Nghiên cứu thời gian thích nghi của bùn hoạt tính hiếu khí đến hiệu quả xử lý phenol bằng công nghệ sinh học dòng bùn ngược (USBF)

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU 1 1.Đặt vấn đề 1 2.Mục tiêu nghiên cứu 2 3.Nội dung nghiên cứu 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG 4 1.1.Tổng quan về phenol 4 1.1.1.Tính chất vật lý và hóa học của phenol 4 1.1.2.Nguồn gốc và việc sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp 5 1.2.Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước thải công nghiệp 8 1.2.1.Thành phần, tính chất nước thải công nghiệp 8 1.2.2.Tình trạng ô nhiễm môi trường nước thải công nghiệp 10 1.2.3.Các phương pháp xử lý nước thải 10 1.3.Một số phương pháp xử lý phenol trong nước thải đã và đang được áp dụng hiện nay. 13 1.3.1.Dùng CO2 tới hạn để xử lý nước thải chứa phenol 13 1.3.2.Oxy hóa chất xúc tác ở nhiệt độ thấp trong nguồn nước thải có chứa phenol 13 1.3.3.Xử lý nước thải có chứa phenol bằng quá trình Fenton: 14 1.3.4.Hấp thụ bằng than hoạt tính. 14 1.4.Các yếu tố ảnh hưởng và nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật. 15 1.4.1.Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong nước 15 1.4.2.Nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật 18 1.5.Tổng quan bể USBF 20 1.5.1.Giới thiệu về bể USBF 20 1.5.2.Nguyên tắc hoạt động bể 20 1.5.3.Ưu, nhược điểm của bể USBF 21 1.5.4.Ứng dụng của bể USBF 22 CHƯƠNG II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 24 2.1.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 24 2.1.1.Sửa chữa và bổ sung mô hình USBF quy mô phòng thí nghiệm 24 2.1.2.Vận hành mô hình USBF 25 2.1.3.Thành phần nước thải 26 2.1.4.Nguồn sinh khối 28 2.2.Các phương pháp phân tích. 32 2.2.1.Quy trình phân tích hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn (MLSS) 32 2.2.2.Chỉ số thể tích bùn (SVI) 33 2.2.3.Xác định lượng oxy hòa tan trong nước (DO), nhiệt độ. 34 2.2.4.Xác định hàm lượng phenol 34 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 37 3.1.Kết quả sửa chữa hệ thống USBF 37 3.1.1.Hệ thống đầu vào 37 3.1.2.Ngăn khuấy trộn (ngăn thiếu khí) 39 3.1.3.Ngăn hiếu khí 40 3.1.4.Ngăn lắng 41 3.1.5.Bộ phận thu nước đầu ra. 42 3.2.Kết quả chạy từ mô hình 43 3.2.1.Kết quả đo DO, nhiệt độ. 43 3.2.2.Kết quả phân tích MLSS 45 3.2.3.Kết quả phân tích SVI 50 3.2.4.Kết quả phân tích phenol. 53 3.3.Kết luận chung 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan rằng tất cả quá trình làm đồ án đều theo hướng dẫncủa TS Lê Ngọc Thuấn

Mọi kết quả trong đồ án đều trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễnViệt Nam Các kết quả thực hiện được chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiêncứu nào khác

Mọi sao chép trích dẫn đều có căn cứ tài liệu đầy đủ, không sao chép gianlận vi phạm quy chế đào tạo, nếu vi phạm thì chúng tôi xin chịu hoàn toàn tráchnhiệm trước hội đồng và nhà trường

Sinh viên

Nguyễn Phương Trang

Xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giảng viên Khoa Môi trường củatrường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất chochúng tôi thực hiện nghiên cứu này.

Xin đặc biệt cảm ơn TS Lê Ngọc Thuấn đã giành nhiều thời gian hướngdẫn, tận tình giúp đỡ và truyền đạt nhiều kinh nghiệm thực tế cho nhóm chúng tôitrong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án tốt nghiệp

Đồng thời, chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thânbên cạnh và các bạn sinh viên lớp ĐH3CM1 đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ đểhoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp

Cuối cùng, xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến ba mẹ, anh chị, tất cả mọingười trong gia đình luôn là nguồn động viên, là điểm tựa vững chắc, đã hỗ trợ vàgiúp bản thân chúng tôi có đủ nghị lực để vượt qua khó khăn và hoàn thành tốtnhiệm vụ của mình

Dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, chúng tôi rấtmong nhận được sự góp ý và sửa chữa của thầy cô và các bạn về đồ án tốt nghiệpnày

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC VIẾT TẮT

ST

T

1 BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

2 COD Chemical Oxyen Demand Nhu cầu oxy hóa học

4 MLSS Mixed Liquor Suspended Solids Chất rắn lơ lửng trong bùn

lỏng

5 SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn

6 USBF Upflow Sludge Blanket Filter Công nghệ lọc dòng ngược

bùn sinh học

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm của nhiều quốc gia trênthế giới, nhất là những nước đang phát triển như Việt Nam Cùng với quá trình pháttriển không ngừng của nền kinh tế xã hội, các quá trình sản xuất tạo ra của cải vậtchất đã để lại tác động xấu đến môi trường và thải ra một lượng lớn các chất ônhiễm độc hại Các thành phố lớn mọc lên hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệpđang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chấtthải Có thể nói ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng Nguyên nhânchính là do sự vô tâm của các doanh nghiệp, đặt mục tiêu tối đa hóa lợi nhuận màkhông quan tâm, đầu tư vào hệ thống xử lý nước thải tại các khu công nghiệp, dẫnđến nước thải ô nhiễm liên tục thải ra sông, hồ gây nhiễm độc nguồn nước tự nhiên.Các chất độc hại này nếu không được xử lý trước khi thải ra môi trường sẽ ảnhhưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người

Với nỗ lực giảm thiếu tối đa những ảnh hưởng tiêu cực của quá trình côngnghiệp tới môi trường thì tiêu chuẩn thải nước trên thế giới ngày càng nghiêm ngặt.Công nghiệp sản xuất keo, nhựa nhân tạo, dệt, dầu khí sinh ra một lượng lớn chấtthải hữu cơ độc hại và khó phân hủy như phenol và các dẫn xuất của phenol, cáchợp chất hữu cơ khác

Phenol và các dẫn xuất của phenol là một trong những loại chất thải hữu cơđộc hại khó xử lý Đây là chất hữu cơ tương đối bền, có khả năng tích lũy trong cơthể con người và sinh vật, gây nhiễm độc cấp tính, mãn tính Ngay cả ở nồng độthấp nó cũng là tác nhân tiềm ẩn gây ung thư

Tuy nhiên, không thể phủ định được những lợi ích của vật liệu phenolmang lại Vì vậy để có thể phát triển bền vững thì đi đôi với quá trình sản xuất,chúng ta phải luôn nghiên cứu, tìm tòi các phương pháp tối ưu để bảo vệ môitrường, đặc biệt là môi trường nước Hiện nay, trên thế giới có nhiều biện pháp xử

lý nước thải có chứa phenol như: Dùng CO2 tới hạn, xử lý bằng các tác nhân oxyhóa mạnh… nhưng vẫn còn có những hạn chế nhất định về mặt kinh tế

Nhận thức rõ được những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trườngnếu không xử lý phenol trong nước thải của các ngành công nghiệp đồng thời cũngthấy được tính cấp thiết của việc phải có một phương pháp xử lý phenol hiệu quả cả

về mặt môi trường và kinh tế Từ những năm đầu của thế kỷ XX thì các biện pháp

xử lý sinh học được đưa ra, và đây là cơ sở để xử lý nước thải trên toàn thế giới Nóchỉ đơn giản là giam hãm vi khuẩn tự nhiên ở nồng độ cao hơn rất nhiều trong bể.Những vi khuẩn này, cùng với một số động vật nguyên sinh và vi sinh vật khác,được gọi chung là bùn hoạt tính Các vi khuẩn loại bỏ các phân tử carbon hữu cơbằng cách “ăn” chúng Kết quả là vi khuẩn phát triển và nước thải được làm sạch.Mặt khác, qua quá trình tìm hiểu thấy được ưu điểm vượt trội của công nghệ sinhhọc dòng bùn ngược trong ứng dụng xử lý nước thải, từ đó em quyết định chọn đề

tài “Nghiên cứu thời gian thích nghi của bùn hoạt tính hiếu khí đến hiệu quả xử lý phenol bằng công nghệ sinh học dòng bùn ngược (USBF)” đề làm đề tài tốt nghiệp

và em nghiên cứu thực hiện đề tài bằng mô hình thực nghiệm để đánh giá hiệu quả

xử lý nước thải của mô hình USBF

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu, cải tạo mô hình công nghệ USBF

- Nghiên cứu thời gian thích nghi của bùn hoạt tính hiếu khí đến hiệu quả xử lý nướcthải chứa phenol

3.Nội dung nghiên cứu

• Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu

- Phân tích trong phòng thí nghiệm

- Mô hình thực tế

- Phân tích, thống kê, xử lý số liệu và tổng hợp kết quả

- Phương pháp so sánh: so sánh giá trị các chỉ tiêu nước thải đầu vào và đầu ra của nước thải

- Phương pháp đồ họa: Sử dụng phần mềm Autocad để mô tả mô hình thí nghiệm

• Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu cơ sở khoa học, cấu tạo bể USBF

- Sửa chữa, nâng cấp và vân hành mô hình xử lý nước thải

- Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ USBF trong xử lý nước thải

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật: pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn, DO, chỉ số thể tích bùn (SVI), MLSS

- Khảo sát sự thích nghi và đặc tính của bùn hoạt tính trong quá trình nghiên cứu với

mô hình tại phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của phenol và dẫn xuất phenol [17]

 Tính chất hóa học của phenol

Do ảnh hưởng của nhân thơm nên nguyên tử hydro trong nhóm hydroxi linhđộng hơn nên dễ bị thay thế bởi nguyên tử kim loại Vì vậy phenol không chỉ tác

dụng với dung dịch kiềm tạo phenolat mà còn có thể tác dụng với kim loại kiềm đểtạo phenolat Theo phương trình phản ứng sau:

C6H5OH + Na → C6H5ONa + 1/2H2C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O

Các phenolat không bị nước thủy phân, nhưng tương tự như muối của axityếu và bazo mạnh, nó bị thủy phân một phần trong dung dịch nước và dung dịchcủa nó có phản ứng kiềm

Phenol tác dụng với axit thành este gọi là phản ứng este hóa Ion hydro làmxúc tác cho phản ứng do đó tốc độ phản ứng tăng nhanh khi có mặt axit vô cơ

1.1.2 Nguồn gốc và việc sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp

 Nguồn gốc phát sinh

Phenol có thể được sinh ra qua 2 con đường: tự nhiên và nhân tạo Trong tựnhiên, phenol có trong một số loại thực phẩm, chất thải của động vật, con người vàtrong sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ hoặc nó còn được tạo ra bên trong cơthể sinh vật do quá trình trao đổi chất chuyển hóa từ các axit amin

Phenol được phân lập từ nhựa than đá, hoặc có thể được sản xuất nhân tạo.Hiện nay phenol được sản xuất, sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các loại hình sảnxuất công nghiệp như sản xuất nhựa phenolic, gỗ dán, chất kết dính, xây dựng, ô tô

và thiết bị vật tư cho các ngành công nghiệp Phenol cũng được tạo ra từ các quátrình sản xuất sợi tổng hợp như nilon, nhựa epoxy Phương pháp chủ yếu tạo raphenol tổng hợp là từ quá trình oxy hóa cumene, chiếm tới hơn 95% lượng phenoltổng hợp nhân tạo, phần còn lại phenol được sản xuất bằng phương pháp oxy hóatoluene thông qua axit benzoic Các quá trình khác được sử dụng để sản xuất phenolbao gồm sử dụng các nguyên liệu đầu vào như benzen thông qua cyclohexane,benzene sulfonation [17]

 Các ứng dụng của phenol trong sản xuất công nghiệp

Phenol và các dẫn xuất của phenol là nguyên liệu đầu rất quan trọng trongnhiều ngành công nghiệp khác nhau Năm 1963, toàn thế giới sản xuất khoảng 40vạn tấn phenol Năm 1993, tổng lượng phenol do Mĩ sản xuất ra 1,67 triệu tấnphenol, trong đó khoảng một nửa lượng phenol dùng vào công nghiệp xây dựng và

nhà ở, ứng dụng chính của phenol là dùng để sản xuất chất dẻo phenol-fomandehit,các loại nhựa phenolic, sợi nilon, sợi caprolacton, nhựa epoxit Đến năm 2001,phenol được sản xuất trên toàn thế giới là gần 64 triệu tấn, được sử dụng chủ yếu làbisphenol A, nhựa phenolic, caprolactam, aniline và alkylphenols Ngoài ra phenolcòn được dùng để sản xuất axit salyxilic, các chất màu, dược phẩm, chất hóa dẻo,chất chống oxi hóa, tẩy uế côn trùng, thuốc trừ sâu, chất diệt cỏ sử dụng làm thuốcthử trong các phòng thí nghiệm, trong công nghệ hóa dầu, dược phẩm các sảnphẩm nitro hóa phenol được dùng làm thuốc nổ[17].

Sau đây là một số ứng dụng các hợp chất chứa gốc phenol[17]

- Bisphenol A (BPA) được sử dụng trong sản xuất các thiết bị ngưng tụ, nó được sửdụng rộng rãi trong sản xuất nhựa polycarbonate (chiếm tới 80%) Đây là loại nhựa

kỹ thuật được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô như làm lớp phủ ô tô, chất phủđiện từ và các ứng dụng khác

- Nhựa phenolic: được sản xuất bằng cách ngưng giá thành sản xuất thấp, đã đượcsản xuất thương mại hóa trên thế giới hơn 100 năm qua Chúng được sử dụng làmchất kết dính trong nhiều ngành công nghiệp như gỗ dán và trong cả công nghiệpsản xuất ô tô

 Những vấn đề môi trường gây ra bởi các hợp chất phenol

Phenol được tìm thấy khá phổ biến trong tự nhiên, nó có mặt trong khôngkhí, đất, nước mặt và nước ngầm Hàm lượng phenol trong môi trường phụ thuộcvào nguồn phát sinh ra nó như trong các khu sản xuất, ngành công nghiệp tạo raphenol Thời gian tồn tại của phenol trong đất rất ngắn (trong vòng 2-5 ngày) Tuynhiên ở trong nước, phenol có thời gian tồn tại lâu hơn, có thể hàng tuần Nếu nồng

độ phenol trong môi trường càng lớn thì thời gian tồn tại của nó càng lâu Phenolcòn được tìm thấy trong nước ngầm nhưng với nồng độ thấp, nồng độ của nókhoảng ở mức nồng độ ppb hoặc thấp hơn Nồng độ phenol có trong nước thải củamột số ngành công nghiệp được mô tả trong bảng dưới đây:

Bảng 1.2 Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp[16]:

Ngành công nghiệp Nồng độ phenol (mg/l)

Ảnh hưởng của phenol đến con người:

- Thâm nhập vào cơ thể con người qua hô hấp, tiếp xúc với da, mắt, màng nhầy củangười

- Ăn phải chất có hàm lượng phenol cao sẽ dẫn đến hiện tượng chết người với nhữngtriệu chứng như co giật, không có khả năng kiểm soát, hôn mê dẫn tới rối loạn hôhấp, máu tỏng cơ thể thay đổi dẫn đến tụt huyết áp Ảnh hưởng tới tim, gan, thận

- Tiếp xúc với phenol lâu ngày: Đau bắp thịt, sưng gan Phenol còn làm bỏng da, rốiloạn nhịp tim Giới hạn tối đa cho phép của phenol trong cơ thể là 0,6mg/kg trọnglượng cơ thể[17]

- Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải công nghiệp Sự xuất hiện củacác hợp chất phenol trong nước là một trong các nguyên nhân làm cho nước có mùi,đồng thời gây tác hại cho hệ sinh thái và sức khỏe con người Giá trị LD50 củapentaclorophenol là 27mg/kg đối với chuột Một số phenol có khả năng gây ungthư Theo quy định của tổ chức Y tế Thế giới WHO, hàm lượng 2.4-triclophenol vàpentaclophenol trong nước uống không quá 1 Tiêu chuẩn nước thủy sản của FAOđối với quy định nồng độ các phenol, đối với các loại cá họ salmonid và cyprinid

 Một số vi sinh vật xử lý phenol.

- Một số hệ vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa phenol:

Một số loài có khả năng phân giải phenol một cách độc lập như chủng

Pseudomonas putida, Pseudomonas paucimobilis, Rhodococcus, Bacillus,

Cyanobacterium, Phormidium valderianum BDU 30501 hoặc có thể sự phân giải

phenol được diễn ra đồng thời dưới sự tổ hợp của một quần xã vi sinh vật trong khu

hệ đó[7]

1.2 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước thải công nghiệp

1.2.1 Thành phần, tính chất nước thải công nghiệp

 Thành phần của nước thải công nghiệp

Nước thải của mỗi ngành công nghiệp có một đặc tính riêng, tuy nhiên cácthành phần chính của nước thải khiến ta phải quan tâm trong việc xử lý được thống

kê ở bảng 1.3 như sau:

Bảng 1.3 Các chất ô nhiễm có trong nước thải.

Chất gây ô nhiễm Nguyên nhân được xem là quan trọng

Các chất rắn lơ lửng Tạo nên bùn lắng và môi trường yếm khí khi nước thải

chưa xử lý được thải vào môi trường

Các mầm bệnh Các bệnh truyền nhiễm có thể lây nhiễm từ các vi sinh

vật gây bệnh trong nước thải

Các dưỡng chất N và P cần thiết cho sự phát triển của các sinh vật Khi

được thải vào nguồn nước nó có thể làm gia tăng sự phát triển của các loài không mong đợi Khi thải ra với số lượng lớn trên mặt đất nó có thể gây ô nhiễm nước ngầm

Các chất ô nhiễm nguy

hại Các hợp chất hữu cơ hay vô cơ có khả năng gây ung thư,biến dị, thai dị dạng hoặc gây độc cấp tính.Các chất hữu cơ khó

phân hủy

Không thể xử lý được bằng các biện pháp thông thường

Ví dụ các nông dược, phenols

Kim loại nặng Có trong nước thải thương mại và công nghiệp và cần

loại bỏ khi tái sử dụng nước thải Một số ion kim loại ức chế các quá tŕnh xử lý sinh học

Chất vô cơ ḥòa tan Hạn chế việc sử dụng nước cho các mục đích nông, công

nghiệpNhiệt năng Làm giảm khả năng băo ḥòa oxy trong nước và thúc đẩy

sự phát triển của thủy sinh vật

 Tính chất vật lý của nước thải

Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: màu sắc,mùi, nhiệt độ và lưu lượng

• Màu: nước thải mới có màu nâu hơi sáng, tuy nhiên thường là màu xám cóvẩn đục, màu sắc của nước thải sẽ thay đổi đáng kể nếu như bị nhiễm khuẩn, khi đómàu sẽ đen tối

• Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy cáchợp chất hữu cơ.

• Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thường cao so với nguồn nước sạch ban đầu, do

có sự gia nhiệt vào nước tư các đồ dùng trong gia đình và các máy móc sản xuất

• Lưu lượng: thể tích thực của nước cũng được xem là một tính chất vật lý củanước thải, có đơn vị m3/người.ngày Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo ngày

 Tính chất hóa học của nước thải

Các thông số thể hiện tính chất hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ,

vô cơ và khí Hay để đơn giản hóa, người ta xác dịnh các thông số như: độ kiềm,BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (vô cơ, hữu cơ,huyền phù, và không tan) và nước

• Độ kiềm: là môi trường đệm để giữ pH trung tính của nước thải trong suốtquá trình xử lý sinh hóa

• Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinhhóa trong nước thải, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 200oC BOD5 trongnước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100-300mg/l

• Nhu cầu oxy hóa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hóa trongnước thải COD thường trong khoảng 200-500mg/l/ Tuy nhiên, có một số loại nướcthải công nghiệp BOD có thể tăng cao nhiều lần

• Các chất khí hòa tan: đây là những chất khí có thể hòa tan trong nước thải.Nước thải công nghiệp thường có lượng oxy hòa tan tương đối thấp

• Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi đối với mỗiloại nước thải khác nhau

• pH: đây là cách nhanh nhất xác định tính axit của nước thải Nồng độ pHkhoảng 1-14 Để xử lý nước thải có hiệu quả pH thường 6-9 (hay tối ưu 6,5-8)

• Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa P thường khoảng6-20mg/l

• Các chất rắn: hầu hết các chát ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chấtrắn

• Nước: luôn là thành phần cấu tạo chính của nước thải Trong một số trườnghợp, nước có thể chiếm 99,5%-99,9%

1.2.2 Tình trạng ô nhiễm môi trường nước thải công nghiệp

Theo các nghiên cứu tác động Môi trường của cơ quan Tổng cục Môi trườngcho thấy: ở ngành công nghiệp dệt may, ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nướcthải thường có độ pH trung bình từ 9-11; chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhucầu ôxy hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1; hàm lượng chất rắn

lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép Hàm lượng nước thải của các ngànhnày có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt

84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trongvùng dân cư

Theo báo cáo của Bộ tài nguyên và môi trường, trong số 179 khu côngnghiệp đang hoạt động thì chỉ có 143 khu công nghiệp đang vận hành hoặc đangxây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung, đạt 58% lượng nước thải Như vậy,trung bình mỗi ngày có tới 24000m3 nước thải từ các khu công nghiệp được xảthẳng ra môi trường chưa qua xử lý, gây ô nhiễm môi trường trầm trọng

1.2.3 Các phương pháp xử lý nước thải [5]

Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm vàhóa chất thêm vào Ưu điểm của phương pháp là hiệu quả xử lý cao, thường được

sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín Tuy nhiên, phương pháp hóa học

có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lýnước thải với quy mô lớn Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lýnước thải là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phảnứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành cácchất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễmmôi trường

 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan cótrong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, Sunfit, ammonia, Nito… dựatrên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm Visinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn Một cách tổngquát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:

- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điềukiện không có oxy

- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trongđiều kiện cung cấp oxy liên tục

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóasinh hóa Để thực hiện quá trình này các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chấtphân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3giai đoạn chính như sau:

- Giai đoạn 1: Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinh vật

- Giai đoạn 2: Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệchnồng độ bên trong và bên ngoài tế bào

- Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng vàtổng hợp tế bào mới

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàmlượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý

Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứngsinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinhdưỡng và các yếu tố vi lượng

Các loại hình công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học bao gồm:

• Phương pháp sinh học kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo

ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên phương trìnhphản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;

- Giai đoạn 2: acid hóa;

- Giai đoạn 3: acetate hóa;

- Giai đoạn 4: methan hóa

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quátrình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵkhí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB);

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quátrình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process)

• Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn:

- Oxy hóa các chất hữu cơ;

- Tổng hợp tế bào mới;

- Phân hủy nội bào

Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điềukiện tự nhiên hoặc nhân tạo Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điềukiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suấtcao hơn rất nhiều

Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khínhân tạo có thể chia thành: :

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếuđược sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làmthoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí.Trong số các quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quátrình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phảnứng nitrate với màng cố định

1.3 Một số phương pháp xử lý phenol trong nước thải đã và đang được áp dụng hiện

nay.

1.3.1 Dùng CO 2 tới hạn để xử lý nước thải chứa phenol

Dùng CO2 tới hạn là một trong những phương pháp để chiết suất phenol cótrong nước thải Phương pháp này cho thấy là tốn ít kinh phí hơn so với những

phương pháp khác như đốt cháy, oxy hóa không khí ẩm (oxy hóa nước tới hạn) vàphương pháp sinh học[1].

1.3.2 Oxy hóa chất xúc tác ở nhiệt độ thấp trong nguồn nước thải có chứa phenol

Phenol là một trong những chất hữu cơ thường thấy nhất có nguồn gốc từngành công nghiệp chế biến hóa học Ở nhiệt độ thấp, oxy hóa chất xúc tác khôngđồng nhất ở dạng lỏng của những hợp chất hữu cơ đã phân hủy có ý nghĩa lớn đốivới việc xử lý nước trên bề mặt và nước ngầm bị ô nhiễm, nước thải công nghiệp vànhững nguồn nước thải khác Khả năng cho việc xử lý ở điều kiện không khí và ápsuất thích hợp ổn định, so với phương pháp oxy hóa nước tới hạn và không khí ẩm

đã thành công thông qua việc sử dụng một chất xúc tác thuộc dòng lưỡng kim hoạtđộng cực mạnh Chất xúc tác thường dùng là muối kim loại (Cu, Fe, Ti…) hoặcZeolit kim loại[1]

- Phương trình phản ứng tổng quát:

C6H5OH + 7O2 Muối KL, Zeolit KL 6CO2 + 3H2OTuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là kim loại bị tan ra trong quá trình phản ứng gây hiệu ứng ô nhiễm thứ cấp Sử dụng Zeolit kim loại khắc phục được nhược điểm trên nhưng để xử lý chất hữu cơ có kích thước phân tử lớn các xúc tác này lại kém hiệu quả

1.3.3 Xử lý nước thải có chứa phenol bằng quá trình Fenton:

Sử dụng phản ứng oxy hóa để phá hủy các chất độc hại là một phương pháp

xử lý ô nhiễm có hiệu quả Nguyên tắc phản ứng Fenton để xử lý ô nhiễm nước thải

mà theo đó hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl

có khả năng phá hủy các chất hữu cơ Trong một số trường hợp nếu phản ứng xảy rahoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành CO2 và nước Hiện nay các quyđịnh bảo vệ môi trường càng trở nên khắt khe hơn vì vậy phương pháp Fenton lạicàng được chú trọng[1]

Dùng cho phản ứng Fenton cần có xúc tác và chất oxy hóa Chất xúc tác cóthể là muối sắt hai hoặc sắt ba còn chất oxy hóa là hyđro peroxit Phản ứng tạo ragốc tự do hyđroxyl diễn ra như sau:

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + OH

Fe3+ + H2O2 Fe2+ + H+ + HOO

2H2O2 H2O + OH + HOO

Quá trình phân hủy phenol được diễn ra như sau:

C6H5OH + 28OH 6CO2 + 17H2O

1.3.4 Hấp thụ bằng than hoạt tính.

Than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp với diện tích bề mặt riêng rất lớn, trên1000m2/g Do đó, than hoạt tính có khả năng hấp thụ nhiều chất hữu cơ, vô cơ vàđược ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường Nước thải có chứa phenol được chochảy trực tiếp qua bể lọc với vật liệu than hoạt tính Tại đây, than hoạt tính sẽ giữ lạiphenol và các hợp chất hữu cơ khác Sau một thời gian hoạt động, than hoạt tính sẽsuy giảm và mất khả năng hấp thụ, tiến hành tái sinh để khôi phục hoạt tính củathan

Tuy nhiên, quá trình hấp thụ bằng than hoạt tính cũng có một số nhược điểmnhư chịu ảnh hưởng lớn của các yếu tố pH, nhiệt độ, sự có mặt của các ion Ca2+,

Mg2+ hay quá trình giải hấp thụ tương đối phức tạp và tốn kém, tuổi thọ của thanhoạt tính có hạn

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng và nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật.

1.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến sinh trưởng và phát triển của vi

sinh vật trong nước

Sự phát triển của vi sinh vật trong các thuỷ vực chịu ảnh hưởng của nhiềunhân tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theonhiều kiểu Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần loài của các quần thể, đếnhình thái và sinh lý của vi sinh vật Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàmlượng muối, các chất hữu cơ, các chất vô cơ, các khí hoà tan[2]

1.4.1.1. Hàm lượng oxy hoà tan

DO là hàm lượng oxy hoà tan trong nước để duy trì sự sống cho các vi sinhvật trong nước

Đây là điều kiện đầu tiên đảm bảo cho vi sinh vật hiếu khí có khả năng oxyhoá các chất bẩn hữu cơ Do đó, trong quá trình xử lý phải đảm bảo cung cấp đủlượng oxy mà chủ yếu dưới dạng hoà tan trong môi trường lỏng Để đáp ứng được

lượng oxy hoà tan trong bể hiếu khí người ta thường chọn giải pháp khuấy trộn cơhọc hoặc sục khí

Khi nồng độ oxy hoà tan dưới 0,5mg/l thì quá trình xử lý nước thải bằng visinh vật hiếu khí hầu như ngưng trệ Lượng oxy hoà tan tốt nhất trong khoảng1,5÷4,0 mg/l [10]

Khuấy trộn hoặc sục khí làm tăng sự tiếp xúc giữa bùn hoạt tính và các chấtthải trong nước, làm cho khả năng làm sạch nước thải của vi sinh vật tăng lên

1.4.1.2. Nhiệt độ

Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinhvật Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hoá của sinh vật tăng, nhưng độ hoà tan oxytrong nước giảm Nhiệt độ đa số vi sinh vật có thể hoạt động được là từ 6÷400C Khinhiệt độ tăng hoặc giảm quá ngưỡng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt hoá của cácenzym Vì vậy, vi khuẩn sẽ ngừng hoạt động, cuối cùng dẫn đến tử vong, còn nhiệt

độ quá thấp thì tốc độ làm sạch sẽ bị giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật vớimôi trường mới sẽ chậm lại.[10]

1.4.1.3. Độ pH

Đây là thông số ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trongnước (quá trình trao đổi chất, 43 quá trình sinh sản và phát triển của vi sinh vật,động thực vật trong nước) pH cũng ảnh hưởng đến các quá trình vật lý và các phảnứng hoá học xảy ra trong môi trường nước Đối với đa số vi sinh vật, thường sinhtrưởng và phát triển ở pH 6,0 ÷ 8,5 Khi pH nằm ngoài khoảng trên sẽ làm giảmhoạt lực của bùn hoạt tính, do đó làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý.[2]

Việc đo pH là rất cần thiết để điều khiển quá trình lý học, hoá học, sinh học.Thông số pH được xác định bằng máy đo pH

đồng hoá những loại thức ăn dễ đồng hoá trước, thức ăn khó đồng hoá sau Thànhphần và chất lượng nước thải thể hiện qua các thông số sau:

 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng

để oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3- Phương trình tổngquát như sau:

Chất hữu cơ + O2 Vi khuẩn CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm cố định

Chất hữu cơ + O2 Vi khuẩn NO3- + H2O + tế bào mới + sản phẩm cố định

Chỉ số BOD chỉ ra lượng oxy mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hoácác chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu

cơ có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn

Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân huỷhoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian mà người ta thường chỉ xác địnhlượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C, kí hiệu BOD5 Tại thời điểmnày đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá.[10]

 Nhu cầu oxy hoá hoá học COD

COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá họccác chất hữu cơ trong mẫu nước thải thành CO2 và H2O Chỉ số COD biểu thị cảlượng các chất hữu cơ có thể và không thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó, nó cógiá trị cao hơn BOD Phép phân tích COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh nên đãkhắc phục được nhược điểm của phép đo BOD

Đối với nhiều loại nước thải, giữa chỉ số COD và BOD có mối tương quannhất định Vì vậy, khi thiết lập được mối quan hệ tương quan này có thể sử dụngphép đo COD để vận hành và kiểm soát hoạt động của nhà máy xử lý nước thải

 Hàm lượng nitơ

Nitơ là nguyên tố rất cần thiết cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ chứanitơ trong cơ thể vi sinh vật Để tiến hành quá trình đồng hoá được các hợp chấtchứa nitơ có trong môi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzymngoại bào sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác Chính

vì thế mà trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin, nitơamoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do.

Xác định hàm lượng nitơ trong môi trường để ta có khái niệm về khả năng sửdụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm nước và mức độ ô nhiễm nước Khi thiếunitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá, các chất hữu cơ còn tạo ra bùnhoạt tính khó lắng

Trong kỹ thuật môi trường, người ta thường xác định nitơ bằng phương phápKjendahl, còn N – NH3, N – NO2- bằng phương pháp so màu

100 : 5 : 1 (đối với 3 ngày đầu) còn đối với thời gian xử lý dài hơn thì tỷ lệ trên là

200 : 5 : 1

 Hàm lượng sunphat

Sunphat sắt luôn có mặt trong nước bị ô nhiễm và trong nước thải Lưuhuỳnh có mặt trong một số aminoaxit cấu tạo nên protein (cystein và methionin).Lưu huỳnh sẽ được chuyển hoá theo phương trình sau trong điều kiện kị khí nhờ vikhuẩn:

Chất hữu cơ + SO42- S2- + H2O + CO2

S2- + 2H+ H2S

Sự có mặt của lưu huỳnh dạng H2S trong nước làm cho nước có mùi thối

 Hàm lượng các kim loại nặng

Khi trong nước chứa các kim loại nặng như: chì (Pb), thuỷ ngân (Hg),Crom (Cr), Cadimi (Cd), Asen (As) thì ngoài việc gây hại cho con người, động thực

vật sử dụng nguồn nước, các kim loại nặng này còn có ảnh hưởng nhiều đến hoạtđộng của các vi sinh vật trong nước.

Các kim loại nặng ở hàm lượng nhất định nào đó có thể làm cho quá trìnhtrao đổi chất của cơ thể vi sinh vật bị rối loạn do sự kìm hãm hoạt động của cácenzym khi có mặt một số kim loại Tuy nhiên đối với một vài kim loại nặng ở dạngvết thì lại có tác dụng tốt nhất định đối với sự phát triển sinh vật

1.4.2 Nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật

Chất dinh dưỡng đối vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấp thụ từmôi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp chocác quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp chocác quá trình trao đổi năng lượng Như vậy, chất dinh dưỡng phải là những hợp chất

có tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào [2]

1.4.2.1 Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật

Tuỳ từng nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp dưới dạngcacbon vô cơ (CO2, ) hoặc cacbon hữu cơ và nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trờihay nguồn năng lượng là sản phẩm của trao đổi chất (ATP)

Trên thế giới hầu như không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị visinh vật phân giải Không ít những vi sinh vật có thể đồng hoá được cả các hợp chấtcacbon rất bền vững như cao su, chất dẻo, dầu mỏ,

Đối với những chất hữu cơ không tan trong nước hoặc có khối lượng phân tửlớn, để hấp thụ được các chất này thì vi sinh vật phải tiết ra các enzym ngoại bàothuỷ phân để chuyển hoá chúng thành những hợp chất dễ hấp thụ (đường, axitamin, )

Người ta thường dùng đường làm nguồn thức ăn cacbon khi nuôi cấy phầnlớn các vi sinh vật dị dưỡng Để nuôi cấy các vi sinh vật khác nhau, người ta thườngdùng các nồng độ đường không giống nhau

Đối với vi sinh vật dị dưỡng, nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng:nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng [10]

1.4.2.2. Nguồn thức ăn nitơ của vi sinh vật

Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4+ Muối amoni

vô cơ rẻ hơn nhưng thường làm chua môi trường, làm ức chế sự phát triển của visinh vật Thường dùng urê làm nguồn nitơ vì tạo môi trường trung tính

Đa số các vi sinh vật không có khả năng đồng hóa N2 trong không khí Tuynhiên có những vi sinh vật có thể chuyển hoá N2 thành NH3 nhờ hoạt động xúc táccủa một hệ thống enzym có tên là nitrogenaza

Đối với nguồn thức ăn nitơ hữu cơ, vi sinh vật có khả năng đồng hoá rất tốt.Các thức ăn này sẽ vừa làm nguồn cacbon vừa là nguồn cung cấp nitơ cho vi sinhvật

1.4.2.3. Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật

Nhu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố khoáng là không giống nhautuỳ thuộc vào từng loài, từng giai đoạn phát triển

Các nguyên tố khoáng chia làm 2 loại:

Nguyên tố đa lượng: là các nguyên tố mà vi sinh vật sử dụng với lượng lớn

Đó là các nguyên tố: P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca, Fe,

Nguyên tố vi lượng : là các nguyên tố mà vi sinh vật chỉ đòi hỏi một lượngrất nhỏ: B, Mo, Cu, Zn, Mn,

Hàm lượng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chất của vi sinh vật khácnhau là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôi cấy

1.5 Tổng quan bể USBF

1.5.1.Giới thiệu về bể USBF [3]

Công nghệ lọc dòng ngược bùn sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filter) được thiết kế dựa trên trên mô hình động học xử lý BOD, nitrate hoá (nitrification) và khử nitrate hóa (denitrification) của Lawrence và McCarty, Inc.

lần đầu tiên được giới thiệu ở Mỹ những năm 1900 sau đó được áp dụng ở châu Âu

từ 1998 trở lại đây Tuy nhiên, đối với Việt Nam, hiện nay USBF lại là công nghệmới, được nghiên cứu và ứng dụng trong những năm gần đây

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bể USBF

Bể USBF gồm 3 ngăn chính: ngăn thiếu khí (anoxic), ngăn hiếu khí(aerobic) và ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Mương chảy tràn thu nướcđầu vào nhằm hạn chế tác động của dòng vào đối với ngăn thiếu khí và tăng hiệuquả xáo trộn giữa dòng nước thải đầu vào và bùn tuần hoàn Mương chảy tràn vàthu nước đầu ra, ống thu bùn, bộ phận sục khí…

1.5.2 Nguyên tắc hoạt động bể

Nước thải được loại bỏ rắn, sau đó được bơm vào mương chảy tràn thunước đầu vào cùng trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn Hồn hợp nước thải và bùn hoạttính chảy vào ngăn thiếu khí Ngăn này có vai trò như là ngăn chọn lọc thiếu khí(Anoxic Selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) vàchọn lọc trao đổi chất (Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động của visinh vật tạo bông nhằm tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triểncủa các vi sinh vật hình sợi gây vón bùn và nổi bọt Quá trình loại bỏ cacbon, khửnitrat và loại bỏ photpho diễn ra trong ngăn này Sau đó, nước thải chảy qua ngănhiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn USBF Ở đây, ôxy được cung cấp nhờ các ốngcung cấp khí qua một máy bơm Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF

và di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳngđứng Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và

xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính Phần nước trong đã được xử lý phíatrên chảy tràn vào mương thu nước đầu ra Một phần hỗn hợp nước thải và bùntrong ngăn này được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí

 Các đặc tính nổi bật [14]

- Nồng độ bùn trong công trình: hầu hết các công trình truyền thống đều hoạt động

ở nồng độ bùn thấp hoặc trung bình, thường 1.500 - 2.500 mg/l nhưng đối với bểUSBF lại hoạt động ở nồng độ bùn cao, điển hình là 2.000 - 4.000 mg/l dẫn đến tuổibùn lâu hơn và tăng hiệu quả sinh học

- Tất cả quá trình tích hợp vào một công trình: công nghệ USBF kết hợp các quátrình nitrat hóa, khử nitơ, lọc và ổn định bùn bên trong một công trình nhỏ gọn, làmgiảm kích thước thiết

1.5.3 Ưu, nhược điểm của bể USBF

 Ưu điểm [14]

- Giảm chi phí đầu tư: công nghệ USBF kết hợp tất cả các công đọan xử lý vào một

bể làm giảm kích thước các bể và giảm chi phí đầu tư công trình

- Chi phí vận hành và bảo trì thấp: với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ, cácthiết bị cơ động, vận hành theo chế độ tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình vàhạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành và bảo trì

- Hiệu suất xử lý cao: là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu cơ dạng cacbon(BOD, COD) và chất dinh dưỡng (N, P) nên chất lượng nước thải sau khi xử lý luônđảm bảo tiêu chuẩn thải theo yêu cầu nhất là hàm lượng chất dinh dưỡng mà cáccông trình xử lý sinh học thông thường khác khó đạt được Nồng độBOD5 và TSS sau xử lý nhỏ hơn 10 mg/l và N-NH3 nhỏ hơn 0.5 mg/l USBF xử lýchất hữu cơ dạng cacbon và cả Nitơ và phốt pho

- Lượng bùn thải bỏ ít: hệ thống được thiết kế với tuổi bùn tối thiểu là 25 ngày nênlượng bùn sản sinh ít hơn với hệ thống sinh học hiếu khí thông thường

- Hạn chế mùi: dưới điều kiện phân hủy hiếu khí và nồng độ bùn lớn làm giảmnhững tác nhân gây mùi Bể USBF có thể lắp đặt tại những khu vực đông dân cư

mà không sợ ảnh hưởng bởi mùi

- Thay đổi thể tích linh động: bể lắng hình côn trong bể tạo không gian trống để cácphản ứng khác xảy ra chung quanh và bản thân bể lắng cũng có thể thay đổi thể tíchlinh động, tác động lên thể tích của các công đoạn còn lại Bể USBF cũng có thểchịu được sự quá tải lưu lượng, khi lưu lượng tăng cao, lớp bùn họat tính dâng caohình thành diện tích lọc lớn hơn nên cũng ít ảnh hưởng đến chất lượng nước đầu ra

- Thiết kế theo đơn nguyên: do kết hợp nhiều quá trình xử lý trong một công trìnhnên công nghệ USBF gần như một công trình thiết kế hoàn chỉnh, mặt khác có kiểudáng là hình khối chữ nhật nên rất thuận tiện để thiết kế thành từng đơn nguyên.Việc đơn nguyên hóa công trình giúp việc thiết kế công trình linh động hơn về mặtbằng, công suất hệ thống Chính vì kiểu dáng đơn giản nên có thể thiết kế côngnghệ BF để cải tạo các công trình cũ hay lắp đặt trong những không gian có sẵn

- Tăng cường khả năng làm khô bùn: sự gia tăng tuổi bùn trong hệ thống sẽ cải thiệncấu trúc đặc tính cơ học làm cho quá trình làm khô bùn xảy ra nhanh hơn

- Không cần bể lắng đợt 1: công nghệ USBF thường không cần bố trí bể lắng đợt 1phía trước Đối với các hệ thống lớn chỉ cần trang bị hệ thống sàn rác, loại cát đểđảm bảo cho yêu cầu xử lý sinh học

 Nhược điểm

- Vì đây là công nghệ mới được áp dụng tại Việt Nam nên công nghệ trên gặp khókhăn trong việc vận hành

- Khó xây dựng và bảo trì hệ thống

1.5.4 Ứng dụng của bể USBF

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình USBF rất thích hợp cho xử lý nướcthải: Hiệu quả xử lý COD, BOD5, nito và phospho tương ứng vào khoảng 85%,90%, 94% and 75% Bùn hoạt tính thích nghi rất nhanh với đặc tính của nước thải

và điều kiện vận hành của mô hình Việc kết hợp 3 modul trong một quá trình xử lýtạo ra ưu điểm lớn trong việc nâng cao hiệu quả xử lý Với sự kết hợp này sẽ đơngiản hoá hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xâydựng và vận hành hệ thống

Công nghệ USBF đã và đang được áp dụng ở Việt Nam Điển hình là công tyVietnam Green Environment (Vnxanh) ứng dụng nhằm xử lý triệt để nước thải chokhách sạn, tòa nhà cao cấp, một số công trình ứng dụng USBF [4]:

• Khách sạn Novotel Phan Thiết - Bình Thuận;

• Resort Aquaba Mũi Né - Bình Thuận;

• Khu Du lịch Sinh Thái An Viên - Nha Trang;

• Tòa nhà Sapphire - TP.HCM; Cụm Công nghiệp Kiến Thành - Long An;

• Khu Dân cư Bắc Rạch Chiếc - TP.HCM;

• Nhà máy nhuộm DK Vina (Hàn Quốc) - Bình Dương;

• Nhà máy nước tương An Kim Thành - Long An

Ngoài ra, công nghệ USBF được sử dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới

từ thể kỷ XX Vào năm 1992 công ty ECOfluid ra đời hoạt động dựa trên việc áp dụng công nghệ USBF Một số công trình ứng dụng công nghệ USBF của công ty ECOfluid như [15] :

• Sun Peaks Resort;

• Ski Resort;

• Pinzolo ở Italy;

• Budca ở Slovak Republic;

• Pro Sus ở Italy

CHƯƠNG II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Sửa chữa và bổ sung mô hình USBF quy mô phòng thí nghiệm

Dựa trên mô hình USBF của phòng thí nghiệm, chúng tôi đã tiến hành cảitạo lại mô hình gồm các nội dung sau:

 Sửa chữa các đường ống dẫn, hệ thống van và sử dụng keo gắn lại bể tránh hiệntượng rò rỉ

 Bổ sung:

- Bộ phận khuấy (cánh khuấy và thanh khuấy, motor khuấy) và bộ điều chỉnh tốc độdùng để điều chỉnh vận tốc của cánh khuấy là 30 vòng/phút, motor khuấy có điệnáp: 12V

- Máy bơm hồ cá cảnh Model W-388: Được sử dụng để bơm nước thải đầuvào

- Máy bơm khí hiệu Air Compressor

- Máy bơm nước thải bể cá Model AP 1200: được sử dung để tuần hoản bùn từ ngănlắng sang ngăn thiếu khí

- Hai ổ cắm hẹn giờ cơ ATA AT16

+ Một ổ cắm được dùng cho máy bơm nước thải đầu vào

+ Một ổ cắm dùng cho máy bơm bùn tuần hoàn

- Hai thùng nước có dung tích 50l đựng nước thải đầu vào và nước đầu ra

- Hai giá đỡ inox đựng thùng chứa nước thải và máy bơm bùn

- Ống dẫn nước thải (D 21) từ máy bơm đến thùng chứa nước thải và từ máy bơmlên bể USBF

Nước thải giả định đầu vào

 Sơ đồ bể USBF xử lý nước thải:

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ USBF xử lý phenol

 Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

Bể USBF là một công trình xử lý kết hợp nhiều quá trình xử lý với cấu tạophức tạp gồm có 3 ngăn là ngăn thiếu khí, ngăn hiếu khí và ngăn lắng Nước thảigiả định được bơm vào bể thông qua 1 hệ thống bơm với một lưu lượng phù hợp và

ổn định đã được xác định Đầu tiên nước thải sẽ đi vào ngăn thiếu khí của bể, ngănnày có cấu tạo bao gồm 1 cánh khuấy có tốc độ quay từ 30 vòng/phút Cánh khuấy

sẽ được hoạt động liên tục với mục đích là để xáo trộn nước thải với bùn hoạt tínhđược hoàn lưu từ ngăn lắng của bể để tránh quá trình lắng cặn và lắng bùn ở đây.Sau đó, nước thải chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn USBF Ở đây,oxy được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua một máy vì vậy các vi sinh vật sẽ

sử dụng oxy và các chất hữu cơ có trong nước thải để phát triển sinh khối và tạo rabùn Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển từ dưới lên,ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Bùn cặn sẽ đượclắng xuống đáy của ngăn lắng và được tuần hoàn lại ngăn thiếu khí bằng hệ thốngbơm bùn tuần hoàn Nước sau xử lý sẽ được chảy chàn vào máng thu và chảy rangoài bể thu nước đầu ra

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của bể USBF.

Bộ phận Thông số Chiều dài (cm) Chiều rộng

(cm)

Chiều cao (cm)

Thể tích bể (lít)

Thời gian lưu (tiếng)

“B Marrot, A Barrios-Martinez, P Moulin, N Roche, Biodegradation of highphenol concentration by activated sludge in an immersed membrane bioreactor,Biochemical Engineering Journal 30 (2006) 174 – 183” cùng một một số tài liệukhác thì chúng tôi đã tổng hợp được thành phần có trong nước thải giả định nhưsau:

Bảng 2.2 Thành phần nước thải giả định

Thành phần dinh

Nồng độ chất pha trong 50 l (mg/l)

Nguyên tố đa lượng

 Hàm lượng chất dinh dưỡng có trong 1lít nước thải giả định.

Bảng 2.3 Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong 1lít nước thải giả định Thành phần

chất dinh

dưỡng

Nồng độ trong 50 lít nước thải (mg/l)

Nồng độ gốc Thể tích hút dung

dịch gốc (ml)

Hình 2.2 Công ty cổ phần chăn nuôi CP Việt Nam

• Đặc tính của bùn