Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng các quá trình kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí kết hợp với hai bậc nạp nước (a2o2)

NGUYỄN THANH HÙNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ, HIẾU KHÍ, THIẾU KHÍ KẾT HỢP VỚI HAI BẬC NẠP NƯỚC A2O2 Chuyên ngành: Công nghệ môi trường LUẬN VĂN THẠC

NGUYỄN THANH HÙNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ, HIẾU KHÍ, THIẾU KHÍ KẾT HỢP VỚI HAI

BẬC NẠP NƯỚC (A2O2)

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tấn Phong

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Đinh Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Thanh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP Hồ Chí Minh ngày …… tháng …… năm 2011

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn được sửa chữa

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

TP Hồ Chí Minh, ngày …… tháng … năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Nguyễn Thanh Hùng Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 11/08/1980 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành : Công nghệ môi trường MSHV: 02508598

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÁC QUÁ

TRÌNH KỴ KHÍ, HIẾU KHÍ, THIẾU KHÍ KẾT HỢP VỚI HAI BẬC NẠP NƯỚC (A2O2)

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Bước đầu xác định tỉ lệ nạp nước 2 bậc tối ưu cho hệ thống để xử lý chất hữu cơ, nitơ, photpho đạt hiệu quả

- Bước đầu xác định thời gian lưu nước (tải trọng nạp chất ô nhiễm) hợp lý để đạt hiệu quả xử lý nitơ, photpho cao nhất bằng công nghệ A2O2

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nạp nước và tải trọng nạp (thời gian lưu nước) lên quá trình loại bỏ COD, quá trình nitrate hoá, quá trình khử nitrate và quá trình loại bỏ photpho

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: tháng 2/ 2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: tháng 11/2010

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TẤN PHONG

TS NGUYỄN TẤN PHONG

PĐT SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ ĐÀO TẠO

Kết quả của luận văn này là niềm mong mỏi và cố gắng của tôi với sự giúp đỡ của những người Thầy, người bạn và gia đình mà tôi không thể nào quên ơn

Trước hết xin ghi nhớ công ơn TS Nguyễn Tấn Phong đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Xin ghi nhớ công ơn các Thầy, Cô giảng dạy cao học cũng như cán bộ nhân viên phòng thí nghiệm ở Khoa Môi trường, Đại học Bách Khoa

Tp Hồ Chí Minh đã tận tâm chỉ dạy và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập

và thực hiện luận văn Xin ghi nhớ công ơn Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật-Công nghệ-Môi trường và Ban Giám hiệu Trường Đại học An Giang đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian quý báu để hoàn thành luận văn Xin cám ơn anh, chị, em học viên lớp Cao học Công nghệ Môi trường khóa 2008 đã giúp đỡ, chia sẻ và động viên tinh thần trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng xin cảm ơn ba mẹ, anh em trong gia đình đã cổ vũ và ủng hộ tôi trong

suốt thời gian qua

Xin tri ân

Nguyễn Thanh Hùng

hiếu khí, thiếu khí và hiếu khí kết hợp với 2 bậc nạp nước vào ngăn kỵ khí và ngăn thiếu khí Mục đích của nghiên cứu là bước đầu xác định tỷ lệ nạp nước và thời gian lưu nước của quá trình bằng việc khảo sát hiệu suất xử lý đồng thời chất hữu cơ, nitơ

và phospho trong nước thải sinh hoạt Nghiên cứu được thực hiện với tổ hợp của 3 thời gian lưu nước (14 giờ, 10 giờ và 8 giờ) và 3 tỷ lệ nạp nước vào mô hình Q1/Q2 (6: 4, 7: 3, 8: 2) Mô hình hình được thiết lập với các ngăn kỵ khí, hiếu khí 1, thiếu khí và hiếu khí 2 với thể tích tương ứng là 3 lít, 9 lít, 3 lít và 3 lít Tổng thể tích mô hình là 18 lít Nước thải nghiên cứu là nước thải thực được lấy từ cống thải chung trước cống vào

hệ thống xử lý nước thải tập trung của Khu Căn hộ Cao cấp Hoàng Anh Gia Lai, Quận

7, Tp Hồ Chí Minh Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 3 đến 9 năm 2010 tại phòng thí nghiệm Công nghệ môi trường, Khoa Môi trường, Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Mô hình thiết lập và chạy thích nghi với thời gian 1 tháng và tiến hành khảo sát hiệu suất của các điều kiện thí nghiệm Với hàm lượng MLSS duy trì trong các bể dao động

từ 2100 – 3100 mg/l Thời gian lưu bùn (SRT) là 20 ngày Tuần hoàn bùn từ bể lắng

về ngăn kỵ khí bằng 80% lưu lượng nước tổng vào mô hình

Kết quả của nghiên cứu được đánh giá qua hiệu quả xử lý chất hữu cơ, Nitrat hóa, khử nitrat, loại bỏ ammonia và phospho của quá trình Với bước đầu nghiên cứu 9 trường hợp của quá trình cho thấy các chỉ tiêu đầu ra điều đạt QCVN hiện hành So sánh hiệu quả của quá trình có tính đến hiệu quả kinh tế vận hành (thời gian lưu nước thấp) nhận thấy trường hợp nghiên cứu thứ 8 với tỷ lệ nạp nước 2 bậc Q1: Q2 là 70: 30% và thời gian lưu nước 8 giờ là hiệu quả nhất với hiệu quả xử lý COD, TKN, ammonia, phospho tương ứng là 87.53, 85.15, 85.85, 43.96% bị loại bỏ, nitrat đầu ra sau xử lý là 12.66 mg/l (QCVN 14, cột A là 30 mg/l) và SVI là 111.4 ml/g Nghiên cứu cho thấy quá trình này có khả năng xử lý được đồng thời chất hữu cơ, nitơ, phospho đạt các tiêu chuẩn môi trường đồng thời tiết kiệm năng lượng hơn các quá trình xử lý đồng thời các chất ô nhiễm này như quá trình UCT, Bardenpho cải tiến, A2O,… Bởi vì quá trình

This thesis presents a pilot-scale reactor study including anaerobic, aerobic, anoxic and aerobic in serial with two stepwise feeding into anaerobic and anoxic The purpose of this study is the basic to determine the rate of water loading and retention time of the process by performing simultaneous processing of organic matter, nitrogen and phosphorus in waste water The study was performed with combinations of three hydraulic retention time (14 hours, 10 hours and 8 hours) and three water ratio loaded into the model Q1/Q2 (6: 4, 7: 3, 8: 2) The model is set up with the anaerobic , an aerobic 1, an anoxic and an aerobic 2 volume corresponding to 3 liters, 9 liters, 3 liters and 3 liters Total volume is 18 liters Sewage wastewater research is actually taken from the general sewage before the sewage into the wastewater treatment system of Hoang Anh Gia Lai supper Apartment, District 7, Ho Chi Minh city The study was carried out from March to 9 in 2010 in the laboratory Environmental Technology, Faculty of Environment, Ho Chi Minh University of Technology

Model setup and run time to adapt to a month and to survey the performance of the experimental conditions To maintain the MLSS concentration in the basin range from

2100 - 3100 mg / l Sludge retention time (SRT) was 20 days Circulating sludge from the anaerobic tank to prevent 80% of the total water flow model

Results of the study was assessed through efficient processing of organic matter, nitrification, denitrification, ammonia and phosphorus removal process Compare the effectiveness of the process taking into account economic efficiency operation (low retention time) see case study No 8 with 2 levels of water loading rate Q1: 70 Q2: 30% and HRT 8 hours is the most effective treatment efficiency of COD, TKN, ammonia, phosphorus, respectively, 87.53, 85.15, 85.85, 43.96% removal, nitrate output after treatment was 12.66 mg / l (QCVN 14, column A is 30 mg / l) and SVI was 111.4 ml / g Research shows that this process is capable of simultaneously processing organic matter, nitrogen, phosphorus reaching the environmental standards and energy efficient than other processes, such as UCT, Bardenpho improvements,

A2O processes Because this process does not have the internal nitrate circulation

Hình 2.2 Quá trình A2O 18

Hình 2.3 Quá trình Bardenpho cải tiến 5 ngăn 19

Hình 2.4 Quá trình UCT cải tiến 20

Hình 2.5 Quá trình VIP 20

Hình 2.6 Quá trình Jonhannesburg 21

Hình 2.7 Các giai đoạn lên men kỵ khí .23

Hình 2.8 Quá trình chuyển hóa nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học .26

Hình 2.9 Quá trình chuyển hóa phospho trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 27

Hình 2.10 Quy trình công nghệ cơ bản xử lý phospho bằng quá trình sinh học .28

Hình 2.11 Sự biến đổi BOD hòa tan và phốtpho trong hệ thống bể phản ứng khử Phốtpho 29

Hình 3 1 Mô hình thí nghiệm 36

Hình 3.2 Sơ đồ hoạt động của mô hình .37

Hình 3.3 Sơ đồ cân bằng vật chất của quá trình 40

Hình 4.1 Chỉ số SVI trong giai đoạn thích nghi của bể hiếu khí 1 và 2 45

Hình 4.2 Nồng độ MLSS trong các ngăn mô hình trong giai đoạn thích nghi 45

Hình 4 3 COD đầu vào, COD đầu ra và hiệu suất loại bỏ COD trong suốt quá trình nghiên cứu 47

Hình 4 4 COD đầu vào, COD đầu ra và hiệu quả loại bỏ COD trung bình của 9 trường hợp nghiên cứu .48

Hình 4 5 Mối liên hệ giữa tỉ lệ nạp và thời gian lưu nước với hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ 50

Hình 4.6 Quá trình loại bỏ Amonia trong suốt quá trình nghiên cứu 51

Hình 4 7 Diễn biến nồng độ NH3 trong suốt quá trình loại bỏ NH3 của quá trình 52

Hình 4 8 Hiệu quả loại bỏ NH3 trung bình qua 9 nghiên cứu của quá trình 53

Hình 4.13 Quá trình loại bỏ TKN trong suốt quá trình nghiên cứu 59 Hình 4.14 Loại bỏ TKN trung bình của các điều kiện nghiên cứu 59 Hình 4.15 Loại bỏ phospho trong suốt quá trình nghiên cứu .61 Hình 4.16 Loại bỏ phospho trung bình của từng trường hợp trong quá trình nghiên cứu 61 Hình 4.17 Mối quan hệ giữa tỷ lệ nạp và thời gian lưu nước với hiệu quả loại bỏ

phospho 63 Hình 4 18 Chỉ số SVI trung bình của các trường hợp nghiên cứu 65 Hình 4 19 Hiệu suất loại bỏ COD, TKN, Ammonia và phospho trong các trường hợp nghiên cứu 66

Bảng 2.1 Khối lượng chất bẩn có trong nước thải sinh hoạt 8

Bảng 2.2 Tải lượng và nồng độ chất bẩn trong nước thải sinh hoạt từ các ngôi nhà hay cụm dân cư độc lập 8

Bảng 2.3 Thành phần nước thải sinh hoạt đặc trưng 7

Bảng 3.1 Thông số thể tích các vùng trong mô hình 36

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 39

Bảng 4.1 Chỉ số SVI của ngăn hiếu khí 1 và hiếu khí 2 trong quá trình thích nghi .44

Bảng 4 2 Nồng độ MLSS trong các ngăn trong quá trình thích nghi 45

Bảng 4 3 Tải trọng trung bình COD nạp vào mô hình và hiệu suất loại bỏ trung bình của A2O2 46

Bảng 4 4 Hiệu quả loại bỏ amonia trung bình của quá trình qua 9 trường hợp nghiên cứu 52

Bảng 4 5 Diễn biến nitrate trung bình tại các ngăn trong các trường hợp nghiên cứu (mg/l) 56

Bảng 4.6 Hiệu quả xử lý TKN của quá trình 59

Bảng 4.7 Hiệu quả xử lý phospho của quá trình 61

Bảng 4.8 Nồng độ MLSS trong các ngăn trong suốt quá trình nghiên cứu 65

Bảng 4.9 Chỉ số SVI trung bình trong các trường hợp nghiên cứu 65

Bảng 4.10 Hiệu suất và điều kiện vận hành của các trường hợp nghiên cứu 66

Anaerobic: Quá trình kỵ khí/ điều kiện kỵ khí/ bể xử lý kỵ khí

Anoxic: Quá trình thiếu khí/ điều kiện thiếu khí/ bể xử lý thiếu khí

A2O2: Quá trình kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí kết hợp với hai bậc nạp nước thải

AOBs: Vi khuẩn oxi hóa Ammonia

BOD: Nhu cầu oxy sinh học

BRP: Quá trình xử lý sinh học

bsCOD: chất hữu cơ hòa tan phân hủy sinh học

COD: Nhu cầu oxy hóa học

F/M: Tỷ lệ chất dinh dưỡng, chất hữu cơ/ lượng vi sinh vật, vi khuẩn

HRT: Thời gian lưu nước thủy lực

MLVSS: Chất rắn lơ lững bay hơi trong hệ bùn lỏng

MLSS: Chất rắn lơ lững trong hệ bùn lỏng

PHB: Polyhydroxybutyrate

PAOs: Vi sinh vật tích lũy phốtpho

P-PO 43-: Phốtphat

RBOM: Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học

rbCOD: chất hữu cơ phân hủy sinh học

SRT: Thời gian lưu bùn

MỤC LỤC

Chương 1 MỞ ĐẦU 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Mục tiêu 4

1.3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 5

1.4 Nội dung nghiên cứu: 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

1.6 Tính mới của đề tài 6

1.7 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài 7

Chương 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 8

2.1 Tổng quan về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt 8

2.2 Tổng quan về quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng trong nước thải 12

2.2.1 Quá trình nitrat hóa 12

2.2.2 Quá trình khử nitrat 15

2.2.3 Nguyên lý loại bỏ phốtpho 16

2.3 Tổng quan về một số quá trình xử lý chất hữu cơ kết hợp với xử lý chất dinh dưỡng trong nước thải 18

2.3.1 Quá trình Phoredox (A/O) 18

2.3.2 Quá trình kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí kết hợp (A2O) 18

2.3.3 Quá trình Bardenpho cải tiến 5 ngăn 19

2.3.4 Quá trình UCT cải tiến 20

2.3.5 Quá trình VIP 20

2.3.6 Quá trình Johannesburg 21

2.4 Tổng quan về công nghệ A2O2 22

2.5 Tình hình nghiên cứu công nghệ ngoài nước và trong nước 31

Chương 3 VẬN HÀNH MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 35

3.1 Đối tượng nghiên cứu 35

3.2 Mô hình nghiên cứu 35

3.3 Vận hành mô hình 37

3.4 Cách thu, bảo quản và phân tích mẫu 38

3.5 Cân bằng sinh khối trong mô hình thí nghiệm 40

Hình 3.3 Sơ đồ cân bằng vật chất của quá trình 40

X0,X1, X2, X3, X4, XR lần lượt là sinh khối của nước thải đầu vào, ngăn kỵ khí, hiếu khí 1, thiếu khí, hiếu khí 2 và ngăn lắng 40

3.6 Nội dung thí nghiệm 42

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 44

4.1 Giai đoạn thích nghi và ổn định mô hình nghiên cứu 44

4.2 Nghiên cứu khả năng loại bỏ chất hữu cơ 46

4.3 Nghiên cứu loại bỏ Nitơ trong nước thải của quá trình 50

4.4 Hiệu quả xử lý phospho của quá trình 60

4.5 Hiệu quả lắng của quá trình và duy trì nồng độ MLSS trong suốt quá trình 64

4.6 So sánh hiệu quả xử lý các trường hợp nghiên cứu 66

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

5.1 Kết luận 68

5.2 Kiến nghị 68

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 73

Để bảo vệ nguồn nước khỏi bị ô nhiễm ảnh hưởng đến hệ thủy sinh thực vật cũng như nước cấp ngoài việc kiểm tra giám sát lượng chất hữu cơ, các chất độc hại

từ các nguồn thải đổ vào nguồn tiếp nhận (sông, hồ,….) mà còn phải đặc biệt quan tâm đến các chỉ số Nitơ, Phốtpho đổ vào nguồn tiếp nhận Nitơ và phốtpho là 2 nhân tố chính gây nên hiện tượng phú dưỡng ở các sông hồ, là tác nhân chính dẫn tới những hồ chết, dòng sông chết Để đảm bảo nguồn nước không bị ô nhiễm và sử dụng được lâu dài, nước thải cần phải được xử lý triệt để trước khi xả ra môi trường

Hiện nay trên thế giới và Việt Nam cũng đã áp dụng nhiều phương pháp xử

lý nước thải sinh hoạt đô thị, công nghiệp đạt yêu cầu đảm bảo các tiêu chuẩn môi trường Tuy nhiên việc ứng dụng một công nghệ để xử lý nước thải đạt yêu cầu về

kỹ thuật, chất lượng nước đầu ra chúng ta cần phải nghiên cứu và lựa chọn công

nghệ sao cho giá thành chi phí thấp nhất để đảm bảo tính tối ưu về kinh tế, kỹ thuật

và môi trường

Công nghệ xử lý nitơ, phốtpho trong nước thải sinh hoạt đã được nghiên cứu

và đạt được nhiều kết quả Các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt loại bỏ chất hữu

cơ, Nitơ, Phốtpho như: quá trình A2O (Anaerobic/ Anoxic/ Oxic), quá trình Ludzack – Ettinger cải tiến, quá trình Bardenpho cải tiến, quá trình University of Cape Town (UCT)… được nghiên cứu và áp dụng ở nhiều nước trên thế giới Trong các quá trình này, vi khuẩn khử nitrate đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nitơ và vi sinh vật tích lũy phốtpho (PAOs) đóng vai trò quan trọng trong việc loại

bỏ photpho sinh học đầu vào Tuy nhiên, các công nghệ này chưa được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam Công nghệ bùn hoạt tính đã được sử dụng như một công nghệ kinh điển trong công tác xử lý nước thải ở nước ta

Từ cơ sở của các quá trình trên, nghiên cứu này nhằm mục đích ứng dụng công nghệ kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí kết hợp với 2 bậc nạp nước (A2O2) (Anaerobic/ Oxic/ Anoxic/ Oxic) xử lý nước thải sinh hoạt Đây là một công nghệ gồm 4 giai đoạn: kỵ khí/ hiếu khí/ thiếu khí/ hiếu khí nối tiếp nhau với nước thải nạp vào hệ thống theo 2 bậc (Q1/Q2) (tại đầu vào hệ thống (ngăn kỵ khí) và tại ngăn thiếu khí) Với sự kết hợp các quá trình kỵ khí/ hiếu khí/ thiếu khí/ hiếu khí, A2O2 có khả năng xử lý được chất hữu cơ, nitơ, phốtpho trong nước thải sinh hoạt

Mục tiêu cụ thể:

- Bước đầu xác định tỉ lệ nạp nước 2 bậc tối ưu cho hệ thống để xử lý chất hữu

cơ, nitơ, photpho đạt hiệu quả

- Bước đầu xác định thời gian lưu nước (tải trọng nạp chất ô nhiễm) hợp lý để đạt hiệu quả xử lý nitơ, photpho cao nhất bằng công nghệ A2O2

1.3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

 Phạm vi nghiên cứu: Nước thải có thành phần hữu cơ và chất dinh dưỡng

 Đối tượng nghiên cứu cụ thể: nước thải sinh hoạt của khu Căn hộ Cao cấp Hoàng Anh Gia Lai, Quận 7, Thành phố Hồ Chí Minh

1.4 Nội dung nghiên cứu:

 Khảo sát nước thải đầu vào

 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nạp nước và tải trọng nạp (thời gian lưu nước) lên quá trình loại bỏ COD, quá trình nitrate hoá, quá trình khử nitrate và quá trình loại bỏ photpho

 Chọn thông số tối ưu cho việc thiết kế và vận hành

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu biện hội

Tham khảo, tổng hợp số liệu về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt theo các tài liệu trong và ngoài nước Tìm hiểu nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải, những nghiên cứu đã được thực hiện trong và ngoài nước

Thu thập, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện về xử lý loại bỏ nitơ, phospho trong nước thải cũng như các công trình đã áp dụng trên thế giới để có cơ

sở và phương hướng nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình

Mô hình nghiên cứu được xây dựng bằng kính trong, đảm bảo các điều kiện sinh trưởng cũng như hoạt động của vi sinh trong nghiên cứu Nước thải thực cung cấp chạy cho mô hình nghiên cứu Các mẫu phân tích được lấy từ mô hình, phân tích các chỉ tiêu nghiên cứu

1.5.4 Phương pháp xử lý số liệu và nhận xét

Từ số liệu thô, tính toán hiệu suất xử lý, hiệu suất chuyển hóa, vẽ đồ thị và đưa ra những phân tích nhận xét đánh giá và kết luận

1.6 Tính mới của đề tài

Hiện nay việc xử lý nước thải ở Việt Nam ngoài xử lý chất hữu cơ còn rất quan tâm tới chỉ tiêu xử lý Nitơ, phốtpho Việc xử lý nitơ, phốtpho làm cho chi phí

xử lý 1 m3 nước thải tăng cao Nghiên cứu áp dụng công nghệ A2O2 xử lý chất hữu

cơ kết hợp xử lý chất dinh dưỡng trong nước thải là một một hướng nghiên cứu mới

ít tốn năng lượng hơn các quá trình khác (không có dòng tuần hoàn nitrat nội bộ như các quá trình xử lý nitrat thông thường) Đồng thời công nghệ này hiện nay ở Việt Nam chưa có nghiên cứu và ứng dụng nào cho xử lý nước thải

Trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu về xử lý nước thải bằng công nghệ nạp nước nhiều bậc (nhiều hơn 2 bậc) và đa phần các nghiên cứu được thực hiện

trên nước thải nhân tạo Guibing Zhu cho rằng: “Nét đặc trưng của quá trình này có

thể được áp dụng cho các nhà máy xử lý nước thải mới hay những tồn tại của các nhà máy xử lý nước thải Nhưng hầu hết các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở phân

tích lý thuyết và mô phỏng trên máy tính” (Guibing Zhu, 2009)

Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời tổ hợp của tỷ lệ nạp nước thải 2 bậc

và thời gian lưu nước trên nước thải sinh hoạt cụ thể xử lý đồng thời chất hữu cơ và chất dinh dưỡng Nhằm làm cơ sở để xây dựng hoàn chỉnh một công nghệ xử lý

nước thải đạt yêu cầu về môi trường mà ở Việt Nam chưa có công trình hay nghiên cứu nào về công nghệ này

1.7 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

Tính khoa học:

- Nghiên cứu góp phần bổ sung vào những thông số dữ liệu cho công tác nghiên cứu xử lý chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải nói chung

và nước thải sinh hoạt nói riêng

- Nghiên cứu làm cơ sở để hoàn thiện công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt đạt hiệu quả và kinh tế

Tính thực tiễn:

- Góp phần vào công tác bảo vệ môi trường

- Có thêm một giải pháp công nghệ xử lý nước thải hợp lý cho xử lý nước thải sinh hoạt đạt hiệu quả cao

Chương 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.1 Tổng quan về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt

Nước thải là hệ đa phân tán thô bao gồm nước và các chất bẩn Các chất bẩn trong nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ các hoạt động của con người Các chất bẩn này với thành phần hữu cơ và vô cơ, tồn tại dưới dạng cặn lắng, các chất rắn

không lắng được và các chất hòa tan (Trần Đức Hạ, 2002)

Theo Imhoff khối lượng chất bẩn do một người thải vào nước sinh hoạt trong

một ngày được xác định theo bảng sau (Imhoff, 1972)

Bảng 2.1 Khối lượng chất bẩn có trong nước thải sinh hoạt, g/người.ngày Thành phần Cặn lắng Chất rắn không lắng Chất hòa tan Tổng cộng

Bảng 2.2 Tải lượng và nồng độ chất bẩn trong nước thải sinh hoạt từ các ngôi

nhà hay cụm dân cư độc lập (Otterpohl, 2000).(Tiêu chuẩn thải 170 l/người.ngày)

Tính chất nước thải giữ vai trò rất quan trọng trong thiết kế, vận hành hệ thống xử lý và quản lý chất lượng môi trường Sự dao động về lưu lượng và tính chất nước thải quyết định tải trọng thiết kế cho các công trình đơn vị

Bảng 2.3 Thành phần nước thải sinh hoạt đặc trưng

Hàm lượng Thành phần

cả các chất thải hữu cơ được dùng hết, tế bào tiêu thụ các tế bào thải để có được năng lượng thông qua một quá trình hô hấp nội bào Oxy cần thiết để các quá trình này xảy ra hoàn toàn, người ta gọi là BOD toàn phần (UBOD) Tuy nhiên nitrat hóa cũng có thể xảy ra trong quá trình đo BOD Nói cách khác oxy cho cả hai quá trình oxy hóa cacbon và quá trình nitrat hóa nitơ dạng ammonia góp phần cho giá trị của

BOD Vì thế dòng yêu cầu đầu ra đôi khi người ta quy định dạng BOD carbon (CBOD), nó thì được phân tích bằng cách cho vào mẫu phân tích hóa chất ức chế quá trình nitrat hóa

Ngoài ra còn có một phép đo phổ biến để xác định hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải là xác định COD của nước thải Thông thường COD lớn hơn BOD bởi vì một số carbon trong nước thải sinh hoạt không có khả năng hấp thu sinh học Trong nước thải COD có thể chia ra những loại là COD phân hủy sinh học và COD không phân hủy sinh học COD phân hủy sinh học được chia ra làm 2 loại gồm COD dễ phân hủy sinh học nhanh (rbCOD) và COD phân hủy sinh học chậm COD

dễ phân hủy sinh học bao gồm các phân tử nhỏ, chẳng hạn như axít béo dễ bay hơi

và các dạng khác như COD hòa tan và không hòa tan COD phân hủy sinh học chậm thì lớn hơn và dạng phức tạp hơn chúng cần phải được chia nhỏ ra trước ứng

sử dụng tổng hợp tế bào Phần COD dễ phân hủy sinh học được xem dường như là dạng hòa tan trong khi dạng COD phân hủy sinh học chậm được coi như là hạt Không giống BOD, một vài dạng COD không phân hủy sinh học COD không phân hủy sinh học ở dạng hòa tan nó sẽ không được xử lý mà nó theo ra đầu ra của quá trình xử lý COD không dạng hạt không phân hủy sinh học nó sẽ được tách ra bằng quá trình lắng của bùn

Nồng độ COD của nước thải phụ thuộc vào bản chất của hệ thống thoát nước đổ vào hệ thông thu gom (WEF, 2005)

Nitơ

Nitơ tồn tại trong nước thải ở nhiều dạng khác nhau, từ dạng đơn giản nhất là ammonia đến dạng oxy hóa là nitrat Nitrat là sản phẩm của quá trình nitrat hóa, trong đó ammonia bị oxy hóa thành nitrat Ammonia ở dạng hòa tan nó tồn tại ở trạng thái cân bằng như cả dạng ammonia phân tử (NH3) và dạng ion ammonia (NH4+) Nồng độ của mỗi dạng phụ thuộc vào pH và nhiệt độ pH và nhiệt độ cao hơn sẽ thuận lợi cho dạng tồn tại NH3 Dạng phân tử ammonia là chất độc hại

(WEF, 2005)

Nitơ trong nước thải thô nó bao gồm nitơ ammonia và nitơ hữu cơ Thông thường trong nước thải sinh hoạt thô có rất ít hoặc là không có mặt nitrit, nitrat TKN bao gồm nitơ ammonia và nitơ hữu cơ Nitơ hữu cơ có nguồn gốc từ các phân

tử phức tạp, ví dụ như: amino acid, protein, nucleotid,…

Nitơ tổng bao gồm tổng của TKN và NOx (WEF, 2005)

Nó cũng là dạng muối kết tủa trong hóa chất loại bỏ phospho Polyphosphat bao gồm hình thức phức tạp hơn của chất vô cơ orthophosphat mà nó tổng hợp từ tự nhiên Các polyphospat bị phân chia thành các orthophosphat trong suốt quá trình

xử lý

Phospho hữu cơ bao gồm cả dạng hòa tan và dạng cặn lơ lửng Phospho hữu

cơ gồm nhiều dạng thành phần phức tạp nó xuất phát từ protein, amino acid,… bị phân hủy và có trong sản phẩm thải

Phospho là chất dinh dưỡng cần thiết cho tăng trưởng sinh học, nếu không có

đủ có khả năng hiệu suất xử lý của quá trình sinh học bị giảm (WEF, 2003)

pH

pH của nước thải sinh hoạt nằm thông thường nằm trong khoảng dao động từ

6 -9, phù hợp với khoảng xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính hiếu khí (WEF, 2005)

Độ kiềm

Có một số hợp chất góp phần tạo độ kiềm của nước thải Sự hiện diện độ kiềm trong nước thải thô phụ thuộc rất lớn vào bản chất của khu vực cấp nước cũng như đặc tính của nguồn nước cấp và cả hệ thống thu gom nước Thông thường nước mặt có độ kiềm lớn hơn nước ngầm Độ kiềm trong nước nó có liên quan rất lớn đến tính đệm của pH và quá trình nitrat hóa nước thải độ kiềm sẽ bị tiêu tốn (WEF, 2005)

2.2 Tổng quan về quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng trong nước thải

Xử lý chất dinh dưỡng là một chủ đề mà nó minh chứng cho tầm quan trọng trong thiết kế của hệ thống bùn hoạt tính Chất dinh dưỡng được nói đến ở đây là nitơ và phốtpho trong nước thải Ở nhiều vùng, xử lý chất dinh dưỡng được chú ý trong giải pháp xử lý trong những dự án mới và những hệ thống xử lý cũ thì được cải tạo nhằm để xử lý chất dinh dưỡng

Thông thường thì việc xử lý nitơ và phốtpho tùy thuộc vào khoảng rộng của mục đích xử lý, đầu ra sau cùng và chất lượng nước của nguồn tiếp nhận Ở một số nơi nhạy cảm như hồ tự nhiên, hồ nhân tạo và cửa song đến vấn đề phú dưỡng hóa

thì việc loại bỏ chất dinh dưỡng thì hết sức cần thiết quan tâm (Marcos von

Sperling, 2005)

2.2.1 Quá trình nitrat hóa

Vi sinh vật

Vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng chịu trách nhiệm nitrat hóa trong bùn hoạt tính

và quá trình màng sinh học Nitrat hóa là quá trình 2 bậc gồm có 2 nhóm vi khuẩn Trong bậc thứ nhất, ammonia sẽ oxi hóa thành nitrit bởi một nhóm vi khuẩn tự dưỡng Trong bậc thứ hai, nitrit sẽ oxi hóa thành nitrat bởi nhóm vi sinh vật tự dưỡng Hai nhóm vi khuẩn thường quan tâm đối với vi khuẩn nitrat hóa trong nước

thải là vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter, 2 nhóm vi khuẩn này oxi hóa ammonia thành nitrit và sau đó thành nitrat tương ứng

Đẳng lượng của nitrat hóa sinh học

Quá trình oxi hóa ammonia thành nitrit xảy ra theo hai bậc như sau:

Bỏ qua màng tế bào, lượng kiềm cần để thực hiện phản ứng có thể được ước lượng như sau:

NH4+ + 2HCO3- + 2O2 → NO3- + 2CO2 + 3H2O

Trong phương trình trên mỗi gam nitơ ammonia được chuyển hóa thì cần 7.14g kiềm (CaCO3) [2x (50g CaCO3/eq)/14]

Cùng với năng lượng thu được, một phần ion amoni được đồng hóa vào trong màng

tế bào Phản ứng tổng hợp sinh khối có thể trình bày như sau:

4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O → C5H7O2N + 5O2

Công thức hóa học C5H7O2N được sử dụng để mô tả sự tổng hợp tế bào vi khuẩn

NH4+ +1.863O2 + 0.098CO2 → 0.0196C5H7O2N + 0.98NO3- + 0.0941H2O + 1.98H+

Từ phương trình trên thấy rằng đối với mỗi gam nitơ ammonia được chuyển hóa thì

sử dụng 4.52 gO2, 0.16 g tế bào mới được hình thành, 7.07 g kiềm CaCO3 bị loại bỏ

và 0.08 g cacbon vô cơ được sử dụng trong quá trình hình thành tế bào mới

nm: Tốc độ tăng trưởng riêng tối đa của vi khuẩn nitrat hóa, g tế bào mới/g tế bào.ngày

N: Nồng độ nitơ, g/m3

Kn: Hằng số bán vận tốc, nồng độ chất nền tại vị trí ½ tốc độ sử dụng cơ chất riêng, g/m3

kdn: Hệ số phân hủy nội bào cho vi khuẩn nitrat hóa, gVSS/ gVSS

Khoảng dao động của tốc độ tăng trưởng riêng tối đa cũng như nhiệt độ hoạt động,

ở nhiệt độ 200C, nm khác nhau từ 0.25 đến 0.77 gVSS/ gVSS (Randall et al, 1992)

Khoảng dao động của tốc độ tăng trưởng nitrat hóa có thể do sự hiện diện cơ chất gây ức chế trong nước thải Trong tất cả mọi trường hợp, giá trị nm đối với vi khuẩn nitrat hóa nhiều hơn so với giá trị của những vi khuẩn dị dưỡng Giá trị SRT đặc trưng có thể từ 10 đến 20 ngày ở 100C, 4 đến 7 ngày ở 200C Ở nhiệt độ lớn hơn

280C sẽ xem xét cả động học oxi hóa ammonia và nitrit Ở nhiệt độ cao, tùy theo sự thay đổi động học oxi hóa N-NH4+ và N-NO2- và N-NO2- sẽ tích lũy ở giá trị SRT lâu

Đối với hệ thống nitrat hóa bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn được thích nghi hoàn toàn, ở 250C với sự hiện diện đủ DO, nồng độ N-NO2- có thể thấp hơn 0.1 mg/l so với nồng độ N-NH4+ trong khoảng 0.5 – 1 mg/l Tuy nhiên trong thời gian đầu của quá trình nitrat hóa, nồng độ N-NO2- sẽ lớn hơn nồng độ N-NH4+, do sự phát triển của vi khuẩn oxi hóa nitrit không thể xảy ra cho đến khi vi khuẩn oxi hóa ammonia thành nitrit

Nồng độ DO ảnh hưởng đến tốc độ nitrat hóa trong hệ thống bùn hoạt tính Trái ngược với những vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng phân hủy hợp chất hữu cơ, tốc độ nitrat hóa làm tăng nồng độ DO lên khoảng 3 – 4 mg/l Để giải thích ảnh hưởng của

DO, biểu thức tốc độ tăng trưởng riêng có thể được viết lại như sau:

n = (nmN

Kn - N ) (

DO

K0 + DO ) – kdn

Trong đó: DO: Nồng độ oxi hòa tan

K0: Hệ số bán bão hòa đối với DO, mg/l

2.2.2 Quá trình khử nitrat

Khử nitrat xảy ra trong quá trình sinh học theo 2 cách là quá trình đồng hóa

và dị hóa Quá trình đồng hóa bao gồm sự khử nitrat thành ammonia sử dụng cho tổng hợp tế bào Chúng xảy ra khi N-NH4+ không có sẵn và không phụ thuộc vào nồng độ DO Dị hóa khử nitrat hoặc khử nitrat sinh học kết hợp là một chuỗi chuyển hóa điện tử và nitrat hoặc nitrit được sử dụng như là chất nhận điện tử cho việc oxi hóa hợp chất hữu cơ khác hoặc chất cho điện tử vô cơ Phần lớn quá trình này được sử dụng cho khử nitơ trong xử lý nước thải đô thị Quá trình có bể thiếu khí, nitrat được đưa vào bể thiếu khí sau quá trình nitrat hóa tại bể hiếu khí Tại ngăn thiếu khí này chất hữu cơ trong nước thải là chất cho điện tử để phản ứng oxi hóa sử dụng nitrat

Đẳng lượng của quá trình khử nitrat

Phản ứng khử nitrat bao gồm những bước sau: từ nitrat thành nitrit, oxit nitrit, oxit nitrous và thành khí nitơ

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2

Trong quá trình khử nitơ, chất cho điện tử là 1 trong 3 nguồn: (1) bsCOD trong nước thải đầu vào, (2) bsCOD sinh ra trong quá trình phân hủy nội bào, và (3) nguồn từ bên ngoài như methanol hay acetate Phản ứng khử nitrat mô tả như phương trình sau, với C10H19O3N được sử dụng để mô tả như là hợp chất hữu cơ phân hủy sinh học

Với nước thải:

C10H19O3N + 10NO3- → 5N2 + 10CO2 + 3H2O + NH3 + 10OH

-Với methanol:

5CH3OH + 6NO3- → 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH

-Với acetate:

5CH3COOH + 8NO3- → 4N2 + 10CO2 + 6H2O + 8OH

-Trong tất cả các phản ứng khử nitrat dị dưỡng ở trên, 1 đương lượng của độ kiềm sinh ra trên đương lượng của N-NO3- bị khử, tương đương là 3.57g của độ kiềm

CaCO3 sinh ra trên g N-NO3- bị khử Trong quá trình nitrat hóa thì 7.14g kiềm CaCO3 bị tiêu thụ trên g N-NH4+ bị oxi hóa

Trong quá trình khử nitrat, mục tiêu quan trọng là khử nitrat bằng sinh học Do đó, những thông số thiết kế quan trọng cho quá trình khử ntrat là số lượng bsCOD hoặc BOD cần để cung cấp đủ lượng chất cho điện tử đối với việc khử nitrat Theo quy luật chung ước lượng rằng 4g BOD thì cần cho mỗi g NO3- bị khử Tuy nhiên, giá trị thực tế sẽ phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của hệ thống và dạng của chất cho điện tử được sử dụng cho khử nitrat Số lượng oxi được sử dụng trên mỗi đơn vị bsCOD có mối quan hệ đến tăng trưởng sinh khối, tỉ số bsCOD/N-NO3- cũng có mối quan hệ đến sự tăng trưởng sinh khối

Động học tăng trưởng quá trình khử nitrat

Tốc độ sử dụng cơ chất rsu được biểu diễn như sau:

rsu = kXS

Ks + S

: Tỷ lệ vi khuẩn khử nitrat trong sinh khối, gVSS/ gVSS;  = 0.2 – 0.8

Ảnh hưởng của nitrat và nồng độ oxy đến quá trình khử nitrat

K0’: Hệ số ức chế DO để quá trình khử nitrat hóa, mg/l; K0’ = 0.1 – 0.2 mg/l

Ks,NO3: Hằng số bán vận tốc đối với phản ứng hạn chế nitrat, mg/l; K0’ = 0.1 mg/l

2.2.3 Nguyên lý loại bỏ phốtpho

Bản chất của quá trình loại bỏ phốtpho đó là một quá trình trải qua hai quá trình kỵ khí và hiếu khí

Kết hợp giữa hai điều kiện kỵ khí và hiếu khí Trong điều kiện kết hợp, vi sinh vật tích lũy phốtpho (PAOs) phụ thuộc vào sự kết hợp giữa hai điều kiện kỵ khí

và hiếu khí để tổng hợp sinh khối từ năng lượng bên trong, chất hữu cơ lên men và polyphosphate cấu thành tế bào

Điều kiện kỵ khí

Axit béo bay hơi (VFA) là sản phẩm phân hủy của vi khuẩn tùy nghi Một phần của chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học bị chuyển hóa, thông qua quá trình lên men của nước thải trong ngăn kỵ khí chuyển hóa các chất hữu cơ đơn giản ví dụ như các axít béo bay hơi Sự chuyển hóa này thường được thực hiện bởi các vi khuẩn tùy nghi xảy ra trong ngăn kỵ khí Ở đây thì không đủ thời gian cho quá trình thủy phân và chuyển hóa của các chất hữu cơ thành phần của nước thải đầu vào Tích lũy các axít béo bay hơi bởi các vi sinh vật tích lũy phốtpho (PAOs) Vi sinh vật tích lũy phốtpho hấp thu các axít béo bay hơi nhanh và tích lũy bên trong tế bào PAOs đồng hóa các sản phẩm lên men nhanh hơn các vi sinh vật khác trong quá trình bùn hoạt tính Nói cách khác đây chính là đặc tính đặc trưng của PAOs trong vùng kỵ khí

Giải phóng phosphate Phosphate giải phóng được tích lũy trước bởi nhóm vi khuẩn cung cấp năng lượng cho chuyển hóa cơ chất cho lên men và dự trữ trong sản phẩm chuyển hóa, như là polyhydroxybutyrate (PHB)

Điều kiện hiếu khí

Sự tiêu thụ cơ chất dự trữ và đồng hóa phốtpho PHB bị oxi hóa chuyển thành dioxit và nước Photpho hòa tan bị loại bỏ khỏi nước thải bởi PAOs và tích lũy bên trong tế bào cho việc sinh ra năng lượng trong pha kỵ khí

Tế bào mới Sử dụng cơ chất và tăng mật số của PAO

Loại bỏ phốtpho

Loại bỏ phốtpho bằng cách thải bỏ bùn Phốtpho thì bị hấp thu lớn trong bùn bên trong tế bào của PAOs và bị loại bỏ thông qua thải bỏ bùn thừa của hệ thống, bùn thừa thải bỏ bao gồm nhiều vi sinh vật trong bùn hoạt tính trong đó có phần

PAOs (Marcos von Sperling, 2005)

Bùn thải (chứa P) Bùn tuần hoàn

Đầu vào Đầu ra

Bể lắng 2 Thiếu khí

và thời gian lưu của quá trình kị khí là 30 phút đến 1 giờ SRT của vùng hiếu khí là

2 đến 4 ngày (Metcaft, 2003)

2.3.2 Quá trình kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí kết hợp (A2O)

Hình 2.2 Quá trình A2O

Bùn thải Bùn tuần hoàn

Bể lắng 2 Hiếu khí

Kị khí

Quá trình A2O là quá trình cải tiến của quá trình A/O, quá trình này được bổ sung thêm ngăn thiếu khí giữa ngăn kỵ khí và hiếu khí đồng thời cĩ dịng tuần hồn nitrat từ sau ngăn hiếu khí về ngăn thiếu khí nhằm mục đích khử nitrat với chất cho điện tử là bsCOD từ dịng vào sau khi qua ngăn kỵ khí Dịng tuần hồn nitrat thường cĩ lưu lượng từ 200 – 400% lưu lượng đầu vào hệ thống Thời gian lưu trong vùng thiếu khí tương ứng khỏang 1 giờ Vùng thiếu khí là khơng cĩ sự hiện diện của oxy hịa tan, nhưng oxy về phương diện hĩa học oxy ở dạng nitrat hoặc nitrit được đưa vào bằng đường tuần hồn bùn từ khu vực hiếu khí Sử dụng vùng thiếu khí để giảm đến mức tối thiểu lượng nitrat cung cấp đến vùng kị khí trong bùn

hoạt tính tuần hồn (Metcaft, 2003)

2.3.3 Quá trình Bardenpho cải tiến 5 ngăn

Hình 2.3 Quá trình Bardenpho cải tiến 5 ngăn

Quá trình Bardenpho được mơ tả như hình 2.3, đây là quá trình cho sự kết hợp khử nitơ và photpho Hệ thống 5 ngăn gồm kị khí, 2 ngăn thiếu khí và 2 ngăn hiếu khí cho việc khử photpho,nitơ và cacbon Ngăn thiếu khí thứ 2 được cung cấp thêm quá trình khử nitrat sử dụng nitrat sinh ra trong ngăn hiếu khí như là chất nhận điện tử, và cacbon hữu cơ nội bào như là chất cho điện tử Ngăn hiếu khí sau cùng được dùng để giải phĩng khí nitơ từ dung dịch và giảm đến mức tối thiểu sự giải phĩng photpho trong bể lắng sau cùng Bùn từ ngăn hiếu khí đầu tiên được tuần hồn đến ngăn thiếu khí Quá trình 5 ngăn này sử dụng thời gian lưu bùn SRT (10

Tuần hoàn

Bùn thải (Chứa P) Bùn tuần hoàn

đến 20 ngày) lâu hơn quá trình A2O, và do đĩ làm tăng khả năng oxy hĩa cacbon

(Metcaft, 2003)

2.3.4 Quá trình UCT cải tiến

Hình 2.4 Quá trình UCT cải tiến

Trong quá trình UCT cải tiến được mơ tả trên sơ đồ hình 2.4, bùn hoạt tính tuần hồn trực tiếp đến bể phản ứng thiếu khí thứ nhất mà khơng cĩ lưu lượng tuần hồn nitrat bên trong Nitrat được giảm trong bể này, và bùn từ bể phản ứng này được tuần hồn đến bể kị khí Bể thiếu khí thứ 2 theo sau bể thiếu khí thứ nhất và tiếp nhận lưu lượng tuần hồn nitrat bên trong từ bể hiếu khí để cung cấp cho việc

khử nitrat của quá trình (Metcaft, 2003)

Bùn thải (chứa P) Bùn tuần hoàn

Be å lắng 2

Hiếu khí Thie áu khí

K ị khí

Tu ần hoa øn 2 Tua àn hoàn 1

Bùn thải (chứa P ) Bùn tua àn hoa øn

Đ ầu vào

Đầu ra

dụng cho hệ thống tuần hồn Trong quá trình VIP, tất cả vùng trong phạm vi hoạt động gồm cĩ tối thiểu 2 ngăn khuấy trộn hồn tồn trong dãy Bùn hoạt tính tuần hồn chảy vào dọc theo vùng thiếu khí với sự tuần hồn bùn sau nitrat hĩa từ vùng hiếu khí Bùn từ vùng thiếu khí được tuần hồn đến đầu vùng kị khí Quá trình VIP cũng được thiết kế giống như hệ thống tốc độ cao, quá trình họat động với thời gian lưu bùn (SRT) ngắn, mà hiệu quả khử photpho thì tối đa Kết hợp SRT của vùng kị khí và thiếu khí thơng thường từ 1,5 đến 3 ngày, trong khi thời gian lưu nước ở ngăn thiếu khí và kị khí đặc trưng khoảng 60 đến 90 phút Vùng hiếu khí được thiết kế cho quá trình

nitrat hĩa (Metcaft, 2003)

2.3.6 Quá trình Johannesburg

Hình 2.6 Quá trình Johannesburg

Quá trình Johannesburg được mơ tả như hình 2.6 Quá trình này được phát minh ở Johannesburg, Nam Phi Nĩ là 1 dạng khác của UCT hoặc quá trình UCT cải tiến để cung cấp nitrat tối thiểu đến vùng kị khí cho việc khử photpho tối đa Bùn hoạt tính tuần hồn được dẫn trực tiếp đến vùng thiếu khí mà cĩ thời gian tiếp xúc đủ để khử nitrat trong dung dịch bùn trước khi chúng được cung cấp đến vùng

kị khí Sự khử nitrat được phát triển bởi tốc độ hơ hấp nội bào của dung dịch bùn,

và thời gian lưu nước vùng thiếu khí dựa trên nồng độ dung dịch, nhiệt độ, và nồng

độ nitrat trong dịng tuần hồn bùn So với quá trình UCT, nồng độ MLSS cao cĩ

Bể lắng 2 Hiếu khí

Thiếu khí Thiếu khí Kị khí

Tuần hoàn (nitrat) hiếu khí

Bùn thải (chứa P) Bùn tuần hoàn

Đầu vào

Đầu ra

2.4 Tổng quan về công nghệ A2O2

Công nghệ A2O2 là một quá trình gồm 4 giai đoạn với các quá trình kỵ khí/ hiếu khí/ thiếu khí/ hiếu khí nối tiếp nhau và nước thải cấp vào hệ thống bằng 2 bậc Bậc cấp nước 1 tại đầu vào của hệ thống (tại ngăn kỵ khí), bậc cấp nước 2 tại ngăn thiếu khí Quá trình khử nitrat tại bể thiếu khí với nguồn carbon lấy từ bậc nạp nước thứ 2 Quá trình của A2O2 không tuần hoàn dòng nitrat như A2O, hệ thống chỉ có dòng tuần hoàn bùn từ ngăn lắng về ngăn kỵ khí ở đầu hệ thống

Quá trình loại bỏ chất hữu cơ diễn ra như sau:

Loại bỏ chất hữu cơ diễn ra tại ngăn kỵ khí:

Vi sinh vật chuyển hóa chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí là một quá trình phức tạp, liên hệ đến hàng trăm phản ứng và chất trung gian, mỗi phản ứng sẽ được xúc tác bởi một loại enzyme hay chất xúc tác Nói chung quá trình kỵ khí diễn ra qua các giai đoạn sau:

- Thủy phân hay quá trình cắt ngắn mạch các chất hữu cơ cao phân tử

- Tạo acid và hình thành các hydrogen bắt buộc

Hình 2.7 Các giai đoạn cơ bản cảu quá trình lên men kỵ khí (WEF, 2005)

Loại bỏ chất hữu cơ tại ngăn hiếu khí

Chất hữu cơ có thể được xử lý hoàn toàn trong quá trình xử lý hiếu khí Đây là quá trình yêu cầu có thời gian tiếp xúc giữa các vi sinh vật vật dị dưỡng, chất dinh dưỡng, oxy và nước thải xử lý Trong suốt quá trình ban đầu vi sinh hấp thu chất hữu cơ, hơn phân nữa chất hữu cơ sử dụng oxy và tổng hợp tế bào mới, sử dụng oxy

để hô hấp Sinh khối thừa được tách ra bằng quá trinh lắng

Trong ngăn hiếu khí, chuyển hóa chất hữu cơ bằng vi sinh vật được mô tả bằng 2 phương trình sau:

Acid béo

Chất hữu cơ, carbonhydrate, protein, lipids

Thủy phân và lên men

Khử hydrogen của nhóm Acetogenic

Hydrogen hóa của nhóm

acetogenic Acetate

Oxy hóa và tổng hợp tế bào

CHONS + O2 + chất dinh dưỡng → CO2 + NH3 + C5H7O2N + sản phẩm khác

Hô hấp nội bào

C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + năng lượng

Trong quá trình hiếu khí loại bỏ chất hữu cơ pH dao động trong khoảng 6 – 9, khoảng tối ưu là pH gần mức trung hòa DO trong ngăn hiếu khí lớn hơn 2 mg/l

Quá trình chuyển hóa nitơ được diễn ra như sau:

Quá trình nitrate hoá xảy ra trong bể hiếu khí, là quá trình oxi hoá ammonia thành nitrite và nitrate Vi sinh vật chính trong quá trình này là Nitrosomonas và Nitrobacter Các vi sinh vật tự dưỡng oxi hoá các hợp chất nitơ vô cơ :

Nitrosomonas : 2 NH4+ + 3 O2  2 NO2- + 2 H2O + 1 H+ + Tế bào mới Nitrobacter : 2 NO2- + O2  2 NO3- + Tế bào mới

Cacbon để phát triển tế bào được lấy từ CO2 Điều này có nghĩa là cơ chất hữu cơ (BOD) không phải là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của các vi khuẩn nitrate hoá Sự tích lũy nitrite không diễn ra mạnh vì vi khuẩn Nitrosomonas phát triển chậm hơn vi khuẩn Nitrobacter Tuy nhiên, có dấu hiệu chỉ ra rằng ở nước thải có nhiệt độ trên 25oC đến 30oC, sự biến đổi nitrite thành nitrate bị giới hạn về tốc độ

Có nhiều vi sinh vật khác ngoài Nitrosomonas và Nitrobacter cũng tham gia gián tiếp vào quá trình nitrate hoá, gọi là vi khuẩn oxi hoá ammonia (AOBs) (bao gồm cả Nitrosomonas và Nitrobacter) Trong hệ thống A2O2, quá trình nitrate hoá là quá trình điều khiển vì 2 lí do: (1) AOBs ít đa dạng Chúng chiếm khoảng 2% khối lượng sinh khối (2) AOBs có những nhu cầu phát triển nghiêm ngặt và rất nhạy cảm với những điều kiện môi trường

 Thời gian lưu bùn (SRT): Bởi vì tốc độ phát triển của vi khuẩn nitrate hoá chậm hơn vi sinh vật dị dưỡng ( vi sinh vật loại bỏ BOD), thời gian lưu bùn dài sẽ tăng hiệu quả của việc nitrat hóa và khử nitrate Thời gian lưu bùn của quá trình nitrate hoá là một hàm trực tiếp với nhiệt độ nước thải

 Nhiệt độ: Tốc độ nitrate hoá tăng khi nhiệt độ tăng đến điểm giới hạn (30oC đến 35oC) và sau đó giảm Quy luật này là nhiệt độ thay đổi từ 20oC xuống

còn 10oC thì tốc độ nitrate giảm khoảng 30%, cần gần gấp 3 lần nồng độ sinh khối MLSS để đạt được nồng độ ammonia dòng ra tương đương

 Nồng độ oxy hoà tan DO: nhu cầu oxy cho nitrate hoá khoảng 4.6 mg O2/ mg N-NH4 bị oxi hoá Khi DO giảm xuống dưới 2 mg/l trong thời gian kéo dài thì sự nitrate hoá sẽ bị kiềm chế

 Độ kiềm và pH : quá trình nitrate hoá sẽ tiêu thụ 7.1 mg/l độ kiềm CaCO3 /

mg N- NH4+ Nếu dòng vào không đủ độ kiềm, sự nitrate hoá sẽ bị hư tổn Khi độ kiềm bị phân huỷ, pH sẽ giảm và điều này có thể giảm tốc độ nitrate hoá Hầu hết các nhà máy xử lý nước thải đều vận hành ở pH từ 6.8 đến 7.4

 Hợp chất ức chế: Vi khuẩn nitrate hoá sẽ bị ức chế bởi kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ Một vài polymer được sử dụng trong bùn cũng là chất ức chế

Quá trình khử nitrate: xảy ra trong bể thiếu khí

Quá trình khử nitrate phải thực hiện sau quá trình nitrate hóa để đạt được hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải Khử nitrate là quá trình biến đổi nitrate thành khí nitơ bởi các vi khuẩn dị dưỡng Yêu cầu của quá trình này là điều kiện thiếu khí

và nguồn cacbon dễ phân huỷ sinh học (RBOM) Thiếu khí có nghĩa là sự hiện diện của oxy kết hợp (nitrate và nitrite) và sự thiếu vắng oxy hoà tan hay oxy tự do Phản ứng biểu diễn quá trình là :

NO3- + RBOM  N2 (khí) + CO2 + H2O + OH- + Tế bào mới

Quá trình khử nitrate sẽ khôi phục lại khoảng 3.6 mg độ kiềm CaCO3 và 2.9

mg oxy/ mg N-NO3- giảm Do đó sự kết hợp của quá trình nitrate hoá (hiếu khí) và quá trình khử nitrate (thiếu khí), độ kiềm sẽ được khôi phục một phần, hơn nữa, còn tăng khả năng lắng của bùn

Tốc độ khử nitrate (g N-NO3- giảm / g MLVSS.ngày) quyết định lượng nitrate bị khử, là hàm của (1) giá trị của RBOM và (2) nhiệt độ

 Giá trị của RBOM: vi khuẩn khử nitrate là các vi khuẩn dị dưỡng sử dụng chất hữu cơ để làm năng lượng và nguồn cacbon Như ước tính ban đầu, tỉ

số BOD:TKN trong dòng thải vào nhỏ nhất khoảng 3:1 cho việc khử

nitrate Tỉ số thật sự phụ thuộc vào điều kiện vận hành và cơ chất dễ phân huỷ sinh học Trong giới hạn, tỉ số F:M cao hơn trong vùng thiếu khí có thể đạt tốc độ khử nitrate cao hơn bởi vì sự hiện diện của RBOM Như vậy, loại cơ chất cũng tác động đến quá trình khử nitrate Tốc độ khử nitrate có thể tăng với methanol và sản phẩm cuối của sự lên men, như acid béo bay hơi (VFAs) hiện diện trong nước thải đầu vào Sự khử nitrate do sự phân huỷ nội bào sẽ có tốc độ chậm

 Nhiệt độ: Nhiệt độ nước thải tăng hoạt tính của vi khuẩn, dẫn đến tốc độ khử nitrate cao Đối với cùng lượng BOD, sự thay đổi nhiệt độ từ 20oC xuống 10oC sẽ giảm tốc độ khoảng 75% (Metcaft Eddy, 2003)

Hình 2.8 Quá trình chuyển hóa Nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp

sinh học ( Sam Jeyanayagam, 2005)

Quá trình loại bỏ photpho được diễn ra như sau:

Photpho trong nước thải đầu vào được hấp thụ vào trong tế bào sinh khối, sau đó được loại bỏ khỏi quá trình từ việc thải bùn dư Vi sinh vật tích luỹ photpho (PAOs) được kích thích tăng trưởng và tiêu thụ photpho trong hệ thống qua việc sử dụng bể phản ứng có PAOs chiếm ưu thế so với các vi khuẩn khác Bể tiếp xúc kị khí có thời gian lưu nước khoảng 0.5 – 1.0 giờ

Việc khử photpho trong hệ thống sinh học dựa trên những khả năng sau

(Sedlak,1991):

 Nhiều vi khuẩn có khả năng dự trữ một lượng dư photpho như polyphotphat trong tế bào của chúng

 Dưới điều kiện kị khí, PAOs sẽ chuyển hoá những sản phẩm lên men (như acid béo bay hơi) thành những sản phẩm dự trữ bên trong tế bào, đồng thời phóng thích photpho từ những polyphotphat được dự trữ

 Dưới điều kiện hiếu khí, năng lượng được sinh ra từ phản ứng oxi hoá những sản phẩm dự trữ và khi đó polyphotphat tích luỹ trong tế bào tăng lên

Trong bể phản ứng A2O2, phần lớn PAOs có thể sử dụng nitrite, nitrate thay cho oxy để oxy hoá nguồn cacbon chứa trong chúng

Hình 2 9 Quá trình chuyển hóa P trong xử lý nước thải bằng phương pháp

sinh học ( Sam Jeyanayagam, 2005)

Hình 2.10 Quy trình công nghệ cơ bản xử lý P bằng phương pháp sinh học

(Metcaft, 2003)

Quá trình xảy ra trong vùng kị khí

 Acetate là sản phẩm lên men của bsCOD, những hợp chất hữu cơ hoà tan có thể được tiêu thụ dễ dàng bởi sinh khối Dựa trên giá trị thời gian lưu nước của vùng kị khí, COD chất keo và COD cặn cũng được thuỷ phân và chuyển hoá thành acetate, nhưng khối lượng thường nhỏ hơn so với sự chuyển hoá của bsCOD

 Sử dụng năng lượng sẵn có từ polyphotphate tích luỹ, PAOs đồng hoá acetate và sản sinh ra những sản phẩm tích luỹ PHB ( intracellular polyhydroxybutyrate) Một số glucogen chứa trong tế bào cũng được sử dụng Đồng thời, với sự hấp thu acetate là việc giải phóng orthophosphate (O-PO43-) cũng như Mg2+, K+, Ca2+

 PHB trong PAOs tăng trong khi polyphosphate giảm

Quá trình xảy ra trong vùng hiếu khí/ thiếu khí

 PHB tích luỹ được chuyển hoá, cung cấp năng lượng từ phản ứng oxi hoá và cung cấp cacbon cho sinh trưởng tế bào mới

 Một số glucogen được tạo ra từ sự chuyển hoá PHB

 Năng lượng được giải phóng từ phản ứng oxi hoá PHB được sử dụng tạo thành các cầu nối polyphosphate trong tế bào dự trữ, orthophosphate hoà tan

(O-PO43-) được khử khỏi dung dịch và tạo thành polyphosphate trong tế bào

vi khuẩn

 Cũng như một phần sinh khối được thải bỏ, photpho tích luỹ được khử từ bể phản ứng xử lý sinh học từ việc thải bỏ bùn

Những trường hợp xảy ra trong vùng kị khí và hiếu khí được mô tả :

Hình 2.11 Sự biến đổi BOD hòa tan và phốtpho trong hệ thống bể phản ứng

khử Phốtpho (Metcaft, 2003)

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử photpho:

 Tính chất nước thải: rbCOD là yếu tố cần thiết đánh giá đầy đủ thiết kế và hiệu quả của hệ thống khử phốtpho (BPR) Sự chuyển biến của rbCOD thành VFAs xảy ra nhanh chóng thông qua sự lên men trong vùng kị khí và từ 7 đến 10 g acetate sẽ cho kết quả khoảng 1.0 mgP bị khử do việc khử photpho

tăng (Wentzel, 1990) Acetate nhiều, tế bào tăng trưởng nhiều, do đó hiệu quả

khử photpho tăng

 Thời gian tiếp xúc kị khí : thời gian lưu nước từ 0.25 đến 1.0 giờ phù hợp với

sự lên men của rbCOD

 Thời gian lưu bùn (SRT): Hệ thống khử photpho với SRT lâu có hiệu quả thấp hơn với hệ thống có SRT ngắn hơn ở cùng một hàm lượng BOD

 Quá trình thải bùn: vì photpho được khử trong bùn thải, do đó phải xem xét những phương pháp thải bùn và khả năng tuần hoàn lượng phopho dư trở lại

hệ thống

 Khả năng thêm hoá chất: nhiều công trình khử photpho bằng cách thêm chất keo tụ Nước thải đầu vào có lượng rbBOD không đủ, thêm hoá chất là cần thiết để cung cấp cho quá trình khử photpho phù hợp với nhu cầu thải ra

 Quá trình điều khiển: hiệu quả khử photpho sinh học không chỉ dựa trên vùng kị khí ở trước vùng hiếu khí của quá trình bùn hoạt tính và lượng rbCOD trong nước thải đầu vào mà còn bị ảnh hưởng bởi một số điều kiện hoạt động gồm: SRT, DO, photpho tuần hoàn, và nồng độ cặn lơ lửng

 Ảnh hưởng của DO và nitrate trên lưu lượng tuần hoàn : Dòng tuần hoàn với nồng độ đáng kể của DO và nitrate có thể ảnh hưởng bất lợi đến quá trình Nồng độ nitrate của lưu lượng tuần hoàn ảnh hưởng đến lưởng rbCOD đầu vào

 Ảnh hưởng của dòng tuần hoàn với photpho được giải phóng: Dòng tuần hoàn từ quá trình nén bùn hay quá trình phân huỷ bùn có thể chứa nồng độ photpho cao Bể điều hoà, điều khiển lưu lượng tuần hoàn và tải lượng photpho với thời gian đến mức tối thiểu ảnh hưởng của photpho tuần hoàn đến chất lượng đầu ra

 Cặn lơ lửng dòng ra: hàm lượng photpho trong cặn hỗn dịch lớn hơn nhiều

so với quá trình bùn hoạt tính thông thường do photpo dư Hàm lượng

photpho trên cặn khô có thể trong khoảng từ 3 -6% (Randall, 1992) Do đó,

nồng độ photpho tổng cộng trong đầu ra có thể ảnh hưởng đáng kể đến nồng

độ TSS đầu ra của hệ thống

 Công trình lắng cặn: ảnh hưởng đến thiết kế và hiệu quà quá trình Nếu thêm hoá chất là cần thiết cho xử lý bổ sung đầu ra để đạt mức photpho thấp trong đầu ra, công suất lắng phải đủ lớn để hoá chất kết tủa