nghiên cứu lựa chọn công nghệ xử lý nước thải ngành chế biến cao su việt nam

DANH SÁCH CÁC BẢNGTrangBảng 1.1 Các phương án xử lý mùi hôi tại nhà máy Cua Pari Thành phần chất hữu cơ phi cao su trong mủ Thành phần hóa học của nước thải ngành chế biến cao su Đặc tín

NGUYỄN NGỌC BÍCH

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

NGÀNH CHẾ BIẾN CAO SU VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH –2003

NGUYỄN NGỌC BÍCH

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN

CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH CHẾ BIẾN CAO SU VIỆT NAM

Chuyên ngành: Công nghệ Nước và Nước thải

Mã số: 2.10.10

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS TS Lâm Minh Triết

2 GS TSKH Lê Huy Bá

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH –2003

Lời cam đoan

Danh sách các bảng

Danh sách các hình ảnh và biểu đồ

Bảng chữ viết tắt

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

1.2 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của luận án

1.3 Mục đích của luận án

1.4 Đối tượng của luận án

1.5 Phạm vi nghiên cứu của luận án

1.6 Kết cấu của luận án

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH CHẾ BIẾN CAO SU VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRÊN THẾ GIỚI

2.1 Sơ lược về công nghệ chế biến cao su và nguồn gốc nước thải của nó

2.1.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu

2.1.2 Phương pháp chế biến và nguồn gốc nước thải

2.2 Đặc tính của nước thải ngành chế biến cao su

2.2.1 Thành phần của nước thải ngành chế biến cao su

2.2.2 Đặc tính ô nhiễm của nước thải ngành chế biến cao su

ii iii iv v

1 1 5 7 7 7 7

9 9 9 11 12 12 14

2.3.2 Tóm tắt hiệu quả xử lý nước thải của các công nghệ đang được ứng dụng

2.3.3 Hai vấn đề tồn tại trong xử lý nước thải chế biến cao su: xử lý nitơ và xử lý mùi hôi

2.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải trên thế giới có liên quan đến hai vấn đề xử lý nitơ và xử lý mùi hôi

2.4.1 Tình hình nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

2.4.1.1 Bản chất của các giải pháp xử lý ni tơ bằng sinh học

2.4.1.2 Con đường chuyển hóa thứ nhất: nitrat hóa và khử nitrat

2.4.1.2 Con đường chuyển hóa thứ hai: đồng hóa nitơ

2.4.2 Tình hình nghiên cứu xử lý mùi hôi trong nước thải

2.4.2.1 Bản chất mùi hôi trong nước thải

2.4.2.2 Xử lý chất gây mùi hôi trong không khí

2.4.2.3 Xử lý chất gây mùi hôi trong nước

2.4.3 Những công nghệ đã được nghiên cứu trên thế giới để xử lý nước thải ngành chế biến cao su

2.5 Tóm tắt tổng quan

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

3.1 Nội dung và phương pháp nghiên cứu lý thuyết

3.1.1 Xây dựng cơ sở lý luận của hệ thống xử lý nitơ trong nước thải

3.1.1.1 Biện luận về tính khả thi của việc ứng dụng xơ dừa trong bể xử lý sinh học kỵ khí

3.1.1.2.Xác định đặc tính sinh trưởng của tảo trong nước thải chế biến cao su bằng thí nghiệm

18 21

22 22 22 29 34 41 41 44 47

49 57

59 59 59 59 62

3.1.2.2 Tìm hiểu về tính chất đặc biệt trong sự quang hợp của tảo Chlorella

3.1.2.3 Lập giả thuyết về khả năng khống chế sự bay hơi của H 2 S nhờ sự quang hợp của tảo Chlorella

3.1.2.4 Kiểm chứng giả thuyết bằng thí nghiệm

3.1.3 Xây dựng phương trình động học cho các quá trình xử lý

3.1.3.1 Thiết lập phương trình động học

3.1.3.2 Điều chỉnh phương trình động học

3.1.3.3 Vận hành, quan trắc và xửû lý số liệu để kiểm nghiệm phương trình động học . 3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

3.2.1 Thiết kế mô hình pilot hệ thống công nghệ

3.2.1.1 Thiết kế bể kỵ khí xơ dừa

3.2.1.2 Thiết kế bể tảo cao tải

3.2.1.3 Thiết kế toàn hệ thống

3.2.2 Vận hành, quan trắc và xửû lý số liệu để đánh giá hiệu quả xử lý

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết

4.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ nước thải đối với tốc độ sinh trưởng của tảo

4.1.2 Khả năng đồng hóa nitơ của tảo

4.1.3 Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đối với tốc độ sinh trưởng của tảo

4.1.4 Ảnh hưởng của sự quang hợp của tảo đối với các yếu tố môi trường

4.1.4.1 Ảnh hưởng của sự quang hợp của tảo đối với độ kiềm

4.1.4.1 Ảnh hưởng của sự quang hợp của tảo đối với ôxy hòa tan

69

70 71 72 72 75 78 80 80 80 83 84 85

88 88 88 90 92 93 93 94

4.1.5.2 Phương trình động học cho bể tảo cao tải

4.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

4.2.1 Hiệu quả xử lý nitơ của mô hình hệ thống công nghệ mới

4.2.1.1 Công đoạn xử lý sinh học kỵ khí

4.2.1.2 Công đoạn xử lý quang hợp

4.2.2 Hiệu quả khống chế mùi hôi của mô hình hệ thống công nghệ mới

4.2.2.1 Hiệu quả khống chế đối với chất gây mùi ammonia

4.2.2.2 Hiệu quả khống chế đối với chất gây mùi VFA

4.2.2.3 Hiệu quả khống chế đối với chất gây mùi H 2 S

4.2.2.4 Hiệu quả khống chế đối với mùi hôi

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1 Kết luận

5.2 Kiến nghị

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

97 99 99 99 101 103 103 104 105 108

109 109 110

111 113

LỜI CẢM TẠ

Tác giả chân thành cảm tạ:

-GS T.S Lâm Minh Triết, Viện Môi trường và Tài nguyên thuộc Đại học Quốc giaThành phố Hồ Chí Minh, vì đã tận tính hướng dẫn xây dựng nội dung luận án.-GS TSKH Lê Huy Bá, Viện Môi trường và Tài nguyên thuộc Đại học Quốc giaThành phố Hồ Chí Minh, vì đã quan tâm động viên và đóng góp nhiều ý kiến quýbáu để sửa chữa nội dung và hình thức luận án

-GS TS Mohamad Ismail Yaziz, Phân khoa Môi trường Đại học Putra Malaysia,

TS Zaid Bin Isa, Bộ môn Chế biến và Xử lý Nước thải Viện Nghiên cứu Cao su

Malaysia, GS TS Hector Mario Poggi-Varaldo, Hội đồng Biên tập tạp chí Journal

of Waste Management & Resource Recovery (UK) và tạp chí Pollution Prevention

(UK), GS TS Mitsumasa Okada, Biên tập viên khu vực châu Á và Đông Thái Bình

Dương của tạp chí Water Research (UK), vì đã cung cấp nhiều thông tin quý báu

giúp cho việc định hướng đề tài được đúng đắn

-Viện trưởng Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam Mai Văn Sơn, vì đã quan tâm giúpđỡ, khuyến khích, cung cấp kinh phí và tạo điều kiện thuận lợi trong học tập vànghiên cứu

-Lãnh đạo Tổng công ty Cao su Việt Nam, vì đã cung cấp phần lớn nguồn kinh phícần thiết cho việc thực hiện đề tài

Tác giả cũng chân thành biết ơn KS Trần Thị Thu Nga, KS Nguyễn ThanhBình thuộc Bộ môn Chế biến Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam, KS Đỗ ChuTrinh thuộc Ban Quản lý Kỹ thuật Tổng công ty Cao su Việt Nam, KS Bùi NhưPhượng thuộc Viện Môi trường và Tài nguyên, vì đã cộng tác thực hiện hoặc trợgiúp thực hiện đề tài

Cuối cùng, tác giả xin nhân cơ hội này để bày tỏ lòng biết ơn đối với Cha,Mẹ, Vợ, Anh Em và bạn bè đồng nghiệp của mình vì đã động viên, an ủi trongnhững lúc gian nan, cũng như đã nâng đỡ về tinh thần và vật chất trong suốt thờigian thực hiện luận án

Tác giả luận ánNguyễn Ngọc Bích

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu mà tôi đã trực tiếp tiến hành vàtổ chức thực hiện, dưới sự hướng dẫn của GS TS Lâm Minh Triết và GS TSKH.Lê Huy Bá, tại Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Thành phố HồChí Minh và Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam Công trình được tiến hành với sựcộng tác thực hiện của các cán bộ nghiên cứu và nhân viên kỹ thuật của Bộ mônChế biến và các bộ môn khác thuộc Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam Các sốliệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, do tôi thu thập và đúc kết

Tác giả luận án

Nguyễn Ngọc Bích

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TrangBảng 1.1

Các phương án xử lý mùi hôi tại nhà máy Cua Pari

Thành phần chất hữu cơ phi cao su trong mủ

Thành phần hóa học của nước thải ngành chế biến cao su

Đặc tính ô nhiễm của nước thải ngành chế biến cao su

Những công nghệ xử lý nước thải đang được ứng dụng

Hiệu suất xử lý của các công nghệ đang được ứng dụng

Chất lượng tổng quát của nước thải chế biến cao su sau xử lý

Một số chất gây mùi hôi thường gặp trong nước thải

Tóm tắt quá trình trao đổi chất tổng quát

Các phương pháp khống chế mùi trong không khí

Hiệu quả xử lý nước thải của công đoạn sinh học kỵ khí

Hiệu quả xử lý nước thải của công đoạn quang hợp

Hàm lượng sulphide và sulphate trong bể tảo cao tải

Kết quả phân tích ngưỡng mùi

3101314161921434445100102106108

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ

TrangHình 2.1

Sơ đồ nguyên lý bể phân hủy kỵ khí dùng xơ dừa

Khối xơ dừa

Khối xơ dừa bố trí trong lòng bể kỵ khí

Mô hình bể tảo cao tải

Sơ đồ nguyên lý mô hình hệ thống công nghệ

Sinh trưởng của tảo ở các nồng độ nước thải khác nhau

Tương quan giữa hàm lượng chlorophyll a và VSS trong nước thải

Tương quan giữa mật độ tế bào tảo và VSS trong nước thải

Biến thiên TKN trong nước thải

Biến thiên ammonia trong nước thải

Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đối với sinh trưởng của tảo

Biến thiên độ kiềm trong nước thải

Biến thiên DO trong nước thải

Biến thiên pH trong nước thải

Đồ thị động học của bể kỵ khí xơ dừa đối với COD

Đồ thị động học của bể tảo cao tải đối với nitơ dạng ammonia

So sánh hàm lượng ammonia trong nước thải đang xử lý

So sánh hàm lượng VFA trong nước thải đang xử lý

So sánh hàm lượng sulphide trong nước thải đang xử lý

2380828384858889909191929495969798103104107

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

Coefficient of VariationDissolved Oxygenmiligam/lít (lít được ký hiệu là L thay vì l để tránh nhầm với số 1, theothông lệ của một số ấn phẩm quốc tế trong chuyên ngành Nước vàNước thải)

Mixed Liquor Volatile Suspended SolidsNghiệm thức x

Total Kjeldahl NitrogenTotal Suspended SolidsVolatile Fatty AcidVolatile Suspended SolidsXử lý nước thải

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Chế biến cao su thiên nhiên là một loại hoạt động sản xuất có khả năng gây

ô nhiễm nước rất lớn Tính đến cuối năm 2001, sản lượng chế biến của các nhà máythuộc Tổng công ty Cao su Việt Nam là vào khoảng 250.000 tấn/năm, và của cácnhà máy ngoài Tổng công ty là vào khoảng 80.000 tấn/năm Với sản lượng đó,ngành chế biến cao su Việt Nam hằng năm thải vào môi trường khoảng mười triệumét khối nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ và chất dinh dưỡng thuộcloại rất cao Khối lượng nước thải này đang tăng lên hằng năm và dự kiến sẽ còntăng trong những năm sắp tới, theo sự phát triển của diện tích trồng cao su ngoàiquốc doanh Hệ thống xử lý nước thải (XLNT) đầu tiên của ngành cao su được xâydựng vào năm 1990 Cho đến nay, trên tổng số 33 nhà máy chế biến cao su thuộcTổng công ty Cao su Việt Nam trên toàn quốc, chỉ mới có 23 nhà máy đã có hệthống XLNT, với tổng kinh phí đầu tư trên 50 tỷ đồng Tuy vậy, hiện nay, tất cả cácnhà máy đều có chất lượng nước thải sau xử lý không đạt tiêu chuẩn xả vào môitrường Cũng vì lý do này mà Tổng công ty chưa tiếp tục đầu tư xây dựng hệ thốngXLNT cho các nhà máy còn lại

Bên cạnh vấn đề chất lượng nước thải thấp, mùi hôi tại các hệ thống XLNTtrong ngành cao su hiện nay là mối quan tâm lớn nhất của những người có trách

nhiệm trong công tác xử lý nước thải Mùi hôi là nội dung chủ yếu của mọi khiếunại của nhân dân trong vùng lân cận các nhà máy chế biến, và có khả năng dẫnđến việc phải đóng cửa hoặc di dời nhà máy Hầu hết các hệ thống XLNT chế biếncao su hiện nay đều gây mùi hôi nghiêm trọng.

Trong thập kỷ 1990, ngành cao su Việt Nam đã có nhiều cố gắng trong côngtác XLNT, nhưng chưa đạt kết quả khả quan Nhiều đơn vị trong nước và ngoàinước đã tham gia thiết kế và thi công các hệ thống XLNT Nhiều đơn vị khác đãchào hàng các công nghệ XLNT cũng như các loại chế phẩm hóa học và sinh họcsử dụng trong XLNT, nhưng cho đến nay vẫn chưa có thử nghiệm thành công, hoặckhông áp dụng được vì giá cao

Điển hình cho những cố gắng của xã hội để giải quyết vấn nạn mùi hôi trongXLNT chếbiến cao su làhộithảo khoa học chuyên đề“Xửýmùihôingành chế

biến mủcao su” đãđược tến hành tạiBình Dương vào cuốinăm 1999 (Sở

KH-CN-MT Bình Dương, 1999) Hội nghị này có mặt các nhà sản xuất, các nhà quản lý môitrường, và các nhà khoa học Sáu phương án xử lý mùi hôi đã được các nhà khoahọc đề xuất cho hệ thống XLNT của nhà máy chế biến Cua Pari thuộc công ty cao

su Phước Hoà Hệ thống này có lưu lượng 800 m3/ngày, sử dụng công nghệ Hồ, dâychuyền công nghệ gồm: bể gạn mủ, bể lắng cát, hồ ổn định, các hồ yếm khí, các bểsục khí, hồ lắng và hồ hoàn tất Chủ yếu vì lý do chi phí lắp đặt hoặc/và chi phí vậnhành, cả 6 phương án đều chưa được chấp nhận (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các phương án xử lý mùi hôi tại nhà máy Cua Pari

1 Thay đổi công nghệ thành UASB +

Bể Thổi khí + Hồ Sinh học

Trung tâm Nghiên cứuỨng dụng Công nghệvà Quản lý Môi trườøng–ĐH Văn Lang

4.418.473.515

2

Thay đổi công nghệ thành Bể lọc

Yếm khí + Bể Sục khí + Bể Lắng

Hoá học + Hồ Hoàn tất

Viện Sinh học Nhiệtđới –Trung tâm Khoahọc Tự nhiên và Côngnghệ Quốc gia

1.771.200.000

3

Thay đổi công nghệ thành Bể

EGSB + Bể Sục khí + Hồ Ổn định

và lắp đặt hệ thống thu gom, khử

mùi và đốt khí

Trung tâm Bảo vệ Môitrường –Viện Kỹ thuậtNhiệt đới và Bảo vệMôi trường

1.444.973.640

4

Tăng cường sục khí, lắp đặt hệ

thống thu gom khí và xử lý khí

bằng phương pháp hấp phụ

Viện Môi trường Tài

ĐHQGTP.HCM

1.555.050.000

5 Trang bị hệ thống sục khí cho các

hồ và đậy kín mặt hồ kỵ khí

Trung tâm Công nghệMôi trường –Công tyỨng dụng kỹ thuật vàSản xuất TECAPRO

Trang bị hệ thống sục khí cho các

hồ, đậy kín mặt hồ kỵ khí, dùng

vôi để nâng pH, bổ sung chế phẩm

sinh học

Trung tâm Công nghệMôi trường – Trungtâm Kỹ thuật Nhiệt đới

1.200.000.000

(Nguồn: Sở KH-CN-MT Bình Dương, 1999)

Vấn đề xử lý mùi hôi tại hệ thống XLNT nhà máy Cua Pari cũng là vấn đềchung trong ngành cao su Cũng nằm trong những cố gắng của ngành nhằm giảiquyết vấn đề mùi hôi gây ra bởi những hệ thống XLNT, đầu năm 2001 tại Công tyCao su Bà Rịa thuộc tổng công ty Cao su Việt Nam đã diễn ra một hội nghị chuyênđề về xử lý nước thải Các báo cáo tại hội nghị này cho thấy việc sử dụng thử chếphẩm hóa học MZ chống mùi hôi tại các hệ thống XLNT ở các nhà máy Hòa Bìnhvà Xà Bang sơ bộ cho thấy khả năng khử mùi hôi, tuy nhiên việc này làm tăngCOD và BOD của nước thải (Công ty Cao su Bà Rịa, 2001) Chế phẩm sinh học EMcũng đã được áp dụng thử tại Công ty Cao su Bà Rịa và bước đầu cho thấy khảnăng giảm mùi hôi, nhưng lượng sinh khối EM cần được bổ sung thường xuyên quálớn Dù chưa có thử nghiệm chính thức, tính khả thi của việc sử dụng các chế phẩmhóa học và sinh học nói trên để chống mùi hôi là thấp cả về kinh tế lẫn kỹ thuật

Lãnh đạo ngành cao su Việt Nam, cũng như lãnh đạo các công ty cao su trựcthuộc, tại các hội thảo, hội nghị đã nhiều lần lên tiếng kêu gọi sự đóng góp của cácnhà khoa học, các chuyên gia trong nước và nước ngoài vào lãnh vực XLNT ngànhchế biến cao su Mong muốn của họ là có một công nghệ có thể xử lý nước thải chếbiến cao su đạt yêu cầu, đồng thời không gây ra mùi hôi trong quá trình xử lý

Thêm vào đó, giá thành xử lý nước thải mà ngành cao su Việt Nam có thể chấpnhận được là dưới 50.000 đ/tấn sản phẩm (khoảng dưới 1.700 đ/m3 nước thải) Chođến nay, yêu cầu bức xúc này vẫn chưa được giải quyết.

1.2 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của luận án

1.2.1 Ý nghĩa thực tiễn

Nếu xem xét đặc tính của nước thải chế biến cao su, có thể thấy rằng chấtlượng nước thải sau xử lý hiện nay thấp không phải là do thiếu công nghệ Cáccông nghệ XLNT hiện hành trên thế giới, như đã được chào hàng bởi các công tynước ngoài và một số đơn vị trong nước, hoàn toàn có thể cho ra chất lượng nướcthải sau xử lý đạt yêu cầu (đối với hầu hết các nhà máy, chất lượng yêu cầu là cột

B, TCVN 5945-1995) Vấn đề là việc áp dụng các công nghệ XLNT đó đòi hỏi chiphí quá cao so với khả năng của ngành cao su Việt Nam

Xét hiện tượng mùi hôi phát ra từ các hệ thống XLNT chế biến cao su, thì cóthể thấy rằng công nghệ XLNT hiện thời không thể khống chế được hiện tượngnày Muốn làm việc đó, thì phải lắp đặt các hệ thống riêng nhằm mục đích xử lýcác khí có mùi hôi (như một số đề nghị trong Bảng 1.1), và như vậy là làm tăng chiphí xử lý nước thải

Vì thế ý nghĩa thực tiễn của luận án là xây dựng một công nghệ XLNT có khả

năng khống chế sự phát sinh mùi hôi trong quá trình xử lý, giải quyết hai vấn đề

mấu chốt nêu trên, góp phần đem khả năng bảo vệ môi trường lại gần tầm tay củacác nhà sản xuất cao su Việt Nam.

1.2.2 Ý nghĩa khoa học

Nước thải chế biến cao su chứa một hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ và chấtdinh dưỡng cao Đối với một loại nước thải như vậy, phương pháp xử lý thích hợpnhất là xử lý sinh học gồm hai công đoạn nối tiếp nhau: kỵ khí và hiếu khí Cáccông nghệ XLNT hiện hành đều có thể làm được điều đó Tuy nhiên, về bản chất,quá trình phân hủy sinh học, dù kỵ khí hay hiếu khí, các chất ô nhiễm hữu cơ như

các protein, lipid, phospholipid tất yếu sẽ có khả năng giải phóng các hợp chất bay

hơi có mùi khó chịu Sự làm kín chỉ có thể áp dụng được cho các bể kỵ khí Đối vớicác bể hiếu khí, dù có tăng công suất sục khí đến đâu thì nhờ vào sự ôxy hóa cũngchỉ hạn chế được một phần mùi hôi Điều này có nguyên nhân từ bản chất của sựsục khí, đó là tăng cường sự tiếp xúc giữa không khí và chất lỏng, để tạo điều kiệncho không khí hòa tan vào chất lỏng nhờ sự chênh lệch áp suất riêng của không khí

ở trong khí quyển và ở trong chất lỏng đó (theo định luật Henry về nồng độ của khíhòa tan) Do đó, trong khi tạo điều kiện cho không khí khuếch tán vào chất lỏng, sựsục khí cũng sẽ tạo điều kiện cho các chất khí có mùi hôi, hòa tan trong chất lỏngđó, khuếch tán vào khí quyển, cũng theo định luật Henry Hàm lượng chất ô nhiễmhữu cơ cao không phải là đặc trưng riêng chỉ nước thải ngành chế biến cao su mớicó, cho nên nhận định trên còn áp dụng cho nhiều loại nước thải khác

Vì thế, ý nghĩa khoa học của luận án là xây dựng được một bước cải tiến cơbản trong công nghệ XLNT sinh học hiếu khí, đề ra được một cơ sở lý thuyết về sựkhống chế bằng sinh học sự bay hơi của một số chất có mùi hôi trong quá trình xửlý sinh học hiếu khí, đóng góp vào lý thuyết chuyên ngành công nghệ Nước vàNước thải.

1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đề tài được thực hiện nhằm mục đích xây dựng một công nghệ XLNT mới.Đối tượng của nó là nước thải ngành chế biến cao su thiên nhiên Việt Nam Phạm

vi nghiên cứu công nghệ này là xây dựng cơ sở lý thuyết, kiểm nghiệm trong phòngthí nghiệm và triển khai công nghệ ở quy mô pilot

1.4 Kết cấu của luận án

Luận án được trình bày thành 5 chương:

-Chương I: Giới thiệu

-Chương II: Tổng quan về Hiện trạng Công nghệ Xử lý Nước thảiNgành Chế biến Cao su Việt Nam và Tình hình Nghiên cứu Công nghệ trên Thếgiới

-Chương III: Nội dung và Phương pháp Nghiên cứu Lý thuyết và Thựcnghiệm

-Chương IV: Kết quả và Thảo luận

-Chương V: Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

NGÀNH CHẾ BIẾN CAO SU VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRÊN THẾ GIỚI

2.1 Sơ lược về công nghệ chế biến cao su và nguồn gốc nước thải của nó

2.1.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu

Mủ từ cây cao su Hevea brasiliensis là một huyền phù thể keo, chứa khoảng

35% cao su Cao su này là một hyđrôcacbon có cấu tạo hóa học là polyisoprene, có mặt trong mủ cao su dưới dạng các hạt nhỏ được bao phủ bởi mộtlớp các phospholipid và protein Kích thước các hạt này nằm trong khoảng 0,02 mđến 0,2 m Nước chiếm khoảng 60% trong mủ cao su, và khoảng 5% còn lại lànhững thành phần khác của mủ, gồm có khoảng 0,7% là chất khoáng và khoảng4,3% là chất hữu cơ

1,4-cis-Bằng phương pháp ly tâm siêu tốc, người ta đã tách được mủ cao su ra thành

4 phần: (1) lớp kem chứa các hạt cao su được gọi là pha cao su, (2) các hạt chứa sắctố được gọi là các phức Frey-Wyssling, (3) hai chất dịch được gọi là serum C vàserum B, và (4) phần còn lại dưới đáy ống nghiệm, được gọi là thành phần đáy(bottom fraction) Sự phân tích các phần kể trên bằng các phương pháp sắc ký vàkhối phổ cho đến nay đã làm rõ được thành phần của những chất hữu cơ trong mủcao su (Bảng 2.1), được gọi là chất hữu cơ phi cao su (non-rubber organicsubstances) Phần lớn các chất này sẽ có mặt trong nước thải

Bảng 2.1 Thành phần chất hữu cơ phi cao su trong mủ

Chú thích: Các giá trị trong ngoặc đơn biểu thị hàm lượng tính theo trọng lượng mủcao su tươi Các thành phần không kèm theo giá trị trong ngoặc đơn có hàm lượngkhông đáng kể

2.1.2 Phương pháp chế biến và nguồn gốc nước thải

Một cách tổng quát, sản phẩm của công nghiệp chế biến cao su thiên nhiêncó thể được chia làm 2 loại: cao su khô và cao su lỏng Cao su khô là các sản phẩmdưới dạng rắn như cao su khối, cao su tờ, cao su crepe, v.v Cao su lỏng là các sảnphẩm dưới dạng mủ cao su cô đặc để có hàm lượng cao su chừng 60%, do phươngpháp chế biến chủ yếu là phương pháp ly tâm nên cao su lỏng cũng thường đượcgọi là mủ ly tâm Quá trình chế biến mủ ly tâm cũng cho ra một phụ phẩm là mủskim, có chứa chừng 5% cao su

Trong chế biến cao su khối, mủ cao su tiếp nhận tại nhà máy được khuấytrộn đều trong một bồn chứa, rồi được pha loãng rồi để lắng trong một thời gian.Mủ cao su đã pha loãng sau đó được chuyển sang các mương và được cho thêm axit(axit formic hay axit acetic) Dưới tác dụng của axit, mủ cao su đông lại thành khốitách khỏi phần dung dịch còn lại (gọi là serum) Các khối cao su sau đó được giacông bằng nhiều loại máy khác nhau để tạo thành các hạt cốm có kích thước chừng

3 –5 mm Các thiết bị sấy sẽ làm khô các hạt cốm, và sau đó máy nén sẽ nén cáchạt đã khô lại thành khối

Các sản phẩm cao su khô khác như cao su tờ và cao su crepe cũng trải quaquá trình chế biến tương tự như trên, ngoại trừ sự tạo hạt Các thành phẩm tờ vàcrepe này có dạng tấm mỏng

Trong chế biến cao su khô, nước thải sinh ra ở các công đoạn khuấy trộn,làm đông và gia công cơ học Thải ra từ bồn khuấy trộn là nước rửa bồn và dụng cụ,nước này chứa một ít mủ cao su Nước thải từ các mương đông tụ là quan trọng nhất

vì nó chứa phần lớn là serum được tách ra khỏi mủ trong quá trình đông tụ Nướcthải từ công đoạn gia công cơ cũng có bản chất tương tự nhưng loãng hơn, đây lànước rửa được phun vào các khối cao su trong quá trình gia công cơ để tiếp tục loạibỏ serum cũng như các chất bẩn

Trong sản xuất mủ cao su ly tâm, mủ cao su sau khi khuấy trộn được đưa vàocác nồi ly tâm quay với tốc độ chừng 7000 vòng/phút Với tốc độ này, lực ly tâm đủlớn để tách các hạt cao su ra khỏi serum, dựa vào sự khác biệt về trọng lượng riêngcủa chúng Sau khi mủ cao su được cô đặc đã được tách ra, chất lỏng còn lại làserum, vẫn còn chứa khoảng 5% cao su, sẽ được làm đông bằng sulphuric axit đểchế biến thành cao su khối với một quy trình tương tự như cao su khối thông thường.Chế biến mủ ly tâm cũng tạo nên 3 nguồn nước thải: nước rửa máy móc và các bồnchứa, serum từ mương đông tụ mủ skim, và nước rửa từ các máy gia công cơ Trongsố này serum của mủ skim là có hàm lượng chất ô nhiễm cao nhất

Sản xuất một tấn thành phẩm (quy theo trọng lượng khô) cao su khối, cao sutờ và mủ ly tâm thải ra tương ứng khoảng 30, 25 và 18 m3nước thải

2.2 Đặc tính của nước thải ngành chế biến cao su

2.2.1 Thành phần của nước thải ngành chế biến cao su

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của nước thải ngành chế biến cao su (mg/L)

Chủng loại sản phẩmChỉ tiêu Khối từ mủ tươi Khối từ mủ

(Nguồn: Bộ môn Chế biến, Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam)

Từ Bảng 2.2 có thể rút ra những nhận xét dưới đây về nước thải ngành chếbiến cao su:

-Không có khác biệt về số lượng các chất hóa học giữa các loại nước thải từcác dây chuyền sản xuất các loại sản phẩm khác nhau Các loại nước thải này khácnhau chủ yếu về hàm lượng các chất đó.

-Ngoài chất ô nhiễm hữu cơ, nước thải còn chứa N, P và K cùng với một sốkhoáng vi lượng, trong đó đáng kể nhất là N ở dạng amôni với hàm lượng trongkhoảng 40-400 mg/L

2.2.2 Đặc tính ô nhiễm của nước thải ngành chế biến cao su

Bảng 2.3 Đặc tính ô nhiễm của nước thải ngành chế biến cao su (mg/L)

Chủng loại sản phẩm

mủ tươi

Khối từ mủđông

Cao sutờ

Mủ ly tâm

(Nguồn: Bộ môn Chế biến, Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam)

Nước thải chế biến cao su có pH trong khoảng 4,2 –5,2 do việc sử dụng axitđể làm đông tụ mủ cao su Đối với mủ skim đôi khi nước thải có pH thấp hơn nhiều(đến pH = 1) Đối với cao su khối được chế biến từ nguyên liệu đông tụ tự nhiên thìnước thải có pH cao hơn (khoảng pH = 6) và tính axit của nó chủ yếu là do các axitbéo bay hơi, kết quả của sự phân hủy sinh học các lipid và phospholipid xảy ratrong khi tồn trữ nguyên liệu.

Hơn 90% chất rắn trong nước thải cao su là chất rắn bay hơi, chứng tỏ bảnchất hữu cơ của chúng Phần lớn chất rắn này ở dạng hòa tan, còn ở dạng lơ lửngchủ yếu chỉ có những hạt cao su còn sót lại

Hàm lượng nitơ hữu cơ thường không cao lắm và có nguồn gốc từ các proteintrong mủ cao su, trong khi hàm lượng nitơ dạng amôni là rất cao, do việc sử dụngamôni để chống đông tụ trong quá trình thu hoạch, vận chuyển và tồn trữ mủ caosu

Tóm lại, nước thải chế biến cao su thuộc loại có tính chất gây ô nhiễm nặng.Những chất gây ô nhiễm mà nó chứa thuộc 2 loại: chất ô nhiễm hữu cơ và chất dinhdưỡng

2.3 Tình hình ứng dụng công nghệ xử lý nước thải trong ngành chế biến cao su Việt Nam

2.3.1 Những công nghệ xử lý nước thải đang được ứng dụng

Những công nghệ XLNT đang được ứng dụng trong ngành chế biến cao suViệt Nam được trình bày trong Bảng 2.4 dưới đây.

Bảng 2.4 Những công nghệ xử lý nước thải đang được ứng dụng trong ngành

chế biến cao su Việt Nam

(Nguồn: Bộ môn Chế biến, Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam)

Chi tiết về thiết kế và vận hành các hệ thống sử dụng các công nghệ nêutrên có thể tìm thấy trong các tài liệu chuyên môn (Metcaft và Eddy, Inc., 1991[98]) Trong ngành chế biến cao su Việt Nam, những công nghệ này được ứng dụngtrong những hệ thống XLNT có lưu lượng trong khoảng 720-2800 m3/ngày với tảitrọng hữu cơ trong khoảng 1,2-8,4 kg COD/m3/ngày

Phần lớn các hệ thống XLNT nói trên đều có một bể gạn mủ cao su và mộtbể điều hòa lưu lượng ở đầu vào, có hoặc không có sử dụng hóa chất để trung hòa

pH của nước thải đầu vào

Các Bể Sục khí thường được bố trí 2, 4 hoặc 6 đơn vị song song hoặc nối tiếp,

hoặc vừa song song vừa nối tiếp, trong các hệ thống Đây là các bể được đào trênnền đất, vách có kè đá, một số có đáy bêtông Chúng sử dụng thiết bị sục khí bềmặt, được bố trí vận hành luân phiên Trong phần lớn các hệ thống, bể sục khí đisau hồ kỵ khí Trong một số trường hợp, chúng được dùng để xử lý nước thải thô

Các Hồ Ổn định có đủ 3 loại: hồ kỵ khí, hồ tùy chọn và hồ hiếu khí và

thường được bố trí nối tiếp nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh Kết cấu các hồtương tự bể sục khí Trong một số hệ thống, hồ kỵ khí được nối tiếp bằng bể sục khívà sau đó là hồ hiếu khí

Các Bể Tuyển nổi được đưa vào hệ thống XLNT nhằm mục đích loại chất rắn

lơ lửng, mà chủ yếu là các hạt cao su, trong nước thải thô Đây là các cấu kiệnbêtông đi kèm với thiết bị sục khí, thiết bị gạn và pha trộn hóa chất Bể tuyển nổithường đứng một mình hoặc đi sau một bể gạn sơ bộ, ở đầu vào hệ thống Hóa chấtthường được sử dụng ở đây là nước vôi Ca(OH)2, phèn nhôm Al2(SO4)3 14 H2O, vàcác polymer trợ kết tụ

Các Bể Kỵ khí Lớp bùn (Uflow Anaerobic Sludge Blanket –UASB) được đặt

sau một bể gạn hay một bể tuyển nổi, và được nối tiếp bằng một thiết bị xử lý hiếu

khí Bể này có kết cấu bêtông, chia thành nhiều ngăn, và đi kèm với bơm điều hòalưu lượng để duy trì lớp bùn hạt ở trạng thái lơ lửng trong bể.

Các Bể Thổi khí đi sau bể UASB hoặc sau bể tuyển nổi Đây là các bể bằng

bêtông, có lắp hệ thống phân phối khí được cung cấp từ các thiết bị nén khí Theosau các bể thổi khí là các bể lắng

Bể Luân phiên là một biến thể của công nghệ bùn hoạt tính Đây là các bể

bằng bêtông có lắp thiết bị thổi khí từ dưới đáy Các giai đoạn của công nghệ bùnhoạt tính (nạp, sục khí, lắng, xả) được thực hiện luân phiên trong một bể Hệ thốngbể luân phiên duy nhất trong ngành cao su được lắp đặt sau một bể UASB

Bể Lọc Sinh học duy nhất trong ngành cao su được lắp đặt sau một bể thổi khí

và bể lắng, nhằm mục đích làm sạch nước thải lần cuối Đây là bể bêtông có chứacác lớp giá thể gồm đá, cát và hạt nhựa

2.3.2 Tóm tắt hiệu quả xử lý nước thải của các công nghệ đang được ứng dụng

Bảng 2.5 dưới đây trình bày các thông số vận hành tổng quát của các thiết bịtheo từng công nghệ ứng dụng trong các hệ thống XLNT trong ngành cao su ViệtNam Hiệu suất xử lý trung bình mà chúng đạt được đối với chất ô nhiễm hữu cơ vàchất dinh dưỡng cũng được trình bày

Bảng 2.5 Hiệu suất xử lý của các công nghệ đang được ứng dụng

Giá trị trung bìnhThiết

Tải trọng(kg COD/

m3/ngày)

Hiệu suấtxử lý COD(%)

Hiệu suấtxử lýTổng Nitơ(%)Bể Sục khí

Thô hoặc đãxử lý kỵ khíhay hiếu khí

(Nguồn: Bộ môn Chế biến, Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam)

Không thể so sánh hiệu quả xử lý nước thải giữa các thiết bị hoặc hệ thốngkể trên với nhau, vì chúng có sự khác biệt lớn về thời gian lưu nước và tải trọng hữu

cơ Cũng rõ là hiệu quả xử lý của công nghệ phụthuộc rất đáng kể vào thiết kế vàvận hành, và về việc này thì có thể còn có một số vấn đề đối với những hệ thốngXLNT được xem xét.

Tuy vậy, về phương diện loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, thì các công nghệ BểSục khí, Bể Thổi khí, Hồ Ổn định và UASB có thể là thích hợp nhất đối với nướcthải ngành chế biến cao su Về phương diện loại bỏ chất dinh dưỡng thì riêng cácbể UASB, vì chỉ ứng dụng quá trình kỵ khí tiếp xúc, cần phải đi với các thiết bị xửlý hiếu khí để có thể loại bỏ nitơ

Các công nghệ XLNT khác, như Bể Tuyển nổi, Bể Luân phiên và Bể LọcSinh học có thể không thích hợp với nước thải chế biến cao su Việc áp dụng chúngphần lớn có lý do là thiếu diện tích xây dựng, nhưng ngay cả trong trường hợp đóchúng cũng không cung cấp được hiệu quả xử lý cao

Nhận định tổng quát về chất lượng nước thải sau xử lý hiện nay trong ngànhchế biến cao su có thể được rút ra từ Bảng 2.6 dưới đây Trong phần lớn các trườnghợp, nguồn nước tiếp nhận đòi hỏi chất lượng này phải đạt những giá trị trong cột BTCVN 5945-1995 Có thể thấy hiệu quả xử lý chất ô nhiễm hữu cơ còn thấp hơnnhiều so với yêu cầu Đối với chất dinh dưỡng thì hiệu quả xử lý còn quá thấp trongtrường hợp nitơ dạng amôni

Bảng 2.6 Chất lượng tổng quát của nước thải chế biến cao su sau xử lý (mg/L)

(CV%)

So với cột BTCVN 5945-1995

(Nguồn: Bộ môn Chế biến, Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam)

2.3.3 Hai vấn đề tồn tại trong xử lý nước thải chế biến cao su

Chất lượng nước thải sau xử lý còn thấp là vấn đề đầu tiên, trong đó mặt

hiệu quả xử lý chất hữu cơ còn thấp là có khả năng khắc phục nếu nâng cao côngsuất và đảm bảo các thông số vận hành của các hệ thống ứng dụng Mặt chưa cóthể khắc phục là hiệu quả xử lý amôni thấp, bởi vì các công nghệ đang được ứngdụng không có hoặc ít có khả năng xử lý nitơ một cách triệt để

Mùi hôi là vấn đề thứ hai và là vấn đề trọng tâm hiện nay Tất cả các hệ

thống XLNT chế biến cao su đều đã bị khiếu kiện vì mùi hôi tỏa ra trong khu vựclân cận Nồng độ khí H2S trong không khí đo được tại các hệ thống XLNT qua các

đợt kiểm tra là 2-21 ppm Vấn đề này không thể giải quyết bằng các công nghệđang được ứng dụng.

Như vậy, để giải quyết hai vấn đề nêu trên của công nghệ XLNT ngành chếbiến cao su, cần phải tìm kiếm phương hướng trong những thành tựu của nghiên cứucông nghệ XLNT trên thế giới có liên quan đến hai vấn đề trên, tức là xử lý nitơtrong nước thải và xử lý mùi hôi trong nước thải

2.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải trên thế giới có liên quan đến hai vấn đề của nước thải chế biến cao su

2.4.1 Tình hình nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

2.4.1.1 Bản chất của các giải pháp xử lý ni tơ bằng sinh học

Các dạng hợp chất chính của nitơ và các quá trình chuyển hoá của chúngtrong tự nhiên, có tính chất xoay vòng lập lại, được mô tả dưới đây trong một sơ đồđược gọi là chu trình nitơ (Hình 2.1) Bởi nó bao gồm các quá trình chuyển hoá sinhhọc của nitơ trong tự nhiên, chu trình nitơ chính là nền tảng của mọi công nghệ xửlý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

Hình 2.1 Chu trình nitơ (vẽ lại theo Sprent, 1987 [147]).

Ghi chú:

1 Sự ôxy hoá do vi sinh vật (sự nitrat hoá)

2 Sự khử do vi sinh vật (sự khử nitrat)

3 Sự cố định nitơ do vi sinh vật

4 Sự đồng hoá nitơ do thực vật

5 Sự đồng hoá nitơ do động vật

6 Sự amôn hoá do vi sinh vật

7 Sự cố định nitơ do sấm sét và do công nghiệp

Trong 7 quá trình chuyển hóa của nitơ trong tự nhiên được biểu diễn trongHình 2.1 trên đây, chỉ riêng quá trình mang số 7 không có tính sinh học Biết rằngnitơ trong nước thải chủ yếu là ở dạng amôni và nitơ hữu cơ mà sự phân huỷ cũngsẽ cho ra amôni, nhìn vào sơ đồ chu trình nitơ ở Hình 2.1, ta thấy có hai con đườngchuyển hóa có thể ứng dụng vào công nghệ xử lý nước thải để xử lý nitơ dạngamôni: con đường thứ nhất ứng dụng các quá trình số 1 và 2, tức con đường trả lại

46

76

6

54

11

-Cháùt thải động vật

Protein động vật

nitơ cho khí quyển dưới dạng phân tử tự do, con đường thứ hai ứng dụng quá trìnhsố 4, tức đồng hoá nitơ vào tế bào sinh vật để rồi sau này sẽ trả lại cho khí quyển.

Sự nitrat hoá sinh học được định nghĩa là sự ôxy hoá nitơ dạng amôni thành

nitơ dạng nitrat trong môi trường hiếu khí Mục đích của nó là cung cấp năng lượngcần thiết cho quá trình sinh tổng hợp của vi sinh vật Sự nitrat hoá xuất hiện thànhhai giai đoạn dưới tác dụng của các vi khuẩn hoá tự dưỡng (chemoautotrophs).Những vi khuẩn này là thành viên của họ Nitrobacteraceae, trong đó các chủng

Nitrosomonas và Nitrobacter phổ biến nhất và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất.

Cả hai chủng vi khuẩn nói trên đều là trực khuẩn Gram âm, có mặt trong đất vàtrong nướùc (Buchanan và Gibbons, 1974 [23]) Về mặt hoá học, sự nitrat hoá có thểđược biểu diễn (Reddy và Patrick, 1984 [139]) bằng hai phản ứng dưới đây:

Nitrosomonas

2NH4++ 3O2 -> 2NO2-+4H++ 2H2O + năng lượng (2.1)

Nitrobacter

Năng lượng được giải phóng trong những phản ứng này được sửû dụng bởi vikhuẩn trong sự tổng hợp các vật chất hữu cơ cần thiết cho chúng từ các nguồncacbon vô cơ như điôxyt cacbon, bicacbonat và cacbonat Vì thế sự nitrat hoá gắnliền với sinh trưởng của các vi khuẩn thực hiện nó Các phản ứng (2.1) và (2.2) nóitrên được phân biệt tương ứng bằng các tên gọi sự nitrit hoá và sự nitrat hoá

Đi vào chi tiết thì sự ôxy hoá amôni được thực hiện bởi các chủng

Nitrosomonas và Nitrosococcus, và cũng bởi các loài khác đã được phân lập từø đất

như Nitrosolobulus multiformis và Nitrosospira briensis (Painter, 1970 [124]) Tuy nhiên, Nitrosomonas, đặc biệt là N europaea, được phân lập từø các môi trường nước thải nhiều nhất và được nghiên cứu nhiều nhất, vì thế tên gọi Nitrosomonas thường

được dùng như đại diện cho tất cả các loài vi khuẩn ôxy hoá amôni

Tình hình cũng tương tự đối với các vi khuẩn ôxy hoá nitrit Ngoài hai loài

của chủng Nitrobacter là N agilis và N winogradskyi, các vi khuẩn có khả năng tương tự là chủng Nitrocyctis cùng với hai loài Nitrosococcus mobilis và

Nitrosospira gracilis sống trong nước biển cũng đã được phân lập Tuy vậy tên gọi Nitrobacter được dùng chung cho tất cả các loài vi khuẩn ôxy hoá nitrit, vì N agilis

là loài được phân lập nhiều nhất từ môi trường nước thải và được nghiên cứu nhiềunhất

Định tính của quá trình ôxy hoá amôni phức tạp hơn nhiều so với mô tả trongphản ứng (2.1) trên đây, vì thực ra nó liên quan đến sự tạo thành hyđrôxylamin

NH2OH và các sản phẩm trung gian không bền khác mà cho đến gần đây vẫn chưađược xác lập (Painter, 1970 [124]) Vai trò của ôxy trong sự ôxy hoá này là mộtchất nhận điện tử trong quá trình chuyển giao điện tử qua hệ thống sắc tố tế bào(cytochrome) nhằm mục đích sản sinh năng lượng Phản ứng ôxy hoá đầu tiên cho

ra hyđrôxylamin và ít hoặc không có năng lượng, có thể được biểu thị bằng:

Phản ứng kế tiếp, ôxy hoá hyđrôxylamin thành nitrit, trong đó ôxy phân tửđóng vai trò chất nhận điện tử, qua đó năng lượng được giải phóng, có thể được viếtthành:

NH2OH + O2 -> H++ NO2-+ H2O + năng lượng (2.4)

Trong trường hợp ôxy hoá nitrit, không có sản phẩm trung gian nào được ghinhận Tuy nhiên, trong phản ứng (2.2), nguyên tử ôxy được thêm vào nitrit đã đượïcxác nhận là từ phân tử nước, và vai trò của ôxy phân tử chỉ là chất nhận điện tử màthôi Bởi vì năng lượng sản sinh ra từ phản ứng ôxy hoá nitrit ít hơn nhiều so với

phản ứng ôxy hoá amôni, sinh khối Nitrobacter tăng lên ít hơn nhiều so với sinh khối Nitrosomonas trong mỗi đơn vị nitơ được ôxy hoá Vì lý do này số lượng

Nitrosomonas trong các hệ thống xử lý nước thải phải cao hơn số lượng Nitrobacter

(Painter, 1970 [124])

Một số vi khuẩn hoá dị dưỡng cũng có khả năng ôxy hoá amôni Trái với các

vi khuẩn hoá tự dưỡng, các loài dị dưỡng có quá trình sinh trưởng độc lập với cườngđộ ôxy hoá do chúng gây ra Hầu hết các sản phẩm của sự ôxy hoá amôni xuất hiệntrong pha sinh trưởng ổn định, nghĩa là trong giai đoạn mà dX/dt = 0 Dù sự nitrathoá do vi khuẩn dị dưỡng đã được xác nhận trong đất, nước thải, nước sông, và nướchồ, cường độ của nó được ước tính là chỉ bằng 1/10 cường độ nitrat hoá do vi khuẩntự dưỡng Một bằng chứng là khi sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng bịkhống chế bằng các tác nhân chọn lọc được đưa vào bùn hoạt tính, sự nitrat hoá

được ghi nhận là cũng bị khống chế theo (Foch và Chang, 1975 [47]) Điều này cónghĩa là các vi khuẩn tự dưỡng là tác nhân chủ yếu của sự nitrat hoá sinh học.

Sự khử nitrat thành nitơ phân tử do hoạt động của nhiều loài vi khuẩn hoá dị

dưỡng (chemoheterotrophs) được gọi là sự khử nitrat sinh học Quá trình này xảy ratrong điều kiện vắng mặt ôxy phân tử hoà tan, và được tiến hành bởi các vi khuẩncó khả năng sử dụng nitrat như một chất nhận điện tử thay cho ôxy Các vi khuẩn

khử nitrat này gồm có một số loài trực khuẩn Gram âm của chủng Pseudomonas thuộc họ Pseudomonadaceae, hai loài cầu khuẩn Gram âm của chủng Paracoccus,

một số loài cầu khuẩn thuộc họ Micrococcaceae, và một loài trực khuẩn Gram

dương của chủng Bacillus (Buchanan và Gibbons, 1974 [23]) Tổng quát, sự khử

nitrat có thể được biểu thị bằng (Reddy và Patrick, 1984 [139]):

Vi khuẩn khử nitrat

6(CH20) + 4NO3- -> 6CO2+ 2N2+ 6H20 (2.5)

Các vi khuẩn hoá dị dưỡng thu được năng lượng cần thiết cho sự sống củachúng bằng cách ôxy hoá vật chất hữu cơ Để làm việc này chúng cần đến một chấtnhận điện tử Đối với phần lớn trong số chúng, chất nhận điện tử là O2 Trong điềukiện vắng mặt ôxy phân tử, các anion như nitrat, sulfat, và phosphat có thể được sửdụng thay cho ôxy Khác với quá trình nitrat hoá, quá trình khử nitrat không cần đếnnhững vi khuẩn chuyên biệt Nhiều vi khuẩn hoá dị dưỡng có khả năng sử dụng

NO3- thay cho O2, và do đó trong quá trình ôxy hoá chúng khửû các anion NO3- nàythành N2 Chúng được gọi là các vi khuẩn khử nitrat (denitrifying bacteria) và gồm

chủ yếu có một số loài trực khuẩn Gram âm của chủng Pseudomonas thuộc họ Pseudomonadaceae, hai loài cầu khuẩn Gram âm của chủng Paracoccus, một số

loài cầu khuẩn thuộc họ Micrococcaceae, và một loài trực khuẩn Gram dương của

chủng Bacillus, như đã trình bày trên đây Ngoài ra còn có một số vi khuẩn khác có

thể sử dụng NO3-nhưng chỉ khử nó thành NO2-mà thôi

Các phản ứng khử nitrat thành nitrit và sau đó thành nitơ phân tử đòi hỏi phảicó một chất cho điện tử thích hợp Các chất cho điện tử thường là các phân tử hữu

cơ, trong số đó mêtanôn CH3OH đã được nghiên cứu nhiều nhất Vì vậy các phảnứng sau đây viết cho mêtanôn với tính cách là chất cho điện tử

Sự đồng hoá (assimilation) nitơ được định nghĩa là sự hấp thụ nitơ, dưới dạng

amôni NH3 hoặc nhóm amino (-NH2), vào chất nguyên sinh (Parker, 1984 [127]).Là một chất dinh dưỡng chủ yếu, nitơ được hấp thụ bởi thực vật trong quá trình sinhtrưởng của chúng Động vật hấp thụ nitơ qua thức ăn, tức là vật chất hữu cơ từ thựcvật và động vật khác, và sự đồng hoá nitơ xảy ra vào cuối quá trình tiêu hoá trong

cơ thể động vật Nitơ cũng được đồng hoá bởi các vi sinh vật tự dưỡng hay dị dưỡng

Các vi sinh vật dị dưỡng thực hiện sự đồng hoá nitơ trong vật chất hữu cơ bị phânhuỷ, trong khi vi sinh vật tự dưỡng đồng hoá nitơ ở dạng vô cơ Nitơ chiếm phần lớntrọng lượng trong chất hữu cơ, chỉ sau cacbon và ôxy Nó có mặt trong các axitamin, vốn cấu thành các protein Nó cũng có mặt trong các axit nuclêic và cácnuclêotid, vốn đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sự sống Xét về bản chất hoáhọc thì sự đồng hoá nitơ không phải là sự khử mà cũng không phải là sự ôxy hoá, vìkhi amôni bị đồng hoá vào chất nguyên sinh, nó giữ nguyên hoá trị -3 của nó Quátrình đồng hoá có thể được biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau:

NO3- >NO2- >(NOH) >NH2OH >NH3 >NH4+>GluGln>GlukG >AA

Chú thích: Glu: axit L-glutamic;

Gln: L-glutamin;

kG: -ketoglutarat;

AA: các axit amin

2.4.1.2 Con đường chuyển hóa thứ nhất: nitrat hóa và khử nitrat

Cho đến năm 1990 thì các công nghệ ứng dụng hai quá trình nitrat hóa vàkhử nitrat để xử lý nitơ trong nước thải về cơ bản đã được xây dựng xong (Metcalf

& Eddy, Inc., 1991 [98]) Chúng gồm các công nghệ bùn hoạt tính sử dụng các sinhkhối vi khuẩn riêng biệt hay kết hợp, trong đó có một biến thể của hệ thống bùnhoạt tính truyền thống là kênh ôxy hóa (oxidation ditch) Các công nghệ này đều

thực hiện luân phiên hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat để giải phóng nitơ khỏinước thải dưới dạng phân tử Những nghiên cứu tiếp theo chủ yếu có hướng mởrộng sự ứng dụng hai quá trình này trong những hệ thống không phải là công nghệbùn hoạt tính, hoặc tìm cách tiếp tục cải tiến công nghệ này Dưới đây là một sốthành tựu điển hình.

Bể luân phiên (sequencing batch reactor) đã được nghiên cứu trong phòng thínghiệm bởi Bortone và cộng sự (1992) [19] để thăm dò khả năng xử lý nitơ từ nướcthải trại chăn nuôi Nước thải này được lọc sơ bộ bằng máy ly tâm Các hiệu suấtnitrat hóa và khử nitrat khá cao đã đạt được với thời gian lưu nước 10 ngày

Một mô hình thí nghiệm nhằm tăng cường hiệu suất nitrat hóa bằng cách kếthợp một bể lọc sinh học với hệ thống bùn hoạt tính đã được thực hiện bởi Daiggervà cộng sự (1993) [30] Trong hệ thống kết hợp này, nitrat hóa bắt đầu xảy ra ở tảitrọng hữu cơ khoảng 1 kg BOD/m3/ngày ở bể lọc sinh học, và cường độ nitrat hóatăng lên theo sự giảm tải trọng hữu cơ Việc đưa bể lọc sinh học vào trước hệ thốngbùn hoạt tính làm giảm bớt hàm lượng amôni và làm tăng sinh khối vi khuẩn nitrathóa trong bể bùn hoạt tính, nhờ đó sự nitrat hóa trong bể này vẫn xảy ra ở nhữngthời gian lưu bùn thấp hơn bình thường

Takahashi và cộng sự (1993) [149] tìm cách đưa thêm thiết bị sục khí bổ sungvào kênh ôxy hóa để tăng hiệu quả nitrat hóa Bằng phương pháp sục khí gián đoạntại các kênh ôxy hóa đặt nối tiếp nhau, hệ thống này tăng cường hiệu suất xử lýnitơ nhờ đảm bảo tính ổn định của quá trình nitrat hóa