Nghiên cứu xử lý nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính aao cải tiến.

  • Số trang: 61 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 86 |
  • Lượt tải: 1
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

ÐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ÐẠI HỌC NÔNG LÂM ------------- ĐÀO THỊ ÁNH DƯƠNG Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ VÀ PHỐTPHO TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HỆ BÙN HOẠT TÍNH AAO CẢI TIẾN” KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo Chuyên ngành Khoa Khóa học : Chính quy : Khoa học môi trường : Môi trường : 2013 - 2015 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Thị Lan Khoa Môi trường - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên Thái Nguyên, năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực tập làm khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân em còn nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ gia đình, bạn bè, sự tận tình chỉ bảo của các thầy cô giáo và các cán bộ khoa học công tác tại Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD)- Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Lê Văn Chiều Trưởng Phòng Công nghệ Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD) - người đã dìu dắt giúp đỡ em trong những bước đầu tiên tiên và tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian em làm khóa luận. Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán bộ công tác tại Phòng Công nghệ - Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD) đặc biệt là Ths. Nguyễn Trường Quân, Nguyễn Việt Hà, Nguyễn Thị Trang và Võ Thị Thanh Tâm những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian em làm việc tại đây. Em xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Đỗ Thị Lan và các thầy cô trong khoa Môi trường - Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên là những người đầu tiên không chỉ mang đến cho em niềm đam mê mà còn truyền đạt cho em rất nhiều kiến thức bổ ích, tận tình giúp đỡ cho em trong những năm học tập và rèn luyện tại trường. Cuối cùng em xin cảm ơn đến gia đình bạn bè, những người luôn tin tưởng và cổ vũ cho em trong suốt thời gian qua, để em có thể hoàn thành tốt đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên ĐÀO THỊ ÁNH DƯƠNG DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học ........................ 6 Bảng 2.2. Hợp chất photpho và khả năng chuyển hóa...................................... 7 Bảng 3.1. Chất lượng nước thải dự kiến đưa vào hệ pilot để khảo sát ........... 23 Bảng 4.1. Thành phần nước thải trại lợn sau pha loãng ................................. 26 Bảng 4.2. Tổng hợp các kết quả khảo sát hệ xử lý AAO cải tiến ................... 40 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Một số cấu trúc điển hình của màng vi sinh (dạng xếp lớp, dạng hình nấm, dạng hợp lưu và dạng lông mao; kể từ trên xuống, từ trái sang phải)......................................................................................... 11 Hình 2.2. Vật liệu mang xốp dạng khối lập phương hình a (sản phẩm thương phẩm của nghiên cứu), hình b (sản phẩm của Hàn Quốc) .............. 15 Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động .... 15 Hình 2.4. Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng tĩnh. .................. 15 Hình 3.1. Mô tả nguyên lý hoạt động ............................................................. 21 Hình 4.1. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ .... 27 Hình 4.2. Diễn biến của tổng N trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ . 28 Hình 4.3. Diễn biến của NH4+ trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ .... 29 Hình 4.4. Diễn biến của NO3- trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ..... 30 Hình 4.5. Diễn biến của octophotphat và tổng P trong chế độ HRT = 24 giờ ...... 30 Hình 4.6. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ HRT = 24 giờ ..... 31 Hình 4.7. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h............................................................................................ 32 Hình 4.8. Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h ........................................................................................ 33 Hình 4.9. Diễn biến của NH4+ trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h ............................................................................ 33 Hình 4.10. Diễn biến của NO3- trong chế độ HRT: 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h ..... 34 Hình 4.11. Diễn biến của octophotphat và P tổng trong chế độ HRT: 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h ................................................................................... 35 Hình 4.12. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h ............................................. 35 Hình 4.13. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU .................................................................... 36 Hình 4.14. Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU .................................................................... 37 Hình 4.15. Diễn biến của NH4+ trong chế độ HRT: 36 giờ, có vật liệu xốp PU ... 38 Hình 4.16. Diễn biến của NO3- trong chế độ HRT: 36 giờ, có vật liệu xốp PU ... 38 Hình 4.17. Diễn biến của otophotphat và P tổng trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU ..................................... 39 Hình 4.18. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU ..................................... 40 Hình 4.19.Thiết lập quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lý ...................... 42 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AAO BOD BTNMT COD CODt CODht HSXL HRT PAO QCVN NSXL T-N T-P TSS Anaerobic - anoxic - oxic Biochemical Oxygen Demand Chemical Oxygen Demand Hydrcalic Residence time Polyphosphate Accumulatin Organisms Yếm khí - thiếu khí - hiếu khí Nhu cầu oxi sinh hóa Bộ tài nguyên môi trường Nhu cầu oxi hóa học COD tổng COD hòa tan Hiệu suất xử lý Thời gian lưu Vi khuẩn tích lũy photpho Quy chuẩn Việt Nam Năng suất xử lý Tổng số nito Tổng số photphat Tổng chất rắn lơ lửng MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU........................................................................................ 1 1.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................. 2 1.3. Mục đích nghiên cứu ................................................................................ 2 1.4. Ý nghĩa của đề tài ..................................................................................... 2 1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học .................................... 2 1.4.2. Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất ........................................................... 2 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................. 4 2.1. Các cơ sở nghiên cứu của đề tài ............................................................... 4 2.1.1. Nước thải giàu N, P ............................................................................... 4 2.1.2. Xử lý hợp chất N ................................................................................... 5 2.1.3. Xử lý hợp chất P.................................................................................... 7 2.1.4. Xử lý đồng thời hợp chất vô cơ ............................................................ 8 2.1.5. Xử lý thành phần chứa N, P bằng công nghệ vi sinh ............................ 9 2.1.6. Công nghệ màng vi sinh........................................................................ 10 2.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................. 16 2.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 16 2.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.......................................................... 17 PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................................... 20 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 20 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 20 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 20 3.2. Địa điểm và thời gian tiến hành ............................................................... 20 3.2.1. Địa điểm tiến hành ................................................................................ 20 3.2.2. Thời gian tiến hành ............................................................................... 20 3.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 20 3.4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 21 3.4.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm.............................................................. 21 3.4.2. Phương pháp thực nghiệm .................................................................... 24 3.4.3. Các phương pháp phân tích ................................................................... 24 3.4.4. Các phương pháp thu thập số liệu ......................................................... 25 PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .......................... 26 4.1. Diễn biến thành phần nước thải ............................................................... 26 4.2. Đánh giá các chế độ ................................................................................. 27 4.2.1. Chế độ thời gian lưu nước 24h, Qr = 7,2 m3/ h..................................... 27 4.2.2. Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h ................................. 31 4.2.3. Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, có vật liệu xốp PU gắn biofilm ...... 36 4.3. Mối quan hệ giữa năng suất xử lý và tải lượng........................................ 41 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................... 43 5.1. Kết luận .................................................................................................... 43 5.2. Kiến nghị .................................................................................................. 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 44 I. Tài liệu tiếng Việt ........................................................................................ 44 II. Tài liệu tiếng Anh ....................................................................................... 45 PHỤ LỤC 1 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của xã hội, vấn đề ô nhiễm môi trường cũng ngày càng trở nên đáng báo động, trong đó có vấn đề ô nhiễm nước. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận. Rất nhiều hợp chất gây ô nhiễm trong nước thải có khả năng chuyển hoá cao trong môi trường nước tự nhiên thông qua các phản ứng hoá học, sinh hoá, quang hoá và tác động đến cân bằng sinh thái của môi trường. Thành phần gây ô nhiễm trong nước thải, xét về khía cạnh tác động gây hại và giải pháp công nghệ xử lý, có thể chia thành ba nhóm chính: chất hữu cơ có khả năng sinh hủy, thành phần dinh dưỡng và loại hợp chất hóa học cần đặc biệt quan tâm. Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thành phần dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường. Tác dụng xấu của nước thải lên môi trường được con người nhận biết từ lâu và luôn tìm cách hạn chế. Kỹ thuật hay công nghệ xử lý nước thải có thể được đặc trưng bởi trình độ phát triển qua các giai đoạn: xử lý sơ cấp, thứ cấp và bậc ba (phương pháp tiên tiến). Rất nhiều các giải pháp kỹ thuật được sử dụng để xử lý nước thải đã và đang được sử dụng trong các điều kiện khác nhau như kỹ thuật huyền phù, cố định vi sinh trên chất mang, kỹ thuật bùn hoạt tính, đĩa quay, lọc nhỏ giọt, tầng cố định, tầng giãn nở, tầng linh động (lưu thể) hoặc tổ hợp (lai ghép) của các kỹ thuật trên. Mỗi phương pháp kỹ thuật đều có những ưu, nhược điểm riêng. Xử lý các thành phần gây ô nhiễm trong nước thải đòi hỏi mức độ phát triển công nghệ khác nhau. Việc xử lý mức độ khó và chi phí tốn kém đối với việc xử lý các chất thải chứa thành phần chứa chất dinh dưỡng hay các hợp 2 chất hoá học đặc biệt nêu trên. Nhận biết được mức độ gây hại của thành phần dinh dưỡng trong nước thải, vào thập kỷ 90, một loạt các nước công nghiệp đề ra chiến lược và qui định kiểm soát các yếu tố trên. Công nghệ xử lý nước thải luôn được phát triển và hoàn thiện trên cơ sở những thành tựu mới về khoa học, kỹ thuật nhằm hạ giá thành xây dựng và vận hành hệ thống xử lý nước thải cũng như nâng cao chất lượng nước sau khi xử lý. Tuy nhiên hiện nay việc xử lý nước thải nói chung và nước thải giàu N, P nói riêng theo hướng áp dụng các kỹ thuật sinh học được chú trọng phát triển mạnh trong thời gian gần đây do chúng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện trong tự nhiên. Từ các lý do trên em lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến” 1.2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá các chế độ vận hành hệ xử lý phối hợp đồng thời nitơ và phốtpho hệ thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu, tải lượng đến khả năng xử lý N và P. - Thiết lập quan hệ tải lượng hữu cơ - năng suất xử lí N và P, nhằm đưa ra giá trị thông số thiết kế áp dụng cho các hệ thống qui mô lớn trong thực tiễn. 1.3. Mục đích nghiên cứu Đánh giá số liệu, hiệu chỉnh vận hành phù hợp; đề xuất hiệu chỉnh cho quy trình tổng thể hợp nhất xử lý nước thải giàu N, P. Đánh giá hiệu quả kinh tế của đề tài. 1.4. Ý nghĩa của đề tài 1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học + Vận dụng kiến thức đã học + Nâng cao tay nghề 1.4.2. Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất Ý nghĩa thực tiễn của việc áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải là vô cùng quan trọng trong đời sống. Vừa mang lại lợi ích cho kinh 3 tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội lẫn môi trường. Có thể kể những ý nghĩa quan trọng như: + Ứng dụng sinh học như một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lý chất thải hiệu quả mà không mang lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường. Chất lượng nước đầu ra sạch hơn và có tính chất như nước tự nhiên. Vai trò của Công nghệ sinh học trong xử lý nước thải. + Công nghệ sinh học là công cụ xử lý triệt để và chủ động trên thành phần và tính chất nước thải, không cần thiết có sự can thiệp trực tiếp của con người vào quá trình xử lý tự nhiên. Thuận tiện trong công tác vận hành và quản lý. + Tiết kiệm kinh phí trong việc xử lý nước thải. Chi phí cho các biện pháp sinh học thường thấp hơn chi phí cho các biện pháp xử lý khác. Bên cạnh đó chi phí quản lý cũng thấp do việc quản lý đơn giản hơn. + Những chất không bị phân hủy trong nước thải công nghiệp trước giờ. 4 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Các cơ sở nghiên cứu của đề tài 2.1.1. Nước thải giàu N, P Nước thải giàu nitơ, photpho là những loại nước thải khá phổ biến, có lẽ trừ công nghiệp phân bón (sản xuất phân nitơ, photpho) phần lớn các loại nước thải kiểu này đều có nguồn gốc hữu cơ, do đó chúng phổ biến ở những nước có nền nông nghiệp đang phát triển-có nền chăn nuôi đang phát triển, có nhu cầu lớn về phát triển công nghiệp chế biến các nông - hải sản như Việt Nam. Chúng là nước thải chăn nuôi tập trung, nước thải từ các lò giết mổ gia súc, nước thải công nghiệp chế biến hải sản, nước thải từ các hầm cầu (tiền) xử lí phân, từ các bể metan phân hủy bùn sinh học của các trạm hay nhà máy xử lí nước thải mà Việt Nam bắt đầu xây dựng… Nếu sử dụng các kĩ thuật phản ứng thông dụng và xử lí độc lập từng đối tượng hệ xử lí sẽ rất phức tạp, kéo theo chi phí xây dựng cơ bản cũng như chi phí vận hành rất cao, khó chấp nhận (Lê Văn Cát, 2007) [ 1]. Nước thải được coi là giàu nitơ hay photpho về phương diện công nghệ xử lý (vi sinh) được hiểu trong mối tương quan với chất hữu cơ, ví dụ trong xử lý hiếu khí thì chỉ khi BOD: N: P vượt tỉ lệ 100: 5:1, trong xử lý yếm khí thì 900: 5: 1. Xét theo khía cạnh đó thì nước thải chăn nuôi tại Việt Nam (khí hậu nóng, BOD dễ phân hủy), nước thải sau xử lý yếm khí (nước rác, nước thải chuồng trại, ủ biogas, nước sau bể phốt) thuộc loại giàu nitơ và photpho. Nước thải giàu nitơ và photpho còn phụ thuộc vào đặc điểm sinh hoạt: các công sở, bệnh viện, trường học, trung tâm thương mại, khách sạn có nguồn nước thải giàu N, P do nguồn thải chủ yếu từ khu vực vệ sinh (chứa ít chất hữu cơ) (Gaul T, 2002) [11]. Nước thải giàu nitơ, photpho không những được hiểu là có nồng độ cao mà rộng hơn còn được hiểu là có thải lượng lớn. Ví dụ trong ngành nuôi trồng thủy sản, nồng độ amoni chỉ khoảng 5g/m3, nhưng mỗi lần thải có thể tới 10000m3 từ một ao nuôi. Riêng tại Việt Nam hiện có trên 5000 trạm nuôi giống đang hoạt động, hàng ngày thải vào môi trường nhiều chục tấn nitơ (Lê Văn Cát, 2012) (Lê Văn Cát và cs., 2006) [2,3]. 5 Vì vậy khi nói về tính chất giàu nitơ, photpho là nói đến tải lượng của nguồn thải, nguồn đó chứa ít chất hữu cơ (so với tỷ lệ trên), là loại hình nước thải phổ biến có lưu lượng thải lớn và khó xử lý. 2.1.2. Xử lý hợp chất N Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học), vật lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước. - Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí quyển. Con đường chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua các quá trình liên tiếp nitrat hóa (oxy hóa amoniac) và khử nitrat (khử nitrat với tư cách là chất oxy hóa và chất hữu cơ carbon là chất khử). Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trực tiếp giữa amoniac với nitrit và nitrat bằng phương pháp vi sinh (quá trình Anamox). Oxy hóa xúc tác trực tiếp amoniac thành khí nitơ. Oxy hóa amoniac với clo hoạt động (clo hóa tại điểm đột biến) (Lê Văn Cát, 2007) [1]. - Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào của sinh khối (thực vật và vi sinh vật). Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực vật hay đồng hóa của vi sinh vật. Quá trình trên tồn tại trong tự nhiên, là cơ sở của phương pháp xử lý bằng các loại thủy thực vật. - Bốc hơi amoniac vào bầu khí quyển. Phương pháp này thật ra là chuyển chất ô nhiễm từ nước vào không khí, sau đó phần lớn lại được hấp thụ trở lại vào môi trường nước ở những vị trí khác. Để thực hiện phương pháp trên, amoniac phải tồn tại ở dạng bay hơi (trung hòa) và do độ tan của amoniac trong nước rất lớn nên để thúc đẩy cần phải sục khí với lượng rất lớn và ở nhiệt độ cao. - Tách amoniac ra khỏi môi trường nước có thể thực hiện bằng phương pháp trao đổi ion trên cationit. Các loại nhựa cationit có độ chọn lọc trao đổi thấp đối với amoni, dung lượng trao đổi động thấp, bị cạnh tranh mạnh bởi các ion khác có mặt với nồng độ cao như canxi, magie. Loại zeolit tự nhiên clinoptilolite có khả năng chọn lọc cao đối với amoni có thể được sử dụng trong một số trường hợp. Nitrat cũng là cấu tử có độ chọn lọc trao đổi ion 6 thấp hầu hết trên các loại nhựa tổng hợp. Trên thị trường có một số anionit đặc thù dành cho trao đổi nitrat (Lê Văn Cát, 2012) [ 2 ]. Sử dụng một số loại màng thích hợp: màng nanô, màng thẩm thấu ngược hay điện thẩm tích cũng tách được các hợp chất nitơ đồng thời với các hợp chất khác. Hiệu quả xử lý và giá thành của từng phương pháp rất khác nhau và khả năng sử dụng từng phương pháp còn phụ thuộc vào nồng độ của hợp chất nitơ (amoni) trong nước. Cho tới nay giải pháp xử lý sinh học được thực hiện rộng rãi hơn các giải pháp khác. Bảng 2.1 ghi một số đặc trưng của các hệ thống sinh học dùng để xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ. Bảng 2.1. Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học Hệ xử lý Tải lượng kgN/(ha.ngày) Bùn hoạt tính, 200-700 1) nitrat hóa, khử nitrat thông dụng Bùn hoạt tính, 200-700 1) nitrat hóa, khử từ nitrit Bùn hoạt tính, > 200-700 1) oxy hóa trực tiếp giữa NH3 và NO2 Năng lượng Sinh Hiệu quả Tỉ lệ tiêu thụ khối xử lý N COD/N kWh/kgN % kg/kg N 2,3 2) 3-6 1,0-1,2 > 75 1,7 2) 2-4 0,8-0,9 > 75 0,9 0 < 0,1 > 75 6-7 28 2-7 10-15 20-26 - 23-78 44-77 30-70 Ao tảo 15-30 0,1-0,1 Ao bèo 3-4 < 0,1 Vùng ngập nước 3-264) < 0,1 nhân tạo Ghi chú: 1) Tính theo bể hiếu khí có độ 25% diện tích mặt bằng tổng sâu 2m, diện tích bể chiếm 7 2) Năng lượng sử dụng cho sục khí và khuấy trộn, hiệu quả sử dụng 2 kg O2/kWh 3) Sinh khối khô 4) Đôi khi với tải lượng cao tới 112 kg N/ha (Lê Văn Chiều, 2012) [ 4]. 2.1.3. Xử lý hợp chất P Hầu như tất cả các hợp chất của photpho không tồn tại ở dạng bay hơi trong điều kiện thông thường, vì vậy để tách photpho ra khỏi nước cần phải chuyển hóa chúng về dạng không tan trước khi áp dụng các kỹ thuật tách chất lắng như: lọc, lắng hoặc tách trực tiếp qua màng thích hợp. Hợp chất photpho trong môi trường nước thải tồn tại trong các dạng: photpho hữu cơ, photphat đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước, polyphotphat hay còn gọi là photphat trùng ngưng, muối photphat và photpho trong tế bào sinh khối. Xử lý hợp chất photpho dựa trên các nguyên tắc sau: - Kết tủa photphat (đơn và một phần loại trùng ngưng) với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tương ứng có độ tan thấp và tách chúng ra dưới dạng chất rắn (Nguyễn Thị Hoa Lý (1994) [ 6 ]. Bảng 2.2. Hợp chất photpho và khả năng chuyển hóa Hợp chất Photpho hữu cơ Photphat đơn Polyphotphat Khả năng chuyển hóa Phân hủy thành photphat đơn và trùng ngưng Tan, phản ứng tạo muối, tham gia phản ứng sinh hóa. Ít tan, có khả năng tạo muối tham gia phản ứng sinh hoá. Muối photphat Phần lớn không có độ tan thấp hình thành từ photphat đơn. Photpho trong tế bào Thành phần của tế bào hoặc lượng dư trong tế bào của một số vi khuẩn. - Phương pháp sinh học dựa trên hiện tượng là một số loại vi sinh vật tích lũy lượng photpho nhiều hơn mức cơ thể chúng cần trong điều kiện hiếu khí. Thông thường hàm lượng photpho trong tế bào chiếm 1,5 - 2,5% khối lượng tế bào khô, một số loại có thể hấp thu cao hơn, từ 6 - 8%. Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra phần tích lũy dư thừa. Quá trình loại bỏ 8 photpho dựa trên hiện tượng trên gọi là loại bỏ photpho tăng cường. Photpho được tách ra khỏi nước trực tiếp thông qua thải bùn dư (vi sinh chứa nhiều photpho) hoặc tách ra dưới dạng muối không tan sau khi xử lý yếm khí với một hệ kết tủa kèm theo (ghép hệ thống phụ). Tách các hợp chất photpho đồng thời với các tạp chất khác qua quá trình màng thích hợp: màng nano, màng thẩm thấu ngược hoặc điện thẩm tích. Về nguyên tắc hiệu quả tách lọc qua màng có hiệu suất cao nhưng do giá thành quá đắt nên hầu như chưa thấy có ứng dụng trong thực tế. 2.1.4. Xử lý đồng thời hợp chất vô cơ Một số phương pháp khi sử dụng, đồng thời xử lý cả hợp chất nitơ và photpho, có biện pháp chỉ là hệ quả kèm theo và có những biện pháp được xây dựng trên kết quả nghiên cứu công phu và chủ động áp dụng. Những phương pháp mang tính hệ quả có thể kể ra là: quá trình xử lý đơn lẻ như lắng thứ cấp, xử lý bậc hai, xử lý với thủy thực vật. Các quá trình trên luôn liên quan đến các quá trình sinh hóa mà thành phần tế bào của chúng luôn chứa N, P, nguồn chất mà vi sinh vật hay thực vật lấy từ nguồn nước. Quá trình lắng sơ cấp loại bỏ được một phần hợp chất nitơ, photpho ở dạng không tan, không có tác động đến dạng tan. Hiệu quả loại bỏ nitơ, photpho trong các quá trình đơn lẻ trên không cao, đạt mức: - Trong quá trình xử lý sơ cấp: 5 - 10% N, P. - Trong xử lý thứ cấp : 10 - 20% N, P. - Xử lý thứ cấp + nitrat hóa: 20 - 30% N, P (Lê Văn Cát, 2007) [1]. Khả năng hấp thu nitơ và photpho của thủy thực vật phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất sinh khối thực, tức là phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh và loài thực vật cụ thể. Một hệ thống xử lý nước thải tiên tiến là một tổ hợp của các đơn vị công nghệ xử lý yếm khí, hiếu khí, thiếu khí được bố trí theo một trật tự nào đó phụ thuộc vào mục tiêu xử lý đặt ra. Trật tự bố trí tổ hợp yếm khí - thiếu khí - hiếu khí thích hợp cho phép loại bỏ đồng thời hợp chất nitơ, photpho trong quá trình xử lý. Thứ tự thực hiện các giai đoạn xử lý hiếu khí - thiếu khí - yếm khí cũng có thể thực hiện được trong cùng một thiết bị phản ứng theo kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn, tức là thực hiện phương thức vận hành theo thời gian. 9 Đồng thời loại bỏ hợp chất nitơ và photphat bằng cách kết tủa chúng với ion magie tạo thành hợp chất có độ tan thấp là struvite, MgNH4PO4, phương pháp này thích hợp cho nước thải có nồng độ cao, ví dụ nước chiết ra từ quá trình phân hủy bùn (vi sinh) yếm khí (Lê Văn Cát, 2007) (Lê Văn Cát, 2012) (Lê Văn Cát và cs., 2006) (Lê Văn Chiều, 2012)[ 1,2,3,4]. 2.1.5. Xử lý thành phần chứa N, P bằng công nghệ vi sinh Để xử lý nitơ, photpho bằng công nghệ vi sinh, như các nghiên cứu trên thế giới đã nêu cần thực hiện hàng loạt quá trình, nhiều khi ở những điều kiện nghịch nhau. 2.1.5.1. Xử lý N bằng công nghệ vi sinh Để xử lí N-NH4+ trước hết phải thực hiện quá trình oxi hóa N-amôni thành nitrit hoặc nitrat: (11/20)NH4+ + (15/20)O2 + (4/20)CO2 + (1/20)HCO3− → (10/20)NO3− + (20/20)H+ + (9/20)H2O + (1/20)C5H7NO2 + (1) − Trước tiên NH4 sẽ được ôxi hóa thành NO2 (được thực hiện bởi Nitrosomonas), tiếp theo NO2− sẽ được ôxi hóa tiếp thành NO3− (được thực hiện bởi Nitrobacter), đây là các quá trình được thực hiện bởi các vi khuẩn tự dưỡng. Để đơn giản hóa ta thể hiện hai quá trình này dưới dạng phương trình tổng (1). Nitrat - sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chưa được xem là bền vững và còn gây độc cho môi trường nên cần được tiếp tục chuyển hóa về dạng khí nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hóa học, chuyển hóa trị của nitơ từ +5 (NO3-) về hóa trị không (N2) (2). Vi sinh vật thực hiện quá trình khử nitrat có tên chung là Denitrifier bao gồm ít nhất là 14 loại vi sinh vật, ví dụ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas,Thiobacillus (M. Morikawa, 2006) [13]. Phần lớn loại vi sinh trên thuộc loại tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hóa (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất năng lượng. (1/5)NO3− + (0,5/50)NH4+ + (2/50)C10H19NO3 + (0,5/50)HCO3− + (1/5)H+ → (8/50)CO2 + (5/50)N2 + (16,5/50)H2O + (2,5/50)C5H7NO2 (2) 10 Vi sinh vật nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần sử dụng cho phản ứng khử nitrat. Rất ít vi sinh vật Denitrifier thuộc loại tự dưỡng, ví dụ loại Thiobacillus denitrificant sử dụng lưu huỳnh làm chất khử để sản xuất năng lượng và sử dụng nguồn carbon vô cơ (CO2, HCO3-) để xây dựng tế bào. Như vậy, với quá trình (1) phản ứng cần một lượng nhất định Cacbon vô cơ dưới dạng CO2 và độ kiềm (HCO3-); ngược lại quá trình (2) lại cần Cacbon hữu cơ (C10H19NO3 là công thức trung bình của nước thải sinh hoạt, C5H7NO2 là công thức trung bình của vi khuẩn). 2.1.5.2. Xử lý P bằng công nghệ vi sinh Quá trình vi sinh xử lý P là tập hợp của nhiều quá trình cơ bản được thực hiện ở những điều kiện rất khác nhau: kị khí và hiếu khí. Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải dưới ba dạng hợp chất: photphat đơn (PO43-), polyphotphat (P2O7) và hợp chất hữu cơ chứa photphat, hai hợp chất sau chiếm tỉ trọng lớn. Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước thải duy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào. Hàm lượng photpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 - 2,5%) khối lượng khô. Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu photphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 - 7%), lượng photpho dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau. Trong điều kiện yếm khí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng photphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng photphat đơn. Một vài loại tảo cũng có khả năng tích trữ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế bào (Mecalf & Eddy, 2005; Seabloom R.W.et al., 2003; Mulder, 2003) [12,14]. 2.1.6. Công nghệ màng vi sinh Thuật ngữ biofilm (màng sinh vật) là một tập hợp gồm nhiều tế bào vi sinh vật gắn kết với nhau trên bề mặt tạo thành. Biofilm có thể gồm một hay nhiều chủng vi sinh vật khác nhau. Biofilm có thể được tạo ra ở trên bề mặt của nhiều loại vật liệu khác nhau: nhựa, kim loại, kính, gỗ, dụng cụ y tế, đồ ăn… Biofilm có tác dụng bảo vệ vi sinh vật chống lại tác động của các yếu tố bất lợi của môi trường sống. Biofilm được hình thành từ các loài vi sinh vật khác nhau bao gồm cả vi khuẩn Gram dương và Gram âm như Escheriachia 11 coli, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholera, Streptococcus sp., Bacillus subtilis… (M. Morikawa, 2006) [13]. Màng sinh học (biofilm) có các tính chất, vai trò chính: - Bảo vệ cơ thể vi sinh vật khỏi hệ thống phòng thủ của chính vật chủ hay vi sinh vật kẻ thù. Các vi sinh vật sống trên biofilm khi liên kết với nhau thường có khả năng chống chịu cao với các chất kháng khuẩn so với tế bào sống tự do trong môi trường nuôi cấy (độ chống chịu có thể cao hơn tới 1000 lần). - Chống lại sự mất nước. - Chống lại các chất kháng khuẩn thông qua việc tạo kiểu hình mới có tốc độ sinh trưởng giảm, hạn chế sự tiếp xúc và có khả năng bất hoạt, trung hòa với các chất kháng khuẩn. - Nồng độ các chất dinh dưỡng trong biofilm thường tăng cao hơn so với môi trường xung quanh. Trong môi trường nước, vi sinh vật tồn tại ở hai trạng thái chính là dạng huyền phù và dạng màng vi sinh. Trong dạng huyền phù, vi sinh vật tập hợp lại với nhau thành các tập hợp keo tụ nhỏ có cấu trúc khá lỏng lẻo và các tập hợp keo tụ đó phân bố khá đều trong môi trường nước. Màng sinh vật là một tập hợp của vi sinh vật bám trên một chất mang với cấu trúc khá đặc, có độ dày nhất định (ví dụ 0,1 - 0,3 mm). Ngoài hai dạng chính nêu trên, trong hệ thống xử lý sử dụng kỹ thuật màng vi sinh luôn tồn tại vi sinh ít hay nhiều ở trạng thái huyền phù, ví dụ trong kỹ thuật màng vi sinh chuyển động thì 80 85 % vi sinh tồn tại trong màng, 15 - 20 % tồn tại ở trạng thái huyền phù. Hình 2.1. Một số cấu trúc điển hình của màng vi sinh (dạng xếp lớp, dạng hình nấm, dạng hợp lưu và dạng lông mao; kể từ trên xuống, từ trái sang phải) 12 Vi sinh vật hoạt động trong các hệ xử lý nước thải tồn tại ở hai trạng thái kết khối: tập hợp keo tụ (flocs) và dạng màng (biofilm) (S. Andersson, 2009) [17]. Tập hợp keo tụ của vi sinh có cấu trúc xốp, mật độ vi sinh thấp (ít khi vượt quá 4000 kg/m3), các tập hợp đó được phân bố khá đều trong môi trường nước. Kỹ thuật sử dụng vi sinh trong trạng thái tập hợp keo tụ là dạng kỹ thuật huyền phù. Do mật độ vi sinh thấp nên hiệu suất xử lý của các hệ huyền phù không cao và khó tăng mật độ vi sinh vì nó liên quan đến các yếu tố vận hành khác. Điển hình của kỹ thuật huyền phù là các quá trình xử lý bùn hoạt tính. Tăng mật độ vi sinh (trên một dơn vị thể tích), đồng nghĩa với tăng hiệu quả xử lý luôn là mong muốn của phát triển công nghệ xử lý nước thải. Kỹ thuật màng vi sinh đáp ứng được tiêu chí đó. Màng vi sinh cũng là một dạng kết khối khác của vi sinh vật (nhờ chất kết dính do vi sinh tiết ra dưới dạng polymer ngoại bào), trong đó vi sinh vật tạo thành một lớp có chiều dày khác nhau (từ vài chục µm tới hơn 1 cm, thường thấy nằm trong khoảng 1mm) bám trên chất mang dạng rắn và có cấu trúc khá đặc. Phụ thuộc vào nguồn thức ăn và lực cọ sát trong môi trường nước, cấu trúc của màng vi sinh hình thành cũng khác nhau và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. So sánh với kỹ thuật huyền phù màng vi sinh trong hệ thống xử lý nước thải có những đặc trưng sau: • Khả năng tích lũy vi sinh cao. Đặc điểm nổi bật của màng vi sinh là mức độ tập trung vi sinh vật rất cao so với dạng vi sinh trong trạng thái huyền phù, ví dụ cao hơn 3 - 4 ngàn lần trong các dòng suối bần dưỡng chảy trên núi cao và 200 lần cao hơn trong nhiều nguồn nước thải. Trong hệ thống xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt tính, mật độ vi sinh vật được duy trì trong khoảng 700 - 2500 mg/l, trong khi mật độ vi sinh trong kỹ thuật lọc nhỏ giọt đạt 2000 - 10000 mg trong một lít của bể lọc. • Hoạt tính trao đổi chất lớn. Trong nhiều trường hợp quan sát được hoạt tính vi sinh của màng vi sinh cao hơn nhiều so với vi sinh trong trạng thái huyền phù. Vì trong tập đoàn vi sinh đó tỷ lệ loại vi sinh vật có hoạt tính cao chiếm số đông, cũng như mức độ tập trung dinh dưỡng cao (do hấp phụ) của các thành phần dinh dưỡng trên màng vi sinh. Do tính chất nhầy của
- Xem thêm -