“ Tổng quan các phương pháp Tiểu luận: xử lý nước thải giàu N, P và ứng dụng trong xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản ”

Do vậy, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài : “ Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải giàu N, P và ứng dụng trong xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản ” Để đưa ra một bức tranh

A. Mở đầu

I Đặt vấn đề

Việt Nam bước vào giai đoạn chiến lược phát triển 2011 - 2020 với tư cách

là một nước đang phát triển Mục tiêu phát triển của Việt Nam là đến năm 2020

về cơ bản trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại Cùng với sự pháttriển đó là sự gia tăng lượng nước thải từ các hoạt động sản xuất gây áp lực lớnđối với môi trường Nếu chúng ta xử lý được lượng nước thải đó thì sẽ duy trìđược cân bằng sinh thái, cải thiện được vệ sinh môi trường, tạo điều kiện pháttriển bền vững lâu dài cho loài người

Nito và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả cáchoạt độngsống , các ngành công nghiệp, hoạt động nông nghiệp N , P tronghợp chất hóa học được gọi là thành phần dinh dưỡng nhưng trong phạm trùnước thải thì nó là đối tượng gây ô nhiễm cho môi trường Hàm lượng nitơ vàphotpho trong nước thải cao làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đến môitrường và với các quá trình xử lý khác trong hệ thống xử lý

Ngành công nghiệp chế biến thủy sản đã và đang đem lại lợi nhuận khôngnhỏ cho nền kinh tế Việt Nhưng bên cạnh những lợi ích mà nó mang lại về kinh

tế thì nó cũng để lại những hậu quả với môi trường sống của chúng ta Ngànhchế biến thủy hải sản cũng đưa vào môi trường một lượng nước thải khá lớn,

gây ô nhiễm nguồn nước Nước thải ngành chế biến thủy sản có chứa nhiều nito

và photpho

Do vậy, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài :

“ Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải giàu N, P và ứng dụng trong xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản ”

Để đưa ra một bức tranh tổng thể về việc xử lý nito - photpho, đồng thời

là nguồn thông tin tổng hợp cho các đề tài khác

II Mục đích

- Tìm hiểu về nguồn gốc nito và photpho trong nước thải

- Tìm hiểu các công nghệ xử lý nước thải giàu nito và photpho

- Tìm hiểu về ngành công nghiệp chế biến thủy sản :

 Tính chất đặc trưng nước thải nhà máy chế biến thủy sản

 Quy trình sản xuất chung của các nhà máy này

 Thiết kế quy trình xử lý nước thải của nhà máy chế biến thủy sản

III Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp : Tìm hiểu từ các tài liệu, công trình

nghiên cứu trước đó về nước thải chứa nhiều nito, photpho

A Kết quả nghiên cứu

I Tổng quan về các phương pháp xử lý nito và photpho ở Việt Nam và trên thế giới.

1 Nguồn gốc N và P

1.1 Nguồn nước thải sinh hoạt

Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được

cơ thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân) vàcác chất bài tiết khác (nước tiểu, mồ hôi) Hợp chất nitơ trong nước thải là cáchợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phầnkhác trong chất thải rắn và lỏng

Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượngoxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả năng oxy hoáamoni) thấp Thành phần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng trongnước thải sinh hoạt

Nguồn phát thải photpho quan trọng nhất trong nước thải sinh hoạt làphân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp Lượng photpho có nguồn gốc từ phânđược ước tính là 0,2 - 1,0 kg P/người/năm hoặc trung bình là 0,6 kg Lượngphotpho từ nguồn chất tẩy rửa tổng hợp được ước tính là 0,3 kg/người/năm Saukhi hạn chế hoặc cấm sử dụng photpho trong thành phần chất tẩy rửa, lượngphotpho trên giảm xuống, còn khoảng 0,1 kg/người/năm

Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải sinh hoạt biến động theolưu lượng nguồn nước thải: mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trungcác dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinhhoạt (thức ăn nguội, tự nấu nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian ngàytháng cũng như mức sống và tiện nghi của cộng đồng Lượng chất thải vìvậy thường được tính theo đầu người (khối lượng khô)

Bảng 1 Đặc trưng ô nhiễm nước thải sinh hoạt

Nguồn: R Crites, G Tchobanoglous Small and decentralized wastewater

management systems WCB/Mc Graw Hill 1998 2 WEF Biological and

chemical systems for nutrient removal Special publication Alexandria USA

1998

1.2 Nguồn gốc từ nước thải công nghiệp

Ô nhiễm do hợp chất nitơ, photpho từ sản xuất công nghiệp liên quan chủyếu tới chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề đặcbiệt như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da

Chế biến thực phẩm thải một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, photpholiên quan đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thuỷ hải sản, giết mổvàsản xuất thức ăn từ các loại thịt, sữa, đậu, nấm

Chế biến sữa, sản xuất bơ, pho mát, chế biến nấm, ươm tơ cũng thải ra mộtlượng nước thải đáng kể chứa hợp chất nitơ

Quá trình sản xuất một số loại hoá chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra lượng khálớn hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất này dễ bị thuỷ phân trong môitrường và tạo ra amoniac

Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải công nghiệp cũng biếnđộng rất mạnh, không chỉ theo mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối vớicác cơ sở chế biến thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm

Bảng 2 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp

- Chế biến rau, quả, đồ uống 4

Nguồn:- J Takeda, T Suzuki Technical manual of marine products processing

on industrial pollution control Japan environmental consultants Ltd, 1999.

1.3 Nguồn thải từ nông nghiệp, chăn nuôi

Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm và lân cho câytrồng vì các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt Trong rất nhiều trường hợpngười ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chấtnitơ , photpho trong đó để làm phân bón cho cây trồng

Trong môi trường nước, urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac vàkhí carbonic:

CO(NH2)2 + H2O  CO2 + 2 NH3

Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng nhỏhơn so với nước sinh hoạt, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại Nướcthải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, rácrưởi, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, photpho đượcchiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nước Nồng độ các tạp chất trong nước thảichuồng trại cao hơn từ 50 - 150 lần so với mức độ ô nhiễm của nước thải đôthị

Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau

vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau

Bảng 3 Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi

rệt đối với từng bãi cụ thể Thành phần hữu cơ chứa nitơ trong rác chủ yếu làprotein và một lượng nhỏ hơn các hợp chất axit nucleic, chitin, ure,phospholipit, các sản phẩm phân huỷ từ thức ăn, xác động vật

So với các loại hình nước thải khác, độ dao động của các đặc trưng ônhiễm rất lớn do điều kiện thời tiết và mức độ phân huỷ tại thời điểm đánh giá

Bảng 4 Đặc trưng ô nhiễm nước rỉ rác tại một số bãi chôn lấp tại Hà Nội, Quảng Ninh, Nam Định, Hải Phòng, giá trị đặc trưng (a) và khoảng dao động (b)

Đặc trưng Hà Nội Quảng Ninh Nam Định Hải PhòngCOD (mg/l)

5 - 121,1 - 31,6

3 - 120,5 - 18,9

5 - 160,8 - 26,1

Nguồn: Lê Văn Cát Sự biến động chất lượng nước rác - Cở sở khoa học để xây dựng công nghệ xử lý Hội nghị hóa học toàn quốc lần thứ IV 10/2003 (Hóa phân tích và môi trường), 146 - 154

2 Khái quát về phương pháp xử lý nito và photpho

Trước khi trình bày chi tiết và các quá trình xử lý hợp chất Nito – Photphotrong nước thải, chúng ta sẽ liệt kê các phương pháp đã được nghiên cứu vàmột số được ứng dụng trong thực tiễn Một số phương pháp đã được sử dụng để

xử lý nito, photpho riêng rẽ, một số được sử dụng để xử lý đồng thời 2 yếu tốtrên

2.1 Xử lý hợp chất N

Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học),vật lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất kháchoặc tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước

Xử lý hợp chất nitơ trong nước thải với mục tiêu cao nhất về phươngdiện công nghệ là chuyển hóa chúng về dạng khí nitơ

Hiệu quả xử lý và giá thành của từng phương pháp rất khác nhau và khảnăng sử dụng từng phương pháp còn phụ thuộc vào nồng độ của hợp chất nitơ(amoni) trong nước

- Nồng độ amoni trong nước thải nhỏ hơn 100 mgN/l như trong nước thảisinh hoạt thì phương pháp vi sinh là thích hợp

- Nồng độ amoni trong khoảng 100 - 5000 mg N/l như trong nước thải từquá trình phân hủy bùn thì áp dụng phương pháp vi sinh

- Nước thải có nồng độ amoni lớn hơn 5000 mg N/l có thể xử lý theophương pháp hóa lý sẽ thuận lợi cả về mặt kỹ thuật và kinh tế

2.2 Xử lý hợp chất P

Hầu như tất cả các hợp chất của photpho không tồn tại ở dạng bay hơitrong điều kiện thông thường, vì vậy để tách photpho ra khỏi nước cần phảichuyển hóa chúng về dạng không tan trước khi áp dụng các kỹ thuật tách chấtlắng như: lọc, lắng hoặc tách trực tiếp qua màng thích hợp

Xử lý hợp chất photpho dựa trên các nguyên tắc sau:

- Kết tủa photphat với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tương ứng

có độ tan thấp và tách chúng ra dưới dạng chất rắn

- Phương pháp sinh học: thông thường hàm lượng P trong tế bào chiếm 1,5

2,5% khối lượng tế bào khô, một số loại có thể hấp thu cao hơn từ 6 8% Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra phần tích lũy dư thừa Pđược tách trực tiếp ra khỏi nước thông qua thải bùn dư (vi sinh chứanhiều photpho) hoặc tách ra dưới dạng muối không tan sau khi xử lý vớimột hệ kết tủa kèm theo

Tách các hợp chất P đồng thời với các tạp chất khác qua quá trình màngthích hợp: màng nano, màng thẩm thấu ngược hoặc điện thẩm tích Vềnguyên tắc hiệu quả tách lọc qua màng có hiệu suất cao nhưng do giáthành quá đắt nên hầu như chưa thấy có ứng dụng trong thực tế

2.3 Xử lý đồng thời hợp chất N và P

Những phương pháp xử lý đồng thời hợp chất N và P là các quá trình xử lýđơn lẻ như lắng thứ cấp, xử lý bậc hai, xử lý với thủy thực vật Quá trình lắng

sơ cấp loại bỏ được một phần hợp chất nitơ, photpho ở dạng không tan, không

có tác động đến dạng tan Hiệu quả loại bỏ nitơ, photpho trong các quá trìnhđơn lẻ trên không cao, đạt mức:

- Trong quá trình xử lý sơ cấp: 5 - 10% N, P

- Trong xử lý thứ cấp : 10 - 20% N, P

- Xử lý thứ cấp + nitrat hóa : 20 - 30% N, P

Khả năng hấp thu N và P của thủy thực vật phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suấtsinh khối thực, tức là phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh và loài thực vật cụthể

Đồng thời loại bỏ hợp chất N và P bằng cách kết tủa chúng với ion magie tạothành hợp chất có độ tan thấp là struvite, MgNH4PO4 Phương pháp này thíchhợp cho nước thải có nồng độ cao

3 Xử lý nước thải giàu N và P bằng phương pháp cơ học và hóa lý

3.1 Xử lý cơ học

Mục đích là tách cặn rắn và rác ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thugom, lắng cặn Có thể dùng song chắn rác, bể lắng để loại bỏ cặn dễ lắngtạo điều kiện xử lý và giảm khối tích các công trình phía sau

+ Song chắn rác hoặc lưới chắn rác :

 Loại bỏ tất cả các tạp chất có thể gây sự cố trong quá trình vận hành

hệ thống XLNT như tắc ống bơm, đường ốn và ống dẫn

 Theo cách vớt rác thì song chắn rác được chia ra làm 2 loại : songchắn rác thủ công dùng trong nhà máy có công suất nhỏ dưới 0.1 m3/ngày và song chắn cơ giới dùng cho các trạm có công suất lớn hơn0.1 m3/ngày

+ Bể điều hòa : dùng để duy trì sự ổn định của dòng thải, khắc phục các vấn

đề sự vận hành do sự dao động của lưu lượng của dòng thải gây ra và nângcao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền sản xuất

+ Bể lắng : trong quá trình lắng được sử dụng để loại bỏ các tạp chất ở dạnghuyền phù thô ra khỏi nước thải Theo chức năng các bể lắng được phânthành : bể lắng cát, bể lắng sơ cấp và bể lắng thứ cấp

 Bể lắng cát : nhằm loại bỏ cát sỏi, đá dăm, các loại sỉ ra khỏi nướcthải

 Bể lắng sơ cấp : Đặt trước các công trình xử lý sinh học để giữ lại cáchợp chất hữu cơ không tan, loại bỏ các chất có khả năng lắng và cácchất nổi trong nước thải

 Bể lắng thứ cấp : Đặt sau công trình xử lý sinh học

3.2 Xử lý hóa lý

Sau khi xử lý cơ học, nước thải còn chứa nhiều cặn hữu cơ và vô cơ có kíchthước nhỏ, có thể dùng phương pháp đông keo tụ để loại bỏ chúng Phươngpháp cơ học và đông keo tụ có thể tách được 80-90% hàm lượng cặn trong nướcthải Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi chi phí cao không phù hợp với thực tế.Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để loại bỏ cặn trong nước thải, tuynhiên chi phí đầu tư và vận hành cao nên cũng không phù hợp

4 Xử lí nito và photpho bằng phương pháp hóa học

4.1 Xử lí nito

Hợp chất nito trong nước thải tồn tại chủ yếu ở dạng amoniac/ amoni doquá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ chứa nito xảy ra rất nhanh Trong hệthống xử lý tồn tại các dạng chất oxy hóa như nitrit, nitrat với mức độ phụ thuộcvào hàm lượng amoni ban đầu, tính chất nước thải, điều kiện oxy hóa amoni.4.1.1 Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là quá trình trao đổi của một ion chất trao đổi với một ionkhác cùng dấu trong nước Các ion trao đổi tích điện (+) được trao đổi trên cáccationit, các ion mang điện tích (-) trao đổi trên anionit Vật liệu trao đổi ion làdạng rắn không tan trong nước, vô cơ hoặc hữu cơ

Để có thể tham gia được vào quá trình trao đổi ion, amoniac phải tồn tại ởdạng tích điện dương amoni Do bản chất là 1 bazo yếu, chịu sự cân bằng:

NH3 + H+ ↔ NH4+

Tại vùng pH cao amoni chuyển hóa về dạng trung hòa

Phương pháp trao đổi ion có thể sử dụng để tách amoni trong nước sinhhoạt Phần lớn các nguồn nước ngầm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ có nồng độamoni ở mức 20-30mgµ, cá biệt có nguồn tới 120mgµ Sử dụng cationit mạnh

có thể trao đổi amoni với hiệu quả phụ thuộc vào hàm lượng ban đầu trong nước

và độ cứng của nước Do hàm lượng Ca, Mg khá cao sẽ có độ chọn lọc trao đổicao hơn so với amoni

4.1.2 Phương pháp oxi hóa khử

 Xử lí amoni

Clo có tính chất oxi hóa, có khả năng thu điện tử do tích điện (+) Cáchợp chất clo (Cl2, NaOCl, clodioxit, cloamin B,T) đều có tính oxi hóa

Cl2 + H2O ↔ HOCl + HCl

` Ca(OCl)2 + 2H2O ↔ Ca(OH)2 + 2HOCl

NaOCl + H2O ↔ HOCl + NaOH

Phản ứng giữa amoniac với clo hoạt tính xảy ra theo bậc

NH3 + HOCl ↔ NH2Cl + H2O

NH2Cl + HOCl ↔ NHCl2 + H2ONHCl2 + HOCl ↔ NCl3 + H2O

NH2Cl, NHCl2, NCl3 là các chất oxi hóa

 Xử lý nitrit

Một số loại nước thải chứa nitrit, có thể loại bỏ nitrit bằng phương phápoxi hóa Chuyển hóa nitrit thành nitrat có thể thực hiện với chất oxi hóa là clohoạt động và với hydro peroxit theo các phản ứng:

NO2- + OCl- ↔ NO3- + Cl

-NO2- + H2O2 ↔ NO3- + H2ONitrit cũng có thể khử về dạng khí nito khi phản ứng với axit amidosulfonic trong điều kiện pH ˂ 4 ở nhiệt độ thường:

NO2- + NH2SO3- ↔ N2 + SO42- + H2OCũng trong điều kiện môi trường axit nhẹ, ở nhiệt độ cao, ure phản ứngvới nitrit tạo thành khí nito:

2NO2 + (NH2)2CO → 2N2 + CO2 + H2O + OH

- Xử lý xianua

Một số loại nước thải công nghiệp: mạ, chiết tách vàng, bạc chứaxianua( CN-) với nồng độ có thể tới phần ngàn Xử lí xianua có thể thực hiệnbằng nhiều phương pháp khác nhau: oxi hóa- khử;tạo phức

Oxi hóa với clo hoạt động xảy ra theo bước kế tiếp với sản phẩm trunggian là clocyanua CNCl, trong môi trường kiềm sau đó nó tiếp tục chuyển hóathành cyanat

2CNO- + 3OCl- + H2O ↔ 2CO2 + N2 + 3Cl- + 2OH

Tốc độ của phản ứng trên sẽ tăng lên trong môi trường pH thấp nhưngđồng thời phản ứng thủy phân cyanat cũng tăng theo:

Khả năng loại bỏ Phosphat sẽ rất tốt ở giá trị pH > 10, đặc biệt hiệu quảnhất ở giá trị pH = 10,5 – 11.

10 Ca 2+ + 6 PO 43- + 2OH -  2 Ca 5 ( PO 4 ) 3 OH

Đặc điểm của phương pháp dùng vôi:

Dùng vôi làm tăng độ kiềm của nước thải thuận lợi cho phản ứng phânhủy sinh học của NH4+

Không đưa Amoni mới vào nước thải ( so với dùng muối để kết tủaPhosphat )

Canxi phosphat dùng làm phân

Do môi trường kết tủa pH cao không phù hợp với quá trình keo tụ và lắngnên nó cần được được trung hòa ( với khí CO2 ) và đồng thời đáp ứng tiêuchuẩn thải

+ Dùng muối sắt

Trong moi trường không có oxy hòa tan, sắt (II) tạo sản phẩm vớiphosphat:

Đặc điểm của phương pháp

Đưa vào nước những ion của muối dùng

Khi dùng dư muối sắt sẽ làm giảm pH của nước thải so phản ứng thủyphân của chúng giải phóng ra H+

Do sử dụng muối sắt (II) để kết tủa phosphat tạo ra sản phẩm khó lắnghoặc là tạo phức với chất hữu cơ có mặt trong nước thải mà không có khả nănglắng

Vì vậy phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế

+ Dùng muối nhôm

Tính năng kết tủa của Al3+ và Fe3+ tương tự như nhau Al (III) có thể sửdụng từ phèn nhôm [ Al2(SO4)3.18H2O], natri aluminat NaAlO2, poly nhômclorua ( polyalumium chloride, PAC)

Phản ứng xảy ra như sau:

Al3+ + HnPO43-  AlPO4 + nH+

Song song với quá trình tạo muối phosphat, trong hệ xảy ra một loạt cácquá trình của chính bản thân Al3+, đó là quá trình thủy phân, tạo phức chất vô

cơ và tạo polyme kim loại

Để sửu dụng cho hiệu quả thì chúng ta phải quan tâm đến liều lượng sửdụng phèn nhôm và hiệu suất xử lí Phospho của nó ở bảng 5

Bảng 5 Các liều lượng phèn nhôm thường sử dụng và hiệu suất khử

Phospho

Hiệu suất khử phospho

(%)

Tỷ lệ mole (Al:P)Khoảng biến thiên Giá trị thường dùng

Tùy theo bản chất của nước thải, quy trình xử lý mà giai đoạn khửphospho của nước thải có thể diễn ra ở bể lắng sơ cấp, bể lắng thứ cấp, bể lắngriêng đặt sau bể lắng thứ cấp.

Đặc điểm của phương pháp:

Cặn kết tủa của quá trình lắng không cao, chậm, kéo theo cần có thiết bịlắng lớn Vì vậy để thúc đẩy nhanh tốc độ lắng người ta sử dụng thêm các chấttrợ keo tụ Cơ chế hoạt động của chất trợ keo tụ là làm cầu nối giữa các hạt keohình thành để tạo ra tập hợp hạt lớn và dễ lắng hơn

Ưu điểm của phương pháp:hiệu quả xử lý cao, ổn định, có thể sử dụng

bùn thải để làm phân bón

Nhược điểm của phương pháp: Sinh ra một lượng lớn bùn, giá thành xử

lý cao, đặc trưng quan trọng nhất của một quá trình kết tủa là tích số tan

+ Kết tủa đồng thời amoni và photphat

Một số nguồn thải chứa đồng thời photphat và amoni với hàm lượngkhá cao như nước thải chế biến thủy sản, nước giết mổ, nước thải chuồng trạihay từ các bể phốt đặc biệt là nước chiết ra từ các bể ủ bùn vi sinh yếm khíhoặc hiếu khí

4.2.2 Phương pháp trao đổi ion

Về phương diện kĩ thuật, phần lớn các giải pháp xử lý photpho và hợpchất nito là dựa việc phá hủy dần đến hình thành bùn thải Thu hồi photphatdạng không biến đổi về bản chất hóa học có thể thực hiện bằng kĩ thuật trao đổiion với lợi thế tách photphat một cách chọn lọc thu hồi lại từ dung dịch tái sinh

và tái sử dụng

5 Xử lý N và P bằng biện pháp sinh học

Nhóm sinh vật chính tham gia vào quá trình xử lý nước thải gồm vikhuẩn, nấm tảo, động vật nguyên sinh, động vật, thực vật bậc thấp và siêu vikhuẩn ( virut )

5.1 Quá trình sinh hoá của VSV

Qúa trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học thực chất là quá trìnhtách các chất ô nhiễm ra khỏi môi trường nước hoặc chuyển hóa chúng thànhcác chất không độc hoặc ít độc hơn Các chất tan trong nước là đối tượng chínhcủa quá trình xử lý sinh học

Các quá trình sinh hoá của VSV gồm:

a Trao đổi chất

Quá trình trao đổi chất rất phức tạp bao gồm nhiều chu trình biến đổichất, là các phản ứng hoá học xảy ra trong tế bào Vì phản ứng hoá họcxảy ra trong tế bào của cơ thể sinh vật nên còn gọi là phản ứng sinhhoá.Hai phản ứng sinh hoá cơ bản nhất trong trao đổi chất là đồng hoá

và dị hoá

Để phản ứng đồng hóa, dị hóa xảy ra cấn phải có hoạt động của enzym –chất xúc tác cơ thể sống Emzym có hai loại : nội bào và ngoại bào Emzym

là loại xúc tác có hoạt tính lớn và độ chọn lọc cao

b Quá trình dị hoá và năng lượng

Năng lượng sinh ra và tiêu hao do phản ứng sinh hoá là yếu tố quantrọng hàng đầu của quá trình trao đổi chất Năng lượng sinh ra do phản ứng

hoá học trong hệ xử lý nước thải chủ yếu là từ phản ứng oxy hoá và lênmen hoặc do phản ứng quang hoá.

+ Phản ứng dị hoá do oxy hoá

Phản ứng oxy hoá là phản ứng hóa học có xảy ra quá trình trao - nhậnđiện tử, tức là có sự thay đổi hoá trị của nguyên tố tham gia phản ứng Chất(nguyên tố) cho điện tử là chất khử, sau phản ứng hoá trị của nó tăng Chấtnhận điện tử đóng vai trò chất oxy hoá, sau khi nhận điện tử nguyên tố đó sẽgiảm hoá trị

Phản ứng oxy hoá khử tạo ra năng lượng cho tế bào, quá trình oxyhoá và khử là hai phản ứng nhưng phải xảy ra đồng thời (cho và nhận điệntử)

+ Phản ứng dị hoá do lên men

Khác với phản ứng oxy hoá, trong quá trình lên men không có sựdịch chuyển điện tử giữa các cấu tử tham gia phản ứng Phân huỷ yếm khínước thải, bùn thải là quá trình lên men được chú ý đặc biệt trong côngnghệ xử lý nước thải Sản phẩm của quá trình là khí metan Cùng vớimetan, sản phẩm khác là CO2 cũng hình thành, carbon trong CO2 có hoátrị cao nhất (+ 4) Quá trình lên men một chất hữu cơ CxHyOz có thể viết:

c Quá trình đồng hoá và tạo thành sinh khối

Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ để tạo ra tế bào, thực hiện các phản ứngsinh hoá từ các chất hữu cơ để lấy năng lượng duy trì hoạt động sống và

Khử nitratNitrat hóa

Amôn hoá

( NO2 N2 ) ( NO2- NO3-)

vi sinh vật sống sử dụng cho quá trình đồng hoá và dị hoá

Năng lượng sinh ra từ phản ứng dị hoá trên cơ sở oxy hoá với oxyhoặc nitrat cao hơn nhiều so với dị hoá lên men

5.2 Các biện pháp xử lý Nitơ và photpho

5.2.1 Nguyên tắc

a Xử lý Nitơ

Quá trình khử hợp chất N có thể được sơ đồ hóa như sau:

Hình 1: Sơ đồ quá trình khử hợp chất N

+ Quá trình oxy hóa amoni

Xử lý amoni theo phương pháp vi sinh vật thành hợp chất bền là N2trải qua chặng đường vòng: oxy hóa hợp chất nitơ có hóa trị -3 (NH3,NH4+) lên hóa trị +3, +5 (NO2-, NO3-) rồi sau đó lại khử từ hóa trịdương về hóa trị không (N2) chứ không thể oxy hóa trực tiếp từ hóa trị -3

NH4+ + 2 O2 -> NO3- + 2 H+ + H2O (3)

Phản ứng (1), (2) được thực hiện do chủng vi sinh vật

Nitrosomonas và Nitrobacter để sản xuất năng lượng

+ Quá trình khử nitrat

Nitrat - sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chưa được xem

là bền vững và còn gây độc cho môi trường nên cần được tiếp tục chuyển hóa

về dạng khí nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hóa học, chuyển hóa trị của nitơ từ +5 (NO3-) về hóa trị không (N2)

Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên chung là Denitrifierbao gồm ít nhất là 14 loại vi sinh vật, ví dụ Bacillus, Pseudomonas,

Methanomonas, Thiobacillus

Để khử nitrat, vi sinh vật cần có chất khử (nitrat là chất oxy hóa), chất khử

có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2, S, Fe2+

Quá trình khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hóa trị của nguyên tố nitơ từ +5 về +3, +2, +1 và 0:

NO3- -> NO2- -> NO (khí) ->N2O (khí) -> N2 (khí)

b Xử lý photpho

Hợp chất photpho trong nước thải chăn nuôi tồn tại ở các dạng: P hữu

cơ, photphat đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước, poly photphat vàphotpho trong tế bào Trong đó hợp chất polyphotphat, hợp chất hữu cơ chứaphotphat chiếm tỷ lệ lớn

Bảng 6 Hợp chất Photpho và khả năng chuyển hóa

Photpho hữu cơ Phân hủy thành photphat đơn và

trùng ngưng

Photphat đơn Tan, phản ứng tạo muối, tham gia

phản ứng sinh hóaPhotphat trong tế bào Thành phần của tế bào hoặc lượng dư

trong tế bào của một số loại VK

Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước thảiduy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào Hàm lượngphotpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 – 2,5%) khối lượng khô Trongquá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thuphotphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 – 7%), lượngphotpho dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau Trong điều kiện yếmkhí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng photphat dư lại được thải rangoài cơ thể vi sinh dưới dạng photphat đơn

Hiện tượng trên được sử dụng để tách loại hợp chất photpho ra khỏimôi trường nước thải bằng cách tách vi sinh có hàm lượng photpho caodưới dạng bùn thải hoặc tách photphat tồn tại trong nước sau khi xử lýyếm khí bằng biện pháp hóa học

5.2.2 Các Biện pháp sinh học

5.2.2.1 Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên

Cở sở khoa học của phương pháp pháp này là dựa vào khả năng tựlàm sạch của nước dưới tác dộng của các tác nhân sinh học trong tự nhiên.Nghĩa là thông qua các hoạt động tổng hợp của các tác nhân từ động vật,thực vật đến VSV để làm biến đổi nguồn nước thải bị nhiễm bẩn bởi cáchợp chất hữu cơ và vô cơ Từ đó làm giảm các chỉ số N, P, COD, BOD củanước xuống mức cho phép

Xử lý nước thải băng biện pháp sinh học trong điều kiện tự nhiênthường áp dụng với các loại nước thải công nghiệp có độ nhiểm bẩn khôngcao

a.Phương pháp xử lý nước thải bằng hồ sinh học

Hồ sinh học được sử dụng để sử lý nước thải thường là hồ được thiết kế trên

nền đất có độ sâu khác nhau tùy thuộc vào mục tiêu quy định Hồ sinh học dùng

xử lý nước thải chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch của hồ

Hồ sinh học được phân chia dựa trên tình trạng oxy hòa tan tong nướccủa hồ: hiếu khí, tùy nghi, yếm khí hoặc sục khí bổ sung :

+ Hồ sinh học hiếu khí thường rất nông, tạo điều kiện cho ánh sáng xuyênthấu tới đáy, chiều sâu của lớp nước nằm trong khoảng 0,3 – 0,6 m Hồ hiếu khíđược chiếu sáng suốt cột nước tạo điều kiện cho tảo phát triển được gọi là hồsinh học cao tải Vi sinh vật hiếu khí sử dụng nguồn oxy trên để oxy hóa chấthữu cơ, amoniac Do sự hoạt động của tảo nên mức độ thăng giáng pH, nồng độoxy hòa tan trong hồ hiếu khí khá mạnh Thời gian lưu thủy lực của hồ hiếu khíthường là ngắn, thường là 5 ngày Hình thức xử lý trên thường áp dụng ở nơinhiều nắng, khí hậu ấm

+ Hồ sinh học tùy nghi là loại thông dụng và khá linh hoạt với độ sâu củalớp nước 1,5 – 2,5 m, còn được gọi là hồ oxy hóa hay hồ ổn định VSV hiếu khíhoạt động ở lớp nước trên, VSV tùy nghi và yếm khí hoạt động ở lớp nước sâuphụ thuộc vào khả năng khuấy đảo nước của gió

+ Hồ sục khí bổ sung thường có chiều sâu lớn hơn để xử lý nước thải có độ ônhiễm cao hơn Oxy được cấp bổ sung bằng các thiết bị đặt nổi trên mặt nướchay bơm hút khí chìm Độ sâu của hồ nằm trong khoảng 2 – 6 m, thời gian lưuthủy lực từ 3 – 20 ngày Lợi thế của loại hồ có sục khí bổ sung là ít tốn diệntích

+ Hồ sinh học yếm khí được sử dụng để xử lý loại nước thải có độ ô nhiễmcao, chủ yếu là nước thải công nghiệp ở xa vùng dân cư Hồ loại này không cóvùng hiếu khí, độ sâu nằm trong khoảng 5 – 10 m, thời gian lưu thủy lực từ 20 –

50 ngày

Sử dụng hồ sinh học để xử lý nước thải có lợi ích sau: chi phí xây dựng thấp,

chi phí vận hành thấp, kỹ năng vận hành đòi hỏi không cao,mức độ bùn thải

thấp, chu kỳ thải từ 10 – 20 năm,dễ kết hợp với các loại hình công nghệ xử lý

khác

Nhược điểm của hồ sinh học:tốn nhiều diện tích, mật độ tảo có thể cao, khó

kiểm soát ảnh hưởng đến việc xả thải ra nguồn nước mặt, hồ yếm khí thườngkhông có khả năng đảm bảo tiêu chuẩn thải, ảnh hưởng tiêu cực đến nguồnnước ngầm, thiết kế không hợp lý sẽ gây ra mùi

b.Phương pháp cánh đồng tưới

Cánh đồng tưới là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu

lượng tính toán để đạt một mức xử lý nào đó thông qua các quá trình lý, hóa, vàsinh học tự nhiên của hệ đất nước Ở các nước đang phát triển, diện tích đất cònnhiều, giá đất còn rẻ thì đây là một biện pháp rẻ tiền

Tùy theo tốc độ duy chuyển, đường đi của nước thải thì người ta chia cánhđồng tưới thành :

+ Cánh đồng lọc chậm : là hệ thống xử lý nước thải thông qua đất và hệ thựcvật ở lưu lượng nước thải nạp cho hệ thống khoảng vài cm / tuần Các cơ chế xử

lý diển ra là : một phần nước thải có thể đi vào nước ngầm, một phần sử dụngbởi thực vật, một phần bốc hơi thông qua quá trình bốc hơi nước và hô hấp củathực vật

+ Cánh đồng lọc nhanh : là việc đưa nước thải vào các kênh đào ở khu vựcđất có độ thấm lọc cao ( mùn pha cát, cát ) với một lượng nạp lớn

+ Cánh đồng chảy tràn : là phương pháp xử lý nước thải trong đó nước thảiđược cho chảy tràn lên bề mặt cánh đồng có độ dốc nhất định xuyên qua các câytrồng sau đó tập trung lại trong kênh thu nước

Xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới có thể thực hiện được ba mục tiêu : xử

lý nước thải, tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải, nạp lại nướccho các túi nước ngầm

c.Xử lý nước thải bằng thực vật

+Xử lý nước thải bằng tảo:

Tảo là loại thực vật có kích thước nhỏ, từ vài µm đến khoảng 100 µm (1 mm

= 1000 µm), chúng sống lơ lửng trong nước và một số có chút khả năng chuyểnđộng Tảo có khả năng quang hợp, chúng có tốc độ sinh trưởng nhanh, chịuđược các thay đổi của môi trường, có khả năng phát triển trong nước thải, có giátrị dinh dưỡng cao Do đó người ta đã lợi dụng các đặc điểm này của tảo để:chuyển đổi năng lượng mặt trời và chất dinh dưỡng trong nước thải thành nănglượng sinh khối tảo Thông thường người ta kết hợp việc XLNT với sản xuất vàthu hoạch tảo để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải

Hình 2 Sơ dồ của một ao nuôi tảo thâm canh

Các yếu tố cần thiết cho quá trình xử lý nước thải bằng tảo:

Dưỡng chất: Ammoni là nguồn đạm chính cho quá trình tổng hợp nênprotein của tế bào thông qua quá trình quang hợp của tảo Các nguyên tố vilượng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo, trong tế bào tảo tỷ lệ P: Mg: K là1,5:1:0,5

Độ sâu của tảo: độ sâu thường là 40 - 50cm.

Thời gian lưu chất thải trong ao: thường chọn lớn hơn 2-8 ngày

Lượng BOD nạp cho hồ tảo: Một số thí nghiệm ở Thái lan cho thấy trongđiều kiện nhiệt đới thì lượng BOD nạp vào là 336 kg/ha.ngày (33,6 g/

m2.ngày)

+ Xử lý bằng thực vật thủy sinh có kích thước lớn: Thực vật thủy sinh kích

thước lớn có thể sử dụng trong xử lý nước thải chia làm 3 nhóm :

- Nhóm nổi: bèo tấm (Lemna minor), bèo Nhật bản (Eichhornia crassipes),

loại này có thân, lá nổi trên mặt nước, chỉ có phần rễ là chìm trong nước

- Nhóm nửa chìm, nửa nổi: sậy (Pharagmites communis), lau (Cirpuslacustris) Loại này có bộ rễ cắm vào đất, bùn còn phần thân chìm trongnước, phần còn lại và lá ở phía trên Mực nước thích hợp của cây là >1,5m

- Nhóm chìm: rong xương cá (Potamogeton crispus), rong đuôi chó(Littorella umiflora), thực vật loại này chìm hẳn trong nước, rễ của chúngbám chặt vào bùn đất, còn thân và lá ngập trong nước

Bảng 7 Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu

Thuỷ sinh vật sống

chìm

Hydrilla Hydrilla verticilata

Water milfoil Myriophyllum spicatum

Thuỷ sinh vật sống

trôi nổi

Lục bình Eichhornia crassipes

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

Loại Tên thông thường Tên khoa học

sống nổi

Nguồn : Bài giảng công nghệ sinh học xử lý môi trường

Ví dụ :

+ Hệ xử lý nuôi bèo tây

Bèo tây ( hay còn gọi là bèo Nhật Bản, bèo Lộc bình)Có tên khoa học là

Eichhornia crassipes solms Tác dụng loại bỏ dinh dưỡng của bèo dựa trên hai

đặc trưng chính là tốc độ tăng sinh khối và hàm lượng protein cao trong sinhkhối của bèo (15 – 22%) Bèo tây là loài thủy thực vật được sử dụng rỗng rãinhất trong các ao hồ xử lý nước thải Ao hồ chứa bèo dùng để xử lý có thể chia

ra làm ba loại dựa trên đặc trưng tình trạng oxy hòa tan trong nước: hiếu khí tựnhiên, hiếu khí có bổ sung thêm oxy và loại tùy nghi

Hiệu suất xử lý nước thải của bèo tây đối với độ đục là 97,79%; COD là66,10%, Nito tổng số là 64,36%, Phosphat tổng là 42,54%

Trong thiết kế ao hồ xử lý nước thải bằng bèo tây cần kiểm soát tốt mật độbèo và hiệu quả xử lý đạt cao nhất trong 1-2 tuần đầu

+ Hệ xử lý nuôi bèo tấm.

Tốc độ phát triển của bèo tấm cao hơn bèo tây 30 lần.Tốc độ phát triểncủa bèo tấm bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: ánh sáng, nhiệt độ, pH và điều kiệndinh dưỡng Trong nước thải nồng độ amoniac và hydro sunfua cao cũng ảnhhưởng đến tốc độ phát triển của bèo

+ Hệ xử lý trồng thảm lau sậy :

Đối tượng áp dụng là nước thải sinh hoạt , nước thải chăn nuôi, nước chảy từbãi , chôn lấp, nước thải công nghiệp ( thực phẩm, dệt, nhuộm, cơ khí, luyệnkim, cán thép )

Trong thực tế, cây sậy được dùng phổ biến nhất ở Châu Âu, cây cỏ nến được

sử dụng nhiều ở Mỹ và ở Anh với kỹ thuật chảy tràn để xử lý kim loại Cả hailoại thực vật trên đều tỏ ra có hiệu quả đối với nước thải có độ ô nhiễm khácnhau, từ mức độ ô nhiễm nhẹ đến mức nặng Với nước thải có độ ô nhiễm rấtcao, hệ lau sậy chưa được sử dụng để đánh giá hiệu quả và khả năng đáp ứngcủa chúng, tuy vậy có thể cho rằng kỹ thuật đơn giản nên khó đạt hiệu quả tốtnếu không được bổ sung thêm oxy

Hiệu quả xứ lý nước thải sinh hoạt (với các thông số như amoni, nitrat,phosphat, BOD5, COD) đạt tỷ lệ phân hủy 92-95%

Còn đối với nước thải cong nghiệp có chứa kim loại thì hiệu quả xử lýCOB, BOD5, Al, Cu, Fe… đạt 90-100%

Bảng 8 : Hiệu quả xử lý nước thải của cây sậy

Đầu vào Đầu raNước thải sinh hoạt

- Chịu được mức độ ô nhiễm cao

- Chịu được hóa chất diệt cây cỏ và côn trùng

Những nghiên cứu về cặn lắng đọng và dòng chảy ở khu vực nhiệt đớiQueensland chỉ ra rằng, nhìn chung, hơn 95% lượng ni-tơ và phốt-pho dần mất

đi trong các dòng chảy qua từng giai đoạn Do đó, chìa khóa trong việc kiểmsoát ô nhiễm bởi hóa chất nông nghiệp là giữ chúng lại ở đầu nguồn CỏVetiver

là giải pháp hiệu quả với chi phí thấp trong việc giữ lại và loại bỏ những tạpchất, đặc biệt là thuốc trừ sâu (chứa 90% Chlopyrifos) Thí dụ như ở TrungQuốc, những hàng rào cỏ vetiver là công cụ hữu hiệu để kiểm soát hiện tượng

tập trung dưỡng chất cho đất nông nghiệp , đặc biệt là N và P khi chúng được

cuốn đi theo các dòng chảy

+ Rau dừa nước

Theo “Nghiên cứu chỉ tiêu sinh lý-hóa sinh và khả năng xử lý nước thải

lò mổ của rau dừa nước” của Võ Thị Mai Hương, Trần Thanh Tùng Trường đạihọc Khoa học, Đại học Huế, 2008 cho thấy rau dừa nước có khả năng sinhtrưởng tốt trong nước thải lò mổ Nước thải lò mổ Xuân Phú – Huế có mức độ ônhiễm cao Rau dừa nước có khả năng làm giảm sự ô nhiễm của nước thải lò

mổ Một số chỉ tiêu thể hiện mức độ ô nhiễm giảm đáng kể Đặc biệt rau dừanước có khả năng loại bỏ NO3-, NH4+, PO43-, COD, Coliform tổng số… rất cao

5.2.2.2 Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo

Xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí :

a.Các quá trình trong quá trình hiếu khí

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn:

- Oxy hóa các chất hữu cơ:

CxHyOz + O2 ⃗Enzyme CO2 + H2O + H

- Tổng hợp tế bào mới:

CxHyOz+ O2 + NH3 ⃗Enzyme Tế bào vi khuẩn(C5H7O2N)+CO2 + H2O - H

- Phân hủy nội bào:

C5H7O2N + O2 ⃗Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3  H

b Các phương pháp xử lý hiếu khí nước thải.

+ Phương pháp xử lý nước thải bằng bể sục khí Aerotank:

Đây là công trình xử lý nước thải có dạng bể được thực hiện nhờ bùn hoạt tính :

Hình 3 Sơ đồ xử lý nước thải bằng bể bùn hoạt tính

Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính được phát minh bởi Arden và Lockettnăm 1914 tại Anh Vi khuẩn dính bám lên các bông cặn có trong nước thải vàphát triển sinh khối tạo thành bông bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ Các

bông bùn này được cấp khí cưỡng bức đảm bảo lượng oxy cần thiết cho hoạtđộng phân hủy và giữ cho bông bùn ở trạng thái lơ lửng Các bông bùn lớn dầnlên do hấp phụ các chất rắn lơ lửng, tế bào VSV, động vật nguyên sinh qua đónước thải được làm sạch XLNT bằng bể Aerotank có ưu điểm là tiết kiệm đượcdiện tích và hiệu quả xử lý cao, ổn định nhưng chi phí đầu tư xây dựng và chiphí vận hành khá lớn so với các phương pháp xử lý hiếu khí khác như: ao hồsinh học, mương oxy hóa Do đó tùy điều kiện kinh tế, quỹ đất mà lựa chọnhình thức xử lý phù hợp.

Một số bể Aerotank:

- Hệ thống aeroten truyền thống : Dung tích bể được thiết kế với thời gian lưunước để làm thoáng trong bể từ 6 – 8 giờ đối với dùng khí nén , 9 – 12 giờ đốivới cấp khí cơ học

Hình 4 Hệ thống aeroten truyền thống

- Hệ thống aeroten có hệ thống cấp khí giảm dần theo dòng chảy : Sơ đồ này ápdụng khi thấy đầu vào của bể cần lượng oxy lớn hơn do đó phải cấp không khínhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp sau để đáp ứng cường độ tiêu thụkhông đều oxy trong toàn bể

Hình 5 Hệ thống aeroten có hệ thống cấp khí giảm dần theo dòng chảy

- Hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn : ưu điểm của sơ đồ này là bể aeroten códung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải

Hình 6 Hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn

+ Lọc sinh học hiếu khí:

Sử dụng hệ VSV dính bám trên các VLL để xử lý các chất hữu cơ trong nước

thải Vi sinh vật có thể dính bám lên giá thể vì có nhiều loại VSV có khả năngtiết ra các polyme sinh học giống như keo dính vào giá thể, tạo thành màng Lớp