hoan chinh 1.DOC

Tuynhiên, sản xuất tinh bột khoai mì từ bất kì cấp độ nào cũng thải ra lượng nước thải lớnchứa nhiều chất hữu cơ, nitơ và đặc biệt là độc chất cyanua có trong thành phần củakhoai mì.. Nh

KHOA MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI

KHOAI MÌ TRÊN MÔ HÌNH HYBRID

Trước tiên, con xin cảm ơn đến gia đình với lòng thương yêu vàbiết ơn sâu sắc nhất Gia đình đã là điểm tựa vững chắc cho con trongcuộc sống và là nơi tạo điều kiện tốt nhất cho con hoàn thành công việchọc tập của mình

Em cũng xin chân thành cám ơn tất cả các thầy cô trong khoa MôiTrường – trường Đại học Bách khoa tp HCM đã tận tình truyền đạt cho

em một nền tảng kiến thức vững chắc để em có thể tự tin trong côngviệc sau này của mình

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Thanh Phượng– nguời đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thựchiện luận văn này

Và tôi cũng xin cảm ơn tất cả bạn bè khoá MO 2002 đã cho tôitình bạn chân thành và sự giúp đỡ lẫn nhau trong suốt quá trình họctập

Nước thải khoai mì có đặc điểm là màu đục, mùi chua nồng và cóđộ pH thấp Nồng độ COD khoai mì cao dao động từ vài ngàn đến vàichục ngàn Đồng thời nước thải khoai mì cũng có hàm lượng nitơ cao.Luận văn này được thực hiện nhằm nghiên cứu đến khả năng xử lý hiệuquả được cả COD và nitơ trong cùng một mô hình Các công nghệ xử lýáp dụng đối với nước thải tinh bột mì hiện nay vẫn chưa đạt hiệu quảcao Do đó cần phải áp dụng một công nghệ mới hiệu quả hơn Đó chínhlà công nghệ hybrid xử lý kết hợp kị khí và hiếu khí Quá trình nghiêncứu sẽ thực hiện trên mô hybrid kết hợp xử lý bằng UASB, lọc kị khí vàlọc hiếu khí Quá trình nghiên cứu sẽ thực hiện trên các nồng độ CODđầu vào là 1000, 2000, 4000 và 6000 (mg/l) với hai thời gian lưu là 4ngày và 2,5 ngày, quá trình nghiên cứu đạt được kết quả:

- Có thể xử lý COD đạt hiệu quả cao (96% đến 98 %)

- Hiệu quả xử lý nitơ cao (70% đến 90%)

- Có thể xử lý hiệu quả cả nitơ lẫn COD trên cùng mô hình

MỤC LỤC IV DANH SÁCH BẢNG VII DANH SÁCH HÌNH VIII DANH SÁCH VIẾT TẮT X

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1

1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1

3 TÍNH CẦN THIẾT ĐỀ TÀI 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHOAI MÌ VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ KHOAI MÌ 3

1.1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.2 Phân loại khoai mì 3

1.1.3 Cấu tạo củ khoai mì 4

1.1.4 Thành phần hoá học củ khoai mì 5

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ 7

1.2.1 Quy trình sản xuất chủ yếu tại Việt Nam 7

1.2.2 Quy trình sản xuất tại các nhà máy ở tỉnh Tây Ninh 8

1.2.3 Quy trình sản xuất tại các cơ sở thủ công ở Thủ Đức 9

1.3 TÌNH HÌNH Ô NHIỄM NƯỚC THẢI TỪ CHẾ BIẾN KHOAI MÌ 10

1.4 MỘT SỐ QUI TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ Ở VIỆT NAM 11

1.4.3 Công nghệ xử lý nước thải tại nhà máy sản xuất tinh bột Phước Long 14

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NITƠ 15

2.1 NITƠ TRONG TỰ NHIÊN VÀ TRONG NƯỚC THẢI 15

2.1.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên 15

2.1.2 Nitơ trong nước thải 19

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NITƠ 21

BẢNG 2.1: XỬ LÝ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ 21

BẢNG 2.2: XỬ LÝ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HOÁ HỌC 21

2.2.1 Phương pháp truyền thống 23

2.2.2 Anammox 37

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ HYBRID VÀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỊ KHÍ, HIẾU KHÍ 42

3.1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỊ KHÍ VÀ HIẾU KHÍ 42

3.1.1 Quá trình sinh học hiếu khí 42

3.1.2 Quá trình sinh học kị khí 45

3.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG LỌC SINH HỌC 49

3.2.1 Giới thiệu về lọc sinh học 49

3.2.2 Cơ sở lý thuyết lớp màng sinh học 49

3.3 CÔNG NGHỆ HYBRID 54

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ,MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 56

4.1 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 56

4.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 57

4.2.1 Mô tả mô hình 57

4.3.1 Đối tượng nghiên cứu 59

4.3.2 Tiến trình nghiên cứu 59

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61

5.1 VẬN HÀNH VỚI THỜI GIAN LƯU 4 NGÀY 61

5.1.1 Kết quả khảo sát theo thời gian 61

5.1.2 Kết quả khảo sát theo chiều cao mô hình 65

5.2 VẬN HÀNH VỚI THỜI GIAN LƯU LÀ 2,5 NGÀY 71

5.2.1 Kết quả khảo sát theo thời gian 71

5.2.2 Kết quả khảo sát theo chiều cao mô hình 75

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

6.1 KẾT LUẬN 82

6.2 KIẾN NGHỊ 83

PHỤ LỤC 84

PHỤ LỤC 1: CÁC BẢNG SỐ LIỆU 84

PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH 98

PHỤ LỤC 3: BẢNG TIÊU CHUẨN TCVN 4945 - 1995 101

Tài liệu tham khảo 103

Bảng 1.1: Thành phần hoá học của khoai mì 6

Bảng 1.2 : Thành phần hoá học của vỏ củ khoai mì và bã mì 6

Bảng 2.1: Xử lý nitơ bằng phương pháp vật lý 21

Bảng 2.2: Xử lý nitơ bằng phương pháp hoá học 22

Bảng 2.3: Xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học 22

Bảng 3.1 Mô hình động học sử dụng quá trình xử lý kỵ khí 47

Bảng 6.1 So sánh các kết quả của các tải trọng 82

Bảng p.1: Số liệu đo đạc theo thời gian của các tải trọng 0,25; 0,5; 1 và 1,5 (kg/m3.ngày) ứng với vận hành ở thời gian lưu 4 ngày 84

Bảng p.2: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 0,25 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 4 ngày 87

Bảng p.3: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 0, 5 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 4 ngày 88

Bảng p.4: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 1 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 4 ngày 89

Bảng p.5: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 1.5 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 4 ngày 90

Bảng p.6: Số liệu đo đạc theo thời gian của các tải trọng 0,4; 0,8; 1,6 và 2,4 (kg/m3.ngày) ứng với vận hành ở thời gian lưu 2,5 ngày 91

Bảng p.7: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 0,25 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 2,5 ngày 94

Bảng p.8: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 0, 5 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 2,5 ngày 95

Bảng p.9: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 1 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 2,5 ngày 96

Bảng p.10: Số liệu các thông số theo chiều cao khi vận hành ở tải trọng 1.5 kg/m3.ngày ứng với thời gian lưu 2,5 ngày 97

Bảng p.11: Bảng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945 – 1995 Nước thải công nghiệp – tiêu chuẩn thải (industrial waste water – discharge standards) 101

Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang củ khoai mì 4

Hình 1.2: Sơ đồ Công nghệ sản xuất Tinh bột khoai mì tươi ở Việt Nam 8

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ chế biến tinh bột khoai mì kiểu Thái Lan 9

Hình 1.4: Công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì thủ công 10

Hình 1.5: Qui trình xử lý nước thải nhà máy Hoàng Minh 12

Hình 1.6: Qui trình xử lý nước thải tinh bột ở Tân Châu 13

Hình 1.7: Công nghệ xử lý nước thải tại nhà máy sản xuất tinh bột 14

Hình 2.1: Chu trình nitơ trong tự nhiên 15

Hình 2.2: Sự thay đổi các dạng nitơ trong nước thải dưới điều kiện hiếu khí 19

Hình2.3: Dạng xử lý preanoxic 36

Hình2.4: Dạng xử lý postanoxic 36

Hình 2.5:Chu trình nitơ tổng quát 38

Hình 2.6: Cơ chế sinh hoá trong phản ứng anammox 39

Hình 2.7: Cấu tạo tế bào của vi khuẩn Anammox 39

Hình 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất tới hạn tới tốc độ sinh trưởng 44

Hình 3.2: Cấu tạo màng vi sinh 50

Hình 4.1: Mô hình thực hiện nghiên cứu 58

Hình 5.1: Sự biến thiên nồng độ COD khi vận hành các tải trọng theo thời gian 61

Hình 5.2: Sự biến thiên pH khi vận hành các tải trọng theo thời gian 61

Hình 5.3: Sự biến thiên độ kiềm khi vận hành các tải trọng theo thời gian 62

Hình 5.4: Sự biến thiên N-NH3 khi vận hành các tải trọng theo thời gian 62

Hình 5.5: Sự biến thiên N-NO2 khi vận hành các các tải trọng theo thời gian 63

Hình 5.6: Sự biến thiên N-NO3 khi vận hành các tải trọng theo thời gian 63

Hình 5.7: Sự biến thiên COD của các tải trọng theo chiều cao mô hình 65

Hình 5.8: Hiệu quả xử lý COD của các tải trọng theo chiều cao mô hình 65

Hình 5.9: Sự biến thiên pH của các tải trọng theo chiều cao mô hình 66

Hình 5.10: Sự biến thiên độ kiềm của các tải trọng theo chiều cao mô hình 66

Hình 5.11: Sự biến thiên N-NH3 của các tải trọng theo chiều cao mô hình 67

Hình 5.12: Sự biến thiên N-NO2 của các tải trọng theo chiều cao mô hình 67

Hình 5.13: Sự biến thiên N-NO3 các tải trọng theo chiều cao mô hình 68

Hình 5.14: Nồng độ nitơ tổng của các tải trọng trước và sau xử lý 68

Hình 5.15: Sự biến thiên VFA của các tải trọng theo chiều cao mô hình 69

Hình 5.16: Sự biến thiên COD khi vận hành các tải trọng theo thời gian 71

Hình 5.20: Sự biến thiên N-NO2 khi vận hành các tải theo thời gian 73

Hình 5.21: Sự biến thiên N-NO3 khi vận hành các tải trọng theo thời gian 74

Hình 5.22: Sự biến thiên COD của các tải theo chiều cao mô hình 75

Hình 5.23: Hiệu suất xử lý COD của các tải trọng theo chiều cao mô hình 76

Hình 5.24: Sự biến thiên pH của các tải trọng theo chiều cao mô hình 76

Hình 5.25: Sự biến thiên độ kiềm của các tải trọng theo chiều cao mô hình 77

Hình 5.26: Sự biến thiên N-NH3 của các tải trọng theo chiều cao mô hình 77

Hình 5.27: Sự biến thiên N-NO2 của các tải trọng theo chiều cao mô hình 78

Hình 5.28: Sự biến thiên N-NO3 của các tải trọng theo chiều cao mô hình 78

Hình 5.29: Nồng độ nitơ tổng đầu vào và đầu ra mô hình 79

Hình 5.30: Sự biến thiên VFA của các tải trọng theo chiều cao mô hình 79

Hình p.1: Mô hình thực hiện nghiên cứu 98

Hình p.2: Vùng UASB trong mô hình 99

Hình p.3: Nước thải không qua xử lý được thải trực tiếp vào cống 99

Hình p.4: Bã thải khoai mì 99

Hình p.5: Bể chứa nước thải 100

Hình p.6: Máy nghiền cắt khoai mì 100

BOD: Biological Oxyzen Demand : Nhu cầu oxy sinh hoá.

bsBOD: Nhu cầu oxy cần thiết chuyển hoá các chất hữu cơ bằng sinh học

COD : Chemical Oxyzen Demand : Nhu cầu oxy hoá học

DO: Nồng độ oxy hoà tan trong nước

SS (Ssuspend solid): Chất rắn lơ lửng

VS (Volatile Solid) : Chất rắn bay hơi

VSS (Volatile Suspended Solid) : Chất rắn lơ lửng bay hơi

UASB (upward-flow anaerobic sludge blanket): Bể xử lý kỵ khí bằng bùn sinh

trưởng lơ lửng

VFA: Acid béo bay hơi

Chương MỞ ĐẦU

1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD và hiệu quả xử lý nitơ theo phương pháp truyềnthống trên mô hình Hybrid kị khí và hiếu khí cho nước thải chế biến tinh bột khoai mì

2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

- Tổng quan về khoai mì, công nghệ chế biến khoai mì và một số phương pháp xửlý nước thải khoai mì

- Tổng quan về nitơ và các phương pháp xử lý nitơ

- Giới thiệu về công nghệ hybrid, quá trình kị khí và hiếu khí

- Phân tích lựa chọn công nghệ, phương pháp nghiên cứu, xây dựng mô hình

- Phân tích số liệu, nhận xét, kết luận

3 TÍNH CẦN THIẾT ĐỀ TÀI

Tinh bột khoai mì là một trong những nguồn lương thực quan trọng cho con người

Do đó ngành công nghiệp chế biến tinh bột khoai mì đã có những bước phát triển khôngngừng Ơû Việt Nam, quy mô sản xuất chế biến tinh bột khoai mì rất đa dạng gồm sản xuấtchế biến từ cấp hộ gia đình, làng nghề, cơ sở tư nhân cho đến sản xuất cấp nhà máy Tuynhiên, sản xuất tinh bột khoai mì từ bất kì cấp độ nào cũng thải ra lượng nước thải lớnchứa nhiều chất hữu cơ, nitơ và đặc biệt là độc chất cyanua (có trong thành phần củakhoai mì) Nước thải khoai mì nếu không được xử lý sẽ gây nhiều tác động trực tiếp đếnmôi trường (gây bốc mùi hôi chua nồng do phân huỷ chất hữu cơ), ảnh hưởng đến sứckhoẻ con người (do có cyanua cao) và ô nhiễm nguồn nước ngầm Nhiều công nghệ xử lýnước thải tinh bột khoai mì đã được áp dụng ở nước ta như: áp dụng phương pháp sinh học

kị khí (UASB), phương pháp hoá lý (keo tụ)ï kết hợp phương pháp sinh học hiếu khí (bùnhoạt tính), hồ sinh học (kị khí, tùy nghi, hiếu khí) Tuy nhiên, thực tế cho thấy các hệthống hoạt động không hiệu quả và khá phức tạp Do đó, cần phải có một công nghệ mớixử lý hiệu quả hơn Đề tài đưa ra là xử lý bằng công nghệ hybrid (tính ưu điểm của nó sẽđược trình bày rõ trong phần lựa chọn công nghệ – chương 4)

Trong thành phần nước thải tinh bột khoai mì, ngoài hai vần đề cần quan tâm là xửlý chất hữu cơ và cyanua thì vấn đề xử lý nitơ cũng cần phải quan tâm Bởi nồng độ nitơ

tổng cao từ 140 – 450 (mg/l) (Theo Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường công

nghiệp và đô thị tại Việt Nam”) so với tiêu chuẩn cho nước thải công nghiệp TCVN

5945:1995 loại C cho nitơ tổng là 60 (mg/l) Do đó, việc xử lý COD kèm theo xử lý nitơcũng rất cần thiết Trước đây, ở Việt Nam, việc xử lý nước thải chủ yếu tập trung xử lýCOD tức chỉ dừng tới xử lý bậc 2 Ngày nay, do nhu cầu chất lượng cuộc sống con ngườităng thì đòi hỏi chất lượng môi trường sống cũng phải tốt hơn Đồng thời vai trò nitơ trongnước thải cũng như trong tự nhiên càng được làm rõ thì vấn đề xử lý nitơ trong nước thảitức xử lý bậc 2 tăng cường càng được chú trọng Do đó, việc nghiên cứu xử lý nitơ trongnước thải khoai mì là cần thiết

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ KHOAI MÌ VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ

1.1 TỔNG QUAN VỀ KHOAI MÌ

1.1.1 Giới thiệu chung

Khoai mì có tên khoa học là Manigot esculent a krantz là cây lương thực nhiệt đới.

Chúng có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazon ở Nam Mỹ, sau đó phát triển dần đến ChâuPhi và Đông Nam Á Hiện nay, khoai mì được trồng đại trà ở các vùng nhiệt đới và cậnnhiệt đới như: Indonesia, Philippines, Malaysia, Thailand, Châu Phi và Brazil v.v… Khoai

mì đã có mặt ở nhiều nước trên thế giới và trở thành cây lương thực quan trọng cho conngười và gia súc Chúng được trồng riêng lẻ hay xen kẻ với các loại cây lương thực, câycông nghiệp khác như: bắp, lúa, đậu, cao su, rau… Sản lượng mỗi hecta trồng khoai mìvào khoảng 10 – 40 tấn tuỳ thuộc vào điều kiện sống và phát triển của cây Theo báo cáothu thập được thì khoai mì chứa trung bình 18% hàm lượng tinh bột tức khoai mì có hàmlượng carbonhydrat cao hơn 40% so với gạo, 25% so với ngô

Do khoai mì có chứa hàm lượng tinh bột cao nên được sử dụng làm lương thực dướidạng ăn tươi hay phơi khô, dạng cục hay tinh bột v.v… Tuy nhiên, khi dùng khoai mì làmlương thực cần phải bổ sung thêm protein và chất béo mới đáp ứng được nhu cầu dinhdưỡng Khoai mì còn là nguồn nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp như: chế biếnthực phẩm, sản xuất bia, công nghiệp hoá chất, sản xuất keo dán, công nghiệp giấy, gỗ,dược phẩm Hiện nay, Khoai mì được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: Tiêu thụ tạigia đình (56,9%); chế biến thực phẩm (35,6%); xuất khẩu (7,4%), phần còn lại là nguyênliệu cho các ngành công nghiệp khác Ở nước ta, khoai mì chủ yếu được tách lấy tinh bộtlàm nguyên liệu chế biến các loại thực phẩm khác như bánh kẹo, mạch nha, bột ngọthay các thực phẩm dưới dạng tinh bột qua chế biến như bún, miến, bánh tráng, v.v…

1.1.2 Phân loại khoai mì

-Dựa theo đặc điểm thực vật của cây (xanh tía, lá 5 cánh, lá 7 cánh).

-Dựa theo đặc điểm củ (khoai mì trắng hay khoai mì vàng)

-Dựa theo hàm lượng Cyanohydrin có trong củ mì (khoai mì đắng hay khoai mìngọt) Đây là cách phân loại được sử dụng phổ biến:

 Khoai mì đắng (Manihot palmata Muell hay Manihot aipr Pohl): có hàm

lượng HCN hơn 50 mg/kg củ Giống này thường có lá 7 cánh, cây thấp vànhỏ Khoai mì đắng có thành phần tinh bột cao, sử dụng phổ biến làm nguyênliệu cho các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hoá dược,công nghiệp giấy v.v…

 Khoai mì ngọt (Manihot aipi hay Manihot utilissima Pohl) có hàm lượng HCN

dưới 50 mg/kg củ Giống này thường có 5 lá cánh, mũi mác, cây cao, thân to.Khoai mì ngọt chủ yếu được dùng làm thực phẩm tươi vì vị ngọt và dễ tạothành bột nhão, dễ nghiền nát hay đánh nhuyễn

1.1.3 Cấu tạo củ khoai mì

Cấu tạo gồm 4 phần chính : lớp vỏ gỗ, lớp vỏ cùi, phần thịt củ và phần lõi

Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang củ khoai mì

-Vỏ gỗ: là phần bao ngoài của củ, gồm những tế bào xếp sít, thành phần chủ yếu là

cellulose và hemicellulose, không có tinh bột, giữ vai trò bảo vệ củ khỏi tác độngbên ngoài Vỏ gỗ mỏng, chiếm 0,5 - 5% trọng lượng củ Khi chế biến, phần vỏ

Lớp vỏ gỗLớp vỏ cùi

Phần thịt củPhần lõi

gỗ thường kết dính với các thành phần khác như : đất, cát, sạn và các chất hữu cơkhác

-Vỏ cùi: dày hơn vỏ gỗ, chiếm 5 - 20% trọng lượng củ Gồm các tế bào thành dày,

thành tế bào chủ yếu là cellulose, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, các chấtchứa nitrogen và dịch bào Trong dịch bào có tanin, sắc tố, độc tố, các enzyme,…Vỏ cùi có nhiều tinh bột (5 8%) nên khi chế biến nếu tách đi thì tổn thất tinh bộttrong củ, nếu không tách thì nhiều chất dịch bào làm ảnh hưởng đến màu sắc củatinh bột

-Thịt củ khoai mì: là thành phần chủ yếu trong củ, gồm các tế bào nhu mô thành

mỏng là chính, thành phần chủ yếu là cellulose, pentosan Bên trong tế bào làcác hạt tinh bột, ngyên sinh chất, glucide hòa tan và nhiều nguyên tố vi lượngkhác Những tế bào xơ bên ngoài thịt củ chứa nhiều tinh bột, càng vào sâu phíatrong, hàm lượng tinh bột của no càng giảm dần Ngoài các tế bào nhu mô còn cócác tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cellulose nên cứng như gỗgọi là xơ

-Lõi củ khoai mì: ở trung tâm dọc suốt từ cuống tới chuôi củ Ơû cuống lõi to nhất

rồi nhỏ dần tới chuôi, chiếm 0,3 - 1% trọng lượng củ Thành phần lõi là cellulosevà hemi-cellulose

1.1.4 Thành phần hoá học củ khoai mì

Thành phần hoá học của khoai mì thay đổi tuỳ thuộc vào giống trồng, tính chất, độdinh dưỡng của đất, điều kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch Thành phần hoáhọc trung bình của củ khoai mì được trình bày trong bảng (1.1) và thành phần hoá học củvỏ khoai mì và bã phơi khô trong bảng (1.2)

Bảng 1.1: Thành phần hoá học của khoai mì

NGUỒN

PHẦN

Theo Đoàn Dự,các cộng sự;

(nguồn Đoàn Dụ và các cộng sư, 1983)

Bảng 1.2 : Thành phần hoá học của vỏ củ khoai mì và bã mì

Thành phần Vỏ củ mì (mg/100mg) Bã phơi khô (mg/100mg)Độ ẩm

1 – 1,45

1 – 1,4vếtvết6,6 – 10,2

12,5 – 1351,8 – 6312,8 – 14,51,5 – 20,58 – 0,650,37 – 0,430,008 – 0,0091,95 – 2,4

4 – 8,492

(nguồn Hội thảo giảm thiểu ô nhiễm trong công nghiệp chế biến tinh bột Hà Nội, 1/98)

Đường trong khoai mì chủ yếu là glucose và một ít maltosec, sacharose Khoai mìcàng già thì hàm lượng đường càng giảm Trong chế biến, đường hòa tan trong nước thảithải ra ngoài theo nước dịch

Chất đạm trong khoai mì cho đến nay vẫn chưa được nguyên cứu kỹ, tuy nhiên dohàm lượng thấp nên ít ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất

Ngoài những thành phần có giá trị dinh dưỡng, trong củ khoai mì còn chứa độc tố,tanin, sắc tố và cả hệ enzyme phức tạp Người ta cho rằng trong số các enzyme thìpolyphenoloxydaza xúc tác quá trình oxy hoá polyphenol thành orthoquinol, sau đó trùnghợp với các chất không có gốc phenol như acid-amine tạo thành chất có màu Những chấtnày gây khó khăn cho chế biến và nếu qui trình công nghệ không thích hợp sẽ cho sảnphẩm có chất lượng kém.

Trong khoai mì còn có độc chất Cyanua viết tắt là CN (nó ở trong khoai mì dướidạng HCN hay CN- ) gây độc tính cao đối với con người Tùy thuộc giống và đất trồng mà

hàm lượng độc tố trong khoai mì khoảng 0,001 - 0,04% Nhưng khi củ chưa đào, nhómnày nằm ở dạng glucozite gọi là phaseolutanin (C10H17NO6) Dưới tác dụng của enzymehay ở môi trường acid, chất này bị phân hủy tạo thành glucose, acetone và acidcyanhydric Như vậy, sau khi đào củ khoai mì mới xuất hiện HCN tự do vì chỉ sau khi đào,các enzyme trong củ mới bắt đầu hoạt động mạnh và đặc biệt xuất hiện nhiều trong khichế biến và sau khi ăn vì trong dạ dày người hay gia súc là môi trường acid và dịch trongchế biến cũng là môi trường acid Dạng HCN là dạng độc tính nhất trong nước của CN.Phaseolutanin tập trung ở vỏ cùi, dễ tách ra trong quá trình chế biến, hòa tan tốttrong nước, kém tan trong rượu etylic và metylic, rất ít hòa tan trong chloroform và hầunhư không tan trong ether Vì hòa tan tốt trong nước nên khi chế biến, độc tố theo nướcdịch ra ngoài, nên mặc dù giống khoai mì đắng có hàm lượng độc tố CN cao nhưng tinhbột và khoai mì lát chế biến từ khoai mì đắng vẫn sử dụng làm thức ăn cho người và giasúc tốt Trong chế biến, nếu không tách dịch bào nhanh thì có thể ảnh hưởng đến màu sắccủa tinh bột do acid cyanhydic tác dụng với nguyên tố sắc có trong củ tạo thành feroxycyanate có màu xám Tùy thuộc giống và đất nơi trồng mà hàm lượng độc tố trong khoai

mì khác nhau

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ

Nguồn nguyên liệu sản xuất có hai loại: từ củ mì tươi và từ mì lát khô

1.2.1 Quy trình sản xuất chủ yếu tại Việt Nam

Chủ yếu tại Trà Cổ, Đồng Nai hoặc Bình Minh, Tân bình v.v…, tinh bột khoai mìđược sản xuất theo quy trình chủ yếu sau:

1.2.2 Quy trình sản xuất tại các nhà máy ở tỉnh Tây Ninh

Tỉnh Tây Ninh là tỉnh có nhiều nhà máy sản xuất tinh bột khoai mì có công suấtlớn nhất ở các tỉnh phía Nam Những nhà máy này đều chế biến tinh bột khoai mìtheo công nghệ của Thái Lan, sử dụng nguyên liệu ở địa phương và tham gia xuấtkhẩu sản phẩm Các công đoạn chính trong quy trình sản xuất:

Lột vỏ, cắt khúc, rửa Mài, nghiền Rây sàn

Rửa tinh bột, phân

ly, lắng gạn

Tinh bột ướt Sấy

Nước

Bã

Củ mì tươi

Tinh bột khô

Hình 1.2: Sơ đồ Công nghệ sản xuất Tinh bột khoai mì tươi ở Việt Nam.

1.2.3 Quy trình sản xuất tại các cơ sở thủ công ở Thủ Đức

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ chế biến tinh bột khoai mì kiểu Thái Lan

Tinh bột ướtQuậy, pha loãngTẩy chua, tẩy trắngTách tạp chấtQuậy

Sấy khôLàm nguội

Ly tâm

Đóng gói

Củ mì tươi Sàng, tách vỏ Rửa, cắt khúc

Tinh bột ướt

Lắng 1 Lắng 2 Vô bao

Nước, vỏ gỗ, cắt Nước thải, vụn mì

1.3 TÌNH HÌNH Ô NHIỄM NƯỚC THẢI TỪ CHẾ BIẾN KHOAI MÌ

Trong quá trình chế biến sản xuất tinh bột khoai mì, lượng nước thải khoai mì đượcthải ra với số lượng rất lớn và chủ yếu thải ra từ các công đoạn rửa củ trước khi lột vỏ;lắng lọc tách tinh bột khỏi nước sau khi rửa, đánh, tẩy trắng bột; và nghiền mài củ (nhưngkhối lượng không đáng kể) Do đó, nước thải khoai mì sẽ có những tính chất đặc trưngsau:

- Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao làm nước thải có màu trắng đục Do tinh bột khoai

mì là bột mịn, trong quá trình lắng, lọc tách bột sẽ không thu hồi được hết bột trongnước Lượng bột này sẽ thải ra ngoài cùng nước thải gây ra hàm lượng cặn lơ lửng

cao từ 120 – 3000 (mg/l)* Nước thải khoai mì có nồng độ chất hữu cơ cao CODdao động từ 2500 – 18000 (mg/l)* gồm các protein, chất béo, v.v… trong dịch bàocủa củ và cả những thành phần như SO32 gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

- Có hàm lượng chất dinh dưỡng cao Nước thải chế biến tinh bột khoai mì có hàmlượng nitơ và photpho cao Hàm lượng nitơ tổng từ 140 – 450 (mg/l)* Hàm lượngdinh dưỡng cao nếu không được xử lý sẽ gây hiện tượng phú dưỡng hoá ô nhiễmmôi trường

- Có mùi chua nồng và pH thấp

- Hàm lượng cyanua (từ thành phần củ khoai mì) rất cao gây độc cho môi trường Ởhàm lượng cao, CN gây ảnh hưởng đến tim mạch, ảnh hưỡng đến mạch máu não.Triệu chứng ban đầu của nhiễm độc CN thường là co giật, cuối cùng dẫn đến vỡmạch máu não CN gây độc tính cho cá, động vật hoang dã, vật nuôi Đối với cá,

CN độc hại ở liều lượng trung bình: 4-5 mg/l, tuy nhiên trong một số trường hợp,cho phép hàm lượng CN đạt cao hơn Ngoài ra còn chứa các chất khoáng khác

(*) – Theo Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường công nghiệp và đô thị tại Việt Nam”).

1.4 MỘT SỐ QUI TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ

Ở VIỆT NAM

1.4.1 Qui trình công nghệ xử lý nước thải chế biến tinh bột khoai mì ở nhà máy

Hoàng Minh

Nước thải rửa

thổi khí

Song chắn rác

Bể trung hòa Bể lắng

Bể trung hòa

Nước thải trích ly, lọc

Hình 1.5: Qui trình xử lý nước thải nhà máy Hoàng Minh

1.4.2 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở Tân Châu

Song chắn rác

Bể trung hòa

Bể kỵ khí 1

Bể kỵ khí 2

Bể kỵ khí 3

Bể kỵ khí 4

Bể tùy tiện 1

Bể tùy tiện 2

Nước thải

Bể lắng cặn sơ bộ

Nước đã xử lý

Hình 1.6: Qui trình xử lý nước thải tinh bột ở Tân Châu

1.4.3 Công nghệ xử lý nước thải tại nhà máy sản xuất tinh bột Phước Long

Bể Aerotank Bể lắng 2

Máy ép bùn

Chương 2:

TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NITƠ

2.1 NITƠ TRONG TỰ NHIÊN VÀ TRONG NƯỚC THẢI

2.1.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên

Hình 2.1: Chu trình nitơ trong tự nhiên (nguồn: EPA – Internet) Plan (Animal) protein: protein từ thực (động) vật

Dead organic matter: thành phần hữu cơ từ cơ thể chết Nondigestible residue sink: phần không phân huỷ còn lại Bacteria decomposition: sự phân huỷ nhờ vi khuẩn Oxidation nitrosomonas: sự oxi hoá nhờ vi khuẩn nitrosomonas Oxidation nitrobacter: sự oxi hoá nhờ vi khuẩn nitrobacter Reduction: sự khử nitrat

Incineration: sự hoá tro Electrical discharge: sự phóng điện Combustion process: quá trình đốt cháy Nitrogen fixation: sự cố định nitơ

Trong hoá vô cơ, nitơ tồn tại ở 7 dạng oxi hoá gồm:

protein trời

mặt sáng ánh trồng Cây CO

Mặt khác, khí nitơ N2 cũng có thể chuyển thành protein bằng vi khuẩn cố địnhnitơ theo phương trình: N2  vi khuẩn đặc biệt  protein Sự cố định nitơ (nitrogenfixation) được thực hiện bởi hai loại vi sinh:

1) vi sinh vật không cộng sinh gồm Azotobacter (A agilis, A chroococcum,

A vinelandii), đây là các vi khuẩn gram âm, có nang, cố định nitơ trong đấtvà trong các môi trường khác; Klebsiella, Clostridium là các loại kị khí, tạobào tử, có mặt trong bùn lắng; và các vi khuẩn lam như Aanabaena, Nostoc -nhóm này cố định nitơ trong đất và nước, tốc độ cố định của chúng cao gấp 10lần các vi sinh cố định nitơ sống tự do trong đất

2) Vi sinh vật cố định nitơ cộng sinh, đó là vi khuẩn nốt sần cộng sinh với câythuộc họ đậu Quá trình cộng sinh tạo ra nitơ hữu cơ

Thêm vào đó, hợp chất ammonia và ammonium được thêm vào trong đất để cungcấp cây trồng sản xuất protein hơn nữa.

protein trời

mặt sáng ánh trồng cây CO

Urea là một trong những hợp chất ammonium thông dụng bởøi vì nó giải phóngammonia từ từ Động vật và con người không có khả năng sử dụng nitơ từ không khíhay từ hợp chất vô cơ để sản xuất ra protein Do vậy, động vật hay con người phải phụthuộc vào cây trồng hay những động vật ăn cỏ khác để cung cấp protein cho chínhmình, trừ loài nhai lại Những động vật tiêu hoá nhiều lần có khả năng sản xuất mộtphần protein cần thiết từ thành phần carbonhydrate và urea thông qua tác nhân vikhuẩn Bên trong cơ thể động vật, protein được sử dụng phần lớn cho sự phát triển vàcấu trúc lại mô cơ Một vài được sử dụng cho mục đích năng lượng Trong bất kìtrường hợp nào, hợp chất nitơ đều được loại bỏ theo phần thải ra của cơ thể trong suốtquá trình sống Khi chết, các protein trong cơ thể sẽ trở thành các phần thừa thải và sẽđược loại bỏ Nước tiểu (phần thải bỏ chứa nitơ) chính là kết quả của việc chuyển hoácắt mạch protein Nitơ tồn tại trong nước tiểu là dạng urea, urea sẽ bị thuỷ phân nhanhchóng thành muối ammonium carbonate bởi các enzym urease:

3 2 4 Urease

enzym

2 O (NH ) CO H

2

Phân của động vật chứa một lượng lớn protein không bị chuyển hoá (nitơ hữu cơ).Phân và protein của các động vật và thực vật chết bị chuyển hoá thành lượng lớnammonia bằng vi khuẩn dị dưỡng, dưới điều kiện hiếu hay kị khí:

3

) (nitơhữucơ bacteria NH

Quá trình chuyển hoá nước tiểu, protein các hợp chất nitơ hữu cơ thành dạng amôn và ammonia trên được gọi là quá trình khoáng hoá nitơ (ammonification) Trongđất ,một số hợp chất nitơ hữu cơ bền vững đối với phân huỷ sinh học, bởi vì chúng là các phức hợp với phenol và/ hoặc polyphenol Các protein được khoáng hoá đến amôntheo trình tự sau đây:

Protein  acid  amin  khử amin  amôn ( 

4

Amôn sẽ chiếm ưu thế trong các môi trường nước trung tính và hơi acid Khi pHtăng, amôn sẽ chuyển thànhNH3 NH3 chiếm ưu thế và sẽ được giải phóng vào khíquyển.

Một vài nitơ luôn còn lại trong thành phần không phân huỷ được và nó trở thànhphần bùn cặn bã không bị phân huỷ Đó chính là phần cặn trong nước hay trầm tích,hay humus trong đất

Ammonia được tạo ra từ hoạt động vi khuẩn phẩn huỷ urea hay protein có thểđược cây trồng sử dụng trực tiếp để sản xuất protein Nếu việc tạo ra ammonia quánhiều so với nhu cầu của cây trồng, thì lượng dư quá đó sẽ được vi khuẩn nitrat hoá tựdưỡng oxi hoá Nhóm vi khuẩn nitrosomonas được xem như đảm trách việc oxi hoáđó Sự chuyển hoá ammonia dưới điều kiện hiếu khí sẽ tạo thành nitrat và thu nănglượng từ phương trình:

O H 2 H 2 NO 2 O

3 NH

Dạng nitrat có thể dùng làm phân bón cho cây trồng (thực hiện quá trình đồnghoá) Lượng nitrat vượt mức cần thiết của cây trồng sẽ được mang trữ vào trong nướcnhờ lọc qua đất do đất không có khả năng giữ được chúng Đó chính là kết quả thườngthấy có liên quan nồng độ nitrat cao trong nước ngầm Cũng giống như cây trồng, Các

vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng cũng sử dụng nitrat và đồng hoá chúng thành amôn.Trong các công trình xử lý nước thải, sự đồng hoá nitơ chịu trách nhiệm loại bỏ nitơ.Các tế bào thực vật và tế bào tảo thích sử dụng nitơ ở dạng amôn hơn là phân nitrat tếbào sẽ chuyển hoá amôn thành protein và tăng trưởng cho đến khi nitơ trở thành yếutố giới hạn

Dưới điều kiện kị khí, nitrat và nitrat đều bị chuyển hoá bởi quá trình khử nitrat.Nitrat sẽ bị chuyển hoá lại thành nitrat, và sau đó sự chuyển hoá nitrat lại tiếp tục xảy

ra Sự chuyển hoá nitrat chuyển hoá thành ammonia bời một số vi khuẩn, nhưng hầuhết sự chuyển hoá tạo ra khí nitơ bay vào không khí Đó chính là nguyên nhân gây suygiảm phân bón trong đất khi có điều kiện kị khí phát triển Sự hình thành khí nitơ bởi

sự chuyển hoá nitrat đôi khi chính là vấn đề trong hệ thống bùn hoạt tính xử lý nướcthải Thời gian lưu bùn lâu trong bể lắng cuối giúp hình thành khí nitơ thoát ra khôngkhí và điều đó làm nổi bùn, nếu nitrat hiện diện với một lượng thích hợp Đó được đềcập như vấn đề làm nổi bùn.

Xử lý nâng cao kèm khử nitrat nhằm mục đích loại bỏ nitơ từ nước thải đượcdùng để ngăn cản sự phát triển không mong muốn của tảo và những loải thuỷ sinhkhác trong nguồn tiếp nhận xả thải Ammonia và nitơ hữu cơ sẽ bị chuyển hoá sinhhọc đầu tiên thành nitrat và nitrat bởi xử lý hiếu khí Nước thải dưới điều kiện kị khísẽ bị khử nitrat, chuyển nitrat và nitrat về khí nitơ thoát ra ngoài không khí Đối vớiviệc khử nitrat xảy ra phải có sự hiện diện của thành phần hữu cơ Sự oxi hoá thànhphần hữu cơ sẽ cung cấp năng lượng cho sự tạo ra khí nitơ Methanol là thành phầnhữu cơ được ưa chuộng nhưng làm gia tăng giá thành Những thành phần hữu cơ khácđang được nghiên cứu rộng rãi

2.1.2 Nitơ trong nước thải

Hình 2.2: Sự thay đổi các dạng nitơ trong nước thải dưới điều kiện hiếu khí

Hầu hết, nitơ hiện diện trong nước thải dưới dạng nitơ hữu cơ (protein) vàammonia Theo thời gian, nitơ hữu cơ sẽ dần chuyển hoá thành ammonia Sau đó, nếuđiều kiện hiếu khí xảy ra, ammonia sẽ bị oxi hoá thành nitrit và nitrat Mối quan hệgiữa nitơ hữu cơ, ammonia, nitrit và nitrat được thể hiện qua hình (2.2) Do đó ta cóthể giải thích khi nước chứa hầu hết là chất hữu cơ và ammonia thì có thể xem nó là

mới bị ô nhiễm và có khả năng là rất nguy hại Nước chứa hầu hết là nitơ ở dạng nitrithay nitrat thì được xem như là đã bị ô nhiễm trong thời gian dài trước đó và ít gâynguy hiểm sức khoẻ cộng đồng Theo tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ thì nồng độ nitratkhông được vượt qua 10 mg/l trong nguồn nước công cộng.

Nitơ là chất cần thiết cho vi sinh vật phát triển Khi xây dựng một hệ thống xử lýnước thải, điều quan trọng là phải biết nước thải có chứa nitơ cho vi sinh vật phát triểnhay không Nếu nước thải không có thì cần phải bổ sung một lượng nitơ từ ngoài vào.Nitơcũng là thành phần cần thiết cho sự phát triển của tảo Khi nguồn nước tiếp nhậnnước thải đã xử lý hay chưa xử lý có chứa nhiều nitơ thì tảo sẽ sinh trưởng nhanhchóng quá mức gây hiện tượng phú dưỡng hoá

Vi khuẩn tự dưỡng chuyển hoá ammonia thành nitrat và nitrat đòi hỏi cần có oxi,

do đó sự chuyển hoá ammonia và sự oxi hoá tiếp theo sau có thể gây ra sự suy giảmnghiêm trọng nồng độ oxi hoà tan trong nước sông và cửa sông, đặc biệt là những nơicó thời gian lưu dài sẽ thích hợp cho vi khuẩn nitrat hoá vốn có thời gian sinh trưởngchậm Những vi khuẩn này cũng sinh trưởng nhanh ở hệ thống xử lý sinh học có hiếukhí hiệu quả cao, và sự thải nước sau xử lý có thể gây ra sự nitrat hoá nhanh chóngtrong kênh sông

Việc xác định nitơ dùng để kiểm tra mức độ sạch của dòng ra trong xử lý sinhhọc Cùng việc sử dụng kết quả BOD, sẽ cho phép ta biết được hiệu quả ổn định thànhphần hữu cơ có thể được xử lý không kèm theo giai đoạn oxi hoá nitrat Điều này sẽgiúp tiết kiệm được thời gian và nhu cầu khí cung cấp Chính vì vậy mà việc kiểmsoát nitơ trở nên quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải Mối quan hệ ammonia và ion ammonium phụ thuộc vào pH:

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NITƠ

Nitơ có thể xử lý bằng các phương pháp vật lý, hoá học và sinh học Trong đóquá trình xử lý sinh học được ứng dụng nhiều nhất Các phương pháp xử lý nitơ bằngvật lý, hoá học, sinh học và hiệu quả xử lý (tham khảo) của nó được trình bày trongsau:

Bảng 2.1: Xử lý nitơ bằng phương pháp vật lý

Tác dụng cơ lý Các hợp chất nitơ Hiệu quả khử

TKN (%)Nitơ hữu cơ (%) NH 3 - 

Thẩm thấu ngược 60 – 90 60 – 90 60 – 90 80 – 90

Bảng 2.2: Xử lý nitơ bằng phương pháp hoá học

Công nghệ

hoá học

Các hợp chất nitơ Hiệu quả khử

TKN (%)Nitơ hữu cơ (%) NH 3 - 

4

(%)Khử bằng Clo Không chắc chắn 90 – 100 Nhẹ 80 – 95 Kết tủa bằng

Trao đổi ion

chọn lọc

Bảng 2.3: Xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học

Công nghệ

xử lý

Các hợp chất nitơ Hiệu quả khử

TKN (%)Nitơ hữu cơ (%) NH 3 - 

Nuôi, thu hoạch

sinh khối tảo

NH

Một ít do khíđẩy

Một ít donitrat hoá vàphản nitrithoá

20 – 90

Trong phương pháp xử lý bằng sinh học, phương pháp xử lý theo truyền thốngđược phát triển từ lâu và hiện vẫn còn được ứng dụng rộng rãi cho xử lý nitơ trongnước thải Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế khi xử lý cho nước thải có hàmlượng nitơ cao và carbon thấp như nước rỉ rác, nước lắng bể phân huỷ bùn, bể biogas…cho hiệu quả xử lý thấp

Trong những năm gần đây, một phương pháp mới đang được nghiên cứu và ứngdụng là sử dụng nhóm vi khuẩn anamox để loại bỏ nitơ

2.2.1 Phương pháp truyền thống

Phương pháp truyến thống là sử dụng quá trình nitrat hoá và khử nitrat để thựchiện xử lý nitơ trong nước thải Quá trình xử lý nitơ sẽ lần lượt trải qua quá trình nitrathoá chuyển dạng ammonia (NH4-N) sang dạng nitrit (NO2-N) và nitrat (NO3-N) Sauđó quá trình khử nitrat sẽ chuyển dạng nitrit và nitrat thành khí N2 bay thoát ra ngoàikhông khí.

2.2.1.1 Cơ sở lý thuyết

a) Quá trình nitrat hoá

 Phương trình hoá học nitrat hoá

Qúa trình nitrat hoá được dùng để mô tả hai bước chuyển hoá sinh học gồm:

 Giai đoạn 1: Ammonia (NH4-N) sẽ bị oxi hoá thành nitrit (NO2-N)

 Giai đoạn 2: Nitrat (NO2-N) sẽ tiếp tục bị oxi thành nitrat (NO3-N)

Phản ứng mô tả quá trình xảy ra như sau:

2  4

NH + 2 O2  2 

3

NO + 2H + 2 H2O (2.11)Dựa vào phản ứng tổng quát (2.11), nhu cầu oxy cho oxi hoá hoàn toàn NH4-Nlà 4.57 g O2 /g N bị oxi hoá Trong đó có 3.43 g O2 /g N cho oxi hoá NH4-N thành

Bỏ qua tế bào được hình thành, lượng kiềm cho vào trong phản ứng được ướclượng dựa vào phản ứng:

 4

như vậy có [2  (50gCaCO 3/eq)/14] =7,14 g độ kiềm/g N (ammonia) chuyểnhoá.

Kèm theo năng lượng thu được, một phần ion ammonium 

4

NH được đồng hoávào trong mô tế bào Phản ứng tổng hợp tạo sinh khối được biểu diễn theo phảnứng sau:

Có thể sử dụng những phản ứng cân bằng điện tử để xác định phản ứng tổngquát cho quá trình nitrat hoá:

O2/g N thấp hơn so với 4.57 g O2/g N của phương trình (2.11) Tương tự độ kiềmlà 7.07 g CaCO 3 cũng thấp hơn 7,14 g CaCO 3 so với phương trình (2.13) khikhông tính chuyển hoá NH4-N vào trong tế bào

Theo Werzernak và Gannon đã tính được lượng tổng oxi tiêu thụ cho nitrat hoá

là 4.33 g O2 /g N trong đó có 3.22 g O2 /g N cho oxi hoá NH4-N thành 

2

NO và 1.11 gO2 /gN cho oxi hoá 

Mg = 0.03; Mo =0.001; Ni = 0.1 và Zn = 1 (mg/l)

 Phương trình động học sinh trưởng nitrat hoá

Khi vận hành hệ thống nitrat hoá ở nhiệt độ < 28 C, động học oxi hoá NH4-Nđối nghịch với oxi hoá NO2-N ở mức độ giới hạn Vì thế, khi thiết kế sẽ dựa trênđộng học oxi hoá NH4-N với điều kiện nồng độ oxi đủ cho quá trình.

dn n

nm

N K

 : tốc độ sinh trưởng riêng cực đại vi khuẩn nitrat hoá (1/ngày)

N : nồng độ nitơ (g/m3 hay mg/lít)

20 ngày ở 10 0C và 4 đến 7 ngày ở 20 0C

Trên 28 0C, động học của sự oxi hoá ammonia và cả oxi hoá nitrit xem nhưtương đương Khi nâng cao nhiệt độ, mối quan hệ động học giữa oxi hoá NH4-Nvà NO2-N thay đổi NO2-N sẽ tích tụ lại nếu giá trị SRT thấp

Với hệ thống nitrat hoá sử dụng bùn hoạt tính xáo trộn hoàn toàn với điềukiện thích hợp đầy đủ: ở nhiệt độ < 25 0C, DO đầy đủ, nồng độ NO2-N sẽ ít hơn0.1 mg/lít - nhỏ hơn so với NH4-N có nồng độ trong khoảng (0.5  1 mg/lít) Tuynhiên, giai đoạn đầu chuyển NO2-N sang NO3-N, nồng độ NO2-N sẽ rất lớn hơn

so với nồng độ NH4-N Vi khuẩn chuyển NO2-N thành NO3-N sẽ không hoạtđộng cho đến khi vi khuẩn chuyển NH4-N thành NO2-N tạo ra NO3-N

Mức độ nitrat hoá phụ thuộc vào nồng độ oxi trong bùn hoạt tính Đối chiếuvới vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí chuyển hoá hợp chất hữu cơ, nồng độ DO chonitrat hoá tăng từ 3  4 mg/lít Nếu tính đến ảnh hưởng của DO, công thức (2.15)đước biểu diễn thành:

dn n

nm

DO K

DO N

K0: nồng độ oxi bán bão hoà (g/m3)Những công thức trên dùng áp dụng cho tải trọng chất hữu cơ từ thấp tới trungbình Những công thức này hoàn toàn không thể hiện được mức độ nitrat hoá ở

tải trong hữu cơ cao Theo Stenstrom và Song (1991) cho thấy ảnh hưởng DO vào

quá trình nitrat hoá phụ thuộc vào kích cỡ hạt bùn hoạt tính, mật độ và tổng nhucầu oxy cần thiết để hòa trộn Với kích thước hạt bùn từ 100  400 m vi khuẩnnitrat hoá sẽ được phân bố bên trong một hạt bùn chứa cả vi khuẩn dị dưỡng vàchất rắn Oxi sẽ được khuếch tán vào trong hạt bùn, những vi khuẩn sâu bêntrong hạt bùn nhận nồng độ oxi ít hơn Ơû tải trọng cao, có một lượng lớn nồng độ

cơ chất trong nước thải xáo trộn, đó là nguyên nhân gây ra mức độ tiêu thụ oxicao hơn ở trong hạt bùn Vì thế, cần có nồng độ oxi hòa tan lớn hơn để giữ mứcđộ oxi bên trong hạt và mức độ nitrat hoá

Ơû nồng độ DO thấp (< 0.5 mg/l), đó là mức độ oxi gây ra hạn chế quá trìnhnitrat hoá Khi DO thấp, Nitrobacter dễ bị ảnh hưởng hơn so với nitrosomonas.Trong những trường hợp như thế, nitrat hoá sẽ không hoàn thành và sẽ làm giatăng nồng độ NO2-N trong nước thải Sự hiện diện nitrit trong nước thải sẽ gâyvấn đề nếu khử trùng bằng clo vì nitrit dễ bị clo oxi hoá 4g Clo/g NO2-N

 Vi sinh vật tham gia nitrat hoá

Vi khuẩn tham gia phản ứng nitrat hoá là vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng (trongbùn hoạt tính hoặc trên lớp film sinh học) Do quá trình nitrat hoá gồm 2 giaiđoạn nên sẽ có 2 nhóm vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng hoàn toàn khác nhau tham gia

vào 2 giai đoạn đó Việc sắp xếp các nhóm vi khuẩn nitrat hoá được thực hiện

bởi Winogradsky (1981).

 Giai đoạn 1: NH4-N (ammonia) sẽ bị oxi hoá thành NO2-N (nitrat) gồm các

vi khuẩn có tên đầu là nitroso- thường gọi là vi khuẩn oxi hoá ammonium(ammonium oxidizing bacteria – AOB): nitrosococcus, nitrosospira,

nitrosolobus và nitrosorobrio (Painter – 1970) Trong đó nitrosococcus chiếm chủ yếu (Wagner et al – 1995).

 Giai đoạn 2: NO2-N (nitrat) sẽ tiếp tục bị oxi thành NO3-N (nitrat) gồm các

vi khuẩn có tên đầu nitro-, thường gọi là NOB: nitrobacter, nitrococcus,nitrospira, nitrospina và nitroeystis Trong đó nitrococcus chiếm chủ yếu

trong bùn hoạt tính (Teske et al – 1994)

Giữa AOB và NOB có những khác biệt về điều kiện tăng trưởng, do đó có thểsử dụng khác biệt này để chọn lọc ra vi khuẩn thích hợp theo ưu thế cạnh tranh

Ví dụ: ở nhiệt độ thấp (< 28 0C), tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của AOB <NOB, nhưng hệ số nhiệt van’t Hoff lại lớn hơn, nên ở nhiệt độ cao (> 28 0C),AOB có ái lực oxy < NOB (0,63 mg O2/lit so với 1,32 mg O2/lit ) nên ở điều kiệnoxi hạn chế, AOB sẽ chiếm ưu thế

 Các yếu tố ảnh hướng đển quá trình nitrat hoá

 pH:

Quá trình nitrat hoá rất nhạy cảm đối với pH pH tối ưu cho sự nitrat hoálà: 7.5 – 8 pH duy trì mức độ nitrat hoá là 7 – 7.2 pH < 6.8 quá trình nitrathoá sút giảm pH từ 5.8 – 6 mức độ nitrat hoá chỉ bằng 10 – 20 % khi pH = 7

(U.S.EPA, 1993) Giá trị pH từ 7 – 7.2 thường sử dụng duy trì mức độ nitrat

hoá hợp lý Đối với nguồn thải có độ kiềm thấp, kiềm có thể được cho thêmvào để duy trì độ pH thích hợp Lượng kiềm cho vào phụ thuộc vào nồng độkiềm ban đầu và nồng độ NH4-N bị oxi hoá Có thể thêm độ kiềm dưới dạngrải bột soda, sodium bicarbonate hay magnesium hydroxide phụ thuộc vào giáthành và chuỗi phản ứng diễn ra

 Độ độc tính

Vi khuẩn nitrat hoá trất nhạy cảm với các độc chất hữu cơ và vô cơ khácnhau ở nồng độ thấp hơn nhiều so với nồng độ độc chất có thể ảnh hưởng đến

vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng Trong nhiều trường hợp, mức độ nitrat hoá có thể

bị ngăn cản mặc dù các vi khuẩn tiếp tục sinh trưởng, chuyển hoá NH4-N và

NO2-N, nhưng mức độ chuyển hoá thì giảm rõ Trong một số trường hợp, chấtđộc có thể giết chết vi khuẩn

Vi khuẩn nitrat hoá có thể là những chỉ thị rõ cho sự tồn tại chất độc ở

nồng độ thấp (Blum và Speece, 1991) Hợp chất độc ở nồng độ thấp đã được liệt kê bởi Hockenbury và Gady (1977) và Sharma và Ahlert (1977).

Hợp chất gây độc bao gồm: chất hoá học vô cơ hoà tan, amin, protein,tannin, hợp chất phenol, alcohol, cyanate, etê, carbamat và benzen

 Kim loại

Những kim loại ảnh hưởng đến nitrat hoá được Skinner và Walker (1961)

liệt kê: Ni (ở 0.25 mg/l), Chromium và đồng (0.1 mg/l)

 Ammonia không ở dạng ion

Nitrat hoá cũng bị kìm hãm bởi những ammonia không ở dạng ion hayammonia tự do (NH3) và những nitrous acid không ở dạng ion (HNO2) Sự ảnhhưởng tuỳ thuộc vào tổng nồng độ các loại nitơ, nhiệt độ và pH Ơû nhiệt độ 20

0C và pH = 7, nồng độ NH4-N tại 100 mg/l hay 20 mg/l có thể ngăn cản oxihoá NH4-N và NO2-N, tương ứng, nồng độ NO2-N ở 280 mg/l có thể ngăn cảnsự oxi hoá NO2-N

b) Quá trình khử nitrat

 Phương trình hoá học khử nitrat hoá

Quá trình khử nitrat sinh học chính là sự oxi hoá các vật chất hữu cơ trongnước thải bằng cách sử dụng nitrat hay nitrit như chất nhận điện tử thay vì là oxi.Trong trường hợp không có DO hay DO dưới mức giới hạn, enzym khử nitrattrong chuỗi hô hấp chuyển đổi điện tử sẽ được tạo ra và giúp chuyển H+ và e+ tới

nitrat Phản ứng khử nitrat bao gồm các bước từ nitrat sang nitrit, sang nitric oxit,sang nitrous oxit, sang khí nitơ:

 3

2

NO  NO  N2O N 2 (2.17)Trong quá trình loại bỏ nitơ, chất cho điện tử được phân thành ba loại sau:bsCOD trong nước thải, bsCOD được tạo ra từ phân huỷ nội bào, và nguồn ngoạisinh thêm vào như methanol, acetate Nguồn ngoại sinh thêm vào trong một bểxử lý riêng biệt sau giai đoạn nitrat hoá khi mà không còn bsCOD Phương trìnhphản ứng tương ứng với các chất cho điện tử như sau với C10H19O3N thể hiệncông thức chất hữu cơ trong nước thải :

Từ phản ứng trao đổi oxi hoá, bằng sử dụng nitrat thay thế cho oxi làm chấtnhận điện tử, phản ứng được xác định như sau (trong đó phản ứng được xác địnhdựa trên cân bằng điện tử)

 Oxi :

O H 0.5 e

H O

 Cho nitrat :

O H 0.6 N 0.1 e

H 1.2 NO

 Cho nitrit :

O H 0.17 N

0.67 e

H 33 1 NO

So sánh trao đổi điện tử từ các phản ứng trên thì có khoảng 0.25 mol oxi tươngđương 0.2 mol nitrat cho trao đổi một điện tử Nghĩa là, qui ra có 0.25  32 g= 8 goxi/ 1 mol điện tử tương đương với 0.2  14 =2.8 g nitrat/1 điện tử, tức 2.86 goxi/ 1 g NO3-N cho một trao đổi điện tử Tương tự, so với nitrit sẽ là 1.71 g oxi / 1

g NO2-N cho một trao đổi điện tử

Trong khử nitrat sinh học, mục đích thiết kế chính là khử nitrat Vì thế mộtthông số thiết kế quan trọng là hàm lượng của bsCOD hay BOD cần để cung cấpđủ lượng chất cho điện tử cho việc loại bỏ nitrat Công thức tổng quát là ướclượng khoảng 4 g BOD cần cho 1 g 

3

NO bị khử (Barth et al, 1968) Tuy nhiên

giá trị thực sự phụ thuộc vào các điều kiện vận hành hệ thống và loại chất chođiện tử là gì Tỉ lệ giữa bsCOD/ NO3-N có mối liện quan đến sự phát triển sinhkhối Có thể xác định tỉ lệ này dựa trên sự thừa nhận và các yếu tố sau đây

(Randall et al., 1992) Lưu ỳ rằng vì có SRT dài bao gồm cả quá trình nitrat hoá

nên những phân tích trên cũng được áp dụng cho bCOD gồm những chất keo vàhạt nhỏ Từ trạng thái cân bằng ổn định COD, cho thấy bsCOD bị oxi hoá haycung cấp cho sự phát triển tế bào

Với bsCODr: bsCOD đã sử dụng (g/ngày)

bsCODsyn: bsCOD tham gia sự tổng hợp tế bào (g/ngày)bsCOD0: bsCOD đã bị oxi hoá (g/ngày)

bsCODsyn có thể được xác định từ sự sinh trưởng sinh khối và tỉ lệ 1.42 g O2/gVSS Oxi cho phát triển sinh khối cân bằng với bsCOD hình thành tế bào

bsCODsyn = 1.42 Yn bsCODr

(từ cân bằng oxi cần cho sinh khối với bsCOD được tổng hợp)

với Yn : hệt số sản lượng tế bào (g VSS/g bsCOD)