NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ AAO VỚI SỢI VẬT LIỆU ĐỆM

Giới thiệu chung Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các hoạt động dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vui chơi giải trí… Nước th

KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Sinh viên : Ngô Hoàng Quốc An MSSV: 2002197

Sinh viên : Ngô Huỳnh Ân MSSV: 2002198

Sinh viên : Nguyễn Vân Duy MSSV: 2002221

Sinh viên : Nguyễn Văn Thành Nhân MSSV: 2000021

HK14.1A

LỜI MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người Nước trong tự nhiên bao gồm toàn bộ nước từ các đại dương, biển vịnh sông hồ, ao suối, nước ngầm Trên trái đất nước ngọt chiếm một tỉ lệ rất nhỏ so với nước mặn Nước mặt rất cần thiết cho sự sống và phát triển, nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng sinh hóa và tạo nên các tế bào mới Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước thì ở đó có sự sống

Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ Sau khi sử dụng thì nước trở thành nước thải và chúng sẽ bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau Ngày nay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của các ngành công, nông nghiệp… Chúng đã để lại rất nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước Vấn đề này đang là mối nguy đáng lo ngại rất nhiều người cũng như rất nhiều quốc gia trên thế giới

Ở Việt Nam hiện nay toàn bộ nước thải sinh hoạt chưa được xử lý và được thải bỏ ra sông, hồ, ao các con kênh, rạch Vì vậy, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước và bốc mùi khó chịu, làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người

và các loài động thực vật sống gần khu vực xã thải

Với tình trạng ô nhiễm nguồn nước như hiện nay ở nước ta Qua những môn mà chúng tôi đã học và được sự hướng dẫn nhiệt tình của giảng viên đã cho chúng tôi những kiến thức và kinh nghiệm để chúng tôi có thể hoàn thành đồ án với việc áp dụng sử dụng vật liệu đệm trong mô hình AAO, hiệu quả xử lý cao làm giảm nồng độ ô nhiễm của nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU I LỜI CẢM ƠN II DANH SÁCH CÁC BẢNG VI DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 9

1.1 Giới thiệu chung 9

1.2 Mục tiêu đề tài 10

1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 10

1.3.1 Nội dung nghiên cứu 10

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 10

1.4 Ý nghĩa của đề tài 10

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 10

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 11

1.5 Tính mới của đề tài 11

1.6 Giới hạn của đề tài 11

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ AAO 12

2.1 Tổng quan về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt 12

2.2 Lý thuyết về công nghệ xử lý nước thải 12

2.3 Lý thuyết về công nghệ AAO 13

2.3.1 Khái niệm chung 13

2.3.2 Qúa Trình Anaerobic (Qúa trình kỵ khí) 16

2.3.3 Qúa trình oxic (Hiếu khí) 19

2.3.4 Qúa trình loại bỏ chất hữu cơ 21

2.3.5 Quá trình loại bỏ photpho 24

2.3.6 Ứng dụng công nghệ AAO 26

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 28

3.1 Đối tượng nghiên cứu 28

3.1.1 Nước thải 28

3.1.2 Mô hình nghiên cứu 28

3.1.3 Cấu tạo mô hình 28

3.1.4 Nguyên tắc hoạt động 29

3.2 Nội dung thí nghiệm 30

3.2.1 Giai đoạn thích nghi 30

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 35

4.1 Nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ 35

4.2 Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ 38

4.2.1 Chỉ tiêu Amonia 38

4.2.2 Chỉ tiêu Nitrat 40

4.2.3 Chỉ tiêu Nitrit 43

4.3 Nghiên cứu khả năng xử lý photpho 45

4.3.1 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng(tải trọng COD 0,96kgCOD/m3.ngày) 45

4.3.2 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.013 kg PO4/m3.ng 46

4.3.3 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng(tải trọng COD 1,344kgCOD/m3.ngày) 46

4.4 Bàn luận 47

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

5.1 Kết luận 49

5.2 Kiến nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 52

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của nước thải sinh hoạt được sử dụng trong báo cáo 28

Bảng 3.2 Thông số thiết kế và vận hành mô hình thí nghiệm AAO 28

Bảng 3.3 Kết quả sau nuôi bùn trong thời gian 7 ngày 31

Bảng 3.4 Bảng tải trọng chất hữu cơ đầu vào theo thời gian lưu nước 32

Bảng 3.5 Bảng tải trọng Nitơ tổng đầu vào thay đổi theo thời gian lưu nước 32

Bảng 3.6 Bảng tải trọng Photpho tổng đầu vào thay đổi theo thời gian lưu nước 33

Bảng 3.7 Kết quả chạy thích nghi ở các tải trọng khác nhau 34

Bảng 4.1 Tải trọng COD và hiệu suất xử lý 35

Bảng 4.2 Tải trọng Amonia và hiệu suất xử lý 38

Bảng 4.3 Tải trọng Nitrat và hiệu suất xử lý 40

Bảng 4.4 Tải trọng Nitrit và hiệu suất xử lý 43

Bảng 4.5 Tải trọng Phosphate và hiệu suất xử lý 45

Bảng 5.1 Kết quả xử lý COD theo giờ ở tải trọng 0,96 kg COD/m3.ngày 52

Bảng 5.3 Kết quả xử lý COD theo giờ ở tải trọng 1,152 kg COD/m3.ng 52

Bảng 5.4 Kết quả xử lý COD theo giờ ở tải trọng 1,344 kg COD/m3.ng 53

Bảng 5.5 Kết quả xử lý nitơ Amonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng 53

Bảng 5.6 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng 54

Bảng 5.7 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng 54

Bảng 5.8 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.027 kg NO3/m3.ng 55

Bảng 5.9 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.018 kg NO3/m3.ng 55

Bảng 5.10 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.025 kg NO3/m3.ng 56

Bảng 5.11 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng 56

Bảng 5.12 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.006 kg NO2/m3.ng 57

Bảng 5.13 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng 57

Bảng 5.14 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng 58

Bảng 5.15 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.013 kg PO4/m3.ng 58

Bảng 5.16 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng 59

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 2.1 Mô hình hoạt động quá trình AAO truyền thống 13

Hình 2.2 Phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí 17

Hình 3.1 Mô hình hệ thống AAO 29

Biểu đồ 4.1 Sự thay đổi COD qua các giờ ở tải trọng 0,96 kg COD/m3.ngày 35

Biểu đồ 4.2 Sự thay đổi COD qua các giờ ở tải trọng 1,152 kg COD/m3.ng 36

Biểu đồ 4.3 Sự thay đổi COD qua các giờ ở tải trọng 1,344 kg COD/m3.ng 37

Biểu đồ 4.4 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng 38

Biểu đồ 4.5 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng 39

Biểu đồ 4.6 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng 39

Biểu đồ 4.7 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.027 kg NO3/m3.ng 41

Biểu đồ 4.8 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.018 kg NO3/m3.ng 41

Biểu đồ 4.9 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.025 kg NO3/m3.ng 42

Biểu đồ 4.10 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng 43

Biểu đồ 4.11 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.006 kg NO2/m3.ng 44

Biểu đồ 4.12 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng 44

Biểu đồ 4.13 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng 45

Biểu đồ 4.14 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.013 kg PO4/m3.ng 46

Biểu đồ 4.15 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng 47

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAO Anaerobic (Yếm khí) – Anoxic (Thiếu khí) – Oxic (Hiếu khí)

BOD Biochemical oxygen demand (nhu cầu oxy sinh hóa)

DO Disoved Oxygen (Hàm lượng oxy hoà tan trong nước)

MBBR Moving bed biofilm reactor (quá trình xử lý nhân tạo trong đó sử dụng các vật

làm giá thể)

MLSS Mixed Liquoz Suspended Solids (nồng độ chất rắn trong bùn lỏng)

rbBOD Readily biodegradable BOD (BOD nhanh chóng phân hủy sinh học)

SRT Sludge retention time (thời gian lưu bùn)

SVI Sludge Volume Index (chỉ số thể tích bùn)

VSV Vi sinh vật

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu chung

Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các hoạt động dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vui chơi giải trí… Nước thải sinh hoạt của hộ gia đình thường được chia làm 2 loại: nước thải từ nhà vệ sinh chứa các chất ô nhiễm chủ yếu là các chất hữu cơ, các loại vi sinh vật gây bệnh và nước thải từ các quá trình tắm, giặt, nấu ăn với các thành phần chất ô nhiễm không đáng kể Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng của nước thải sinh hoạt thường là COD, N, P Trong đó hàm lượng N và P là rất lớn trong nước thải sinh hoạt, nếu không được loại bỏ thì chúng

sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa

Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải, căn cứ dựa vào chất thải sinh hoạt sau khi đã phân loại Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý thông dụng nhưng vẫn còn gặp những hạn chế nhất định như: phương pháp hóa học có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống

xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô lớn, các hệ thống xử lý hoá lý thì lại quá phức tạp

và khó vận hành…

Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra không quá khắt khe đối với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học thường được ứng dụng nhất

Trong quá trình nghiên cứu các phương pháp xử lý chúng tôi đã tìm hiểu được mô hình AAO Mô hình AAO là một trong những mô hình kết hợp các phương pháp sinh học

để xử lý nước thải sinh hoạt: sau khi xử lý cấp 1 nước thải sẽ được chảy vào bể bùn hoạt tính yếm khí (Anaerobic Tank), tiếp đến sẽ chảy vào bể vi sinh hiếu khí (Aerobic), vi sinh vật sống bám trên các hạt bùn trong các bể, tại đây sẽ diễn ra quá trình vi sinh vật oxi hoá chất hữu cơ tốc độ cao, sau quá trình này thì các chất vô cơ và hữu cơ có trong nước thải vì thế mà giảm dần, quá trình này đặc biệt giảm đi đáng kể hàm lượng Nitơ tổng (Total- Nitrogen) và Photpho tổng ( Total – Phosphase)

1.2 Mục tiêu đề tài

Ứng dụng công nghệ AAO kết hợp lớp vật liệu đệm để xử lý nước thải sinh hoạt

có hàm lượng chất hữu cơ cao

1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Nội dung nghiên cứu

• Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết về công nghệ AAO

• Nội dung 2: Thiết kế, lắp đặt mô hình công nghệ AAO kết hợp lớp vật liệu đệm

• Nội dung 3: Nuôi bùn sinh họa và chạy thích nghi mô hình

• Nội dung 4: Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng các thí nghiệm

- Nghiên cứu khả năng loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt

- Nghiên cứu khả năng loại bỏ Nitơ trong nước thải sinh hoạt

- Nghiên cứu khả năng loại bỏ Photpho trong nước thải sinh hoạtc

- Nội dung 5: Xử lý số liệu và giải thích

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

• Phương pháp lấy mẫu và phân tích chỉ tiêu chất lượng nước thải

• Phương pháp tổng hợp tài liệu

• Phương pháp chuyên gia: hỏi ý kiến và tư vấn của thầy cô, anh chị trong ngành

• Phương pháp vẽ đồ thị: lập đồ thị theo dõi chất lượng nước trước và sau xử lý

• Phương pháp thống kê và xử lý số liệu

1.4 Ý nghĩa của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

• Nghiên cứu kết hợp quá trình tăng trưởng vi sinh lơ lửng và bám dính trong cùng một hệ thống của quá trình AAO nhằm tăng cường hiệu quả xử lý giảm chi phí vận hành và xây dựng

• Theo dõi khả năng xử lý của hệ thống AAO với nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất hữu cơ cao trong thực tế

• Mô hình AAO cải tiến có chất lượng và khả năng xử lý cao hơn

• Nghiên cứu kế thừa các nghiên cứu về quá trình AAO trong xử lý nước thải trong

và ngoài nước

• Kết quả nghiên cứu của đề tài được thu thập từ quá trình nghiên cứu thực nghiệm

có căn cứ khoa học rỏ ràng

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

• Mặc dù nước thải sinh hoạt có nồng độ chất ô nhiễm thấp và lưu lượng thải ra lớn nên mức độ gây ô nhiễm rất cao Công nghệ AAO có ưu điểm xử lý triệt để đồng thời COD, Nitơ, Photpho trong một hệ thống nhằm đáp ứng yêu cầu xả thải nghiêm ngặt theo tính chất môi trường Việt Nam hiện tại và trong tương lai

• Áp dụng thích hợp cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt vừa và nhỏ, chi phí đầu tư vận hành thấp, tiết kiệm diện tích xây dựng, chi phí xây dựng

• Đưa mô hình AAO vào sử dụng rộng rãi trong thực tế do:

- Chi phí thiết kế cũng như vận hành của hệ thống thấp

- Chi phí năng lượng ít hơn và vận hành thuận lợi

- Mô hình đơn giản nhưng hiệu quả xử lý cao

• Mô hình có khả năng xử lý cao do quá trình màng có thể loại bỏ chất ô nhiễm rộng hơn vì chuỗi thức ăn dài trong màng sinh học có số lượng phong phú và sự hiện diện của nhiều loài vi sinh khác nhau của metozoa, protozoa, vi khuẩn và nấm

1.5 Tính mới của đề tài

Công nghệ AAO với sợi vật liệu đệm ở trong nghiên cứu này là quá trình mang bản chất sinh trưởng bám dính bao gồm các giai đoạn kỵ khí (Anaerobic) nối tiếp thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic) Đây là quá trình khác biệt so với quá trình AAO với hệ bùn hoạt tính truyền thống, đó là sinh khối phát triển và dính bám vào bề mặt chất mang Việc ứng dụng công nghệ AAO với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt là điểm mới của nghiên cứu

1.6 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ đo đạc khả năng xử lý của hệ thống với các chỉ tiêu như: NH3, PO4, COD, SVI Vì mục tiêu của hệ thống là xử lý nước thải sinh hoạt và các loại nước thải có thành phần chất hữu cơ cao nên các chỉ tiêu trên luôn là thành phần quan trọng trong nước thải sinh hoạt Dựa trên các chỉ tiêu đó có thể đánh giá được khả năng xử lý của hệ thống AAO vì hệ thống tối ưu xử lý các chỉ tiêu nêu trên

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ AAO

2.1 Tổng quan về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải từ khu dân cư, cao ốc, văn phòng, resort, trường học…lưu lượng nước thải này chủ yếu phát sinh từ các nguồn như: tắm rửa, giặt

giũ, nấu nướng, rửa nhà, nước thải vệ sinh…

Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều thành phần chất hữu cơ (BOD),

Cặn lơ lửng, Amoni, Tổng Nitơ, Photpho, mùi và nhiều vi sinh vật gây bệnh

Thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm cơ bảng chi tiết ở bảng sau:

STT Thông số Đơn vị Kết quả

2.2 Lý thuyết về công nghệ xử lý nước thải

• Tuỳ vào trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo có thể chia thành:

• Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật tồn tại ở dạng lơ lửng chủ yếu sử dụng khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng

• Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật tồn tại ở dạng dính bám như quá trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate hoá với màng cố định

• Xử lý nước thải bùn hoạt tính hiếu khí: trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân huỷ xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục quá trình sục khí liên tục nhằm cung cấp một lượng oxi ổn định Quá trình này sẽ giúp cho phản ứng oxi hóa diễn ra nhanh đồng thời các chất ô nhiễm tích tụ một phần vi sinh vật hấp thụ cho giai đoạn hình thành tế bào một phần tạo ra năng lượng cung cấp cho quá trình phân hủy các chất hữu cơ bị oxy hoá hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-

• Xử lý sinh học VSV tăng trưởng dính bám Bể bùn hoạt tính với VSV dính bám Phương pháp này tương tự như VSV dạng lơ lửng chỉ khác vi sinh vật phát triển dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong bể Phương pháp này có ưu điểm vượt trội hơn thời gian xử lý cũng như tốc độ xử lý nhanh giảm được quá trình tiêu hao nhiều năng lượng Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong quá trình xử lý

ô nhiễm nước thải

• Cùng với sự phát triển của các vật liệu làm giá thể mới thì nhiều công nghệ ứng dụng quá trình sinh trưởng bám dính ngày càng được quan tâm kể từ những năm

1980 cho việc loại bỏ chất dinh dưỡng trong nước thải (Min Zhang et al., 1998), trong đó có công nghệ AAO

2.3 Lý thuyết về công nghệ AAO

2.3.1 Khái niệm chung

AAO là viết tắt của các cụm từ Anaerobic (kỵ khí) – Anoxic (thiếu khí) – Oxic (hiếu khí) Công nghệ AAO là quy trình xử lý sinh học liên tục ứng dụng nhiều hệ VSV khác nhau: hệ vi sinh vật kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí để xử lý nước thải Công nghệ AAO với sợi vật liệu đệm ở trong nghiên cứu này là quá trình mang bản chất sinh trưởng bám dính bao gồm các giai đoạn kỵ khí (Anaerobic) nối tiếp thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic) Đây là quá trình khác biệt so với quá trình AAO với hệ bùn hoạt tính truyền thống, đó là sinh khối phát triển và dính bám vào bề mặt chất mang

Hệ thống này thực hiện quá trình loại bỏ cacbon hữu cơ, nitrat hoá, khử nitrat và loại bỏ photpho Nước thải được tuần hoàn từ ngăn hiếu khí về ngăn thiếu khí để tăng cường hiệu quả khử nitrat, còn bùn được tuần hoàn từ ngăn lắng về ngăn kỵ khí để giải phóng photphat Trong hệ thống này, vi khuẩn khử nitrat đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nitơ và VSV tích lũy photphat (PAOs) đóng vai trò quan trọng trong việc loại

bỏ photpho sinh học (EBPR) Cả hai loại vi khuẩn này đòi hỏi nguồn cacbon (hoặc COD)

để thực hiện các phản ứng một cách độc lập Do đó, giá trị COD là một yếu tố giới hạn cần thiết khi đồng thời loại bỏ nitơ và photpho, đặc biệt dưới điều kiện C/N hoặc C/P dòng vào không thích hợp Sorm et al., (1997) chỉ ra rằng nhu cầu COD đồng thời đã tạo

ra hiệu quả khử nitrate thấp, bởi vì cơ chất hữu cơ bị cô lập bởi PAOs dưới điều kiện kỵ khí, kết quả là không có cơ chất cho vi khuẩn khử nitơ trong điều kiện thiếu khí Vì vậy việc sử dụng VSV tích lũy photphate khử nitrat (DNPAOs) có thể làm giảm sự cạnh tranh về COD giữa quá trình khử nitrat hóa và quá trình loại bỏ photpho bởi vì chúng có thể xử lý nitrat và photphat bằng việc sử dụng các nguồn cacbon giống nhau Tuy nhiên,

có một số mâu thuẫn khi áp dụng hệ thống bùn đơn lẻ để loại bỏ đồng thời nitơ và photpho Đầu tiên, sự sinh trưởng của các vi khuẩn nitrat hóa chậm hơn các vi khuẩn dị dưỡng (như vi khuẩn khử COD) Vì vậy, quá trình vận hành với SRT kéo dài để thực hiện quá trình nitrat hóa Nhưng theo hướng khác, hệ thống cần phải vận hành với SRT ngắn để tăng cường loại bỏ photpho Thứ hai, nguồn cacbon thường không đủ cho quá trình khử nitrat hóa khi (a) bể thiếu khí đặt sau bể kỵ khí và (b) các axit béo mạch ngắn được sử dụng chủ yếu cho việc giải phóng photpho trong bể kỵ khí

Sử dụng màng trong hệ thống có một số đặc tính và ưu, nhược điểm sau:

Ưu điểm:

• Màng vi sinh có trong bể phản ứng xử lý nitơ có hiệu quả tùy thuộc vào việc sử dụng các vi khuẩn như vi khuẩn nitrat hóa có tốc độ sinh trưởng chậm và thời

gian phát sinh kéo dài

• So với quá trình bùn hoạt tính thì quá trình màng có khả năng loại bỏ chất ô nhiễm rộng hơn do chuỗi thức ăn dài trong màng sinh học có số lượng phong phú và sự hiện diện của nhiều loài khác nhau của metozoa, protozoa, vi khuẩn và nấm

• Khả năng xử lý trên mỗi đơn vị thể tích của quá trình màng cao hơn so với quá trình bùn hoạt tính do lượng sinh khối tính trên mỗi đơn vị thể tích của màng vi sinh cao hơn

• Lượng bùn dư sinh ra ít hơn so với quá trình bùn hoạt tính

• Chi phí năng lượng ít hơn và vận hành thuận lợi

• Có khả năng chịu sự biến đổi về thủy lực và tải trọng chất hữu cơ cao

Sử dụng công nghệ AAO với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt có nhiều ưu điểm nổi bật như:

• Công nghệ AAO kết hợp giữa công nghệ kỵ khí (anaerobic) - thiếu khí (anoxic) và hiếu khí (oxic) cho phép vừa giảm được chất ô nhiễm hữu cơ vừa giảm được các chất dinh dưỡng dư thừa trong nước thải

• Ưu điểm nổi bật của công nghệ kỵ khí là tiết kiệm năng lượng, do không cần phải cấp không khí

• Áp dụng công nghệ kỵ khí trong phân hủy bùn dư đảm bảo tiêu diệt được các vi khuẩn gây bệnh trong bùn từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt

• Công nghệ sinh học kỵ khí hoạt động với tải trọng phân hủy hữu cơ tương đối cao, nên cũng dẫn đến việc tiết kiệm mặt bằng một cách đáng kể Ngoài ra công nghệ sinh học kỵ khí còn cho phép chịu biến động mạnh về tải lượng hữu cơ

• Tác dụng đệm của ngăn hiếu khí để khắc phục quá tải: Thời gian lưu nước thải dài

và tất cả lượng nước thải tập trung trong một ngăn nên ngăn hiếu khí vừa có tác dụng oxy hóa chất hữu cơ vừa là một bể đệm cực kỳ hiệu quả do đó sẽ ít xảy ra sự

cố

Trong mô hình AAO, quá trình chất hữu cơ và chất dinh dưỡng được loại bỏ diễn

ra trong ba ngăn kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí

2.3.2 Qúa Trình Anaerobic (Qúa trình kỵ khí)

2.3.2.1 Cơ sở quá trình phân hủy kỵ khí:

Quá trình phân hủy kỵ khí là những quá trình phân hủy chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxy phân tử của không khí bởi các VSV kỵ khí Quá trình phân hủy

kỵ khí các hợp chất hữu cơ trong nước thải có thể hợp thành bốn giai đoạn xảy ra như

sau:

v Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của các enzym thủy phân do vi sinh vật tiết

ra, các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân: hydratcacbon (kể cả các chất không hòa tan) phức tạp sẽ thành các đường đơn giản; protein thành albumoz, pepton, peptit, axit amin; lipid thành glycerin và các axit béo Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân huỷ của cơ chất

v Giai đoạn axit hoá: Vi khuẩn lên men sẽ chuyển hoá các đường, axit amin, axit béo tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (propionic, butyric, acetic, lactic ), các alcohol (ethanol, methanol, glycerol), aceton, acetate, CO2, H2, NH3,

H2S và sinh khối mới Đặc trưng của pha axit này tạo thành axit làm cho pH có thể xuống dưới 5 và sinh mùi

v Giai đoạn acetic hoá: Các vi khuẩn như Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas

wolfei chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn axit hoá thành acetate, CO2, H2 và sinh khối mới

v Giai đoạn metan hoá: Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân huỷ kỵ khí

Các vi khuẩn metan hóa như Methanobacillus, Methanococcus, Methanobacterium

và Methanosarcina sẽ chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn acetic hoá thành hỗn hợp các khí chủ yếu là CH4 và CO2.Ngoài ra còn tạo thành một số khí khác như

H2, N2, H2S và một ít muối khoáng pH của môi trường tăng lên Các axit tác dụng với CO2 tạo thành các muối cacbon, tạo cho môi trường có tính đệm rất tốt, khi cho thêm nhiều axit vào môi trường thì nồng độ H+ vẫn không thay đổi Vi khuẩn metan được chia làm hai nhóm phụ:

o Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydro hoá tự dưỡng: chuyển hoá H2 và CO2 thành CH4:

CO 2 + 4H 2 à CH 4 + 2H 2 O

Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hoá axit

bay hơi và alcohol thành acetate

o Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic, còn gọi là vi khuẩn phân giải acetate, chúng chuyển hoá acetate thành CH4 và CO2

CH 3 COOH à CH 4 + COQuá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ

khí sinh ra sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí, trong đó CH4 chiếm tới 60 - 75% Vì vậy

quá trình này còn gọi là quá trình lên men metan

Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí hay là lên men metan là một quá trình phức tạp Tham gia vào quá trình có rất nhiều loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc

và không bắt buộc Chúng có thể tiến hành phân hủy cơ chất ở nhiệt độ từ 10oC đến trên

45oC Các vi khuẩn tham gia vào quá trình này được chia làm hai nhóm là nhóm vi khuẩn không sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh metan Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với môi trường, đặc biệt là rất dễ bị ức chế bởi sự có mặt của các kim loại nặng có trong môi trường Nguồn cacbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản như axit formic, butyric, metanol, etanol, H2, CO2, CO Để các vi khuẩn sinh khí metan phát triển bình thường trong môi trường cần phải có đủ CO2 và các hợp chất chứa nitơ Nguồn nitơ tốt nhất là amon cacbonat và amon clorua Đặc biệt là vi khuẩn sinh metan không sử

Chất hữu cơ phức tạp (hydratcacbon, protein, lipit)

Chất hữu cơ đơn giản (đường, peptit, axit amin)

Axit bay hơi (Propionic, butyric…)

CH4, CO2

Hình 2.2 Phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí

dụng nitơ trong các axit amin Để quá trình lên men tiến hành bình thường thì lượng nitơ cần thiết trong môi trường theo tỷ lệ C/N là 20:1

2.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí:

Vi khuẩn metan chịu trách nhiệm chính trong quá trình xử lý kỵ khí, phát triển rất chậm so với vi khuẩn hiếu khí và do đó nó cần nhiều thời gian để thích nghi với sự biến đổi tải trọng, nhiệt độ, và những điều kiện khác Chính vì thế, các giải pháp thiết kế và vận hành cần phải được xem xét trong các điều kiện môi trường tối ưu để đạt hiệu quả xử

Nhìn chung hệ thống thường thiết kế theo mức mesophilic hoặc thấp hơn

• Ảnh hưởng của oxy và các chất ức chế: một yêu cầu khác trong quá trình kỵ khí

là phải duy trì điều kiện không có oxy Một lượng nhỏ oxy có thể làm ảnh hưởng đến vi khuẩn sinh metan và những loại VSV kỵ khí khác Chính vì thế, bể thường phải được đóng kín và khí metan sinh ra được thu lại để làm nguồn nhiệt

• Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng: cũng như vi sinh vật hiếu khí, các chất dinh

dưỡng chủ yếu bao gồm N, P, K, S, Mg, Ca, Fe, Na, Cl và các chất vi lượng Zn, Mn, Mo,

Se, Co, Cu, Ni Tỷ lệ chất dinh dưỡng cần cho vi sinh vật hiếu khí phát triển là COD:N:P

= 200:5:1 Tuy nhiên, một số nước thải không đáp ứng được điều này, do đó cần thiết phải bổ sung thêm chất dinh dưỡng

• Ảnh hưởng của pH: pH cũng là một yêu cầu quan trọng trong quá trình kỵ khí, quá

trình kỵ khí hoạt động tốt ở pH từ 6,6 - 7,6 nhưng tối ưu là 7,0 - 7,2 Khi pH dưới 6,2, môi trường axit trong bể có thể làm nguy hại đối với vi khuẩn metan

• Ảnh hưởng của độc chất: các chất độc hại như muối vô cơ, chất hữu cơ độc hại

hoặc các kim loại nặng có thể gây ảnh hưởng đến xử lý kỵ khí Người ta cũng đã xác định được tính độc của kim loại nặng lên hệ vi sinh này như sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni Giới hạn nồng độ của kim loại này cho phép lên vi sinh là: Cr: 690 mg/l, Cu: 500 mg/l,

Pb: 900 mg/l, Zn: 590 mg/l, Ni: 73 mg/l

2.3.2.3 Qúa trình Anoxic (Thiếu khí)

Trong nước thải, có chứa các hợp chất nitơ và photpho, những hợp chất này cần phải được loại bỏ ra khỏi nước thải Tại bể Anoxic, trong điều kiện thiếu khí hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển xử lý N và P thông qua 2 quá trình Nitrat hóa và Photphorit

• Quá trình Nitrat hóa xảy ra như sau:

o Hai chủng loại vi khuẩn chính tham gia vào quá trình này là Nitrosonas và Nitrobacter Trong môi trường thiếu oxy, các loại vi khuẩn này sẻ khử Nitrat (NO3-) và Nitrit (NO2-) theo chuỗi chuyển hóa:

NO 3 - → NO 2 - → N 2 O → N 2 ↑

o Khí nitơ phân tử N2 tạo thành sẽ thoát khỏi nước và ra ngoài Như vậy là nitơ đã được xử lý

• Quá trình Photphorit hóa: chủng loại vi khuẩn tham gia vào quá trình này là

Acinetobacter Các hợp chất hữu cơ chứa photpho sẽ được hệ vi khuẩn Acinetobacter chuyển hóa thành các hợp chất mới không chứa photpho và các hợp chất có chứa photpho nhưng dễ phân hủy đối với chủng loại vi khuẩn hiếu khí

Để quá trình Nitrat hóa và Photphorit hóa diễn ra thuận lợi tại bể Anoxic lắp đặt thêm hệ thống đệm sinh học được chế tạo từ nhựa PVC Hệ vi sinh vật thiếu khí bám dính vào bề mặt vật liệu đệm sinh học để sinh trưởng và phát triển

2.3.3 Qúa trình oxic (Hiếu khí)

2.3.3.1 Cơ sở quá trình phân hủy hiếu khí:

Quá trình phân hủy hiếu khí là những quá trình phân hủy chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện cần có oxy phân tử của không khí bởi các vi sinh vật hiếu khí Quá trình phân hủy hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng sau:

1 Oxi hóa các hợp chất hữu cơ:

C x H y O z + O 2 CO 2 + H 2 O + Năng lượng

2 Tổng hợp xây dựng tế bào:

C x H y O z + O 2 Tế bào VSV + CO 2 + H 2 O + Năng lượng

3 Quá trình tự phân hủy:

C 5 H 7 O 2 N + 5O 2 5CO 2 + 2H 2 O + NH 3 + Năng lượng

Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện

enzym

enzym enzym

Quá trình phân hủy chất hữu cơ xảy ra ở bên ngoài tế bào do các enzym thủy phân như amilaza phân hủy tinh bột, proteaza phân hủy protein, lipaza thủy phân lipid thành các hợp chất có phân tử lượng thấp hơn có thể đi qua màng vào bên trong tế bào Quá trình này gọi là quá trình phân hủy ngoại bào Các chất này tiếp tục được phân hủy hoặc chuyển hóa thành các chất liệu tạo tế bào mới Các quá trình này xảy ra trong tế bào gọi

là quá trình hô hấp nội bào

2.3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học hiếu khí:

Hàm lượng oxy trong nước thải: trong thực tế, lượng oxy hoà tan trong bể nên dao động từ 2 - 4 mg/l tại mọi vị trí trong bể, trong đó giá trị 2 mg/l thường được sử dụng

Nồng độ cho phép của các chất bẩn hữu cơ: vi sinh vật chỉ hoạt động hiệu quả đối với một tải trọng hữu cơ nhất định nào đó

Ảnh hưởng của pH: giá trị pH ảnh hưởng lớn đến quá trình tạo men trong tế bào

và quá trình hấp phụ các chất dinh dưỡng vào tế bào Đối với đa số vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là 6,5 – 8,5

Chất dinh dưỡng trong nước thải: Nitơ và photpho là các nguyên tố dinh dưỡng quan trọng nhất cho sự phát triển của sinh khối Ta cần duy trì hàm lượng nitơ, photpho trong nước thải một giá trị thích hợp nhằm duy trì trạng thái ổn định của hệ vi sinh vật Thông thường tỷ lệ COD:N:P thích hợp cho hệ vi sinh vật là 100:5:1 Ngoài nitơ, photpho thì các nguyên tố dinh dưỡng khác cũng cần thiết có trong nước thải như: K, Mg,

Ca, S, Fe,… Các nguyên tố này nếu vượt quá nồng độ cho phép sẽ gây tác dụng tiêu cực cho vi sinh vật

Nhiệt độ nước thải: ảnh hưởng rất lớn đến chức năng hoạt động của vi sinh vật Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nước thải thích hợp nằm trong khoảng 5 – 300C Khi nhiệt độ tăng cao sẽ gây ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý vì khi đó độ hoà tan trong nước sẽ giảm Còn khi nhiệt độ quá thấp sẽ làm mất hoạt tính của các vi sinh vật

Nồng độ vi sinh vật trong nước thải: đây là thông số quan trọng cần kiểm soát để đảm bảo hiệu suất xử lý Nồng độ bùn hoạt tính thích hợp trong bể sinh học nên duy trì trong khoảng từ 2 - 5 g/l

Ngoài các yếu tố trên ta cũng cần lưu ý đến một số các yếu tố khác như việc khống chế nồng độ muối vô cơ, đặc biệt là muối kim loại nặng trong nước thải, các chất độc, các chất gây ức chế cho quá trình tăng trưởng của vi sinh vật

2.3.4 Qúa trình loại bỏ chất hữu cơ

2.3.4.1 Quá trình loại bỏ nitơ

Cùng với photpho trong nước thải, nitơ là nguồn chính gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa bề mặt nước Vì lý do đó, Nitơ cần phải được loại bỏ cùng với chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải Trái ngược với các dạng photphat không hòa tan kết tủa với nhiều kim loại nặng và có thể được tách bởi quá trình lắng hoặc quá trình tạo bông, tất cả các thành phần nitơ, ngoại trừ Mangan ammonium phosphate (MgNH4PO4), dễ dàng hòa tan trong nước và vì vậy không thể loại bỏ chúng về phương diện hóa học như quá trình kết tủa Để loại bỏ nitơ dạng amin và các hợp chất nitơ dị vòng khác, thì quá trình chuyển các hợp chất này thành ammonia là giai đoạn đầu tiên trong quá trình xử lý hiếu khí hoặc kỵ khí Sau đó xảy ra quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa tiếp theo Vì vậy, tùy thuộc vào dạng của các hợp chất nitơ trong nước thải, việc loại bỏ nitơ đòi hỏi phải trải qua ba quá trình lần lượt nhau: amon hóa, nitrat hóa và khử nitrat hóa (Gensicke

et al., 1998; Zayed and Winter, 1998)

Những phần chính của các hợp chất nitơ ở trong nước thải đô thị được khử thành các dạng như ammonia, urê, các amin, axit amin và protein Các hợp chất nitơ bị oxy hóa như nitrat và nitrit thường không hiện diện trong tất cả hoặc trong một số dạng liên quan Tuy nhiên, nitrat và nitrit lại phần chính của tải trọng nitơ trong nước thải thực phẩm và các ngành công nghiệp kim loại (Gensicke et al., 1998; Zayed and Winter, 1998)

Ammonia trong nước thải đô thị ban đầu được sinh ra chủ yếu từ nước thải con người, động vật và được hình thành trong hệ thống cống rãnh do sự phân chia enzym của urê như phản ứng sau:

NH2CONH2 + H2O à CO2 + 2NH3

Thời gian nước thải được lưu trong hệ thống cống rãnh thường không đủ lâu để cho ammonia sinh ra từ các nguồn khác như quá trình phân giải protein và quá trình khử amin của các axit amin

2.3.4.2 Quá trình amon hóa

Các hợp chất nitơ hữu cơ có trong nước thải đô thị thường là các hợp chất dị vòng (như axit nucleic) và các protein Quá trình phân giải protein và sự phân hủy các axit amin dẫn tới sự phóng thích ammonia bởi nhiều cơ chế khác nhau của quá trình amon hóa (Rheinheimer et al., 1988), bao gồm quá trình thủy phân, oxy hóa, quá trình khử và

R–NH 2 + H 2 O à R–OH + NH 3 R–CHNH 2 –COOH + H 2 O à R–CO–COOH + 2 (H) + NH 3

R–CHNH 2 –COOH + 2(H) à R–CH 2 –COOH + NH 3 R–CH 2 –CHNH 2 –COOH à R–CH=CH–COOH + NH 3

Một lượng lớn ammonia sinh ra từ sự phân chia urê hoặc từ quá trình amon hóa của các axit amin được đồng hóa trong quá trình xử lý hiếu khí cho sự phát triển của vi khuẩn Có thể ước lượng rằng các vi khuẩn chứa khoảng 50% protein và hàm lượng nitơ trong protein là khoảng 16% Vì vậy, để tổng hợp 1 g sinh khối vi khuẩn thì cần khoảng 0,08 g N-NH4+ Để loại bỏ ammonia mà không sử dụng cho quá trình sinh trưởng tế bào trong xử lý nước thải thì đầu tiên cần phải xảy ra quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa tạo thành N2 hoặc oxy hóa kỵ khí với nitrit

2.3.4.3 Quá trình nitrat hóa

Mô tả quá trình:

• Quá trình nitrat hoá xảy ra trong bể hiếu khí, là quá trình oxy hoá các hợp chất chứa nitơ, đầu tiên là ammonia thành nitrit sau đó oxy hóa nitrit thành nitrat Quá trình nitrat hóa ammonia diễn ra theo hai bước liên quan đến hai loại VSV tự dưỡng là Nitrosomonas và Nitrobacter Đầu tiên ammonia được chuyển thành nitrit nhờ vi khuẩn Nitrosomonas Sau đó nitrit chuyển thành nitrat nhờ vi khuẩn Nitrobacter:

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

• Nồng độ oxy hòa tan: nồng độ oxy là một trong những yếu tố quan trọng nhất kiểm soát quá trình nitrat hóa Nhu cầu oxy cho nitrat hoá khoảng 4,6 mg O2/mg

NH4+ bị oxy hoá Khi DO giảm xuống dưới 2 mg/l trong thời gian kéo dài thì sự nitrat hoá sẽ bị kiềm chế

• Độ kiềm và pH: một số nghiên cứu quan sát thấy rằng tốc độ nitrat hóa cực đại khi

pH nằm trong khoảng 7,2 - 9,0

• Nhiệt độ: tốc độ nitrat hoá tăng khi nhiệt độ tăng đến điểm giới hạn (300C – 350C)

và sau đó giảm Quy luật này là nhiệt độ thay đổi từ 200C xuống còn 100C thì tốc

độ nitrat giảm khoảng 30%, cần gần gấp 3 lần nồng độ sinh khối MLSS để đạt được nồng độ ammonia dòng ra tương đương

• Thời gian lưu bùn (SRT): bởi vì tốc độ phát triển của vi khuẩn nitrat hoá chậm hơn

vi sinh vật dị dưỡng, thời gian lưu bùn dài sẽ tăng hiệu quả của việc khử nitrat Thời gian lưu bùn của quá trình nitrat hoá là một hàm trực tiếp với nhiệt độ nước thải

• Tỉ số BOD5/TNK: một phần vi sinh vật nitrat hóa bị giảm khi tỷ số BOD5/TNK tăng Trong quá trình nitrat hóa kết hợp oxy hóa cacbon, tỷ số này lớn hơn 5, trong quá trình nitrat hóa riêng biệt, tỷ số này nhỏ hơn 3

2.3.4.4 Quá trình khử nitrat hóa

Mô tả quá trình:

• Khử nitrat hóa là quá trình khử nitrat thành khí nitơ bởi các vi khuẩn dị dưỡng trong điều kiện thiếu khí và đòi hỏi một chất cho electron là chất hữu cơ hay vô

cơ

• Hai con đường khử nitrat có thể xảy ra trong hệ thống sinh học đó là:

- Đồng hóa: khử nitrat thành ammonia sử dụng cho tổng hợp tế bào Nó xảy ra

khi ammonia không có sẵn, độc lập với sự ức chế oxy

- Dị hóa: khử nitrat bằng dị hóa liên quan đến sự khử nitrat thành NO2-, NO và nitơ

NO 3 - à NO 2 - à NO (g) à N 2 O (g) à N 2 (g)

• Một số vi khuẩn khử nitrat như là Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracoccus, Spirllum… Hầu hết vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng, nghĩa là chúng lấy cacbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ Quá trình khử nitrat đòi hỏi phải cung cấp nguồn cacbon Điều này có thể thực hiện bằng ba cách sau:

Cung cấp nguồn cacbon từ bên ngoài như methanol, acetate, nước thải đô thị:

Acetate: 5CH 3 COOH + 8NO 3 - à 4N 2 + 10CO 2 + 6H 2 O + 8OH -

• Sử dụng BOD của chính nước thải làm nguồn cacbon có thể phân hủy thực hiện bằng cách:

- Tuần hoàn lại phần lớn nước sau khi đã nitrat hóa đến vùng thiếu khí đầu sơ đồ

- Dẫn một phần nước thải thô đầu vào hay đầu ra sau xử lý sơ bộ vào vùng chứa nitrat

• Sử dụng nguồn cacbon của chính tế bào do quá trình hô hấp nội sinh

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

• Nồng độ oxy hòa tan (DO): quá trình khử nitrat hóa xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên sự hiện diện của DO ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của quá trình Khử nitrat hóa bị dừng khi nồng độ DO là 0,13 mg/l Tốc độ khử nitrat ở nồng độ DO = 0,2 mg/l chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrat hóa ở nồng độ DO = 0 mg/l DO tăng lên 2 mg/l thì tốc độ khử nitrat hóa chỉ bằng 10% ở nồng độ DO = 0 mg/l

• Độ kiềm và pH: độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrat hóa làm tăng nhẹ pH, thay vì bị giảm trong phản ứng nitrat hóa Trái ngược với vi khuẩn nitrat hóa, người ta ít quan tâm đến ảnh hưởng pH lên tốc độ khử nitrat hóa Vi khuẩn khử nitrat hóa phát triển tốt ở pH từ 6,5 - 8,5 Tốc độ khử nitrat hóa không bị ảnh

hưởng khi pH từ 7 - 8

• Nhiệt độ: nhiệt độ nước thải tăng hoạt tính của vi khuẩn, dẫn đến tốc độ khử nitrat

cao Đối với cùng lượng BOD, sự thay đổi nhiệt độ từ 200C xuống 100C sẽ giảm

tốc độ khoảng 75%

• Thời gian lưu bùn (SRT): lượng nitrat khử được trong quá trình ứng với lượng chất nền chứa cacbon đã cho phụ thuộc vào SRT SRT lâu hơn, chất cho electron trong chất nền (chất cho electron) sẽ đi đến chất nhận electron (nitrat) nhiều hơn đi

vào sinh khối à lượng nitrat sẽ bị khử nhiều hơn

2.3.5 Quá trình loại bỏ photpho

Mô tả quá trình:

• Quá trình loại bỏ photpho sinh học tăng cường (EBPR) được xem như là một quá trình loại bỏ photpho từ nước thải có tính kinh tế và bền vững với môi trường nhất Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi cho xử lý nước thải đô thị với hàm lượng photpho khoảng từ 4 - 12 mg P-PO43- /l (Metcalf and Eddy, 2003)

• Quá trình loại bỏ photpho sinh học có thể được thực hiện thông qua việc lựa chọn các VSV có khả năng dự trữ các poly-phosphate Sự lựa chọn các PAOs có thể được thực hiện bằng việc cho VSV thay đổi từ các điều kiện kỵ khí với các điều kiện hiếu khí trong bể phản ứng với lớp màng cố định (Kerm-Jespersen et al., 1994) Và một quá trình gần đây cho thấy có khả năng trong việc loại bỏ photpho sinh học là quá trình màng sinh học (Randall et al., 1992) Quá trình màng khác với quá trình bùn hoạt tính đó là bùn hoạt tính là quá trình sinh trưởng lơ lửng còn màng là quá trình sinh trưởng bám dính, nghĩa là sinh khối phát triển và bám dính trên bề mặt của các chất mang (Wang et al., 1991; Park et al., 1995, 1996) Photpho trong nước thải đầu vào được hấp thu vào trong tế bào sinh khối, sau đó được loại bỏ khỏi quá trình từ việc thải bùn dư Vi sinh vật tích luỹ photpho (PAOs) được kích thích tăng trưởng và tiêu thụ photpho trong hệ thống qua việc

sử dụng bể phản ứng có PAOs chiếm ưu thế so với các vi khuẩn khác Bể tiếp xúc

kỵ khí có thời gian lưu nước khoảng 0,5 - 1,0 giờ

• Việc khử photpho trong hệ thống sinh học dựa trên những khả năng sau (Sedlak, 1991):

- Nhiều vi khuẩn có khả năng dự trữ một lượng dư photpho như polyphosphate trong tế bào của chúng

- Dưới điều kiện kỵ khí, PAOs sẽ chuyển hoá những sản phẩm lên men (như VFAs) thành những sản phẩm dự trữ bên trong tế bào, đồng thời phóng thích photpho từ những polyphosphate được dự trữ

- Dưới điều kiện hiếu khí, năng lượng được sinh ra từ phản ứng oxy hoá những sản phẩm dự trữ và khi đó polyphosphate tích luỹ trong tế bào tăng lên

Quá trình xảy ra trong vùng kỵ khí:

• Acetate là sản phẩm lên men của bsCOD, những hợp chất hữu cơ hoà tan có thể được tiêu thụ dễ dàng bởi sinh khối Dựa trên giá trị thời gian lưu nước của vùng

kỵ khí, COD chất keo và COD cặn cũng được thuỷ phân và chuyển hoá thành acetate, nhưng khối lượng thường nhỏ hơn so với sự chuyển hoá của bsCOD

• Sử dụng năng lượng sẵn có từ polyphosphate tích luỹ, PAOs đồng hoá acetate và sản sinh ra những sản phẩm tích luỹ PHB Một số glycogel chứa trong tế bào cũng được sử dụng Đồng thời, với sự hấp thu acetate là việc giải phóng orthophosphate (O-PO43-) cũng như Mg2+, K+, Ca2+

Quá trình xảy ra trong vùng hiếu khí/thiếu khí:

• PHB tích luỹ được chuyển hoá, cung cấp năng lượng từ phản ứng oxy hoá và cung cấp cacbon cho sinh trưởng tế bào mới

• Một số glycogel được tạo ra từ sự chuyển hoá PHB

• Năng lượng được giải phóng từ phản ứng oxy hoá PHB được sử dụng tạo thành các cầu nối polyphosphate trong tế bào dự trữ, orthophosphate hoà tan (O-PO43-) được khử khỏi dung dịch và tạo thành polyphosphate trong tế bào vi khuẩn

• Cũng như một phần sinh khối được thải bỏ, photpho tích luỹ được khử từ bể phản ứng xử lý sinh học từ việc thải bỏ bùn

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ photpho:

• Tính chất nước thải: khử photpho bằng sinh học được bắt đầu từ vùng kỵ khí nơi

mà acetate (và propionate) được giữ lại bởi những vi khuẩn photpho còn lại và được chuyển hóa thành cacbon cung cấp năng lượng và sự tăng trưởng trong vùng thiếu khí và vùng hiếu khí phía sau Acetate nhiều, tế bào tăng trưởng nhiều, do đó hiệu quả khử photpho tăng Vì những hợp chất hữu cơ là cần thiết đối với việc khử nitrat, lượng rbCOD cân đối với lượng TKN đầu vào cũng là một thông số nước

2.3.6 Ứng dụng công nghệ AAO

Công nghệ AAO được ứng dụng xử lý các loại hình nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như: nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải ngành chế biến thuỷ sản, nước thải ngành sản xuất bánh kẹo – thực phẩm…

Công nghệ xử lý nước thải AAO thường được kết hợp với công nghệ xử lý nước thải MBBR và công nghệ xử lý nước thải MBR để gia tăng hiệu quả xử lý

Bệnh viện Chợ Rẫy là bệnh viện đầu tiên thí điểm hệ thống xử lý nước thải theo công nghệ này Công trình sử dụng công nghệ AAO của Nhật Bản, kết hợp nhiều quá trình xử

lý các chất ô nhiễm hữu cơ bằng vi sinh, đảm bảo xử lý được triệt để theo tiêu chuẩn cao nhất đối với nước thải bệnh viện, chi phí vận hành thấp và ổn định, trình độ tự động hoá cao…

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

3.1.1 Nước thải

Nước thải sinh hoạt sử dụng trong đề tài nghiên cứu được lấy từ nguồn nước đầu

ra của một quán ăn trong khu vực công viên phần mềm Quang Trung Nước thải sinh hoạt tại đây chủ yếu là nước từ công đoạn chế biến thức ăn, rửa thịt, cá….Sau khi phân tích nguồn nước này chúng tôi thấy đây là nguồn nước đặc trưng của nước thải sinh hoạt

do có nồng độ chất hữu cơ, cùng hàm lượng Nitơ và Photpho trong nước cao Các thông

số đo được từ nước thải trên được trình bày trong bảng 3.1:

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của nước thải sinh hoạt được sử dụng trong báo cáo

Thông số Đơn vị Giá trị TCVN 5945:2005 Cột A

3.1.2 Mô hình nghiên cứu

Mô hình nghiên cứu được đặt tại phòng thí nghiệm trường Đại Học Hoa Sen

3.1.3 Cấu tạo mô hình

Bảng 3.2 Thông số thiết kế và vận hành mô hình thí nghiệm AAO

Các dụng cụ thiết kế mô hình

- Kiếng dùng làm khung mô hình, phân chia từng ngăn

- Ống nhựa PVC dùng làm đường ống dẫn nước qua mỗi bể

- Ống thổi khí tạo bọt khí trong bể hiếu khí

- 1 Máy thổi khí cung cấp khí cho vi sinh vật trong bể hiếu khí

- 1 Máy bơm định lượng bơm nước đầu vào, 1 bơm tuần hoàn bùn từ bể lắng về bể kỵ khí, 1 bơm tuần hoàn nước từ bể hiếu khí về bể thiếu khí

- 5 Miếng rong bằng nhựa dùng làm vật liệu đệm

- Ổ cắm

- Van nhựa điều chỉnh nước đầu ra

- Van điều chỉnh lượng nước, bùn tuần hoàn

3.1.4 Nguyên tắc hoạt động

Mô hình được thiết kế nhằm kết hợp quá trình loại bỏ COD, quá trình nitrat hoá, khử nitrat và khử photpho Nước thải đưa vào mô hình được trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn chảy vào ngăn kỵ khí Ngăn này có vai trò loại bỏ một phần cacbon thành acetate và PAOs sử dụng năng lượng sẵn có từ polyphosphate tích luỹ, đồng hoá acetate và sản sinh

ra những sản phẩm tích luỹ PHB Sau đó nước thải chảy qua ngăn thiếu khí Ngăn này thực hiện các vai trò loại bỏ cacbon, khử nitrat và loại bỏ P Cuối cùng nước thải được đưa qua ngăn hiếu khí nhờ khe rãnh Ở đây oxy được cung cấp nhờ các ống cấp khí qua

Hình 3.1 Mô hình hệ thống AAO