Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khi - hiếu khí cải tiến

Trong đó, biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng biện pháp sinh học có sử dụng vi sinh vật trong điều kiện thiếu khí và hiếu khí đang được chú ý nghiên cứu và áp dụng.. Nhận thấy được

===SO C3 cas===

ĐẶNG THỊ THỊNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHOTPHO TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT

THIẾU KHÍ - HIẾU KHÍ CẢI TIẾN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: H óa công nghệ m ôi trường

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Ths LẼ CAO KHẢI

HÀ NỘI - 2016

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

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS Lê Cao Khải người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp

Nhân đây em xin cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường và các Thầy,

Cô trong Khoa Hóa Học đã tạo điều kiện tốt nhất để em học tập và hoàn thiện tốt kiến thức trong những năm học vừa qua

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

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

Sinh viên

Đặng Thị Thịnh

Hình 1 Quá trình xử lý photpho AO

Hình 2 Sơ đồ phostrip tách loại photpho

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

Hình 4 Đường chuẩn photpho

Hình 5 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm

Hình 6 Anh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý p của toàn hệ

Hình 7 Anh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý p của toàn hệHình 8 Anh hưởng của tải lượng tói hiệu suất xử lý p của toàn hệ

Bảng 1 Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT

Bảng 2 Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20°c

Bảng 3 Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho Bảng 4 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu

Bảng 5 Ảnh hưởng của các ion silic đến kết quả phân tích

Bảng 6 Dung tích hữu ích các ngăn ừong thiết bị thí nghiệm

Bảng 7 Các chế độ vận hành

AO (Anoxic - Oxic) Thiếu khí - hiếu khí

AAO (Anaerobic - Anoxic - Oxic) Yếm khí - thiếu khí - hiếu khí

BOD ( Biological Oxyzen Demand)

COD ( Chemical Oxyzen Demand)

Nhu cầu oxi hóa sinh học Nhu cầu oxi hóa hóa học

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về nước thải sinh ho ạt 3

1.1.1 khái niệm nước thải sinh hoạt 3

1.1.2 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt 3

1.1.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường 3

1.1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 4

1.2 Tổng quan về photpho 6

1.2.1 Định nghĩa 6

1.2.2 Vai trò của photpho 7

1.2.3 Thực trạng, nguyên nhân ô nhiễm photpho hiện n a y 7

1.2.4 Ảnh hưởng của photpho tổng 7

1.3 Tổng quan về công nghệ xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt 9

1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho 9

1.3.2 Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước thải 14

1.4 Công nghệ xử lý nước thải A O 29

1.4.1 Quá trình Anoxic (xử lý sinh học thiếu khí) 30

1.4.2 Quá trình Oxic (xử lý sinh học hiếu khí) 31

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH NGHIÊN CÚƯ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Đối tượng nghiên cứu 32

2.2 Mục đích nghiên cứu 32

2.3 Nội dung nghiên cứu 32

2.4 Phương pháp nghiên cứu 33

2.4.1 Phương pháp tài liệu kế thừa 33

2.4.2 Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 33

2.4.2.1 Phương pháp thu thập số liệu 33

2.4.3 Phương pháp phân tích định lượng photpho bằng phương pháp oxy

hóa ướt bằng K2S2O8 33

2.4.3.1 Nguyên tắc .33

2.4.3.2 Yếu tố ảnh hưởng 34

2.4.3.3 Dụng cụ thiết b ị 35

2.4.3.4 Hóachất 36

2.4.3.5 Quy trình phân tích 37

2.4.4 Phương pháp thực nghiệm 38

2.4.4.1 Hệ thiết bị thí nghiệm 39

2.4.4.2 Các chế độ thí nghiệm và quy trình vận hành 40

CHƯƠNG 3:_KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý photpho 41

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý photpho 41

3.3 Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu quả xử lý photpho 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

LỜI MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, nước cần thiết cho sự sống

và phát triển của động thực vật và con người vì vậy có thể nói ở đâu có nước

ở đó có sự sống Nước tự nhiên bao gồm toàn bộ nước từ các đại dưomg, biển vịnh sông hồ, ao suối trong đó nước ngọt chiếm tỷ lệ rất nhỏ khoảng 2,6% tổng lượng nước Nước ngọt được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau như: sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, sản xuất công nghiệp và dịch vụ Sau khi sử dụng thì nước sẽ trở thành nước thải và bị ô nhiễm ở mức độ khác nhau Ngày nay, cùng vói sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa hiện đại hóa và sự bùng nổ dân số thì nhu cầu nước sạch càng trở nên cấp thiết hơn

đi đôi với đó lượng nước thải ra ngày càng nhiều Tuy nhiên, nước thải đã và đang gây ô nhiễm môi trường trầm ữọng, vấn đề ô nhiễm nước đang rất được quan tâm, đang là mối lo ngại của rất nhiều quốc gia trong đó có cả Vệt Nam

Ở việt Nam, trong các khu đô thị thì nước thải sinh hoạt sẽ được thải ra

hệ thống thu gom nước đưa về khu xử lý tập trung để xử lý Tuy nhiên, nguồn nước thải sinh hoạt vẫn chưa được xử lý một cách triệt để do nước thải sinh hoạt có thành phần phức tạp, chi phí xử lý cao, các khu xử lý có hiệu suất xử

lý thấp chưa đáp ứng yêu càu xử lý Còn ở nông thôn, nước sau khi được sử dụng lại thải bỏ trực tiếp ra ao hồ sông ngòi vì vậy dẫn tói tình trạng ô nhiễm nguồn nước và gây mùi khó chịu làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới con người động thực vật khác Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là COD, nito, photpho Ngoài ra, nước thải sinh hoạt còn chứa hàm lượng N và p rất lớn, nếu không được loại

bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy hòa tan) biến động liên tục và mạnh là những tác nhân khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống nổi đối thủy động vật

Từ thực trạng đó, đã có rất nhiều biện pháp được đưa ra để xử lý nước thải sinh hoạt Trong đó, biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng biện pháp sinh học có sử dụng vi sinh vật trong điều kiện thiếu khí và hiếu khí đang được chú ý nghiên cứu và áp dụng Nhận thấy được biện pháp trên có nhiều

ưu điểm như: có giá thành vận hành rẻ, thích họp cho các loại nước thải có độ

ô nhiễm cao, phù hợp với điều kiện ấm nóng của Việt Nam, trong bản khóa luận

này, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý photpho trong nước thải sinh hoat bằng hê thống loc sinh hoc thiếu khi - hiếu khí cải tiến”.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 Tồng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1 khái niệm nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, phòng thí nghiệm, trường học Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào lượng dân số của khu vực đó Các trung tâm đô thị thường có lượng nước thải sinh hoạt cao hơn so với nông thôn Nước thải sinh hoạt ở các đô thị được thải ra hệ thống thoát nước còn ở nông thôn không được xử lý mà đổ trực tiếp ra hệ thống kênh rạch và xả thẳng vào các ao, hồ, sông, ngòi và được tiêu thoát tự nhiên

1.1.2 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt

Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại chính: nước đen và nước xám

• Nước đen là nước thải từ các nhà vệ sinh chứa phàn lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng

• Nước xám là nước thải phát sinh từ quá trình tắm rửa, cạn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể cả các chất thải từ nấu nướng với thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể

1.1.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường

Các thành phần ô nhiễm chính thường thấy trong nước thải sinh hoạt là BOD, COD, nitơ và phôtpho Nước thải sinh hoạt chứa nhiều họp chất hữu cơ

dễ bị phân hủy sinh học, các chất hữu cơ khó phân hủy, ngoài ra còn có cả 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 họp chất như protein (40% -50 %); hydratcacbon (40% - 50%) Chúng chính là tác nhân gây hại của nước thải.

• COD, BOD: sự khoáng hóa, các chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn oxy và gây thiếu hụt oxy trong nước dẫn tới nguồn tiếp nhận bị ảnh hưởng Nếu nước bị ô nhiễm COD và BOD quá mức, điều kiện yếm khí hình thành Trong quá trình phân hủy yếm khí sinh ra các khí như: H2S, NH3, CH4 làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường

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

• Ammoni, photpho: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồng độ trong nước quá cao có thể dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa (sự phát triển bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy ừong nước thấp vào ban đêm gây ngạt thở và diệt vong của các vi sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy lại rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra)

• Màu: gây mất mĩ quan

• Chất thải lơ lửng: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận gây điều kiện yếm khí

• Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt ảnh hưởng đến đòi sống của thủy sinh vật dưới nước

• Dầu mỡ gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt nước gây thiếu hụt oxy Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí hình thành tạo khí như H2S, NI13, CH4 gây mùi hôi thối khó chịu cho nước

1.1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt gây nhiều tác hại đến môi trường cũng như đòi sống con người và sinh vật vì vậy chúng ta càn phải xử lý nước thải sinh hoạt thật tốt để bảo vệ môi trường cũng như bảo vệ hệ sinh thái đặc biệt là hệ sinh thái dưới nước Hiện nay các phương pháp xử lý nước thải phổ biến được

dùng nhất là: phương pháp xử lý sinh học, phương pháp xử lý lý học, phương pháp xử lý hóa học.

• Phương pháp xử lý sinh học

Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân hủy các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải Các quá trình

xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học chủ yếu có các nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình kị khí, quá trình kết hợp khác

Ví dụ như hệ thống xử lý bằng thực vật nước: lục bình, sậy, tảo

• Phương pháp xử lý lý học

Xử lý lý học là nhằm loại bỏ các tạp chất không hòa tan chứa trong nước thải và được thực hiện ở các công trình xử lý như: song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng, bể lọc

Song chắn rác, lưới chắn rác làm nhiệm vụ giữ lại các chất bẩn kích thước lớn có nguồn gốc hữu cơ

Bể lắng, bể lọc giữ lại các tạp chất vô cơ, chất lơ lửng ừong nước

v ề nguyên tắc đây là phương pháp xử lý sơ bộ trước khi xử lý tiếp

theo

• Phương pháp xử lý hóa học

Các phương pháp hóa học dùng trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt bao gồm: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa, hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào đó Ưu điểm của phương pháp hóa học là hiệu quả xử lý cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là rất tốn kém, không phù họp áp dụng trên diện rộng

Chất lượng nước thải sau khi xử lý phải đạt tiêu chuẩn môi trường bảng 1

Bảng 1 Yêu cầu nước thải sau khỉ xử ỉý đạt QCYN 14:2008/BTNMT

STT Thông sổ ô nhiễm Đơn vi ■

Giới hạn cho phép (QCYN

- Photpho là một phi kim, nguyên tử lượng 31, tỉ trọng 1.83, điểm

nóng chảy 94°c, điểm sôi 278°c, không tan trong nước, tan trong dung môi

hữu cơ Photpho là một chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm, dễ uốn

- Photpho tồn tại dưới ba dạng thù hình cơ bản: photpho đỏ, photpho trắng, photpho đen Trong đó photpho trắng và photpho đỏ là hai dạng tồn tại chính

- Tổng lượng photpho trong nước thải sinh hoạt bao gồm ortho photphat (PO43'), poly photphat (hai phân tử axit ortho photphoric ngưng tụ

lại thành một phân tử) và các hợp chất photpho hữu cơ trong đó ortho photphat luôn chiếm tỉ lệ cao nhất.

- Photphat có thể ở dạng hòa tan hay keo, rắn Trước khi phân tích cần xác định dạng tồn tại của photpho để xác định phương pháp phân tích phù họp

1.2.2 Vai trò của photpho

- Photpho là một yếu tố cần cho cuộc sống, sinh vật bao gồm cả con người sở hữu lượng nhỏ nguyên tố này Photpho rất quan trọng trong quá trình sản sinh năng lượng của tế bào, tham gia cấu thành tế bào

- Trong nông nghiệp, photpho khai thác từ các mỏ được sử dụng rộng rãi để chế biến thành phân bón giúp tăng năng xuất cây trồng

- Trong công nghiêp photpho được dùng để làm nguyên liệu sản xuất phân bón, nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất sản xuất axit photphoric (H3PO4 photpho pentao oxit (P2O5)

- Ngoài ra photpho còn có rất nhiều vai trò quan trọng khác nữa

1.2.3 Thực trạng, nguyên nhân ô nhiễm photpho hiện nay

- Thực trạng dư thừa photpho ừong nước thải sinh hoạt cũng như ừên các cánh đồng chính là nguyên nhân chính gây nên sự phát triển của tảo, làm giảm chất lượng của nước Ô nhiễm photpho làm nguy hiểm cho các vi sinh vật sống dưới nước, con ngưòi và các loài sống phụ thuộc vào nguồn nước sạch Trong một số trường họp dư thừa photpho còn làm cho các loài tảo độc phát triển gây hại cho con người và vi sinh vật

- Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho trong nước sinh hoạt phát sinh từ: + Thất thoát từ phân bón có trong ruộng đất

+ Chất thải từ người và động vật

+ Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch

1.2.4 Ảnh hưởng của photpho tổng

Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thành phần dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hoá học vào môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, cũng tương tự như vậy

1 kg photpho sẽ sinh ra được 138 kg COD dưới dạng tảo chết

Trong nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy thực vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn Vào ban ngày hoặc khi nhiều nắng, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh liệt Khi quang họp tảo hấp thụ khí CƠ2 hoặc bicarbonat (HCO3 ) trong nước

và nhả ra khí oxy pH của nước tăng nhanh, nhất là khi nguồn nước nhận có

độ kiềm thấp (tính đệm thấp do cân bằng của hệ H2CO3 - HCO3' - CO32'), vào thòi điểm cuối buổi chiều, pH của một số ao, hồ giàu dinh dưỡng có thể đạt giá trị trên 10 Nồng độ oxy tan trong nước thường ở mức siêu bão hoà, có thể tới 20 mg/1

Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân huỷ chất hữu cơ để tạo ra năng lượng, ngược vói quá trình quang họp) xảy ra Trong khi hô hấp, tảo thải ra khí CO2, tác nhân làm giảm pH của nước Vào ban đêm hoặc những ngày ít nắng, quá trình hô hấp diễn ra mạnh mẽ gây tình trạng thiếu oxy và làm giảm pH trong nước Trong các nguồn nước giàu dinh dưỡng vào buổi sáng sớm, trước lúc bình minh, lượng oxy trong nước hầu như cạn kiệt và pH có thể thấp hơn 5,5

Hiện tượng nêu trên được gọi là phú dưỡng - lượng dinh dưỡng cho thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi trường nước

Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động liên tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống đối với thuỷ động vật.

Thời gian hay chu kỳ sống của tảo có giói hạn, sau khi phát triển mạnh (bùng nổ tảo hay còn gọi là nước nở hoa) tảo chết lắng xuống lớp đáy và tiếp tục bị phân huỷ trong điều kiện yếm khí Giống loài tảo rất phong phú, trong

đó có loài tảo độc (tiết ra độc tố), trong điều kiện phú dưỡng tỷ lệ thành phần tảo thường thay đổi theo chiều hướng bất lợi, hình thành nhiều loại tảo độc

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

1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho

Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải dưới ba dạng họp chất: photphat đơn (PO43'), polyphotphat (P2O7) và họp chất hữu cơ chứa photphat, hai họp chất sau chiếm tỉ ừọng lớn Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước thải duy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào Hàm lượng photpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 - 2,5%) khối lượng khô Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật

có khả năng hấp thu photphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 - 7%), lượng photpho dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau Trong điều kiện yếm khí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng photphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng photphat đơn Một vài loại tảo cũng có khả năng tích trữ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế bào

Hiện tượng trên được sử dụng để tách loại họp chất photpho ra khỏi môi trường nước thải bằng cách tách vi sinh có hàm lượng photpho cao dưới dạng bùn thải hoặc tách photphat tồn tại trong nước sau khi xử lý yếm khí bằng biện pháp hóa học

Biện pháp loại bỏ photpho từ bùn được gọi là phương pháp tách trực tiếp, biện pháp sau áp dụng giải pháp xử lý kế tiếp giữa hiếu khí - yếm khí có ghép thêm công đoạn xử lý hóa học (công đoạn phụ - side stream).

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

Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình hấp thu - tàng trữ - thải photpho được quy chung về nhóm vi sinh bio - p mà vi sinh Acinetobacter là chủ yếu Loại vi sinh bio - p phát triển ừong điều kiện vận hành kế tiếp chu trình hiếu khí - yếm khí, tham gia vào quá trình tách loại photpho theo cơ chế ừên Hệ thống xử lý photpho theo nguyên tắc trên được ứng dụng khá rộng rãi ừong thực tiễn xử lý nước thải mặc dù cơ chế của quá trình vẫn chưa được hiểu thấu đáo

Dưới điều kiện hiếu khí (O2) vi sinh bio - p tích lũy photphat trùng ngưng trong cơ thể chúng từ photphat đơn tồn tại trong nước thải

C2H4O2 + 0,16 NH4+ + 1,2 02 + 0,2 PO43 -> 0,16 C5H7NO2 + 1,2 C02 + 0,2 (HPO3) + 0,44 OH' + 1,44 H20 (1.1)

Phương trình tỷ lượng (1.1) được thành lập trên cơ sở chất hữu cơ là axit axetic (C2H4O2) với tỉ lệ tính theo mol của P0 4 3'/C2H40 2 = 0,2 và với hiệu suất sinh khối hữu hiệu là 0,3 g/g C2H4O2 HPO3 là photphat ở dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy, chỉ có mặt niừat) quá trình tích lũy photpho xảy ra:

C2H4O2 + 0,16NH4+ + 0,2PO43-+0,96NO3 > 0,16C5H7NO2 + 1,2CƠ2 + 0,2(HPO3) + 1,40H' + 0,48N2 + 0,96H2O (1.2)

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

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

2 C2H4O2 + (HPO3) + H20 - > (C2H4 0 2)2+ P0 4 3 + 3H+ (1.3)

(C2H40 2)2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ ngoài vào Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol p/mol axit axetic

Hiệu suất sinh khối của loại vi sinh bio - p (còn gọi là loại tích lũy photpho, Phosphorus acccumulating organisms, PAOs) tương tự như loại dị dưỡng hiếu khí có giá trị 0,5 - 0,6 g SK/g COD tan (sinh khối cũng tính theo COD) Nếu hiệu suất sinh khối của bio - P tính theo khối lượng của thành phàn không tan thì giá trị thu được phụ thuộc vào hàm lượng photpho trong

cơ thể vi sinh vật, tương ứng với sự “thay thế” của chất hữu cơ khi photphat được thải ra

Số liệu động học liên quan đến quá trình tích lũy - thải photpho của vi sinh vật từ nghiên cứu chênh lệch nhau khá nhiều, vì vậy nên có những đánh giá trong từng trường hợp cụ thể Tuy nhiên khi xét về mặt động học cần chú

ý tới cả ba giai đoạn của một quá trình: tích lũy trong điều kiện hiếu khí, thiếu khí và tách photphat trong điều kiện yếm khí

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

Y'm,p Sp + Kp

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

IV P’ Ym, p là hằng số tốc độ phát triển cực đại và hiệu suất sinh khối cực đại của vi sinh bio - p

Sp và Kp là nồng độ photphat trong dung dịch và hằng số bán bão hòa X(PAO) là nồng độ vi sinh tích lũy photpho

Trong điều kiện thiếu khí, tốc độ hấp thu photphat nằm trong khoảng

40 - 60% so với tốc độ trong điều kiện hiếu khí

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

và tỉ lượng giữa axit axetic và photphat từ phương trình (1.3)

Bảng 2 ghi các giá trị động học quá trình xử lý photpho bằng phương pháp vi sinh

Bảng 2 Thông sổ động học của vỉ sinh vật tích lũy photpho, 20°c

Hằng số bán bão hòa, hấp K a x g Ax/m3 2 - 6

thu axit axetic

lũy photphat hoạt động trong giai đoạn hiếu khí sau đó Sự có mặt của nitrat gây ra hai tác động: sử dụng cạnh tranh nguồn cơ chất dễ sinh hủy giữa vi sinh Denitrifier và bio - p (1,26 mol axit axetic/mol NO3"), làm thay đổi cơ chế trao đổi chất của bio - p dẫn đến mất khả năng tích lũy photphat trùng ngưng.

1.3.2 Tách loạiphotpho trong công nghệ xử lý nước thải

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

bể thứ cấp chứa hàm lượng photpho cao được tách loại photpho trong quá trình AO phụ thuộc vào tỉ lệ BOD:P, nếu tỉ lệ trên lớn hơn 10, hiệu quả tách loại tốt, nếu tỉ lệ ừên thấp có thể bổ xung thêm muối sắt, nhôm để giảm nồng

độ photpho tại đàu ra Quá trình AO là quá trình tách loại photpho trực tiếp, không ghép thêm công đoạn tách phụ vào hệ xử lý nước thải thông dụng Trong trường họp nước thải chứa họp chất nitơ, hệ trên cũng có tác dụng xử

lý, tuy nhiên cần phải tính toán đủ thời gian lưu cho giai đoạn hiếu khí để oxy hóa amoni

Hình 2 Sơ đồ phostrip tách loại photpho

Trong sơ đồ công nghệ Phostrip, một phần bùn thải từ bể lắng thứ cấp được đưa vào xử lý yếm khí với thời gian lưu thủy lực từ 8 - 12 giờ Photphat đơn tách ra từ xử lý yếm khí tan trong nước, phần nước này được tách ra để kết tủa với hóa chất Sinh khối sau khi tách photpho được đưa về cùng với sinh khối từ bể lắng thứ cấp hòa trộn với dòng vào để xử lý hiếu khí

Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn

Sử dụng kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn cũng có thể tách loại đồng thời BOD, họp chất nitơ, photpho bằng cách thay đổi thời gian vận hành đối với

từng chu kỳ Trong giai đoạn sục khí xảy ra các quá trình oxy hóa BOD, amoni và tích lũy photpho Trong giai đoạn khuấy ừộn xảy ra quá trĩnh khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối Tách photpho ra khỏi nước thải có thể thực hiện với hóa chất hay trực tiếp (ngay sau xử lý hiếu khí) Để khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối cần bổ xung thêm BOD hoặc sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh.

Quá trình AAO

AAO là một biến hình công nghệ của sơ đồ AO bao gồm các công đoạn

xử lý yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic), trong đó giai đoạn xử lý thiếu khí dành cho quá trình khử niừat với thời gian lưu thủy lực khoảng một giờ Khoảng xử lý thiếu khí được bổ xung nitrat, nitrit từ bể hiếu khí (quay vòng), bùn từ bể lắng thứ cấp được hồi lưu về bể yếm khí Sơ

đồ AAO có khả năng xử lý đồng thời hợp chất nitơ và photpho

Quá trình Bardenpho năm giai đoạn

Quá trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho Giai đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho Giai đoạn xử lý thiếu khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu

cơ phân hủy nội sinh Bổ hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phàn amoni, BOD dư và để hạn chế quá trình tách loại photpho từ vi sinh ừong bể lắng thứ cấp Hỗn họp bùn - vi sinh được quay vòng từ bể hiếu khí đầu về bề thiếu khí thứ nhất So với AAO thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn (1 0 -4 0 ngày)

Quá trình UCT

ƯCT là tên viết tắt của University of Cape Town, nơi thiết lập sơ đồ công nghệ xử lý có khả năng đồng thời loại bỏ BOD, hợp chất nitơ và photpho Sơ đồ UCT tương tự sơ đồ công nghệ AAO, tuy vậy có hai điểm

khác biệt: vi sinh được quay vòng về bể xử lý thiếu khí và có hai vòng quay hỗn họp nước - bùn nội bộ từ thiếu khí về hiếu khí và từ thiếu khí về yếm khí.

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

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

Quá trình VIP

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

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

Yếm khí Thiếu khí Hiếu khí

Bùn thảid

Hình 3 Sơ đồ xử lý nỉtơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho

năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình YIP

Đặc thù của quá trình xử lý photpho

Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ bùn Dòng bùn quay vòng cùng với nước thải được đưa về bể xử lý yếm khí Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí Trong môi trường yếm khí, nơi giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu

cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí chúng tích lũy photphat tan trong nước thải Do thay đổi về điều kiện cơ chất

từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên bề yếm khí còn đóng vai ừò của bể chọn lọc vi sinh: thúc đẩy sự phát triển của vi sinh tích lũy photpho và hạn chế vi sinh dạng sợi phát triển, tạo điều kiện lắng bùn tốt hơn trong bể lắng thứ cấp

Thông thường thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí có ảnh hưởng không lớn lắm đến quá trình giải phóng photpho, quá trình này chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và các thông số vận hành: bản chất và nồng

độ chất hữu cơ, oxy hòa tan, nitrat, pH, nhiệt độ Vì lý do đó, thiết kế hệ xử lý photpho đạt hiệu quả cao là việc không dễ dàng Trong thiết kế cũng phải đảm bảo cho yếu tố và điều kiện vận hành sao cho điều kiện yếm khí được duy trì,

ví dụ giảm lượng oxy hòa tan từ dòng vào và từ dòng hồi lưu bùn Quá trình giải phóng photpho cũng xảy ra trong bể lắng và cũng cần được hạn chế khi quay vòng bùn Do biến động của nhiều yếu tố nên hệ xử lý được thiết kế rất cần yếu tố linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu

Mục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ ừong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải Hệ xử lý photpho

có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc thiết kế đòi hỏi gọn, ít thay đổi cơ cấu của hệ cũ Ví dụ với hệ xử lý bùn hoạt tính theo kỹ thuật dòng