 1 ,4 0 H ' + 0,48N 2 + 0 , 9 6 H 20 (1.2)

Từ (1.2) cho thấy chủng loại vi sinh tích lũy photpho cũng có khả năng khử nitrat

Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn:

2 C2H4O2 + (H P O3) + H20 - > (C2H4 0 2)2 + P 04 3' + 3 H + (1.3)

(C2H4 0 2 ) 2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ ngoài vào Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol p/m ol axit axetic

Hiệu suất sinh khối của loại vi sinh bio - p (còn gọi là loại tích lũy photpho, Phosphorus acccumulating organisms, P A O s) tương tự như loại dị dưỡng hiếu khí

có giá trị 0,5 - 0,6 g SK/g COD tan (sinh khối cũng tính theo COD) Neu hiệu suất sinh khối của bio - p tính theo khối lượng của thành phần không tan thì giá trị thu được phụ thuộc vào hàm lượng photpho trong cơ thể vi sinh vật, tương ứng với sự

“thay thế” của chất hữu cơ khi photphat được thải ra

Số liệu động học liên quan đến quá trình tích lũy - thải photpho của vi sinh vật

từ nghiên cứu chênh lệch nhau khá nhiều , vì vậy nên có những đánh giá trong từng trường hợp cụ thể Tuy nhiên khi xét về mặt động học cần chú ý tới cả ba giai đoạn

của một quá trình: tích lũy trong điều kiện hiếu khí, thiếu khí và tách photphat trong điều kiện yếm khí.

Trong điều kiện hiếu khí tốc độ hấp thu photphat được mô tả qua phươ ng trình động học dạng Monod:

m , p

l'p Ymtp’s p + K p .X(PAO) (1.4)

Vị p : tốc độ hấp thu photphat từ môi trường nước.

J*im p , Y m p là hằng số tốc độ phát triển cực đại và hiệu suất sinh khối cực đại của

vi sinh bio - p

Sp và Kp là nồng độ photphat trong dung dịch và hằng số bán bão hòa X (PA O)

là nồng độ vi sinh tích lũy photpho

Trong điều kiện thiếu khí, tốc độ hấp thu photphat nằm trong khoảng 40 - 60%

so với tốc độ trong điều kiện hiếu khí

Tốc độ tách photphat từ vi sinh vật trong điều kiện yếm khí phụ thuộc vào tốc độhấp thu cơ chất, tức là phụ thuộc vào bản chất của cơ chất Neu sử dụng cơ chất là axit axetic thì phương trình động học dạng M onod mô tả quá trình tách photphat có dạng:

Bảng 1 ghi các giá trị động học quá trình xử lý photpho bằng phương pháp visinh

Bảng 1 Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20°c

Hiệu suất sinh khối Y m,p gC O D /gC O D (A x) 0,5 - 0,6

cực đại, axit axetic

Hiệu suất sinh khối Y m,p gSK /gC O D (A x) 0 ON 1 o 0

cực đại, axit axetic

Hiệu suất sinh khối Y m,p gP/gCO D(Ax) 0 ,0 7

Hiệu quả và tốc độ xử lý photpho phụ thuộc vào các yếu tố của môi trường như

pH, nhiệt độ, cơ chất và sự có m ặt của nitrat trong giai đoạn yếm khí

So với các quá trình vi sinh khác, quá trình tăng cường xử lý photpho ít nhạy cảm với nhiệt độ Nhìn chung hiệu quả xử lý tăng ở nhiệt độ thấp

pH có tác động đến giai đoạn hấp thu photphat của vi sinh vật, điều kiện tối ưu nằm trong khoảng 6 , 6 - 7,4, giảm đáng kể khi pH < 6,2

Hiệu quả xử lý photpho phụ thuộc vào hai yếu tố môi trường là: điều kiện kế tiếp của yếm khí/thiếu khí và sự vắng mặt nitrat trong giai đoạn yếm khí Điều kiện yếm

khí giúp cho quá trình chọn lọc, làm giàu loại vi sinh tích lũy photphat hoạt động trong giai đoạn hiếu khí sau đó Sự có mặt của nitrat gây ra hai tác động: sử dụng cạnh tranh nguồn cơ chất dễ sinh hủy giữa vi sinh Denitrifier và bio - p (1,26 mol axit axetic/mol N O3 ), làm thay đổi cơ chế trao đổi chất của bio - p dẫn đến mất khả năng tích lũy photphat trùng ngưng.

1.3.2 Tách loạiphotph o trong công nghệ x ử lý nước thải

Dựa trên nguyên tắc hoạt động của vi sinh vật bio - p, quá trình tách loại photpho trong một hệ thống xử lý nước thải có thể thực hiện phối hợp với oxy hóa BOD, với khử hợp chất nitơ theo các phương án kỹ thuật khác nhau

lý hiếu khí, photphat đơn được vi sinh sử dụng để tổng hợp tế bào và được tích lũy bởi loại vi sinh bio - p Sinh khối lắng trong bể thứ cấp chứa hàm lượng photpho cao được tách loại photpho trong quá trình AO phụ thuộc vào tỉ lệ BOD:P, nếu tỉ lệ trên lớn hơn 1 0, hiệu quả tách loại tốt, nếu tỉ lệ trên thấp có thể bổ xung thêm muối sắt, nhôm để giảm nồng độ photpho tại đầu ra Quá trình AO là quá trình tách loại photpho trực tiếp, không ghép thêm công đoạn tách phụ vào hệ xử lý nước thải

thông dụng Trong trường hợp nước thải chứa hợp chất nitơ, hệ trên cũng có tác dụng xử lý, tuy nhiên cần phải tính toán đủ thời gian lưu cho giai đoạn hiếu khí để oxy hóa amoni.

Quá trình Phostrip

Phostrip là quá trình tách loại photpho có ghép thêm công đoạn phụ để kết tủa photphat tan sau khi xử lý yếm khí (hình 2 ):

B ù n thải

Hình 2 Sơ đồ phostrỉp tách loại photpho

Trong sơ đồ công nghệ Phostrip, một phần bùn thải từ bể lắng thứ cấp được đưa vào xử lý yếm khí với thời gian lưu thủy lực từ 8 - 12 giờ Photphat đơn tách ra từ

xử lý yếm khí tan trong nước, phần nước này được tách ra để kết tủa với hóa chất Sinh khối sau khi tách photpho được đưa về cùng với sinh khối từ bể lắng thứ cấp hòa trộn với dòng vào để xử lý hiếu khí

K ỹ thuật mé kế tiếp giai đoạn

Sừ dụng kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn cũng có thể tách loại đồng thời BO D, hợp chất nitơ, photpho bằng cách thay đổi thời gian vận hành đối với từng chu kỳ Trong giai đoạn sục khí xảy ra các quá trình oxy hóa BOD, amoni và tích lũy photpho

Trong giai đoạn khuấy trộn xảy ra quá trình khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối Tách photpho ra khỏi nước thải có thể thực hiện với hóa chất hay trực tiếp (ngay sau xử lý hiếu khí) Đe khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối cần bổ xung thêm BO D hoặc sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh.

Quá trình B ardenpho năm giai đoạn

Quá trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho Giai đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho Giai đoạn xử lý thiếu khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu cơ phân hủy nội sinh Bê hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phần amoni, BO D dư và đê hạn chế quá trình tách loại photpho từ vi sinh trong bể lắng thứ cấp Hỗn hợp bùn - vi sinh được quay vòng từ bể hiếu khí đầu về bề thiếu khí thứ nhất So với AAO thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn ( 1 0 - 4 0 ngày)

Quá trình UCT

UCT là tên viết tắt của University o f Cape Town, nơi thiết lập sơ đồ công nghệ

xử lý có khả năng đồng thời loại bỏ B O D, hợp chất nitơ và photpho Sơ đồ UCT tương tự sơ đồ công nghệ AAO, tuy vậy có hai điểm khác biệt: vi sinh được quay vòng về bể xử lý thiếu khí và có hai vòng quay hỗn hợp nước - bùn nội bộ từ thiếu khí về hiếu khí và từ thiếu khí về yếm khí

Quay vòng bùn từ bể lắng về bể thiếu khí sẽ hạn chế được sự có mặt của nitrat trong bể yếm khí, thúc đẩy quá trình tách photpho từ vi sinh trong giai đoạn yếm khí Hai chu trình nội bộ giúp tăng cường khả năng xử lý chất hữu cơ.

Chất hữu cơ có trong dòng quay vòng từ bể xử lý thiếu khí là loại dễ sinh hủy và hàm lượng nitrat trong đó thấp vì vậy thích hợp cho quá trình tách photpho từ vi sinh vật Dòng quay vòng nội bộ thứ hai và bùn từ bể lắng thứ cấp có tác dụng khử nitrat

a

b

c

Hình 3 Sơ đồ xử lý nito’, photpho: a) AA O ; b) Bardenpho năm giai đoạn; c)

Quá trình UCT; d) quá trình VIP

Quá trình VIP

VIP là tên viết tắt của Virginia Initiative Plant in Norfork, Virginia) tương tự như AAO và UCT, điểm khác biệt là chu trình quay vòng bùn và hỗn hợp bùn - nước (hình 3 d) Bùn từ bể lắng cùng với hỗn hợp bùn nước từ bể hiếu khí được đưa về

bể xử lý thiếu khí, còn hỗn hợp bùn - nước từ bể thiếu khí được quay vòng về bể yếm khí Do một phần chất hữu cơ của dòng vào được xử lý qua hai giai đoạn yếm khí và thiếu khí nên tiết kiệm được lượng oxy tiêu thụ tại bể hiếu khí

1.3.3 Đặc thù của quá trình x ử lý photpho

Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ bùn Dòng bùn quay vòng cùng với nước thải được đưa về

bể xử lý yếm khí Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí Trong môi trường yếm khí, nơi giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí chúng tích lũy photphat tan trong nước thải Do thay đổi về điều kiện cơ chất từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên

bề yếm khí còn đóng vai trò của bể chọn lọc vi sinh: thúc đẩy sự phát triên của vi

sinh tích lũy photpho và hạn chế vi sinh dạng sợi phát triển, tạo điều kiện lắng bùn tốt hơn trong bể lắng thứ cấp

Thông thường thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí có ảnh hưởng không lớn lắm đến quá trình giải phóng photpho, quá trình này chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và các thông số vận hành: bản chất và nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan, nitrat, pH, nhiệt độ Vì lý do đó, thiết kế hệ xử lý photpho đạt hiệu quả cao

là việc không dễ dàng Trong thiết kế cũng phải đảm bảo cho yếu tố và điều kiện vận hành sao cho điều kiện yếm khí được duy trì, ví dụ giảm lượng oxy hòa tan từ dòng vào và từ dòng hồi lưu bùn Quá trình giải phóng photpho cũng xảy ra trong

bể lắng và cũng cần được hạn chế khi quay vòng bùn Do biến động của nhiều yếu

tố nên hệ xử lý được thiết kế rất cần yếu tố linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu

M ục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ trong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải Hệ xử lý photpho có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc thiết kế đòi hỏi gọn, ít thay đôi cơ cấu của hệ cũ Ví dụ với hệ xử

lý bùn hoạt tính theo kỹ thuật dòng lý tưởng khi chuyển đổi một phần thể tích bể sang chế độ hoạt động yếm khí thì có thể xây dựng vách ngăn để tách riêng hai vùng, ngăn chặn sự lưu thông ngược lại từ vùng hiếu khí sang yếm khí Tất nhiên, ngay trong vùng yếm khí cũng cần được khuấy trộn để tạo điều kiện cho sinh khối ở trạng thái lơ lừng Hệ được bố trí như vậy kèm thêm các điều kiện khác như cấp đầy

đủ chất hữu cơ thích hợp, kiểm soát được oxy hòa tan, nitrat, nitrit thì hệ sẽ hoạt động có hiệu quả

M ột số mô hình có thể sử dụng để tính toán thiết kế hệ xử lý photpho: ASM 2,

A S M 2d (IW A 1994, 2000) hoặc E A W A G Bio - p module (phiên bản của ASM 3),

mô hình kinh nghiệm

Đe có thể thiết kế hiệu quả một hệ thống xử lý photpho, yếu tố cực kỳ quan trọng

là đánh giá đầy đủ các đặc trưng của nước thải cần xử lý, đặc biệt là nguồn chất hữu

cơ trong đó mà vi sinh vật có thể hấp thu trong môi trường yếm khí

Đe hệ xử lý photpho hoạt động có hiệu quả cần đáp ứng các điều kiện:

- Điều kiện môi trường yếm khí, hiếu khí kế tiếp n h a u

- Đủ lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể hấp thu

- Lượng photpho trong nước thải cao hơn mức nhu cầu tổng hợp tế bào vi sinh

- Đủ hàm lượng kali và magie

- V ùng pH thích hợp

Đó là các điều kiện để vi sinh vật PAO phát triển trong môi trường yếm khí, tất nhiên để đạt tới mức độ ổn định về mật độ vi sinh vật cần có thời gian D òng hồi lưu bùn từ bể lắng thứ cấp về bể yếm khí cần được hòa trộn liên tục với dòng đầu vào Sau một thời gian nhất định, mật độ vi sinh PAO phát triển đạt mức cực đại

Sự biến động của tập đoàn vi sinh tích lũy photpho

Trong sinh khối của hệ xử lý tồn tại nhiều tập đoàn vi sinh vật, loại có mật độ (tỷ lệ) cao nhất trong sinh khối là loại có tốc độ phát triển nhanh nhất trong điều kiện vận hành của hệ Dưới điều kiện hiếu khí, vi sinh vật PAO không phát triển, mật độ thấp và vì vậy hệ xử lý bùn hoạt tính thông dụng không có khả năng “tăng cường xử

lý photpho” Vi sinh vật PAO khi gặp điều kiện yếm khí và chất hữu cơ sẽ sử dụng năng lượng tích trữ trong liên kết photphat (Adenosin triphotphat) để cô lập (bắt giữ) và polyme hóa một số các loại chất hữu cơ, tạo ra các phân tử polyme (polyhydroxybutyrate, PH B, polyhydroxyvalerate hoặc gọi chung là polyhydroxyalkanoate) và tích lũy chúng trong tế bào Loại vi sinh vật khác trong sinh khối không có khả năng tích lũy chất hữu cơ nên không thể phát triển trong điều kiện đó Tỉ lệ vi sinh PAO trong sinh khối tỉ lệ thuận với lượng chất hữu cơ được hấp thụ theo cơ chế trên và vi vậy trở thành yếu tố kiểm soát mật độ vi sinh PAO cùng với photpho