Tài liệu “nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng lõi ngô làm vật liệu lọc

LỜI CẢM ƠN Trên thực tế, không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Được sự phân công của khoa Công nghệ Môi trường thực hiện khóa luận tốt nghiệp “Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng lõi ngô làm vật liệu lọc” là một trải nghiệm thú vị. Tuy nhiên, do những hạn chế về mặt kinh nghiệm cũng như mặt kiến thức nên tôi cũng gặp khá nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện khóa luận này. Trong quá trình thực hiện và hoàn thiện khóa luận tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới toàn thể quý thầy cô trường Đại học công nghiệp Việt Trì, khoa Công nghệ Môi trường đã dạy dỗ và truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy ThS. Nguyễn Đức Anh đã tận tình hướng dẫn và giúp tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài. Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình, bạn bè đã tiếp thêm niềm tin, nghị lực và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin chân thành cảm ơn ! Phú Thọ, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện Vũ Tiến Dũng MỞ ĐẦU Nước đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa khí hậu và đảm bảo sự sống của Trái Đất. Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu nước sạch ngày càng tăng và kèm theo đó là một lượng lớn nguồn nước thải bị ô nhiễm. Như chúng ta đã biết, ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt từ khu dân cư, từ các xí nghiệp công nghiệp, thương mại và dịch vụ, từ khu vui chơi giải trí, trường học, do nước chảy tràn trên mặt đất và nước tưới tiêu thủy lợi kéo theo các chất màu mỡ của đất, thuốc trừ sâu, phân bón...vào các nguồn nước ao hồ, sông, ngòi, biển...kể cả nước ngầm. Lượng nước này nếu không được xử lý đúng mức sẽ ảnh hưởng xấu tới con người và môi trường. Chính vì thế, việc xử lý nước thải sinh hoạt trở nên rất cấp thiết. Với đặc trưng của nước thải sinh hoạt chứa các hợp chất hữu cơ và hàm lượng Nito, Phospho lớn, do đó việc lựa chọn phương pháp sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt đã và đang được nghiên cứu nhằm tăng hiệu quả xử lý nguồn nước thải này. Dựa trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng lõi ngô làm vật liệu lọc” được thực hiện với mong muốn sử dụng các phế phẩm nông nghiệp làm vật liệu lọc sinh học. Thiết bị lọc sinh học sử dụng lõi ngô làm vật liệu lọc có hiệu quả xử lý cao, thời gian xử lý nhanh, chi phí vận hành không quá lớn. * Mục tiêu đề tài: - Xử lý thành phần chất hữu cơ, Amoni và Phosphat trong nước thải sinh hoạt. - Đánh giá việc sử dụng lõi ngô làm giá thể lọc sinh học. * Đối tượng nghiên cứu: Nước thải sinh hoạt của các hộ gia đình ở khu 10 - xã Tiên Kiên - huyện Lâm Thao - tỉnh Phú Thọ. * Địa điểm nghiên cứu: Trung tâm Công nghệ Sinh học và Môi trường - trường Đại học Công nghiệp Việt Trì - cơ sở 1: Khu 10 - Tiên Kiên - Lâm Thao - Phú Thọ. 1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 1.1.1 Nguồn gốc phát sinh Nước sinh hoạt là một nhu cầu thường xuyên hàng ngày và không thể thiếu được của con người. Theo TCXDVN 33:2006 về cấp nước - mạng lưới đường ống và công trình tiêu chuẩn thiết kế thì nhu cầu nước cấp sinh hoạt cần thiết cho con người là 80-200 l/người/ngày. Nước thải sinh hoạt là nước thải được loại bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: Tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân... Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và hệ thống thoát nước. Nước thải sinh hoạt gồm các nguồn thải sau [6]: - Khu dân cư: Mức độ ô nhiễm của nước thải cũng tùy thuộc vào điều kiện sống của từng khu vực (các loại nước vệ sinh có qua các bể phốt hay xả thẳng ra cống rãnh) cũng như hệ thống thải nước của từng khu vực. - Khu thương mại: Gồm có chợ (chợ tập trung, chợ cóc...), các cửa hàng, bến xe, trụ sở kinh doanh, trung tâm mua bán của khu vực. Lượng nước thải của khu vực này được tính bằng m3/ngày dựa trên số lượng nước cấp đầu vào. - Khu vui chơi giải trí: Gồm các quán cà phê, câu lạc bộ, bể bơi...Ở đây lượng nước thải thay đổi rõ rệt theo mùa trong năm. - Khu vực cơ quan: Gồm cơ quan, công sở, trường học, bệnh viện, nhà nghỉ... Dựa vào tính chất của nước thải và nguồn phát thải, có thể nhận thấy NTSH được hình thành từ các hoạt động khác nhau của con người phát sinh ra dòng nước thải, đó là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng, nước thải phát sinh từ quá trình rửa, tắm, giặt với thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể. NƯỚC THẢI SINH HOẠT NƯỚC THẢI PHẦN NƯỚC TIỂUNƯỚC TẮM, GIẶT, NƯỚC THẢI NHÀ CÁC BẾP LOẠI NƯỚC THẢI KHÁC 2 RỬA Hình 1.1. Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt [2] 1.1.2 Thành phần, tính chất, các thông số đặc trưng 1.1.2.1 Thành phần NTSH chứa nhiều các chất hữu cơ, vô cơ. Nồng độ các ion vô cơ trong nước thải có thể biến động từ 300 – 3000 mg/l, trung bình 500 mg/l. Theo Mackyinney Ross E, tỷ lệ về trọng lượng các ion vô cơ trong nước thải như sau: NƯỚC THẢI SINH HOẠT 99,9% 0,1% NƯỚC CÁC CHẤT TAN 50 – 70% 30 – 50% CÁC CHẤT HỮU CƠ 65% 25% CÁC CHẤT VÔ CƠ 10% PROTEIN CACBON HYDRAT CÁC CHẤT BÉO CÁT MUỐI KIM LOẠI Hình 1.2. Thành phần nước thải sinh hoạt [2] Các chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành 3 nhóm chính: Protein, hydrocacbon và chất béo. Trong 300 mg/l chất hữu cơ thì 60 – 65 % là protein, 20 – 25% là hydrocacbon và 5 – 10 % là chất béo. Protein là phức hợp các axit amin là nguồn dinh dưỡng chính của các vi sinh vật. Hydrocacbon có thể chia thành 2 nhóm chính tinh bột đường và xenluloza. Tinh bột và đường rất dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật còn xeluloza bị phân hủy 3 chậm hơn nhiều. Chất béo ít tan và sinh vật phân giải với tốc độ rất chậm. Trong nước thải khoảng 20 – 40 % lượng chất hữu cơ không bị phân hủy bởi vi sinh vật. Bảng 1.1. Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt Chất ô nhiễm Nồng độ Đơn vị 1. Chất rắn tổng cộng - Hòa tan (DS) mg/l - Lơ lửng (SS) Yếu Trung bình Mạnh 350 720 1200 250 500 850 100 220 350 2. Chất rắn lắng được mg/l 5 10 20 3. BOD5 mg/l 110 220 400 4. Tổng cộng cacbon hữu cơ mg/l 80 160 290 5. COD mg/l 250 500 1000 20 40 85 8 15 35 12 25 50 - Nitrit - - - - Nitrat - - - 4 8 15 1 3 5 3 5 10 106 107 107 - 108 107 - 109 6. Nitơ tổng (tính theo N) - Hữu cơ mg/l - Amoni tự do 7. Phospho tổng (tính theo P) mg/l - Hữu cơ - Vô cơ 8. Tổng Coliform MPN/100 ml 4 Nước thải sinh hoạt có thành phần với các giá trị điển hình như sau: COD = 500 mg/l, BOD5 = 250 mg/l, SS = 220 mg/l, Phospho = 8 mg/l, Nitơ và Nitơ hữu cơ = 40 mg/l, pH = 6,8, TS = 720 mg/l [13]. Như vậy, NTSH có hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học. Thông thường các quá trình xử lý sinh học cần các chất dinh dưỡng theo tỷ lệ BOD : N : P = 100 : 5 : 1[4]. 1.1.2.2 Tính chất [10] Nước thải sinh hoạt có nguồn gốc khác nhau sẽ có thành phần khác nhau và tính chất khác nhau. Tuy nhiên có thể chia làm 3 loại chính sau: - Nước thải không có chứa phân, nước tiểu và các loại thực phẩm từ các thiết bị vệ sinh như bồn tắm, chậu giặt, chậu rửa: Loại nước thải này chứa chủ yếu chất rắn lơ lửng, chất tẩy rửa và thường gọi là nước “xám”. Nồng độ các chất hữu cơ trong loại nước thải này thấp và thường khó phân hủy sinh học, trong nước thải chứa nhiều tạp chất vô cơ. - Nước thải chứa phân, nước tiểu từ các khu vệ sinh (toilet) còn được gọi là “nước đen”. Trong nước thải thường tồn tại các vi khuẩn gây bệnh và dễ lây mùi hôi thối. Hàm lượng chất hữu cơ (BOD) và các chất dinh dưỡng như: Nitơ (N), Phospho (P) cao. Loại nước thải này thường gây nguy hại đến sức khỏe và dễ làm nhiễm bẩn đến nguồn nước tiếp nhận. Tuy nhiên, loại nước thải này dễ phân hủy sinh học. - Nước thải nhà bếp chứa dầu mỡ và phế thải thực phẩm từ nhà bếp, khu vực rửa chén bát: Loại nước thải này chứa nhiều chất hữu cơ (BOD, COD) và các nguyên tố dinh dưỡng khác (N, P). Các chất bẩn trong nước thải loại này dễ tạo mùi do phân hủy sinh học. Lượng nước thải này chiếm 40% (5-6 m3/ngày.đêm) tổng lượng nước thải sinh hoạt. Nước thải sinh hoạt chứa chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, chất hữu cơ khó bị phân hủy, chất hữu cơ có tính độc, chất vô cơ, các kim loại nặng, các chất rắn, chất màu, mùi và sinh vật trong nước thải. - Chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học bao gồm các hợp chất hydrat cacbon, protein, chất béo, lignin, pectin...có từ tế bào và các tổ chức của động vật và thực vật. Các chất này tiêu thụ Oxy hòa tan trong nước, chúng làm suy giảm lượng Oxy hòa tan trong nước, làm ảnh hưởng xấu đến tài nguyên nước 5 như động vật thủy sinh, kể cả thủy sản và làm giảm chất lượng nước sinh hoạt. Các chất hữu cơ khó bị phân hủy gồm các hợp chất hữu cơ vòng thơm, các hợp chất đa vòng ngưng tụ, các Clo hữu cơ, trong đó có thuốc trừ sâu, các dạng polymer, các dạng polyancol... Các chất hữu cơ chiếm 55% tổng số chất rắn, 75% trong huyền phù và khoảng 45% trong chất rắn hòa tan. Các chất hữu cơ có tính độc có thể nhiễm vào nước thường rất bền và khó bị phân hủy. Chúng có thể là các hợp chất dị vòng của Oxy, các hydrocacbon đa vòng ngưng tụ, các hợp chất phenol như polyclobiphenyl, chất bảo vệ thực vật, các chất tanin và lignin... - Các chất vô cơ trong nước thải chiếm 40 - 42% chủ yếu gồm cát, đất sét, các axit bazơ, bazơ vô cơ, dầu khoáng. Bình thường trong nước có các ion kim loại và đặc biệt các muối của hai ion Ca 2+ và Mg2+ tạo cho nước độ cứng. Trong nước thải sinh hoạt, nồng độ các ion Cl-, S042-, P043-, Na+, K+ luôn luôn cao. - Các kim loại nặng: Trong nước thải gây ô nhiễm nguồn nước có chứa các ion kim loại nặng như: Chì, thủy ngân, Asen... - Các chất rắn bao gồm các hợp chất vô cơ và hữu cơ, cùng các sinh vật (xác động vật, thực vật hoặc các mảnh mẫu cơ thể của chúng). Chất rắn có thể ở dạng keo hoặc ở dạng huyền phù. Chất rắn trong nước thải từ các nguồn trên và do con người thải bỏ trực tiếp vào nước. - Các chất màu: Màu nâu đen do các chất amin, lignin cùng các chất hữu cơ có trong nước bị phân giải, màu vàng do sắt hoặc mangan dạng keo hoặc hòa tan tạo thành. - Mùi của nước do chất hữu cơ bị phân hủy và do các hóa chất, dầu mỡ có trong nước gây ra. - Sinh vật trong nước thải gồm: Vi khuẩn, virus, nấm, rong tảo, trứng giun sán. Trong các dạng vi sinh vật đó có cả các vi trùng gây bệnh . 1.1.2.3 Các thông số đặc trưng [3]  Các thông số vật lý: * Hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) : Các chất rắn lơ lửng trong nước có thể có bản chất là: - Các chất vô cơ không tan ở dạng huyền phù (phù sa, gỉ sét, bùn, hạt 6 sét). - Các chất hữu cơ không tan. - Các vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, vi nấm, động vật nguyên sinh…). - Sự có mặt của các chất rắn lơ lửng cản trở hay tiêu tốn thêm nhiều hóa chất trong quá trình xử lý. * Mùi: Hợp chất gây mùi đặc trưng nhất là H2S mùi trứng thối. Các hợp chất khác, chẳng hạn như indol, skatol, cadaverin và cercaptan được tạo thành dưới điều kiện yếm khí có thể gây ra những mùi khó chịu hơn cả H2S. * Độ màu: Màu của nước thải là do các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, thuốc nhuộm hoặc do các sản phẩm được tao ra từ các quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Đơn vị đo độ màu thông dụng là mgPt/l. Độ màu là một thông số thường mang tính chất cảm quan, có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái chung của nước thải.  Thông số hóa học: * Độ pH của nước: pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thường được dùng để biểu thị tính axit và tính kiềm của nước. Độ pH của nước có liên quan dạng tồn tại của kim loại và khí hoà tan trong nước, pH có ảnh hưởng đến hiệu quả tất cả quá trình xử lý nước. Độ pH có ảnh hưởng đến các quá trình trao chất diễn ra bên trong cơ thể sinh vật nước. Do vậy rất có ý nghĩa về khía cạnh sinh thái môi trường. * Nhu cầu Oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand – COD): COD là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ nói chung và cùng với thông số BOD, giúp đánh giá phần ô nhiễm không phân hủy sinh học của nước từ đó có thể lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp. * Nhu cầu Oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand – BOD): BOD là chỉ tiêu duy nhất để xác định lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học trong nước và nước thải. Là tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng các dòng thải chảy vào các thuỷ vực thiên nhiên. Là thông số bắt buộc để tính toán mức độ tự làm sạch của nguồn nước phục vụ công tác quản lý môi trường. * Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen – DO): Là lượng Oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh. Oxy hòa tan cần thiết cho sinh vật thủy sinh phát triển, nó là điều kiện không thể thiếu của quá trình phân 7 hủy hiếu khí của vi sinh vật. * Nitơ và các hợp chất chứa nitơ: Các hợp chất chứa Nitơ ở dạng hòa tan bao gồm cả Nitơ hữu cơ và Nitơ vô cơ (NH4+,NO3–,NO2–). Thuật ngữ “Nitơ tổng” là tổng Nitơ tồn tại ở tất cả các dạng trên. Nitơ là một chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết đối với sự phát triển của sinh vật. * Phospho và các hợp chất chứa Phospho: Phospho hiện diện chủ yếu dưới các dạng Phosphat. Các hợp chất Phosphat được chia thành Phosphat vô cơ và Phosphat hữu cơ. Việc xác định Phospho tổng là một thông số đóng vai trò quan trọng để đảm bảo quá trình phát triển bình thường của các vi sinh vật trong các hệ thống xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học (tỉ lệ BOD:N:P = 100:5:1). * Chất hoạt động bề mặt: Các chất hoạt động bề mặt là những chất hữu cơ gồm 2 phần: Kị nước và ưa nước tạo nên sự phân tán của các chất đó trong dầu và trong nước. Nguồn tạo ra các chất hoạt động bề mặt là do việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt và trong một số ngành công nghiệp.  Thông số vi sinh học [5]: Một số các sinh vật gây bệnh có thể sống một thời gian khá dài trong nước và là nguy cơ truyền bệnh tiềm tàng, bao gồm vi khuẩn, vi rút, giun sán. Nguồn gốc của vi trùng gây bệnh trong nước là do nhiễm bẩn rác, phân người và động vật. Hai chỉ tiêu vi sinh Coliform tổng số và Ecoli được sử dụng để đánh giá chất lượng nước. 1.1.3 Ảnh hưởng tới môi trường Tác hại đến môi trường của nước thải sinh hoạt do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nước thải gây ra: - COD, BOD : Sự khoáng hoá, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây thiếu hụt Oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước. Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành. Trong quá trình phân huỷ yếm khí sinh ra các sản phẩm như H 2S, NH3, CH4... làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường. - SS: Lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí. 8 - Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đời sống của thuỷ sinh vật nước. - Vi trùng gây bệnh: Gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ độc thức ăn, … - Nitơ, Phospho : Đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng. Nếu nồng độ trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng (sự phát triển bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở và diệt vong các sinh vật). - Màu: Gây mất mỹ quan. - Dầu mỡ: Gây mùi, ngăn cản sự khuếch tán Oxy trên bề mặt. 1.2 Các phương pháp cơ bản trong xử lý nước thải sinh hoạt 1.2.1 Phương pháp cơ học Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học thực chất là áp dụng các phương pháp vật lí để loại bỏ tạp chất cơ học không tan ra khỏi nước thải bằng cách gạn, lọc, lắng. Các công trình xử lý trong phương pháp cơ học bao gồm : Song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng, bể lọc…và mỗi công trình có nhiệm vụ khác nhau và hỗ trợ nhau để loại bỏ các tạp chất tương ứng trong nước thải. Bảng 1.2. Ứng dụng các công trình cơ học trong xử lý nước thải [2] Các công trình Ứng dụng Lưới chắn rác Tách các chất rắn thô và có thể lắng. Nghiền rác Nghiền các chất rắn thô đến kích thước nhỏ hơn đồng nhất. Bể điều hòa Điều hòa lưu lượng và tải trọng BOD và SS. Lắng Tách các cặn lắng và nén bùn. Lọc Tách các hạt cặn lơ lửng còn lại sau xử lí sinh học hoặc hóa học. 1.2.2 Phương pháp hóa lý 9 Phương pháp hóa lý là đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các chất bẩn, biển đổi hóa học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hòa tan nhưng không độc hại hay gây ô nhiễm môi trường. Các phương pháp hóa lý thường sử dụng để xử lý nước thải: Keo tụ, hấp phụ, trích li, bay hơi, tuyển nổi…. 1.2.3 Phương pháp hóa học Phương pháp hoá học sử dụng các phản ứng hoá học để xử lý nước thải. Các công trình xử lý hoá học thường kết hợp với các công trình xử lý lý học. Các phương pháp hóa học thường được áp dụng là: Trung hòa, khử trùng, Oxy hóa bậc cao…Tất cả các phương pháp này đều dùng tác nhân hóa học nên chi phí hóa chất cao. Phương pháp này thường được dùng để xử lý sơ bộ trước khi xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là một phương pháp xử lý nước thải lần cuối để thải vào nguồn. 1.2.4 Phương pháp sinh học [7] Bản chất của xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học là phân huỷ các chất ô nhiễm hữu cơ nhờ vi sinh vật. Tuỳ thuộc vào bản chất cung cấp không khí, các phương pháp phân huỷ sinh học có thể phân loại xử lý hiếu khí, kị khí hoặc tuỳ tiện. Phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải cũng như một số chất ô nhiễm vô cơ khác như: H 2S, Sunfit, Amonia, Nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể chia làm 2 loại: - Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp Oxy liên tục. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình Oxy hoá sinh hoá. - Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có Oxy. Bảng 1.3. Phương pháp và công trình xử lý sinh học 10 Phương pháp Hô hấp hiếu khí Nguyên tắc Công trình Hấp thụ và Oxy hóa - Các Aerotank truyền thống. (môi trường có Oxy chất hữu cơ trong các - Aerotank thổi khí theo bậc. bông bùn hoạt tính. tự do) - Aerotank trộn. (sinh trưởng lơ lửng) - Mương oxi hóa. - Aerotank kết hợp Nitrat hóa và khử Nitrat . Hấp thụ và oxy hóa - Bể lọc sinh học Biofilm. chất hữu cơ trên - Đĩa lọc sinh học RBC. màng sinh vật. - Công trình thổi khí tiếp xúc. (sinh trưởng dính bám ) Hô hấp hiếu khí Quá trình chuyển hóa - Hồ vi sinh vật hiếu khí . và hô hấp kị khí chất hữu cơ nhờ hệ - Hồ sinh vật tùy tiện. vi khuẩn và tảo. (môi trường có - Hồ sinh vật kị khí. hoặc không có Oxy Quá trình chuyển hóa - Bãi lọc ngầm. tự do) chất bẩn trong đất - Cánh đồng lọc. ướt. Hô hấp kị khí và Quá trình hô hấp và - Bể mêtan. lên men lên men kị khí. - Bể lọc kị khí. (môi trường không có Oxy tự do) Quá trình lọc ngược - Bể UASB. qua tầng bùn kị khí. 1.3 Tổng quan về công nghệ lọc sinh học 1.3.1 Nguyên tắc Sử dụng lớp màng sinh học Biofilm để xử lý các chất ô nhiễm, chất dinh dưỡng có trong nước thải. Tùy vào chất lượng của lớp màng vi sinh vật mà hiệu quả xử lý tại các thời điểm là khác nhau. 11 Hình 1.3. Sự phát triển của lớp màng Biofilm Lớp màng Biofilm: Lớp màng Biofim là quần thể các vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể. Chủng loại VSV trong màng Biofilm tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt tính lơ lửng. Hầu hết các VSV trên màng Biofilm thuộc loại dị dưỡng (chúng sử dụng cacbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế. Các VSV hô hấp tùy tiện có thể sử dụng oxy hòa tan trong hỗn hợp nước thải, nếu Oxy hòa tan không có sẵn thì những VSV này sử dụng Nitrit/Nitrat như là chất nhận điện tử. Khi các VSV phát triển, sinh khối phát triển và ngày càng dày đặc. Bề dày của sinh khối ảnh hưởng đến hiệu quả hòa tan Oxy và chất bề mặt trong bể phản ứng đến các quần thể VSV [12]. Các VSV ở lớp ngoài cùng của lớp màng Biofilm là lối vào đầu tiên để Oxy hòa tan và chất bề mặt khuếch tán qua màng Biofilm. Khi Oxy hòa tan và chất bề mặt khuếch tán qua mỗi lớp nằm phía sau so với lớp ngoài cùng của màng Biofilm thì sẽ được các VSV tiêu thụ nhiều hơn so với ở lớp Biofilm phía trước. Sự giảm nồng độ Oxy hòa tan qua lớp màng Biofilm đã tạo ra các lớp hiếu khí, tùy tiện, thiếu khí trên màng Biofilm [8]. Dưới đây là hình ảnh mô phỏng quá trình trao đổi chất qua màng vi sinh vật, hiệu quả xử lý chất hữu cơ, xử lý Amoni và Phosphat. 12 Hình 1.4. Cơ chế trao đổi chất của màng vi sinh vật Những hoạt động VSV khác nhau xảy ra trong mỗi lớp màng này vì những VSV đặc trưng phát triển trong những môi trường khác nhau trên Biofilm. Ví dụ như các VSV trong mỗi lớp màng Biofilm sẽ có một mật độ thích hợp nhất đối với môi trường Oxy hoặc cơ chất trong lớp màng này. Ở lớp màng phía trên của màng Biofilm khi nồng độ Oxy hòa tan và nồng độ cơ chất cao thì số lượng VSV hiếu khí sẽ chiếm ưu thế. Ở lớp Biofilm ở sâu hơn khi nồng độ Oxy và cơ chất giảm thì những VSV hô hấp tùy tiện chiếm ưu thế hơn những VSV khác. Vì vậy, những VSV ở lớp màng Biofilm hay dính bám trên bề mặt giá thể sẽ bị ảnh hưởng bởi sự khuếch tán Oxy và cơ chất giảm dần qua lớp màng. Khi những VSV dính bám trên lớp màng Biofilm ban đầu yếu thì hoạt động xáo trộn những giá thể đó sẽ bị rửa trôi lớp màng Biofilm ra khỏi giá thể. 1.3.2 Phân loại 1.3.2.1 Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt  Cấu tạo: - Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước. Bể bao gồm vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước, sàn đỡ và thu nước. 13 Hình 1.5. Cấu tạo bể lọc sinh học nhỏ giọt - Vật liệu lọc: Vật liệu lọc khá phong phú như đá cuội, đá ong, than đá… Các loại nên chọn có kích thước trung bình 60 – 100mm. Nếu kích thước của vật liệu nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa các vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc sẽ giảm dẫn tới hiệu suất xử lý giảm. - Hệ thống phân phối nước: Nước thải được phân phối trên bề mặt lớp vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt. Khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt vật liệu khoảng 0,2 – 0,3m.  Cơ chế hoạt động: - Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị diện tích là lớn nhất trong điều kiện có thể. Nước từ hệ thống phân phối nước đến vật liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu lọc. Các chất hữu cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO 2 và H2O, phân hủy kị khí sinh ra CH 4 và CO2 làm tróc màng ra khỏi vật mang và bị nước cuốn theo. Trên mặt giá thể màng vi sinh lại hình thành mới. Hiện tượng này lặp đi lặp lại nhiều lần. Kết quả là BOD của nước thải bị vi sinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng và bị phân hủy kị khí cũng như hiếu khí làm nước thải được xử lý sạch. - Nước thải trước khi đưa vào xử lý cần phải qua xử lý sơ bộ để tránh tắc nghẽn các khe trong vật liệu. Nước sau khi xử lý ở lọc sinh học thường chứa nhiều chất lơ lửng do các mảnh vỡ của màng sinh học cuốn theo. Vì vậy cần đưa vào lắng và lưu ở đây thời gian thích hợp để lắng cặn. 14  Ưu điểm và nhược điểm: Bảng 1.4. Ưu, nhược điểm của hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt Ưu điểm Nhược điểm Quá trình oxy hóa rất nhanh nên rút Không khí khi ra khỏi bể thường có ngắn được thời gian xử lý. mùi hôi thối. Điều chỉnh được thời gian lưu nước Khu vực xung quanh bể thường có và tốc độ dòng chảy. nhiều ruồi muỗi. Xử lý hiệu quả nước cần có quá trình Nitrat hoặc phản Nitrat hóa. Nước ra khỏi bể lọc thường ít bùn hơn bể Aeroten. 1.3.2.2 Công nghệ lọc sinh học ngập nước Được sử dụng ở Pháp, Mỹ, Úc trong những năm 90 của thế kỷ XX, dùng để xử lý nước thải sinh hoạt và công nghệ thực phẩm. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều loại bể lọc với vật liệu ngập trong nước được sử dụng. Vật liệu lọc thường là các vật liệu nhẹ, dễ nổi. Ở Việt Nam áp dụng thành công loại bể lọc vật liệu lọc nổi để xử lý nước cấp đến quy mô 10.000 m3 /ngày. Với nước thải loại bể này đã áp dụng để xử lý nước thải của một số bệnh viện.  Cấu tạo: - Lọc sinh học ngập nước là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc ngập nước. Hình 1.6. Cấu tạo bể lọc sinh học có vật liệu ngập nước 1.Máng phân phối nước sau khi qua 9.Hạt vật liệu nổi polystyrene đường 15 lắng 1 2.Giàn ống khoan lỗ phân phối vào và thu nước xả rửa 3.Ống xả nước lọc 4.Máng thu nước lọc 5.Ống dẫn nước đã lọc sang bể lọc đợt 2 6.Ống dẫn và giàn ống phân phối khí 7.Hộp ngăn nước trở lại máng gió 8.Ống dẫn gió từ máy nén tới kính 2 – 5 mm, diện tích bề mặt 700 – 800 m2/m3 vật liệu lọc. 10.Lưới chắn inox, mắt lưới 1,5 x 1,5 mm 11.Khoảng trống để lớp vật liệu lọc giãn nở khi rửa thường lấy bằng ½ chiều dày lớp lọc. 12.Chiều cao lớp nước để rửa lọc thường lấy từ 1,2 – 1,4m.  Cơ chế hoạt động: Nước sau khi bể lắng 1 được bơm lên máng phân phối (1) theo ống dẫn (2) phân phối đều trên diện tích đáy bể, nước được trộn đều với không khí cấp từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc. Trong lớp vật liệu lọc xảy ra quá trình khử BOD và chuyển hóa NH4+ thành NO3-, lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng. Nước trong được thu vào máng (4) theo ống (5) đi ra ngoài. Nếu muốn khử BOD, Nitơ và Phospho thì nên sử dụng loại bể lọc sinh học có từ hai lớp trở lên. Ở bậc lọc cuối, giàn phân phối khí đặt ở giữa lớp vật liệu lọc sao cho lớp vật liệu lọc nằm dưới dàn ống phân phối khí có đủ thể tích vùng kị khí để khử NO3- và Phospho, độ chênh mực nước giữa các bể lọc sinh học làm việc nối tiếp khoảng 0,5 m.  Ưu điểm và nhược điểm: Bảng 1.5. Ưu, nhược điểm của hệ thống lọc sinh học ngập nước Ưu điểm Nhược điểm Quy trình xử lý dễ kiểm soát hơn vì Khả năng hòa tan khí vào nước tốt pH, nhiệt độ, cân bằng dinh dưỡng (chất ô nhiễm dạng khí với hệ số tỉ lệ và sự loại bỏ các sản phẩm chuyển khí/nước nhỏ hơn 0,01) hóa có thể được điều chỉnh trong nước của thiết bị. Loại trừ sản phẩm của quá trình Sự sinh trưởng của sinh khối cần phân hủy ra khỏi thiết bị, tránh xảy được kiểm soát nhằm giảm chất thải ra trường hợp tắc nghẽn gây ức chế rắn đầu ra và tăng hiệu quả xử lý. sinh khối. 16 Thành phần trung gian của pha lỏng Kiểm soát Phospho và Kali đầu vào có thể được kiểm soát . là cần thiết, nhưng không phù hợp với dòng khí thải có nồng độ các chất ô nhiễm thấp. Sinh khối có khả năng phân hủy chất ô nhiễm hiệu quả. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu, thiết bị, dụng cụ, hóa chất 2.1.1 Nguyên liệu 2.1.1.1 Nước thải đầu vào Nước thải sinh hoạt được lấy từ hồ chứa tại Khu 10 – xã Tiên Kiên huyện Lâm Thao - tỉnh Phú Thọ (mẫu được lấy vào can nhựa PE 20 lít, sau đó được chuyển về phòng thí nghiệm). 2.1.1.2 Lõi ngô Ngô là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa thảo. Các bộ phận của cây bao gồm: rễ, thân, lá, hoa và hạt...[9] Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa, được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ canh tác. Cây ngô không chỉ cung cấp lương thực cho người, vật nuôi mà còn là nguyên liệu của ngành công nghiệp lương thực - thực phẩm và công nghiệp nhẹ để sản xuất rượu, cồn, tinh bột, dầu... Sản xuất ngô của nước ta qua các năm không ngừng tăng về diện tích, năng suất, sản lượng. Chính vì sản xuất của ngô lớn như vậy nên lượng lõi ngô sau khi tuốt hạt ngô là rất lớn. Lõi ngô sau khi loại ra một phần làm chất đốt, một phần nhỏ làm bột sản xuất nấm còn phần lớn thải ra ngoài môi trường gây ô nhiễm, mất mĩ quan sinh thái. Do 17 vậy, đây chính là nguyên liệu tốt cho chúng ta nghiên cứu và sử dụng nó trong đời sống . Hình 2.1. Hình ảnh lõi ngô Lõi ngô về mặt hình thái thì ở phía ngoài lớp mày ngô (beeswing), lớp trấu ngô (chafl), phần lõi (pith) ở trung tâm xốp mềm và vòng gỗ (woody ring) cứng được hình thành ở giữa. Lõi ngô được nghiên cứu nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp nên ứng dụng hiệu quả trong việc trong việc chế tạo vật liệu hấp thụ trong quá trình xử lý môi trường với giá thành rẻ, quy trình chế tạo vật liệu đơn giản [1]. 2.1.2 Thiết bị       Máy đo quang phổ Humas ThinkEn UV3300 Bếp điện Cân phân tích Explorer Pro Máy đo pH Tủ sấy Ketong Bơm hút chân không 2.1.3 Dụng cụ Sử dụng các dụng cụ cần thiết phục vụ cho việc phân tích, xác định các thông số của nước thải COD, BOD5, SS, Amoni, Phosphat... - Pipet 0,1ml, 0,5ml, 1,0ml, 2,0ml, 5,0ml, 10,0ml. - Buret, bình tam giác 100,0ml, bình tam giác 250,0ml. - Bình định mức 25,0ml, 50,0ml, 100,0ml, 250,0ml, 500,0ml, 1000,0ml. - Ống phá mẫu phân tích COD. - Cốc thủy tinh 100,0ml, 250,0ml. 18 - Giấy lọc, quả bóp. 2.1.4 Hóa chất  Hóa chất phân tích COD: + Dung dịch tiêu chuẩn: Kaliphtalat (KC8H5O40,5101g) pha vào 500,0ml nước cất được dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ 400 mg/l. + Dung dịch oxy hóa: K2Cr2O7 24,515g; (NH4)6Mo7O24.4H2O 2,654g; KAl(SO4)2 5,0000g; H2SO4đ 100ml; nước cất 398,7ml. + Dung dịch xúc tác: Ag2SO4 10,8g; H2SO4đ 1000ml. + Dung dịch Maskingagent: HgSO4 20g; H2SO4đ 10ml; thêm nước cất cho đến vạch 100,0ml.  Hóa chất phân tích BOD5: + Dung dịch đệm Phosphat: Hòa tan 8,5g KH 2PO4; 21,75g K2HPO4; 33,4g Na2HPO4.7H2O và 1,7 g NH4Cl trong 500 ml nước cất và định mức thành 1000ml. + Dung dịch MgSO4: Hòa tan 22,5g MgSO4.7H2O trong nước cất, định mức thành 1000 ml. + Dung dịch CaCl2: Hòa tan 27,5 g CaCl2 trong nước cất, định mức thành 1000 ml. + Dung dịch FeCl3: Hòa tan 0,225 g FeCl3.6H2O trong nước cất, định mức thành 1000 ml. + Dung dịch H2SO4 1N hoặc NaOH 1N để trung hòa mẫu có tính kiềm hoặc có tính acid. + Dung dịch MnSO4: Hòa tan 364 g MnSO4.H2O (hoặc 400g MnSO4.2H2O hoặc 480g MnSO4.4H2O) trong nước cất pha loãng thành 1000ml. Dung dịch này không được phản ứng với chỉ thị hồ tinh bột khi thêm vào để axit hóa KI. + Dung dịch Na2S2O3 0,025M: Hòa tan 6,205 Na2S2O3.5H2O trong nước cất, thêm 1,5 ml NaOH 6N (hoặc 0,1 g Na2CO3) pha loãng thành 1000 ml. 19