Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ thống thiếu khí hiếu khí kết hợp

Đồng Mai Trang 8 K35C – Khoa Hóa học sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và các cơ sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh là

Đồng Mai Trang 1 K35C – Khoa Hóa học

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỂ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT PHÂN TÁN 5

1.1 T ổng quan về nước thải sinh hoạt 5

1.1.1 Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt 5

1.1.2 Phân loại nước thải sinh hoạt 5

1.1.3 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt 5

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước thải sinh hoạt 8

1.2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải 8

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán 10

1.2.3 Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người 10

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt 12

1.3.1 Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt 12

1.3.2 Xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học 14

1.4 Một số công nghệ lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán 18

1.4.1 Hệ thống xử lý nươc thải sinh hoạt bằng công nghệ JOHKASOU – JSK 18

1.4.2 Công nghệ AAO&MBR 21

1.4.3 Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt BIOFILTER 23

1.4.4 Công nghệ SBR 25

1.4.5 Công nghệ AO 28

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Đối tượng và mục đích nghiên cứu 33

Đồng Mai Trang 2 K35C – Khoa Hóa học

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.1.2 Mục đích nghiên cứu 33

2.2 Nội dung nghiên cứu 33

2.3 Phương pháp nghiên cứu 33

2.3.1 Phương pháp tài liệu kế thừa 34

2.3.2 Phương pháp phân tích 34

2.3.3 Phương pháp thí nghiệm 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt nghiên cứu 36

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu suất xử lý Amoni và tổng Nitơ 36

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ Amoni đến hiệu quả xử lý 36

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ Nitơ đến hiệu quả xử lý 38

3.3 Đánh giá khả năng sử dụng công nghệ Anoxic, Oxic trong xử lý nước thải sinh hoạt phân tán 39

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 43

Đồng Mai Trang 3 K35C – Khoa Hóa học

MỞ ĐẦU

Nước 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 km³ 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 đóng ở hai cực và trên các ngọn núi, chỉ có 0,3% nước trên toàn thế giới (hay 3,6 triệu km³) là có thể sử dụng làm nước uống

Nước cần cho mọi sự sống và phát triển Nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống

Sau khi sử dụng, nước trở thành nước thải, bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau Bên cạnh đó, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển của công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ đã để lại nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là khiến môi trường nước bị ô nhiễm Đây cũng là vấn đề cấp thiết và nhức nhối của cả thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

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 sinh ra còn chưa được xử lý triệt để, mặc dù một vài nơi có hệ thống

xử lý tâp 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 khổng 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, Phôtpho 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

Đồng Mai Trang 4 K35C – Khoa Hóa học

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, COD, SS…) việc xử lý các thành phần dinh dưỡng Nitơ, Phôtpho cũng là yêu cầu quan trọng

Ngày nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt, nhưng phương pháp sinh học được áp dụng rộng rãi hơn cả Phương pháp này cũng

đã được ứng dụng để xử lý Nitơ trong nước thải từ những năm 1960 Xuất phất từ những lí do trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường nước,

bước đầu chúng tôi thực hiện: “Nghiên cứu xử lý Nitơ trong nước thải sinh

hoạt phân tán bằng hệ thống hiếu khí - thiếu khí kết hợp”

Đồng Mai Trang 5 K35C – Khoa Hóa học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI

SINH HOẠT PHÂN TÁN

1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1 Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước được thải phát sinh từ các hoạt của cộng đồng dân cư, gia đình, khu du lịch, vui chơi giải trí, trung tâm thương mại…và được tính theo đầu người Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số và đặc điểm của hệ thống cấp thoát nước nên nước thải sinh hoạt ở mỗi nơi lại có các thông số ô nhiễm khác nhau Ví dụ như nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm

1.1.2 Phân loại nước thải sinh hoạt

Thông thường nước thải sinh hoạt được chia làm 2 loại chính: Nước

1.1.3 Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein (40-50%); hydrat cacbon(40-50%) Nồng độ chất hữu cơ trong nước

Đồng Mai Trang 6 K35C – Khoa Hóa học

thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150-450mg/l theo trọng lượng khô Có khoảng 20-40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học

Trong quá trình sinh hoạt, con người xả vào hệ thống thoát nước một lượng chất bẩn nhất định, phần lớn là các loại cặn, chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng Ở nước ta Tiêu chuẩn TCXD 51:2007 quy định về lượng chất bẩn tính cho một người dân xả vào hệ thống thoát nước trong một ngày theo bảng 1 sau đây

Bảng 1: Lượng phát thải sinh hoạt bình quân của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước (theo quy định của TCXD 51:2007)

Chất lơ lửng (SS ) 60¸65 BOD5 của nước thải chưa lắng 65

BOD5 của nước thải đã lắng 30¸35

Nitơ amôn (N-NH4) 8 Phốt phát (PO43-) 3,3

Ngoài ra, lượng nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm hệ thống thoát nước điều kiện trang thiết bị vệ sinh và có thể tham khảo theo bảng 2 sau đây:

Đồng Mai Trang 7 K35C – Khoa Hóa học

Bảng 2: Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư

Dựa vào các số liệu trên ta thấy lượng nước thải tập trung của các khu dân cư là rất lớn, ví dụ như tổng lượng nước thải ở thành phố Hà Nội riêng năm 2006 là 500.000m3/ngày

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, Nitơ, Phốtpho, SS, TOC chất tẩy rửa, trong nước thải sinh hoạt hàm lượng Nitơ và phốtpho rất lớn, (từ 50 đến 55%), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có vi sinh vật gây bệnh phát triển Nếu không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng Đồng thời trong nước thải còn có nhiều vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ, cần thiết cho các quá trình chuyển hoá chất bẩn trong nước Như vậy nước thải

Đồng Mai Trang 8 K35C – Khoa Hóa học

sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và các cơ sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước Và vấn

đề đặt ra là yêu cầu chất lượng nước thải sau khi xử lý phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn thải sau:

Bảng 3 Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT

Giới hạn cho phép (QCVN 14:2008)

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước thải

1.2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải

Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat) Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá

Đồng Mai Trang 9 K35C – Khoa Hóa học

Hình 1 Chu trình Nitơ trong tự nhiên

Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc

là thành phần phân huỷ protein như là các peptit, axit amin, urê

Hàm lượng amoniac (NH3) chính là lượng nitơ amôn (NH+

4) trong nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khác có thể rất cao Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong nước thải công nghiệp: chế biến sữa, rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc

Khử nitơrat

Cố định nitơ

Đồng Mai Trang 10 K35C – Khoa Hóa học

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước

Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong

môi trường nước, nhưng nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm Nitơ trong nước

theo đánh giá của các nhà khoa học là từ các nguồn nước như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp có chứa các hợp chất Nitơ, phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Bên cạnh đó, rác thải ở nhiều khu dân cư không được thu gom xử lý đã tác động xấu tới nguồn nước Ở Việt Nam, một nguồn chính khác góp phần gây ô nhiễm Nitơ trong nước là các hoạt động sản xuất nông nghiệp, nước ta đang sử dụng trên 9 triệu ha đất nông nghiệp, hằng năm phải bón 5-7 triệu tấn phân hóa học Như vậy, phân bón hóa học (urê, lân, kali) sẽ còn một lượng dư thừa lớn, có tới hang nghìn tấn các chất N, P, K trong đất mỗi năm sẽ rửa trôi theo sông ngòi, mương rạch ảnh hướng đến nguồn nước cấp sinh hoạt, hoặc ngấm xuống gây ô nhiễm tầng nước ngầm Không chỉ vậy, một số ngành công nghiệp có nước thải chứa Nitơ cũng là nguồn gây nên tình trạng ô nhiễn Nitơ trong môi trường nước Với mức độ tăng trưởng kinh tế như hiện nay, chắc chắn Việt Nam sẽ gặp khó khăn đáng

kể với vấn đề ô nhiễm môi trường nước nếu không có các biện pháp xử lý ô nhiễm phù hợp và kịp thời

1.2.3 Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người

Sự ô nhiễm N trong nước thải gây những ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước mặt, nước ngầm Dòng nước thải ô nhiễm Nitơ làm tăng đáng kể hàm lượng dinh dưỡng trong nước gây ra hiện tượng phú dưỡng trong

ao, hồ, sông ngòi Gây chết cá cũng như tác động nhiều đến đời sống của vi sinh vật trong nước từ đó sinh ra các mùi khó chịu, các khí độc làm ô nhiễm môi không khí và môi trường sống làm ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Tại Hà Nội, nước sông Tô Lịch rất đen và bốc mùi khó chịu, những ngày nước

Đồng Mai Trang 11 K35C – Khoa Hóa học

cạn, khí độc trong bùn sộc lên (do phân hủy yếm khó dưới đáy) làm chết cá và mùi xú uế thì lan tràn ra các khu dân cư Đến nay, hầu hết các hồ trong nội thành Hà Nội chỉ còn sót lại rất ít cá rô và sinh vật nhỏ Trên thực tế, những tác động này xảy ra ở khắp nơi, quy mô trên cả nước và ngày càng hết sức nghiêm trọng Ô nhiễm Nitơ trong nước thải cũng gây ảnh hưởng đến nguồn nước cấp sinh hoạt Theo đánh giá của các nhà khoa học Amoni (NH4+) thì hầu như không ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý Amoni sẽ chuyển thành Nitrit (NO2-) và Nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại đối với con người Nitrit là chất rất độc hại đối vì nó có thể chuyển hóa thành Nitrosami, chất này có khả năng gây ung thư ở người Có nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng nitrit và nitrat rất độc với trẻ em vì nguy cơ gây bệnh mất sắc tố máu Methaemoglobinaemia, đặc biệt

là với những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn 6 tháng tuổi dễ mắc phải bện này do hàm lượng enzym Methaemoglobinaemia reductase tương đối thấp – đây là một loại enzym tế bào máu đỏ có khả năng chuyển hóa methemoglobin trở thành hemoglobin Ngoài ra, thức ăn có hàm lượng nitrit và nitrat cao cũng rất đáng lo ngại Theo chuỗi thức ăn, các hợp chất sẽ tồn tại trong cơ thể con người và đây là những hiểm họa tiềm ẩn đối với sức khỏe con người

Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư thì chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ được nêu ở bảng sau:

Bảng 4: Chỉ tiêu trung bình hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt

Tổng Nitơ, mg/l 40 Nitơ hữu cơ, mg/l 15 Nitơ Amoni, mg/l 25 Nitơ Nitrit, mg/l 0,05

Đồng Mai Trang 12 K35C – Khoa Hóa học

Nitơ Nitrat, mg/l 0,2 Tổng Phốt pho, mg/l 8

Việt Nam với tốc độ đô thị hóa nhanh cùng với sự phát triển của công nghiệp Tỉ lệ dân số tại các thành thị tăng cùng với tốc độ đô thị hóa Nước thải từ các thành phố, khu dân cư tập trung, khu công nghiệp cũng tăng theo mức tăng dân số với lượng thải lớn vì vậy ô nhiễm Nitơ trong nước gây ra những ảnh hưởng trực tiếp tới nguồn nước cũng như hệ sinh thái tiếp nhận và những ảnh hưởng gián tiếp đến môi trường sống, sức khỏe con người Do đó, vấn đề ô nhiễm nước thải sinh hoạt nói chung và ô nhiễm Nitơ nói riêng cần được các nhà quản lí, các nhà khoa học và mọi người dân chú trọng quan tâm nhiều hơn nữa

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt

1.3.1 Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt

Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải có thể chia thành:

+ Phương pháp vật lí: lọc, làm thoáng, kết tủa bằng điện cực, thẩm thấu ngược… các phương pháp này cho hiệu suất không được cao

+ Phương pháp hóa lý: sục khí đuổi ammoniac trong môi trường kiềm,

xử lý Nitơ tồn tại dưới dạng NH4+…

+ Phương pháp hóa học: oxi hoa bằng các chất oxi hóa gốc clo, đông tụ hóa học, trao đổi ion chọn lọc với NO3-…

+ Phương pháp sinh học: sử dụng các vi sinh vật có sẵn trong nước thải hoặc bổ sung thêm các chủng, giống vi sinh vật để nâng cao hiệu suất

xử lý nước thải Các phương pháp sinh học có thể được duy trì trong các điều kiện yếm khí (không có oxy), thiếu khí và hiếu khí (bổ sung thêm oxy

từ ngoài vào)

1.3.1.1 Phương pháp thổi khí ở pH cao

Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng :

NH 4 + ↔ NH 3(khí hòa tan) + H + với pK a = 9,5

Đồng Mai Trang 13 K35C – Khoa Hóa học

Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng nhỏ NH3 so với amoni Nếu ta nâng pH tới 9,5 tỉ lệ [NH3]/[ NH4+]= 1 và càng tăng pH cân bằng càng chuyển

về phía tạo thành NH3 (theo định luật Le Chatelier) Khi đó, nếu áp dụng các

kĩ thuật sục thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Herry làm cân bằng dịch chuyển về phía bên phải:

NH 4 + + OH - ↔ NH 3 ↑ + H 2 O

Trong thực tế, pH phải tăng lên xấp xỉ 11 và quá trình này rất phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Phương pháp này áp dụng cho nước thải tuy nhiên khó có thể xử lý triệt để amoni và cũng không có khả năng xử lý Nitơ trong các chất hữu cơ

1.3.1.2 Phương pháp clo hóa tới điểm đột biến

Do là chất oxi hóa mạnh nên Clo gần như là chất duy nhất có khả năng oxi hóa amoni/ammoniac ở nhiệt độ phòng thành N2 Khi hòa tan clo trong nước, tùy theo pH của nước mà clo có thể nằm ở dạng HClO hay ClO- do có phản ứng theo phương trình:

Đồng Mai Trang 14 K35C – Khoa Hóa học

Phương pháp này không còn được sử dung để xử lý amoni do những hạn chế như tốn hóa chất, giá thành cao lại sinh ra nhiều hợp chất clo hữu cơ độc hại nên vấn đề an toàn cũng cần được lưu ý

1.3.1.3 Phương pháp sinh học

Trong phương pháp này, con người lợi dụng các hoạt động sống và sinh sản của vi sinh vật để khử các hợp chất hữu cơ chứa cacbon, photpho và amoni sẽ bị chuyển hóa thành nitrat rồi nitơ trong nước thải, đây là bước xử lý quan trọng cho nước thải sinh hoạt quyết định chất lượng nước đầu ra

Có rất nhiều công nghệ khác nhau được áp dụng cho bước xử lý sinh học nước thải như dung bể thổi khí liên tục (aeroten) bể SBR công nghệ kết hợp quá trình thiếu khí và hiếu khí (AO)…

Ngày nay, phương pháp sinh học đã trở thành phương pháp chủ đạo trong xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt, do những ưu điểm như:

 Hiệu suất xử lý đạt rất cao, có thể đạt 90 – 99%

 Ít sử dụng hóa chất nên giảm ô nhiễm môi trường, chi phí năng lượng cho một đơn vị thể tích xử lý thấp so với các phương pháp khác nên mang tính kinh tế cao

 Sự ổn định và đáng tin cậy của quá trình rất lớn

 Tương đối dễ vận hành, quản lý

Hiện nay, việc kết hợp các phương pháp xử lý một cách khoa học giúp mang lại hiệu quả cao trong xử lý nước thải, giảm chi phí đầu tư, vận hành…

1.3.2 Xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

Cơ sở lí thuyết của các quá trình sinh học xử lý Nitơ trong nước thải

Phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt được thực hiện qua hai quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat hóa trong đó quá trình nitrat hóa chuyển hóa amoni thành nitrat, còn quá trình khử nitrat chuyển nitrat thành nitơ

tự do N2

Đồng Mai Trang 15 K35C – Khoa Hóa học

Quá trình nitrat hóa

 Vi sinh vật và điều kiện của quá trình Nitrat hóa

Vi sinh vật của quá trình Nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật:

Nitrosomonas và Nitrobater Đây là vi sinh vật tựu dưỡng hóa năng vì chũng

nhận được năng lượng do sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào phần lớn từ quá trình oxy hóa các hợp chất cacbon vô cơ (HCO3- là chính) và Nitơ vô cơ Ngoài ra chũng tiêu thụ mạnh oxy (Vi khuẩn hiếu khí)

Cả hai nhóm vi sinh vật mày đều có nhứng yêu cầu khá đặc trưng đối với các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và chúng có tốc độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng

Nitrosomonas chỉ có thể oxy hóa NH4+ thành NO2-, sau đó Nitrobacter làm

chức năng chuyển hóa NO2- thành NO3-

 Cơ chế của quá trình nitrat hóa

Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật được viết như sau:

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

- Ảnh hưởng của pH tới quá trình nitrar hóa : Trên thực tế, pH có ảnh

hưởng lớn đến quá trình nitrat hóa Nghiên cứu của Grady và Lim cho thấy vi

khuẩn vi khuẩn nitrat hóa rất nhạy cảm với pH, đối với Nitrosomonas có dải

pH tối thích hợp từ 7,0 đến 8,0 và đối với Nitrobacter là từ 7,5 đến 8,0 Bên

Nitrosomona

s Nitrobacte

r

VSV

VSV

Đồng Mai Trang 16 K35C – Khoa Hóa học

cạnh đó, nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho thấy một số loài có thể thích hợp mức pH > 9 Tuy nhiên, khoảng pH thích hợp nhất cho quá trình

nitrat hóa là pH = 7,0 – 8,5 , tối ưu là xung quang giá trị pH= 8

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của quá trình nitrat hóa Tốc độ tăng trưởng của vi sinh tăng khi nhiệt độ đến giá trị giới hạn khoảng 350C, nhiệt độ quá cao làm giảm hoạt tính của vi sinh, gây

ức chế hoạt động hay chết vi sinh vật Khoảng nhiệt độ có thể ứng dụng được

là 5 - 350C, khoảng tối ưu là 30 - 350C

- Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ tới quá trình nitrat hóa: Turk.O., và Mavinic, D.S (1986) chỉ ra rằng quá trình oxy hóa nitrit bị ức chế khi nồng độ

NH3 đạt 0,1 – 1mg/l và nồng độ NH3 từ 5 – 20mg/l, quá trình oxi hóa NH4+

cũng bị ức chế Sự có mặt của NO2- và pH thấp sinh ra HNO2 không phân li,

đây là tác nhân gây ức chế quá trình oxy hóa nitrit

- Ảnh hưởng của các chất độc tới vi khuẩn nitrat hóa: So với các vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn tự dưỡng nitrat hóa nhạy cảm với nhiều kim loại nặng và hóa chất Một số chất có thể gây độc cho vi khuẩn Nitrosomonas như: aniline, athylenediamine, hexamethylenediamine và monoethanolamin Beckman cùng nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng với lượng đồng (Cu) và crôm (Cr) nhỏ hơn hoặc bằng 10mg/l sẽ không gây ảnh hưởng cho quá trình nitrat hóa Đối với kẽm (Zn) và niken (Ni) nồng độ nhỏ hơn 0,5mg/l làm giảm quá

trình nitrat hóa

Quá trình nitrat hóa:

 Vi sinh vật và điều kiện của quá trình khử Nitrat hóa

Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng ôxy từ nitrat

nên gọi là anoxic (thiếu khí) Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị dưỡng nghĩa là

cần nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới

Quá trình khử nitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:

NO 3 -  NO 2 -  NO (k)  N 2 O (k)  N 2 (k)

Đồng Mai Trang 17 K35C – Khoa Hóa học

Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất – chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H2 và S Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hóa, đồng thời NO3-

nhận điện và bị khử về N2

Gayle đã phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá trình khử

nitrat Những nhóm vi khuẩn phổ biến là: Bacillius denitrificans, Microcous denitrificans, Pseudomonas stutzeri và Achrommobacter sp, Paracocus, Spirilum

và Thiobacilus Phần lớn các vi khuẩn này là dị dưỡng nghĩa là chúng dùng

cacbon hữu cơ mà chũng sẽ oxy hóa để tổng hợp tế bào mới

Chỉ có Thiobacilus denitrificans là sử dụng nguồn điện tử từ S nguyên tố

để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới

Cơ chế quá trình khử nitrat

Hình minh họa quá trình khử nitrat hóa trên màng tế bào chất của vi khuẩn:

Tế bào chất

Hình 2: Quá trinh nitrat hóa trêm màng tế bào chất của sinh vật

Các phương trình tỉ lượng của quá trình khử nitrat hóa phụ thuộc vào bản chất của nguồn cacbon sử dụng như sau:

6NO 3 - + 5CH 3 OH VSV 3N 2 + 5 CO 2 + 7 H 2 O + 6 OH -

8NO 3 - + 5CH 3 COOH VSV 4N 2 + 10 CO 2 + 6 H 2 O + 8 OH

8NO 3 - + 5CH 4 VSV 4N 2 + 5 CO 2 + 6 H 2 O + 8 OH -

Đồng Mai Trang 18 K35C – Khoa Hóa học

10NO 3 - + C 10 H 19 O 3 N VSV 5N 2 + 10 CO 2 + 3 H 2 O + NH 3g + 10 OH - Ghi chú: C10H903N là công thức trung bình của nước thải sinh hoạt

NO 3 - + 1,08CH 3 OH + 0,24H 2 CO 3 VSV 0,056C 5 H 7 NO 2 + 0,47N 2

+ 1,68H 2 O + HCO 3 -

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat hóa

Mặc dù Methanol là cơ chất phổ biến trong quá trình khử nitrat hóa nhưng

nó chưa phải là chất tốt nhất về mặt động học Người ta nghiên cứu có 22 loại nước thải công nghiệp (thải bia và rượu) dùng trong khử nitrat tốt hơn methanol Vi khuẩn nitrat mặc dù co sức chịu độc hơn vi khuẩn tự dưỡng tuy nhiên cần lưu ý:

- DO sẽ ức chế men khử nitrit Khi có DO, nitrit sẽ tích lũy Nếu DO = 5% mức bão hòa, tốc độ tạo khí NOx giảm, nếu DO = 13% thì men khử nitrit không hoạt động, còn hơn 13% thì men khử nitrat bị ức chế

- Nitrit là chất độc, nếu lượng NO2- ≥ 14mg/l ở pH = 7 thì quá trình chuyển hóa chất hữu cơ sẽ chậm lại, và nếu NO2- ≥ 350mg/l thì quá trình bị ức chế hoàn toàn Tương tự các khí NOx cũng là chất độc

- Sự khử NO2- bị ảnh hưởng mạnh khi giảm pH < 7,5 ( ngược lại đối với

sự khử NO3-)

Khi kết hợp quá trình nitrat hóa và khử nitrat có các ưu điểm sau:

- Giảm thể tích khí cần cung cấp cho quá trình nitrate hóa và khử BOD5;

- Không cần bổ sung nguồn carbon cho quá trình khử nitrat

- Giảm công trình lắng cho riêng mỗi quá trình;

- Có khả năng khử 60-80% tổng lượng nitơ trong nước thải

1.4 Một số công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán

1.4.1 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ

(JOHKASOU)-JKS

Đồng Mai Trang 19 K35C – Khoa Hóa học

Hình 3 Sơ đồ công nghệ JKS

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: JKS cải tiến gồm có 5 ngăn (bể) chính:

- Ngăn thứ nhất (bể lọc kỵ khí): Tiếp nhận nguồn nước thải, sàng lọc các vật liệu rắn, kích thước lớn (giấyvệ sinh, tóc, ), đất, cát có trong nước thải;

- Ngăn thứ hai (bể lọc kỵ khí): loại trừ các chất rắn lơ lửng bằng quá trình vật lý và sinh học

- Ngăn thứ ba (bể lọc màng sinh học): loại trừ BOD, loại trừ Nitơ, Phốtpho bằng phương pháp màng sinh học

- Ngăn thứ tư: Bể trữ nước đã xử lý

- Ngăn thứ năm (bể khử trùng): diệt một số vi khuẩn bằng Clo khô, thải nước đã được xử lý ra ngoài

Chất lượng xử lý nước thải được quyết định ở ngăn thứ ba phụ thuộc vào chất liệu màng sinh học được sử dụng Chất lượng màng sinh học càng cao thì hiệu quả xử lý và giá thành JKS càng cao Kỹ thuật màng lọc cao cho phép xử lý gần như triệt để các thành phần trong nước thải, nước thải sau xử lý

Ngăn phản Nitrat hóa

Ngăn điều hòa

Ngăn Nitrat hóa

và lọc sinh học

vi lọc

Ngăn khử trùng

Máy cấp khí

Chất dinh dưỡng

Ngăn chứa bùn

Tiếp nhận

Đồng Mai Trang 20 K35C – Khoa Hóa học

có BOD 2,3mg/l, N 8mg/l, tổng chất rắn lơ lửng TSS < 5mg/l, tổng khuẩn Ecoli < 100 tế bào/l Tuy nhiên việc sử dụng màng sinh học dễ dẫn đến tắc màng lọc và hệ thống này cần phải súc rửa 3 tháng một lần Trong trường hợp này nước thải có thể được tái sử dụng để thực hiện quá trình súc rửa

Hệ thống JKS cải tiến cần phải được cung cấp điện năng liên tục cho quá trình vận hành Ðiện năng giúp vận hành bơm khí, ổn định dòng chảy, và duy trì tuần hoàn hệ thống nước thải Ðiện năng tiêu thụ cho một hệ thống JKS cho một gia đình 5- 10 người vào khoảng 350 đến 500kW/năm phụ thuộc vào từng loại JKS

Bã lắng đọng (bùn lắng) trong hệ thống JKS cần phải được hút (ít nhất

1 lần trong 1 năm) và xử lý Trung bình một hộ gia đình (5-10 người, nước tiêu thụ 250 lít/người/ngày), tổng lượng bã trong 1 năm vào khoảng 58,8 kg (trọng lượng khô) Xe tải chuyên dụng (trọng tải 2- 4 tấn) được sử dụng cho việc hút bã Bã lắng đọc sau khi được hút vào xe rồi được chuyên chở tới trạm

xử lý bã lắng đọng Sản phẩm sau quá trình xử lý là chất rắn sinh học được sử dụng làm khí sinh học, vật liệu composit, sản suất phân bón hoặc xi măng

Ưu điểm khi sử dụng công nghệ JKS :

 Hệ thống gọn nhẹ, độ bền cao, sử dụng an toàn theo tiêu chuẩn Nhật Bản

 Thể tích của hệ thống Johkasou chỉ bằng 70% thể tích của bể tự hoại cho cùng số người sử dụng

 Vị trí lắp đặt: bên ngoài toà nhà hoặc trong gara xe, được chôn ngầm dưới đất, không tốn về diện tích

 Lắp đặt dễ dàng, thời gian lắp đặt ngắn

 Bùn lắng được thu gom triệt để

 Nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn Nhật Bản cao hơn tiêu chuẩn QCVN 14/2008/BTNMT

 Chi phí xây dựng phù hợp

Đồng Mai Trang 21 K35C – Khoa Hóa học

1.4.2 Công nghệ AAO và MBR

AAO và MBR là công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

kết hợp với quá trình lọc màng để tách sinh khối, cặn lơ lửng Trong đó:

- AAO là sự kết hợp nhiều quá trình xử lý ô nhiễm hữu cơ bằng vi sinh vật

trong các điều kiện yếm khí(anaerobic), thiếu khí (anoxic) và hiếu khí (oxic),

nhờ đó mà các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải được xử lý triệt để hơn

- MBR (Membrane Biological Reactor) là kỹ thuật tách sinh khối vi khuẩn bằng màng vi lọc với kích thước màng dao động từ 0,1 – 0,4µm

Công nghệ AAO và MBR bao gồm hai quá trình chính xảy ra trong một bể phản ứng đó là:

- Phân huỷ sinh học các chất hữu cơ bằng bùn hoạt tính, quá trình nitrat hóa, khử nitrat và loại bỏ photpho nhờ sự kết hợp giữa các bể yếm khí, thiếu khí và hiếu khí

- Kỹ thuật tách sinh khối vi khuẩn bằng màng vi lọc (micro-flitration) Trong bể duy trì hệ bùn sinh trưởng lơ lửng, các phản ứng diễn ra tại đây giống như các quá trình sinh học thông thường khác, nước sau xử lý được tách bùn bằng hệ lọc màng với kích thước màng khoảng 0,1 - 0,4 µm Màng ở đây còn đóng vai trò như một giá thể cho vi sinh vật dính bám tạo nên các lớp màng vi sinh vật dày, làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, tăng cường khả năng phân hủy sinh học

Việc ứng dụng MBR - kết hợp giữa công nghệ lọc màng và bể lọc sinh học như là một công đoạn trong quy trình xử lý nước thải có thể thay thế (trong vài trường hợp) cho vai trò tách cặn của bể lắng bậc hai và bể lọc nước đầu vào,

do vậy có thể lược bỏ bể lắng bậc hai và vận hành với nồng độ MLSS cao hơn

Sơ đồ công nghệ hình 4 và hình 5

Đồng Mai Trang 22 K35C – Khoa Hóa học

Hình 4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ với MBR

màng

lọc

Nước ra

Khử trùng

Đồng Mai Trang 23 K35C – Khoa Hóa học

Kết hợp công nghệ AAO với MBR là một hướng xử lý nước thải mới, cho hiệu quả cao và thân thiện với môi trường So với các công nghệ xử lý sinh học truyền thống thì công nghệ AAO & MBR có nhiều ưu điểm vượt trội

Ưu điểm khi sử dụng công nghệ AAO và MBR

 Tiết kiệm diện tích, không cần xây dựng bể lắng, không cần xây dựng

bể khử trùng mà chỉ tiêu SS, vi sinh, Clo dư luôn đạt tiêu chuẩn

 Có thể tái sử dụng nước thải: tưới cây, rửa đường…

 Hệ thống vận hành an toàn, lượng nước đầu ra ổn định Lượng bùn sinh

ra ít, chi phí bùn giảm

 Công nghệ AAO và MBR được ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt tại các khu đô thị, các nhà hàng, khách sạn… Nước thải đầu ra từ hệ thống AAO và MBR đạt tiêu chuẩn xả thải của quy chuẩn Việt Nam như:

QCVN 14: 2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt

1.4.3 Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt BIOFILTER

Bể biophin xây dựng dưới dạng hình tròn hay hình chữ nhật có tường đặc

và đáy thép Đáy trên là tấm đan đỡ lớp vật liệu lọc, đáy dưới liền khối không thấm nước Chiều cao giữa hai lớp đáy lấy khoảng 0,4-0,6m, độ dốc hướng về máng thu I ≥ 0,01 Độ dốc theo chiều dài của máng thu lấy theo kết cấu, nhưng không được nhỏ hơn 0,005 Tường bể làm cao hơn lớp vật liệu lọc 0.5m

Đặc điểm riêng của bể Biophin nhỏ giọt là kích thước của vật liệu lọc không lớn hơn 25-30 mm và tải trọng tưới nước nhỏ 0.5-1.0 m3/( m3.VLL)

Đồng Mai Trang 24 K35C – Khoa Hóa học

Hình 6 Sơ đồ công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt Biofilter

Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện có thể Nước đến lớp vật liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm do vi sinh vật của màng phân huỷ hiếu khí và kị khí các chất hữu cơ có trong nước Các chất hữu cơ phân huỷ hiếu khí sinh ra CO2 và nước, phân huỷ kị khí sinh ra CH4 và

CO2 làm tróc màng ra khỏi vật liệu mang, bị nước cuốn theo Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại hình thành lớp màng mới Hiện tượng này được lặp đi lặp lại nhiều lần Kết quả là BOD của nước thải bị vi sinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng và bị phân huỷ kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch

Trong bể lọc sinh học nhỏ giọt, các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp vật liệu lọc Bể lọc hiện đại bao gồm một lớp vật liệu dễ thấm nước với vi sinh vật dính kết trên đó.Nước thải đi từ trên xuống ngược dòng khí đi từ dưới lên Nước thải được phân bố đều trên bề mặt nguyên liệu lọc theo kiểu nhỏ giọt hoặc phun tia Lượng không khí cần thiết cho quá trình được cấp vào nhờ

Đồng Mai Trang 25 K35C – Khoa Hóa học

quá trình thông gió tự nhiên qua bề mặt hở phía trên và hệ thống thu nước phía dưới của bể lọc

Bể lọc sinh học nhỏ giọt chia làm những loại sau:

- Bể lọc vận tốc chậm: hình trụ hoặc hình chữ nhật, hiệu suất khử BOD cao và cho ra nước thải chứa lượng nitrat cao Tuy nhiên cần lưu ý đến vấn đề mùi hôi và sự phát triển của Ruồi Psychoda Nguyên liệu lọc là đá, sỏi, xỉ

- Bể lọc vận tốc trung bình và nhanh: Hình tròn, lưu lượng nạp chất hữu

cơ cao hơn, nước thải được bơm hoàn lưu trở lại bể lọc và nạp liên tục, việc hoàn lưu nước thải giảm vấn đề mùi hôi và sự phát triển của Ruồi Psychoda Nguyên liệu lọc là đá, sỏi, plastic

- Bể lọc cao tốc: có lưu lượng nạp nước thải và chất hữu cơ rất cao, khác với bể lọc vận tốc nhanh ở điểm có chiều sâu cột lọc sâu hơn do nguyên liệu lọc làm bằng plastic, nhẹ hơn sỏi

- Bể lọc thô: lưu lượng nạp chất hữu cơ lớn hơn 1.6kg/m3.ngày, lưu lượng nước thải là 187 m3/ m2.ngày bể lọc thô dùng để xử lý sơ bộ nước thải trước giai đoạn xử lý thứ cấp

- Bể lọc hai pha: xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao và cần nitrat hoá đạm trong nước thải Giữa hai bể lọc thường có bể lắng để loại bỏ bớt chất rắn sinh ra trong bể lọc thứ nhất Bể lọc thứ nhất dùng để khử BOD của các hợp chất chứa cacbon, bể thứ hai chủ yếu cho quá trình nitrat hoá

Ưu điểm của công nghệ lọc nhỏ giọt BIOFILTER:

 Dễ quản lý vận hành

 Tiết kiệm diện tích đất xây dựng

 Có thể kiểm soát các ô nhiễm thứ cấp như tiếng ồn và mùi hôi

Nhưng chi phí ban đầu cho việc sử dụng công nghệ lọc nhỏ giọt BIOFILTER

là cao

1.4.4 Công nghệ SBR

Đây là công nghệ được áp dụng tương đối rộng rãi ở nước ta

Đồng Mai Trang 26 K35C – Khoa Hóa học

Bể SBR là bể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo quy trình phản ứng từng mẻ liên tục Quy trình này tuần hoàn với chu kỳ thời gian sinh trưởng gián đoạn mà khả năng thích ứng với một sự đa dạng của quá trình bùn hoạt tính – như là khuấy trộn hoàn chỉnh theo lối thông thường, tháo lưu lượng, tiếp xúc ổn định và các chu trình sục khí kéo dài Mỗi bể SBR một chu

kỳ tuần hoàn bao gồm: làm đầy, sục khí, lắng, chắt và nghỉ Bởi thao tác vận hành như trường hợp gián đoạn này, cũng có nhiều khả năng khử nitrit và

phốtpho Phản ứng bể SBR không phụ thuộc đơn vị xử lý khác và chúng hoạt

động liên tục trong chu trình đem lại nhiều lợi ích kinh tế

Chu trình SBR thông thường, không gây vướng cho các bọt khí mịn ra

khỏi màng đĩa phân phối được dùng cung cấp nhu cầu oxy từ máy thổi khí cho

sự sinh trưởng của vi khuẩn Tốc độ quay chậm của quạt gió và của thiết bị trộn chìm được xem như cách thay đổi luân phiên khác của thiết bị thổi khí cho quy trình SBR

Quy trình thay đổi luân phiên trong bể SBR không làm mất khả năng khử BOD trong khoảng 90 – 92% Ví dụ, phân huỷ yếm khí, quá trình tiếp xúc yếm khí, lọc yếm khí, lọc tiếp xúc, lọc sinh học nhỏ giọt, tiếp xúc sinh học dạng đĩa, bể bùn hoạt tính cổ truyền và hồ sinh học hiếu khí chỉ có thể khử được BOD khoảng 50 – 80% Vì vậy, việc thay đổi luân phiên được theo sau giai đoạn khác như hệ thống truyền khí hay hệ thống oxy hoà tan

Hệ thống SBR yêu cầu vận hành theo chu kỳ để điều khiển quá trình xử

lý Hoạt động chu kỳ kiểm soát toàn bộ các giai đoạn của quy trình xử lý bao gồm: thời gian nước vào, thời gian sục khí, thời gian lắng và thời gian tháo nước Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học

Bể SBR hoạt động theo 5 pha

Đồng Mai Trang 27 K35C – Khoa Hóa học

:

Hình 7: Các pha của bể SBR

+ Pha làm đầy: thời gian bơm nước vào kéo dài từ 1-3 giờ Dòng nước thải được đưa vào bể trong suốt thời gian diễn ra pha làm đầy Trong bể phản ứng hoạt động theo mẻ nối tiếp nhau, tuỳ theo mục tiêu xử lý, hàm lượng BOD đầu vào, quá trình làm đầy có thể thay đổi linh hoạt: làm đầy – tĩnh, làm đầy – hòa trộn, làm đầy – sục khí

+ Pha phản ứng, thổi khí: Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thoáng bề mặt để cấp oxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, thường khoảng 2 giờ Trong pha phản ứng, quá trình nitrat hóa có thể thực hiện, chuyển Nitơ từ dạng N-NH3 sang N-NO2- và nhanh chóng chuyển sang dạng N-NO3-

+ Pha lắng: Lắng trong nước Quá trình diễn ra trong môi trường tĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100% Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ

+ Pha rút nước: Khoảng 0.5 giờ

+ Pha chờ : Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành