Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt kí túc xá k – đại học thái nguyên bằng phương pháp lọc sinh học tuần hoàn

ÐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ÐẠI HỌC NÔNG LÂM PHẠM THỊ HƯƠNG LAN Tên đề tài: “ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT KÍ TÚC XÁ K – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH H

ÐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ÐẠI HỌC NÔNG LÂM

PHẠM THỊ HƯƠNG LAN

Tên đề tài:

“ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

KÍ TÚC XÁ K – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC TUẦN HOÀN”

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Liên thông chính quy Chuyên ngành : Khoa học môi trường

Giảng viên hướng dẫn : ThS Hoàng Thị Lan Anh

THÁI NGUYÊN - 2014

LỜI CẢM ƠN

Sau khi học tập và rèn luyện trong nhà trường, được sự dạy bảo tận tình của các thầy cô giáo, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Môi trường, đến nay tôi đã thực tập xong và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình

Để hoàn thành khóa luận này, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học Nông lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa Môi trường cùng toàn thể thầy cô giáo trong khoa

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cán bộ, nhân viên phòng thí nghiệm Khoa Môi trường – Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực tập

Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn Ths Hoàng Thị Lan Anh đã hết lòng tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập tốt nghiệp và hoàn thành tốt chương trình học tập và rèn luyện trong nhà trường

Trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, do thời gian có hạn và trình độ ban thân còn hạn chế nên khóa luận của tôi không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đồng nghiệp để khóa luận được đầy đủ và hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng 08 năm 2014

Sinh viên

Phạm Thị Hương Lan

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần của nước thải sinh hoạt 6

Bảng 4.1 Hiện trạng phát sinh nước thải sinh hoạt khu KTX K - Đại học Thái Nguyên 29

Bảng 4.2 Các chỉ tiêu đặc trưng của nước thải trong khu vực nghiên cứu 30

Bảng 4.3 Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt với thời gian lưu nước 10h 32

Bảng 4.4 Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt với thời gian lưu nước 24h 33

Bảng 4.5 Kết quả xử lý nước thải với thời gian lưu nước 48h 34

Bảng 4.6 Bảng tổng hợp hiệu suất xử lý theo thời gian 35

Bảng 4.7 Hiệu quả xử lý BOD5 36

Bảng 4.8 Hiệu quả xử lý tổng N 37

Bảng 4.9 Hiệu quả xử lý P 37

Bảng 4.10 Hiệu quả xử lý TSS 38

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Phân loại phương pháp xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học 9

Hình 3.1 Mô hình bể lọc sinh học với vật liệu lọc nổi 26

Hình 4.1 Các thành phần ô nhiễm chính có trong nước thải sinh hoạt khu KTX K 30

Hình 4.2 Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt với thời gian lưu nước 10h 32

Hình 4.3 Kết quả xử lý nước thải sau thời gian lưu nước 24h 33

Hình 4.4 Kết quả xử lý nước thải với thời gian lưu nước 48h 34

Hình 4.5 Hiệu suất xử lý của hệ thống theo thời gian 35

Hình 4.6 Hiệu quả xử lý BOD5 36

Hình 4.7 Hiệu quả xử lý tổng N 37

Hình 4.8 Hiệu quả xử lý TSS 38

DANH MỤC VIẾT TẮT

BOD Nhu cầu ô xy sinh hóa hay lượng oxy cần cung cấp để

oxy hóa các chất hữu cơ trong nước bởi vi sinh vật BOD5 Lượng oxy hòa tan mà quá trình phân hủy sinh học trong

5 ngày COD Nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa

tất cả các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước

DO Lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp

của sinh vật BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

UBND Ủy ban nhân dân

TSS Tổng chất rắn lơ lửng

MỤC LỤC

Phần 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Yêu cầu của đề tài 2

1.4 Ý nghĩa của đề tài 3

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học 3

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất 3

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Cơ sở khoa học của đề tài 4

2.1.1 Cơ sở pháp lý 4

2.1.2 Cơ sở lý luận 5

2.1.3 Cơ sở thực tiễn 20

2.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 22

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 22

2.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 23

Phần 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 24

3.2 Địa điểm và thời gian tiến hành 24

3.3 Nội dung nghiên cứu 24

3.4 Phương pháp nghiên cứu 24

3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp 24

3.4.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 24

Phần 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 29

4.1 Hiện trạng nước thải sinh hoạt khu ký túc xá K – Đại học Thái Nguyên 29

4.2 Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ lọc sinh học tuần hoàn theo thời gian khác nhau 31

4.4.1 Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học tuần hoàn sau 10 giờ 31

4.4.2 Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học

tuần hoàn sau 24 giờ 33

4.4.3 Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học tuần hoàn sau 48 giờ 34

4.4.4 Tổng hợp kết quả nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học tuần hoàn theo thời gian 35

4.4.5 Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm theo thời gian 36

Phần 5 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 39

5.1 Kết luận 39

5.2 Đề nghị 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

Con người khai thác nước từ các nguồn tự nhiên và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như phục vụ ăn uống sinh hoạt của chính con người, nước dùng cho các mục dích hoạt động nông nghiệp, cho sản xuất công nghiệp, cho các hoạt động giao thông, cho rất nhiều hình thức dịch vụ Nước sử dụng cho những mục đích trên lại được thải lại vào chính nguồn nước nơi mà con người đã khai thác cho mục đích sử dụng của mình Tất cả những hoạt động đó do thiếu quản lý hay thiếu hiểu biết đã dẫn đến tình trạng

ô nhiễm nguồn nước và nhiều nơi đã trở nên trầm trọng

Trường Đại học Nông lâm – Đại học Thái Nguyên là một trường có diện tích khá rộng, trong khuôn viên của trường có tới 16 dãy nhà 5 tầng nằm trong khu nội trú của các trường Đại học Nông lâm, Đại học Kinh tế và Quản trị kinh doanh, Đại học Khoa học và khoa Ngoại ngữ của Đại học Thái Nguyên với khoảng trên 3000 sinh viên Cũng vì lý do này mà lượng nước thải ở đây cao gấp nhiều lần so với kí túc xá của các trường khác

Nước thải sinh hoạt từ khu kí túc xá K - Đại học Thái Nguyên là nguồn nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của sinh viên như nước thải từ nhà vệ sinh, từ quá trình tắm rửa, giặt quần áo… thành phần chủ yếu của nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, nito, photpho và vi sinh vật Nếu lượng nước thải này không được xử lý sẽ làm ô nhiễm khu vực tiếp nhận, gây ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến con người

Để góp phần nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhằm làm sạch nước ô nhiễm và trên cơ sở đó có thể tái sử dụng nước, nhất là bảo vệ chất lượng nước các thuỷ vực gần khu vực dân cư, tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu mô hình thực

nghiệm có tên là: “Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt kí túc xá K –

Đại học Thái Nguyên bằng phương pháp lọc sinh học tuần hoàn”

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Đánh giá hiện trạng, mức độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt khu kí túc

xá K – Đại học Thái Nguyên;

- Xây dựng mô hình lọc sinh học tuần hoàn;

- Đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình lọc sinh học tuần hoàn theo thời gian;

- Đề xuất phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt có tính khả thi, có hiệu quả, dễ vận hành và chi phí thấp

- Nâng cao hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ mới, phù hợp với điều kiện của Việt Nam

1.3 Yêu cầu của đề tài

- Lắp đặt mô hình thí nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học tuần hoàn

- Lấy mẫu, phân tích hàm lượng BOD5, COD, T-N, T-P, TSS trong nước thải sinh hoạt đầu vào và nước sau khi qua hệ thống thí nghiệm

- So sánh, đánh giá kết quả phân tích trong nước thải trước và sau xử lý, đưa ra hiệu suất xử lý

- Đánh giá hiệu suất xử lý với các khoảng thời gian khác nhau

1.4 Ý nghĩa của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học

- Nâng cao kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm phục vụ cho thực tế công việc

- Giúp vận dụng và trau dồi các kiến thức đã học

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất

Kết quả nghiên cứu sẽ xác định được khả năng xử lý của mô hình đối với môi trường nước thải sinh hoạt, các thông số này rất cần thiết để tính toán

ra một hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Cơ sở khoa học của đề tài

- Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13 ngày 21 tháng 6 năm 2012 của Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam;

- Nghị định 34/2005/NĐ-CP của Chính phủ về quyết định xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực tài nguyên nước;

- Nghị định 80/2014/NĐ-CP ngày 06 tháng 08 năm 2014 về thoát nước

và xử lý nước thải;

- Quyết định 879/ QĐ-TCMT về việc ban hành sổ tay hướng dẫn tính

toán chỉ số chất lượng nước

- Quyết định số 02/2008/QĐ-UBND V/v qu định chế độ thu, nộp, quản

lý và sử dụng lệ phí cấp giấy phép thăm dò, khai thác, sử dụng tài nguyên nước, xả nước vào nguồn nước và hành nghề khoan nước;

- Quyết định số 03/2008/QĐ-UBND V/v quy định chế độ thu, nộp, quản

lý và sử dụng phí thẩm định đề án, báo cáo thăm dò, khai thác sử dụng nước dưới đất;

2.1.1.2 Các tiêu chuẩn Việt Nam liên quan

- QCVN 24:2009/BTNMT quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước thải;

- QCVN 08:2008/BTNMT quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt;

- QCVN 02:2009/BYT về chất lượng nước sinh hoạt;

- Quyết định số 09/2005/QĐ-BYT về tiêu chuẩn nước sạch;

2.1.2 Cơ sở lý luận

2.1.2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

* Khái niệm nước thải sinh hoạt

Theo Lâm Minh Triết (2008), nước thải sinh hoạt là lượng nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng như tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân…chúng được thải bỏ ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác [2]

Để xác định lưu lượng nước thải cho một khu vực thì giá trị thường ước lượng trên dân số của khu vực Theo Trần Đức Hạ (2006) thì lượng nước thải sinh hoạt vào khoảng 80-90% so với lưu lượng nước cấp [4]

* Phân loại nước thải sinh hoạt

+ Nước thải từ khu vệ sinh hay còn gọi là nước đen:

Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh chứa phần lớn các chất ô nhiễm như phân, nước tiểu, thức ăn thừa… chứa các vi sinh vật gây bệnh

Thành phần ô nhiễm chính đặc trưng BOD5, COD, Nito, Photpho, TSS cao Trong nước thải sinh hoạt, nếu không loại bỏ được hàm lượng Nito và Photpho trước khi ra nguồn tiếp nhận sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng

Nước thải khu vệ sinh thường được thu gom và xử lý một phần trong bể

tự hoại để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến ngưỡng phù hợp với các quá trình xử lý tiếp theo

+ Nước thải khu nhà bếp:

Nước thải khu nhà bếp có đặc trưng là nước chứa thành phần hàm lượng dầu mỡ cao, lượng cặn và rác lớn Lượng dầu mỡ này có thể gây ảnh hưởng đến quá trình xử lý đằng sau

+ Nước thải từ khu tắm giặt hay còn gọi là nước xám:

Loại nước này chứa thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể, do đó không cần xử lý sơ bộ mà đưa luôn vào hệ thống xử lý phía sau Nước thải giặt có tính chất hoàn toàn khác với hai loại nước thải trên, hàm lượng các chất hữu cơ cũng không đáng kể mà chủ yếu là các hóa chất dùng để tẩy rửa

* Thành phần nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt thường không phức tạp như nguồn nước thải công nghiệp vì nó không có nhiều thành phần độc hại như các hóa chất công nghiệp Thành phần của nước thải sinh hoạt được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 2.1.Thành phần của nước thải sinh hoạt

(Nguồn: Metcalf & Eddy Wastewater Engineering – Treatment and Reuse,

Fourth Edition, McGraw Hill Inc, 2003) 2.1.2.2 Sơ lược tình trạng ô nhiễm nguồn nước hiện nay

Nước là nhân tố không thể thiếu của mọi hoạt động của tất cả các hệ sinh thái bao gồm cả con người

Chất lượng nước là yếu tố quyết định cho mục đích sử dụng nước khác nhau Nếu chất lượng nước kém so với yêu cầu sử dụng thì tức là nước đã bị ô nhiễm Vì vậy người ta đã xây dựng các loại tiêu chuẩn để quy định chất lượng nước cho các mục đích sử dụng khác nhau như nước dùng cho uống, nước dùng cho sinh hoạt, nước dùng cho nước cấp, nước nông nghiệp, công

nghiệp Nói chung người ta sử dụng các thông số về tính chất vật lý, hoá học và sinh học để biểu hiện tính chất của nước, thí dụ:

+ Chất lượng vật lý: độ trong, độ đục, độ màu

+ Chất lượng hoá học: pH, DO (oxy hoà tan), BOD (nhu cầu oxy sinh hoá), COD (nhu cầu oxy hoá học), kim loại

+ Chất lượng sinh học: số lượng khuẩn các loại

Khi nước chịu tác động của các chất bẩn từ các hoạt động tự nhiên hay nhân tạo chất lượng nước sẽ xấu đi so với yêu cầu hay so với tiêu chuẩn quy định, khi đó nước trở thành bị ô nhiễm

Trong nhiều thập kỷ gần đây, do thiếu hiểu biết và thiếu các biện pháp quản lý cho nên nhiều nơi trên thế giới và cả ở Việt Nam hiện nay một số nguồn nước, bao gồm cả nước mặt và nước ngầm đã bị ô nhiễm bởi nhiều

chất ô nhiễm khác nhau và từ các nguồn ô nhiễm khác nhau

Chúng ta biết rắng 3/4 bề mặt trái đất là nước (khoảng 1,4 tỷ km3)trong

đó chỉ có một phần rất nhỏ là nước ngọt bao gồm cả nước mặt (sông, ngòi , hồ , ao ) và nước ngầm chứa trong các tầng của địa quyển

Con người khai thác nước phục vụ cho nhu cầu của mình Theo số liệu thống kê thì 73% lượng nước ngọt dùng cho sản xuất nông nghiệp, 21% dùng cho sản xuất công nghiệp và 6% dùng cho sinh hoạt của con người Lượng nước ngọt vốn đã ít nhưng hiện nay đang chịu sự ô nhiễm nghiêm trọng do các hoạt động của con người gây ra dẫn đến kết quả làm ảnh hưởng đến chất lượng nước [10]

Thay đổi giá trị pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HN03, NaOH,… khi pH thay đổi có nghĩa chất lượng nước cũng bị thay đổi

Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên, trước hết là:

Giảm độ trong của nước dấn đến ngăn cản sự truyền ánh sáng vào nước, và

do đó dẫn đến làm giảm các phản ứng quang hợp đối với thực vật nước

Nước thải bị ô nhiễm khi thải vào môi trường làm thay đổi đặc tính của nước tự nhiên dẫn đến ảnh hưởng tới đời sống của các loài sinh vật trong đó

có con người Việc bảo vệ không tốt tài nguyên nước là nguyên nhân dẫn đến hàng năm khoảng 2/3 dân số thế giới không được cấp nước sạch và có 4,6 triệu trẻ em dưới 5 tuổi bị chết do các bệnh tật vì nước sinh hoạt không sạch Nước thải sinh hoạt có chứa nhiều các hợp chất hữu cơ dễ hay khó phân huỷ và hệ vi sinh vật rất đa dạng trong đó có tất cả các vi sinh vật hiếu khí, yếm khí, virút gây bệnh, vi sinh vật gây bệnh đặc biệt là các bệnh truyền nhiễm, tiêu hoá (tả , lỵ ) Theo tổ chức Y tế thế giới (WHO) ở các nước đang phát triển có tới 60% dân số thiếu nước sạch để sử dụng và 80% bệnh tật

có liên quan đến nguồn nước bị nhiễm bẩn Trên thế giới, mỗi ngày có 25.000 người, mỗi năm có 25 triệu trẻ em bị chết vì phải dùng nước bẩn Nguyên nhân là do bệnh tả một căn bệnh phổ biến do nguồn nước bị nhiễm bẩn Thương hàn cũng là một căn bệnh lan truyền qua đường uống

2.1.2.3 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt phổ biến

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

cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải, căn cứ dựa vào chất thải sinh hoạt sau khi đã phân loại Các phương pháp chính thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là:

nhiễm trong nước thải Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có năm nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình trung gian anoxic, quá trình kị khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic –kị khí các quá trình hồ Ưu điểm của phương pháp này là chi phí rẻ, dễ thực hiện

Hình 2.1 Phân loại phương pháp xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học

Phương pháp xử lý hóa lý:

Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây

ô nhiễm môi trường Đối với phương pháp xử lý hóa lý này, người ta thường

áp dụng các phương pháp sau để xử lý nước thải sinh hoạt: phương pháp trao đổi ion, phương pháp thấm lọc ngược và siêu lọc, phương pháp keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp thụ… Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc

lập hoặc xử lý cùng với các phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh

Phương pháp xử lý hóa học:

Phương pháp xử lý hóa học thường dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm có: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại Phương pháp này có ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín Tuy nhiên phương pháp này cũng có một số nhược điểm nhất định như chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thải với quy mô lớn [1]

2.1.2.4 Các phương pháp xử lý nước thải bằng con đường sinh học

Về nguyên tắc thì phương pháp xử lý sinh học được dựa trên cơ sở sử dụng các quá trình hoạt động sống của vi sinh vật để phân huỷ các chất ô nhiễm trong nước thải Quá trình hoạt động sống của vi sinh trong tự nhiên chính là quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống của vi sinh trong tự nhiên Trong sự trao đổi chất này vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, một số khoáng chất trong nước hoặc trong một số trường hợp cùng với nguồn ôxy trong không khí thải làm nguồn dinh dưỡng để chuyển hoá thành năng lượng và kết quả của các phản ứng sinh hoá này là khí thải CO2, nước và tạo ra những vi sinh vật mới, do đó làm tăng sinh khối của quần thể vi sinh vật Quá trình này

về thực chất là quá trình oxyhoá sinh học Đồng thời, do lượng chất hữu cơ bị tiêu thụ cho quá trình trao đổi chất nên nồng độ chất hữu cơ sẽ giảm đi và kết quả là nước thải sẽ được làm sạch hơn bởi các vi sinh [6]

* Điều kiện của nước thải có thể xử lý sinh học

Để cho quá trình chuyển hoá vi sinh xảy ra đươc thì vi sinh vật phải tồn tại được trong môi trường xử lý Muốn vậy thì nước thải được xử lý sinh học phải thoả mãn các điều kiện sau:

- Nước thải không có chất độc với vi sinh vật như các kim loại nặng, dẫn xuất phenol và cyanua, các chất thuộc loại thuốc trừ sâu và diệt cỏ, hoặc nước thải không được có hàm lượng axit hay kiềm cao quá, không được chứa dầu mỡ

- Trong nước thải hàm lượng các chất hữu cơ dễ phân huỷ so với các chất hữu cơ chung phải đủ lớn, điều này thể hiện qua tỷ lệ giá trị hàm lượng BOD/COD ≥ 0,5

* Nguyên lý của quá trình ôxy hoá sinh học

Quá trình ôxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ trong môi trường nước thải chính là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ của các vi sinh vật

Quá trình này gồm ba giai đoạn, diễn ra với tốc độ khác nhau nhưng có quan hệ chặt chẽ với nhau

- Giai đoạn khuyếch tán chất hữu cơ từ nước thải tới bề mặt các tế bào vi sinh vật Tốc độ của giai đoạn này do quy luật khuyếch tán và trạng thái thuỷ động của môi trường quyết định

- Giai đoạn chuyển các chất hữu cơ đó qua màng bán thấm của tế bào do

sự chênh lệch bên trong và bên ngoài của tế bào

- Giai đoạn chuyển hoá sinh hoá các chất trong tế bào vi sinh vật, để tạo

ra năng lượng, tổng hợp tế bào mới và có thể tạo ra các chất mới

* Tác nhân sinh học trong quá trình xử lý

Vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học là vi sinh vật Hệ vi sinh vật trong nước nói chung và trong nước thải nói riêng rất đa dạng và phong phú, phụ thuộc vào bản chất của nước và nước thải cũng như các điều kiện về môi trường Thường trong nước thải có chứa nhiều loài: vi khuẩn, nguyên sinh động vật, protoza

Vi sinh vật tham gia vào các quá trình xử lý nước thải được sử dụng chủ yếu dưới hai dạng: bùn hoạt tính hoặc màng màng sinh học

- Bùn hoạt tính: Là huyền phù vi sinh vật trong nước thải dưới dạng bông màu nâu vàng có kích thước 3 – 5 micromét, bông này khi tụ hợp lại với nhau thì dễ lắng Bùn hoạt tính có cấu tạo gồm các vi sinh vật, vi khuẩn, các nguyên sinh động vật protoza phát triển thành sinh khối nhầy và chắc Hoạt tính của vi sinh vật là kết quả của sự vận chuyển ôxy vào bông sinh học Trong điều kiện khuấy trộn và làm thoáng ở bể với bùn hoạt tính thông thường bông sinh học có một lớp phủ trên bề mặt được gọi là bề mặt hiếu khí Tính chất lắng và nén của bùn hoạt tính là hai chỉ tiêu chính để đánh giá sự

thành công của phương pháp xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính Việc tạo bông liên quan chặt chẽ tới tốc độ phát triển của vi sinh vật và phụ thuộc vào bản chất của chất ô nhiễm, nồng độ ôxy hoà tan và mức độ chảy rối

- Màng sinh học (màng sinh vật)

Màng sinh học là một hệ thống vi sinh vật phát triển trên bề mặt các vật liệu xốp, tạo thành màng dày 1-3mm Màng sinh học cũng bao gồm các vi khuẩn, nấm nguyên sinh động vật

Màng sinh học tuy mỏng nhưng có cấu tạo gồm hai lớp:

+ Lớp yếm khí ở sát môi trường lọc

+ Lớp hiếu khí ở bên ngoài lớp yếm khí

Quá trình xảy ra ở màng sinh học (màng lọc sinh học) thường được xem như quá trình hiếu khí nhưng thực chất là hệ thống vi sinh vật hiếu – yếm khí Khi dòng nước thải chảy trên lớp màng sinh vật, các chất hữu cơ và oxy hoà tan khuyếch tán qua màng và ở đó diễn ra các quá trình trao đổi chất Sản phẩm của quá trình trao đổi chất (CO2) thải ra ngoài qua màng Trong suốt quá trình, oxy hoà tan luôn được bổ xung từ không khí Theo thời gian, màng sinh học dầy dần lên

2.1.2.5 Các phương pháp và hình thức xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học

* Các phương pháp sinh học xử lý nước thải

+ Phương pháp hiếu khí

Sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí (để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp ôxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 200C - 400C) Phương trình sinh hoá tổng quát các phản ứng ôxy hoá sinh hoá ở điều kiện hiếu khí

CxHyOzN+(x+y/3+z/3+3/4)O2 → xCO2 +(y-3/2)H20+NH3 +E (1)

CxHyOzN +NH3 +O2 → C5H7NO2 +CO2 + E (2)

Trong đó: CxHyOzN là chất hữu cơ có trong nước thải

C5H7NO2: Là công thức theo tỉ lệ trung bình các nguyên tố chính của tế bào vi sinh vật

E: Là năng lượng

Phương trình (1) biểu diễn sự ôxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào

Phương rtình (2) biểu diễn quá trình tổng hợp để tạo ra tế bào hay vi khuẩn mới

Lượng ôxy tiêu tốn cho các phản ứng này chính là giá trị tổng BOD của nước thải Như vậy nếu tiếp tục quá trình ôxy hoá khi không còn đủ chất dinh dưỡng sẽ diễn ra quá trình ôxy hoá chất liệu tế bào

Chất hữu cơ ===> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + tế bào mới

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

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

- Giai đoạn 2: Acid hoá;

- Giai đoạn 3: Acetate hoá;

- Giai đoạn 4: Methane hoá

Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin… trong giai đoạn thuỷ phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân huỷ hơn Các phản ứng thuỷ phân sẽ chuyển hoá protein thành amino acids, carbohydrates thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo

Trong giai đoạn acid hoá, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hoá thành acetic acid, H2 và CO2 Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là

acetic acid, propionic acid và lactic acid Bên cạnh đó, CO2 và H2O, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrates Vi sinh vật chuyển hoá methane chỉ có thể phân huỷ một

số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

Với nhiều công trình xử lý nước thải khác nhau ta thấy rằng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có hiệu quả xử lý cao nhưng thời gian xử lý kéo dài Tuy nhiên một đặc trưng rất quan trọng đối với xử lý sinh học là quá trình này không gây ô nhiễm thứ cấp, tức là không tạo ra các sản phẩm có thể tiếp tục gây ô nhiễm nước Ngoài ra xử lý sinh học còn có mọt số ưu điểm quan trọng sau đây:

- Tiêu tốn ít năng lượng trong quá trình xử lý

- Có khả năng xử lý nước ô nhiễm với nồng độ cao

- Ít sử dụng hoá chất, không gây độc hại

- Có hiệu quả kinh tế Có thể tận dụng sản phẩm của quá trình xử lý (bùn sinh học và khí sinh học) để làm phân bón, khí đốt [3]

* Các hình thức xử lý sinh học nước thải

a Trong điều kiện tự nhiên

Cánh đồng lọc

Là phương pháp sử dụng các hệ động thực vật trên và trong lòng đất để

xử lý các chất hữu cơ trog nước thải khi chúng được phun dưới dạng tưới trên

một khoảng đất có cây cơ nào đó Phương pháp này đòi hỏi phải có diện tích đất lớn Tuy nhiên việc xử lý nước thải bằng phương pháp này đơn giản, hiệu quả xử lý cao: 90% các chất hữu cơ có thể được xử lý, không còn vi sinh vật gây bệnh trứng kí sinh trùng nhờ ánh sáng mặt trời

Phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện tự nhiên, đồng thời

hệ thống mương dẫn hở và bụi sương nước thải khi hun có thể gây ra ô nhiễm thứ cấp cho môi trường không khí

Hồ sinh học

Trong hồ sinh học diễn ra các quá trình sinh hoá liên tiếp Trước tiên, các chất hữu cơ bị vi sinh vật phân huỷ Các sản phẩm tạo thành từ sự phân huỷ sẽ được rong tảo trong hồ sử dụng để làm nguồn dinh dưỡng Hoạt động sống của rong tảo và các thực vật trong hồ lại là nguồn tạo ra oxy tự do hoà tan trong nước để vi sinh vật sử dụng để phát triển sinh khối

Có nhiều loại xử lý bằng phương pháp hồ sinh học như sau:

Hồ yếm khí

Là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí phân huỷ các chất bẩn hoà tan và lắng trong lớp bùn trầm tích của hồ Chất lượng nước sau xử lý do vậy cho hiệu quả không cao: BOD vẫn ở mức nồng độ : 100 * 300 mg / l

Hồ hiếu khí tuỳ tiện

Là loại hồ phổ biến trong thực tế xử lý nước thải Trong hồ diễn ra hai quá trình song song

- Oxy hoá sinh hoá hiếu khí các chất bẩn hoà tan

- Lên men metan (yếm khí) cặn lắng ở đáy hồ

Hồ hiếu khí (hồ hiếu khí làm thoáng tự nhiên)

Khi đó oxy được cấp vào nhờ khuyếch tán qua mặt thoáng chủ yếu nhờ khả năng quang hợp của rong tảo

Hồ sinh học có khả năng xử lý lượng nước thải lớn và có tải lượng ô nhiễm cao, chi phí vận hành thấp và sử dụng được nguồn vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên Tuy nhiên đòi hỏi phải có diện tích mặt bằng lớn, thời gian lưu nước kéo dài, có thể gây ô nhiễm đến môi trường xung quanh Do vậy, nên

kết hợp chức năng làm sạch nước thải với các mục đích khác nhau như nuôi trồng thuỷ sản tưới tiêu cho nông nghiệp

b Trong điều kiện nhân tạo

Bể hiếu khí sinh học Aeroten

Là phương pháp làm sạch sinh học với bùn hoạt tính

Nguyên lý:

Bể Aeroten là một bể phản ứng sinh học trong đó khí được cung cấp liên tục bằng hệ thống sục khí, và trong quá trình này sinh khối bùn được khuấy trộn và làm thoáng đồng thời cùng với nước thải

Nước thải trước khi xử lý phải được lắng sơ bộ để tách các chất bẩn và phải xử lý sơ bộ để loại các chất độc hại đối với vi sinh vật Nước ra khỏi bể Aeroten được qua bể lắng đợt 2 để tách bùn Một phần bùn tách ra được hoàn trở lại bể Aeroten Nước sau lắng đạt sẽ có thể đạt tiêu chuẩn thải

Hệ thống lọc sinh học

Nguyên lý:

Phương pháp lọc sinh học là một quá trình lọc nước thải qua môt hệ thống vật liệu lọc mà trên đó xẩy ra các phản ứng sinh hoá (oxy hoá sinh học các chất hữu cơ) Quá trình lọc được thực hiện trong các bể lọc sinh học: là một hệ thống vi sinh vật sinh trưởng và được cố định tạo thành lớp màng bám trên bề mặt môi trường lọc Nước thải chảy trên bề mặt đó và tiếp xúc với màng sinh vật, các chất hữu cơ và oxy hoà tan khuyếch tán qua màng và ở đó diễn ra quá trình trao đổi chất Từ các quá trình trao đổi chất CO2 được thải ra ngoài màng

Bể lọc có thể có dạng hình hộp hoặc hình trụ,trong đó có chứa vật liệu lọc dạng xốp tự nhiên hay nhân tạo và có kích thước hạt thay đổi lọc 1,5 – 2cm Nước thải được dẫn và phân phối đều trên bề mặt lớp vật liệu lọc và được “lọc” qua lớp vật liệu lọc rồi sau đó được dẫn ra ngoài hệ thống loc Trong quá trình tiếp xúc với nước thải, sẽ hình thành dẫn dần trên bề mặt vật liệu một lớp hay màng vi sinh vật Chính các vi sinh vật này thực hiện các quá trình làm sạch các chất hữu cơ (BOD và COD) thông qua các quá trình trao đổi chất và phát triển sinh khối trên bề mặt hạt vật liệu lọc

Bể lọc sinh học

Vật liệu lọc là các vật liệu xốp tự nhiên hay nhân tạo (thí dụ cuội, đá xốp ) có đường kính dao động trong khoảng 20 ÷ 30 mm

Chiều cao lớp vật lọc trong các bể lọc khoảng 1,2 ÷ 2 m

Tải trọng nước thải của bể thấp 0,5 ÷ 1,5 m3 nước / 1 m3

Hiệu suất xử lý nước thải theo BOD > 90%

Tháp lọc sinh học

Nước thải tưới lên mặt bể nhờ hệ thống phân phối

Cấp khí cưỡng bức bằng hệ thống thông gió từ đáy tháp Lượng khí cấp khoảng 8 ÷ 12 m3 / m3 nước thải

- Vật liệu lọc thường là các loại cuội, đá có đường kính 40 ÷70mm

Có tải trọng thuỷ lực cao: 10 ÷ 20 m3 nước / m3 mặt bể lọc

Đĩa lọc sinh học

Vật liệu lọc gồm những tấm nhựa lớn lắp trên một trục thành từng lớp trên bề mặt đĩa có một lớp màng sinh vật dày từ 1÷ 4 mm Khi đĩa quay sẽ đảm bảo cung cấp oxy và tiếp xúc với nước thải Quá trình trao đổi chất diễn ra trên bề mặt đĩa Sinh khối dư thừa sau trao đổi chất sẽ được tách ra ở bể lắng Tải trọng thuỷ lực: 10m3 nước thải/m3vật liệu lọc/ngày

Tiêu hao năng lượng thấp (do thiết bị cơ khí đơn giản) [1]

2.1.2.6 Các thông số đánh giá ô nhiễm nước thải sinh hoạt pH

pH là đơn vị toán học biểu thị nồng độ ion H+ có trong nước và có thang giá trị từ 0 đến 14

pH là một trong những thông số quan trọng và được sử dụng thường xuyên nhất dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nguồn nước, chất lượng nước thải, đánh giá độ cứng của nước, sự keo tụ, khả năng ăn mòn Vì thế việc xét nghiệm pH để hoàn chỉnh chất lượng nước cho phù hợp với yêu cầu

kỹ thuật cho từng khâu quản lý rất quan trọng, hơn nữa là đảm bảo được chất lượng cho người sử dụng

Khi chỉ số pH < 7 thì nước có môi trường axít; pH > 7 thì nước có môi trường kiềm, điều này thể hiện ảnh hưởng của hoá chất khi xâm nhập vào môi trường nước Giá trị pH thấp hay cao đều có ảnh hưởng nguy hại đến thuỷ sinh