Xử lý Nitơ trong khí thải
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
1.
MỞ ĐẦU
Tốc độ đô thị hóa ở Việt Nam rất nhanh cùng với sự phát triển của công nghiệp.
Tỉ lệ dân số tại các thành thị tăng cùng với tốc độ đô thị hóa. Nước thải từ các thành
phố, khu dân cư tập trung, khu công nghiệp cũng tăng theo mức tăng dân số với lượng
thải lớn. Lưu lượng nước thải của thành phố 20 vạn dân khoảng 40.000 - 60.000
m3/ngày. Hiện nay, tại thành phố Hà Nội tổng lượng nước thải (năm 2005) khoảng
550.000 m3/ngày.
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là hàm lượng chất hữu cơ lớn (từ 55-65%
tổng lượng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có các vi sinh vật gây bệnh.
Thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải như BOD 5 là 110 - 400mg/l, tổng lượng
nitơ TN là 20-85mg/l trong đó nitơ amoni là 12-50mg/l.
Cùng nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp cũng
chứa nhiều loại chất tạp chất phức tạp, có nhiều loại chứa nhiều chất bẩn vô cơ, đặc
biệt là các kim loại nặng như trong các ngành công nghiệp có công nghệ mạ. Nước
thải trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, thuộc da, giết mổ chứa nhiều
các chất hữu cơ, các vi khuẩn gây bệnh.
Sự phát triển nhanh của nền kinh tế dẫn đến sự cải thiện về mức sống của người
dân cũng như sự đòi hỏi về mức độ Vệ sinh môi trường. Vì vậy xây dựng các công
trình xử lý nước thải phải đạt các yêu cầu về chất lượng nguồn nước xả ra. Nồng độ
các chất ô nhiễm trong nước thải thấp hơn giá trị giới hạn cho phép quy định khi xả ra
các loại nguồn nước mặt khác nhau.
Một trong những chỉ tiêu cần phải đạt được là hàm lượng nitơ trong nước thải.
Theo TCVN 6772:2000 thì lượng N-NH4+ không lớn hơn 0.05mg/l với nguồn loại A và
1mg/l với nguồn loại B. Hàm lượng Nitơ trong nước thải cao làm ảnh hưởng đến sức
khỏe con người, đến môi trường và với các quá trình xử lý khác trong trạm xử lý nước
thải.
Có nhiều biện pháp để khử nitơ trong nước thải và trong giới hạn của chuyên đề
này, chúng tôi đưa ra các biện pháp sinh học để khử Nitơ.
1
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
2.
2.1.
TỔNG QUAN
Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải
Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni
và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat). Các hợp chất nitơ là các chất dinh
dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá.
Nitơ phân tử N2
N-Protein thực vật
N-Protein động vật
Amôn hóa
NH4+ hoặc NH3
+ O2
Nitrit hoá
NO2NO3-
Nitrat hoá
+ O2
Khử nitơrat
Cố định nitơ
Hình 1. Chu trình Nitơ trong tự nhiên
Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành phần
phân huỷ protein như là các peptid, axit amin, urê.
Hàm lượng amoniac (NH3) chính là lượng nitơ amôn (NH+4) trong nước thải sinh
hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khác có thể rất
2
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
cao. Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong nước thải công nghiệp: chế biến sữa,
rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc da.
Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%). Nguồn
nitơ chủ yếu là từ nước tiểu. Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2
lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số. Trong số đó nitơ trong urê
(N-CO(NH2)2) là 0,7g, còn lại là các loại nitơ khác. Urê thường được amoni hoá theo
phương trình như sau.
Trong mạng lưới thoát nước urê bị thuỷ phân:
CO(NH2)2 + 2H2O = (NH4)2CO3
(1.2)
Sau đó bị thối rữa:
(NH4)2CO3 = 2NH3 + CO2 + H2O
(1.3)
Như vậy NH3 chính là lượng nitơ amôn trong nước thải. Trong điều kiện yếm khí
amoniac cũng có thể hình thành từ nitrat do các quá trình khử nitrat của vi khuẩn
Denitrificans.
Lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH 4) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát
nước: 7 g/ng.ngày
Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư:
Bảng 1. Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt
Chỉ tiêu
Trung bình
Tổng Nitơ, mg/l
40
- Nitơ hữu cơ, mg/l
15
- Nitơ Amoni, mg/l
25
- Nitơ Nitrit, mg/l
0,05
- Nitơ Nitrat, mg/l
0,2
Tổng Phốt pho, mg/l
8
Nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của quá trình ôxy hoá amoniac hoặc nitơ amoni
trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrit hình thành
tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter ôxy hoá thành nitrat.
Các quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I:
3
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
NH4+
kn
NO2-
km
NO3-
Trong đó: kn và km là các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá.
Các phương trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá được biểu diễn như sau:
NH4+ + 1,5O2
Nitrosomonas
NO2- + 0,5O2
NH4+ + 2O2
NO2- + H2O + 2H+
Nitrobacter
NO3-
NO3- + H2O + 2H+
Quá trình nitrat hoá cần 4,57g ôxy cho 1g nitơ amôn. Các loại vi khuẩn Nitrosomonas
và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện nhiệt độ từ 2030oC.
Nitrit là hợp chất không bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử nitrat
trong điều kiện yếm khí.
Ngoài ra, nitrit còn có nguồn gốc từ nước thải quá trình công nghiệp điện hoá. Trong
trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nồng độ nitrit, nitrat thường rất thấp, nó
thường nhỏ hơn 0,02 mg/l. Nếu nồng độ amoni, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao,
quá trình nitrit hoá diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn.
Trong quá trình xử lý nước, nitrit trong nước sẽ tăng lên đột ngột.
Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc
chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá
chất,... chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat
hoá, tạo thành nitrat.
Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ chứa nitơ.
Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý nước thải bằng
phương pháp sinh học.
Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ ôxy trong hợp chất nitơ để cho
các quá trình ôxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng ôxy hoà tan trong
nước rất ít hoặc bị hết.
Khi thiếu ôxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách ôxy khỏi nitrat và
nitrit để sử dụng lại trong các quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ khác. Quá trình này
được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện). Trong điều
kiện không có ôxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cácbon, một số loại vi
khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình
khử nitrat được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ
5CO2 + 2N2 + 2H2O
Trong quá trình phản nitrat hoá, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O 2 (khử nitrit) và 2,85g O2
(khử nitrat).
4
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
5
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
2.2.
Tác hại của Nitơ trong nước thải
2.2.1. Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng
Trên bình diện sức khoẻ Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng về môi
trường. Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ
sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước thải có nhiều Amôniăc có thể gây độc
cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng ôxy hoà tan trong nước. Khi hàm
lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho có thể gây phú dưỡng nguồn
tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng ôxy hoà tan trong nước
giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.
Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn
hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrat tạo chứng thiếu
Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân
gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ,
hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ
vi khuẩn đường ruột. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người.
Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo
thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Trong cơ thể Nitrit có thể ôxy hoá sắt II
ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thể gây ngạt, nôn,
khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
2.2.2. Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng. Do
vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo gây tình
trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi
trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH 4+, H2S,
CO2, CH4... tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước. Hiện tượng đó gọi là phú
dưỡng nguồn nước
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải.
Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có màu xanh đen
hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H 2S. Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt
động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ
ô nhiễm không khí của khu dân cư
6
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Hình 2.
Qúa trình phú dưỡng trong thủy vực nước mặt
2.2.3. Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước
Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu quả làm
việc của các công trình. Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất trong xử lý
để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người.
Với đặc tính như vậy việc xử lý Nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề đáng
được nghiên cứu và ứng dụng.Vấn đề này đã được các nhà nghiên cứu, các học giả đi
sâu tìm hiểu
2.3.
Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải hiện nay
Đã có nhiều phương pháp nhiều công trình xử lý nitơ trong nước thải được nghiên cứu
và đưa vào vận hành trong đó có cả các phương pháp hoá học, sinh học, vật lý .. v v.
Nhưng phần lớn chúng đều chưa đưa ra được một mô hình xử lý nitơ chuẩn để có thể
áp dụng trên một phạm vi rộng. Dưới đây là bảng phân tích một cách tổng quan nhất
về dạng và hiệu suất làm việc của các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải đã được
nghiên cứu và ứng dụng.
7
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
Bảng 2. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải
Các phương pháp xử lý
Bậc I
Bậc II
Hiệu suất xử lý nitơ ( % )
Nitơ dạng hữu cơ NH3 - NH4+
NO3Xử lý thông thường
10-20%
0
0
15-50%
< 10%
Hiệu suất thấp
Hiệu suất
xử lý %
5-10%
10-30%
Xử lý bằng phương pháp sinh học
Vi khuẩn hấp thụ Nitơ
0
40-70%
Hiệu suất thấp
30-70%
Quá trình khử nitrat
0
0
80-90%
70-95%
Thu hoạch tảo
Chủ yếu chuyển
hoá thành NH3NH4+
Thu hoạch
sinh khối
Thu hoạch sinh
khối
50-80%
Quá trình nitrat hoá
Xử lý có giói hạn
0
5-20%
Hồ ôxyhóa
Chủ yếu chuyển
hoá thành NH3NH4+
Tách bằng các
quá trình nitrat
và khử nitrat
20-90%
Chuyển hoá
thành nitrat
Xử lý bởi quá
trình làm
thoáng
Các phương pháp hoá học
Châm clo
Kém ổn định
90-100%
0
80-95%
Đông tụ hoá học
50-70%
Hiệu suất thấp
Hiệu suất thấp
20-30%
Cacbon dính bám
30-50%
Hiệu suất thấp
Hiệu suất thấp
10-20%
0
70-95%
75-90%
70-90%
Trao đổi iôn có chọn lọc
Hiệu suất
80-97%
với Amôni
thấp,kém ổn định
Trao đổi iôn có chọn lọc
Hiệu suất thấp
Hiệu suất thấp
với Nitrat
Các phương pháp vật lý
Lọc
Làm thoáng
Kết tủa bằng đện cực
Thẩm thấu ngược
8
30-95% N dạng
cặn hữu cơ
Hiệu suất thấp
Hiệu suất thấp
20-40%
0
60-95%
0
50-90%
100% N dạng
cặn hữu cơ
30-50%
30-50%
40-50%
60-90%
60-90%
60-90%
80-90%
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Qua bảng phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý nitơ, ta thấy việc xử lý nitơ bằng
phương pháp sinh học cho hiệu quả rất cao. Cùng với việc ứng dụng phương pháp sinh
học để khử nitơ trong nước thải, ta còn lưu ý đến các phương pháp khác như: hóa học
(châm clo), vật lý (thổi khí), trao đổi ion...Theo thống kê các nhà máy ứng dụng các
công nghệ để xử lý nitơ thì chi có 6/1200 nhà máy là sử dụng biện pháp thổi khí,
8/1200 nhà máy sử dụng biện pháp châm clo và duy nhất có 1 nhà máy là sử dụng biện
pháp trao đổi ion. Sở dĩ những biện pháp này ít được dùng là do chi phí đầu tư lớn,
thêm vào đó là sự phức tạp trong quá trình vận hành và bảo dưỡng.
Các phương pháp chủ yếu là:
Phương pháp sinh học:
Các muối nitrat, nitrit tạo thành trong quá trình phân hủy hiếu khí sẽ được khử trong
điều kiện thiếu khí (anoxic) trên cơ sở các phản ứng khử nitrat.
Phương pháp hoá học và hoá lý:
Vôi hoá nước thải đến pH = 1011 để tạo thành NH 4OH và thổi bay hơi trên các tháp
làm lạnh.
Phốt pho được lắng xuống nhờ các muối sắt, nhôm hoặc vôi.
Tuy nhiên, trong đó, phương pháp sinh học lại có những ưu điểm nổi bật như;
-
Hiệu suất khử nitơ rất cao
-
Sự ổn định và đáng tin cậy của quá trình rất lớn
-
Tương đối dễ vận hành, quản lý
-
Diện tích đất yêu cầu nhỏ
-
Chi phí đầu tư hợp lý, vừa phải
2.4.
Kết luận
Với những tác động xấu của hàm lượng nitơ có trong nước thải sinh hoạt và khu công
nghiệp đến sức khỏe con người cũng như môi trường, chúng ta nên xử lý nitơ xuống
dươi tiêu chuẩn cho phép trước khi xả nước thải ra môi trường (sông, hồ...)
Từ việc xem xét, đánh giá hiệu quả xử lý cũng như tổng quan các phương pháp xử lý
nitơ trong nước thải, chúng tôi lựa chọn phương pháp sinh học để xử lý
9
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
3.
3.1.
Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học
Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học
Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, nitơ amôn sẽ
được chuyển thành nitrit và nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter.
Khi môi trường thiếu ôxy, các loại vi khuẩn khử nitrat Denitrificans (dạng kỵ khí tuỳ
tiện) sẽ tách ôxy của nitrát (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất hữu cơ. Nitơ phân tử
N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
Hình 3. Qúa trình chuyển hóa Nitơ trong nước thải
Quá trình chuyển NO3- NO2- NO N2O N2 với việc sử dụng mêtanol làm
nguồn các bon được biểu diễn bằng các phương trình sau đây:
3.1.1. Nitrat hóa
Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được
lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh vật dị
dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO 2 (dạng vô cơ) hơn là các nguồn các bon hữu
cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo thành trên một
đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá
trình dị dưỡng.
10
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan tới hai loại
vi sinh vật , đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. ở giai đoạn đầu tiên
amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành nitrat
Bước 1. NH4- + 1,5 O2 NO2- + 2H+ + H2O
Bước 2.
NO-2 + 0,5 O2 NO3-
Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lấy từ các
phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Có thể tổng hợp quá
trình bằng phương trình sau :
NH4- + 2 O2 NO3- + 2H+ + H2O (*)
Cùng với quá trình thu năng lượng, một số iôn Amôni được đồng hoá vận chuyển vào
trong các mô tế bào. Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằng phương trình
sau :
4CO2 + HCO3- + NH+4 + H2O C5H7O2N + 5O2
C5H7O2N tạo thành được dùng để tổng hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi khuẩn.
Toàn bộ quá trình ôxy hoá và phản ứng tổng hợp được thể hiện qua phản ứng sau :
NH4++1,83O2+1,98 HCO3- 0,021C5H7O2N + 0,98NO3-+1,041H2O+1,88H2CO3
Lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá amôni thành nitrat cần 4,3 mg O 2/ 1mg NH4+. Giá trị
này gần bằng với giá trị 4,57 thường được sử dụng trong các công thức tính toán thiết
kế. Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trình tổng hợp sinh khối tế
bào không được xét đến.
3.1.2. Khử nitrit và nitrat:
Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitrat Denitrificans (dạng kị
khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất hữu cơ.
Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
+ Khử nitrat :
NO3- + 1,08 CH3OH + H+ 0,065 C5H7O2N + 0,47 N2 + 0,76CO2 + 2,44H2O
+ Khử nitrit :
NO2- + 0,67 CH3OH + H+ 0,04 C5H7O2N + 0,48 N2 + 0,47CO2 + 1,7H2O
Như vậy để khử nitơ công trình xử lý nước thải cần :
Điều kiện yếm khí ( thiếu ôxy tự do )
Có nitrat (NO3- ) hoặc nitrit (NO2-)
Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat;
11
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
Có nguồn cácbon hữu cơ
Nhiệt độ nước thải không thấp.
Các dây chuyền và công trình xử lý nitơ trong nước thải
3.2.
3.2.1. Dây chuyền công nghệ xử lý nitơ
-
Quá trình hậu phản (Post - denitrification)
Nitrat hóa (Xử lý sinh học bậc 2) Phản nitrat(Xử lý bậc 3)
CÊp khÝ
Níc th¶i tríc xö lý
Cã thÓ bæ sung nguån c¸cbon h÷u c¬
Aeroten (XLSH hoµn toµn
hay thæi khÝ kÐo dµi)
Anoxic
+ ¤xy hãa hiÕu khÝ chÊt h÷u c¬
BÓ l¾ng
Níc th¶i sau xö lý
+ Khö nitrat hãa
+ Nitrat hãa
Bïn tuÇn hoµn
NO3
Bïn d
Hình 4. Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Qúa trình hậu phản
-
Quá trình tiền phản (Pre – denitrification)
Khử nitrat (Oxi hóa hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí) nitrat hóa (xử lý bậc 2)
Hình 4. Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Qúa trình hậu phản
CÊp khÝ
Níc th¶i sau xö lý bËc I
Anoxic
Aerobic
(thæi khÝ kÐo dµi)
BÓ l¾ng
Níc th¶i sau xö lý
Bïn tuÇn hoµn
NO3
Bïn d
Hình 5. Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Qúa trình tiền phản
-
12
Quá trình kết hợp 2 phương pháp trên bằng cách tráo đổi các quá trình
nitrat hóa và phản nitrat
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
C1
A
Níc th¶i sau xö lý bËc I
Anoxic
Níc th¶i sau xö lý
BÓ l¾ng
B
Aerobic
Bïn tuÇn hoµn
Bïn d
C2
A
Aerobic
B
Níc th¶i sau xö lý bËc I
Aerobic
Níc th¶i sau xö lý
BÓ l¾ng
Bïn tuÇn hoµn
Bïn d
C3
A
Níc th¶i sau xö lý bËc I
Aerobic
BÓ l¾ng
Níc th¶i sau xö lý
B
Anoxic
Bïn tuÇn hoµn
Bïn d
C4
A
Níc th¶i sau xö lý bËc I
Aerobic
BÓ l¾ng
Níc th¶i sau xö lý
B
Aerobic
Bïn tuÇn hoµn
Bïn d
Hình 6. Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải – Kết hợp 2 quá trình tiền
phản và hậu phản
13
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
3.2.2. Một số dạng công trình kết hợp xử lý BOD/N
3.2.3. Kênh ôxy hoá tuần hoàn
Hình 7. Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải – Kênh oxi hóa tuần hoàn
Kênh ôxy hoá tuần hoàn hoạt động theo nguyên lý thổi khí bùn hoạt tính kéo dài. Quá
trình thổi khí đảm bảo cho việc khử BOD và ổn định bùn nhờ hô hấp nội bào. Vì vậy
bùn hoạt tính dư ít gây hôi thối và khối lượng giảm đáng kể.
Các chất hữu cơ trong công trình hầu như được ôxy hoá hoàn toàn, hiệu quả khử BOD
đạt 8595%. Trong vùng hiếu khí diễn ra quá trình ôxy hoá hiếu khí các chất hữu cơ
và nitrat hoá. Trong vùng thiếu khí (hàm lượng ôxy hoà tan thường dưới 0,5 mg/l) diễn
ra quá trình hô hấp kỵ khí và khử nitrat.
Để khử N trong nước thải, người ta thường tạo điều kiện cho quá trình khử nitrat diễn
ra trong công trình. Kênh ôxy hoá tuần hoàn hoạt động theo nguyên tắc của aerôten
đẩy và các guồng quay được bố trí theo một chiều dài nhất định nên dễ tạo cho nó
được các vùng hiếu khí (aerobic) và thiếu khí (anoxic) luân phiên thay đôỉ. Quá trình
nitrat hoá và khử nitrat cũng được tuần tự thực hiện trong các vùng này Hiệu quả khử
nitơ trong kênh ôxy hoá tuần hoàn có thể đạt từ 4080%
3.2.4. Aerôten hoạt động gián đoạn theo mẻ (hệ SBR)
14
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Níc th¶i
vµo
BÓ l¾ng
c¸t
BÓ l¾ng
®ît mét
BÓ SBR 1
BÓ SBR 2
X¶ bïn ho¹t tÝnh d
Khö trïng
X¶ níc th¶i ra s«ng, hå
Hình 7. Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải – Bể SBR
Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí,
để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư.
Níc th¶i vµo
1
Lµm ®Çy níc th¶i
2
Thæi khÝ
3
4
X¶ níc th¶i
5
X¶ bïn d
L¾ng
Hình 8. Các giai đoạn hoạt động trong bể SBR
Trong bước một, khi cho nước thải vào bể, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu
lại từ chu kỳ trước. Sau đấy hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước hai với thời
gian thổi khí đúng như thời gian yêu cầu. Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn
toàn và các chất hữu cơ được ôxy hoá trong giai đoạn này. Bước thứ ba là quá trình
lắng bùn trong điều kiện tĩnh. Sau đó nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra
khỏi bể. Bước cuối cùng là xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí
15
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp
nước thải lên trạm XLNT liên tục.
Công trình hoạt động gián đoạn, có chu kỳ. Các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng
bùn cặn,... diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử lý nước thải cao. BOD
của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 20 mg/l, hàm lợng cặn lơ lửng từ 3 đến 25
mg/l và N-NH3 khoảng từ 0,3 đến 12 mg/l.
Hệ thống aerôten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử được nitơ và phốt pho sinh hoá
do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng
việc thay đổi chế độ cung cấp ôxy
3.3.
Xử lý kết hợp nitơ và phốt pho
Phốt pho xâm nhập vào nước có nguồn gốc từ nước thải đô thị, phân hoá học, cuốn
trôi từ đất, nước mưa hoặc phốt pho trầm tích hoà tan trở lại
Phốt pho trong nước thường tồn tại dưới dạng orthophotphat (PO 43-,HPO42-,
H2PO4-,H3PO4) hay polyphotphat [Na3(PO3)6] và phốt phát hữu cơ. Tất cả các dạng
polyphotphat như pyrometaphotphat Na2(PO4)6, tripolyphotphat Na5P3O10,
pyrophotphat Na4P2O7 đều chuyển hoá về dạng orthophotphat trong môi trường nước.
Trong nước mưa, hàm lượng nitơ và phốt pho phụ thuộc vào lưu vực thoát nước, đặc
điểm mặt phủ ...
Bảng 3: Lượng nitơ và phốt pho theo nước mưa chảy vào sông, hồ, kg/ha.năm.
Nguyên tố
Rừng
Nông nghiệp
Đô thị
Nước mưa
Nitơ
3
5
5
24
(1,3 -10,2)
(0,5-50)
(1-20)
0,4
0,5
1
1
(0,01-0,9)
(0,1-5)
(0,1-10)
(0,05-5)
Phốt pho
Hợp chất photpho tự nhiên không độc hại , chỉ có một số loại tổng hợp este trung tính
của axit photphoric dùng làm hoá chất bảo vệ thực vật là có độc tính cao. Trong nước
bị ô nhiễm, hàm lượng photpho (tính theo photphat) không lớn, khoảng 0,1 mg/l, chủ
yếu dạng orthophotphat . Trong nước thải nồng độ photphat cao . Phốt pho là nguyên
nhân chính gây ra bùng nổ tảo ở một số nguồn nước mặt , gây ra hiện tượng tái nhiễm
bẩn và nước có màu, mùi khó chịu.
3.3.1. Kết hợp xử lý Phốt pho và Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh
học
16
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Một trong những quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học đang được phát triển đó
là kết hợp xử lý cả nitơ và photpho. Bằng cách sử dụng bùn hoạt tính, các hợp chất
trong các quá trình xử lý thiếu khí (anoxic), xử lý hiếu khí (aerobic), xử lý yếm khí
(anaerobic) kết hợp hoặc riêng biệt để thực hiện quá trình khử nitơ và photpho. Ban
đầu quá trình này được phát triển để khử Photpho, sau đó là kết hợp khử cả nitơ và
photpho.
Các công nghệ được sử dụng thông dụng nhất là:
-
Quy trình A2/O
-
Quy trình Bardenpho (5 bước)
-
Quy trình UCT
-
Quy trình VIP
Kỹ thuật xử lý mẻ kế tiếp cũng có khả năng kết hợp khử Nitơ và Phốtpho
Quy trình A2/O
Quy trình này được cải tiến từ quy trình A/O và bổ sung thêm vùng cấp oxi để khử
nitrat. Giai đoạn lưu trong quá trình thiếu khí xấp xỉ một giờ. Tại vùng anoxic (thiếu
oxy), vi sinh vật lấy oxi từ nitrat (NO3-) và nitrit (NO22-), lượng nitrat và nitrit được bổ
sung bởi hỗn hợp nước thải tuần hoàn từ sau vùng aerobic. Hàm lượng phótpho tập
trung trong nước nước thải nhỏ hơn 2mg/l là có thể chấp nhận được với nước thải
không có công đoạn lọc, và nhỏ hơn 1.5mg/l với nước thải sau lọc.
Hçn hîp níc th¶i tuÇn hoµn
Níc th¶i tríc xö lý
Anaerobic
Anoxic
Aerobic
BÓ l¾ng
Níc th¶i sau xö lý
Bïn cÆn
Bïn tuÇn hoµn
chøa photpho
Hình 9. Quy trình A2/O
Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn)
Từ bể Bardenpho 4 giai đoạn để xử lý Nitơ, bổ sung thêm 1 giai đoạn để kết hợp khử
cả nitơ và photpho. Thêm giai đoạn thứ 5 là quá trình yếm khí anarobic để khử
photpho lên đầu tiên của quy trình kết hợp khử nitơ, photpho. Sự sắp xếp các giai đoạn
và cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải sau các vùng cũng khác nhau và khác quy trình
xử lý A2/O. Hệ thống 5 bước cung cấp các vùng anaerobic, anoxic, aerobic để khử cả
Nitơ, Photpho và hợp chất hữu cơ. Vùng Anoxic (giai đoạn 2) để khử nitrat và được bổ
sung nitrat từ bể aerobic (giai đoạn 3). Bể aerobic cuối cùng tách khí N 2 ra khỏi nước
17
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
và giảm hàm lượng Photpho xuống tối đa. Thời gian xử lý kéo dài hơn quy trình A 2/O.
Tổng thời gian lưu nước là 10-40ngày, tăng sinh khối của vi sinh vật
Hçn hîp níc th¶i tuÇn hoµn
Níc th¶i tríc xö lý
Anaerobic
Anoxic
Aerobic
Anoxic
Aerobic
Níc th¶i sau xö lý
BÓ l¾ng
Bïn cÆn
Bïn tuÇn hoµn
chøa photpho
Hình 10. Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn)
Quy trình UCT
Được sáng tạo tại trượng đại học Cape Town, giống quy trinh A 2/O nhưng có 2 sự khác
biệt. Thứ nhất, bùn hoạt tính được tuần hoàn đến bể Anoxic thay vì bể anaerobic. Thứ
hai, xuất hiện vòng tuần hoàn từ bể anoxic đến anaerobic. Bùn hoạt tính đến bể anoxic,
hàm lượng nitrat trong bể anaerobic sẽ bị loại bỏ, theo đó ta tách được photpho trong
bể anaerobic. Bản chất của vòng tuần hoàn giữa các bể là cung cấp hợp chất hữu cơ
đến bể anaerobic. Hợp chất từ bể anoxic bao gồm các hợp chất hữu cơ hòa tan (BOD)
nhưng hàm lượng nitrat rất ít, tạo điều kiện tốt nhất để lên men kỵ khí trong bể
anaerobic. Vào năm 1989, chưa có nhà máy nào tại Mỹ sử dụng quá trình này.
Hçn hîp níc th¶i
tuÇn hoµn
Níc th¶i tríc xö lý
Anaerobic Anoxic
Hçn hîp níc th¶i
tuÇn hoµn
Anoxic
Aerobic
BÓ l¾ng
Bïn tuÇn hoµn
Níc th¶i sau xö lý
Bïn cÆn
chøa photpho
Hình 10. Quy trình UCT
Quy trình VIP (Virginia Initiative Plant in Norfolk. Virginia)
Quy trình này giống A2/O và UCT ngoại trừ cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải giữa
các bể. Bùn hoạt tính cùng với nước thải sau bể aerobic (đã khử nitrat) được đưa lại bể
anoxic. Nước thải từ bể anoxic quay trở lại đầu vào của anaerobic. Trên cơ sở những
dữ liệu kiểm tra được, xuất hiện một số hợp chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, đảm
bảo sự ổn đinh trong hoạt động của bể kỵ khí, làm giảm nhanh chóng lượng oxi theo
yêu cầu.
18
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Hçn hîp níc th¶i
tuÇn hoµn
Hçn hîp níc th¶i
tuÇn hoµn
Níc th¶i tríc xö lý
Anaerobic
Anoxic
Aerobic
BÓ l¾ng
Níc th¶i sau xö lý
Bïn cÆn
Bïn tuÇn hoµn
chøa photpho
Hình 10. Quy trình VIP
3.3.2. So sánh ưu, nhược điểm của các quá trình kết hợp xử lý cả nitơ và photpho
Bảng 4: So sánh ưu nhược điểm của các quá trình kết hợp xử lý nitơ và photpho
Các quá
trình
A2/O
Ưu điểm
Nhược điểm
Bùn thải có một hàm lượng tương Hoạt động dưới điều kiện khí hậu lạnh
đối cao phôtpho ( 3 – 5%) và là thường không ổn định
một nguồn phân bón giá trị
Phức tạp hơn so với công nghệ A/O
Khả năng khử nitrat cao hơn so với
dây chuyền A/O.
Tạo ra ít bùn thải nhất trong hệ Với nhiều vòng tuần hoàn, cần phải
thống các phương pháp xử lý tính toán thêm công suất của bơm và
phốtpho hiện thời.
các yêu cầu về vấn đề bảo dưỡng.
Bùn thải có một hàm lượng tương Mới chỉ được thí nghiệm chủ yếu ở
đối cao phôtpho và là một nguồn Mỹ.
phân bón giá trị.
Những yêu cầu cho hoá chất phụ trợ
Có khả năng giảm thiểu tổng lượng thường không ổn định.
Bardenpho nitơ tới mức thấp, tốt hơn so với đa Yêu cầu khối tích lớn hơn so với quá
số các phương pháp khác.
trình A2/O.
Độ kiềm được khôi phục cho hệ
thống.Vì vậy có thể tiết kiệm lượng
hoá chất tiêu thụ
Được sử dụng rộng rãi ở Nam Phi
và những nơi có điều kiệnvề tài
chính
UCT
Luân chuyển các vùng Anoxic để Chưa có những công trình thực tế tại
loại bỏ quá trình tái hợp của Nitrat
19
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ
Lớp Cao hoc Môi trường 2006
Các quá
trình
Ưu điểm
Nhược điểm
và cung cấp môi trường tách Mỹ.
phôtpho tốt hơn trong các vùng Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất
Anaerobic.
quá trình vẫn chưa được chuẩn hoá.
Dung tích ngăn phản ứng nhỏ hẹp Tỷ suất BODF yêu cầu cao
hơn so với quá trình Bardenpho.
Những yêu cầu đối với hoá chất phụ
trợ không ổn định
Tuần hoàn nội vi rộng làm tăng điện
năng tiêu thụ của máy bơm và các yêu
cầu vận hành bảo dưỡng.
Tuần hoàn nitrat qua vùng anoxic Tuần hoàn nội vi rộng làm tăng điện
để giảm lượng ôxy yêu cầu và năng tiêu thụ của máy bơm và các yêu
lượng kiềm tiêu thụ.
cầu vận hành bảo dưỡng.
VIP
Luân phiên nước thải từ vùng Chỉ mới được áp dụng hạn chế tại Mỹ
anoxic sang vùng anaerobic để Nhiệt độ thấp làm giảm khả năng tách
giảm lượng nitrat trong vùng hiếu Nitơ .
khí.
Có thể áp dụng để xử lý Nitơ tạm
thời hoặc phốt pho quanh năm
3.4.
Kết luận
Sử dụng phương pháp sinh học thông thường để xử lý nitơ cần phải bổ sung nguồn các
bon, cung cấp lượng lớn khí oxi cho quá trình nitrat hóa và duy trì được vi khuẩn kỵ
khí tùy tiện.
Trong chu trình chuyển hóa nitơ amôn thành nitơ phân tử khí ta thấy có quá trình nitơ
amôn kết hợp với nitrit để chuyển hóa thành nitơ phân tử. Đó cũng là nguyên nhân và
động lực để tìm ra một phương pháp xử lý mới có hiệu suất cao, dễ làm và chi phí
thấp. Chính là quá trình xử lý bằng Anammox.
20
- Xem thêm -