Luận văn ĐỘC QUYỀN: Nghiên cứu xử lý Nitơ trong mô hình hiếu khí gián đoạn có giá thể sinh học di động cho xử lý nước thải sinh hoạt

Dịch vụ thành lập Thay đổi Giấy phép kinh doanh cty Việt Nam cty vốn FDI Tuyển Cộng tác viên (CK 15% gói Dịch vụ) 0899315716 TÓM TẮT  Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình hiếu khí gián đoạn có giá thể lơ lửng (Moving Bed – Sequencing Batch Reactor) và không có giá thể (Sequencing Batch Reactor). Nguồn nước thải sử dụng là nước thải sinh hoạt của trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM, với ô nhiễm chất hữu cơ (COD), chất dinh dưỡng TKN, TP tương ứng là 17050, 4010, 205 (mgl). Thí nghiệm thực hiện với chu kỳ 12 giờ, 8 giờ, 6 giờ. Hiệu quả xử lý COD qua ba chu kỳ của hai bể MBSBR là 93%, 90%, 87% và SBR là 86%, 83%, 79%. Hiệu quả xử lý TKN của hai là MBSBR 92.97%, 90.53%, 88.78% còn bể SBR là 84.28%, 80.49%, 76.3%. Hiệu quả xử lý TP của bể MBSBR là 90.01%, 87.41%, 80.11%; còn SBR là 82.53%, 83.29%, 72.56%. Hiệu quả xử lý COD, TKN, TP của bể MBSBR cao hơn bể SBR truyền thống, chênh lệch tương đương 81%, 102%, 62%. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi cho thêm giá thể lơ lửng vào bể hiếu khí gián đoạn SBR thì hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt cao hơn bể SBR truyền thống. Như vậy, công nghệ bể sinh học hiếu khí dạng gián đoạn có giá thể lơ lửng (MBSBR) phù hợp với xử lý nước thải sinh hoạt và có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải sinh hoạt nói chung và nước thải sinh hoạt của trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM nói riêng. MỤC LỤC Đề mục Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU x MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 3 1.1.1 Nguồn gốc, thành phần và tính chất NTSH 3 1.1.1.1 Nguồn gốc 3 1.1.1.2 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt. 4 1.1.2 Thực trạng ô nhiễm NTSH 5 1.1.3 Tác hại của NTSH 6 1.4 BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ THEO MẺ SEQUENCING BATCH REATOR (SBR) 7 1.4.1 Lịch sử hình thành 7 1.4.2 Ưu – nhược điểm của bể SBR 7 1.4.3 Cấu tạo bể SBR 8 1.4.3.1 Thiết bị dẫn nước thải vào 8 1.4.3.2 Thiết bị rút nước (decanter) 8 1.4.4 Nguyên tắc hoạt động 9 1.4.4.1 Pha làm đầy 9 1.4.4.2 Pha phản ứng: 10 1.4.4.3 Pha lắng 12 1.4.4.4 Pha xả 12 1.4.4.5 Pha chờ 12 1.5 BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ DẠNG MẺ CÓ GIÁ THỂ 12 1.5.1 Giới thiệu ……………………………12 1.5.2 Giá thể dùng trong bể SBR 12 1.5.2.1 Nguyên tắc chọn giá thể 12 1.5.2.2 Phân loại giá thể 13 1.5.3 Cấu tạo và hoạt động của màng sinh học 15 1.5.5.1 Cơ chế hình thành màng sinh học 15 1.5.5.2 Cấu trúc của màng sinh học 16 1.5.5.3 Cơ chế trao đổi chất trong màng 17 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của màng sinh học 18 1.5.5 Quá trình Nitrate hóa 19 1.5.6 Quá trình khử Nitrate hóa 20 1.5.7 Quá trình khử Phospho 21 1.6 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 22 CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC CHẤT HỮU CƠ, CHẤT DINH DƯỠNG TRONG THẢI SINH HOẠT CỦA MÔ HÌNH HIẾU KHÍ GIÁN ĐOẠN CÓ GIÁ THỂ DI ĐỘNG (MBSBR) VÀ KHÔNG CÓ GIÁ THỂ (SBR) 30 2.1 Đối tượng nghiên cứu 30 2.1.1 Nguồn nước thải nghiên cứu 30 2.1.2 Bùn hoạt tính 30 2.1.4 Giá thể 31 2.1.3 Mô hình SBR 32 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.2.1 Nội dung nghiên cứu 34 2.2.2 Mô tả thí nghiệm 34 2.3 QUY TRÌNH LẤY MẪU VÀ PHÂN TÍCH 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 KẾT QUẢ GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI 38 3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHU KỲ 12H 38 3.2.1 Chỉ tiêu pH 38 3.2.2 Chỉ tiêu COD 39 3.2.3 Chỉ tiêu TKN 41 3.2.4 Chỉ tiêu NNH4 + 42 3.2.5 Chỉ tiêu NNO2 43 3.2.6 Chỉ tiêu NNO3 43 3.2.8 Chỉ tiêu TP 44 3.2.9 Chỉ tiêu SS 45 3.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHU KỲ 8H 47 3.3.1 Chỉ tiêu pH 47 3.3.2 Chỉ tiêu COD 48 3.3.4 Chỉ tiêu NNH4+ 51 3.3.5 Chỉ tiêu NNO2 51 3.3.6 Chỉ tiêu NNO3 52 3.3.8 Chỉ tiêu TP 54 3.3.9. Chỉ tiêu SS 54 3.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHU KỲ 6H 56 3.4.1 Diễn biến pH 56 3.4.2 Chỉ tiêu COD 57 3.4.3 Chỉ tiêu TKN 58 3.4.3 Chỉ tiêu NNH4+ 58 3.4.5 Chỉ tiêu NNO2 60 3.4.6 Chỉ tiêu NNO3 61 3.4.6 Chỉ tiêu TP 62 3.4.7. Chỉ tiêu SS 63 3.4.8. Chỉ tiêu độ màu 64 3.5. SO SÁNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ, CHẤT DINH DƯỠNG CỦA BỂ MB SBR VÀ SBR QUA TỪNG TẢI LƯỢNG 66 3.5.1 So sánh hiệu quả xử lý COD 66 3.5.2 So sánh hiệu quả xử lý BOD5 66 3.5.3 So sánh hiệu quả xử lý TN 68 3.5.4 So sánh hiệu quả xử lý TP 69 3.5.5 So sánh hiệu quả xử lý SS và độ màu 69 3.5.6 So sánh sự biến thiên nồng độ NNH4+, NNO2, NNO3 71 3.6 ĐÁNH GIÁ SỰ TẠO THÀNH SINH KHỐI 77 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 4.1 KẾT LUẬN 78 4.2 KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC A: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 81 PHỤ LỤC B. HÌNH ẢNH 83 DANH MỤC HÌNH Hình 1.10 Decanter 9 Hình 1.11 Quá trình khử nitrat 10 Hình 1.12 Quá trình nitrat hóa 11 Hình 1.13 Các pha trong chu kỳ hoạt động của SBR 12 Hình 1.14 Giá thể Fibrous 13 Hình 1.17 Giá thể tổng hợp từ propyplene Hình 1.18 Giá thể làm bằng muốt 14 Hình 1.19 Giá thể tổng hợp từ nhựa polyetylen 15 Hình 1.20 Ảnh hiển vi quét cấu trúc không đồng đều bên trong biofilm cùng những kênh dẫn truyền nước 17 Hình 1.21 Cấu tạo màng vi sinh vật02 18 Hình 1.22 Quá trình xử lý Nitơ trong nước09 19 Hình 1.23 Mô hình MBSBR và SBR32 23 Hình 1.24 Hình ảnh giá thể sử dụng trong nghiên cứu32 23 Hình 1.25 Thể hiện mô hình vận hành và 3 loại giá thể M1, M2, M3. 25 Hình 1.26 Hình ảnh mô hình sử dụng trong nghiên cứu16 26 Hình 1.27 Giá thể K3 Hình 1.28 Mô hình bể SBR21 27 Hình 2.1 giá thể Mutag BiochipTM 31 Hình 2.2 Mô hình nghiên cứu 32 Hình 3.1 Giá thể đổi màu ở giai đoạn thích nghi 38 Đồ thị 3.2 Biểu diễn giá trị pH của bể MBSBR và bể SBR. 39 Đồ thị 3.3 Hiệu quả xử lý COD của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h 40 Đồ thị 3.4 Hiệu quả xử lý TKN của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h 41 Đồ thị 3.5 Hiệu quả xử lý NNH4+ của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h 42 Đồ thị 3.6 Nồng độ NNO2 đầu và và đầu ra của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h 43 Nhận xét 43 Đồ thị 3.7. Nồng độ NNO3 đầu và và đầu ra của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h 44 Đồ thị 3.8 Đồ thị biểu diện sự thay đổi nồng độ oxi hòa tan qua từng pha của MBSBR và SBR Error Bookmark not defined. Đồ thị 3.9 Đồ thị biểu diễn pH qua từng pha của MBSBR và SBR Error Bookmark not defined. Đồ thị 3.10 Hiệu quả xử lý và nồng độ đầu ra TP của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h 45 Đồ thị 3.11 Hiệu quả xử lý và nồng độ đầu ra SS của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h 46 Đồ thị 3.12 Hiệu quả xử lý và nồng độ đầu ra độ màu của MBSBR và SBR ở chu kỳ 12h... 47 Đồ thị 3.13 Biểu diễn độ biến thiên pH của chu kỳ 8h 48 Đồ thị 3.14 Hiệu quả xử lý COD của MBSBR và SBR ở chu kỳ 8h 49 Đồ thị 3.15 Hiệu quả xử lý TKN của MBSBR và SBR ở chu kỳ 8h 50 Đồ thị 3.16 Hiệu quả xử lý NNH4+của MBSBR và SBR ở chu kỳ 8h 51 Đồ thị 3.17 Nồng độ đầu ra NNO2 của MBSBR và SBR ở chu kỳ8h 52 Đồ thị 3.18 Nồng độ đầu ra NNO3 của MBSBR và SBR ở chu kỳ 8h 53 Đồ thị 3.19 Đồ thị biểu diễn DO của bể MBSBR và SBR qua các pha phản ứng Error Bookmark not defined. Đồ thị 3.20 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên giá trị pH của bể MBSBR và SBR theo từng pha phản ứng Error Bookmark not defined. Đồ thị 3.21 Hiệu quả xử lý TP của MBSBR và SBR ở chu kỳ 8h 54 Đồ thị 3.22 Hiệu quả xử lý SS của MBSBR và SBR ở chu kỳ 8h 55 Đồ thị 3.23 Hiệu quả xử lý Độ màu của MBSBR và SBR ở chu kỳ 8h 56 Đồ thị 3.24 Biểu diễn độ thay đổi pH của chu kỳ 6h 57 Đồ thị 3.25 Hiệu quả xử lý COD của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 58 Đồ thị 3.26 Hiệu quả xử lý TKN của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 59 Đồ thị 3.27 Hiệu quả xử lý NNH4+ của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 60 Đồ thị 3.28 Nồng độ đầu ra NNO2 của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 61 Đồ thị 3.29 Nồng độ đầu ra NNO3 của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 62 Đồ thị 3.30 Biến thiên nồng độ oxi hòa tan qua từng pha phản ứng 62 Đồ thị 3.31 Hình biểu diễn độ biến thiên pH qua từng pha phản ứng 62 Đồ thị 3.32 Hiệu quả xử lý TP của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 63 Đồ thị 3.33 Hiệu quả xử lý SS của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 64 Đồ thị 3.34 Hiệu quả xử lý Độ màu của MBSBR và SBR ở chu kỳ 6h 65 Đồ thị 3.35 So sánh hiệu quả xử lý COD của MBSBR và SBR qua 3 chu kỳ 66 Đồ thị 3.36 So sánh hiệu quả xử lý BOD5 của MBSBR và SBR 67 Đồ thị 3.37 So sánh hiệu quả xử lý TN của MBSBR và SBR 68 Đồ thị 3.38 So sánh hiệu quả xử lý TP của MBSBR và SBR 69 Đồ thị 3.39 So sánh hiệu quả xử lý SS của MBSBR và SBR 70 Đồ thị 3.40 So sánh hiệu quả xử lý Độ màu của MBSBR và SBR 70 Đồ thị 3.41 Sự biến thiên NNH4+ qua từng chu kỳ của bể MBSBR 71 Đồ thị 3.42 Sự biến thiên NNH4+ qua từng chu kỳ của bể SBR 72 Đồ thị 3.43 Sự biến thiên NNO2 qua từng chu kỳ của bể MBSBR 73 Đồ thị 3.44 Sự biến thiên NNO2 qua từng chu kỳ của bể SBR 74 Đồ thị 3.45 Sự biến thiên NNO3 qua từng chu kỳ của bể MBSBR 75 Đồ thị 3.46 Sự biến thiên NNO3 qua từng chu kỳ của bể SBR 76 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tiêu chuẩn cấp nước của các vùng trong cả nước 3 Bảng 1.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý 4 Bảng 1.3 Những vi khuẩn tồn tại trong bùn hoạt tính23 15 Bảng 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrate hóa 19 Bảng 1.5 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Nitrate hóa 21 Bảng 1.6 Tính chất vật lý của giá thể 25 Bảng 1.7 Thông số đầu vào của mô hình 28 Bảng 2.1 Thông số nước thải đầu vào của Trường ĐH Công Nghiệp Tp.HCM 30 Bảng 2.2 Thông tin giá thể di động Mutag BiochipTM 31 Bảng 2.3 Các hạng mục và thông số kỹ thuật trong mô hình 32 Bảng 2.4 Vị trí lấy mẫu trong các pha 33 Bảng 2.5 Thông số vận hành mô hình 35 Bảng 2.6 Các thông số vận hành của chu kỳ 12h 35 Bảng 2.7 Các thông số vận hành của chu kỳ 8h 36 Bảng 2.8 Các thông số vận hành của chu kỳ 6h 36 Bảng 4.1 Kết luận của đề tài 103 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU COD Nhu cầu Oxy hóa học. (Chemical Oxygen Demand) TN Tổng Nitơ. (Total Nitrogen) TKN Tổng Nitơ Kjeldahl. (Toltal Kjeldahl Nitrogen) N_NH4+ Nitơ Ammonia. N_NO2 Nitơ Nitrit. N_NO3 Nitơ Nitrat. TP Tổng phospho. (Total Phosphorus) PO43 Phosphate. DO Nồng độ oxy hòa tan, đơn vị mgO2l. (Dissolved Oxygen) FM Tỷ lệ thức ăn vi sinh vật. (FoodMicroorganism) SS Chất rắn lơ lửng.(Suspended Solid) MLSS Mật độ bùn. (Mixed Liquid Suspended Solid) MLVSS Tổng chất rắn ba hơi trong hệ bùn lỏng. (Mixed Liquid Volatile Suspended ) SVI Thể tích lắng của bùn. (Sludge Volume Index) HRT Thời gian lưu nước thủy lực. (Hydraulic Retention Time) OLR Tải trọng hữu cơ. (Oganic Loading Rates) SBR Bể sinh học hiếu khí gián đoạn. (Sequencing Batch Reactor) MBSBR Bể sinh học hiếu khí gián đoạn có giá thể lơ lửng. (Moving Bed Sequencing Batch Reactor) NTSH Nước thải sinh hoạt. QCVN Quy Chuẩn Việt Nam. BTNMT Bộ tài nguyên môi trường. MỞ ĐẦU Xã hội hiện đại phát triển ngày một mạnh mẽ, song song đó là nhu cầu xả thải nước trong các hoạt động sống của con người như: các hoạt động sinh hoạt, hoạt động sản xuất và hoạt động thương mại. Theo báo cáo của Sở Tài Nguyên và Môi trường TP.HCM vào năm 2015 đã cho thấy hiện mỗi ngày, chỉ riêng 13 quận Trung tâm Thành Phố thải ra 2 triệu m3ngày. Tuy nhiên, mới chỉ có 7% lượng nước thải này được thu gom và xử lý, phần lớn còn lại được xả trực tiếp ra hệ thống kênh trong thành phố và sông Sài Gòn. Nước thải sinh hoạt là nước có đặc thù hàm lượng chất hữu cơ (COD= 1000mgl, BOD=1000mgl) và đặc biệt là chất dinh dưỡng (TN=85mgl, TP=15mgl) khá lớn12. Khi nước thải có hàm lượng dinh dưỡng (TN, TP) cao thì chúng sẽ gây ra một số tác hại như sau: hiện tượng phú dưỡng hoá, gây ngộ độc cho tôm (hàm lượng nitrate trên 220mgl sẽ gây ngộ độc cho tôm cá 10) và giảm hiệu quả nuôi trồng thuỷ sản, đặc biệt nó còn gây ngạt thở cho con người, điều này là do nitrate chuyển hoá thành nitrite dưới tác động của enzyme, nitrate biến hemoglobin thành methemoglobin cản trở quá trình vận chuyển oxi, khi tiếp xúc với liều lượng nitrate lớn hơn 50mgl thì sẽ gây ra khó thở đặc biệt là trẻ nhỏ và phụ nữ mang thai. Ngoài ra nitrit sẽ kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamine1 hợp chất tiền ung thư gây ung thư gan hoặc ung thư dạ dày 3. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Cộng đồng kinh tế châu Âu (EC) giới hạn hàm lượng NNO3 trong nước uống là 50mgl, đối với rau không quá 300 mgkg rau tươi. Chính vì vậy xử lý nước thải sinh hoạt nói chung hay xử lý được thành phần chất hữu cơ (COD, BOD), dinh dưỡng (TN, TP) trong nước thải thì vô cùng quan trọng và cấp thiết. Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng các mô hình xử lý chất hữu cơ kết hợp với xử lý dinh dưỡng Nitơ trong nước thải như: mô hình bể sinh học hiếu khí liên tục có giá thể lơ lửng (MBBR) đã được áp dụng tại trạm xử lý nước thải khu dân cư Him Lam, công nghệ Anaerobic (kị khí) – Anoxic (hiếu khí) – Oxic (hiếu khí) (AAO), và đặc biệt là công nghệ hiếu khí sinh học gián đoạn (SBR) đã được áp dụng tại một số trạm xử lý như: trạm xử lý nước thải khu công nghiệp Bình Chiểu, Trạm xử lý nước thải khu công nghiệp Sóng Thần, Trạm xử lý nước thải khu chế xuất Linh Trung I, II. SBR là công nghệ được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi do tính ưu việt của nó như: không cần tuần hoàn bùn, không cần xây dựng bể lắng tiết kiệm chi phí và mặt bằng, dễ cải tiến mở rộng, linh hoạt trong vận hành và điều hành… Tuy nhiên ngoài những ưu điểm trên thì bể SBR vẫn còn một số nhược điểm. Trong số đó đặc biệt đáng quan tâm đó là hiệu quả xử lý Nitơ còn chưa cao, thời gian lắng nhiều. Như vậy, để khắc phục những nhược điểm trên và tiếp tục cải thiện, phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn nữa công nghệ SBR vào thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả xử lý COD, Nitơ trong nước thải sinh hoạt là công việc rất cần thiết của các nhà khoa học nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật môi trường nói riêng. Do đó, nhóm đã quyết định thực hiện nghiên cứu bể SBR kết hợp với hợp với giá thể lơ lửng và bể SBR bùn hoạt tính truyền thống để tìm ra công nghệ tối ưu cho xử lý nước thải sinh hoạt trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1.1.1 Nguồn gốc, thành phần và tính chất NTSH 1.1.1.1 Nguồn gốc Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,... Chúng thường được thải từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác12. Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào số dân, tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm của hệ thống thoát nước. Mặt khác lượng nước thải này thường không ổn định lưu lượng xả ra theo mùa, theo tháng trong năm và theo giờ trong ngày. Nước thải sinh hoạt chứa nhiều loại chất vô cơ, hữu cơ dễ phân hủy sinh học và nhiều loại vi khuẩn gây bệnh14. Đặc tính của nước thải sinh hoạt tương đối ổn định. Tuy nhiên thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt chịu sự ảnh hưởng rất lớn bởi tập quán sinh hoạt của dân cư sinh sống ở mỗi vùng miền khác nhau. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt là: thành phần, tính chất hóa lý của nguồn nước cấp, tiêu chuẩn cấp nước và xả thải nước, thói quen ăn uống, các loại thực phẩm, mức sống của người dân, nền văn minh của xã hội, khí hậu từng vùng cụ thể. Bảng 1.1 Tiêu chuẩn cấp nước của các vùng trong cả nước Đối tượng dùng nước Tiêu chuẩn cấp nước tính theo đầu người (ngày trung bình trong năm) lítngười Thành phố lớn, thành phố du lịch, nghỉ mát, khu công nghiệp lớn 300 – 400 Thành phố, thị xã vừa và nhỏ, khu công nghiệp nhỏ 200 – 270 Thị trấn, trung tâm công nông nghiệp, công ngư nghiệp, điểm dân cư nông thôn 80 – 150 Nông thôn 40 – 60 (Nguồn: TCXD 33 – 2006) Tại Mỹ mỗi ngày trung bình một gia đình người sẽ tiêu thụ hết khoảng 300 – 400 gallons (tương ứng 1137 – 1515 lít ngày).24 Lượng nước cấp đầu vào tương đối lớn sẽ kéo theo lưu lượng nước thải sinh hoạt cũng rất lớn, nước thải sinh hoạt thường chiếm khoảng 80 – 100% lượng nước cấp đưa vào sử dụng. Tại Ấn độ mỗi ngày ở các thành phố lớn ước tính lượng nước thải sinh hoạt phát sinh mỗi ngày lên tới 38354000 m3ngày, trong số đó thì chỉ có khoảng 11786000 m3ngày được cho qua xử lý. 1.1.1.2 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt. Trong nước thải sinh hoạt, thành phần hữu cơ chiếm chủ yếu từ 50 – 60%. Các chất hữu cơ được thải bỏ từ thực vật: cặn bã thực vật, rau, củ, quả, giấy... và các chất hữu cơ thải bỏ từ động vật: chất bài tiết của con người, của động vật, xác động vật... trong các chất thải bỏ hữu cơ, có 3 thành phần hóa học chính: protein (chiếm 40 60%), hydrat cacbon (chiếm 25 – 50%), các chất béo, dầu mỡ (chiếm 10%). Bên cạnh đó, thành phần có trong nước thải sinh hoạt chiếm một lượng khoảng từ 40 – 42% là các hợp chất vô cơ như: cát, đá, đất sét, các axit , bazo vô cơ, dầu khoáng... Trong NTSH cũng luôn có mặt nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, virus, nấm, rong tảo, trứng giun sán...trong đó có nhiều loại vi sinh vật gây bệnh cho con người và động vật như bệnh lỵ, thương hàn.... Nồng độ của một số chỉ tiêu trong NTSH đặc trưng có thể tham khảo ở bảng 2.2 (theo Metcalf và Eddy) Bảng 1.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý Các chỉ tiêu Nồng độ Nhẹ Trung bình Nặng Chất rắn tổng cộng, mgl 350 720 1200 Tổng chất rắn hòa tan,mgl Bay hơi, mgl Cố định, mgl 250 500 850 105 200 325 145 300 525 Chất rắn lơ lửng, mgl Cố định, mgl Bay hơi, mgl 100 200 350 20 55 75 80 165 275 Chất rắn lắng được, mgl 5 10 20 BOB5, mgl 250 500 1000 Tổng cacbon hữu cơ, mgl 80 160 210 COD, mgl 250 500 1000 Tổng nito, mgl: 20 40 85 8 15 35 Hữu cơ 12 25 50 Anoni tự do Nitrit 0 0 0 Nitrat 0 0 0 Tổng photpho, mgl 4 8 15 Hữu cơ 1 3 5 Vô cơ 3 5 10 Clorua, mgl 30 50 50 Sunfat, mgl 20 30 50 Độ kiềm (theo CaCO3), mgl 50 100 200 Dầu mỡ, mgl 50 100 150 Colifom, mgl 106 ÷ 107 107 ÷ 108 107 ÷ 108 Chất hữu cơ bay hơi, mgl < 100 100 ÷ 400 >400 Nguồn12 Một đặc tính quan trọng của NTSH cần được quan tâm ngoài các thành phần vô cơ hữu cơ, vi sinh vật đó là đặc tính hóa lý. Bởi vì các quá trình xử lý phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái hóa lý của các chất đó, trạng thái được xác định bằng độ phân tán của các hạt. 1.1.2 Thực trạng ô nhiễm NTSH Hệ thống thoát nước thải sinh hoạt đang là một trong những khó lớn của những nhà quản lý, hiện nay tại các vùng nông thôn, hệ thống thoát nước của NTSH chủ yếu dưới hình thức thải thẳng ra các ao hồ, sống suối gần khu vực người dân sinh sống, còn tại các thành phố, các đô thị lớn thì nước chủ yếu được thoát theo hệ thống thoát nước mưa, sau đó, NTSH này được thải trực tiếp ra ngoài tự nhiên. Trung bình một ngày Hà Nội thải 458.000 m3 nước thải, trong đó 41% là NTSH, 57% nước thải công nghiệp, 2% nước thải bệnh viện. Chỉ có khoảng 4% nước thải được xử lý. Phần lớn nước thải không được xử lý đổ vào các sông Tô Lịch và Kim Ngưu gây ô nhiễm nghiêm trọng 2 con sông này và các khu vực dân cư dọc theo sông. Không chỉ ở Hà Nội, TP.HCM mà ở các đô thị khác như Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… NTSH cũng không được xử lý. Độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép, các thông số SS, BOD,COD, DO đều vượt từ 510 lần tiêu chuẩn cho phép. Tại các vùng nông thôn, các cụm dân cư (làng, xã) tình hình vệ sinh môi trường còn đáng lo ngại hơn, phần lớn các gia đình không có nhà xí hợp vệ sinh. Hầu hết NTSH thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên. Vì vậy sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người, sinh vật và môi trường sinh thái. 1.1.3 Tác hại của NTSH Nước thải sinh hoạt có đặc thù hàm lượng chất hữu cơ (COD, BOD) và đặc biệt là chất dinh dưỡng (N, P) khá lớn vì vậy nước nước thải sinh hoạt có tác hại rất lớn đến sức khỏe con người, sinh vật cũng như sinh thái môi trường nước cụ thể như sau: COD, BOD: khi nước thải có nồng độ COD, BOD cao thì sự khoáng hóa và ổn định các chất hữu cơ này sẽ tiêu thụ lớn một lượng oxy và gây thiếu hụt oxy cho nguồn tiếp nhận chúng. Nếu ô nhiễm quá cao thì điều kiện yếm khí có thể hình thành, trong quá trình yếm khí các chất phân hủy ra sản phẩm như: H2S, NH3, CH4,…gây ra mùi hôi thối của nước và làm cho pH của nước giảm. Tổng chất rắn lơ lửng (TSS): lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, hạn chế đô sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của tảo, rong, rêu. Ngoài ra chúng còn có khả năng gây trở ngại cho sự phát triển của thủy sản. Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ độc thức ăn, vàng da,… Amonia, photpho: nếu nông độ của các chất này quá cao tring nước thải sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa. Nitrit, nitrate: gây ngộ độc cho tôm và giảm hiệu quả nuôi trồng thuỷ sản và hàm lượng nitrate trên 220mgl sẽ gây ngộ độc cho tôm cá 11, gây ngạt thở do nitrate chuyển hoá thành nitrite dưới tác động của enzyme, nitrate biến hemoglobin thành methemoglobin cản trở quá trình vận chuyển oxi, khi tiếp xúc với liều lượng nitrate lớn hơn 50mgl thì sẽ gây ra khó thở đặc biệt là trẻ nhỏ và phụ nữ mang thai, ngoài ra nitrit sẽ kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamine1 hợp chất tiền ung thư, ung thư gan hoặc ung thư dạ dày 3. Còn theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và cộng đồng kinh tế châu Âu (EC) giới hạn hàm lượng NO3 trong nước uống là 50mgl, đối với rau không quá 300mgkg rau tươi. 1.4 BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ THEO MẺ SEQUENCING BATCH REATOR (SBR) 1.4.1 Lịch sử hình thành SBR được sử dụng trên khắp thế giới vào khoảng từ những năm 1920. Với sự phổ biến ngày càng tăng của mình ở châu Âu và Trung Quốc cũng như Hoa Kỳ, chúng được sử dụng thành công để xử lý cả nước thải đô thị và công nghiệp, đặc biệt là ở các khu vực đặc trưng của mô hình dòng chảy thấp hoặc khác nhau. Các đô thị, khu du lịch, sòng bạc, và một số ngành công nghiệp, bao gồm sữa, bột giấy và giấy, thuộc da và dệt may, đều bằng cách sử dụng lựa chọn SBR xử lý nước thải. Những cải tiến trong thiết bị và công nghệ, đặc biệt là trong các thiết bị sục khí và hệ thống điều khiển máy tính, đã làm SBR một lựa chọn khả thi hơn hệ thống hoạt tính bùn truyền thống. 31 Đến năm 1950 khi Pasveer và cộng sự ứng dụng kết hợp dòng chảy gián đoạn và liên tục cho hệ thống bùn hoạt tính để xử lý nước thải với tải lượng khác nhau. Trong những năm sau đó, SBR tiếp tục phát triển chủ yếu ở Úc và Hoa Kỳ và với khoản viện trợ không hoàn lại từ EPA đã xuất bản Hướng dẫn sử dụng thiết kế SBR của EPA vào năm 1986 và 1992, đã dẫn đến các ứng dụng quy mô rộng của công nghệ trên toàn thế giới. Công nghệ ngày một cải tiến hơn để khắc phục những nhược điểm của SBR, đặc biệt là hệ thống điều khiển vi xử lý đáng tin cậy, thiết bị sục khí và van cơ học, nhờ đó quy mô áp dụng bể SBR để cử lý nước thải ngày càng lớn (lên đến 1 triệu dân số)25. 1.4.2 Ưu điểm, nhược điểm của bể SBR Bản chất của SBR đó chính là một bể xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính, do đó, nó có những tính chất khá giống với một bể bùn hoạt tính truyền thống thông thường. Đặc điểm nổi bật của bể SBR đó chính là quá trình phản ứng (thiếu khí và hiếu khí) và quá trình lắng bùn đều diễn ra chung một bể, đặc điểm này đã làm cho bể SBR có những ưu nhược điểm như sau: Ưu điểm  Không cần bể lắng và tuần hoàn bùn.  Trong pha làm đầy bể SBR đóng vai trò như bể cân bằng vì vậy bể SBR có thể chịu dựng được tải trọng cao và sốc tải.  Có thể hạn chế được sự phát triển của vi khuẩn sợi thông qua việc điều chỉnh tỉ số FM và thời gian thổi khí trong quá trình làm đầy.  Ít tốn diện tích đất xây dựng do các quá trình cân bằng cơ chất, xử lý sinh học và lắng được thực hiện trong cùng một bể.  Cấu trúc đơn giản.  Dễ dàng cải tiến và mở rộng.  Linh hoạt trong vận hành và điều chỉnh.  Dễ dàng thay đổi thời gian của các pha trong cùng một hệ thống và quá trình xả nước diễn ra rất chính xác nhờ việc điều chỉnh bằng timer.  Lợi ích về kinh tế. Nhược điểm  Ống xả nước sau xử lý có kích thước rất lớn.  Nếu như quá trình lắng bùn xảy ra sự cố thì sẽ dẫn đến bùn bị trôi theo ống đầu ra.  Xảy ra hiện tượng bị trôi bùn theo ống đầu ra trong lần xả đầu tiên do bùn bị kẹt trong lỗ thu nước của phao.  Khi xả tốc độ dòng chảy rất lớn sẽ làm ảnh hưởng đến các hệ thống xử lý phía sau.  Có thể xảy ra quá trình khử nitrat trong pha lắng nếu như thời gian lưu bùn dài. Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng bùn nổi do bị khí nitơ đẩy lên. Hiện tượng này càng nghiêm trọng vào những ngày nhiệt độ cao. 1.4.3 Cấu tạo bể S R Các thành phần quan trọng cấu thành nên bể SBR gồm có thiết bị dẫn nước thải vào, thiết bị xả nước sau xử lý, thiết bị thổi khí, thiết bị xáo trộn và các timer điều chỉnh thời gian. 1.4.3.1 Thiết bị dẫn nước thải vào Nước thải được bơm trực tiếp vào từng bể SBR bằng ống dẫn hoặc van tự động. Có hai dạng lắp đặt thiết bị dẫn nước đầu vào. Đối với hệ thống áp dụng quá trình làm đầy đơn thuần thì thiết bị dẫn nước vào sẽ được lắp đặt gần mặt thoáng của bể. Đối với hệ thống áp dụng quá trình làm đầy có xáo trộn thì thiết bị dẫn nước vào thường được đặt phía dưới mức bùn khi lắng. 1.4.3.2 Thiết bị rút nước (decanter) Decanter bao gồm có một cái phao và một cánh tay đòn. Phao: có tác dụng giữ cho các lỗ thu nước luôn nằm dưới mặt nước nhằm ngăn chặn tối đa hiện tượng trôi bùn theo nước đầu ra khi xả. Ngoài chức năng thu nước thì phao của decanter còn là thiết bị phân phối nước đầu vào. Cánh tay đòn: cánh tay đòn của decanter được thiết kế có thể di chuyển lên xuống với ba mục đích đó là hạn chế tối đa lượng bùn trôi ra ngoài, thu được thể tích nước đúng bằng với thể tích nước làm đầy và không xuất hiện bọt hoặc ván bọt khi xả. Decanter nên được đặt tại vị trí có độ cao bằng với chiều cao của bể SBR để tránh hiện tượng xáo trộn phần bùn đã được lắng trong pha lắng. Hình 1.10 Decanter 1.4.4 Nguyên tắc hoạt động Chu kỳ vận hành của SBR gồm có 4 pha cơ bản, bao gồm: pha làm đầy, pha phản ứng (thiếu khí và hiếu khí), pha lắng, và pha chờ. Các pha này được vận hành luân phiên theo nhiều dạng khác nhau tùy theo mục đích xử lý. 1.4.4.1 Pha làm đầy Nước thải được bơm vào bể. Nước thải đầu vào cung cấp cơ chất cho vi sinh vật trong bùn hoạt tính, tạo ra môi trường cho các quá trình sinh học diễn ra. Tùy theo mục đích xử lý có thể kết hợp vừa làm đầy vừa xáo trộn, vừa làm đầy vừa sục khí hoặc kết hợp vừa làm đầy vừa xáo trộn vừa sục khí. Quá trình làm đầy đơn thuần: vì không cần thiết phải có quá trình nitrat hóa và khử nitrat nên không cần xáo trộn hoặc thổi khí khi nước thải được bơm vào bể và như vậy sẽ giúp tiết kiệm năng lượng. Quá trình làm đầy có xáo trộn: khi bơm bắt đầu bơm nước thải vào bể thì đồng thời thiết bị xáo trộn cũng được khởi động nhưng không kích hoạt thiết bị thổi khí. Việc kết hợp quá trình làm đầy và xáo trộn sẽ giúp ổn định thành phần nước thải đầu vào và sinh khối, giảm nồng độ cơ chất, nồng độ oxy hòa tan và nồng độ nitrat. Giả sử rằng khi bắt đầu quá trình làm đầy có xáo trộn, trong bể SBR đã có nitrat và oxy hòa tan, lúc này sẽ diễn ra các phản ứng sinh học hiếu khí. Kết quả là sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan và cơ chất. Khi trong bể không còn oxy hòa tan, nitrat sẽ trở thành chất nhận điện tử và xảy ra các phản ứng sinh học thiếu khí. Sau khi các chất nhận điện tử (oxy hòa tan và nitrat) cạn kiệt sẽ xảy ra quá trình lên men hoặc các phản ứng sinh học kỵ khí. Với sự hiện diện của các phản ứng sinh học kỵ khí sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật phóng thích ra photpho. Từ đó tạo điều kiện cho vi sinh vật hấp thụ trở lại photpho trong quá trình hiếu khí. Làm đầy có thổi khí: trong trường hợp này, thiết bị thổi khí và xáo trộn cơ học đều hoạt động. Việc thổi khí trong quá trình làm đầy sẽ giúp ngăn chặn sự xuất hiện các vùng kỵ khí mà thay vào đó là vùng hiếu khí. Nếu chỉ muốn giảm hàm lượng chất hữu cơ và đạt được điều kiện hiếu khí trong quá trình làm đầy thì chỉ cần điều chỉnh quá trình như thế này. Còn muốn đạt thêm điều kiện thiếu khí thì cần phải luân phiên tắt, mở thiết bị thổi khí. Thông qua việc điều chỉnh này sẽ tạo ra đồng thời cả hai điều kiện thiếu khí và hiếu khí. Trong pha này, cần điều chỉnh giá trị DO sao cho không vượt quá 0,2 mgl. 1.4.4.2 Pha phản ứng: Bao gồm quá trình thiếu khí và quá trình hiếu khí. Quá trình thiếu khí Trong quá trình này, vi khuẩn dị dưỡng sử dụng nitrat như là chất nhận điện tử và chuyển hóa chúng thành khí nitơ. Quá trình này được gọi là quá trình khử nitrat. NO (chất nhận điện tử) Chất hữu cơ (chất cho điện tử) (nguồn cacbon) NO + 0.345C H O N + H+ + 0.267HCO + 0.267NH + Vi khuẩn dị dưỡng 0.655CO2 + 0.5N2 + 0.612C5H7NO2 + 2.3H2O Hình 1.11 Quá trình khử nitrat Quá trình hiếu khí Trong quá trình này, chất hữu cơ bị oxy hóa cung cấp năng lượng và nguồn cacbon cho sự phát triển của các vi khuẩn dị dưỡng. Không khí DO (chất nhận điện tử) Chất hữu cơ (chất cho điện tử) (nguồn cacbon) COHNS + O2 + chất dinh dưỡng Vi khuẩn dị dưỡng CO2 + NH3 + C5H7NO2 Hình 1.12 Quá trình nitrat hóa Ngoài ra trong quá trình này, vi khuẩn tự dưỡng cũng có thể phát triển do chúng tổng hợp năng lượng từ quá trình oxy hóa amoni và nitrit, sử dụng nguồn cacbon từ kiềm bicacbonat. Quá trình này gọi là quá trình nitrat hóa. Do không có nước thêm vào và không gia tăng tải lượng hữu cơ nên tốc độ xử lý chất hữu cơ tăng lên đáng kể (hầu hết BOD được xử lý trong pha này). Quá trình nitrat hóa sẽ diễn ra tốt hơn nếu thiết bị xáo trộn và thiết bị thổi khí cùng hoạt động. Lượng photpho được vi sinh vật phóng thích trong quá trình làm đầy có xáo trộn và quá trình xáo trộn thuần túy sẽ được vi sinh vật hấp thụ trở lại trong quá trình sục khí. 1.4.4.3 Pha lắng Trong pha này không có nước thêm vào, không thổi khí cũng không có xáo trộn, bể SBR đóng vai trò như một bể lắng. 1.4.4.4 Pha xả Sau khi kết thúc pha lắng, tín hiệu sẽ truyền đến decanter (thiết bị thu nước tự động trong bể SBR) và mở van xả nước đầu ra. 1.4.4.5 Pha chờ Quá trình rút bùn dư được thực hiện trong pha chờ. Ngoài ra trong thời gian còn có thể kiểm tra thiết bị và khắc phục sự cố. Hình 1.13 Các pha trong chu kỳ hoạt động của SBR Trong một nhà máy xử lý nước thải, số lượng bể SBR được xây dựng phụ thuộc vào tốc độ và lưu lượng nước thải của nơi cần xử lý. 1.5 GIÁ THỂ SINH HỌC 1.5.2 Giá thể dùng trong bể S R 1.5.2.1 Nguyên tắc chọn giá thể Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại giá thể đa dạng cả về chủng loại và nguồn gốc, do đó, để lựa chọn được một loại giá thể phù hợp cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau: Khả năng bám dính của vi sinh vật: để khả năng dính bám tốt, yêu cầu giá thể có diện tích bề mặt lớn nhất, tạo một lớp màng lớn, từ đó tạo điều kiện tiếp xúc lớn giữa vi sinh vật, oxi và cơ chất. Hoạt tính cơ học cao, tính kỵ nước, độ xốp, độ nhám, kích thước và khối lượng của vật liệu. Rẻ và có sẵn trên thị trường. Khả năng ứng dụng cao. 1.5.2.2 Phân loại giá thể Giá thể được phân thành hai loại: giá thể cố định và giá thể lơ lửng. a. Giá thể cố định Trên thị trường có rất nhiều loại giá thể cố định, sau đây sẽ là hình minh họa cho một vài loại giá thể cố định. Hình 1.14 Giá thể Fibrous Hình 1.15 Giá thể BioFringe Hình 1.16 Giá thể sợi nilong b. Giá thể lơ lửng Hiện nay có rất nhiều dạng giá thể lơ lửng được làm từ những vật liệu khác nhau với kích thước và hình dạng cũng khác nhau. Tùy vào yêu cầu xử lý mà chọn loại giá thể phù hợp. Giá lể lơ lửng được làm từ muốt: Loại giá thể này được tổng hợp từ polymer, thuộc vào loại ưa nước. Chúng có thể hình thành các liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị để cố định vi sinh vật và enzyme trên bề mặt của chúng.Trong vật liệu đệm bằng muốt, màng sinh học hình thành không chỉ trên bề mặt mà còn trong các lỗ xốp. Vì mút có quá nhiều lỗ rỗng nên chất dinh dưỡng không thể khuếch tán đến bề mặt bên trong của các lỗ rỗng dẫn đến thiếu dinh dưỡng ở những vị trí đó. Nhược điểm đó có thể khắc phục bằng cách sử dụng các vật liệu có lỗ rỗng lớn hơn. Giá thể làm từ nhựa tổng hợp: Nhựa composite tổng hợp từ propyplene: Giá thể loại này có lỗ rỗng lớn hơn so với giá thể làm bằng muốt. Ngoài ra với đặc tính kỵ nước, vật liệu làm từ composite có thể khắc phục được các nhược điểm của giá thể làm từ muốt. Nhựa composite được tổng hợp từ polypropylene và các sản phẩm nông nghiệp. Các sản phẩm nông nghiệp được tích hợp bởi polypropylene là nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của vi sinh vật. Có tuổi thọ, độ bền cao, khả năng tích lũy chất dinh dưỡng tốt nên các vật liệu đệm làm bằng composite thường được ứng dụng trong các công trình xử lý nước thải để tăng cường quá trình lên men các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nitơ. Hình 1.17 Giá thể tổng hợp từ propyplene Hình 1.18 Giá thể làm bằng muốt Nhựa tổng hợp từ polyetylen: Tất cả các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn so với tỷ trọng của nước (tỷ trọng của các loại giá thể so với nước từ 0.94 – 0.96), tuy nhiên mỗi loại giá thể có tỷ trọng khác nhau. Ví dụ như 5 loại giá thể sau: K1, K2, K3, Natrix và Biofilm Chip M. Hình 1.19 Giá thể tổng hợp từ nhựa polyetylen 1.5.3 Cấu tạo và hoạt động của màng sinh học 1.5.5.1 Cơ chế hình thành màng sinh học Xử lý nước thải sinh học được thực hiện chủ yếu bởi prokaryote, nấm, động vật nguyên sinh, tảo và vi trùng cũng có thể được đại diện. Các vi sinh vật loại bỏ carbon và chất dinh dưỡng từ nước thải bằng cách sử dụng khác nhau quá trình chuyển hóa và hô hấp. Các prokaryote thường xuyên nhất được tìm thấy trong các hệ thống xử lý nước thải sinh học thuộc các lớp Alpha, Beta và Gammaproteobacteria, Bacteroidetes và Actinobacteria. Nước thải đô thị bao gồm các chất hữu cơ, protein , carbohydrate, chất béo và các loại dầu; chất dinh dưỡng, chủ yếu là nitơ và phốt pho; cũng như một lượng nhỏ các hợp chất hữu cơ và kim loại cứng đầu khó phân hủy. Các chất hữu cơ phân hủy sinh học được sinh hóa oxy hóa bởi các vi khuẩn dị dưỡng trong điều kiện hiếu khí dẫn đến sản xuất carbon dioxide, nước, ammonia và sinh khối mới. Trong điều kiện yếm khí vi sinh methanogen, vi khuẩn cổ, oxy hóa các chất hữu cơ để sản lượng carbon dioxide, methane và sinh khối mới. Còn đối với quá trình loại bỏ Nitơ và Phospho được thực hiện bởi nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng bắt buộc. Bảng 1.3 Những vi khuẩn tồn tại trong bùn hoạt tính23 Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Phân hủy hidratcacbon, protein, các hợp chất hữu cơ khác và phần nitrat hóa Arthrobacter Phân huỷ hidratcacbon Bacillus Phân hủy hidratcacbon, protein… Cytophaga Phân hủy các polyme Zooglea Tạo thành chất nhầy( polysacarit), hình thành chất keo tụ Acinetobacter Tích lũy polyphosphat, phản nitrat Nitrosomonas Nitrit hóa Nitrobacter Nitrat hóa Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao Alcaligenes Phân hủy protein, phản nitrat hóa Flavobacterium Phân hủy protein Nitrococcus Dennitrificans Thiobacillus Phản nitrat hóa( khử nitrat thành N2) Denitrigficans Acinetobacter Hyphomicrobiu m Desulfovibrio Khử sulfat, khử nitrat 1.5.5.2 Cấu trúc của màng sinh học Theo kết quả nghiên cứu của Czaczyk, một mạng lưới ngoại bào có độ dày từ 0,2 đến 1µm. Ở một vài loài vi khuẩn, độ dày của lớp mạng lưới ngoại bào mỏng hơn và không vượt quá 10 đến 30nm35. Quan sát dưới kính hiển vi quét cho thấy, biofilm không phải là một chất vô định hình, hay một khối đặc sệt các polysaccharides và vi khuẩn như những nhận định trước đây. Cấu trúc biofilm bao gồm thành phần tế bào liên kết với nhau một cách có trật tự đảm bảo sự trao đổi thông tin liên tục diễn ra giữa các tế bào. Mạng lưới các chất ngoại bào có vai trò quy định sự sắp xếp tế bào đồng thời tạo nên những kênh dẫn truyền nước bên trong biofilm (Hình 1.22). Nhờ đó, một dòng nước chảy có thể đi qua biofilm tạo điều kiện cho việc khuếch tán, phân phối chất dinh dưỡng đến khắp các tế bào trong màng cũng như mang đi những chất thải không cần thiết. Một hệ thống màng sinh học nói chung bao gồm: 97% nước, 25% tế bào vi khuẩn, 36% EPS và ion Các mạng lưới ngoại bào thường bao gồm các thành phần chính như 4095% polysaccharides, 160% protein, 110% acid nucleic và 140% lipid Hình 1.20 Ảnh hiển vi quét cấu trúc không đồng đều bên trong biofilm cùng những kênh dẫn truyền nước 1.5.5.3 Cơ chế trao đổi chất trong màng Hình 1.21 Cấu tạo màng vi sinh vật02 Khi thành phần cơ chất có trong nước thải cùng với oxi tiếp xúc với màng sinh học trên bề mặt giá thể thì chúng sẽ có hiện tượng khếch tán, thẩm thấu vào trong màng sinh học này. Càng đi sâu vào trong lớp màng thì nồng độ oxi và cơ chất sẽ giảm giần. Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia thành hai lớp: lớp màng kị khí bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài. Trong màng vi sinh luôn tồn tại dồng thời vi sinh vật kị khí và hiếu khí, do chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hoà tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở thành hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớp màng kị khí. Đây chính là lý do vì sao mà sử dụng màng sinh học giúp tăng cường xử lý chất hữu cơ, chất dinh dưỡng trong nước. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả theo công thức sau: Màng hiếu khí: Chất hữu cơ + oxy + nguyên tố vết → sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối Màng kỵ khí: Chất hữu cơ + nguyên tố vết → sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật, không chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh. Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Nếu một trong những cơ chất bị hết ở một chiều sâu nào đó của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học có liên quan đến cơ chất này sẽ không xảy ra, và cơ chất này được gọi là cơ chất giới hạn quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ đó. Các nguyên tố vết như nitơ, photpho và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng. Khi đó lớp màng bị tróc ra tạo điều kiện hình thành lớp màng mới. 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của màng sinh học Độ dày của lớp màng sinh học trên bề mặt giá thể để cư chất có thể khếch tán vào là nhỏ hơn 10 µm. Mật độ giá thể trong bể, mật độ giá thể sẽ ảnh hưởng đến khả năng khếch tán oxi, khếch tán cơ chất trong nước. Vùng hiếu khí Vùng hiếu khí Sự chuyển Sự khuếch tán Hình 1.22 Quá trình xử lý Nitơ trong nước09 Hình thể hiện quá trình biến đổi nitơ trong tự nhiên, tuy nhiên, để loại bỏ nitơ trong nước chủ yếu được thực hiện thông qua 2 quá trình chính: nitrate hóa và phản nitrate hóa. 1.5.5 Quá trình Nitrate hóa Quá trình nitrate hóa là quá trình tự dưỡng, quá trình đã sử dụng CO2 thay cho nguồn Cacbon hữu cơ để cung cấp Cacbon cho việc tổng hợp tế bào. Loại bỏ nitơ sinh học là đạt được một sự kết hợp của nitrat hóa, quá trình oxy hóa Amoniac thành Nitrate, khử Nitrate thành khí Nitơ. Vi khuẩn nitrate là chemolithotrophs, sử dụng các hợp chất nitơ vô cơ như các chất cho điện tử. Vi khuẩn oxy hóa amoniac, như ví dụ Nitrosomonas, Nitrosospira và Nitrosococcus, chuyển đổi Amonia thành Nitrite theo phương trình (1). Vi khuẩn oxy hóa nitrite như Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus và Nitrospina, sau đó chuyển đổi nitrit thành nitrat được mô tả bởi phương trình (2) 15 CO2 + 13 NH4 + → 10 NO2 + 3 C5H7NO2 23 H+ + 4 H2O (1) 5 CO2 + NH4+ + 10 NO2 + 2 H2O → 10 NO3 + C5H7NO2 + H+ (2) 1.00NH4+ + 1.89O2+ 0.08CO2 → 0.98NO3 + 0.016C5H7O2N + 0.95H2O + 1.98H+ Nói chung, để oxy hóa 20 mgl NH4+cần tiêu thụ 84,6 mgl oxy hòa tan, phá hủy 141,4 mgl chất kiềm nhu CaCO, và tạo ra 2,6 mgl các vi sinh vật nitrat hóa. Quá trình nitrate hóa kéo theo quá trình giảm pH nếu không có đủ lớp đệm xử lý trong nuớc thải 25. Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrate hóa25 Bảng 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrate hóa STT Yếu tố ảnh hưởng Mô tả 1 Nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu là 25 350C Khi giảm nhiệt độ thì tốc độ quá trình Nitrate hóa giảm xuống 2 Ph Giá trị tối ưu: 6.5 8 Khi pH nằm ngoài khoảng tối ưu thì hiệu quả xử lý giảm 50%. Quá trình Amoni hóa đã tiêu hao một lượng kiềm đáng kể (7.14mgCaCO31mg Amoni), làm giảm pH của nước, tuy nhiên quá trình nitrate hóa lại giải phòng CO2 do đó ngăn sự suy giảm độ kiềm. 3 Nồng độ oxi hòa tan (DO) Oxi hóa 1mg Amoni cần 4.23 mg O2 Hệ thống SBR, DO duy trì xấp xỉ 2mgl Hệ thống MBSBR, DO duy trì gấp 2.7 lần so với nồng độ NH4+. 4 Tỉ số BOD5TKN Quá trình Nitrate hóa kết hợp với loại bỏ cacbon tỉ số lớn hơn 5 Quá trình Nitrate hóa thông thường tỉ số duy trì nhỏ hơn 3, quá trình nitrate hóa riêng biệt, vi khuẩn nitrate hóa không bị ảnh hưởng bởi vi khuẩn dị dưỡng oxi hóa 5 Thành phần độc hại Các kim loại nặng (Ag, Hg, Cr, Cu, As...) Các hợp chất gây độc cho vi sinh vật: cyanide, thiourea, phenol, aniline. 1.5.6 Quá trình khử Nitrate hóa (Nguồn 25) Quá trình khử Nitrate thành khí Nitơ, do đó loại bỏ Nitơ. Trong sự vắng mặt của phân tử oxy các sinh vật khử Nitơ có thể hô hấp bằng Nitrat hoặc Nitrit qua một chuỗi các phản ứng enzyme cùng với màng bên trong vi khuẩn. Tổng hợp các enzym tham gia vào quá trình khử Nitơ được gây ra dưới điều kiện thiếu oxy. Trong sự hiện diện của oxy phân tử hệ thống vận chuyển điện tử hiếu khí được sử dụng kể từ khi thế oxi hóa khử oxy là cao hơn so với Nitrate. Công thức cân bằng hóa học cho quá trình tổng thể, ở đây với acetate là nhà tài trợ electron, được trình bày dưới đây NO3 + cacbon hữu cơ  N2 + H2O + CO2 + OH + tế bào mới. Theo lý thuyết, 3,57 mg kiềm (CaCO3) đuợc tạo ra khi mỗi mg nitrat bị chuyển sang dạng khí N, khi nuớc thải đuợc sử dụng nhu nguồn cung cấp Cacbon. Vì vậy, sự khử Nitrat hóa có thể lấy lại đuợc khoảng một nửa luợng kiềm đã mất trong quá trình nitrat hóa và có thể khắc phục đuợc tình trạng giảm pH trong môi truờng nuớc kiềm. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi nguồn Cacbon hữu cơ không đủ để cung cấp Cacbon cho quá trình khử nitrate thì vi sinh vật sẽ sử dụng nguồn Cacbon cung cấp từ bên ngoài, chủ yếu là methanol và acetate, như vậy độ kiềm có thể sẽ không không tăng.25 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrate hóa25 Bảng 1.5 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Nitrate hóa STT Yếu tố ảnh hưởng Mô tả 1 Nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu là 35 500C. 2 pH Giá trị tối ưu:6.0 – 8.0 Độ kiểm và pH tăng theo quá trình khử nitrate Quá trình khử nitrate ta ra 3.57 mg CaCO3 1mg NO3 khử 3 Nồng độ oxi hòa tan (DO) Là chất cạnh tranh nhận điện tử với nitrate DO > 1mgl sẽ kiềm hãm quá trình khử nitrate. DO cần duy trì tốt nhất là dưới 0.3mgl 4 Thành phần độc hại Các kim loại nặng (Ag, Hg, Cr, Cu, As...) Các hợp chất gây độc cho vi sinh vật: cyanide, thiourea, phenol, aniline. 1.5.7 Quá trình khử Phospho Loại bỏ phốt pho sinh học được thực hiện bằng cách tích tụ trong tế bào của polyphosphates kết hợp với sự hấp thu tế bào cho sự tăng trưởng. Các vi khuẩn loại bỏ phosphate hiệu quả nhất được gọi là tích lũy sinh học polyphosphate . Tích lũy sinh học polyphosphate đòi hỏi xen kẽ kỵ khí và hiếu khí môi trường để có được một sự hấp thu ròng cao của phospho. Các thành phần phospho trong các tế bào vi khuẩn thường chiếm 13% trọng lượng khô trong khi tỷ lệ tương ứng cho tích lũy sinh học polyphosphate có thể đạt đến 10% . Vi khuẩn có khả năng hấp thụ phốt pho hiếu khí tăng cường là ví dụ Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter iwoffi và Aeromonas hydrophila . 30 • Sự phóng thích photpho trong điều kiện kỵ khí Khi quá trình kỵ khí xảy ra trước quá trình hiếu khí sẽ tạo điều kiện cho việc tạo ra các sản phẩm lên men từ BOD. Các sản phẩm lên men này sẽ được vi sinh vật hấp thụ photpho sử dụng và dự trữ nội bào ở dạng polyβhydroxybutyrate (PHB). Trong quá trình kỵ khí, vi sinh vật sử dụng năng lượng có được từ sự phân hủy các polyphosphate (xem như nguồn cacbon) mà chúng được tích lũy ở các polyβhydroxybutyrate (PHB) dự trữ trong các hạt volutin trong tế bào nguyên sinh chất của vi khuẩn. Hiện tượng này dẫn đến sự phóng thích các photpho vô cơ. • Sự hấp thụ photpho trong điều kiện hiếu khí Trong quá trình hiếu khí, cơ chất bị cạn kiệt và các vi sinh vật sẽ hấp thụ lại photpho với lượng lớn hơn nhu cầu của tế bào. Khả năng hấp thụ photpho đạt tối đa khi nồng độ oxy hòa tan lớn hơn 2 mgl. Để quá trình xử lý photpho xảy ra thì phải có các sản phẩm lên men trong giai đoạn kỵ khí. Do đó, trong bể SBR để tăng cường xử lý photpho thì quá trình thiếu khí (kỵ khí) cần phải được thực hiện trước quá trình hiếu khí. Vì nitrat được xem như là chất ức chế quá trình xử lý photpho. Để chuyển hóa 1mg P phải cần khoảng 7 – 10 mg axit acetic, tuong ứng với 7,5 – 10,7 mg COD tính theo các axit béo cho mỗi mg P Đuợc chuyển hóa25. 1.6 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Hiện nay, trên thế giới cũng như trong nước, một số công trình đã được ứng dụng công nghệ hiếu khí gián đoạn có giá thể sinh học lơ lửng trong sử lý nước thải. Dưới đây là một số nghiên cứu trong và ngoài nước mà nhóm tìm hiểu để tham khảo. Nghiên cứu bể sinh học hiếu khí dạng mẻ có giá thể sinh học M SBR (Moving Bed Sequencing Reator) trong xử lý nước thải công nghiệp sữa của Suntud Sirianuntapiboona, Narumon Jeeyachokb, Rarintorn Larplaia 32 Trong nghiên cứu của mình, người ta đã tiến hành cải tiến bể SBR thông thường bằng cách sử dụng thêm giá thể sinh học vào bể SBR, mục đích chính là để nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống, đồng thời, tăng cường chất lượng bùn hoạt tính và giảm lượng bùn sư sinh ra trong quá trình vận hành mô hình. Các thí nghiệm được tiến hành trong cả hai bể SBR và MBSBR để quan sát từ đó có những so sánh, đánh giá khách quan hơn. Dưới đây là mô hình MBSBR và SBR được sử dụng trong nghiên cứu: Hình 1.23 Mô hình M S R và S R32 Các kích thước của mỗi hệ thống là 0.29 m (đường kính) 0.35 m (chiều cao), thể tích hữu dụng là 20 lít. Hình 1.24 Hình ảnh giá thể sử dụng trong nghiên cứu32 Giá thể có một số thông số đáng lưu ý như sau: với 90 giá thể sử dụng, tổng diện tích bề mặt tiếp xúc là 2.7 m2, tổng thể tích choán chỗ là 225 cm3 và tổng trọng lượng là 220.5g. Nguồn nước thải sử dụng trong nghiên cứu là nước thải của ngành công nghiệp sữa, thành phần và tính chất của nguồn nước được thể hiện thông qua một số thông số như sau: nồng độ COD duy trì trung bình (7500±324 mgl), BOD5 (4000±59 mgl), tổng chất rắn lơ lửng TS (5000±46 mgl), tổng nitơ và phospho tương ứng là (120±2.8 mgl), (60±0.41 mgl), giá trị pH và nhiệt độ duy trì (6 ±0.62), (34.5±0.470C) Bùn sinh học từ bể chứa sinh học bùn của nhà máy xử lý nước thải trung tâm thành phố Bangkok (Sriphaya thực vật) đã được sử dụng cho cả SBR và hệ thống MBSBR. Sau đó các nhà nghiên cứu đã cho chúng thích nghi với nước thải công nghiệp sữa trong vòng 1 tuần. Mô hình vận hành trong 24h gồm 5 pha như sau: pha làm đầy 2h, pha phản ứng 19h, pha lắng 1.5h và cuối cùng là pha xả nước 1.5h. Cả 2 bể đều được thực hiện chạy qua 4 tải trọng 1340; 1000; 680; 500 g BOD5m3.ngày. Sau thời gian hoạt động trong 30 ngày, thực hiện các bước phân tích thì kết quả thu được như sau: Kết quả sau nghiên cứu của 2 bể ta đều nhận thấy khi tải trọng hữu cơ càng thấp thì hiệu quả xử lý càng cao, dễ dàng nhận thấy khi ta bổ sung thêm giá thể sinh học vào bể SBR thì hiệu quả xử lý có sự nâng cao hơn, cụ thể ở tải trọng 1000 g BODm3.ngày thì hiệu quả xử lý COD của SBR và MBSBR lần lượt là: 93.5 và 94.2%, đặc biệt, MBSBR có khả năng thích nghi dễ dàng với tải trọng cao hơn SBR thông thường, ở tải trọng 1340 g BODm3.ngày, hiệu quả xử lý COD là 87 và 89,3% tương ứng với SBR và MBSBR. Như vậy bằng việc bổ sung thêm giá thể sinh học vào mô hình SBR có thể làm tăng hiệu quả xử lý, cải thiện chất lượng bùn, làm giảm lượng dư thừa sinh học bùn, và cũng làm giảm thời gian thích nghi của hệ thống. Thời gian thích nghi của hệ thống MBSBR là 23 ngày ngắn hơn so với các hệ thống SBR. Các COD và BOD5 hiệu suất xử lý của hệ thống MBSBR cao hơn so với các hệ thống SBR trong điều kiện tải trọng hữu cơ cùng khoảng 57%. Điều này có thể được giải thích bởi thực tế rằng tổng khối lượng sinh học bùn của bể MBSBR là cao hơn so với các hệ thống SBR do số lượng tăng lên của khối lượng màng sinh học trên các giá thể sinh học của hệ thống MBSBR (Wanner et al, 1998;. Watanabe et al., 1994), và kết quả là bể MBSBR cho thấy một hiệu quả loại bỏ cao hơn so với các bể SBR (Gebara, 1999). Tương tự như vậy đối với kết quả xử lý TN của bể MBSBR cao hơn so với SBR, tại tải trọng 1340 g BOD5m3.ngày hiệu quả xử lý TN của MBSBR và SBR tương ứng là 83±0.2 (mgl); 79.9±0.3 (mgl). Trong nghiên cứu của E. Hosseini Koupaie cùng các đồng sự của mình về so sánh tổng quát giữa bể sinh học hiếu khí gián đoạn theo mẻ có giá thể và truyền thống. 05 Nghiên cứu đã sử dụng nước thải tổng hợp từ các họp chất hóa học để duy trì COD và nồng độ thuốc nhuộm là 1000 (mgl); 40 (mgl). Mô hình được thiết lập với 4 bể: một bể SBR bùn hoạt tính truyền thống, 3 bể còn lại mỗi bể chứa một loại giá thể sinh học khác nhau, MBSBR1; MB SBR2 và MBSBR3, thể tích giá thể chiếm trong bể nằm trong khoảng 50%. Để so sánh một cách chính xác nhất ta cần cố định các

Trang 1

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG MÔ HÌNH HIẾU KHÍ GIÁN ĐOẠN CÓ GIÁ THỂ SINH HỌC DI ĐỘNG

CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

TÓM TẮT



Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hìnhhiếu khí gián đoạn có giá thể lơ lửng (Moving Bed – Sequencing Batch Reactor) và không cógiá thể (Sequencing Batch Reactor) Nguồn nước thải sử dụng là nước thải sinh hoạt củatrường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM, với ô nhiễm chất hữu cơ (COD), chất dinh dưỡngTKN, TP tương ứng là 17050, 4010, 205 (mg/l) Thí nghiệm thực hiện với chu kỳ 12giờ, 8 giờ, 6 giờ Hiệu quả xử lý COD qua ba chu kỳ của hai bể MB-SBR là 93%, 90%, 87%

và SBR là 86%, 83%, 79% Hiệu quả xử lý TKN của hai là MB-SBR 92.97%, 90.53%,88.78% còn bể SBR là 84.28%, 80.49%, 76.3% Hiệu quả xử lý TP của bể MB-SBR là90.01%, 87.41%, 80.11%; còn SBR là 82.53%, 83.29%, 72.56% Hiệu quả xử lý COD,TKN, TP của

bể MB-SBR cao hơn bể SBR truyền thống, chênh lệch tương đương 81%, 102%, 62%.Kết quả nghiên cứu cho thấy khi cho thêm giá thể lơ lửng vào bể hiếu khí gián đoạn SBR thìhiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt cao hơn bể SBR truyền thống Như vậy, công nghệ bể sinhhọc hiếu khí dạng gián đoạn có giá thể lơ lửng (MB-SBR) phù hợp với xử lý nước thải sinhhoạt và có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải sinh hoạt nói chung và nước thải sinh hoạt củatrường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM nói riêng

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 3

1.1.1 Nguồn gốc, thành phần và tính chất NTSH 3

1.1.1.1 Nguồn gốc 3

1.1.1.2 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt 4

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm NTSH 5

1.1.3 Tác hại của NTSH 6

1.4 BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ THEO MẺ SEQUENCING BATCH REATOR (SBR) 7

1.4.1 Lịch sử hình thành 7

1.4.2 Ưu – nhược điểm của bể SBR 7

1.4.3 Cấu tạo bể SBR 8

1.4.3.1 Thiết bị dẫn nước thải vào 8

1.4.3.2 Thiết bị rút nước (decanter) 8

1.4.4 Nguyên tắc hoạt động 9

1.4.4.1 Pha làm đầy 9

1.4.4.2 Pha phản ứng: 10

1.4.4.3 Pha lắng 12

1.4.4.4 Pha xả 12

1.4.4.5 Pha chờ 12

1.5 BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ DẠNG MẺ CÓ GIÁ THỂ 12

1.5.1 Giới thiệu ………12

1.5.2 Giá thể dùng trong bể SBR 12

1.5.2.1 Nguyên tắc chọn giá thể 12

1.5.2.2 Phân loại giá thể 13

1.5.3 Cấu tạo và hoạt động của màng sinh học 15

1.5.5.1 Cơ chế hình thành màng sinh học 15

Trang 3

1.5.5.2 Cấu trúc của màng sinh học 16

1.5.5.3 Cơ chế trao đổi chất trong màng 17

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của màng sinh học 18

1.5.5 Quá trình Nitrate hóa 19

1.5.6 Quá trình khử Nitrate hóa 20

1.5.7 Quá trình khử Phospho 21

1.6 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 22

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC CHẤT HỮU CƠ, CHẤT DINH DƯỠNG TRONG THẢI SINH HOẠT CỦA MÔ HÌNH HIẾU KHÍ GIÁN ĐOẠN CÓ GIÁ THỂ DI ĐỘNG (MB-SBR) VÀ KHÔNG CÓ GIÁ THỂ (SBR) 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.1.1 Nguồn nước thải nghiên cứu 30

2.1.2 Bùn hoạt tính 30

2.1.4 Giá thể 31

2.1.3 Mô hình SBR 32

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.2.1 Nội dung nghiên cứu 34

2.2.2 Mô tả thí nghiệm 34

2.3 QUY TRÌNH LẤY MẪU VÀ PHÂN TÍCH 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 KẾT QUẢ GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI 38

3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHU KỲ 12H 38

3.2.1 Chỉ tiêu pH 38

3.2.2 Chỉ tiêu COD 39

3.2.3 Chỉ tiêu TKN 41

3.2.4 Chỉ tiêu N-NH4 +

42 3.2.5 Chỉ tiêu N-NO2 43

3.2.6 Chỉ tiêu N-NO3 43

3.2.8 Chỉ tiêu TP 44

3.2.9 Chỉ tiêu SS 45

3.3.1 Chỉ tiêu pH 47

Trang 4

3.3.4 Chỉ tiêu N-NH4+ 51

3.4.1 Diễn biến pH 56

3.4.3 Chỉ tiêu TKN 58

3.4.3 Chỉ tiêu N-NH4+ 58

3.4.8 Chỉ tiêu độ màu 64

3.5 SO SÁNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ, CHẤT DINH DƯỠNG CỦA BỂ MB-SBR VÀ MB-SBR QUA TỪNG TẢI LƯỢNG 66

3.5.1 So sánh hiệu quả xử lý COD 66

3.5.2 So sánh hiệu quả xử lý BOD5 66

3.5.3 So sánh hiệu quả xử lý TN 68

3.5.4 So sánh hiệu quả xử lý TP 69

3.5.5 So sánh hiệu quả xử lý SS và độ màu 69

3.5.6 So sánh sự biến thiên nồng độ N-NH4+, N-NO2- N-NO3 71

3.6 ĐÁNH GIÁ SỰ TẠO THÀNH SINH KHỐI 77

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

4.1 KẾT LUẬN 78

4.2 KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC A: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 81

PHỤ LỤC B HÌNH ẢNH 83

Trang 5

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.10 Decanter 9

Hình 1.11 Quá trình khử nitrat 10

Hình 1.12 Quá trình nitrat hóa 11

Hình 1.13 Các pha trong chu kỳ hoạt động của SBR 12

Hình 1.14 Giá thể Fibrous 13

Hình 1.17 Giá thể tổng hợp từ propyplene Hình 1.18 Giá thể làm bằng muốt 14

Hình 1.19 Giá thể tổng hợp từ nhựa polyetylen 15

Hình 1.20 Ảnh hiển vi quét cấu trúc không đồng đều bên trong biofilm cùng những kênh dẫn truyền nước 17

Hình 1.21 Cấu tạo màng vi sinh vật[02] 18

Hình 1.22 Quá trình xử lý Nitơ trong nước[09]

19 Hình 1.23 Mô hình MB-SBR và SBR[32] 23

Hình 1.24 Hình ảnh giá thể sử dụng trong nghiên cứu[32] 23

Hình 1.25 Thể hiện mô hình vận hành và 3 loại giá thể M1, M2, M3 25

Hình 1.26 Hình ảnh mô hình sử dụng trong nghiên cứu[16] 26

Hình 1.27 Giá thể K3 Hình 1.28 Mô hình bể SBR[21] 27

Hình 2.1 giá thể Mutag BiochipTM

31 Hình 2.2 Mô hình nghiên cứu 32

Hình 3.1 Giá thể đổi màu ở giai đoạn thích nghi 38

Đồ thị 3.2 Biểu diễn giá trị pH của bể MB-SBR và bể SBR 39

Đồ thị 3.3 Hiệu quả xử lý COD của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h 40

Đồ thị 3.4 Hiệu quả xử lý TKN của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h 41

Đồ thị 3.5 Hiệu quả xử lý N-NH4+ của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h 42

Đồ thị 3.6 Nồng độ N-NO2- đầu và và đầu ra của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h 43

Nhận xét 43

Đồ thị 3.7 Nồng độ N-NO3- đầu và và đầu ra của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h 44

Đồ thị 3.8 Đồ thị biểu diện sự thay đổi nồng độ oxi hòa tan qua từng pha của MB-SBR và SBR Error! Bookmark not defined Đồ thị 3.9 Đồ thị biểu diễn pH qua từng pha của MB-SBR và SBR Error! Bookmark not defined. Đồ thị 3.10 Hiệu quả xử lý và nồng độ đầu ra TP của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h 45

Đồ thị 3.11 Hiệu quả xử lý và nồng độ đầu ra SS của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h 46

Trang 6

Đồ thị 3.12 Hiệu quả xử lý và nồng độ đầu ra độ màu của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 12h

47 Đồ thị 3.13 Biểu diễn độ biến thiên pH của chu kỳ 8h 48

Đồ thị 3.16 Hiệu quả xử lý N-NH4+của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 8h 51

Đồ thị 3.17 Nồng độ đầu ra N-NO2 của MB-SBR và SBR ở chu kỳ8h 52

Đồ thị 3.18 Nồng độ đầu ra N-NO3- của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 8h 53

Đồ thị 3.19 Đồ thị biểu diễn DO của bể MB-SBR và SBR qua các pha phản ứng Error! Bookmark not defined. Đồ thị 3.20 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên giá trị pH của bể MB-SBR và SBR theo từng pha phản ứng Error! Bookmark not defined. Đồ thị 3.21 Hiệu quả xử lý TP của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 8h 54

Đồ thị 3.22 Hiệu quả xử lý SS của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 8h 55

Đồ thị 3.23 Hiệu quả xử lý Độ màu của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 8h 56

Đồ thị 3.24 Biểu diễn độ thay đổi pH của chu kỳ 6h 57

Đồ thị 3.27 Hiệu quả xử lý N-NH4+ của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 6h 60

Đồ thị 3.30 Biến thiên nồng độ oxi hòa tan qua từng pha phản ứng 62

Đồ thị 3.31 Hình biểu diễn độ biến thiên pH qua từng pha phản ứng 62

Đồ thị 3.32 Hiệu quả xử lý TP của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 6h 63

Đồ thị 3.33 Hiệu quả xử lý SS của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 6h 64

Đồ thị 3.34 Hiệu quả xử lý Độ màu của MB-SBR và SBR ở chu kỳ 6h 65

Đồ thị 3.35 So sánh hiệu quả xử lý COD của MB-SBR và SBR qua 3 chu kỳ 66

Đồ thị 3.36 So sánh hiệu quả xử lý BOD5 của MB-SBR và SBR 67

Đồ thị 3.37 So sánh hiệu quả xử lý TN của MB-SBR và SBR 68

Đồ thị 3.38 So sánh hiệu quả xử lý TP của MB-SBR và SBR 69

Đồ thị 3.39 So sánh hiệu quả xử lý SS của MB-SBR và SBR 70

Đồ thị 3.40 So sánh hiệu quả xử lý Độ màu của MB-SBR và SBR 70

Đồ thị 3.41 Sự biến thiên N-NH4+ qua từng chu kỳ của bể MB-SBR 71

Đồ thị 3.42 Sự biến thiên N-NH4+ qua từng chu kỳ của bể SBR 72

Trang 7

Đồ thị 3.43 Sự biến thiên N-NO2- qua từng chu kỳ của bể MB-SBR 73

Đồ thị 3.44 Sự biến thiên N-NO2- qua từng chu kỳ của bể SBR 74

Đồ thị 3.45 Sự biến thiên N-NO3- qua từng chu kỳ của bể MB-SBR 75

Đồ thị 3.46 Sự biến thiên N-NO3- qua từng chu kỳ của bể SBR 76

Trang 8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn cấp nước của các vùng trong cả nước 3

Bảng 1.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý 4

Bảng 1.3 Những vi khuẩn tồn tại trong bùn hoạt tính[23] 15

Bảng 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrate hóa 19

Bảng 1.5 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Nitrate hóa 21

Bảng 1.6 Tính chất vật lý của giá thể 25

Bảng 1.7 Thông số đầu vào của mô hình 28

Bảng 2.1 Thông số nước thải đầu vào của Trường ĐH Công Nghiệp Tp.HCM 30

Bảng 2.2 Thông tin giá thể di động Mutag BiochipTM 31

Bảng 2.3 Các hạng mục và thông số kỹ thuật trong mô hình 32

Bảng 2.4 Vị trí lấy mẫu trong các pha 33

Bảng 2.5 Thông số vận hành mô hình 35

Bảng 2.6 Các thông số vận hành của chu kỳ 12h 35

Bảng 4.1 Kết luận của đề tài 103

Trang 9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

COD Nhu cầu Oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

TN Tổng Nitơ (Total Nitrogen)

TKN Tổng Nitơ Kjeldahl (Toltal Kjeldahl Nitrogen)

N_NO2- Nitơ Nitrit

N_NO3- Nitơ Nitrat

TP Tổng phospho (Total Phosphorus)

DO Nồng độ oxy hòa tan, đơn vị mgO2/l (Dissolved Oxygen)

F/M Tỷ lệ thức ăn/ vi sinh vật (Food/Microorganism)

SS Chất rắn lơ lửng.(Suspended Solid)

MLSS Mật độ bùn (Mixed Liquid Suspended Solid)

MLVSS Tổng chất rắn ba hơi trong hệ bùn lỏng (Mixed Liquid Volatile

Suspended )SVI Thể tích lắng của bùn (Sludge Volume Index)

HRT Thời gian lưu nước thủy lực (Hydraulic Retention Time)

OLR Tải trọng hữu cơ (Oganic Loading Rates)

SBR Bể sinh học hiếu khí gián đoạn (Sequencing Batch Reactor)MB-SBR Bể sinh học hiếu khí gián đoạn có giá thể lơ lửng (Moving Bed -

Sequencing Batch Reactor)NTSH Nước thải sinh hoạt

BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

Trang 10

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG MÔ HÌNH HIẾU KHÍ GIÁN ĐOẠN CÓ GIÁ THỂ SINH HỌC DI ĐỘNG CHO

XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Trang 1Cao Thu Thủy – Nguyễn Thị Thanh Thảo

MỞ ĐẦU

Xã hội hiện đại phát triển ngày một mạnh mẽ, song song đó là nhu cầu xả thải nước trongcác hoạt động sống của con người như: các hoạt động sinh hoạt, hoạt động sản xuất và hoạt độngthương mại

Theo báo cáo của Sở Tài Nguyên và Môi trường TP.HCM vào năm 2015 đã cho thấy hiệnmỗi ngày, chỉ riêng 13 quận Trung tâm Thành Phố thải ra 2 triệu m3/ngày Tuy nhiên, mới chỉ có7% lượng nước thải này được thu gom và xử lý, phần lớn còn lại được xả trực tiếp ra hệ thốngkênh trong thành phố và sông Sài Gòn

Nước thải sinh hoạt là nước có đặc thù hàm lượng chất hữu cơ (COD= 1000mg/l,BOD=1000mg/l) và đặc biệt là chất dinh dưỡng (TN=85mg/l, TP=15mg/l) khá lớn[12] Khi nướcthải có hàm lượng dinh dưỡng (TN, TP) cao thì chúng sẽ gây ra một số tác hại như sau: hiệntượng phú dưỡng hoá, gây ngộ độc cho tôm (hàm lượng nitrate trên 220mg/l sẽ gây ngộ độc chotôm cá [10]) và giảm hiệu quả nuôi trồng thuỷ sản, đặc biệt nó còn gây ngạt thở cho con người,điều này là do nitrate chuyển hoá thành nitrite dưới tác động của enzyme, nitrate biếnhemoglobin thành methemoglobin cản trở quá trình vận chuyển oxi, khi tiếp xúc với liều lượngnitrate lớn hơn 50mg/l thì sẽ gây ra khó thở đặc biệt là trẻ nhỏ và phụ nữ mang thai Ngoài ranitrit sẽ kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamine-1 hợp chấttiền ung thư gây ung thư gan hoặc ung thư dạ dày [3] Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) vàCộng đồng kinh tế châu Âu (EC) giới hạn hàm lượng N-NO3- trong nước uống là 50mg/l, đối vớirau không quá 300 mg/kg rau tươi

Chính vì vậy xử lý nước thải sinh hoạt nói chung hay xử lý được thành phần chất hữu cơ(COD, BOD), dinh dưỡng (TN, TP) trong nước thải thì vô cùng quan trọng và cấp thiết

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng các mô hình xử lý chất hữu cơ kếthợp với xử lý dinh dưỡng Nitơ trong nước thải như: mô hình bể sinh học hiếu khí liên tục có giáthể lơ lửng (MBBR) đã được áp dụng tại trạm xử lý nước thải khu dân cư Him Lam, công nghệAnaerobic (kị khí) – Anoxic (hiếu khí) – Oxic (hiếu khí) (AAO), và đặc biệt là công nghệ hiếukhí sinh học gián đoạn (SBR) đã được áp dụng tại một số trạm xử lý như: trạm xử lý nước thảikhu công nghiệp Bình Chiểu, Trạm xử lý nước thải khu công nghiệp Sóng Thần, Trạm xử lýnước thải khu chế xuất Linh Trung I, II

SBR là công nghệ được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi do tính ưu việt của nó như: khôngcần tuần hoàn bùn, không cần xây dựng bể lắng tiết kiệm chi phí và mặt bằng, dễ cải tiến mởrộng, linh hoạt trong vận hành và điều hành…

Tuy nhiên ngoài những ưu điểm trên thì bể SBR vẫn còn một số nhược điểm Trong số đóđặc biệt đáng quan tâm đó là hiệu quả xử lý Nitơ còn chưa cao, thời gian lắng nhiều

Trang 11

Như vậy, để khắc phục những nhược điểm trên và tiếp tục cải thiện, phát triển và ứng dụngrộng rãi hơn nữa công nghệ SBR vào thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả xử lý COD, Nitơ trongnước thải sinh hoạt là công việc rất cần thiết của các nhà khoa học nói chung và ngành côngnghệ kỹ thuật môi trường nói riêng Do đó, nhóm đã quyết định thực hiện nghiên cứu bể SBR kếthợp với hợp với giá thể lơ lửng và bể SBR bùn hoạt tính truyền thống để tìm ra công nghệ tối ưucho xử lý nước thải sinh hoạt trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM.

Trang 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1.1.1 Nguồn gốc, thành phần và tính chất NTSH

1.1.1.1 Nguồn gốc

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt củacộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân, Chúng thường được thải từ các căn hộ, cơquan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác[12]

Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào số dân, tiêu chuẩn cấp nước,đặc điểm của hệ thống thoát nước Mặt khác lượng nước thải này thường không ổn định lưulượng xả ra theo mùa, theo tháng trong năm và theo giờ trong ngày Nước thải sinh hoạt chứanhiều loại chất vô cơ, hữu cơ dễ phân hủy sinh học và nhiều loại vi khuẩn gây bệnh[14] Đặc tínhcủa nước thải sinh hoạt tương đối ổn định Tuy nhiên thành phần và tính chất của nước thải sinhhoạt chịu sự ảnh hưởng rất lớn bởi tập quán sinh hoạt của dân cư sinh sống ở mỗi vùng miềnkhác nhau Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt là: thànhphần, tính chất hóa lý của nguồn nước cấp, tiêu chuẩn cấp nước và xả thải nước, thói quen ănuống, các loại thực phẩm, mức sống của người dân, nền văn minh của xã hội, khí hậu từng vùng

cụ thể

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn cấp nước của các vùng trong cả nước

Đối tượng dùng nước Tiêu chuẩn cấp nước tính theo đầu người

(ngày trung bình trong năm) lít/người

Thành phố lớn, thành phố du lịch, nghỉ

Thành phố, thị xã vừa và nhỏ, khu công

Thị trấn, trung tâm công - nông nghiệp,

công - ngư nghiệp, điểm dân cư nông thôn 80 – 150

(Nguồn: TCXD 33 – 2006)

Tại Mỹ mỗi ngày trung bình một gia đình người sẽ tiêu thụ hết khoảng 300 – 400 gallons (tương ứng 1137 – 1515 lít/ ngày).[24]

Trang 13

Lượng nước cấp đầu vào tương đối lớn sẽ kéo theo lưu lượng nước thải sinh hoạt cũng rấtlớn, nước thải sinh hoạt thường chiếm khoảng 80 – 100% lượng nước cấp đưa vào sử dụng.Tại Ấn độ mỗi ngày ở các thành phố lớn ước tính lượng nước thải sinh hoạt phát sinh mỗingày lên tới 38354000 m3/ngày, trong số đó thì chỉ có khoảng 11786000 m3/ngày được cho qua

xử lý

1.1.1.2 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt.

Trong nước thải sinh hoạt, thành phần hữu cơ chiếm chủ yếu từ 50 – 60% Các chất hữu cơđược thải bỏ từ thực vật: cặn bã thực vật, rau, củ, quả, giấy và các chất hữu cơ thải bỏ từ độngvật: chất bài tiết của con người, của động vật, xác động vật trong các chất thải bỏ hữu cơ, có 3thành phần hóa học chính: protein (chiếm 40- 60%), hydrat cacbon (chiếm 25 – 50%), các chấtbéo, dầu mỡ (chiếm 10%)

Bên cạnh đó, thành phần có trong nước thải sinh hoạt chiếm một lượng khoảng từ 40 –42% là các hợp chất vô cơ như: cát, đá, đất sét, các axit , bazo vô cơ, dầu khoáng

Trong NTSH cũng luôn có mặt nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, virus, nấm, rong tảo, trứnggiun sán trong đó có nhiều loại vi sinh vật gây bệnh cho con người và động vật như bệnh lỵ,thương hàn

Nồng độ của một số chỉ tiêu trong NTSH đặc trưng có thể tham khảo ở bảng 2.2 (theoMetcalf và Eddy)

Bảng 1.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý

Trang 14

Một đặc tính quan trọng của NTSH cần được quan tâm ngoài các thành phần vô cơ hữu cơ,

vi sinh vật đó là đặc tính hóa lý Bởi vì các quá trình xử lý phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái hóa

lý của các chất đó, trạng thái được xác định bằng độ phân tán của các hạt

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm NTSH

Hệ thống thoát nước thải sinh hoạt đang là một trong những khó lớn của những nhà quản

lý, hiện nay tại các vùng nông thôn, hệ thống thoát nước của NTSH chủ yếu dưới hình thức thảithẳng ra các ao hồ, sống suối gần khu vực người dân sinh sống, còn tại các thành phố, các đô thịlớn thì nước chủ yếu được thoát theo hệ thống thoát nước mưa, sau đó, NTSH này được thải trựctiếp ra ngoài tự nhiên

Trang 15

Trung bình một ngày Hà Nội thải 458.000 m3 nước thải, trong đó 41% là NTSH, 57% nướcthải công nghiệp, 2% nước thải bệnh viện Chỉ có khoảng 4% nước thải được xử lý Phần lớnnước thải không được xử lý đổ vào các sông Tô Lịch và Kim Ngưu gây ô nhiễm nghiêm trọng 2con sông này và các khu vực dân cư dọc theo sông.

Không chỉ ở Hà Nội, TP.HCM mà ở các đô thị khác như Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, NamĐịnh, Hải Dương… NTSH cũng không được xử lý Độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nướcthải đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép, các thông số SS, BOD,COD, DO đều vượt từ 5-10 lầntiêu chuẩn cho phép Tại các vùng nông thôn, các cụm dân cư (làng, xã) tình hình vệ sinh môitrường còn đáng lo ngại hơn, phần lớn các gia đình không có nhà xí hợp vệ sinh Hầu hết NTSHthải trực tiếp ra môi trường tự nhiên Vì vậy sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người,sinh vật và môi trường sinh thái

1.1.3 Tác hại của NTSH

Nước thải sinh hoạt có đặc thù hàm lượng chất hữu cơ (COD, BOD) và đặc biệt là chấtdinh dưỡng (N, P) khá lớn vì vậy nước nước thải sinh hoạt có tác hại rất lớn đến sức khỏe conngười, sinh vật cũng như sinh thái môi trường nước cụ thể như sau:

- COD, BOD: khi nước thải có nồng độ COD, BOD cao thì sự khoáng hóa và ổn định cácchất hữu cơ này sẽ tiêu thụ lớn một lượng oxy và gây thiếu hụt oxy cho nguồn tiếp nhậnchúng Nếu ô nhiễm quá cao thì điều kiện yếm khí có thể hình thành, trong quá trình yếmkhí các chất phân hủy ra sản phẩm như: H2S, NH3, CH4,…gây ra mùi hôi thối của nước vàlàm cho pH của nước giảm

- Tổng chất rắn lơ lửng (TSS): lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, hạn chế đô sâu tầng nước đượcánh sáng chiếu xuống gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của tảo, rong, rêu Ngoài rachúng còn có khả năng gây trở ngại cho sự phát triển của thủy sản

- Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ độcthức ăn, vàng da,…

- Amonia, photpho: nếu nông độ của các chất này quá cao tring nước thải sẽ gây ra hiệntượng phú dưỡng hóa

- Nitrit, nitrate: gây ngộ độc cho tôm và giảm hiệu quả nuôi trồng thuỷ sản và hàm lượngnitrate trên 220mg/l sẽ gây ngộ độc cho tôm cá [11], gây ngạt thở do nitrate chuyển hoáthành nitrite dưới tác động của enzyme, nitrate biến hemoglobin thành methemoglobin cảntrở quá trình vận chuyển oxi, khi tiếp xúc với liều lượng nitrate lớn hơn 50mg/l thì sẽ gây

ra khó thở đặc biệt là trẻ nhỏ và phụ nữ mang thai, ngoài ra nitrit sẽ kết hợp với các axitamin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamine-1 hợp chất tiền ung thư, ung thưgan hoặc ung thư dạ dày [3] Còn theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và cộng đồng kinh tế

Trang 16

châu Âu (EC) giới hạn hàm lượng NO3- trong nước uống là 50mg/l, đối với rau không quá 300mg/kg rau tươi.

1.4 BỂ SINH HỌC HIẾU KHÍ THEO MẺ - SEQUENCING BATCH REATOR (SBR) 1.4.1 Lịch sử hình thành

SBR được sử dụng trên khắp thế giới vào khoảng từ những năm 1920 Với sự phổ biếnngày càng tăng của mình ở châu Âu và Trung Quốc cũng như Hoa Kỳ, chúng được sử dụng thànhcông để xử lý cả nước thải đô thị và công nghiệp, đặc biệt là ở các khu vực đặc trưng của môhình dòng chảy thấp hoặc khác nhau Các đô thị, khu du lịch, sòng bạc, và một số ngành côngnghiệp, bao gồm sữa, bột giấy và giấy, thuộc da và dệt may, đều bằng cách sử dụng lựa chọnSBR xử lý nước thải Những cải tiến trong thiết bị và công nghệ, đặc biệt là trong các thiết bị sụckhí và hệ thống điều khiển máy tính, đã làm SBR một lựa chọn khả thi hơn hệ thống hoạt tínhbùn truyền thống [31]

Đến năm 1950 khi Pasveer và cộng sự ứng dụng kết hợp dòng chảy gián đoạn và liên tụccho hệ thống bùn hoạt tính để xử lý nước thải với tải lượng khác nhau Trong những năm sau đó,SBR tiếp tục phát triển chủ yếu ở Úc và Hoa Kỳ và với khoản viện trợ không hoàn lại từ EPA đãxuất bản Hướng dẫn sử dụng thiết kế SBR của EPA vào năm 1986 và 1992, đã dẫn đến các ứngdụng quy mô rộng của công nghệ trên toàn thế giới Công nghệ ngày một cải tiến hơn để khắcphục những nhược điểm của SBR, đặc biệt là hệ thống điều khiển vi xử lý đáng tin cậy, thiết bịsục khí và van cơ học, nhờ đó quy mô áp dụng bể SBR để cử lý nước thải ngày càng lớn (lên đến

1 triệu dân số)[25]

1.4.2 Ưu điểm, nhược điểm của bể SBR

Bản chất của SBR đó chính là một bể xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính, do đó, nó có nhữngtính chất khá giống với một bể bùn hoạt tính truyền thống thông thường Đặc điểm nổi bật của bểSBR đó chính là quá trình phản ứng (thiếu khí và hiếu khí) và quá trình lắng bùn đều diễn rachung một bể, đặc điểm này đã làm cho bể SBR có những ưu nhược điểm như sau:

- Ưu điểm

 Không cần bể lắng và tuần hoàn bùn

 Trong pha làm đầy bể SBR đóng vai trò như bể cân bằng vì vậy bể SBR có thể chịu dựngđược tải trọng cao và sốc tải

 Có thể hạn chế được sự phát triển của vi khuẩn sợi thông qua việc điều chỉnh tỉ số F/M vàthời gian thổi khí trong quá trình làm đầy

 Ít tốn diện tích đất xây dựng do các quá trình cân bằng cơ chất, xử lý sinh học và lắng đượcthực hiện trong cùng một bể

Trang 17

 Cấu trúc đơn giản.

 Dễ dàng cải tiến và mở rộng

 Linh hoạt trong vận hành và điều chỉnh

 Dễ dàng thay đổi thời gian của các pha trong cùng một hệ thống và quá trình xả nước diễn

ra rất chính xác nhờ việc điều chỉnh bằng timer

 Lợi ích về kinh tế

- Nhược điểm

 Ống xả nước sau xử lý có kích thước rất lớn

 Nếu như quá trình lắng bùn xảy ra sự cố thì sẽ dẫn đến bùn bị trôi theo ống đầu ra

 Xảy ra hiện tượng bị trôi bùn theo ống đầu ra trong lần xả đầu tiên do bùn bị kẹt trong lỗthu nước của phao

 Khi xả tốc độ dòng chảy rất lớn sẽ làm ảnh hưởng đến các hệ thống xử lý phía sau

 Có thể xảy ra quá trình khử nitrat trong pha lắng nếu như thời gian lưu bùn dài Điều này sẽdẫn đến hiện tượng bùn nổi do bị khí nitơ đẩy lên Hiện tượng này càng nghiêm trọng vàonhững ngày nhiệt độ cao

1.4.3 Cấu tạo bể S R

Các thành phần quan trọng cấu thành nên bể SBR gồm có thiết bị dẫn nước thải vào, thiết bị

xả nước sau xử lý, thiết bị thổi khí, thiết bị xáo trộn và các timer điều chỉnh thời gian

1.4.3.1 Thiết bị dẫn nước thải vào

Nước thải được bơm trực tiếp vào từng bể SBR bằng ống dẫn hoặc van tự động Có hai dạng lắp đặt thiết bị dẫn nước đầu vào

- Đối với hệ thống áp dụng quá trình làm đầy đơn thuần thì thiết bị dẫn nước vào sẽ được lắp đặt gần mặt thoáng của bể

- Đối với hệ thống áp dụng quá trình làm đầy có xáo trộn thì thiết bị dẫn nước vào thường được đặt phía dưới mức bùn khi lắng

1.4.3.2 Thiết bị rút nước (decanter)

Decanter bao gồm có một cái phao và một cánh tay đòn

- Phao: có tác dụng giữ cho các lỗ thu nước luôn nằm dưới mặt nước nhằm ngăn chặn tối đahiện tượng trôi bùn theo nước đầu ra khi xả Ngoài chức năng thu nước thì phao củadecanter còn là thiết bị phân phối nước đầu vào

- Cánh tay đòn: cánh tay đòn của decanter được thiết kế có thể di chuyển lên xuống với bamục đích đó là hạn chế tối đa lượng bùn trôi ra ngoài, thu được thể tích nước đúng bằng vớithể tích nước làm đầy và không xuất hiện bọt hoặc ván bọt khi xả

Trang 18

Decanter nên được đặt tại vị trí có độ cao bằng với chiều cao của bể SBR để tránh hiện tượng xáotrộn phần bùn đã được lắng trong pha lắng.

Hình 1.10 Decanter 1.4.4 Nguyên tắc hoạt động

Chu kỳ vận hành của SBR gồm có 4 pha cơ bản, bao gồm: pha làm đầy, pha phản ứng (thiếu khí

và hiếu khí), pha lắng, và pha chờ Các pha này được vận hành luân phiên theo nhiều dạng khácnhau tùy theo mục đích xử lý

1.4.4.1 Pha làm đầy

Nước thải được bơm vào bể Nước thải đầu vào cung cấp cơ chất cho vi sinh vật trong bùn

hoạt tính, tạo ra môi trường cho các quá trình sinh học diễn ra Tùy theo mục đích xử lý có thểkết hợp vừa làm đầy vừa xáo trộn, vừa làm đầy vừa sục khí hoặc kết hợp vừa làm đầy vừa xáotrộn vừa sục khí

- Quá trình làm đầy đơn thuần: vì không cần thiết phải có quá trình nitrat hóa và khử nitratnên không cần xáo trộn hoặc thổi khí khi nước thải được bơm vào bể và như vậy sẽ giúp tiếtkiệm năng lượng

- Quá trình làm đầy có xáo trộn: khi bơm bắt đầu bơm nước thải vào bể thì đồng thời thiết bị

xáo trộn cũng được khởi động nhưng không kích hoạt thiết bị thổi khí Việc kết hợp quátrình làm đầy và xáo trộn sẽ giúp ổn định thành phần nước thải đầu vào và sinh khối, giảmnồng độ cơ chất, nồng độ oxy hòa tan và nồng độ nitrat Giả sử rằng khi bắt đầu quá trìnhlàm đầy có xáo trộn, trong bể SBR đã có nitrat và oxy hòa tan, lúc này sẽ diễn ra các phảnứng sinh học hiếu khí Kết quả là sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan và cơ chất Khi trong bểkhông còn oxy hòa tan, nitrat sẽ trở thành chất nhận điện tử và xảy ra các phản ứng sinh họcthiếu khí Sau khi các chất nhận điện tử (oxy hòa tan và nitrat) cạn kiệt sẽ xảy ra quá trìnhlên men hoặc các phản ứng sinh học kỵ khí Với sự hiện diện của các phản ứng sinh học kỵ

Trang 19

- Làm đầy có thổi khí: trong trường hợp này, thiết bị thổi khí và xáo trộn cơ học đều hoạt

động Việc thổi khí trong quá trình làm đầy sẽ giúp ngăn chặn sự xuất hiện các vùng kỵ khí

mà thay vào đó là vùng hiếu khí Nếu chỉ muốn giảm hàm lượng chất hữu cơ và đạt đượcđiều kiện hiếu khí trong quá trình làm đầy thì chỉ cần điều chỉnh quá trình như thế này Cònmuốn đạt thêm điều kiện thiếu khí thì cần phải luân phiên tắt, mở thiết bị thổi khí Thôngqua việc điều chỉnh này sẽ tạo ra đồng thời cả hai điều kiện thiếu khí và hiếu khí Trong phanày, cần điều chỉnh giá trị DO sao cho không vượt quá 0,2 mg/l

NO - + 0.345C H O N + H+ + 0.267HCO - + 0.267NH +

Vi khuẩn dị dưỡng0.655CO2 + 0.5N2 + 0.612C5H7NO2 + 2.3H2O

Hình 1.11 Quá trình khử nitrat

Trang 20

Trong quá trình này, chất hữu cơ bị oxy hóa cung cấp năng lượng và nguồn cacbon cho

sự phát triển của các vi khuẩn dị dưỡng

Không khí

DO (chất nhận điện tử)

Chất hữu cơ(chất cho điện tử)(nguồn cacbon)

COHNS + O2 + chất dinh dưỡng

Vi khuẩn dị dưỡng

CO2 + NH3 + C5H7NO2

Hình 1.12 Quá trình nitrat hóa

Ngoài ra trong quá trình này, vi khuẩn tự dưỡng cũng có thể phát triển do chúng tổng hợpnăng lượng từ quá trình oxy hóa amoni và nitrit, sử dụng nguồn cacbon từ kiềm bicacbonat Quátrình này gọi là quá trình nitrat hóa

Do không có nước thêm vào và không gia tăng tải lượng hữu cơ nên tốc độ xử lý chất hữu

cơ tăng lên đáng kể (hầu hết BOD được xử lý trong pha này) Quá trình nitrat hóa sẽ diễn ra tốthơn nếu thiết bị xáo trộn và thiết bị thổi khí cùng hoạt động Lượng photpho được vi sinh vậtphóng thích trong quá trình làm đầy có xáo trộn và quá trình xáo trộn thuần túy sẽ được vi sinhvật hấp thụ trở lại trong quá trình sục khí

Trang 21

Chu kỳ (Cycle)

Lắng (Settle) Hiếu khí (Aerobic)

Sau khi kết thúc pha lắng, tín hiệu sẽ truyền đến decanter (thiết bị thu nước tự động trong

bể SBR) và mở van xả nước đầu ra

1.4.4.5 Pha chờ

Quá trình rút bùn dư được thực hiện trong pha chờ Ngoài ra trong thời gian còn có thể kiểm tra thiết bị và khắc phục sự cố

Hình 1.13 Các pha trong chu kỳ hoạt động của SBR

Trong một nhà máy xử lý nước thải, số lượng bể SBR được xây dựng phụ thuộc vào tốc độ vàlưu lượng nước thải của nơi cần xử lý

1.5 GIÁ THỂ SINH HỌC 1.5.2 Giá thể dùng trong bể S R

1.5.2.1 Nguyên tắc chọn giá thể

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại giá thể đa dạng cả về chủng loại và nguồn gốc, do

đó, để lựa chọn được một loại giá thể phù hợp cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Khả năng bám dính của vi sinh vật: để khả năng dính bám tốt, yêu cầu giá thể có diện tích bềmặt lớn nhất, tạo một lớp màng lớn, từ đó tạo điều kiện tiếp xúc lớn giữa vi sinh vật, oxi và cơchất

Trang 22

- Hoạt tính cơ học cao, tính kỵ nước, độ xốp, độ nhám, kích thước và khối lượng của vật liệu.

- Rẻ và có sẵn trên thị trường

- Khả năng ứng dụng cao

1.5.2.2 Phân loại giá thể

Giá thể được phân thành hai loại: giá thể cố định và giá thể lơ lửng

Giá lể lơ lửng được làm từ muốt: Loại giá thể này được tổng hợp từ polymer, thuộc vào loại

ưa nước Chúng có thể hình thành các liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị để cố định vi sinhvật và enzyme trên bề mặt của chúng.Trong vật liệu đệm bằng muốt, màng sinh học hình thànhkhông chỉ trên bề mặt mà còn trong các lỗ xốp Vì mút có quá nhiều lỗ rỗng nên chất dinh dưỡngkhông thể khuếch tán đến bề mặt bên trong của các lỗ rỗng dẫn đến thiếu dinh dưỡng ở những vịtrí đó Nhược điểm đó có thể khắc phục bằng cách sử dụng các vật liệu có lỗ rỗng lớn hơn.Giá thể làm từ nhựa tổng hợp:

- Nhựa composite tổng hợp từ propyplene:

Giá thể loại này có lỗ rỗng lớn hơn so với giá thể làm bằng muốt Ngoài ra với đặc tính kỵnước, vật liệu làm từ composite có thể khắc phục được các nhược điểm của giá thể làm từ muốt

Trang 23

Nhựa composite được tổng hợp từ polypropylene và các sản phẩm nông nghiệp Các sảnphẩm nông nghiệp được tích hợp bởi polypropylene là nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu cho

sự phát triển của vi sinh vật

Có tuổi thọ, độ bền cao, khả năng tích lũy chất dinh dưỡng tốt nên các vật liệu đệm làm bằngcomposite thường được ứng dụng trong các công trình xử lý nước thải để tăng cường quá trìnhlên men các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nitơ

Hình 1.17 Giá thể tổng hợp từ propyplene Hình 1.18 Giá thể làm bằng muốt

- Nhựa tổng hợp từ polyetylen:

Tất cả các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn so với tỷ trọng của nước (tỷ trọng của các loại giá thể sovới nước từ 0.94 – 0.96), tuy nhiên mỗi loại giá thể có tỷ trọng khác nhau Ví dụ như 5 loại giáthể sau: K1, K2, K3, Natrix và Biofilm Chip M

Trang 24

Hình 1.19 Giá thể tổng hợp từ nhựa polyetylen

1.5.3 Cấu tạo và hoạt động của màng sinh học

là nitơ và phốt pho; cũng như một lượng nhỏ các hợp chất hữu cơ và kim loại cứng đầu khó phânhủy Các chất hữu cơ phân hủy sinh học được sinh hóa oxy hóa bởi các vi khuẩn dị dưỡng trongđiều kiện hiếu khí dẫn đến sản xuất carbon dioxide, nước, ammonia và sinh khối mới Trong điềukiện yếm khí vi sinh methanogen, vi khuẩn cổ, oxy hóa các chất hữu cơ để sản lượng carbondioxide, methane và sinh khối mới Còn đối với quá trình loại bỏ Nitơ và Phospho được thựchiện bởi nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng bắt buộc

Bảng 1.3 Những vi khuẩn tồn tại trong bùn hoạt tính [23]

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	782,6 KB
File đính kèm	xử lý nước thải sinh hoạt.rar (734 KB)