thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho khu dân cư công suất 300m3ngày đêm

Giới thiệu Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loạichất không tan đến các loại chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lýnướ

KHOA MÔI TRƯỜNG NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH

HOẠT CHO KHU DÂN CƯ CÔNG SUẤT

300M3/NGÀY ĐÊM

GVHD : Th.S PHAN XUÂN THẠNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

GVHD : Th.S PHAN XUÂN THẠNH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Số điểm bằng số: _Số điểm bằng chữ:

TP.HCM, ngày…….tháng…….năm (Giáo viên ký và ghi rõ họ tên)

Trong suốt thời gian dài học tập tại trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh,

em đã được quý Thầy Cô tận tình hướng dẫn Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô đãhết lòng giảng dạy, truyền đạt những kiến thức hữu ích giúp em hoàn thành tốt đồ án mônhọc

Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy hướng dẫn Ths Phan Xuân Thạnh,thầy Nguyễn Viết Hùng - Khoa môi trường – đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu vàđóng góp nhiều ý kiến thiết thực trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Cuối cùng xin cảm ơn tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thờigian tôi học tập cũng như khi tôi thực hiện Đồ án môn học

Xin chân thành cảm ơn

Tp HCM, ngày 15 tháng 08

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu chung về nước thải sinh hoạt 2

1.2 Thành phần nước thải sinh hoạt 3

1.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt 5

1.4 Bảo vệ nguồn nước mặt khỏi sự ô nhiễm do nước thải 5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 7

2.1 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt 7

2.1.1 Giới thiệu 7

2.1.2 Phương pháp cơ học 7

2.1.3 Phương pháp hóa học 7

2.1.4 Phương pháp hóa lý 8

2.1.5 Phương pháp sinh học 8

2.1.5.1 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên: 8

2.1.1.2 Xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo: 11

2.2 Các phương pháp loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt 15

2.2.1 Quá trình khử Ammonia bằng phương pháp sinh học 16

2.2.2 Quá trình Nitrate hoá 19

2.2.3 Quá trình khử nitrat 23

2.3 Một số sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt 26

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ 29

3.1 Thành phần nước thải đầu vào, đầu ra 29

3.2 Các lưu lượng tính toán 29

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN KINH TẾ 511

4.1 Chi phí ban đầu 512

4.2 Chi phí vận hành 522

4.2.1 Chi phí nhân công 522

4.2.2 Chi phí điện năng 522

4.2.3 Chi phí hóa chất 522

4.2.4 Chi phí khấu hao trang thiết bị 53

4.3 Đơn giá 1 m3 533

KIẾN NGHỊ & KẾT LUẬN 544

TÀI LIỆU THAM KHẢO 555

KHOA MÔI TRƯỜNG

Họ Và Tên : Hồ Minh Phụng Mssv : 907T1413

Ngành : Kỹ thuật môi trường Lớp : BT07MTR

A Nhiệm vụ đồ án môn học:

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho khu dân cư công suất 300

m3 /ngày đêm với nồng độ nước thải đầu vào:

B Nội dung yêu cầu:

- Lập đề cương chi tiết

- Tổng quan ngành nghề, chất ô nhiễm

- Tổng quan về phương pháp xử lý

- Đề xuất lựa chọn Qui trình công nghệ xử lý.

- Tính toán công nghệ và thiết kế

- Khai toán giá thành

- Kiến nghị và kết luận

C Thời gian thực hiện:

Ngày giao Đồ án tốt nghiệp: 04/05/2011

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/08/2011

Họ tên người hướng dẫn: Ths Phan Xuân Thạnh

MỞ ĐẦUĐặt Vấn Đề

Ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu đối với các nước đang phát triểnnhư Việt Nam Đặt biệt trong giai đoạn đổi mới hiện nay, sự phát triển nhanh chóng củacác ngành công nghiệp và dịch vụ, quá trình đô thị hóa ngày càng gia tăng là các nguyênnhân chính dẫn đến các vấn đề ô nhiễm môi trường

Xử lý nước thải ở Việt Nam đang ở giai đoạn đầu đối với các ngành công nghiệp,nhưng chưa quan tâm nhiều đối với nước thải sinh hoạt Tuy nhiên theo Ông YutakaMatsuzawa - Chuyên gia môi trường của Tổ chức Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) tại

VN - khuyến cáo nước thải sinh hoạt chính là tác nhân đáng sợ nhất gây ô nhiễm nguồnnước

Theo Hội Bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam (VACNE), nước thải sinh hoạtchiếm khoảng 80% tổng số nước thải ở các thành phố, là một nguyên nhân chính gây nêntình trạng ô nhiễm nước và vấn đề này có xu hướng càng ngày càng xấu đi Ước tính, hiệnchỉ có khoảng 6% lượng nước thải đô thị được xử lý

Một báo cáo toàn cầu mới được Tổ chức Y tế thế giới (WHO) công bố hồi đầu năm

2010 cho thấy, mỗi năm Việt Nam có hơn 20.000 người tử vong do điều kiện nước sạch

và vệ sinh nghèo nàn và thấp kém Còn theo thống kê của Bộ Y tế, hơn 80% các bệnhtruyền nhiễm ở nước ta liên quan đến nguồn nước Người dân ở cả nông thôn và thành thịđang phải đối mặt với nguy cơ mắc bệnh do môi trường nước đang ngày một ô nhiễmtrầm trọng Chính vì thế việc thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt trong gian đoạn này làcần thiết và hết sức quan trọng

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu chung về nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinhhoạt : tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân… Lượng nước thải sinh hoạt của một khudân cư phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước.Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấpnước của các nhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có Các trung tâm đô thị thường

có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành lượng nước thải sinh hoạttính trên đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn

 Sự hình thành nước thải sinh hoạt

Hình 1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt ( Trần Đức Hạ,2006).

 Phân loại

Nước thải sinh hoạt được chia làm 2 loại

Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là các

chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng

Nước xám là nước phát sinh từ các quá trình : rửa, tắm, giặt, với thành phần các chất

1.2 Thành phần nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngoài ra còn cócác thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Ở những khu dân cưđông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh họat không được xử lý thích đáng làmột trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Mức độ tác hại phụ thuộcvào loại chất ô nhiễm, nồng độ của chúng và khả năng xử lý các chất đặt biệt này

Hình 1.2 Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt (Trần Đức Hạ,2006).

Chất lượng nước thải sinh hoạt chưa xử lý thông qua một số chỉ tiêu ô nhiễm đặc

trưng có thể tham khảo bảng 1.1 (theo Melcaf and Eddy ,2003).

Bảng 1.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh họat chưa xử lý (Lâm Minh

1.3 Tác hại của nước thải sinh hoạt

Tác hại đến môi trường của nước thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nướcthải gây ra

COD, BOD: sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây thiếu

hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước Nếu ônhiễm quá mức điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong quá trình phân hủy yếm khísinh ra các sản phẩm như H2S, NH3, CH4… làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pHcủa môi trường

SS: lắng động ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí.

Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đời sống thủy

sinh vật nước

Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ

độc thức ăn…

Ammonia, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồng độ trong nước

quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa ( sự phát triển bùng phát của các loại tảo, làmcho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở và diệt vong các sinh vật,trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra)

Màu: mất mỹ quan.

Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt.

1.4 Bảo vệ nguồn nước mặt khỏi sự ô nhiễm do nước thải

Nguồn nước mặt là sông hồ, kênh rạch, suối, biển… nơi tiếp nhận nước thải từ khudân cư, đô thị…

Ô nhiễm nước mặt chủ yếu là do tất cả các dạng nước thải chưa xử lý xả vào nguồnnước, làm nguồn nước thay đổi tính chất hóa lý và sinh học Sự có mặt của các chất độchại trong nguồn nước sẽ làm phá vỡ cân bằng sinh học tự nhiên cũa nguồn nước và kìmhãm quá trình tự làm sạch của nguồn nước Khả năng tự làm sạch của nguồn nước phụthuộc vào các điều kiện xáo trộn và pha loãng của nước thải với nguồn nước Sự có mặtcủa các vi sinh vật gây bệnh cũng đe dọa tính an toàn của nguồn nước

Biện pháp được coi là hiệu quả nhất để bảo vệ nguồn nước là :

 Hạn chế số lượng nước thải xả vào nguồn nước

 Giảm thiểu nồng độ ô nhiễm trong nước thải trước khi xả vào nguồn nước

 Nghiên cứu áp dụng công nghệ tái sử dụng nguồn nước thải sinh hoạt

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

NƯỚC THẢI SINH HOẠT

2.1 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt

2.1.1 Giới thiệu

Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loạichất không tan đến các loại chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lýnước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và đưa vào nguồn tiếp nhậnhoặc đưa vào tái sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp thường được căn

cứ trên đặt điểm của các loại tạp chất có trong nước thải Các phương pháp chính thườngđược sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là : phương pháp cơ học,phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học

2.1.2 Phương pháp cơ học

Các phương pháp cơ học thường được sử dụng gồm : lắng, trộn, tuyển nổi…

Phương pháp xử lý cơ học được sử dụng dựa vào các lực vật lý như lực trọng trường,lực ly tâm…để tách các chất không hoà tan, các hạt lơ lửng có kích thước đáng kể ra khỏinước thải

Ưu điểm : phương pháp tương đối đơn giản, mức chi phí thấp, hiệu quả xử lý chất lơ

lửng

2.1.3 Phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học gồm có : oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủycác chất độc hại

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào các phản ứng hóa học giữa các chất ô nhiễm

và hóa chất thêm vào

Ưu điểm : hiệu quả xử lý cao, thường được dùng trong các hệ thống xử lý nước khép

kín

Nhược điểm : Chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thải

có quy mô lớn

2.1.4 Phương pháp hóa lý

Các phương pháp hóa lý bao gồm : keo tụ, tuyển nổi, trao đổi ion, hấp phụ…

Bản chất của phương pháp này là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để đưa vàonước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động đến các chất ô nhiễm, biến đổi hóa họctạo thành các chất dễ xử lý và không gây ô nhiễm môi trường

Phương pháp xử lý hóa lý có thể kết hợp với các phương pháp cơ học, hóa học, sinhhọc

2.1.5 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học gồm hai phương pháp:

Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên

Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo

Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là sửdụng 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

Ưu điểm : rẻ tiền, sản phẩm phụ của quá trình có thể tận dụng làm phân bón (bùn hoạt

tính) hoặc tái sinh năng lượng ( khí metan)

2.1.5.1 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên:

Dựa trên khả năng tự làm sạch sinh học trong môi trường đất và hồ nước

Đây là phương pháp được áp dụng phổ biến ở nhiều nước vì dễ thực hiện, giá thànhthấp, hiệu quả tương đối cao

Bao gồm các phương pháp:

a Phương pháp cánh đồng tưới:

Với nguồn nước thải có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, ít độc hại như nước thải chăn nuôi

có thể sử dụng cánh đồng tưới sinh học

Sử dụng cánh đồng tưới nhằm xử lý và làm sạch đồng thời tận dụng các chất dinhdưỡng có trong nước thải để trồng trọt.

Cơ chế hoạt động của cánh đồng tưới khác cánh đồng lọc là có trồng lúa và hoa màu.Nhờ cây trồng, hiệu quả xử lý được nâng cao vì cây trồng hấp thu các chất vô cơ có tácdụng thúc đẩy nhanh tốc độ phân hủy Bộ rễ còn có tác dụng chuyển oxy xuống tầng đấtsâu dưới mặt đất để oxy hóa các chất hữu cơ thấm xuống

Khi sử dụng cánh đồng tưới phải chú ý đến độ xốp của đất, chế độ tưới nước và yêucầu phân bón của cây trồng

b Phương pháp cánh đồng lọc:

Đây là những khu đất được quy hoạch để xử lý nước thải Khi nước thải được lọc quađất, các chất keo lơ lửng được giữ lại tạo thành màng VSV VSV trong màng này sử dụngchất hữu cơ để tăng sinh khối và biến thành các chất hòa tan hoặc chất hữu cơ đơn giản.Toàn bộ khu đất phải được chia làm nhiều ô, các ô phải bằng phẳng để bảo đảm phânphối nước đều Tải trọng trên cánh đồng tưới tùy htuộc vào độ lớn của vật liệu lọc Hiệuquả làm sạch của cánh đồng lọc rất cao, giảm BOD hơn 90%, coliform hơn 95%, nướcthải rất trong sau xử lý

c Ao sinh học:

Được áp dụng rộng rãi hơn cánh đồng lọc và cánh đồng tưới Nó có nhiều ưu điểm:diện tích chiếm nhỏ hơn cánh đồng lọc, có thể nuôi trồng thủy sản, cung cấp nước chotrồng trọt, chi phí thấp, vận hành và bảo trì đơn giản

Các quá trình diễn ra trong ao sinh học tương tự như quá trình tự rửa sạch ở sông hồnhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả hơn

Quá trình hoạt động trong các hồ sinh học dựa trên quan hệ cộng sinh của toàn bộ quầnthể sinh vật có trong hồ tạo ra Trong số các chất hữu cơ đưa vào hồ các chất không tan sẽ

bị lắng xuống đáy hồ còn các chất tan sẽ được hòa loãng trong nước Dưới đáy hồ sẽ diễn

ra quá trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ, sau đó thành NH3, H2S, CH4 Trênvùng yếm khí và vùng yếm khí tùy tiện và hiếu khí với khu hệ vi sinh rất phong phú gồmcác giống Pseudomonas, Bacillus, Flavobacterium, Achromobacter, chúng phân giảichất hữu cơ thành nhiều chất trung gian khác nhau và cuối cùng là CO2, đồng thời tạo racác tế bào mới, chúng sử dụng oxy do tảo và các thực vật tạo ra Các VSV nitrat hóa sẽoxy hóa N-amonia thành nitrit rồi nitrat Một nhóm VSV khác như P.dennitrificans,B.Licheniformis, Thiobacillus denitrificans lại phản nitrat để tạo thành nitrogen phân tử.

Hệ vi khuẩn và nấm, xạ khuẩn phân hủy các chất hữu cơ thành các chất vô cơ cung cấpcho tảo và các thực vật thủy sinh như bèo, rong Ngoài ra, còn các thực vật khác như sen,súng, rau muống Tảo và các thực vật này lại cung cấp oxy cho vi khuẩn đồng thời còn lànơi cộng sinh rất tốt cho các loài VSV Thực vật trong hồ đóng vai trò rất quan trọngtrong quá trình ổn định nước, chúng lấy chất dinh dưỡng (chủ yếu là N, P) và các kim loạinặng (Cd, Cu, Hg và Zn) để tiến hành các quá trình đồng hóa

Phân loại ao sinh học: gồm 3 loại

d Ao ổn định chất thải hiếu khí

Là loại ao cạn từ 0,3-0,5 m, được thiết kế sao cho ánh sáng mặt trời xâm nhập vào lớpnước nhiều nhất làm phát triển tảo Điều kiện thông khí phải được đảm bảo từ mặt nướcđến đáy ao Có hai loại là thông khí tự nhiên và thông khí bằng nhân tạo với hệ thống sụckhí nén

Thời gian lưu nước trong hồ 3-12 ngày là tốt nhất

pH: 5-9 , DO> 0,5mg/l, nhiệt độ: 5-400C

e Ao ổn định chất thải tùy nghi

Đây là ao phổ biến nhiều Trong ao phân ra làm 3 vùng khác nhau:

Vùng hiếu khí: oxy cung cấp bởi không khí, và từ quá trình quang hợp của VSV

Vùng kị khí (dưới đáy hồ): các VSV yếm khí phát triển rất mạnh và phân hủy rất nhanhcác chất hữu cơ lắng xuống, sinh ra khí CH4.

Vùng trung gian: giao thoa giữa hiếu khí và yếm khí Sự phát triển của các VSV trongvùng này không ổn định cả về số lượng, số loài và cả về chiều hướng phản ứng sinh học

Ao thường sâu từ 1-2m, thích hợp cho sự phát triển của tảo và các VSV tùy nghi.Ban ngày, khi có ánh sáng mặt trời quá trình xảy ra trong hồ là hiếu khí Ban đêm vàlớp đáy là kỵ khí

f Ao ổn định chất thải kỵ khí

Là loại ao sâu hơn 1,5m , không cần oxy cho hoạt động của VSV Ở đây các loài VSV

kỵ khí và tùy nghi dùng oxy từ các hợp chất như nitrat, sulphate để oxy hóa chất hữu cơtạo thành CH4 và CO2

Hồ kị khí thường tạo ra mùi rất khó chịu nên cần phải chọn địa điểm cách xa khu dân

cư 1,5-2 km để xây dựng hồ

2.1.1.2 Xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo:

a Điều kiện hiếu khí:

 Bể phản ứng Aerotank:

Quá trình chuyển hóa vật chất trong bể dựa trên hoạt động sống của các VSV hiếu khí.Các VSV trong bể aerotank tồn tại ở dạng huyền phù Các huyền phù VSV có xu hướnglắng đọng xuống đáy, do đó việc khuấy trộn các dung dịch trong bể là điều cần thiết.Người ta có thể cung cấp khí cho bể aerotank bằng nhiều cách: thổi khí, nén khí, làmthoáng cơ học, thổi nén khí với hệ thống cơ học

Có nhiều loại bể aerotank khác nhau, tùy theo yêu cầu xử lý, tính kinh tế, diện tích đất

sử dụng mà chọn loại nào cho phù hợp: bể aerotank truyền thống, bể aerotank với sơ đồnạp nước thải theo bậc, bể aerotank tải trọng cao, bể aerotank có ngăn tiếp xúc với bùn

hoạt tính đã ổn định, bể aerotank làm thoáng kéo dài, bể aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh, .

Ưu điểm: đạt được mức độ xử lý triệt để, thời gian khởi động ngắn, ít tạo mùi hôi, có

tính ổn định cao trong quá trình xử lý

Nhược điểm: tốn nhiều năng lượng.

 Bể aerotank theo mẻ (SBR):

Đây là loại công nghệ mới đang được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới vì hiệu quả

xử lý Nitơ, Phospho rất cao nhờ vào các qui trình hiếu khí, thiếu khí, yếm khí

Hoạt động của bể gồm 5 pha:

Pha làm đầy (fill): đưa nước thải vào bể, có thể vận hành theo 3 chế độ: làmđầy_tĩnh, làm đầy_khuấy trộn và làm đầy_sục khí

Pha phản ứng (react): ngừng đưa nước thải vào bể, tiến hành sục khí đều diện tích

bể Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải và yêu cầu mức độ xử lý

Pha ổn định (settle): các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình lắng diễn ratrong môi trường tĩnh hoàn toàn Thời gian lắng thường nhỏ hơn 2h

Pha tháo nước trong (decant): nước đã lắng trong ở phần trên của bể được tháo ranguồn tiếp nhận bằng ống khoan lỗ hoặc máng thu nước trên phao nổi

Pha chờ (idle): thời gian chờ để nạp mẻ mới Pha này có thể bỏ qua

Ưu điểm: hiệu quả khử Nitơ, Phospho cao; tiết kiệm diện tích đất xây dựng vì không

cần xây dựng bể điều hòa, bể lắng I và lắng II; có thể kiểm soát hoạt động và thay đổi thờigian giữa các pha nhờ bộ điều khiển PLC; pha lắng được thực hiện trong điều kiện tĩnhhoàn toàn nên hiệu quả lắng tốt

Nhược điểm: chi phí của hệ thống cao, người vận hành phải có kỹ năng tốt, đạt được

hiệu quả xử lý cao khi lưu lượng nhỏ hơn 500m3/ngày đêm

Nước thải có thể được cung cấp từ trên xuống hoặc từ dưới lên.

Bể lọc kị khí có khả năng khử được 7090% BOD

Nước thải trước khi vào bể lọc cần được lắng sơ bộ

Ưu điểm chính: khả năng khử BOD cao, thời gian lọc ngắn, VSV dễ thích nghi với

nước thải, vận hành đơn giản, ít tốn năng lượng, thể tích của hệ thống xử lý nhỏ

Nhược điểm: thường hay bị tắc nghẽn, giá thành của vật liệu lọc khá cao, hàm lượng

cặn lơ lửng ra khỏi bể lớn, thời gian đưa công trình vào hoạt động dài

 Bể lọc ngược qua tầng bùn kị khí UASB:

Bể UASB không sử dụng vật liệu dính bám mà sử dụng lớp cặn (có chứa rất nhiềuVSV kị khí) luôn luôn tồn tại lơ lửng trong dung dịch lên men nhờ hệ thống nước thảichảy từ dưới lên Sau một thời gian hoạt động, trong hệ thống hình thành 3 lớp; phần bùnđặc ở đáy hệ thống, một lớp thảm bùn ở giữa hệ thống gồm những hạt bùn kết bông vàphần chứa biogas ở trên cùng Nước thải được nạp vào từ dưới đáy hệ thống, đi xuyên qualớp bùn đặc và thảm bùn rồi đi lên trên và ra ngoài Khi tiếp xúc với những hạt bùn kếtbông ở thảm bùn, vi khuẩn sẽ xử lý chất hữu cơ và chất rắn sẽ được giữ lại Khí và cácchất rắn lơ lửng được tách ra từ nước thải được xử lý bởi thiết bị tách gas và chất rắntrong hệ thống Các hạt bùn sẽ lắng xuống thảm bùn và định kì được xả ra ngoài

Ưu điểm: hiệu quả xử lý cao, thời gian lưu nước trong bể ngắn, thu được khí CH4 phục

vụ cho nhu cầu về năng lượng, cấu tạo bể đơn giản, dễ vận hành, năng lượng phục vụ vậnhành bể ít

Nhược điểm: khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn, các hạt bùn thường không

ổn định và rất dễ bị phá vỡ khi có sự thay đổi môi trường

 Bể khí sinh học (Biogas): hay còn gọi là bể Metan

Đây là loại bể rất thích hợp và đang được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải chăn nuôiheo ở các vùng nông thôn Việt Nam va một số nước trên thế giới vì nó có rất nhiều ưuđiểm:

Kích thước bể metan có thể thay đổi tùy trường hợp: có kích thước nhỏ ở hộ gia đìnhhay kích thước lơn ở các trại chăn nuôi heo công nghiệp

Khí metan sinh ra được coi là nguồn năng lượng quan trọng: nó có thể thay thế than, kể

cả nhu cầu điện khí hóa ở các vùng nông thôn

Sử dụng các chất thải và các phụ phẩm trong nông nghiệp (rơm, rạ, )

Phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, ổn định, các hợp chất chứaNitơ, phospho, kali là những chất có thể tái sử dụng ngay làm phân bón trong trồng trọt.Giảm khoảng 90% kí sinh trùng và các VSV gây bệnh cho người, gia súc nhờ thời gianlưu trữ lâu

Giúp khử mùi khó chịu của chất thải

Tuy nhiên bể Biogas vẫn còn một số nhược điểm: tuổi thọ của bể ngắn, hiệu quả xử lýBOD thấp, phần cặn còn chứa nhiều nước rất khó vận chuyển hay sự ổn định của chấtlượng hỗn hợp khí mêtan

Bể Metan được thiết kế theo hình trụ hay hình hộp, cũng có loại sử dụng bằng túi nhựapolyeste (dùng cho hộ gia đình hoặc những trại chăn nuôi quy mô nhỏ)

Khi xây dựng bể có thể chôn sâu dưới lòng đất (ở những vùng có nhiệt độ lạnh) hoặctrên mặt đất (ở những nơi nhiệt độ cao).

Khi vận hành bể, người ta thường lấy nước trong ra liên tục và bổ sung nước thải mớivào Do đó lượng căn cũng sinh ra liên tục, người ta có thể lấy lượng cặn lắng ở đáy bể ratheo chu kỳ hoặc liên tục

2.2 Các phương pháp loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt

Nitơ trong nước thải đô thị hiện diện ở nhiều dạng khác nhau như nitơ hữu cơ (protein

và ure) và N-NH3 Việc loại bỏ nitơ có thể đạt được bởi 2 quá trình cơ bản gồm quá trìnhđồng hóa và quá trình nitrat hóa - khử nitrat hóa Vi sinh vật đồng hóa N-NH3 để chuyểnthành sinh khối

Hình 2.1 Sự chuyển hóa nitơ trong quá trình chuyển hóa sinh học (Metcaft & Eddy,

2003.

Đối với quá trình nitrat hóa - khử nitrat, nitơ sẽ được loại bỏ bởi 2 quá trình đó Tronggiai đoạn đầu tiên, nitrat hóa là tiến trình sinh học trong đó N-NH3 sẽ được chuyển hóathành nitrit và cuối cùng là nitrat, tất cả diễn ra trong quá trình hiếu khí Quá trình nitrathóa diễn ra do các vi sinh vật tự dưỡng Quá trình loại bỏ nitơ gồm 2 phản ứng, một làoxi hóa N-NH3 thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và từ nitrit sang nitrat bởi vi khuẩnNitrobacter Trong giai đoạn thứ 2, nitrat chuyển hóa thành khí N2, quá trình khử nitrathóa diễn ra trong điều kiện thiếu khí Sự chuyển hóa nitơ trong quá trình sinh học được

mô tả trong hình 2.1

Hầu hết việc xử lý nước thải sinh hoạt sử dụng quá trình sinh học, đây là phươngpháp có hiệu quả và tiết kiệm trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ

2.2.1 Quá trình khử Ammonia bằng phương pháp sinh học

Quá trình xử lý sinh học được ứng dụng trong việc khử ammonia và nitrate trongnước thải được ứng dụng một cách rộng rãi với nhiều quy trình công nghệ xử lý ngàycàng trở nên phổ biến, từ đầu tiên là công nghệ SBR, mương oxy hóa đến những côngnghệ gần đây như ANAMMOX (Mulder, 1995), CANON (Schmidt, 2003) và SHARON(Hellinga, 1998)

Quá trình thông thường nitơ trong nước thải được loại bỏ nhờ sự chuyển hóa của vikhuẩn đối với các hợp chất của nitơ như N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-,… thành nitơ tự do nhờquá trình nitrate hoá và khử nitrate(nitrification/denitrification)

Bảng 2.1 cho tổng kết các quá trình chuyển hoá nitơ trong nước thải bằng phương

pháp sinh học.

Bảng 2.1 Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước (Luiza Gut, 2006).

(kị khí)

Vi khuẩn

Environmental Biotechnology: principles and applications,

Rittmann vMcácarty

1b C5H7O2N + 5O2 

4CO2 + HCO3- + NH4- +

Ammonification

Vi khuẩn

STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật Nguồn

Không (quátrình vật lý)

5 NO2- + 0,5O2 NO3- Nitratation

Nitrobacter,e.g

N agilisNitrospiraNitrococácus

Nitrosocystics

4 + 5 NH4 + 2O2 + 2HCO3

- 

NO3- + 2CO2 + 3H2O Nitrification

Nitrifyingbacteria

STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật Nguồn

2N2 + 4HCO3

-bacteria

6 + 7 5C + 2H2O + 4NO3

- 2N2 + 4HCO3- + CO2

Denitrification

Heterotrophs:

Pseudomonas

BacillusAlcaligenesParacocácus

oxidizingbacteria

Ammonia-Van Dongen(2001)

+ + NO2- N2 +2H2O

Anammox(không tổng hợp

tế bào)

Planctomycetales

9b

NH4 + 1,32NO2- +0,066HCO3-  1,02N2 +

0,26NO3- + 0,066CH2O0, 5N0, 15

+2,03H2O

Anammox(có tổng hợp tếbào)

Planctomycetales

4 + 7

4NH4+ + 6O2 + 3C +4HCO3-  2N2 + 7CO2 +10H2O

ModifiednitrogenRemoval

Bacteria

Rittmann vMcácarty(2001)Henze(2002)

4 + 5

+ 6 + 7

4NH4+ + 8O2 + 5C +4HCO3-  2N2 + 9CO2 +10H2O

Khử nitơtruyền thống(Traditionalnitrogen removal)

Bacteria

STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật Nguồn

Sliekers(2002)

10 NH4 + 0,75O2

0,5N2 + H+ + 1,5H2O OLAND

Nitrosomonas

Verstraete vPhilips (1998)

+ + 3O2 + 3[H] 1,5N2 + 3H+ + 6H2O Qu trình NOx

Nitrosomonas

Schmidt(2003)

2.2.2 Quá trình Nitrate hoá

hoá nitrite khoảng 17,5 kcal/mole nitrite Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng

lượng này cho sự sinh trưởng của tế bào và duy trì sự sống Tổng hợp 2 phản ứng (2.1) và(2.2) được viết lại như sau

NH4+ + 2 O2  NO3- + 2 H+ + H2O (2.3)

Từ phương trình (2.3), lượng O2 tiêu thụ l 4,57gO2/gN-NH4+ bị oxy hóa, trong đó3,43g/g sử dụng cho tạo nitrite và 1,14g/g sử dụng cho tạo nitrate, 2 đương lượng ion H+

tạo ra khi oxy hoá 1 mole ammonia, ion H+ trở lại phản ứng với 2 đương lượng ionbicarbonate trong nước thải Kết quả l 7,14 g độ kiềm CaCO3 bị tiêu thụ/g N-NH4 bị oxyhoá.

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá

 Oxy hoà tan (Dissolved Oxygen - DO)

Ảnh hưởng DO lên quá trình nitrate hóa khác nhau được báo cáo từ các nghiên cứukhác nhau của Downing và Scragg (1958) cho thấy: Nồng độ DO cần thiết cho quá trìnhnitrate hóa xảy ra ít nhất là 0,3 mg/l

Schoberl và Angel nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (1964): Tốc độ nitrate hóa đối

với Nitrosomonas không phụ thuộc vào DO nếu DO trên 1 mg/l và đối với Nitrobacter

nồng độ DO > 2mg/l

Boon và Laudeluot (1962) nghiên cứu tốc độ sinh trưởng của Nitrobacter winogradki

ở nồng độ DO là 1mg/l và DO bão hòa ở nhiệt độ 25 - 35 0C cho thấy tốc độ sinh trưởng ởnồng độ DO là 1 mg/l thì thấp hơn ở nồng độ DO bão hòa và tùy thuộc vào nhiệt độ Tốc

độ sinh trưởng ở DO = 1 mg/l bằng 79%, 80%,70%,58% ở DO bão hòa tương ứng với cácnhiệt độ 20; 23,7 ; 29 ; 350C

Downing et al (1964) và Wild et al (1971) nghiên cứu hỗn hợp bùn lỏng trong bểbùn hoạt tính cho thấy nồng độ DO > 1mg/l, tốc độ nitrate hóa không bị ảnh hưởng Wuhrman (1963) cho thấy nồng độ DO = 4 - 7 mg/l, tốc độ nitrate hóa không bị ảnhhưởng, nhưng DO = 1mg/l thì tốc độ chỉ bằng 90% tốc độ ở nồng độ DO cao hơn

Nagel và Haworth (1969) cho thấy tốc độ nitrate hóa trong bùn hoạt tính gấp đôi khinồng độ DO tăng từ 1 - 3 mg/l

Okun (1949), Haug và Mcácarty (1971) cho thấy vi khuẩn nitrate hóa không bị ảnhhưởng bởi DO, không có sự ức chế khi nồng độ DO  3 mg/l

Sự khác nhau của những nghiên cứu ảnh hưởng DO lên động học phản ứng được giảithích dựa trên cơ chế vận chuyển và tiêu thụ oxy của các bông bùn hoạt tính

 pH

Một số nghiên cứu quan sát thấy rằng tốc độ nitrate hóa cực đại khi pH nằm trongkhoảng 7,2 – 9,0 Ảnh hưởng pH lên tốc độ nitrate hóa khác nhau được báo cáo từ cácnghiên cứu khác nhau như: U.S.EPA (1975) đề xuất phương trình ảnh hưởng của pH lên

tốc độ sinh trưởng riêng của vi khuẩn nitrate hóa trong các hệ thống kết hợp oxy hóacacbon và nitrate hóa khi pH dưới 7,2

Angle và Alexander (1958) và Downing (1964) cho thấy ít có sự ảnh hưởng khi pH =7,2- 8 và tốc độ nitrate hóa giảm tuyến tính khi pH < 7,2

Boon và Laudelout (1962) cho thấy tốc dộ nitrate hóa đối với Nitrobacter ở pH = 6,5

 Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng lên tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrate hóa, tốc

độ nitrate hóa giảm với sự suy giảm nhiệt độ

Một số nghiên cứu đề xuất mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riêng cựcđại như sau (Bảng 2.2)

Bảng 2.2 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riêng cực đại

Nguồn n ,max theo nhiệt độ n ,max (ngày)

Knowles et al (1965) đề nghị mối quan hệ giữa Kn và nhiệt độ

Kn = 100,051T-1,148 với T : nhiệt độ, 0C

Focht và Chang (1975) ; Painter (1970) : Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrate hóatrong khoảng 30 - 360C, nhưng chúng có thể phát triển ở 4 - 500C

Nhiệt độ ảnh hưởng lên thời gian lưu bùn(SRT) Khi nhiệt độ giảm thì SRT phải đủlâu để vi khuẩn nitrate hóa phát triển ổn định, vì chúng rất nhạy cảm với nhiệt độ.

 Nồng độ ammonia và nitrite

Turk và Mavinic (1986) cho thấy nồng độ khí NH3 hòa tan trong khoảng (0,1 1,0)mg/l thì sự oxy hóa nitrite bị ức chế, quá trình oxy hóa ammonia bị ức chế khi nồng độkhí ammonia từ 5 - 20 mg/l Ford et al (1980) cho thấy quá trình oxy hóa nitrite bị ứcchế khi nồng độ NH3-N từ 10 - 150 mg/l

Beccari et al (1979) cho thấy sự oxy hóa ammonia thành nitrite ít nhạy cảm hơn sựoxy hóa nitrite thành nitrate ở pH thấp Sự ức chế quá trình oxy hóa nitrite thành nitrate ở

pH thấp là do sự hiện diện của acid nitrous (HNO2) tự do (FNA: Free Nitrous Acid).

Anthonisen et al (1976) cho thấy nồng độ FNA từ 0,2 – 2,8 mg/l sẽ ức chế loài

Nitrobacter Nồng độ khí ammonia FA (FA: free ammonia) và FNA được biểu diễn như

sau

Trong đó:

Kb/Kw= e 6344(273+T)

TA: Tổng ammonia trong dung dịch gồm khí NH3 và ion NH4 , mg/l

Kb,Kw: Hằng số ion hóa của phương trình cân bằng ammonia và nước

Skinner và Walker (1961) cho thấy các kim loại với nồng độ gây độc cho cho loài

Nitrosomonas được tìm thấy như : nickel = 0,25 mg/l, Crôm = 0,25mg/l, Đồng = 0,1 –

0,5 mg/l

Beckman et al(1972) cho thấy 100% loài Nitrosomonas bị ức chế đối với nồng độ nickel và kẽm là 3 mg/l Loveless và Painter (1968) cho thấy loài Nitrosomonas bị ức

chế hoàn toàn với nồng độ đồng là 0,1 mg/l

Painter (1970) cho thấy các tác nhân chelate như thioure, allyl-thioure,

8-hydroxyquinoline, salicyladotime và histidine gây độc cho loài Nitrosomonas Pepton làm giảm tốc độ sinh trưởng của loài Nitrosomonas 25% ở nồng độ 1 mg/l và giảm 60% ở

nồng độ 10 mg/l

 Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time- SRT)

Thời gian lưu bùn đủ lâu để đảm bảo cho vi khuẩn nitrate hóa phát triển ổn định Cầnbiết thời gian lưu bùn rất quan trọng đối với nước thải chứa các hợp chất độc hại SRT đủlâu để cho vi khuẩn thích nghi dần với các chất độc hại

Theo Bridle và cộng sự cho thấy đối với đối với một số nước thải công nghiệp chứacác hợp chất độc hại SRT > 160 ngày thì hiệu quả khử nitrate hóa đạt > 90%

Thời gian lưu bùn ảnh hưởng tới nhu cầu oxy mà loài vi khuẩn nitrate hóa nhạy cảmvới yếu tố này

2.2.3 Quá trình khử nitrat

a Mô tả quá trình

Khử nitrate, bước thứ hai theo sau quá trình nitrate hoá, là quá trình khử nitrogen thành khí nitơ, nitrous oxide (N2O) hoặc nitrite oxide (NO) được thực hiện trongmôi trường thiếu khí (anoxic) và đòi hỏi một chất cho electron l chất hữu cơ hoặc vô cơ.Hai con đường khử nitrate có thể xảy ra trong hệ thống sinh học đó là

nitrate-Đồng hóa : Con đường đồng hóa liên quan đến khử nitrate thành ammonia sử dụng

cho tổng hợp tế bào Nơi xảy ra khi ammonia không có sẵn, độc lập với sự ức chế củaoxy

Dị hoá (hay khử nitrate) : Khử nitrate bằng con đường dị hóa liên quan đến sự khử

nitrate thành oxide nitrite, oxide nitrous và nitơ

NO3-  NO2-  NO(g)  N2O (g)  N2(g)

Một số loài vi khuẩn khử nitrate được biết như: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocácus, Spirillum, v Thiobacillus, Achromobacterium, Denitrobacillus, Micrococus, Xanthomonas (Painter 1970) Hầu hết vi khuẩn khử nitrate

là dị dưỡng, nghĩa là chúng lấy carbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu

cơ Bên cạnh đó, vẫn có một số loài tự dưỡng, chúng nhận carbon cho tổng hợp tế bào từ

các hợp chất vơ cơ Ví dụ loài Thiobacillus denitrificans oxy hoá nguyên tố S tạo năng

lượng và nhận nguồn carbon tổng hợp tế bào từ CO2 tan trong nước hay HCO3-

Quá trình khử nitrate đòi hỏi phải cung cấp nguồn carbon Điều này có thể thực hiệnbằng một trong ba cách sau đây

Cấp nguồn carbon từ bên ngoài như methanol, nước thải đô thị hoặc acetate

Sử dụng BOD của chính nước thải làm nguồn carbon, thực hiện bằng cách

 Tuần hoàn lại phần lớn nước sau khi đã nitrate hoá đến vùng thiếu khí ở vị trí đầucông trình

 Dẫn một phần nước thải thô đầu vào hay đầu ra sau xử lí sơ bộ vào vùng chứanitrate

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

Độ kiềm sinh ra được tính từ cân bằng phản ứng sau (Theo Mcácarty, 1969)

NO3- + 1,08 CH3OH + 0,24 H2CO3  0,065 C5H7O2N+ 0,47 N2

+ 1,44H2O + 0,76CO2 + OH

-Do đó, độ kiềm sinh ra 3,57mg CaCO3/mg NO3- -N bị khử khi NO3- được sử dụng chotổng hợp tế bào Trong nước thải có sẵn ammonia thì độ kiềm sinh ra ít hơn do một phầnnitrate chuyển thành ammonia cho tổng hợp tế bào được thay thế bởi ammonia có sẵn( 2,9-3g CaCO3/g nitrate bị khử)

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Nitrate

Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình khử nitrate sinh học

Nồng dộ chất nhận eclectron hiện diện gồm nitrate, nitrite, DO và sulfate Sự hiệndiện của DO phải loại trừ trước khi tiến hành khử nitrate

Bản chất tự nhiên của chất cho electron : Hợp chất hữu cơ được vi sinh vật sử dụng