Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xử lý nước thải giàu cacbon và nitơ bằng công nghệ MBBR

Chia sẻ: Cỏ Xanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý Nước thải giàu hợp chất hữu cơ và nitơ bằng sự kết hợp giữa công nghệ sinh học thiếu khí và hiếu khí có sử dụng giá thể di động K3 ở các tải trọng hữu cơ, tải trọng nitơ đến hiệu suất xử lý COD và nitơ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xử lý nước thải giàu cacbon và nitơ bằng công nghệ MBBR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN VĂN HANH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CACBON VÀ NITƠ BẰNG CÔNG NGHỆ MBBR LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN VĂN HANH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CACBON VÀ NITƠ BẰNG CÔNG NGHỆ MBBR Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN HÀ NỘI – 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo Viện công nghệ môi trường - Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội. Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những tri thức quý báu giúp tác giả hoàn thành chương trình đào tạo và Luận văn thạc sĩ. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Đặng Xuân Hiển trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học. Và cuối cùng, xin được biết ơn cha mẹ, anh em trong gia đình, biết ơn tất cả các anh chị, các bạn lớp cao học Kỹ thuật Môi Trường trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã động viên, giúp đỡ, đồng hành trong suốt hai năm học vừa qua và trong quá trình thực hiện luận văn. Tác xin cam đoan Luận văn thạc sĩ được thực hiện đúng hướng dẫn của Trường Đại học bách khoa Hà Nội và thầy hướng dẫn PGS.TS. Đặng Xuân Hiển. Trân trọng cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2017 Nguyễn Văn Hanh i
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iv DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................v DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vi MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................3 1.1. Tổng quan về nước thải giầu chất cacbon và nitơ cần nghiên cứu .....................3 1.1.1. Một số loại nước thải giàu cacbon và nito ....................................................3 1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải giàu chất hữu cơ và nitơ đến môi trường ............8 1.2. Quá trình vi sinh xử lý chất hữu cơ và nitơ trong nước thải ................................9 1.2.1. Cơ chế loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong nước ...........................................9 1.2.2. Cơ chế của quá trình nitrat hoá ...................................................................10 1.2.3. Cơ chế của quá trình khử nitrat...................................................................12 1.3. Một số phương pháp xử lý chất hữu cơ và nitơ trong nước thải ........................15 1.3.1. Phương pháp thiếu khí – hiếu khí truyền thống..........................................15 1.3.2. Phương pháp lọc sinh học thiếu khí – hiếu khí...........................................17 1.3.3. Phương pháp SBR.......................................................................................18 1.4. Xử lý nước thải giàu cacbon và nitơ bằng công nghệ MBBR ...........................19 1.4.1. Tổng quan về công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) ............19 1.4.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR ............24 1.4.3.Tình hình nghiên cứu công nghệ ngoài nước và trong nước ......................28 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƢỚC THẢI GIÀU CACBON VÀ NITƠ BẰNG CÔNG NGHỆ MBBR ............................................34 2.1. Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................34 2.2. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................34 2.2.1. Nước thải ....................................................................................................34 2.2.2.Giá thể di động .............................................................................................35 2.2.3. Mô hình nghiên cứu ....................................................................................36 2.3. Nội dung thực nghiệm ........................................................................................41 2.4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................46 2.4.1 Phương pháp hồi cứu ...................................................................................46 2.4.2. Phương pháp thí nghiệm và phân tích ........................................................46 2.4.3. Phương pháp nghiên cứu mô hình ..............................................................47 ii
2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu ..........................................................................47 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................48 3.1. Kết quả vận hành thí nghiệm thích nghi............................................................48 3.1.1. Chỉ số DO ...................................................................................................48 3.1.2. Chỉ số pH ....................................................................................................49 3.1.3. Chỉ số MLSS ...............................................................................................50 3.1.4. Diễn biến sự biến đổi chỉ số COD ..............................................................51 3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ COD/TN .............................................52 3.2.1. Kết quả loại bỏ COD ..................................................................................52 3.2.2. Kết quả loại bỏ TN......................................................................................52 3.2.3. Chỉ số MLSS ...............................................................................................53 3.2.4. Sự chuyển hóa N-NO2 + N-NO3 .................................................................54 3.2.5. Hiệu suất xử lý COD, tổng N và NH3.........................................................55 3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng COD và TN ..................................56 3.3.1. Kết quả loại bỏ COD ..................................................................................56 3.3.2. Kết quả loại bỏ TN......................................................................................57 3.3.3. Chỉ số MLSS ...............................................................................................58 3.3.4. Sự chuyển hóa N-NO3 và N-NO2 ...............................................................59 3.3.5. Hiệu suất xử lý COD, tổng N và NH3.........................................................60 3.4. Kết quả nghiên cứu tính ổn định của thiết bị .....................................................61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................62 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ..................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................65 PHẦN PHỤ LỤC.....................................................................................................67 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Tiếng anh Tiếng việt Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hoá 5 ngày 1 BOD5 5 days 2 BTNMT Bộ tài nguyên môi trường 3 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá học 4 DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan 5 F/M Food/Microorganism Tỉ số cơ chất/vi sinh 6 HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu nước thuỷ lực Bể phản ứng màng sinh học 7 MBBR Moving bed biofilm reactor với giá thể chuyển động Mixed Liquor Suspended Hàm lượng chất rắn lơ lửng 8 MLSS Solids Mixed Liquor Volatile Hàm lượng chất rắn bay hơi 9 MLVSS Suspended Solids 10 OLR Organic loading rate Tải lượng chất hữu cơ 11 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 12 SRT Sludge retention time Thời gian lưu bùn 13 TSS (otal Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng 14 SVI Sludge volume index Chỉ số thể tích bùn iv
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý ..............4 Bảng 1.2. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung ..........5 Bảng 1.3. Thành phần chất ô nhiễm trong nước thải chế biến cao su .......................6 Bảng 1.4. Thành phần trung bình chất ô nhiễm trong nước thải giết mổ gia súc ......7 Bảng 1.5. Thành phần nước thải chế biến thủy sản ...................................................8 Bảng 1.6. Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước .........................14 Bảng 1.7. Thông số các loại giá thể .........................................................................22 Bảng 2.1. Tính chất nước thải nghiên cứu ...............................................................34 Bảng 2.2. Thông số đặc trưng của giá thể sử dụng trong đề tài ................................35 Bảng 2.3. Các thông số kiểm soát ............................................................................40 Bảng 2.4. Thông số vận hành thí nghiệm thích nghi ...............................................42 Bảng 2.5.Thông số thí nghiệm 1 ở tỷ lệ COD/TN = 3/1 ...........................................43 Bảng 2.6.Thông số thí nghiệm 1 ở tỷ lệ COD/TN = 4/1 ...........................................43 Bảng 2.7.Thông số thí nghiệm 1 ở tỷ lệ COD/TN = 5/1 ...........................................44 Bảng 2.8. Thông số thí nghiệm 2 ..............................................................................44 Bảng 2.9.Thông số thí nghiệm 3 ...............................................................................46 Bảng 2.10. Các phương pháp phân tích mẫu ............................................................47 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt ...........................................3 Hình 1.2. Công nghệ thiếu – hiếu khí xử lý đồng thời các chất hữu cơ và nitơ .......16 Hình 1.3. Sơ đồ hoạt động của bể SBR.....................................................................18 Hình 1.4. Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR ........................................................20 Hình 1.5. Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix ..........................21 Hình 1.6. Sự phát triển của lớp màng biofilm ở bên ngoài ít hơn bên trong ............23 Hình 1.7. Nồng độ của chất nền theo chiều sâu lớp màng ........................................24 Hình 1.8. Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể................................................26 Hình 1.9. Các ứng dụng khác nhau của hệ thống xử lý bằng phương pháp MBBR .27 Hình 2.1. Giá thể di động kiểu K3 ...........................................................................35 Hình 2.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ của mô hình nghiên cứu .............................36 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí mô hình .................................................................................37 Hình 2.4. Mô hình thực tế .........................................................................................38 Hình 2.5. Kích thước bể lắng, bể thiếu khí và bể hiếu khí.......................................39 Hình 2.6. Bơm định lượng ........................................................................................39 Hình 2.7.Mô tơ khuấy ...............................................................................................40 Hình 2.8. Máy thổi khí RESUN ...............................................................................40 Hình 2.9. Các nội dung nghiên cứu thực hiện...........................................................41 Hình 3.1. Sự biến đổi chỉ số DO trong quá trình thí nghiệm thích nghi ...................48 Hình 3.2. Sự biến đổi chỉ số pH trong quá trình thí nghiệm thích nghi ....................49 Hình 3.3. Sự biến đổi chỉ số MLSS trong quá trình thí nghiệm thích nghi ..............50 Hình 3.4. Sự biến đổi chỉ số COD trong quá trình thí nghiệm thích nghi ................51 Hình 3.5. Hiệu quả xử lý COD khi thay đổi tỷ lệ COD/TN .....................................52 Hình 3.6. Hiệu quả xử lý TN khi thay đổi tỷ lệ COD/TN ........................................52 Hình 3.7. Chỉ số MLSS ở các tỷ lệ COD/TN khác nhau ..........................................53 Hình 3.8. Sự chuyển hóa N-NO2 + N-NO3 ở các tỷ lệ COD/TN khác nhau ............54 Hình 3.9. Hiệu xuất xử lý COD, TN và NH3 khi thay đổi tỷ lệ COD/TN ................55 Hình 3.10. Hiệu quả xử lý COD khi thay đổi tải trọng COD và TN ........................56 Hình 3.11. Hiệu quả xử lý TN khi thay đổi tải trọng COD và TN ...........................57 Hình 3.12. Tải trọng xử lý TN khi thay đổi tải trọng COD và TN ...........................58 Hình 3.13. chỉ số MLSS thay đổi tải trọng COD và TN ...........................................58 Hình 3.14. Sự chuyển hóa N-NO3 và N-NO2 khi thay đổi tải trọng COD và TN ....59 Hình 3.15. Hiệu xuất xử lý COD, TN và NH3 khi thay đổi tải trọng COD:TN .......60 Hình 3.16. Tính ổn định của hiệu suất xử lý TN và COD ........................................61 vi
MỞ ĐẦU Phương pháp sinh học với giá thể di động (MBBR) đã được phát triển ở Nauy từ thập niên 80. MBBR đạt được hiệu quả xử lý sinh học cao cơ bản dựa trên sự kết hợp giữa hai quá trình màng sinh học và quá trình bùn hoạt tính, trong đó vi sinh vật phát triển trên bề mặt các hạt nhựa polyetylen (đệm) lơ lửng trộn lẫn với nước thải trong bể phản ứng. Không khí cấp vào bể vừa để cung cấp ôxy cho vi sinh vật sử dụng vừa là động lực cho các đệm chuyển động trong bể (các đệm plastic nhẹ, có khối lượng riêng xấp xỉ khối lượng riêng của nước). Công nghệ MBBR có khả năng xử lý hiệu quả rất cao đối với các nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơ và nitơ cao. Ngày nay cùng với vấn đề gia tăng dân số và các hệ quả kèm theo nó đối với môi trường rất lớn. Trong đó nước thải sinh hoạt và các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, chăn nuôi gia súc gia cầm, …gia tăng cũng đặt ra thách thức cho các nhà môi trường. Hiện nay 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 hữu cơ.... Tuy nhiên các nhà máy có thể thay đổi công nghệ sử dụng để đáp ứng được nhu cầu xử lý. Một trong những công nghệ mới được nghiên cứu là công nghệ Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Yếu tố quan trọng nhất trong công nghệ MBBR chính là khả năng xử lý nước thải của lớp màng vi sinh bám dính trên giá thể sinh học. Lớp màng sinh học là quần thể các vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể. Chủng loại vi sinh vật trong màng sinh học tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt tính lơ lửng. Màng sinh học có thể bao gồm bất kỳ loại vi sinh vật, bao gồm tảo, nấm, vi khuẩn và động vật nguyên sinh trong hầu hết các màng sinh học tự nhiên, bao gồm các các cộng đồng vi khuẩn phức tạp với nhiều loài. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu công nghệ MBBR xử lý nước thải giàu cacbon và nito là hết sức cần thiết. Nội dung của đề tài là nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giàu hợp chất hữu cơ và nitơ bằng sự kết hợp giữa công nghệ sinh học thiếu khí và hiếu khí có sử dụng giá thể di động K3 ở các tải trọng hữu cơ, tải trọng 1
nitơ đến hiệu suất xử lý COD và nitơ (1,0 kgCOD/m3/ngày.đêm và 0,2 kgN/m3/ngày.đêm; 1,25 kgCOD/m3/ngày.đêm và 0,25 kgN/m3/ngày.đêm; 1,5 kgCOD/m3/ngày.đêm và 0,3 kgN/m3/ngày.đêm). Dựa trên những kết quả đạt được, rút ra được ưu điểm, nhược điểm của quá trình để góp phần ứng dụng trong thực tế xử lý nước thải giàu cac bon và nitơ và làm căn cứ khoa học trong việc ứng dụng công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ MBBR. 2
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nƣớc thải giầu chất cacbon và nitơ cần nghiên cứu 1.1.1. Một số loại nƣớc thải giàu cacbon và nito a. Nƣớc thải sinh hoạt Nước thải được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người, một số hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như bệnh viện, trường học, nhà ăn,…cũng tạo ra các loại nước thải có thành phần và tính chất nước thải giàu cacbon và nitơ. + Thành phần nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngoài ra còn có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Ở những khu dân cư tập trung, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh họat không được xử lý triệt để sẽ là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào loại chất ô nhiễm, nồng độ của các chất ô nhiễm. Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt được trình bày trong hình dưới . Nước thải sinh hoạt 99,9% là nước 0,1% các chất rắn 50 – 70% là chất hữu cơ Phục vụ 25% là 65% là 10% là Cát Muối Kim loại cacbonhydrat protein các chất béo Hình 1.1. Thành phần các chất trong nƣớc thải sinh hoạt [10.1] Chất lượng nước thải sinh hoạt chưa xử lý thông qua một số chỉ tiêu ô nhiễm đặc trưng theo bảng 1.1. 3
Bảng 1.1. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nƣớc thải sinh hoạt chƣa xử lý [11] Loại nƣớc thải TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Đậm Vừa Rất Loãng đặc phải loãng 1 pH 4,5-9 4,5-9 4,5-9 4,5-9 2 BOD5 mg/l 350 250 150 100 3 COD mg/l 740 530 320 210 4 Dầu mỡ, chất mg/l 100 70 40 30 béo 5 Tổng P mg/l 23 16 10 4 6 Tổng N mg/l 50 30 18 12 7 SS mg/l 450 300 190 120 8 Tổng Coliform MPN/100ml - - - - b. Nƣớc thải chăn nuôi Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh. Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi (2006) [7],tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy đặc điểm của nước thải chăn nuôi: Các chất hữu cơ: Hợp chất hữu cơ chiếm 70 – 80% bao gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidrat carbon và các dẫn xuất của chúng, thức ăn thừa. Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy, ngoài ra còn có các chất khó phân hủy sinh học: các hợp chất hydrat carbon, hợp chất vòng thơm, hợp chất đa vòng, hợp chất chứa clo hữu cơ. Các chất vô cơ chiếm 20 – 30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-… N và P: Khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém, nên khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu. Trong nước thải chăn nuôi lợn thường chứa hàm lượng N và P rất cao. Hàm lượng TN = 200 – 350 mg/l trong đó N-NH4+ chiếm khoảng 80 – 90%; TP = 60 – 100 mg/l. 4
Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh. Bảng 1.2. Chất lƣợng nƣớc thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [7] Chỉ TTNC Trại Đơn Trại Trại lợn Trại tiêu Lợn Cty Trung vị Đan Tam Hồng kiểm Thụy Gia bình Phuợng Điệp Điệp tra Phƣơng Nam pH - 7,15 7,26 7,08 6,78 6,83 7,02 ± 0,24 BOD5 mg/l 1339 1081 882 783 1221 1061 ± 278 2325 ± COD mg/l 3398 2225 1925 1252 2825 1073 TDS mg/l 4813 4568 3949 4013 4720 4413 ± 400 Tổng P mg/l 99,4 80,2 69,4 57,4 85,6 78 ± 21 Tổng N mg/l 333 280 251 205 275 267 ± 64 c. Nƣớc thải chế biến mủ cao su Trong chế biến cao su tự nhiên, thành phần nước thải phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần có trong mủ cao su do trong các công đoạn sản xuất, bổ sung các loại hóa chất cũng như chất độn, ngoại trừ amoni và axit lần lượt bổ sung trong các công đoạn bảo quản, vận chuyển và công đoạn làm đông tụ sản phẩm. Tùy theo các công đoạn sản xuất, thành phần và đặc tính của nước thải tại mỗi công đoạn sẽ khác nhau. Nước thải rơi vãi, phát sinh trong quá trình vận chuyển và tồn trữ mủ thường có pH và N-NH3 cao là do sử dụng amoni để chống đông tụ, dễ bảo quản. Trong khi đó, trong các công đoạn khác nước thải thường có độ pH thấp do sử dụng axít làm đông tụ và kết hợp với sự phân huỷ sinh học lipid và photpholipid trong khi tồn trữ nguyên liệu tạo thành các axít béo bay hơi. Như vậy nước thải chế biến mủ cao su tự nhiên có tính chất ô nhiễm nặng, chủ yếu thuộc 2 loại: Chất ô nhiễm hữu cơ và chất dinh dưỡng. Theo trích dẫn của Perapong Tekasakul (2006) [22], nồng độ trung bình một số chất ô nhiễm chính trong nước thải chế biến cao su tại Thái Lan như sau: pH: 5,0 – 5,9; BOD: 1.391 – 9.433 mg/l; COD: 1.928 – 15.069 mg/l; SS: 93 – 525 mg/l; TKN: 60,2 – 190,9 mg/l; TP: 14,9 – 21,6. 5
Tại nước ta, nước thải chế biến cao su tự nhiên là một trong những loại nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm rất cao. Theo Nguyễn Trung Việt (1999) [9], nước thải chế biến cao su tự nhiên có thể có hàm lượng COD đến 9.962 mg/l. Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001) [9], nước thải chế biến cao su thường có độ pH thấp do việc sử dụng axit để làm đông tụ mủ cao su; nồng độ chất ô nhiễm rất cao bởi các thành phần COD, BOD, amonium, photpho, cụ thể: nồng độ COD có thể lên đến 28.450 mg/l và BOD khoảng 17.500 mg/l; nồng độ N-NH3 trong nước thải cao, có thể đạt gần 900 mg/l, chủ yếu do việc sử dụng amoniac là chất đông tụ trong quá trình thu hoạch, vận chuyển và tồn trữ mủ cao su; hàm lượng phốtpho trong nước thải cũng rất cao, có thể đạt 110 mg/l. Ngoài ra, trong nước thải còn chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng cao, có thể đạt 5.700 mg/l trong công đoạn đánh đông. Bảng 1.3. Thành phần chất ô nhiễm trong nƣớc thải chế biến cao su [9] Công đoạn Thành Đơn TT Sản xuất mủ cốm Cống chung phần vị Sản xuất ly tâm Đánh đông Cán cắt cốm 1 pH 4,7 – 5,49 5,27 – 5,59 4,5 – 4,81 5,9 – 7,5 2 COD mg/l 4.358 – 13.127 1.986 – 5.793 3.560 – 28.450 3.790 – 13.000 3 BOD5 mg/l 3.859 – 9.780 1.529 – 4.880 1.890 – 17.500 3.200 – 8.960 4 SS mg/l 360 – 5.700 249 – 1.070 130 – 1.200 286 – 1.260 5 NH4+ mg/l 649 - 890 152 - 214 123 - 158 138 - 320 d. Nƣớc thải lò giết mổ gia súc Trong hoạt động các lò giết mổ gia súc, nước được sử dụng hầu hết trong các công đoạn (giết, cạo lông, mổ và moi ruột, xẻ thịt, vệ sinh) với định mức khoảng 5 – 15 m3/tấn gia súc và lượng nước này gần như được chuyển toàn bộ thành nước thải [33]. Nước thải từ các lò mổ rất giàu các chất hữu cơ (protein, lipit, các axit amin, peptit, các axit hữu cơ), N-amoni, mecaptan… Ngoài ra còn có thể có vụn xương, thịt vụn, mỡ vẩn, lông, móng… BOD5 có thể lên tới 7.000 mg/l, COD có 6
thể lên tới 9.200 mg/l, N-amoni rất cao [7, 8]. Bảng 1.4. Thành phần trung bình chất ô nhiễm trong nƣớc thải giết mổ gia súc [3] Thứ tự Thông số Đơn vị Hàm lƣợng và tính chất 1 pH - 5,3 – 8,9 2 Độ dẫn điện ms/cm 2,8 – 6,1 3 Clorit mg/l 1,1 – 390 4 BOD5 mg/l 1.500 – 7.400 5 COD mg/l 2.400 – 9.600 6 TOC mg/l 1.180 – 3.400 7 Chất béo mg/l 115 – 300 8 NH4+ mg/l 230 – 1.120 9 Độ mặn mg/l 200 – 500 10 H2 S mg/l 0 – 20 11 Phospho tổng mg/l 1,6 – 5,3 e. Nƣớc thải chế biến thủy sản Công nghệ ngành chế biến thủy sản rất đa dạng, tùy theo từng mặt hàng nguyên liệu và đặc tính loại sản phẩm (thủy sản tươi sống đông lạnh, thủy sản khô, thủy sản luộc cấp đông…). Do sự phong phú và đa dạng về loại nguyên vật liệu và sản phẩm nên thành phần và tính chất nước thải công nghiệp chế biến thủy sản cũng rất đa dạng và phức tạp. Trong quy trình công nghệ chế biến các loại thủy sản, nước thải chủ yếu phát sinh từ công đoạn rửa sạch và sơ chế nguyên liệu. Trong nước thải thường chứa nhiều mảnh vụn thịt và ruột của các loại thủy sản, các mảnh vụn này thường dễ lắng và dễ phân hủy gây nên các mùi hôi tanh. Ngoài ra trong nước thải còn thường xuyên có mặt các loại vảy cá và mỡ cá. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải thay đổi theo định mức sử dụng nước và có khuynh hướng giảm dần ở các chu kỳ rửa sau cùng. Lưu lượng nước thải tính trên một đơn vị sản phẩm cũng khá lớn, từ 30 – 80 m3/tấn sản phẩm thành phẩm. Nước thải công nghiệp chế biến thủy sản bị ô nhiễm chất hữu cơ ở mức khá cao: COD từ 1000 – 1200 mg/l, BOD5 từ 600 – 950 mg/l [10]. 7
Bảng 1.5. Thành phần nƣớc thải chế biến thủy sản [10] Nồng độ Chỉ tiêu Đơn vị Cá da trơn Thủy sản đông Tôm đông lạnh (tra–basa) lạnh hỗn hợp pH - 6,5 – 9 6,5 – 7 5,5 – 9 SS mg/l 100 – 300 500 – 1.200 50 – 194 COD mg/l 800 – 2.000 800 – 2.500 694 – 2.070 BOD5 mg/l 500 – 1.500 500 – 1.500 391 – 1.539 Tổng N mg/l 50 - 20 100 – 300 30 – 100 Tổng P mg/l 10 – 20 50 – 100 3 – 50 Dầu và mỡ mg/l - 250 – 830 2,4 - 100 1.1.2. Ảnh hƣởng của nƣớc thải giàu chất hữu cơ và nitơ đến môi trƣờng Tác hại đến môi trường của nước thải 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 và làm giảm pH của môi trường. - SS: lắng đọng ở nguồn tếp nhận, gây điều kiện yếm khí. - 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, vàng da,… - Ammonia, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng. Nếu nồng độ trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hoá ( 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, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra ). - Màu: mất mỹ quan. - Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt.lớn và gây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước. 8
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 H2S, NH3, CH4,..làm cho nước có mùi hôi thúi - Kim loại nặng như đồng, kẽm, coban, sắt, mangan có trong thức ăn gia súc. Các động vật chỉ hấp thụ chúng rất ít, từ 5 - 15%, còn lại thải ra ngoài. Các kim loại ấy đều có hại cho sức khỏe con người khi uống phải nước ô nhiễm hay ăn thịt động vật. Nhận xét: Như vậy có thể thấy rằng, đặc trưng chung của các loại nước thải này ngoài các thành phần ô nhiễm SS, COD (BOD), phốt pho thì nitơ cũng rất cao, tỉ lệ COD/TN tương đối thấp. Điều này gây khó khăn trong việc xử lý, đặc biệt là xử lý triệt để nitơ. Vì vậy, ngoài việc kết hợp các phương pháp cơ học, hóa lý, hóa học, sinh học kỵ khí, sinh học hiếu khí để loại bỏ SS, chất hữu cơ, phốt pho và một phần nitơ thì rất cần thiết phải có quá trình sinh học thiếu khí để loại bỏ nitơ triệt để hơn. 1.2. Quá trình vi sinh xử lý chất hữu cơ và nitơ trong nƣớc thải Công nghệ vi sinh xử lý chất hữu cơ và nitơ trong nước thải dựa trên hai quá trình là hiếu khí và thiếu khí. Quá trình hiếu khí để loại bỏ chất hữu cơ trong nước và thực hiện việc chuyển hóa amoni thành nitrat nhờ quá trình nitrat hóa; quá trình thiếu khí thực hiện việc khử nitrat thành N2 (nitơ tự do 1.2.1. Cơ chế loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong nƣớc Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chất keo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật. Theo quan điểm gần đây, quá trình xử lý nước thải và vi sinh vật hấp thụ các chất bẩn là một quá trình gồm ba giai đoạn: - Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuyếch tán đối lưu và phân tử; - Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuyếch tan do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào; - Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp tế bào mới với sự hấp thụ năng lượng Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hóa 9
các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý chất thải. Cơ chế quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật của quá trình sinh học hiếu khí bao gồm các quá trình: Oxy hóa (phân hủy) chất hữu cơ, tổng hợp tế bào (đồng hóa) và tự oxy hóa (hô hấp nội bào). Trong quá trình oxy hóa (phân hủy) chất hữu cơ, vi sinh vật sử dụng oxy để chuyển hóa các chất hữu thành các sản phẩm oxy hóa. Quá trình này sinh ra năng lượng và vi sinh vật sử dụng năng lượng này để tổng hợp tế bào mới. Trong quá trình tổng hợp tế bào (đồng hóa), vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ, oxy, các chất dinh dưỡng N, P, vi lượng và năng lượng từ quá trình oxy hóa để tổng hợp nên tế bào mới. Bên cạnh quá trình tổng hợp tế bào cũng xảy ra quá trình tự ôxi hóa tế bào (hô hấp nội bào). Phương trình hóa học biểu diễn các quá trình như sau [34]: Oxy hóa (phân hủy) chất hữu cơ: CxHyOz + (x + y/4 – z/2) O2  x CO2 + y/2 H2O + E Tổng hợp tế bào (đồng hóa): n CxHyOz + n NH3 + n(x + y/4 –z/2 – 5) O2  (C5H7NO2)n (vi sinh vật) + n (x-5) CO2 + n/2 (y-4) H2O - E Tự oxy hóa tế bào (hô hấp nội bào): (C5H7NO2)n + 5n O2  5n CO2 + 2n H2O + n NH3 + E Trong phản ứng trên CxHyOz là các chất hữu cơ của nước thải, còn C5H7NO2 là công thức theo tỉ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật, E là năng lượng. 1.2.2. Cơ chế của quá trình nitrat hoá Quá trình Nitrat hoá được thực hiện nhờ vào hai nhóm vi sinh vật: Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hoá năng vì chúng nhận được năng lượng cho sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào phần lớn là từ quá trình oxy hoá các hợp chất cacbon vô cơ (HCO3- là chính) và Nitơ vô cơ. Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (Vi khuẩn hiếu khí). Cả hai nhóm vi sinh vật này đều có những yêu cầu khá đặc trưng đối với các các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hoà tan (DO); và chúng có tốc độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng. Nitrosomonas chỉ có thế oxy hoá NH4+ thành NO2-, sau đó Nitrobacter làm chức năng chuyển hoá NO2- 10
thành NO3-. Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật được viết như sau: NH4+ + 1,5O2 Nitrosomon  as  NO2 + 2H + H2O - + (1.1) NO2- + 0,5O2 Nitrobacte r  NO3 - (1.2) Phương trình tổng: NH4+ + 2O2 VSV   NO3 + 2H + H2O - + (1.3) Như vậy, 1 mol NH4+ tiêu thụ 2 mol O2 hay 1 g N-NH4+ tiêu thụ 4,57 g O2, 1 mol NH4+ tạo thành 1 mol NO3-, 1 mol NH4+ tạo thành 2 mol H+. Lượng H+ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3-, như vậy 1g N-NH4+ tiêu thụ 7,14 g độ kiềm (quy về CaCO3). Các phương trình (1.2 và 1.3) không tính đến quá trình sinh tổng hợp. Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn) ta có: 1,02NH4+ + 1,89O2 + 2,02HCO3-   VSV 0,021C5H7O2N + 1,00NO3- + + 1,92H2CO3 + 1,06H2O (1.4) Như vậy, 1 gam N-NH4+ tiêu thụ 4,3 g O2, 1 gam N-NH4+ tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (quy về CaCO3). Từ phương trình (1.4) ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá trình Nitrat hoá là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hoá. - Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá + Ảnh hưởng của pH tới quá trình nitrat hoá Thực nghiệm cho thấy pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình nitrat hoá. Nghiên cứu của Grady và Lim (1980), cho thấy vi khuẩn nitrat hoá rất nhạy cảm với pH, đối với Nitrosomonas có dải pH tối thích từ 7,0 đến 8,0. Và đối với Nitrobacter là từ 7,5 đến 8,0. Nhưng bên cạnh đó nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho thấy một số loài có thể thích hợp ở mức pH > 9. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho rằng khoảng pH thích hợp cho quá trình nitrat hoá là pH = 7,0 - 8,5. + Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình nitrat hoá Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của quá trình nitrat hoá. Tốc độ tăng trưởng tế bào tăng khi tăng nhiệt độ đến giá trị giới hạn khoảng 35 0C. Nếu nhiệt độ quá cao (> 35 0C) sẽ làm giảm hoạt tính của vi sinh, gây ức chế hoạt động 11
và có khi gây chết vi sinh vật. Khoảng nhiệt độ có thể ứng dụng được là 5 – 35 0C, khoảng tối ưu là 30 – 35 0C. + Ảnh hưởng của các chất độc tới sự phát triển của vi khuẩn nitrat hoá So với các vi khuẩn dị dưỡng, các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá nhạy cảm với nhiều kim loại nặng và hóa chất. + Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ tới quá trình nitrat hoá. Turk, O., và Mavinic, D.S. (1986) [12] đã chỉ ra rằng các quá trình oxy hoá nitrit bị ức chế khi nồng độ NH3 đạt 0,1 - 1 mg/l và ở nồng độ NH3 từ 5 - 20 mg/l, quá trình oxi hóa NH4+ cũng bị ức chế. Tuy nhiên, Ford cùng nhóm nghiên cứu (1980) [12] lại cho số liệu về nồng độ gây ức chế quá trình ôxi hóa nitrit cao hơn nhiều (10 - 150 mg NH3/l). Sự có mặt của NO2- và pH thấp sinh ra HNO2 không phân li, đây là tác nhân gây ức chế quá trình ôxy hoá nitrit. Alleman (1985) [13] cho thấy khi nồng độ nitrit cao tới 27 mg/l thì Nitrobacter bị ức chế mạnh hơn Nitrosomonas. Alleman [13, 14] cũng cho rằng nhiệt độ thấp, ôxy hoà tan (DO) thiếu và CO2 cao, sự có mặt của NH3 tự do và dư lượng bùn làm giảm tốc độ phát triển của Nitrobacter và kéo theo sự giảm oxi hóa nitrit. Ngoài ra, sốc amoni và sự khử nitrat có thể gây ra sự tích luỹ chất độc NO2-. Đó là do Nitrosomonas ít nhạy cảm hơn đối với sốc NH3 và nhanh thích nghi hơn Nitrobacter dẫn tới sự tích luỹ nitrit trong hệ. 1.2.3. Cơ chế của quá trình khử nitrat Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng ôxy từ nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị dưỡng nghĩa là cần nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới. Quá trình khử nitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau: NO3-  NO2-  NO (k)  N2O (k)  N2 (k) Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H2 và S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hoá, đồng thời NO3- nhận điện và bị khử về N2. Phần lớn các vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ ôxy hoá để tổng hợp tế bào mới. Chỉ có Thiobacilus denitrifcans là sử dụng nguồn điện tử từ S nguyên tố để tạo năng lượng và nguồn 12