ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG Nguyễn Việt Hoàng NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành Công nghệ Môi trường (Chương trình đào tạo Chuẩn) Hà Nội 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG Nguyễn Việt Hoàng NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành Công nghệ Môi trường (Chương trình đào tạo Chuẩn) Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Thị Hà TS. Phan Đỗ Hùng Hà Nội 2014
LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thiện được khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực không ngừng của bản thân, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới các thầy cô khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn quan tâm và tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian theo học tại trường. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Thị Hà và TS. Phan Đỗ Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Trân trọng cảm ơn lãnh đạo Hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm, lãnh đạo phòng Công nghệ xử lý nước, thầy cô Bộ môn Công nghệ môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQGHN đã tạo điều kiện cũng như luôn giúp đỡ cho em hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng, em xin dành lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, những người vẫn luôn quan tâm, động viên và đồng thời là chỗ dựa tinh thần giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp vừa qua. Hà Nội, tháng 5 năm 2014 Sinh viên Nguyễn Việt Hoàng
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan MLSS SBR T N TCVN Mixed Liquoz Suspendid Solids Sequencing Batch Reactor Nồng độ chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp chất lỏng rắn huyền phù Bể phản ứng hoạt động theo mẻ kế tiếp Tổng Nitơ Tiêu chuẩn Việt Nam TOC Total Organic Carbon Tổng cacbon hữu cơ ThOD Theorical Oxygen Demand Nhu cầu oxy theo lý thuyết UASB VSV Upflow Anaerobic Sludge Blanket Bể với lớp bùn kỵ khí dòng chảy ngược. Vi sinh vật
MỤC LỤC MỞ ĐẦU... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN... 3 1.1. Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải... 3 1.1.1. Các chất hữu cơ... 3 1.1.2. Các hợp chất chứa Nitơ... 3 1.2. Ảnh hưởng của Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người... 4 1.3. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải... 6 1.3.1. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ... 6 1.3.2. Các phương pháp xử lý Nitơ... 7 1.3.3. Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải10 1.3.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước... 12 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU... 18 2.1. Đối tượng nghiên cứu... 18 2.1.1. Nước thải tự pha... 18 2.1.2. Hệ thiết bị sục khí luân phiên... 19 2.2. Phương pháp nghiên cứu... 20 2.2.1. Phương pháp tổng quan tài liệu... 20 2.2.2. Phương pháp thực nghiệm... 21 2.2.3. Phương pháp phân tích, đánh giá, xử lý số liệu thực nghiệm... 23 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN... 26 3.1. Kết quả đánh giá đặc tính nước thải đầu vào... 26 3.1.1. Kết quả nghiên cứu quá trình chuẩn bị mẫu nước.... 26 3.1.2. Kết quả diễn biến các thành phần ô nhiễm trong nước thải... 27
3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chu kỳ sục khí ngừng sục khí đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ và Nitơ... 29 3.2.1. Hiệu suất xử lý chất hữu cơ... 29 3.2.2. Hiệu suất xử lý Nitơ... 31 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ và Nitơ đến hiệu suất xử lý... 34 3.3.1. Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD.. 34 3.3.2. Ảnh hưởng của tải trọng Nitơ đến hiệu suất xử lý Nitơ... 35 3.4. So sánh, đánh giá và xác định chế độ vận hành tối ưu... 36 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ... 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO... 39 PHỤ LỤC... 43
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các chế độ vận hành thí nghiệm 22 Bảng 2. Kết quả thí nghiệm điều chế nước thải 26 Bảng 3. So sánh hiệu quả xử lý COD giữa các nghiên cứu khác nhau 30 Bảng 4. So sánh hiệu quả xử lý T N với các nghiên cứu khác 33 Bảng 5. So sánh hiệu quả xử lý COD, NH4 + và T N giữa các chế độ thí nghiệm 36
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ 4 Hình 2. Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải 9 Hình 3. Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm 19 Hình 4. Diễn biến thành phần COD trong nước thải pha 27 Hình 5. Diễn biến thành phần NH4 + trong nước thải pha 28 Hình 6. Diễn biến giá trị ph của nước thải pha 29 Hình 7. Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí ngừng sục khí đến hiệu suất xử lý COD 30 Hình 8. Nồng độ N NH4 + đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý ở các chế độ khác nhau 31 Hình 9. Hiệu quả xử lý T N ở các chế độ thí nghiệm khác nhau 32 Hình 10. Quá trình chuyển hóa nitrit và nitrat ở các chế độ khác nhau 33 Hình 11. Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD 34 Hình 12. Ảnh hưởng của tải trọng T N đến hiếu suất xử lý T N 35
MỞ ĐẦU Việt Nam đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế, nhằm đạt mục tiêu chiến lược là trở thành một đất nước công nghiệp tiên tiến vào năm 2020. Song song với các hoạt động để có thể đạt được mục tiêu phát triển đó, một trong những nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu là bảo vệ môi trường và phát triển nền kinh tế bền vững. Nếu không được sự quan tâm của chính quyền cũng như người dân, môi trường sống sẽ ngày càng giảm sút, đặc biệt là môi trường nước. Nguyên nhân chính gây ra quá trình ô nhiễm nước thải là do quá trình sử dụng của con người trong các hoạt động sống hay sản xuất, làm thay đổi tính chất và thành phần nước ban đầu. Các chất thải này khi phát thải ra môi trường sẽ gây mùi hôi thối khó chịu, làm chậm quá trình chuyển hóa và hòa tan oxi vào nước, dinh dưỡng hóa nước mặt, làm cản trở quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Hiện nay, xử lý nước thải với đặc tính ô nhiễm giàu chất hữu cơ và Nitơ bằng biện pháp sinh học được coi là phương pháp thân thiện với môi trường và được ứng dụng nhiều ở các nước trên thế giới. Đây là công nghệ xử lý nước thải dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ, hợp chất chứa Nitơ có trong nước thải mang lại hiệu quả cao, chi phí hợp lý, dễ dàng vận hành. Quá trình phát triển của vi sinh vật xảy ra trong các điều kiện có sự chuyển hóa năng lượng tế bào vi sinh vật nhờ các quá trình sinh học. Xuất phát từ thực tiễn đó, với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp xử lý sinh học để xử lý chất hữu cơ cũng như các hợp chất chứa Nitơ trong nước thải, đề tài Nghiên cứu xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và Nitơ bằng phương pháp sục khí luân phiên được chọn làm khóa luận tốt nghiệp, nhằm mục tiêu lựa chọn được phương pháp phù hợp để xử lý nước thải với đặc tính giàu chất hữu cơ và Nitơ, trong đó tập trung nghiên cứu các nội dung chính bao gồm: 1
Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD, N NH + 4, T N bằng phương pháp sục khí luân phiên. Đánh giá nồng độ các thành phần NH + 4, NO - 3, NO - 2, T N và COD qua từng bước xử lý cũng như tính ổn định của hệ thống và khả năng ứng dụng phương pháp trong điều kiện việt nam 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải 1.1.1. Các chất hữu cơ Dựa vào khả năng có thể phân hủy nhờ vi sinh vật có trong nước mà ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm: a. Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy Đó là các hợp chất protein, hidratcacbon, chất béo có nguồn gốc động vật và thực vật. Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt. b. Các chất hữu cơ khó bị phân hủy Các chất loại này thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm (hidrocacbua của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ Trong số các chất này có nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp. Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người. Chúng tồn lưu lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống. Trong nguồn nước tự nhiên, hàm lượng các chất hữu cơ rất thấp, ít có ảnh hưởng đến nước sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản và tưới tiêu thủy lợi. Khi bị ô nhiễm thì hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước sẽ tăng cao. 1.1.2. Các hợp chất chứa Nitơ Hợp chất chứa Nitơ trong nước thường tồn tại ở ba dạng: hợp chất hữu cơ, amoniac và dạng oxi hóa (nitrat, nitrit). Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ, ví dụ: protein và hợp phần của protein. 3
Hình 1. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH 4 OH thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. NH 3 trong nước sẽ gây độc với cá và sinh vật khác trong nước. Nếu trong nước có hợp chất N chủ yếu là nitrit (NO - 2 ) là nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chủ yếu là hợp chất N ở dạng nitrat (NO 3- ) chứng tỏ quá trình phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrat chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrat dễ bị khử thành N 2 O, NO và Nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí. + Amoniac (NH 3 ): amoniac trong nước tồn tại ở dạng NH 3 và NH 4 (NH 4 OH, NH 4 NO 3, (NH 4 ) 2 SO 4...) tùy thuộc vào ph của nước vì nó là một bazơ + yếu. NH 3 và NH 4 có trong nước cùng với photphat sẽ thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước. Nitrat (NO - 3 ): là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa N có trong nước thải của người và động vật. 1.2. Ảnh hưởng của Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người Amoni hầu như không có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý...amoni được chuyển hoá thành nitrit (NO - 2 ) và nitrat (NO - 3 ) là những chất có tính độc hại đối với con người. Nitrit là chất rất độc vì nó có thể chuyển hoá thành nitroamin, chất này có khả 4
năng gây ung thư cho con người. Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ, các dạng Nitơ vô cơ cơ bản tồn tại với tỉ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường nước. Nitrat là muối Nitơ vô cơ trong môi trường nước được sục khí đầy đủ và liên tục, nitrit tồn tại trong điều kiện + đặc biệt, còn amoniac (NH 3 ) và ion NH 4 tồn tại trong điều kiện kỵ khí. Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH 4 OH) và sẽ + phân ly thành ion NH 4 và OH -. Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng Nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng ion amoni. Nitơ không những chỉ có thể gây ra các vấn đề phì dưỡng mà khi chỉ tiêu - N NO 3 trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45 mg/l sẽ gây ra mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khỏe con người. Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng - định khi hàm lượng NO 3 trên 45 mg/l sẽ khiến cho dân cư dùng thường xuyên nguồn nước này bị mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu đường. Trong đường ruột trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển hoá nitrat thành nitrit. Nitrit có ái lực với hồng cầu trong máu mạnh hơn oxy, khi nó thay thế oxy sẽ tạo thành methermoglobin, hợp chất này không thể nhận oxy và gây ra bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ (methermoglobinemia), thậm chí có thể gây tử vong. Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được 6 tháng tuổi dễ bị mắc căn bệnh này vì hàm lượng enzym methaemoglobin reductase tương đối thấp đây là một loại enzym có khả năng chuyển hoá methermoglobin trở lại thành hemoglobin. Ngoài Mỹ, một số nước Đông Âu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao. Ví dụ tại Transylvania ở Rumani trong thời gian từ 1990 1994 trung bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363 - ca nhiễm độc. Độ nguy hiểm của NO 3 đã khiến người Mỹ quy định trong Đạo luật về An toàn Nguồn nước Sinh hoạt của Mỹ (SDWA Safe Drinking Water - Act) hàm lượng N NO 3 tối đa là 10 mg/l [15]. Ngoài ra, nếu trong nước tồn tại amoni sẽ làm giảm hiệu quả của khâu clo hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm 5
đảm bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng. Khi có mặt amoni, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao gồm monochloramine, dichloramine, trichloramine, organochloramine) có tính sát khuẩn kém hàng trăm lần so với clo nguyên tố. Bên cạnh đó amoni là nguồn dinh dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển. Sự phát triển này làm ô nhiễm nước thứ cấp trong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các chất độc nitrit và nitrat. 1.3. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải 1.3.1. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H 2 S, các sunfit, amoniac, Nitơ, Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Như vậy, nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD. Để có thể xử lý bằng phương pháp này, nước thải sản xuất cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD 0,5. Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải đều có xuất sứ trong tự nhiên. Nhờ thực hiện các biện pháp tăng cường hoạt động của vi sinh vật trong các công trình nhân tạo, quá trình làm sạch các chất bẩn diễn ra nhanh hơn. Trong thực tế hiện nay người ta vẫn tiến hành xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ở điều kiện tự nhiên và điều kiện nhân tạo tùy thuộc vào khả năng kinh phí, yêu cầu công nghệ, địa lý cùng hàng loạt các yếu tố khác. Nói chung, các quá trình sinh học trong xử lý nước thải gồm 5 nhóm quá trình chủ yếu sau: 6
Quá trình hiếu khí Quá trình kỵ khí Quá trình trung gian anoxic Quá trình tùy nghi Quá trình ở ao hồ Từ những quá trính chủ yếu này lại thêm các quá trình phụ, như quá trình sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng dính bám... 1.3.2. Các phương pháp xử lý Nitơ Để xử lý amoni trong nước thải có thể sử dụng các phương pháp hóa lý (sục khí đuổi amoniac trong môi trường kiềm, hấp phụ, trao đổi ion...), hóa học (oxi hóa bằng các chất oxi hóa gốc clo), các phương pháp lọc màng (UF Nano, RO), hoặc phương pháp sinh học. a. Phương pháp clo hóa tới điểm đột biến Bản chất của phương pháp là quá trình oxy hóa khử xảy ra giữa clo khi hòa tan vào trong nước có chứa amoniac và amoni tạo thành các cloramin. Nếu clo dư, các cloramin sẽ bị phân hủy thành khí N 2. Tuy phương pháp clo hóa nhìn chung rất đơn giản và rẻ về mặt thiết bị cũng như xây dưng cơ bản nhưng rất khó áp dụng vì dư lượng clo nếu quá lớn sẽ gây khó khăn cho các nhà máy trong việc giải quyết vấn đề an toàn sức khỏe. b. Phương pháp thổi khí ở ph cao Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng: NH + 4 NH 3 (khí hòa tan) + H + với pk a = 9,5 (1.1) Như vậy, ở ph gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH 3 so với amoni. Nếu ta nâng ph tới 9,5; tỷ lệ [NH 3 ]/[NH + 4 ] = 1, và càng tăng ph cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH 3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục hoặc thổi khí thì NH 3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm dịch chuyển cân bằng về phía phải: NH + 4 + OH - NH 3 + H 2 O (1.2) 7
Trong thực tế ph phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH 3 ở mức 1600 m 3 không khí/1m 3 nước và quá trình rất phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, tuy nhiên khó có thể xử lý triệt để N amoni và cũng không có khả năng xử lý Nitơ trong các hợp chất hữu cơ. c. Phương pháp sinh học Để xử lý nước thải người ta có thể sử dụng phương pháp vật lý, hóa lý và hóa học; nhưng xu hướng ngày nay thường sử dụng phương pháp sinh học cho các hệ xử lý nói chung bởi những tính năng ưu việt mà phương pháp này mang lại. Trong rất nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh xử lý bằng phương pháp sinh học đã mang lại cho con người những lợi điểm như sau: hiệu suất xử lý cao: từ 80 90% và có thể là 90 99%, ít sử dụng hoá chất, chi phí năng lượng cho một đơn vị thể tích xử lý thấp so với các phương pháp khác và do những ưu điểm trên nên phương pháp sinh học mang tính kinh tế rất cao. Trong phương pháp này, amoni sẽ bị chuyển hoá thành nitrat rồi thành N 2 nhờ hoạt tính của vi sinh vật trong tự nhiên. Trong quá trình xử lý, vi sinh vật sẽ được tạo các điều kiện về dinh dưỡng cũng như các yếu tố khác để có thể đạt được hoạt tính cao nhất Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá. Như đã nói ở trên, công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế từ những năm 1960. Trên thực tế, có rất nhiều quy trình công nghệ xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học khác nhau. Chúng giống nhau ở nguyên lý là thực hiện các quá trình nitrat hoá và khử nitrat hoá nhưng khác nhau ở cách sắp xếp trình tự các quá trình trong sơ đồ xử lý và nguồn cacbon sử dụng. Các quá trình này có thể là các quá trình sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng bám dính hay sinh trưởng lơ lửng bám dính kết hợp. Sau đây là một số qui trình cơ bản thường được ứng dụng trong xử lý Nitơ trong nước thải. 8
Trong quy trình (a) Hình 2 cho hiệu suất xử lý cao (70 90%) vì toàn bộ nitrat sinh ra trong bể hiếu khí sẽ được đưa qua quá trình khử nitrat. Trong quy trình này, quá trình tái sục khí tiếp theo quá trình khử nitrat là cần thiết nhằm xử lý thành phần hữu cơ dư sau khử nitrat. Quy trình công nghệ này có nhược điểm là phức tạp, cần phải bổ sung cơ chất hữu cơ cho quá trình khử nitrat. Hình 2. Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải 9
Quy trình (b) là quy trình có thể tận dụng ngay nguồn cơ chất hữu cơ sẵn có trong nước thải mà không cần bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài. Quy trình này đơn giản, chi phí đầu tư thấp nhưng nhược điểm là hiệu suất khử nitrat phụ thuộc vào tỷ lệ dòng hồi lưu nước sau bể nitrat hoá. Hiệu suất xử lý Nitơ đạt 60 70%, tỷ lệ hồi lưu so với dòng vào là từ 1 4 lần [20]. Quy trình (c) là quy trình được ứng dụng để xử lý đồng thời N, P trong nước thải. Hiệu suất xử lý tương tự như quy trình (b). 1.3.3. Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải Phương pháp sục khí luân phiên (Intermittent Aeration methods) là một dạng công trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính theo mẻ. Thiết bị giống quá trình bùn hoạt tính, tuy nhiên chế độ sục khí không liên tục mà theo chu kỳ, bao gồm các chu trình sục khí (hiếu khí)/ngừng sục khí (thiếu khí) luân phiên nhau. Hệ thống sục khí luân phiên là hệ thống được áp dụng để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ và Nitơ cao mà không cần phải bổ sung cơ chất cho quá trình khử nitrat. Ưu điểm: Xử lý đồng thời COD, Nitơ, photpho. Thay đổi được chế độ làm việc một cách linh động để nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ và có thể làm việc liên tục. Thiết bị tương đối đơn giản so với các hệ thiết bị hiếu khí thiếu khí kết hợp. Tiết kiệm năng lượng so với phương pháp hiếu khí thiếu khí truyền thống. Tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Nhược điểm: Công nghệ và thiết bị chưa được nghiên cứu đầy đủ tại Việt Nam. Hiệu suất xử lý Nitơ phụ thuộc chế độ vận hành (nước thải khác nhau cần chế độ vận hành tối ưu khác nhau). 10
Trong nước cũng như trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu phòng thí nghiệm và quy mô pilot về phương pháp sục khí luân phiên ứng dụng trong xử lý nước thải với đặc tính chứa nhiều chất hữu cơ, hợp chất Nitơ và photpho... Cụ thể, tác giả Trần Thị Thu Lan (2013) (Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Trường đại học Khoa học Tự nhiên ĐH QGHN) [3] đã nghiên cứu xử lý đồng thời các thành phần hữu cơ và Nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng phương pháp sục khí luân phiên. Sau hơn 10 tháng nghiên cứu, vận hành hệ thiết bị thí nghiệm với 3 chế độ sục ngừng sục luân phiên khác nhau, kết quả cho thấy hiệu suất xử lý COD ở các chu kỳ sục khí luân phiên khác nhau đều + đạt khá cao (80 88%); hiệu quả xử lý N NH 4 đạt rất cao và ổn định, xấp xỉ 100% và không bị ảnh hưởng bởi các chế độ khác nhau. Chu kỳ sục ngừng sục luân phiên cách nhau 3 giờ được xác định là tương đối phù hợp để xử lý T N (hiệu suất đạt 72 86%). Nhóm tác giả Koottatep S. và cộng sự (1994) [24] đến từ Chiangmai, Thái Lan đã nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt cho một khu dân cư nhỏ bằng mô hình thí điểm hồ sục khí đặt tại Đại học Chiangmai. Kết quả cho thấy 45% T N bị loại bỏ với tổng thời gian sục và ngừng sục mỗi chu kỳ là 12 giờ và chế độ sục khí luân phiên không ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ. Nhóm tác giả Kousei Sasaki và cộng sự (1994) [25] từ Kanagawa, Nhật Bản đã nghiên cứu xử lý đồng thời Nitơ và photpho bằng quá trình bùn hoạt tính 2 bể sục khí luân phiên khuấy trộn hoàn toàn và nối tiếp với nhau. Quá trình sục khí, ngừng sục khí kết hợp khuấy trộn được lặp lại định kỳ trong mỗi chu trình làm việc 2 giờ, lưu lượng nước thải đầu vào 225 l/ngày, thời gian lưu nước trong mỗi bể là 16 giờ. Sau 2 tháng vận hành, kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý đạt được khá ổn định, cụ thể đối với TOC là 94,9%, T N là 89,4% và T P là 95,5%. Tác giả Katsuto Inomae và nnk. (1987) [23] đến từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật, Đại học Saga, Nhật Bản đã nghiên cứu quá trình loại bỏ Nitơ trong hệ mương oxy hóa có sục khí luân phiên. Tác giả đã chỉ ra rằng các điều kiện vận hành tối ưu để có thể đạt được hiệu quả loại bỏ Nitơ cao chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa. Mô hình thí nghiệm trong 11
nghiên cứu được vận hành với chu kỳ 45 phút trong đó tỷ lệ quá trình hiếu khí là 0,42; hiệu quả xử lý Nitơ đạt được lên đến 81% mà không cần bổ sung độ kiềm và nguồn carbon hữu cơ. 1.3.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và Nitơ nói chung bằng các biện pháp sinh học là rất phổ biến trong đại đa số các ngành công nghiệp sản xuất bởi tính khả thi và tính kinh tế cao của các phương pháp này mang lại. Bên cạnh đó, phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt là hiệu quả xử lý cao ở thời gian lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học a. Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay, các loại chất thải có đặc trưng chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ và Nitơ đã được nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp, hệ thống xử lý một cách rộng rãi và khoa học. Nhìn chung, các nghiên cứu vẫn chủ yếu được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot thí điểm. Gần đây, bước đầu đã có một số nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi. Nhóm tác giả Ngô Kế Sương và cộng sự (2006) [6] đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên mô hình thử nghiệm 30 m 3 /ngày đêm bằng hệ thống bể yếm khí bể lọc yếm khí hồ sinh học tại Xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao. Hiệu quả xử lý các thành phần hữu cơ, Nitơ và chất rắn lơ lửng (SS) của hệ thống này khá cao, đạt trên 95%. Tuy nhiên thời gian lưu nước thải của hệ thống lớn (bể yếm khí 22,4 h; bể lọc yếm khí 16 h; hồ sinh học 720 m 2 (24 m 2 /1 m 3 nước thải), thể tích thiết bị và mặt bằng xây dựng lớn, vì vậy khả năng áp dụng trong thực tế là chưa cao. Tác giả Trương Thanh Cảnh (2010) đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng bùn ngược [1]. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình tương đối thích hợp cho việc xử lý nước thải chăn nuôi với hiệu quả xử lý vào khoảng 97; 80 và 90% tương ứng với các chỉ tiêu COD; BOD 5 và N. Việc kết hợp 3 modul trong một quá trình xử lý (3 quá trình thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học bằng dòng bùn ngược) tạo ra ưu điểm lớn trong 12