Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Phân tích hàm lượng photphat và một số hợp chất của nitơ trong hệ xử lý nước thải sử dụng giá thể vi sinh chuyển động (MBBR)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là phân tích hàm lượng photphat và một số hợp chất amoni, nitrat, nitrit trong mẫu nước thải giả lập, mẫu nước thải đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý nước thải bằng giá thể vi sinh chuyển động; đánh giá được hiệu quả xử lý photphat và một số hợp chất của nitơ trong hệ xử lý nước thải sử dụng giá thể vi sinh chuyển động.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Phân tích hàm lượng photphat và một số hợp chất của nitơ trong hệ xử lý nước thải sử dụng giá thể vi sinh chuyển động (MBBR)

i Lời cam doan Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Chu Xuân Quang. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Học viên cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm về mọi vấn đề liên quan đến nội dung của đề tài này. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Xuân Thu
ii Lời cảm ơn Luận văn này được hoàn thành tại Trung tâm Kiểm định - Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng và Trung tâm Công nghệ Vật liệu - Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và Công nghệ. Trong quá trình nghiên cứu, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới TS. Chu Xuân Quang - người thầy tâm huyết hướng dẫn khoa học, truyền cho em tri thức cũng như chỉ bảo, động viên, giúp đỡ, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô tại Học viện Khoa học và công nghệ, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam; tập thể anh chị em trong Trung tâm Kiểm định, Viện Vật liệu xây dựng, Bộ Xây dựng và Trung tâm Công nghệ Vật liệu - Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ em trong quá trình thực nghiệm cũng như đóng góp nhiều ý kiến quý báu về chuyên môn trong việc thực hiện và hoàn thiện luận văn. Dù đã rất cố gắng, song do thời gian và kiến thức về đề tài chưa được sâu rộng nên luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy giáo, cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Thị Xuân Thu
iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt BOD Nhu cầu oxy sinh hóa COD Nhu cầu oxy hóa học Công nghệ xử lý nước thải bằng giá thể lơ lửng MBBR tầng lưu động (Moving Bed BioReactor). MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng N Chất nitơ NTSH Nước thải sinh hoạt P Chất photpho SS Chất rắn lơ lửng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VSV Vi sinh vật
iv Danh mục các bảng Bảng 1.1. Tiêu chuẩn nước thải của một số loại cơ sở dịch vụ và công trình công cộng ........................................................................................................ 10 Bảng 1.2. Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người ......... 11 Bảng 1.3. Phân loại mức độ ô nhiễm theo thành phần hóa học điển hình của nước thải sinh hoạt .......................................................................................... 12 Bảng 3.1. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ NH +4 ......................... 44 Bảng 3.2. Độ hấp thụ quang của dung dịch NH 4 0,05 mg/L......................... 45 Bảng 3.3. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ NH +4 ......................... 45 Bảng 3.4. Độ hấp thụ quang của dung dịch NH 4 theo tiêu chuẩn SEMWW 4500 C ............................................................................................................. 46 Bảng 3.5. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ NO2 ......................... 46 Bảng 3.6. Độ hấp thụ quang của dung dịch NO2 theo TCVN 6178:1996 ...... 47 Bảng 3.7. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ NO3 ......................... 48 Bảng 3.8. Độ hấp thụ quang của dung dịch NO3 theo TCVN 6180:1996 ...... 48 Bảng 3.9. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ NO3 ......................... 49 Bảng 3.10. Độ hấp thụ quang của dung dịch NO3 0,3 mg/L .......................... 49 Bảng 3.11. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ PO34 ....................... 50 Bảng 3.12. Độ hấp thụ quang của dung dịch PO34 0,02 mg/100 ml ............... 51 Bảng 3.13. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào hàm lượng nguyên tố P ....... 51 Bảng 3.14. Độ hấp thụ quang của dung dịch có hàm lượng P 1,0 mg/L ........ 52 Bảng 3.15. Thông số đánh giá độ thu hồi mẫu ............................................... 53 Bảng 3.16. Phương pháp phân tích theo TCVN 6179-1:1996 và SEMWW4500 C ............................................................................................. 58
v Bảng 3.17. Phương pháp phân tích theo TCVN 6180-1:1996 và SEMWW4500 B ............................................................................................. 58 Bảng 3.18. Phương pháp phân tích theo TCVN 6202:2008 và SEMWW4500-P 59 Bảng 3.19. Ảnh hưởng của thời gian sục khí tới hiệu quả xử lý nitơ ............. 61 Bảng 3.20. Đánh giá hiệu quả xử lý N của hệ thống ...................................... 62 Bảng 3.21. Ảnh hưởng của thời gian sục khí tới hiệu quả xử lý P ................. 62 Bảng 3.22. Thông số các chất ô nhiễm trong nước thải giả lập ...................... 65 Bảng 3.23. Hàm lượng nitrat, nitrit đầu vào và đầu ra ................................... 70
vi Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống xử lý nước bằng công nghệ MBBR ......................... 4 Hình 1.2. Mô hình công nghệ MBBR dạng hiếu khí và thiếu khí .................... 5 Hình 1.3. Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể ........................................ 7 Hình 3.1. Đường chuẩn xác định NH 4 theo TCVN 6179-1: 1996 ................. 44 Hình 3.2. Đường chuẩn xác định NH 4 theo tiêu chuẩn SEMWW4500 C ...... 45 Hình 3.3. Đường chuẩn xác định NO2 theo TCVN 6178:1996 ...................... 47 Hình 3.4. Đường chuẩn xác định NO3 theo tiêu chuẩn TCVN 6180:1996 .... 48 Hình 3.5. Đường chuẩn xác định NO3 theo tiêu chuẩn SEMWW 4500 B ..... 49 Hình 3.6. Đường chuẩn xác định hàm lượng Photphat theo TCVN 6202:2008 50 Hình 3.7. Đường chuẩn xác định Photphat theo tiêu chuẩn SMEWW 4500 - P 52 Hình 3.8. Hình ảnh của bùn hoạt tính bám trên giá thể vi sinh ...................... 63 Hình 3.9. Sự phát triển của bùn hoạt tính ....................................................... 64 Hình 3.10. Hiệu quả xử lý photphat ................................................................ 66 Hình 3.11. Hiệu quả xử lý amoni .................................................................... 67 Hình 3.12. Hiệu quả xử lý nitrat và nitrit ........................................................ 67 Hình 3.13. Hiệu quả xử lý photpho trong nước thải thực tế ........................... 68 Hình 3.14. Hiệu quả xử lý amoni trong nước thải thực tế .............................. 69
vii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ................................................... 4 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ MBBR TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ....................................................................................................... 4 1.1.1. Sơ đồ và mô hình xử lý bằng công nghệ MBBR ........................... 4 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR 5 1.1.3. Ưu, nhược điểm của công nghệ MBBR ......................................... 8 1.2. TỔNG QUAN NƯỚC THẢI SINH HOẠT ............................................. 9 1.2.1. Nguồn gốc nước thải sinh hoạt ....................................................... 9 1.2.2. Đặc tính nước thải sinh hoạt ......................................................... 10 1.2.3. Tác động của nước thải sinh hoạt đến môi trường và sức khỏe con người ....................................................................................................... 13 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI ..................................................................................... 14 1.3.1. Các phương pháp xác định nồng độ Photphat .............................. 14 1.3.2. Các phương pháp xác định nồng độ amoni .................................. 15 1.3.3. Các phương pháp xác định nồng độ nitrat .................................... 18 1.3.4. Các phương pháp xác định nồng độ nitrit .................................... 21 1.4. NGUYÊN TẮC XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN PHÁT HIỆN VÀ GIỚI HẠN ĐỊNH LƯỢNG .................................................................................................. 23 1.5. ĐÁNH GIÁ ĐỘ ĐÚNG CỦA PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NH 4 . NO2 . NO3 . PO34 THÔNG QUA HIỆU SUẤT THU HỒI ............................. 25 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................... 31 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................... 31 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................... 32
viii 2.2.1. Phương pháp lấy mẫu ................................................................... 32 2.2.2. Phương pháp bảo quản mẫu ......................................................... 32 2.2.3. Phương pháp phân tích mẫu ......................................................... 33 2.3. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ .............................................................................. 33 2.4. PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG XÁC ĐỊNH NH4+ BẰNG THUỐC THỬ THYMOL - TCVN 6179-1 : 1996 ........................................................ 34 2.4.1 Chuẩn bị hóa chất, thuốc thử ......................................................... 34 2.4.2. Yếu tố ảnh hưởng ......................................................................... 35 2.4.3. Quy trình phân tích ....................................................................... 35 2.5. XÁC ĐỊNH AMONIAC (NH4+) TRONG NƯỚC– PHƯƠNG PHÁP LÊN MÀU TRỰC TIẾP VỚI THUỐC THỬ NESSLER ............................ 35 2.5.1. Chuẩn bị hóa chất, thuốc thử ........................................................ 35 2.5.2. Yếu tố ảnh hưởng ......................................................................... 36 2.5.3. Quy trình phân tích ....................................................................... 36 2.6. XÁC ĐỊNH NITRIT - PHƯƠNG PHÁP ĐO MÀU VỚI THUỐC THỬ GRIESS .................................................................................................... 36 2.6.1. Chuẩn bị hóa chất, thuốc thử ........................................................ 36 2.6.2. Yếu tố ảnh hưởng ......................................................................... 37 2.6.3. Quy trình phân tích ....................................................................... 37 2.7. XÁC ĐỊNH NITRAT TRONG NƯỚC – PHƯƠNG PHÁP ĐO MÀU VỚI THUỐC THỬ AXIT SUNFOSALIXYLIC .......................................... 37 2.7.1. Chuẩn bị hóa chất, thuốc thử ........................................................ 37 2.7.2. Yếu tố ảnh hưởng ......................................................................... 38 2.7.3. Quy trình phân tích ....................................................................... 38 2.8. XÁC ĐỊNH NITRAT TRONG NƯỚC - PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG PHỔ TIA UV VÀ DẪN XUẤT THỨ HAI................................... 39
ix 2.8.1. Chuẩn bị hóa chất, thuốc thử ........................................................ 39 2.8.2. Yếu tố ảnh hưởng ......................................................................... 39 2.8.3. Quy trình phân tích ....................................................................... 39 2.9. XÁC ĐỊNH PHOTPHAT (PO43-) TRONG NƯỚC - PHƯƠNG PHÁP XANH MOLYBDEN ....................................................................................... 40 2.9.1. Chuẩn bị hóa chất, thuốc thử ........................................................ 40 2.9.2. Yếu tố ảnh hưởng ......................................................................... 41 2.9.3. Quy trình phân tích ....................................................................... 41 2.10. XÁC ĐỊNH PHOTPHAT (PO43-) TRONG NƯỚC - PHƯƠNG PHÁP ĐO PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ AXIT VANADOMOLYBDO PHOSPHORIC .................................................................................................. 41 2.10.1. Chuẩn bị hóa chất, thuốc thử ...................................................... 41 2.10.2. Yếu tố ảnh hưởng ....................................................................... 42 2.10.3. Quy trình phân tích ..................................................................... 42 2.11. ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH ĐẾN HIỆU SUẤT XỬ LÝ ........................................................................................ 42 2.11.1. Khảo sát quá trình phát triển của bùn hoạt tính.......................... 43 2.11.2. Khảo sát thời gian sục khí .......................................................... 43 2.11.3. Đánh giá hiệu quả xử lý hệ MBBR ............................................ 43 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 44 3.1. XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ SỬ DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ................................................................................................................... 44 3.1.1. Xây dựng đường chuẩn, tính toán LOD, LOQ của các phương pháp xác định NH 4 , NO2 , NO3 , PO34 ...................................................... 44 3.1.2. Đánh giá độ đúng của phương pháp xác định NH 4 . NO2 . NO3 . PO34 thông qua hiệu suất thu hồi ............................................................. 52
x 3.1.3. So sánh hai phương pháp đánh giá độ chính xác ................................................................................................................ 57 3.2 PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ ................................................................. 60 3.2.1. Lựa chọn phương pháp phân tích ................................................. 60 3.2.2 Kết quả phân tích mẫu thực tế ....................................................... 61 3.3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH ............................................................................................................................. 63 3.3.1. Quá trình phát triển của bùn hoạt tính .......................................... 63 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian sục khí tới hiệu suất xử lý ................... 64 3.3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý hệ MBBR .............................................. 68 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 71 4.1. KẾT LUẬN ................................................................................................ 71 4.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 74
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, tình trạng ô nhiễm môi trường do nước thải sinh hoạt (NTSH) đang diễn ra nghiêm trọng ở khắp nơi trên cả nước, đặc biệt là tại các thành phố lớn, các trung tâm thương mại, các khu vui chơi giải trí. Trong nước thải chứa hàm lượng lớn các chất nitơ (N), photpho (P) là nguyên nhân gây ra các hiện tượng phú dưỡng và độc tính khi thải ra môi trường. Do đó cần phải loại bỏ những chất này trong nước thải để làm giảm tác hại của chúng đến môi trường. Hiện nay, hệ thống xử lý nước thải tại các cơ sở cũng như các nhà máy xử lý nước thải đang đối mặt với vấn đề phải mở rộng quy mô do sự tăng lên đáng kể của lưu lượng nước thải và tải trọng chất ô nhiễm.... Tuy nhiên việc mở rộng quy mô rất khó khăn và có thể ảnh hưởng đến quy hoạch của các địa bàn dân cư, do đó, tính khả thi không cao. Các bước cải tiến kỹ thuật trong xử lý nước thải, cũng như ứng dụng các loại vật liệu mới xử lý môi trường giúp giải quyết được các nhược điểm của các phương pháp xử lý cũ, nâng cao chất lượng đầu ra và giảm chi phí quá trình vận hành hệ thống xử lý. Để tăng hiệu quả xử lý đối với các nguồn thải thì việc ứng dụng các thiết bị xử lý sinh học sử dụng giá thể vi sinh được coi là giải pháp và hướng đi phù hợp do chúng làm tăng được nồng độ vi sinh trong bể xử lý. Từ đó làm tăng hiệu quả xử lý trên cùng một thể tích và tiết kiệm được mặt bằng xây dựng của hệ thống. Một trong những công nghệ mới hiện nay đang được nghiên cứu và áp dụng là công nghệ xử lý nước thải bằng giá thể lơ lửng tầng lưu động MBBR (Moving Bed BioReactor - MBBR). Đây là một dạng của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính, kết hợp giữa các điều kiện thuận lợi của quá trình xử lý bùn hoạt tính và bể lọc sinh học. Trong quá trình MBBR, vi sinh vật (VSV) phát triển và bám dính trên giá thể chuyển động trong chất lỏng của bể xử lý. Ưu điểm của giải pháp này là hiệu suất xử lý cao và ổn định, thời gian lưu bùn lâu, lượng bùn cần xử lý ít, chi phí vận hành không cao do tốn ít năng lượng. Việc sử dụng giá thể vi sinh có trọng lượng, hình dạng phù hợp, có khả năng chuyển động trong bể xử lý đã được nghiên cứu và ứng
2 dụng ở nhiều quốc gia có ngành công nghiệp môi trường phát triển. Ở nước ta hiện nay, việc sản xuất và ứng dụng các loại vật liệu đệm vi sinh này đối với các hệ thống xử lý nước thải như NTSH, nước thải bệnh viện, .v.v. đang dần trở nên khá phổ biến. Nhiều nghiên cứu ứng dụng đệm vi sinh tại các Viện nghiên cứu và các trường Đại học đã được triển khai. Tuy nhiên, hầu hết các loại giá thể vi sinh đang được sử dụng tại Việt Nam khá đa dạng về chủng loại, chủ yếu được nhập khẩu từ Trung Quốc, Đài Loan và của một số ít cơ sở sản xuất nhựa trong nước. Thực tế, khả năng dính bám của VSV trên các loại giá thể này còn hạn chế. Năm 2014, Trung tâm Công nghệ Vật liệu đã nghiên cứu chế tạo được sản phẩm giá thể đệm vi sinh từ nhựa PE bằng phương pháp ép phun và đưa vào hệ xử lý MBBR. Hiện nay, Trung tâm Công nghệ Vật liệu đang tiếp tục triển khai hoàn thiện quy trình công nghệ, nghiên cứu cải thiện tính chất bề mặt của giá thể vi sinh nhằm tăng hiệu quả hình thành lớp vi sinh bám dính; qua đó tăng hiệu quả xử lý nước thải. Bên cạnh việc đánh giá các chỉ tiêu cơ - lý của giá thể vi sinh như độ bền uốn, độ bền kéo, độ bền va đập, độ cứng trên các thiết bị đo chuyên dụng, việc đánh giá hiệu quả xử lý nước thải theo các tiêu chí, chỉ tiêu ô nhiễm cũng rất quan trọng để có thể chứng minh được mức độ cải thiện của quá trình chế tạo. Trong quá trình phân tích hàm lượng các chất chứa P và N nảy sinh các vấn đề khi hàm lượng các chất trong nước thải đầu vào có hàm lượng lớn nhưng nhờ hiệu quả xử lí cao nên nước thải đầu ra hàm lượng các hợp chất chứa N và P có hàm lượng thấp hơn rất nhiều. Từ đó đặt ra vấn đề với cùng một phương pháp phân tích thì có đảm bảo kết quả phân tích cho độ chính xác cao không? Do vậy, chúng tôi đề xuất đề tài luận văn: “Phân tích hàm lượng photphat và một số hợp chất của nitơ trong hệ xử lý nước thải sử dụng giá thể vi sinh chuyển động (MBBR)”. Nội dung thử nghiệm và đánh giá hiệu quả sử dụng của giá thể vi sinh đã chế tạo được trong hệ xử lý nước thải ở quy mô phòng thí nghiệm là nghiên cứu có tính tiệm cận thực tế, tạo cơ sở chắc chắn và cung cấp dữ liệu tin cậy cho việc ứng dụng giá thể vi sinh ở quy mô lớn hơn. Do vậy, việc hoàn thiện quy trình phân tích và đánh giá chính xác được sự thay đổi nồng độ của những thành phần chính cần xử lý trong nước thải là cần thiết.
3 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Phân tích hàm lượng photphat và một số hợp chất amoni, nitrat, nitrit trong mẫu nước thải giả lập, mẫu nước thải đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý nước thải bằng giá thể vi sinh chuyển động. Đánh giá được hiệu quả xử lý photphat và một số hợp chất của nitơ trong hệ xử lý nước thải sử dụng giá thể vi sinh chuyển động. 3. Đối tượng nghiên cứu Hàm lượng photphat và một số hợp chất của nitơ trong mẫu nước thải của hệ xử lý nước thải sử dụng giá thể vi sinh chuyển động (MBBR). 4. Phạm vi nghiên cứu Đánh giá được hiệu quả xử lý photphat và một số hợp chất của nitơ trong hệ xử lý nước thải sử dụng giá thể vi sinh chuyển động. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả sử dụng của giá thể vi sinh đã chế tạo được trong hệ xử lý nước thải ở quy mô phòng thí nghiệm. Cung cấp dữ liệu tin cậy cho việc ứng dụng giá thể vi sinh ở quy mô lớn hơn. Hoàn thiện quy trình phân tích và đánh giá chính xác được sự thay đổi nồng độ của những thành phần chính cần xử lý trong nước thải.
4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ MBBR TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1.1. Sơ đồ và mô hình xử lý bằng công nghệ MBBR Hệ màng sinh học (biofilm) trong xử lý nước thải hiện nay đang là xu hướng gia tăng nhanh chóng bởi khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải với hiệu quả cao cũng như giảm thiểu các chi phí nhân công, giá thành. Công nghệ xử lý sinh học với giá thể lơ lửng MBBR là một dạng của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bởi lớp màng sinh học (biofilm). Trong quá trình sử dụng MBBR, lớp màng biofilm phát triển trên giá thể lơ lửng trong lớp chất lỏng của bể phản ứng [1-2]. Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước bằng công nghệ MBBR MBBR có thể được thiết kế cho các cơ sở mới để loại bỏ nhu cầu oxy sinh hóa/nhu cầu oxy hóa học (BOD/COD) hoặc loại bỏ nitơ, photpho từ các dòng nước thải. Hiện tại các nhà máy áp dụng công nghệ bùn hoạt tính có thể được nâng cấp để có thể khử nitơ và photpho hoặc BOD/COD ở lưu lượng lớn. Các vi khuẩn nuôi cấy tăng trưởng nhờ phân hủy các chất hữu cơ hòa tan, từng bước trưởng thành trong môi trường đó. Công nghệ MBBR là công nghệ kết hợp giữa các điều kiện thuận lợi của quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí và bể lọc sinh học. Bể MBBR hoạt động giống như quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí trong toàn bộ thể tích bể. Đây
5 là quá trình xử lý bằng lớp màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá mang mà những giá mang này lại di chuyển tự do trong bể phản ứng và được giữ bên trong bể phản ứng được đặt ở cửa ra của bể. Bể MBBR không cần quá trình tuần hoàn bùn giống như các phương pháp xử lý bằng màng biofilm khác, vì vậy nó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính trong bể, bởi vì sinh khối ngày càng được tạo ra trong quá trình xử lý. Bể MBBR gồm 2 loại: bể hiếu khí và bể thiếu khí [2-5]. Bể hiếu khí Bể thiếu khí Hình 1.2. Mô hình công nghệ MBBR dạng hiếu khí và thiếu khí Trong bể hiếu khí sự chuyển động của các giá thể được tạo thành do sự khuếch tán của những bọt khí có kích thước trung bình từ máy thổi. Trong khí đó ở bể thiếu khí thì quá trình này được tạo ra bởi sự xáo trộn của các giá thể trong bể bằng cánh khuấy. Hầu hết các bể MBBR được thiết kế ở dạng hiếu khí có lớp lưới chắn ở cửa ra, ngày nay người ta thường thiết kế lớp lưới chắn có dạng hình trụ đặt thẳng đứng hay nằm ngang. 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR 1.1.2.1. Giá thể Trong công nghệ MBBR các giá thể chuyển động cùng với lớp màng biofilm phát triển và bám trên bề mặt nhằm làm tăng sự tiếp xúc giữa VSV và nước thải, từ đó gia tăng sinh khối làm quá trình phân hủy sinh học diễn ra nhanh chóng với hiệu suất xử lý cao [1- 5]. Giá thể được thiết kế sao cho diện tích bề mặt hiệu dụng là lớn nhất để lớp màng biofim dính bám trên bề mặt của giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động của VSV khi những giá thể
6 này lơ lửng trong nước. Tất cả các vật liệu giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn so với tỷ trọng của nước, tuy nhiên mỗi loại giá thể có tỷ trọng khác nhau. Giá thể có nhiều hình dạng khác nhau, thông thường các giá thể có hình trụ đứng, bên trong và bề mặt ngoài có nhiều khe để tăng diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt tiếp xúc của các giá thể phổ biến nằm trong khoảng 120 – 950 m2/m3. Đối với công nghệ MBBR, việc giữ cố định sinh khối trên vật liệu đệm có ảnh hưởng lớn đến khả năng xử lý nước của hệ. Thêm vào đó, việc duy trì tỷ lệ sinh khối cao hoạt động trong hệ là yếu tố cực kỳ quan trọng để đánh giá các hệ màng lọc sinh học nói chung và hệ MBBR nói riêng. Do đó, vật liệu chế tạo đệm vi sinh đóng vai trò chất mang là một yếu tố vô cùng quan trọng trong quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ MBBR. 1.1.2.2. Độ xáo trộn Yếu tố khác có ảnh hưởng đến hiệu suất là dòng chảy và điều kiện xáo trộn trong bể xử lý. Độ xáo trộn thích hợp là điều kiện lý tưởng đối với hiệu suất của hệ thống. Lớp màng biofilm hình thành trên giá thể rất mỏng, phân tán và vận chuyển cơ chất và oxy đến bề mặt biofilm. Vì vậy, lớp màng biofilm dày và mịn không được mong đợi đối với hệ thống. Độ xáo trộn thích hợp có tác dụng loại bỏ những sinh khối dư và duy trì độ dày thích hợp cho biofilm. Độ dày của biofilm nhỏ hơn 100 m đối với việc xử lý cơ chất luôn được ưu tiên. Độ xáo trộn thích hợp giúp duy trì vận tốc dòng chảy cần thiết cho hiệu suất quá trình. Độ xáo trộn cao sẽ tách sinh khối ra khỏi giá mang và chính vì vậy sẽ làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý. Thêm vào đó, sự va chạm và sự ma sát của giá thể trong bể phản ứng làm cho biofilm tách rời khỏi bề mặt phía ngoài của giá thể Kaldnes (giá mang được sử dụng thực nghiệm). Vì điều này, giá mang MBBR được cung cấp với các rìa bên ngoài để bảo vệ sự hao hụt của biofilm và đẩy mạnh sự phát triển của biofilm. Diện tích bề mặt của các rìa bên ngoài không được tính vào diện tích thực tế của biofilm. Diện tích trung bình hiệu quả của giá mang MBBR được báo cáo là khoảng 70% tổng diện tích bề mặt để màng biofilm dính bám vào giá thể ở phía bên ngoài ít hơn của giá mang [1-8].
7 Theo nghiên cứu của S. Winogradsly (1980), sau khi quan sát dưới kính hiển vi lớp màng lọc trong bể lọc sinh học nhỏ giọt, đã tìm thấy rất nhiều vi khuẩn Zoogleal, các vi khuẩn hình que, vi khuẩn hình sợi, nấm sợi, protozoa và một số động vật bậc cao. Một trong những nghiên cứu nhằm ước lượng các loại khuẩn trong hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt được tiến hành bởi M. Hotchkiss năm 1923. Kết quả là đã tìm thấy nhiều loại vi khuẩn khác nhau ở độ sâu khác nhau trong bể lọc. Các nhóm vi khuẩn bao gồm: vi khuẩn khử nitrat, sunfat tạo thành từ protein, phân hủy ambumin, khử sunfat, oxi hóa sunfit được tạo thành từ các protein nhiều nhất ở độ sâu 0,3m và giảm dần qua lớp lọc; vi khuẩn khử sunfat hiện diện nhiều ở bề mặt và vi khuẩn oxi hóa sunfua có nhiều nhất ở độ sâu 1,6m; các dạng vi khuẩn nitrit gia tăng theo độ sâu và có số lượng lớn hơn các dạng vi khuẩn nitrat [7-17]. Hình 1.3. Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể 1.1.2.3. Tải trọng thể tích Vì không thể xác định chính xác diện tích thực được bao bọc bởi biofilm trên bề mặt của giá mang, người ta đưa ra hiệu suất quá trình theo thể tích bể phản ứng thay vì diện tích bề mặt giá thể. Nếu chỉ xử lý thứ cấp, hiệu quả tải tương đương 4-5 kg BOD7 /m3.ngày đến 12-15 kg BOD7/m3.ngày ở mức 67% giá mang được lấp đầy (cung cấp 335m2 diện tích bề mặt giá thể trên m3 thể tích bể phản ứng) [4, 10, 12].
8 1.1.3. Ưu, nhược điểm của công nghệ MBBR 1.1.3.1. Ưu điểm Công nghệ MBBR với các ưu điểm nổi bật như: tăng cường chuyển động để thúc đẩy tốc độ chuyển khối, tích lũy vi sinh cao nhờ sử dụng vật liệu mang xốp và diện tích bề mặt lớn đang là công nghệ được ứng dụng nhiều cho xử lý nước thải. So với phương pháp xử lý sinh học truyền thống bằng bùn vi sinh hoạt tính, VSV được phân bố khá đồng đều trong thể tích của khối phản ứng, công nghệ MBBR cho phép tăng đáng kể mật độ sinh khối trên một đơn vị thể tích khối phản ứng. So với kỹ thuật lọc tầng t nh ngoài đặc điểm tích lũy mật độ vi sinh cao, công nghệ MBBR thúc đẩy quá trình chuyển khối nhờ chuyển động vật liệu mang trong môi trường phản ứng. So với kỹ thuật tầng lưu thể, công nghệ MBBR cũng tích lũy mật độ vi sinh cao do sử dụng vật liệu mang có diện tích bề mặt lớn (10.000 m2/m3), tuy kém hơn về mặt chuyển động (chuyển khối ngoài), nhưng bù lại vận hành đơn giản, không đòi hỏi trình độ tự động hóa cao như khi sử dụng kỹ thuật tầng lưu thể. Chính vì những ưu điểm nổi trội của công nghệ MBBR, hơn hẳn so với các kỹ thuật lọc sinh học khác nên lựa chọn công nghệ này để giải quyết vấn đề xử lý nước thải [1-5]. Có thể tổng quát các ưu điểm của công nghệ MBBR như sau: - Tiết kiệm không gian (thể tích, diện tích) trạm xử lý hơn so với các công nghệ truyền thống khác, giảm chi phí hoạt động, tự động, dễ vận hành và bảo trì. - Đạt hiệu quả kể cả trong nước thải có tỉ lệ BOD, COD cao. Hiệu suất xử lý BOD > 90%. - Xử lí nitơ, photphat trong nước thải: NH3 - N: 98 - 99%, TN: 80 - 85%, TP: 70 - 75%. - Đáp ứng nhiều mức độ công suất. - Có thể hoạt động ở nhiệt độ môi trường hạ thấp (gần 50C). - Vật liệu làm giá thể: bền, nhỏ gọn, dễ sử dụng.
9 - Cách vận hành đơn giản, gần giống như quá trình bùn hoạt tính thông thường. - Dễ dàng nâng cấp, thích hợp cho việc cải tạo hệ thống cũ. - Ổn định theo biến tải. - Phát sinh bùn ít. 1.1.3.2. Nhược điểm Có thể xảy ra quá trình nổi bùn phía sau hệ MBBR theo chu kỳ thay màng sinh học dẫn đến hiệu quả lắng giảm. 1.2. TỔNG QUAN NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1.2.1. Nguồn gốc nước thải sinh hoạt NTSH là lượng nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của con người: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,... Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác. NTSH chiếm khoảng 50% nước thải đô thị. NTSH của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấp nước của các nhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có. Các trung tâm đô thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lượng NTSH tính trên đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn. NTSH ở các trung tâm đô thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm. Tiêu chuẩn NTSH của các khu dân cư đô thị thường là 100 - 200 L/người.ngày đêm (đối với các nước đang phát triển) và từ 150 - 500 L/người.ngày đêm (đối với các nước phát triển). Ở nước ta hiện nay, tiêu chuẩn cấp nước dao động từ 120 – 180 L/người.ngày đêm. Ngoài ra, lượng
10 nước thải khu dân cư còn phụ thuộc vào điều kiện trang thiết bị vệ sinh nhà ở, đặc điểm khí hậu thời tiết tập quán sinh hoạt của người dân. Lượng NTSH tại các cơ sở dịch vụ, công trình công cộng phụ thuộc vào loại công trình, chức năng và số người tham gia phục vụ trong đó. Tiêu chuẩn thải nước của một số loại cơ sở dịch vụ và công trình công cộng được liệt kê trong Bảng 1.1 Bảng 1.1. Tiêu chuẩn nước thải của một số loại cơ sở dịch vụ và công trình công cộng Công trình Đơn vị tính Lưu lượng (lít/ngày) Nhà ga, sân bay Hành khách 7,5 - 15 Khách 152 - 212 Khách sạn Nhân viên phục vụ 30 - 45 Nhà ăn Người ăn 7,5 - 15 Siêu thị Người làm việc 26 - 50 Giường bệnh 473 - 980 Bệnh viện Nhân viên phục vụ 19 - 56 Trường đại học Sinh viên 56 - 113 Bể bơi Người tắm 19 - 45 Khu triển lãm, giải trí Người tham quan 15 - 30 1.2.2. Đặc tính nước thải sinh hoạt NTSH khi chưa bị phân hủy có màu nâu, chứa nhiều cặn lơ lửng và chưa bốc mùi khó chịu. Trong NTSH có chứa các chất rắn lơ lửng như phân người và động vật, xác một số động vật chết, các mảnh vụn của thức ăn, dầu, mỡ, băng gạc vệ sinh, gỗ, nhựa vụn, vỏ trái cây, và các phế thải khác sau khi phục vụ cho ăn uống, sinh hoạt của con người thải ra môi trường nước. Dưới