TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC === so EQg3=== N G U Y Ễ N HẢI YẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ Đ ộ• VẬN • HÀNH ĐẾN HIỆU • QUẢ XỬ LÝ PHOTPHO CỦA HỆ THỐNG LỌC YẾM KHÍ - THIẾU KHÍ - HIÉU KHÍ CẢI TIÉN KHÓA LUẬN ĐẠI HỌC • TỐT NGHIỆP • • • Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường Người hướng dẫn khoa học ThS. LÊ CAO KHẢI HÀ N Ộ I -2 0 1 5 L Ờ I CẢM ƠN Đe hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt báo cáo khóa luận tốt nghiệp, em đã nhận được sự giúp đở, hướng dẫn nhiệt tinh của các quý Thầy, Cô của trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 và các Thầy, Cô của Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS. Lê Cao Khải người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp. Nhân đây em xin cảm ơn đến Ban giám hiệu N hà trường và các Thầy, Cô trong Khoa Hóa Học đã tạo điều kiện tốt nhất để em học tập và hoàn thiện tốt kiến thức trong những năm học vừa qua . Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị phụ trách phòng thí nghiệm công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường của Viện Công N ghệ Môi Trường -Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam đã rất nhiệt tình giúp đõ' về mọi cơ sở vật chất và chỉ bảo em trong quá trình tiến hành làm thí nghiệm. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự trao đổi và đóng góp ý kiến thẳng thắn của các bạn học cùng khoá đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành bài báo cáo khóa luận tốt nghiệp của mình. HÀ NỘI, Ngày tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Hải Yến DANH MUC CAC KY HIEU, C H If VIET TAT AO (Anoxic - Oxic) Thiếu khí - hiếu khí A AO (Anaerobic - Anoxic - Oxic) Yem khi - thieu khi - hieu khi HK Hieu khi YK Yem khi TK Thiếu khi VFA Axit beo de bay hai FAO Sinh vät tich lüy photpho DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20°c ....................... 26 Bảng 2. Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho ............... 35 Bảng 3. Dung tích hữu ích của ngăn trong thiết bị thí nghiện.............................. 56 Bảng 4. Các chế độ vận h à n h ........................................................................................ 59 Bảng 5. Đặc trưng của nước thải trong nghiên c ứ u ................................................. 61 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Quá trình xử lý photpho A O .........................................................................28 Hình 2. Sơ đồ phostrip tách loại photpho................................................................ 30 Hình 3. Sơ đồ xử lý nitơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình V IP ................................................................................ 32 Hình 4. Mô hình cải tiến công nghệ A A O ............................................................... 45 Hình 5. Quá trình phân hủy yếm khí........................................................................ 47 Hình 6 . Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm ............................................................. 57 Hình 7. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm ...............................................................................59 Hình 8 . Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ.............60 Hình 9. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ..62 Hình 10. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn yếm khí........................................................................................................................................ 63 Hình 11. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn....64 M ỤC LỤC M Ở Đ Ầ U ....................................................................................................................................... 8 C H Ư Ơ N G 1: T Ó N G Q U A N V È x ử L Ý T Ổ N G P H O T P H O T R O N G N Ư Ớ C T H Ả I S I N H H O Ạ T P H Â N T Á N .................................................................. 10 1 . 1 . Tổng quan về nước thải sinh h oạt............................................................................... 1 0 1.1.1. Khái niệm về nước thải sinh h o ạ t........................................................................10 1.1.2. Đặc điểm chung về nươc thải sinh hoạt.............................................................10 1.1.3. Phân loại nước thải sinh h o ạ t................................................................................11 1.1.4. Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trư ờ n g ............................................. 13 1.1.5. Quản lý nước thải ở Việt N a m ............................................................................ 14 1 .2 . Tổng quan về photpho....................................................................................................16 1.2.1. Định ng h ĩa................................................................................................................. 16 1.2.2. Vai trò của p h o tp h o ................................................................................................ 16 1.2.3. Thực trạng ô nhiễm photpho hiện n a y ............................................................... 17 1.2.4. Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho.................................................................... 18 1.2.5. Ảnh hưởng của photpho tổ n g ............................................................................... 18 1.3. Tổng quan về công nghệ xử lý tổng photpho (T-P) trong nước thải sinh hoạt ............... ..................................... ............ .............. .. ................................................................................................................. 21 1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất p h o tp h o ....................................................................21 1.3.2. Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước t h ả i ..................................... 26 1.3.3. Đặc thù của quá trình xử lý p h o tp h o ................................................................. 30 1.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố lên hiệu quả xử l ý ................................................. 36 1.4. Công nghệ xử lý nước thải A A O ................................................................................40 C H Ư Ơ N G 2: Đ Ớ I T Ư Ợ N G , M Ụ C Đ Í C H V À P H Ư Ơ N G P H Á P N G H I Ê N C Ứ U ........................................................................................................................47 2.1. Đối tượng và mục đích nghiên c ứ u ...........................................................................47 2.1.1. Đối tượng nghiên c ứ u ............................................................................................47 2.1.2. Mục đích nghiên c ứ u ............................................................................................. 47 2.2. Nội dung nghiên c ứ u ......................................................................................................47 2.3. Phương pháp nghiên c ứ u .............................................................................................. 48 2.3.1. Phương pháp tài kiệu kế th ừ a .............................................................................. 48 2.3.2. Phương pháp phân tích định lượng photpho bằng phương pháp oxy hóa ướt bằng K 2s 20 8..................................................................................................................48 2.4. Phương pháp thực nghiệm ............................................................................................53 C H Ư Ơ N G 3: K É T Q U Ả V À T H Ả O L U Ậ N ..........................................................57 3.1. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên c ứ u ............................................ 57 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý T - P ....................................................58 3.3. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T - P ...................................... 59 K É T L U Ậ N V À K I Ế N N G H Ị ........................................................................................62 T À I L I Ệ U T H A M K H Ả O ............................................................................................... 63 MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người cũng như các sinh vật trên Trái đất, tất cả các sự sống đều phụ thuộc vào nước và vòng tuần hoàn nước. Lượng nước trên Trái đất vào khoảng 1,38 tỉ km 3 trong đó 97,4% là nước mặn trong các đại dương, còn 2 , 6 %, là nước ngọt, tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tuyết ở Bắc Cực, Nam Cực và trên các ngọn núi, chỉ có 0,3% nước trên toàn thế giới (hay 3,6 triệu km 3) là có thể sử dụng làm nước uống. Hiện nay vấn đề ô nhiễm nước rất được quan tâm. Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày, dưới tốc độ phát triển như hiện nay con người vô tình làm ô nhiễm nguồn nước bằng các hóa chất, chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy, xí nghiệp. Ở nước ta hiện nay, hầu hết các khu đô thị, khu dân cư, làng, xã hay một số điểm du lịch được xây dựng phục vụ nhu cầu con người có nguồn nước thải sinh hoạt thải ra còn chưa được xử lý triệt đê, mặc dù một vài nơi có hệ thống xử lý tập trung nhưng còn nhiều khó khăn về vấn đề vận hành cũng như các chi phí xử lý cao dẫn đến nước thải sinh hoạt không đạt tiêu chuẩn môi trường mà đã xả trực tiếp ra sông, hồ. Ngoài nguồn nước thải không lồ, thải ra từ các hoạt động của con người thì chúng ta cũng phải đối mặt với một hiện tượng môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng là hiện tượng phú dưỡng gây ra do bùng nổ các loài rong, tảo, thực vật phù du và nồng độ chất dinh dưỡng nitơ, photpho quá cao. Điều đó khiến tình trạng tầng nước mặt bị ô nhiễm, bốc mùi khó chịu, nước có màu xanh đen hoặc đen, theo thời gian sẽ ảnh hưởng tới tầng nước ngầm làm mất cảnh quan cũng như biến đổi hệ sinh thái nước và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người. Hàm lượng cho phép của các thành phần dinh dưỡng N, p được quy định chặt chẽ trong tiêu chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như Việt Nam. Vì vậy, trong xử lý nước thải ngoài việc xử lý các thành phần ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD, s s ...) việc xử lý các thành phần dinh dưỡng nitơ, photpho cũng là yêu cầu quan trọng. 8 Hiện nay, người ta đã đưa ra nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt. M ột trong những phương pháp đó là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Đe góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường, trong bản khóa luận này bước đầu chúng tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưỏ’ng của chế độ vận hành đến hiệu quả xử lý photpho của hệ thống lọc yếm khí - thiếu khí - hiếu khí cải tiến”. 9 CHƯƠNG 1 TỒ NG QUAN VỀ X Ử LÝ TỐ N G PH O T PH O T R O N G NƯ ỚC TH ẢI SINH HOẠT PHÂN TÁN 1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt 1.1.1. Khái niệm về nưó’c thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, trong đó chất bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới thành phần không hòa tan, dạng keo và dạng hòa tan. Thành phần và tính chất của chất bẩn phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện thiết bị, trạng thái làm việc của hệ thống mạng lưới vận chuyển, tập quán sinh hoạt của người dân, mức sống xã hội, điều kiện tự nhiên... Do tính chất hoạt động của đô thị mà chất bẩn của nước thải thay đổi theo thời gian và không gian. 1.1.2. Đặc điểm chung về nước thải sinh hoạt Lượng nước thải thực sự từ mỗi người hàng ngày gần tương đương với lượng nước tiêu thụ, chỉ khoảng 4 1/ngày, khi đó hàm lượng chất rắn trong nước thải sẽ đạt trên 10%. Tuy nhiên, trong cuộc sống hàng ngày, lượng nước sử dụng trên đầu người cao hơn nhiều lần, mức độ càng cao khi khả năng cung cấp càng lớn và càng giàu có càng tiêu thụ nhiều nước. Đó là nước dùng vào các mục đích vệ sinh, chuẩn bị đồ ăn thức uống hàng ngày. Trong quá trình thu gom và vận chuyển nước thải về nguồn nhận nước, các thành phần có khả năng sinh hủy bị biến đổi theo thời gian, các thành phần dễ sinh hủy bị phân hủy với tốc độ cao hơn so với các thành phần khó phân hủy nên thành phần tạp chất trong nước thải biến động cả về số lượng và nồng độ tạp chất theo thời gian và mang tính cục bộ (đặc thù) khá cao. Nhìn chung, tại các thành phố lớn của các nước phát triển, mức độ sử dụng nước nằm trong khảng 150 - 200 1/ngày trên đầu người. Tại các vùng nông thôn, mức độ sử dụng nước thường thấp hơn so với thành phố. 10 Trong sinh hoạt gia đình, nước thải bao gồm ba nguồn chính với lưu lượng gần ngang nhau: từ nhà vệ sinh, từ các hoạt động vệ sinh nhà cửa, tắm gội, từ giặt giũ và chuẩn bị cho ăn uống. Nước thải từ bể phốt được gọi là nước thải đen , nước thải từ nhà bếp và tắm giặt gọi là nước thải xám. Thành phần tạp chất trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp rất phong phú, chẳng những từ điểm phát thải ban đầu mà còn là các sản phẩm chuyển hóa tiếp theo của chúng trong môi trường. Các thành phần tạp chất cũng có thể phân loại theo hậu quả mà chúng gây ra: • Thành phần tiêu thụ oxy trong nước. • Thành phần dinh dưỡng. • Hợp chất gây hại, gây cảm giác khó chịu. • Hợp chất hóa học có độc tính. Các hợp chất tiêu thụ oxy (BOD) làm cạn kiệt oxy của nguồn nước, phá hoại môi trường sống của thủy động vật. Thành phần dinh dưỡng (N, P) gây cho nguồn nước giàu dinh dưỡng, thúc đẩy tảo và thủy thực vật phát triển, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng của nguồn nước. Các hợp chất gây cảm giác khó chịu và hại như ăn mòn, mùi hôi, gây màu, giảm thiểu quá trình trao đổi chất giữa nước và không khí. Các hợp chất gây độc có thể mang tính cấp tính hay lâu dài, gây ra các bệnh nguy hiểm như ung thư, thần kinh, biến đổi gien. 1.1.3. Phân loại nước thải sinh hoạt Phù hợp với mục đích của kỹ thuật xử lý nước thải thì thành phần gây ô nhiễm được phân loại theo tính chất hóa học, vật lý và sinh hóa của chúng. Phân loại theo đặc trưng vật lý Đặc trưng vật lý của tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các tiêu chí: trạng thái tập hợp, khối lượng riêng và mức độ phân tán. 11 Trạng thái của vật chất trong nước thải gồm ba dạng là hơi (khí), lỏng và rắn. Khí và chất rắn có thể nổi trên mặt nước hay phân tán trong nước dưới dạng hạt keo (chất rắn mịn, khó lắng) hay dạng nhũ, bọt khí. Tính chất nổi, chìm hay phân tán của chất rắn và lỏng trong nước trước hết phụ thuộc vào khối lượng riêng của nó so với của nước và mức độ phân tán (kích thước càng nhỏ thì độ phân tán càng cao). Mức độ phân tán có thể chia thành ba cấp: tan (tồn tại ở mức phân tử độc lập trong nước), chỉ tan một phần (dạng keo, ví dụ keo gelatin, lòng trắng trứng) và dạng huyền phù. Kích thước của các chất rắn trong nước thải nằm trong khoảng rất rộng, từ vài mm đến mức phần triệu mm (virus). Kích thước của chất rắn liên quan mật thiết đến biện pháp kỳ thuật tách chúng ra khỏi nước (kích thước lưới lọc rác, loại màng lọc). Phân loại theo đặc trưng hóa học Trong nước thải, hầu như tất cả các nguyên tố hóa học bền đều có thể có mặt, tuy vậy không nhất thiết và cũng không thể nhận biết chúng một cách chi tiết được. Trước hết chúng được phân loại theo tiêu chí hợp chất vô cơ, hữu cơ. Hợp chất vô cơ bao gồm các thành phần không thuộc kim loại (nitrat, phosphat, sunfat), thành phần bán kim loại (borat, silicat...) và kim loại (muối Na, Cu, C a...). Hợp chất hữu cơ có thể phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng (ví dụ chất hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, đồng phân, nhân thơm ...). Cách phân loại đó phức tạp và thiếu tính thực tế trong công nghệ xử lý nước thải do sự tồn tại của hàng triệu chất hữu cơ đã biết cho tới nay. Cách phân loại thực tế và có ích hơn là theo nguồn gốc của chúng: từ tự nhiên hay thuộc loại nhân tạo. Tuy vậy cách phân loại này cũng gặp những khó khăn vì nhiều loại hợp chất hữu cơ có trong thiên nhiên cũng được con người chế tạo và còn biến tính thành các hợp chất mới hữu dụng hơn. Đại diện cho các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên như mỡ, protein, carbohydrat, axit humic, tanin, lignin. Hợp chất hóa học tổng hợp có thể là chất tẩy rửa, nước gội đầu, xà phòng, hóa mỹ phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật, chất màu công nghiệp. Phân loại theo đặc trưng sinh hóa 12 Phân loại tạp chất trong nước thải theo phương diện sinh hóa dựa trên đặc điểm về tốc độ phân hủy chúng bởi vi sinh vật gây ra trong các hệ thống xử lý nước thải, ví dụ phân hủy nhanh (đường, rượu etanol, metanol), chậm (mở, protein), không phân hủy, bền trong môi trường tự nhiên (hợp chất hữu cơ chứa clo, một số loại thuốc trừ sâu), độc (dioxin). 1.1.4. Tác hại của nước thảỉ sinh hoạt đến môỉ trường Tác hại đến môi trường của nước thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nước thải gây ra. • C O D , B O D : sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây ra thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước. Neu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành. Trong phân hủy yếm khí sinh ra các sản phẩm như : H 2 S, N H 3, C H 4... làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường. • SS: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí. • Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đời sống của thủy 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,... • Amoniac, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng. Neu nồng độ trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa (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. 13 • Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt. 1.1.5. Quản lý nước thải ở Việt Nam Kiểm soát ô nhiễm nước thải mới được thực hiện từ giữa những năm 1990 tại Việt Nam , một khoảng thời gian rất ngắn so với các nước phát triển đã có lịch sử khoảng 100 năm nay. Do mới ở giai đoạn đầu nên những kết quả đạt được cho đến nay cũng còn khiêm tốn. Tại các khu công nghiệp tập trung, nơi có nhiều nhà máy (đa dạng về ngành nghề sản x uất) cùng hoạt động , các nguồn thải được thu gom về một vị trí để xử lý (thường gọi là trạm xử lý tập trung , thực chất mang tính phân tán ). Hệ thống xử lý nước thải tại các khu công nghiệp thường được lập kế hoạch xây dựng ngay từ giai đoạn xây dựng hạ tầng cơ sở nên có thể đưa vào hoạt động cùng với sự hoạt động của khu công nghiệp đó. Các cơ sở sản xuất công nghiệp không nằm trong khu công nghiệp tồn tại xen lẫn với vùng dân cư, thường được xây dựng trước đây (công nghệ lạc hậu ) và với quy mô sản xuất nhỏ nên phần lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải (khoảng 70 %). Hoạt động sản xuất tại các làng nghề (chế biến nông sản , thực phẩm , mủ cao su tự nhiên, đồ gỗ, thủ công mỹ n g h ệ , gia công kim loại... ) gắn liền với sinh hoạt của cộng đồng dân cư (trong vùng nông thôn ) cũng phát sinh một lượng lớn nước thải và mang tính thời vụ, hầu hết chưa được quản lý. Một loại hình nước thải khác với lượng rất lớn liên quan đến canh tác nông nghiệp (trồng lúa n ư ớ c , nuôi trồng thủy sản ) chăn nuôi gia s ú c , gia cầm đang được xem là “vùng trắng” vì mức độ kiểm soát nguồn thải trên còn rất h ạn chế. Tác động tiêu cực của các nguồn thải từ các hoạt động nông nghiệp khi không được kiểm soát cũng rất nặng nề khi xét về phương diện lưu lượng thải sản) và các thành phần ô nhiễm (trồng lúa, nuôi trồng thủy (dinh dưỡng, hóa chất bảo vệ thực vật ). Tác động 14 tiêu cực của các nguồn thải không chỉ thể hiện về phương diện làm cạn kiệt oxy trong vực nhận nước do thành phần hữu cơ có khả năng sinh hủy (BOD), gây ra hiện tượng phú dưỡng (N, P), tác động trực tiếp đến sức khỏe con người (chất lượng thực phẩm thông qua chuỗi thức ăn ) và ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất của vật nuôi và cây trồng (ví dụ phát tán dịch bệnh cho vật nuôi , nguồn thủy sản trong tự nhiên). Nguồn nước thải sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao nhất so với các nguồn thải khác với lưu lượng thải rất biến động phụ thuộc vào mật độ và quy mô của các vùng dân cư . Số lượng các thành phố lớn có dân số tập trung trên 1 - 2 triệu người sinh sống hiện nay không nhiều (tăng lên trong tương lai do quá trình đô thị hóa ) nhưng các khu dân cư tập trung quy mô nhỏ (thị xã, thị trấn, thị tứ, làng xóm, khu vực du lịch, giải trí) thì lại với số lượng rất ca o, thường được ngăn cách khá xa nhau bởi những vùng đất canh tác nông nghiệp , rừng núi, sông nước. Một đặc điêm khác hiếm thấy là dân cư sống đông đúc dọc theo các trục đường giao thông (tỉnh, huyện và xã lộ). Hiện trạng quản lý nguồn nước thải sinh hoạt xuất phát từ các địa điêm trên chưa được hoạch định , là vấn đề còn đang bỏ ngỏ . Giải pháp quản lý nguồn nước thải sinh hoạt đối với từng khu vực chắc chắn sẽ rất khác nhau , không thế có giải pháp chung chung (như ta thường làm cho đến nay ). Phương pháp tiếp cận hợp lý có thể là (đang thực h iện) phát triển giải pháp quản lý tập trung cho các vùng dân cư có quy mô l ớ n , lưu lượng thải cao , quản lý phân tán cho các quy mô nhỏ . Trong các giải pháp quản lý nước thải phân tán cho nước thải sinh hoạt và của các cơ sở sản xuất nhỏ cần chú ý tới tính chất tổ hợp tương hỗ, kết hợp xử lý ô nhiễm với sản xuất nông n g h iệ p , sản x u ấ t năng lượng , sản xuất sinh khối sơ cấp , thứ cấp, nuôi trồng thủy sản, tái sử dụng nước thải vào những mục đích thích hợp cùng với mục đích giảm nhẹ gánh nặng ch i phí cho xử lý nước thải như các nơi khác trên thế giới đang thực hiện, đặc biệt tại các nước đang phát triển. 15 1.2. Tổng quan về photpho 1.2.1. Định nghĩa Photpho (P) là một nguyên tố trong tự nhiên tồn tại dưới dạng quặng. Ở sinh vật photpho có vai trò quan trọng có nhiều trong xương động vật dưới dạng canxi photphat, trong não, lòng đỏ trứng, dưới dạng hợp chất hữu cơ. Photpho là một phi kim, nguyên tử lượng 31, tỉ trọng 1,83, điểm nóng chảy 94 °c, điểm sôi 278 °c, không tan trong nước, tan trong dung môi hưu cơ. Là một chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm, dễ uốn. Tổng lượng photpho bao gồm ortophotphat ( P 0 43’), poly photphat (hai phân tử axit ortophotphoric ngưng tụ lại thành một phân từ) và các hợp chất photpho hữu cơ trong đó ortophotphat luôn chiếm tỉ lệ cao nhất. Photphat có thể ở dạng hòa tan, keo hay rắn. Trước khi phân tích cần xác định dạng tồn tại của photpho. Neu chỉ xác định ortophotphat (mục đích kiểm soát quá trình kết tủa của photpho) thì mẫu cần lọc trước khi phân tích. Tuy nhiên nếu phân tích photpho tổng (kiểm soát giới hạn thải) thì mẫu phải được đồng nhất và thủy phân. 1.2.2. Vai trò của photpho Photpho là một yếu tố cần thiết cho sự sống, sinh vật sống, bao gồm cả con người, sở hữu một số lượng nhỏ và yếu tố này rất quan trọng trong quá trình sản sinh năng lượng của tế bào. Trong nông nghiệp, photpho khai thác từ các mỏ được sử dụng rộng rãi đê chế biến làm phân bón giúp tăng năng suất cây trồng. Photpho cũng đã được sử dụng công nghiệp khác. Photpho là nguyên tố quan trọng trong mọi dạng hình thành sự sống đã biết. Photpho vô cơ trong dạng photphat P 0 43’ đóng một vai trò quan trọng trong các phân tử sinh học như AND và ARN trong đó nó tạo thành một phần của phần cấu trúc cốt tủy của các phân tử này. Các tế bào sống cũng sử dụng photphat để vận 16 chuyển năng lượng tế bào thông qua adenosine triphotphat (ATP). Gần như mọi tiến trình trong tế bào có sử dụng năng lượng đều có nó trong dạng ATP. ATP cũng là quan trọng trong photphat hóa, một dạng điều chỉnh quan trọng trong các tế bào. Các photpholipit là thành phần cấu trúc chủ yếu của mọi màng tế bào. Các muối photphat canxi được các động vật dùng để làm cứng xương của chúng. Trung bình trong cơ thể người chứa khoảng gần lkg photpho, và khoảng ba phần tư số đó nằm trong xương và răng dưới dạng apatit. Một người lớn ăn uống đầy đủ tiêu thụ và bài tiết ra khoảng l-3g photpho trong ngày dưới dạng photphat. Theo thuật ngữ sinh thái học, photpho thường được coi là chất dinh dưỡng giới hạn trong nhiều môi trường, tức là khả năng có sẵn của photpho điều chỉnh tốc độ tăng trưởng của nhiều sinh vật. Trong các hệ sinh thái sự dư thừa photpho có thê là một vấn đề, đặc biệt là trong các hệ thủy sinh thái, gây phú dưỡng và bùng nổ tảo. 1.2.3. Thực trạng ô nhiễm photpho hiện nay Dư thừa photpho từ các cánh đồng và bãi cỏ ở ngoại ô các thành phố xuống các ao, hồ, sông, suối là nguyên nhân chính để tảo phát triển, sau đó chúng đi vào các nguồn nước và làm giảm chất lượng nước. Ô nhiễm photpho gây nguy hiểm cho cá và các loài thủy sinh khác cũng như các loài động vật và con người, những sinh vật sống phụ thuộc vào nguồn nước sạch. Trong một số trường hợp dư thừa photpho còn giúp tảo độc phát triển, gây ra mối đe dọa trực tiếp đến sinh mạng con người và động vật. Dư thừa photpho trong môi trường là vấn đề chủ yếu ở các nước công nghiệp, phần lớn ở Châu Âu, Bắc Mỹ và một số khu vực Châu Á. Ở các khu vực khác, đặc biệt là Châu Phi và Australia, đất rất nghèo photpho, gây ra một sự mất cân bằng dinh dưỡng. Trớ trêu thay, đất ở những nơi như Bắc Mỹ, khu vực mà phân bón với photpho được sử dụng phổ biến nhất. 17 1.2.4. Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho Hợp chất photphat được tìm thấy trong nước thải sinh hoạt hay được thải trực tiếp vào nguồn nước mặt phát sinh từ: • Thất thoát từ phân bón có trong đất • Chất thải từ người và động vật • Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch Việc sử dụng photpho trên toàn thế giới, một loại phân bón quan trọng trong nông nghiệp hiện đại - phân lân, một nhóm nhà nghiên cứu cảnh báo rằng kho dự trữ photpho trên thế giới sẽ sớm khan hiếm và việc sử dụng quá mức trong một thế giới công nghiệp hóa là nguyên nhân hàng đầu dẫn tới sự ô nhiễm ao, hồ, sông, suối như hiện nay. 1.2.5. Ảnh hưởng của photpho tổng Hiện nay, nông nghiệp nước ta phải sử dụng phân hóa học và thuốc trừ sâu, cỏ dại với khối lượng ngày càng lớn. Đây là xu thế tất yếu bởi lẽ phân hóa học và thuốc trừ sâu, trừ cỏ dại có tác dụng quyết định đến 40-50% mức tăng sản lượng cây trồng hàng năm, vấn đề đặt ra ở đây là cần có các biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế mặt độc hại của những hóa chất ấy đối với môi trường sống và sức khỏe con người. Có hàng trăm loại hóa chất trừ dịch hại và phân hóa học được đưa vào nước ta. Theo nhiều nhà nghiên cứu, trong khoảng hơn 120 hóa chất trừ sâu bệnh thông dụng thì có tới 90 chất độc hại, 33 chất gây đột biến di truyền, 22 chất gây dị dạng khuyết tật, 14 chất gây u độc và ung thư cho các loại động vật máu nóng. Nói chung, hầu hết các loại phân hóa học và hóa chất trừ dịch bệnh, cỏ dại ít nhiều đều gây độc cho người và gia súc. 18 Mỗi loại hóa chất có tính chất hóa lý khác nhau nên cơ chế gây độc cũng khác nhau. Có thể chia làm hai loại: Loại độc mạnh, cấp tính nguy hiểm và loại gây độc từ từ, tích lũy dần, gây tác hại mãn tính cho người. Nhóm cơ photpho phân hủy tương đối nhanh trong đất, cây, trong cơ thể người và động vật... Khi bị nhiễm độc nặng, sẽ ảnh hưởng rõ rệt đến hệ huyết áp, hô hấp, làm thay đổi chức năng của hệ thần kinh, làm tổn thương chức năng bài tiết của thận và quá trình trao đổi chất trong cơ thể. Neu nhiễm độc nhóm Clo hữu cơ, sẽ tác động mạnh đến hệ thần kinh, gây co giật cơ, làm nhịp tim và hệ tiêu hóa rối loạn. 1.2.5.1. Anh hưởng đến môi trường nước Khả năng tồn tại của photphat sinh học hoàn toàn phụ thuộc vào pH: + Ở pH thấp (môi trường axit): photpho gắn chặt với các hạt sét và tạo thành các chất tổng hợp không tan với ion sắt ví dụ [F e (0 H ) 2 H 2 P 0 4)] và nhôm [A1(0H) 2 H 2 P 0 4]. D o sự xuất hiện của ion Fe3+ và nhôm trong đất, của cặn lắng và nước, nên lượng photpho hòa tan rất thấp trong điều kiện axit. Khi môi trường không có oxy, photpho được cố định là các phức hợp sắt không tan, có thể giải phóng Fe3+,giảm thành Fe2+ và tạo thành sunfit sắt. + Trong điều kiện pH cao (môi trường kiềm): Photpho hình thành các hợp chất không hòa tan khác nhất là canxi (ví dụ hydroxyapatite C a i 0 (PO 4 ) 6 (OH2)). Trong điều kiện hiếu khí có Ca, Al và ion Fe thì photphat tan nhiều nhất ở pH 6 - 7 . Photpho là nguồn dinh dưỡng quan trọng cho thực vật và tảo. Trong nước, các hợp chất photpho tồn tại ở bốn dạng: Hợp chất vô cơ không tan, hợp chất vô cơ có tan, hợp chất hữu cơ tan và hợp chất hữu cơ không tan. Nồng độ cao của photpho trong nước gây ra sự phát triển mạnh của tảo, khi tảo chết đi quá trình phân hủy kị 19 khí làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước và điều này gây độc hại đến đời sống thủy sinh. Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống vào trong nhiều ngành công nghiệp, nông nghiệp. Khi thải lkg nitơ dưới dạng hợp chất hóa học và môi trường nước sẽ sinh ra 20kg COD, cũng như vậy, khi thải lk g p sẽ sinh ra 138kg COD. Trong nguồn nước giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy sinh phát triển mạnh tạo nên mật độ lớn vào ban ngày hoặc khi nhiều nắng tảo quang hợp mạnh. Đe quang hợp, tảo hấp thụ khí C 0 2 hoặc bicacbonat ( H C C ^ trong nước và nhả oxy. pH của nước tăng nhanh, nhất là khi nguồn nước có pH thấp (tính đệm thấp do cân bằng H 2 C O 3 - H C O 3 -CO 3 2" ) vào cuối buổi chiều; pH của một số ao, hồ giàu dinh dưỡng có thể đạt giá trị trên 10. Nồng độ oxi hòa tan trong nước thường siêu bão hòa, tới 20mg/L. Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân hủy chất hữu cơ để tạo năng lượng, ngược với quá trình quang hợp) xảy ra. Trong khi hô hấp, tảo và thực vật thủy sinh tiêu thụ oxy thải ra C 0 2 là tác nhân làm giảm pH của nước. Trong các nguồn nước, nếu hàm lượng N>30-60mg/L, P>4-8mg/L sẽ xảy ra hiện tượng phú dưỡng. Vào ban đêm hoặc những ngày ít nắng, quá trình hô hấp diễn ra mạnh mẽ gây hiện tượng thiếu oxy và làm giảm pH của nước. Do vậy, vào buổi sáng thường oxy trong nước cạn kiệt và pH rất thấp. Hiện tượng phú dưỡng cũng xảy ra ở hệ sinh thái biển, đặc biệt vùng cửa sông hay các vịnh kín hoặc các vùng biển kín. Tảo nở hoa gây ra hiện tượng thủy triều đỏ và phân hủy hệ sinh thái thủy sinh. Ví dụ trong suốt mùa du lịch trên thế giới có khoảng 200 triệu người du lịch cùng với 85% nước thải sinh hoạt không được xử lý từ các thành phố lớn thải ra biển sẽ gây ô nhiễm biển ở nhiều nơi. Cá chết và gây ô nhiễm trầm tích. 20 1.2.5.2. Anh hưởng đối với con người Đây là nguyên tố có độc tính với 50mg là liều trung bình gây chết người (photpho trắng nói chung được coi là dạng độc hại của photpho trong khi photphat và ortophotphat lại là các chất dinh dưỡng thiết yếu). Thù hình photpho trắng cần được bảo quản dưới dạng ngâm nước do nó có độ hoạt động hóa học rất cao với oxy trong khí quyển và gây ra nguy hiểm cháy và thao tác với nó cần được thực hiện bằng kẹp chuyên dụng do việc tiếp xúc trực tiếp với da có thể sinh ra các vết bỏng nghiêm trọng. Ngộ độc mãn tính photpho trắng đối với các công nhân không được trang bị bảo hộ lao động tốt dẫn đến trứng chết hoại xương hàm. Nuốt phải photpho trắng có thể sinh ra tình trạng mà trong y tế gọi là “ hội chứng tiêu chảy khói” . Các hợp chất hữu cơ của photpho tạo ra một lớp lớn các chất, một số trong đó là cực kì độc. M ột loạt các hợp chất hữu cơ chứa photpho được sử dụng bằng độc tính của chúng để làm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm, vv... Phần lớn các hợp chất photphat vô cơ là tương đối không độc và là các chất dinh dưỡng thiết yếu. Khi photpho trắng bị đưa ra ánh nắng mặt trời hay bị đốt nóng thành dạng hơi ở 250 độ c thì nó chuyển thành dạng photpho đỏ, và nó không tự cháy trong không khí, do vậy nó không nguy hiểm như photpho trắng. Tuy nhiên, việc tiếp xúc với nó vẫn cần sự thận trọng do nó cũng có thể chuyển thành dạng photpho trắng trong một khoảng nhiệt độ nhất định và nó cũng tỏa ra khói có độc tính cao chứa các oxit photpho khi bị đốt nóng. 1.3. Tổng quan về công nghệ xử lý tổng photpho (T-P) trong nước thải sinh hoạt 1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải dưới ba dạng hợp chất: photphat đơn ( P 0 43’), p o ly p h o t p h a t ( P 2 O 7 ) v à h ợ p c h ấ t h ữ u c ơ c h ứ a p h o tp h a t, h a i h ợ p c h ấ t s a u 21 chiếm tỉ trọng lớn. Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước thải duy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào. Hàm lượng photpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 - 2,5%) khối lượng khô. Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu photphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 - 7%), lượng photpho dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau. Trong điều kiện yếm khí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng photphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng photphat đơn. Một vài loại tảo cũng có khả năng tích trừ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế bào . Hiện tượng trên được sử dụng để tách loại hợp chất photpho ra khỏi môi trường nước thải bằng cách tách vi sinh có hàm lượng photpho cao dưới dạng bùn thải hoặc tách photphat tồn tại trong nước sau khi xử lý yếm khí bằng biện pháp hóa học. Biện pháp loại bỏ photpho từ bùn được gọi là phương pháp tách trực tiếp, biện pháp sau áp dụng giải pháp xử lý kế tiếp giữa hiếu khí - yếm khí có ghép thêm công đoạn xử lý hóa học (công đoạn phụ - side stream). Xử lý photpho vì vậy không phải là một hệ xử lý độc lập mà là bổ xung hoặc vận hành hợp lý một tổ hợp đã tồn tại nhằm mục đích tách loại thêm khi so với các hệ cũ: phương pháp tăng cường xử lý photpho bằng biện pháp sinh học (enhanced biological phophorus removal EBPR). Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình hấp thu - tàng trữ - thải photpho được quy chung về nhóm vi sinh bio - p mà vi sinh Acinetobacter là chủ yếu. Loại vi sinh bio - p phát triển trong điều kiện vận hành kế tiếp chu trình hiếu khí - yếm khí, tham gia vào quá trình tách loại photpho theo cơ chế trên. Hệ thống xử lý photpho theo nguyên tắc trên được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tiễn xử lý nước thải mặc dù cơ chế của quá trình vẫn chưa được hiểu thấu đáo. Dưới điều kiện hiếu khí ( 0 2) vi sinh bio - p tích lũy photphat trùng ngưng trong cơ thể chúng từ photphat đơn tồn tại trong nước thải . 22 C2 H4 0 2 + 0,16 N H 4+ + 1 , 2 0 2 + PO 4 3' -> 0,16 C 5 H 7 N 0 2 + 1,2 C 0 0 , 2 (H PO 3 ) + 0,44 OH ' + 1,44 H 20 2 + 0 , 2 (1.1) Phương trình tỷ lượng (1.1) được thành lập trên cơ sở chất hữu cơ là axit axetic (C 2 H 4 O 2 ) với tỉ lệ tính theo mol của P 0 4 3 VC2 H 4 0 2 = 0 , 2 và với hiệu suất sinh khối hữu hiệu là 0,3 g/g C 2 H 4 O 2 . H P O 3 là photphat ở dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật. Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy, chỉ có mặt nitrat) quá trình tích lũy photpho xảy ra: C 2 H 4 O 2 + 0,16N H 4+ + 0 ,2 P 0 43"+0,96N 03"—> 0,16C5H 7N 0 2 + 1,2 C 0 2 + 0 ,2 ( H P 0 3) + 1 ,4 0 H ' + 0,48N 2+ 0 ,9 6 H 20 (1.2) Từ (1.2) cho thấy chủng loại vi sinh tích lũy photpho cũng có khả năng khử nitrat Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn: 2 C 2 H 4 O 2 + (H PO 3 ) + H 2 0 - > (C 2 H 4 0 2)2 (C 2 H 4 0 2 ) 2 + P 0 4 3 '+ 3 H + (1.3) là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ ngoài vào. Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol p/mol axit axetic. Hiệu suất sinh khối của loại vi sinh bio - p (còn gọi là loại tích lũy photpho, Phosphorus acccumulating organisms, PA O s) tương tự như loại dị dưỡng hiếu khí có giá trị 0,5 - 0,6 g SK/g COD tan (sinh khối cũng tính theo COD). Neu hiệu suất sinh khối của bio - p tính theo khối lượng của thành phần không tan thì giá trị thu được phụ thuộc vào hàm lượng photpho trong cơ thể vi sinh vật, tương ứng với sự “thay thế” của chất hữu cơ khi photphat được thải ra. Số liệu động học liên quan đến quá trình tích lũy - thải photpho của vi sinh vật từ nghiên cứu chênh lệch nhau khá nhiều , vì vậy nên có những đánh giá trong từng trường hợp cụ thể. Tuy nhiên khi xét về mặt động học cần chú ý tới cả ba giai đoạn 23 của một quá trình: tích lũy trong điều kiện hiếu khí, thiếu khí và tách photphat trong điều kiện yếm khí. Trong điều kiện hiếu khí tốc độ hấp thu photphat được mô tả qua phương trình động học dạng Monod: m,p l'p .X(PAO) (1.4) Ymtp’s p + K p Vị p : tốc độ hấp thu photphat từ môi trường nước. J*im p , Y m p là hằng số tốc độ phát triển cực đại và hiệu suất sinh khối cực đại của vi sinh bio - p. Sp và Kp là nồng độ photphat trong dung dịch và hằng số bán bão hòa. X(PAO) là nồng độ vi sinh tích lũy photpho. Trong điều kiện thiếu khí, tốc độ hấp thu photphat nằm trong khoảng 40 - 60% so với tốc độ trong điều kiện hiếu khí. Tốc độ tách photphat từ vi sinh vật trong điều kiện yếm khí phụ thuộc vào tốc độ hấp thu cơ chất, tức là phụ thuộc vào bản chất của cơ chất. Neu sử dụng cơ chất là axit axetic thì phương trình động học dạng M onod mô tả quá trình tách photphat có dạng: ^ = k A,.~ -X(.PAO) (1.5) vÍAv: tốc độ hấp thu axit axetic, kAx là hằng số tốc độ phản ứng, SAx là nồng độ axit axetic, X(PAO) là mật độ vi sinh vật. K Ax là hằng số bán bão hòa. Khi tất cả photphat trùng ngưng tích trữ trong vi sinh đã tách hết thì quá trình sẽ dừng lại. Tốc độ tách photphat có thể tính ra từ phương trình (1.5) và tỉ lượng giữa axit axetic và photphat từ phương trình (1.3). Bảng 1 ghi các giá trị động học quá trình xử sinh. 24 lýphotpho bằng phương pháp vi Bảng 1. Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20°c Ký Thông số Đơn vị Giá trị Mrn.p d-' 1- 2 Y m,p gCO D/gCO D(Ax) 0,5 - 0,6 Y m,p gSK/gCOD(Ax) Y m,p gP/gCOD(Ax) hiệu Hằng số phát triển cực đại Hiệu suất sinh khối 00 1 o Hiệu suất sinh khối 0 ON cực đại, axit axetic cực đại, axit axetic Hiệu suất sinh khối cực đại, axit axetic Hằng số bán bão hòa, hấp thu axit số bán bão 0 ,0 7 0 , 1 0 K ax g Ax/m 3 Kp g p /m 3 0,1 - 0 , 5 k Ax g C O D (A x )/g 0,5 - 2 2 - 6 axetic Hằng hòa, tích lũy photphat Hằng số tốc độ hấp thu axit axetic COD(X).d Hiệu quả và tốc độ xử lý photpho phụ thuộc vào các yếu tố của môi trường như pH, nhiệt độ, cơ chất và sự có mặt của nitrat trong giai đoạn yếm khí. So với các quá trình vi sinh khác, quá trình tăng cường xử lý photpho ít nhạy cảm với nhiệt độ. Nhìn chung hiệu quả xử lý tăng ở nhiệt độ thấp. pH có tác động đến giai đoạn hấp thu photphat của vi sinh vật, điều kiện tối ưu nằm trong khoảng 6 , 6 - 7,4, giảm đáng kể khi pH < 6,2. Hiệu quả xử lý photpho phụ thuộc vào hai yếu tố môi trường là: điều kiện kế tiếp của yếm khí/thiếu khí và sự vắng mặt nitrat trong giai đoạn yếm khí. Điều kiện yếm 25 khí giúp cho quá trình chọn lọc, làm giàu loại vi sinh tích lũy photphat hoạt động trong giai đoạn hiếu khí sau đó. Sự có mặt của nitrat gây ra hai tác động: sử dụng cạnh tranh nguồn cơ chất dễ sinh hủy giữa vi sinh Denitrifier và bio - p (1,26 mol axit axetic/mol N O 3 ), làm thay đổi cơ chế trao đổi chất của bio - p dẫn đến mất khả năng tích lũy photphat trùng ngưng. 1.3.2. Tách loạiphotpho trong công nghệ x ử lý nước thải Dựa trên nguyên tắc hoạt động của vi sinh vật bio - p, quá trình tách loại photpho trong một hệ thống xử lý nước thải có thể thực hiện phối hợp với oxy hóa BOD, với khử hợp chất nitơ theo các phương án kỹ thuật khác nhau. Quá trình AO. Quá trình AO là sơ đồ phối hợp xử lý yếm khí (anaerobic) và hiếu khí (oxic) được bố trí thể hiện trên (hình 1 ): Hình 1: Quá trình xử lý photpho AO Bùn từ bể lắng thứ cấp được bơm trở lại trộn với dòng thải tại đầu vào. Trong quá trình xử lý yếm khí, photphat được tách ra khỏi vi sinh vật từ dòng bùn hồi lưu dưới dạng photphat đơn. M ột phần chất hữu cơ cũng được xử lý tại đây bởi các quá trình lên men yếm khí, khử nitrat và do vi sinh bio - p hấp thu. Trong quá trình xử lý hiếu khí, photphat đơn được vi sinh sử dụng để tổng hợp tế bào và được tích lũy bởi loại vi sinh bio - p. Sinh khối lắng trong bể thứ cấp chứa hàm lượng photpho cao được tách loại photpho trong quá trình AO phụ thuộc vào tỉ lệ BOD:P, nếu tỉ lệ trên lớn hơn 1 0 , hiệu quả tách loại tốt, nếu tỉ lệ trên thấp có thể bổ xung thêm muối sắt, nhôm để giảm nồng độ photpho tại đầu ra. Quá trình AO là quá trình tách loại photpho trực tiếp, không ghép thêm công đoạn tách phụ vào hệ xử lý nước thải 26 thông dụng. Trong trường hợp nước thải chứa hợp chất nitơ, hệ trên cũng có tác dụng xử lý, tuy nhiên cần phải tính toán đủ thời gian lưu cho giai đoạn hiếu khí để oxy hóa amoni. Quá trình Phostrip Phostrip là quá trình tách loại photpho có ghép thêm công đoạn phụ để kết tủa photphat tan sau khi xử lý yếm khí (hình 2 ): B ù n thải Hình 2. Sơ đồ phostrỉp tách loại photpho Trong sơ đồ công nghệ Phostrip, một phần bùn thải từ bể lắng thứ cấp được đưa vào xử lý yếm khí với thời gian lưu thủy lực từ 8 - 12 giờ. Photphat đơn tách ra từ xử lý yếm khí tan trong nước, phần nước này được tách ra để kết tủa với hóa chất. Sinh khối sau khi tách photpho được đưa về cùng với sinh khối từ bể lắng thứ cấp hòa trộn với dòng vào để xử lý hiếu khí. K ỹ thuật mé kế tiếp giai đoạn Sừ dụng kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn cũng có thể tách loại đồng thời BOD, hợp chất nitơ, photpho bằng cách thay đổi thời gian vận hành đối với từng chu kỳ. Trong giai đoạn sục khí xảy ra các quá trình oxy hóa BOD, amoni và tích lũy photpho. 27 Trong giai đoạn khuấy trộn xảy ra quá trình khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối. Tách photpho ra khỏi nước thải có thể thực hiện với hóa chất hay trực tiếp (ngay sau xử lý hiếu khí). Đe khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối cần bổ xung thêm BOD hoặc sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh. Quá trình AAO AAO là một biến hình công nghệ của sơ đồ AO bao gồm các công đoạn xử lý yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic), trong đó giai đoạn xử lý thiếu khí dành cho quá trình khử nitrat với thời gian lưu thủy lực khoảng một giờ. Khoang xử lý thiếu khí được bổ xung nitrat, nitrit từ bể hiếu khí (quay vòng), bùn từ bể lắng thứ cấp được hồi lưu về bể yếm khí. Sơ đồ AAO có khả năng xử lý đồng thời hợp chất nitơ và photpho. Quá trình Bardenpho năm giai đoạn Quá trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho. Giai đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho. Giai đoạn xử lý thiếu khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu cơ phân hủy nội sinh. Bê hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phần amoni, BOD dư và đê hạn chế quá trình tách loại photpho từ vi sinh trong bể lắng thứ cấp. Hỗn hợp bùn - vi sinh được quay vòng từ bể hiếu khí đầu về bề thiếu khí thứ nhất. So với AAO thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn ( 1 0 - 4 0 ngày). Quá trình UCT UCT là tên viết tắt của University o f Cape Town, nơi thiết lập sơ đồ công nghệ xử lý có khả năng đồng thời loại bỏ BOD, hợp chất nitơ và photpho . Sơ đồ UCT tương tự sơ đồ công nghệ AAO, tuy vậy có hai điểm khác biệt: vi sinh được quay vòng về bể xử lý thiếu khí và có hai vòng quay hỗn hợp nước - bùn nội bộ từ thiếu khí về hiếu khí và từ thiếu khí về yếm khí. 28 Quay vòng bùn từ bể lắng về bể thiếu khí sẽ hạn chế được sự có mặt của nitrat trong bể yếm khí, thúc đẩy quá trình tách photpho từ vi sinh trong giai đoạn yếm khí. Hai chu trình nội bộ giúp tăng cường khả năng xử lý chất hữu cơ. Chất hữu cơ có trong dòng quay vòng từ bể xử lý thiếu khí là loại dễ sinh hủy và hàm lượng nitrat trong đó thấp vì vậy thích hợp cho quá trình tách photpho từ vi sinh vật. Dòng quay vòng nội bộ thứ hai và bùn từ bể lắng thứ cấp có tác dụng khử nitrat. a b c 29 d Hình 3. Sơ đồ xử lý nito’, photpho: a) AAO; b) Bardenpho năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình VIP Quá trình VIP VIP là tên viết tắt của Virginia Initiative Plant in Norfork, Virginia) tương tự như AAO và UCT, điểm khác biệt là chu trình quay vòng bùn và hỗn hợp bùn - nước (hình 3. d). Bùn từ bể lắng cùng với hỗn hợp bùn nước từ bể hiếu khí được đưa về bể xử lý thiếu khí, còn hỗn hợp bùn - nước từ bể thiếu khí được quay vòng về bể yếm khí. Do một phần chất hữu cơ của dòng vào được xử lý qua hai giai đoạn yếm khí và thiếu khí nên tiết kiệm được lượng oxy tiêu thụ tại bể hiếu khí. 1.3.3. Đặc thù của quá trình xử lý photpho Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ bùn. Dòng bùn quay vòng cùng với nước thải được đưa về bể xử lý yếm khí. Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí. Trong môi trường yếm khí, nơi giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí chúng tích lũy photphat tan trong nước thải. Do thay đổi về điều kiện cơ chất từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên bề yếm khí còn đóng vai trò của bể chọn lọc vi sinh: thúc đẩy sự phát triên của vi 30 sinh tích lũy photpho và hạn chế vi sinh dạng sợi phát triển, tạo điều kiện lắng bùn tốt hơn trong bể lắng thứ cấp Thông thường thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí có ảnh hưởng không lớn lắm đến quá trình giải phóng photpho, quá trình này chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và các thông số vận hành: bản chất và nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan, nitrat, pH, nhiệt độ. Vì lý do đó, thiết kế hệ xử lý photpho đạt hiệu quả cao là việc không dễ dàng. Trong thiết kế cũng phải đảm bảo cho yếu tố và điều kiện vận hành sao cho điều kiện yếm khí được duy trì, ví dụ giảm lượng oxy hòa tan từ dòng vào và từ dòng hồi lưu bùn. Quá trình giải phóng photpho cũng xảy ra trong bể lắng và cũng cần được hạn chế khi quay vòng bùn. Do biến động của nhiều yếu tố nên hệ xử lý được thiết kế rất cần yếu tố linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu. Mục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ trong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải. Hệ xử lý photpho có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc thiết kế đòi hỏi gọn, ít thay đôi cơ cấu của hệ cũ. Ví dụ với hệ xử lý bùn hoạt tính theo kỹ thuật dòng lý tưởng khi chuyển đổi một phần thể tích bể sang chế độ hoạt động yếm khí thì có thể xây dựng vách ngăn để tách riêng hai vùng, ngăn chặn sự lưu thông ngược lại từ vùng hiếu khí sang yếm khí. Tất nhiên, ngay trong vùng yếm khí cũng cần được khuấy trộn để tạo điều kiện cho sinh khối ở trạng thái lơ lừng. Hệ được bố trí như vậy kèm thêm các điều kiện khác như cấp đầy đủ chất hữu cơ thích hợp, kiểm soát được oxy hòa tan, nitrat, nitrit thì hệ sẽ hoạt động có hiệu quả. M ột số mô hình có thể sử dụng để tính toán thiết kế hệ xử lý photpho: ASM2, A SM 2d (IWA 1994, 2000) hoặc E A W A G Bio - p module (phiên bản của ASM3), mô hình kinh nghiệm. 31 Đe có thể thiết kế hiệu quả một hệ thống xử lý photpho, yếu tố cực kỳ quan trọng là đánh giá đầy đủ các đặc trưng của nước thải cần xử lý, đặc biệt là nguồn chất hữu cơ trong đó mà vi sinh vật có thể hấp thu trong môi trường yếm khí. Đe hệ xử lý photpho hoạt động có hiệu quả cần đáp ứng các điều kiện: - Điều kiện môi trường yếm khí, hiếu khí kế tiếp n h a u . - Đủ lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể hấp thu. - Lượng photpho trong nước thải cao hơn mức nhu cầu tổng hợp tế bào vi sinh. - Đủ hàm lượng kali và magie. - Vùng pH thích hợp. Đó là các điều kiện để vi sinh vật PAO phát triển trong môi trường yếm khí, tất nhiên để đạt tới mức độ ổn định về mật độ vi sinh vật cần có thời gian. Dòng hồi lưu bùn từ bể lắng thứ cấp về bể yếm khí cần được hòa trộn liên tục với dòng đầu vào. Sau một thời gian nhất định, mật độ vi sinh PAO phát triển đạt mức cực đại. Sự biến động của tập đoàn vi sinh tích lũy photpho Trong sinh khối của hệ xử lý tồn tại nhiều tập đoàn vi sinh vật, loại có mật độ (tỷ lệ) cao nhất trong sinh khối là loại có tốc độ phát triển nhanh nhất trong điều kiện vận hành của hệ. Dưới điều kiện hiếu khí, vi sinh vật PAO không phát triển, mật độ thấp và vì vậy hệ xử lý bùn hoạt tính thông dụng không có khả năng “tăng cường xử lý photpho” . Vi sinh vật PAO khi gặp điều kiện yếm khí và chất hữu cơ sẽ sử dụng năng lượng tích trữ trong liên kết photphat (Adenosin triphotphat) để cô lập (bắt giữ) và polyme hóa một số các loại chất hữu cơ, tạo ra các phân tử polyme (polyhydroxybutyrate, PHB, polyhydroxyvalerate hoặc gọi chung là polyhydroxyalkanoate) và tích lũy chúng trong tế bào. Loại vi sinh vật khác trong sinh khối không có khả năng tích lũy chất hữu cơ nên không thể phát triển trong điều kiện đó. Tỉ lệ vi sinh PAO trong sinh khối tỉ lệ thuận với lượng chất hữu cơ được hấp thụ theo cơ chế trên và vi vậy trở thành yếu tố kiểm soát mật độ vi sinh PAO cùng với photpho. 32 Tỉ lệ vi sinh PAO trong sinh khối phụ thuộc vào tỉ lệ giữa chất hữu cơ và photphat trong môi trường yếm khí, tỉ lệ trên càng lớn thì sự phát triển của PAO càng thuận lợi. Chất hữu cơ dễ hấp thụ đối với vi sinh PAO là họ chất axit béo dễ bay hơi (VFA), họ chất trung gian của quá trình lên men yếm khí. Cơ chất trong môi trường yếm khí Yeu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý photpho là lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật PAO có khả năng hấp thụ. Nồng độ chất hữu cơ trước hết phải đáp ứng đủ cho quá trình khử oxy (từ dòng vào và hồi lưu bùn) cũng như các chất oxy hóa khác có mặt như N O 3 ", N O 2 vì vi sinh vật ưa sử dụng cơ chất để chuyển hóa thành năng lượng hơn là tích lũy, đồng nghĩa với tốc độ chuyển hóa cơ chất để sản xuất năng lượng xảy ra nhanh hơn, phần chất hữu cơ dư sau đó mới được vi sinh PAO sử dụng cho mục đích tích lũy. Bản chất của chất hữu cơ cũng có vai trò quan trọng, khác với phần lớn các chủng loại vi sinh khác, chất hữu cơ sau khi được hấp thụ còn được chuyển hóa thành polyme vi vậy chất hữu cơ không những cần phải có tính năng “hấp thụ được” mà còn phải có đặc trưng “dễ polyme hóa” . Hợp chất axit béo dễ bay hơi có mạch carbon từ 2 - 5 nguyên tử được coi là thích hợp để vi sinh PAO hấp thụ, tuy nhiên hiệu suất hấp thu và giải phóng photphat của từng cấu tử là khác nhau. Trình bày hiệu quả hấp thu photpho trong giai đoạn hiếu khí R(P/COD) và tỉ lệ COD sử dụng để loại bỏ photpho R (COD/P) trong cả hệ. Phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ (tính theo COD) trong điều kiện: thời gian lưu tế bào là 13 ngày, xử lý hiếu khí với nồng độ oxy tan cao, COD sau xử lý rất thấp: Bảng 2. Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho Co’ chất Axit formic Axit axetic R (P/COD), g/g R (COD/P), g/g 0 00 0,37 16,8 33 0 , 1 0 24,4 0 , 1 2 27,5 0,14 29,1 0,15 6 6 , 1 0,24 18,8 0,05 1 0 2 Axit propionic Axit butyric Axit isobutyric Axit valeric Axit isovaleric N ước thải sinh hoạt Axit formic tuy dễ hấp thụ nhưng khó polyme hóa nên không có tác dụng tích lũy trong vi sinh PAO, loại axit có từ 2 - 5 nguyên tử carbon tỏ ra thích hợp, trong đó axit axetic có hiệu quả cao nhất và rất may mắn lại là thành phần chủ yếu của quá trình lên men yếm khí chất hữu cơ. Thật ra các thành phần chất hữu cơ trong đều là sản phẩm của quá trình lên men, tỷ lệ của từng hợp chất phụ thuộc vào nguồn hữu cơ nguyên liệu. Từ số liệu của bảng 3 cho thấy chỉ có axit valeric trong số các VFA là có tỉ lệ sử dụng cao, tức là hiệu suất giải phóng photpho thấp: 6 8 g axit valeric tính theo COD để giải phóng 1 g photpho, đó cũng là số liệu thường thấy đối với các hệ xử lý nước thải (50 : 1) sinh hoạt. Sự hình thành các axit béo dễ bay hơi xảy ra không những tại các bể xử lý yếm khí mà còn xảy ra tại các cống rãnh thu gom nước thải, đặc biệt là nước thải đô thị với thời gian lưu tương đối dài miễn là không (ít) có mặt của oxy hòa tan và nitrat. Đó là điều kiện thuận lợi để tiết kiệm chi phí xây dựng (thể tích) bể xử lý yếm khí. Quá trình lên men yếm khí và hàm lượng VFA hình thành phụ thuộc vào tỉ lệ 34 BO D/CO D, trong thành phần COD bao gồm cả COD không tan có nguồn gốc từ cặn hữu cơ không tan trong nước thải. Số liệu thường được chấp nhận là lượng chất hữu cơ trong bể xử lý yếm khí phải lớn hơn 25 mg/1 tính theo VFA mới có khả năng duy trì quá trình hoạt động của vi sinh PAO. Khi nguồn hữu cơ cao hơn giá trị trên sẽ tăng cường hiệu quả giải phòng photpho và tích lũy chất hữu cơ trong môi trường yếm khí và tích trữ photpho trong môi trường hiếu khí sau đó, hiệu quả tiếp tục tăng đến một giá trị nhất định đối với một tỉ lệ VFA/P, giá trị VFA/P tối ưu phụ thuộc vào thành phần của VFA. Trên mức VFA/P tối ưu, khả năng tích lũy photpho của vi sinh không tăng tiếp tục và BOD của dòng ra khỏi bể yếm khí tăng theo. BOD vào bể hiếu khí cao sẽ thúc đẩy sự phát triển của loại vi sinh dị dường không có khả năng tích lũy photpho, làm giảm mật độ (tỷ lệ) của vi sinh PAO trong sinh khối, kéo theo hàm lượng photphat trong bể hiếu khí giảm. Tuy vậy có những trường hợp cho thấy: khi nồng độ axit axetic cao hơn 400 mg/1 thì hiệu quả xử lý photpho của hệ giảm. Lượng photpho dư Thiếu photpho cũng có ảnh hưởng tiêu cực như thiếu chất hữu cơ. Thực tế vận hành cho thấy luôn thiếu một trong hai yếu tố trên. Tất nhiên hệ chỉ hoạt động khi hàm lượng photpho dư so với nhu cầu tổng hợp tế bào, vì trong trường hợp thiếu hay vừa đủ photpho thì hệ xử lý photpho là không cần thiết. Magie và kalỉ Hai loại nguyên tố vi lượng quan trọng đối với vi sinh PAO là magie và kali. Hai loại nguyên tố trên thường đáp ứng nhu cầu cho vi sinh trong nước thải sinh hoạt, chỉ phải bổ xung đối với một số loại nước thải công nghiệp hoặc hỗn hợp nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Canxi không phải là yếu tố đặc biệt đối với vi sinh PAO. Tỷ lệ Mg/K cần thiết biến đôi trong khoảng rộng, rất có thê chúng thay thế được lẫn cho nhau. Hệ xử lý photpho sẽ không hoạt động khi vắng mặt hai yếu tố trên hoặc 35 có mặt nhưng với nồng độ thấp. Tỉ lệ giữa [K]: [P] > 0,356 và [Mg]: [P] > 0,25 (tính theo mol) có thể là thích hợp. K hoảng pH hoạt động Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình xử lý photpho cho thấy, hệ không hoạt động khi pH < 5,4. Các nghiên cứu trong vùng pH cao không được thực hiện, tuy nhiên hệ có thể hoạt động trong vùng pH = 8,5 - 9,0, tất nhiên trong vùng pH đó photphat dễ bị kết tủa làm giảm nồng độ photphat tan. 1.3.4. Anh hưởng của các yếu tổ lên hiệu quả xử lý Hiệu quả hoạt động của hệ xử lý photpho phụ thuộc khá nhiều vào yếu tố thiết kế cũng như vận hành: chất hữu cơ, tỷ lệ chất hữu cơ/photpho, thời gian lưu tế bào, thời gian lưu thủy lực của giai đoạn yếm khí, nhiệt độ. Tỉ lệ photpho: chất hữu CO’ của dòng vào Đe có sự trao đổi chất giữa photpho và chất hữu cơ của vi sinh PAO trong hệ xử lý photpho thì cần có điều kiện: chất hữu cơ và photphat trong dòng vào. Tỉ lệ giữa chất hữu cơ và photpho có khả năng hấp thụ bởi vi sinh sẽ quyết định tỷ trọng các loại vi sinh trong sinh khối và tỷ lệ trên ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý photpho của hệ. N ồng độ photpho của dòng ra phụ thuộc vào tỉ lệ chất hữu cơ/photpho của dòng vào. Tỉ lệ lớn thì nồng độ photpho của dòng ra thấp và tiệm cận một giá trị nào đó. Chất hữu cơ mà vi sinh có thể hấp thụ tốt là axit béo dễ bay hơi và thực tế cho thấy có thể chừng mực nào đó đặc trưng qua nồng độ BOD. Hàm lượng photpho tại đầu vào là photpho tổng (dạng tan và không tan), vì các thành phần photpho không tan sẽ bị thủy phân trong quá trình xử lý vi sinh yếm khí cũng như hiếu khí , vì vậy tỉ lệ trên có thể được đặc trưng qua VFA/TP hoặc BOD/TP. Ket quả đánh giá từ nhiều hệ thống xử lý và nghiên cứu pilot cho thấy: nồng độ photphat tại đầu ra phụ thuộc vào tỉ lệ BO D/TP tại đầu vào của giai đoạn xử lý yếm 36 khí, cụ thê với BOD/TP > 20 thì nồng độ photpho tại đầu ra sẽ đạt được mức 1,0 mg / 1 hay thấp hơn. Giá trị BOD của nước thải biến động lớn hơn so với giá trị COD (giá trị COD có tính lặp cao hơn BOD) vì vậy tỉ lệ COD tổng (tan và không tan) TCOD/TP được sử dụng đê đặc trưng sẽ thuận lợi hơn. Khi tỉ lệ TC O D /TP > 45 thì nồng độ photpho tại đầu ra thường đạt giá trị thấp hơn hoặc bằng 1 , 0 m g/ 1 . Hạn chế photpho và chất hữu CO’ Thành phần của nước thải dòng vào sẽ xác định tốc độ giải phóng photpho và tích lũy chất hữu cơ trong giai đoạn yếm khí và hiệu quả xử lý photpho cùa cả hệ. Khi đú chất hữu cơ thích hợp, tốc độ chuyển hóa nhanh, thời gian lưu thủy lực và thể tích bể xử lý nhỏ (yếm khí). Tuy vậy tốc độ của cả quá trình (yếm khí, hiếu khí) thì lại bị ràng buộc bởi cả hai thành phần: chất hữu cơ và photpho, vậy nên cả hệ sẽ bị thiếu (khống chế) bởi một trong hai thành phần trên: khi dòng vào ít photpho thì lượng chất hữu cơ ít bị tiêu hao trong môi trường yếm khí, làm tăng nồng độ hữu cơ ở giai đoạn hiếu khí; khi dòng vào thiếu chất hữu cơ thì quá trình giải phóng photpho kém, kéo theo là quá trình tích lũy photpho trong môi trường hiếu khí giảm, chất lượng nước thải tại đầu ra kém. Thiếu chất hữu cơ có thể do hai nguyên nhân: tổng lượng chất hữu cơ trong dòng vào so với tỉ lệ tổng photpho thấp (đánh giá qua TCOD, BOD) hoặc do chất hữu cơ trong dòng vào không chuyên hóa kịp thành sản phẩm mà vi sinh PAO có thê sừ dụng (VFA) cho quá trình hấp thụ và polyme hóa. Nguyên nhân sau thường xảy ra, đặc biệt đối với nước thải sinh hoạt nếu so sánh giữa COD/TP với BOD/TP. Neu thành phần COD có thể sinh hủy/TP trong nước thải sinh hoạt luôn cao hơn 40 thì tỉ lệ BOD/TP phần lớn là thấp hơn 20. Vì lý do đó, hệ xử lý photpho thường được thiết kế hệ lên men sơ bộ để bổ xung VFA cho quá trình xử lý (với các nơi có điều kiện khí hậu nóng ấm, tốc độ thủy phân và lên men sẽ nhanh hơn nhiều so với các vùng khí hậu lạnh, vấn đề đó chưa được nghiên cứu kỹ càng) hoặc kéo dài thời gian xử lý yếm khí để có đủ lượng VFA cần thiết. 37 Hàm lượng photpho trong sinh khối Photphat chỉ được tách loại ra khỏi hệ thống xử lý thông qua sinh khối, vì vậy hiệu quả tách loại photpho phụ thuộc vào lượng bùn thải (tuổi bùn) và hàm lượng photpho trong đó. Hàm lượng photpho trong sinh khối phụ thuộc vào yếu tố hữu cơ hoặc photpho trong nước thải đầu vào: ít chất hữu cơ thì tỷ lệ vi sinh PAO và hàm lượng photpho trong chúng cao, tuy vậy hàm lượng photpho dư trong nước dòng ra cũng sẽ cao. Ngược lại nếu hàm lượng photpho trong dòng vào thấp sẽ không xảy ra quá trình giải phóng photpho trong bể yếm khí. Lượng chất hữu cơ dư tạo điều kiện để các loại vi sinh dị dưỡng không thuộc họ PAO phát triển, làm giảm tỷ lệ của vi sinh PAO trong sinh khối, kéo theo là hàm lượng photpho trong sinh khối thấp (chỉ 4 - 6 % chẳng hạn). Trong thực tế cũng thường nhận thấy hiện tượng: khi hàm lượng photpho trong sinh khối cao thì nồng độ photpho trong dòng ra cũng cao và khi nồng độ photpho trong sinh khối thấp thì nồng độ photpho sau xử lý cũng thấp theo nếu thiết kế và vận hành hệ xử lý đúng. Nguyên nhân của hiện tượng trên là do tỉ lệ COD/P trong dòng vào môi trường yếm khí quyết định cả hàm lượng photpho trong sinh khối và nồng độ photpho trong dòng thải, cả hai thông số trên tỉ lệ nghịch với tỉ lệ COD/P. Ảnh hưỏ’ng cùa thòi gian lưu tế bào Do mật độ của vi sinh PAO thay đôi theo tỉ lệ COD/P nên hiệu quả xử lý photpho của hệ xử lý tăng cường ít phụ thuộc vào thời gian lưu tế bào trong một khoảng rộng: 2 - 4 0 ngày. Hiện tượng xảy ra do có sự đóng góp một phần của quá trình phân hủy nội sinh vi sinh vật PAO là 0,05/ngày so với 0,24/ngày của vi sinh dị dưỡng hiếu khí tính theo COD. Điều đó có ý nghĩa là với tuôi bùn lớn thì tỉ lệ vi sinh PAO tăng lên trong sinh khối và vì vậy hàm lượng photpho trong sinh khối cũng tăng theo. Kinh nghiệm thực tế chỉ ra rằng, hệ xử lý photpho hoạt động có hiệu quả với thời gian lưu tế bào nằm trong khoảng 3 - 6 8 ngày. Hệ cũng có thể hoạt động với tuổi 38 bùn thấp hơn 3 ngày nhưng khi đó tính ổn định của hệ thấp, dòng ra dễ bị đục, khi đó cần phải áp dụng thêm các biện pháp làm trong nước như keo tụ hoặc lọc và đồng thời làm giảm thêm được hàm lượng photpho (cả rắn và tan) trong dòng ra. Với thời gian lưu tế bào thấp, 4 ngày hệ hoạt động ổn định hơn nhiều, tuy nhiên với nhiệt độ cao hơn 15°c, thời gian lưu tế bào là 6 ngày thì quá trình nitrat hóa xảy ra đáng kể nên cần phải bổ xung thêm giai đoạn xử lý thiếu khí để khử nitrat. Tăng thời gian lưu tế bào sẽ làm tăng hàm lượng photpho trong sinh khối do tỉ lệ của vi sinh PAO trong đó tăng (hàm lượng photpho có thể lên đến 32%), do vậy có thể tiến hành xử lý theo hai giai đoạn với tuổi bùn của từng giai đoạn là 4 đến 5 ngày. Tất nhiên vận hành như vậy sẽ tăng lượng bùn thải, là điều không mong muốn. Tuy nhiên nếu tăng tuổi bùn thì dễ xảy ra quá trình nitrat hóa từng phần hoặc hoàn toàn và khi đó cần phải thêm giai đoạn khử nitrat. Hệ xử lý theo quá trình UCT, VIP hoạt động theo nguyên tắc trên: nitrat trong dòng hồi lưu bùn được khử trước khi được xử lý yếm khí. Cũng có thể áp dụng các sơ đồ công nghệ khác: tách một phần thể tích bể yếm khí để khử nitrat từ dòng bùn hồi lưu, sử dụng một phần nước đầu vào (5 - 20%) trộn với bùn hồi lưu nhằm cung cấp chất hữu cơ cho quá trình khử nitrat, phần nước vào còn lại dẫn vào ngăn yếm khí (ngăn thiếu khí được nối tiếp với ngăn yếm khí). Phương án trên có hiệu quả hơn so với quá trình UCT, VIP do chi phí xây dựng thấp hơn, quá trình khử nitrat hiệu quả hơn nhờ mật độ vi sinh cao. Từ các phân tích trên cho thấy, hệ xử lý photpho thích hợp là hệ xử lý yếm khí có kích thước dễ thay đổi bằng cách xây dựng nhiều ngăn nối tiếp nhau, trong từng ngăn đều có lắp đặt hệ thống khuấy trộn nhằm đáp ứng sự biến động của chất lượng nước thải và điều kiện vận hành. Tất nhiên nếu hệ xử lý photpho được trang bị thêm hệ lên men sơ bộ (prefermentation) thì hiệu quả xử lý photpho hiệu quả và ổn định hơn nhiều trong khi chỉ cần thể tích môi trường yếm khí rất nhỏ (5% so với thể tích khối phản ứng) do tốc độ phản ứng của VFA rất nhanh (tất nhiên là phải đủ). Thời gian lưu thủy lực của giai đoạn yếm khí 39 Thời gian lưu thủy lực của giai đoạn yếm khí cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý photpho của hệ, tuy nhiên chịu ảnh hưởng bởi tỷ lệ COD/P. Khi TCOD/TP nằm trong khoảng 42 - 6 8 (hạn chế lượng photpho) thì tác động của thời gian lưu thủy lực tương đối nhỏ, khi tỷ lệ trên thấp, với giá trị 20 - 43 (hạn chế chất hữu cơ) thì hiệu quả xử lý photpho của hệ tăng khi tăng thời gian lưu thủy lực. Ảnh hưởng của nhiệt độ Tỉ lệ TCOD/TP cũng tác động lên ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý photpho của hệ: khi thiếu COD thì ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng photpho trong sinh khối mạnh hơn so với khi thiếu photpho. Hệ xử lý photpho không hoạt động khi thời gian lưu tế bào là 5 ngày, nhiệt độ 10°c, thiếu COD và điều này không xảy ra khi hệ thiếu photpho. 1.4. Công nghệ xử lý nước thái AAO AAO là viết tắt của các cụm từ Anaerobic (yếm khí) - Anoxic (thiếu khí) Oxic (hiếu khí). Công nghệ AAO là quy trình xử lý sinh học liên tục ứng dụng nhiều hệ vi sinh vật khác nhau: hệ vi sinh vật hiếu khí, thiếu khí, hiếu khí để xử lý nước thải. Dưới tác dụng phân hủy chất ô nhiễm của hệ vi sinh vật mà nước thải được xử lý trước khi xả thải ra môi trường. Nguyên lý xử lý AAO: Nước thải sẽ được xử lý triệt để nếu sử dụng các quá trình trong AAO. Trong đó: + Yem khí: để khử hydrocacbon, kết tủa kim loại nặng, kết tủa photpho, khử Clo hoạt động... + Thiếu khí: để khử N 0 3' thành N 2 và tiếp tục giảm BOD, COD. + Hiếu khí: để chuyển hóa N H 4+ thành NO3", khử BOD, COD, sunfua... + Tiệt trùng: bằng lọc vi lọc hoặc bằng hóa chất canxi (Ca(OCl)2) để khử các vi trùng gây bệnh... ư u đi êm: 40 chủ yếu dùng hypocloride + Chi phí vận hành thấp. + Có thể di dời hệ thống xử lý khi nhà máy chuyển địa điểm. + Khi mở rộng quy mô, tăng công suất, có thể nối lắp thêm các module hợp khối mà không phải dỡ bỏ để thay thế. Nhược đi êm: + Yêu cầu diện tích xây dựng. + Sừ dụng kết hợp nhiều hệ vi sinh, hệ thống vi sinh nhạy cảm, dễ ảnh hưởng lẫn nhau đòi hỏi khả năng vận hành của công nhân vận hành. Hình 4. M ô hình công nghệ A A O cái tiến 1.4.1. Quá trình Anaerobic (xử lý sinh học yếm khí) Trong các bể yếm khí xảy ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và các chất dạng keo trong nước thải với sự tham gia của hệ vi sinh vật yếm khí. Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, vi sinh vật yếm khí sẽ hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành các hợp chất ở dạng khí. Bọt khí sinh ra bám vào các hạt bùn cặn. Các hạt bùn cặn này nổi lên trên làm xáo trộn, gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lừng. 41 Quá trình phân hủy chất hữu cơ của hệ vi sinh vật yếm khí rất phức tạp, tuy nhiên chúng ta cũng có thể đơn giản hóa quá trình phân hủy yếm khí bằng các phương trình hóa học như sau: Chất hữu cơ + VK yếm khí —> C 0 2 + H 2S + C H 4 + các chất khác + năng lượng Chất hữu cơ + VK yếm khí + năng lượng —> C5H7O2N (Te bào vi khuẩn mới) [C5H7O2N là công thức hóa học thông dụng để đại diện cho tế bào vi khuẩn] Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas, có thành phần như sau: Metan (CH4): 55 - 65%; Carbon dioxyde ( C 0 2): 35 - 45%; Nitrogen (N 2 ): о - 3%; Hydrogen (Н2): о -Ỉ- 1% và Hydrogen Sulphide (H 2 S): 0 -Ỉ- 1%. Metan có nhiệt trị cao (gần 9000 Kcal/m3). Do đó, nhiệt trị của khí Biogas khoảng 4500 6000 Kcal/m 3 (tùy thuộc vào % lượng khí metan). Nên trong quá trình yếm khí ở các công trình lớn người ra có thể tận thu khí Biogas làm chất đốt. Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính: phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử, tạo các axit, tạo methane. Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí: a. Phân hủy các chất hữu cơ phân tử Giai đoạn thủy phân: + Giai đoạn phân hủy các chất hữu cơ phức tạp như: protein, xenlulozo, lipit thành những đơn phân từ hòa tan như axit amin, glucozo, axit béo và glyxerol. + Quá trình này xảy ra chậm và có thể giới hạn khả năng phân hủy yếm khí của một số chất thải nguồn gốc xenlulo có chứa lignin. + Có các vi sinh vật như: Hydrolitic bacteria, Clostriclicum, Thermocellem. Giai đoạn lên men axit: + Giai đoạn này có các quá trình chuyển hóa các sản phẩm của các giai đoạn thủy phân tạo ra axit hữu cơ như: axetic, propionic, butyric, lactic vv...các ancol và xetol như: etanol, metanol, glyxerol, axetol, axetat, C O 2 và H 2. 42 + Axetat là sản phẩm chính của quá trình lên men cacbohydrat các sản phẩm tạo thành khác nhau tùy theo loại vi khuẩn và các điều kiện nuôi cấy ( nhiệt độ, pH, thế oxy hóa-khử). + Có sự tham gia của các vi sinh vật: bacteroides, Suminiccola, Bifidobacterium. b. Tạo nên các axit + Giai đoạn chuyển hóa các axit hữu cơ, các ancol, xetol từ giai đoạn 2 tạo thành axetic + Phương trình phản ứng: C H 3 C H 2 OH + H 20 -»• C H 3 COOH + 2H 3 C H 3 C H 2CO O H + 2H 20 -> C H 3 CO OH + C Ơ 2 + 2H 2 C H 3 C H 2 C H 2COOH + H 20 -> 2 C H 3 CO OH + 2H 2 c. Tạo metan Là giai đoạn quan trọng nhất, dưới tác dụng của vi sinh vật axetic được chuyển thành metan. N hóm vi khuẩn metan chia làm 2 nhóm: + Nhóm vi khuẩn Metan hydrogenotrophic, sử dụng hydrogen tự dưỡng chuyển hydro và cacbon thành metan: CO2 + 4 H 2 -> CH4 + 2H 20 + N hóm vi khuẩn Metan acetotrophic: còn gọi là vi khuẩn phân giải axetat, chúng chuyển axetat thành metan và cacbondioxit. C H 3 CO OH CH4 43 + co2 Giai đoạn I Phân hủy & Lẻn men Giai đoạn II T ạo Aciđ Acetic, H2 Giai đoạn III T ạo M ethane Hình 5. Quá trình phân hủy yếm khí 1.4.2. Quả trình Anoxic (xử lý sinh học thiếu khỉ) Trong nước thải, có chứa hợp chất nitơ và photpho, những hợp chất này cần phải được loại bỏ ra khỏi nước thải. Tại bể Anoxic, trong điều kiện thiếu khí hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển xử lý N và p thông qua quá trình Nitrat hóa và Photphoril. Quá trình Nitrat hóa xảy ra như sau: + Hai chủng loại vi khuẩn chính tham gia vào quá trình này là Nitrosom onas và Nitrobacter. Trong môi trường thiếu oxy, các loại vi khuẩn này sẻ khử Nitrat ( N 0 3‘) và Nitrit ( N 0 2 ) theo chuỗi chuyển hóa: + n o 3' n o 2' n 20 - > N 2 T + Khí nitơ phân tử N 2 tạo thành sẽ thoát khỏi nước và ra ngoài. Như vậy là nitơ đã được xử lý. + Quá trình Photphorit hóa: + Chủng loại vi khuẩn tham gia vào quá trình này là-Acinetobacter. Các hợp chất hữu cơ chứa photpho sẽ được hệ vi khuẩn Acinetobacter chuyển hóa thành các hợp chất mới không chứa photpho và các hợp chất có chứa photpho nhưng dễ phân hủy đối với chủng loại vi khuẩn hiếu khí. 44 + Đe quá trình Nitrat hóa và Photphoril hóa diễn ra thuận lợi, tại bể Anoxic bố trí máy khuấy chìm với tốc độ khuấy phù hợp. Máy khuấy có chức năng khuấy trộn dòng nước tạo ra môi trường thiếu oxy cho hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển. Ngoài ra, để tăng hiệu quả xử lý và làm nơi trú ngụ cho hệ vi sinh vật thiếu khí, tại be Anoxic lắp đặt thêm hệ thống đệm sinh học được chế tạo từ nhựa PVC, với bề mặt hoạt động 230 -ỉ- 250 m 2 /m 3. Hệ vi sinh vật thiếu khí bám dính vào bề mặt vật liệu đệm sinh học để sinh trưởng và phát triển. 1.4.3. Quá trình Oxic (xử lý sinh học hiếu khí) Đây là bể xử lý sử dụng chủng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất thải. Trong bể này, các vi sinh vật (còn gọi là bùn hoạt tính) tồn tại ở dạng lơ lửng sẽ hấp thụ oxy và chất hữu cơ (chất ô nhiễm) và sử dụng chất dinh dưỡng là nitơ và photpho để tổng hợp tế bào mới, C 0 2, H 20 và giải phóng năng lượng. Ngoài quá trình tổng hợp tế bào mới, tồn tại phản ứng phân hủy nội sinh (các tế bào vi sinh vật già sẽ tự phân hủy) làm giảm số lượng bùn hoạt tính. Tuy nhiên quá trình tổng hợp tế bào mới vẫn chiếm ưu thế do trong bể duy trì các điều kiện tối ưu vì vậy số lượng tế bào mới tạo thành nhiều hơn tế bào bị phân hủy và tạo thành bùn dư cần phải được thải bỏ định kỳ. + Các phản ứng chính xảy ra trong bể Aerotank (bể xử lý sinh học hiếu khí) như: + Quá trình Oxy hóa và phân hủy chất hữu cơ: Chất hữu cơ + 0 2 —» C 0 2 + H 20 + năng lượng + Quá trình tổng hợp tế bào mới: Chất hữu cơ + 0 2 + N H 3 —> Te bào vi sinh vật + C 0 2 + H 20 + năng lượng + Quá trình phân hủy nội sinh: C 5 H 7 O 2 N + O 2 —> C O 2 + H 20 + N H 3 + năng lượng Nồng độ bùn hoạt tính duy trì trong bể Aeroten: 3500 mg/1, tỷ lệ tuần hoàn bùn 100%. Hệ vi sinh vật trong bể Oxic được nuôi cấy bằng chế phẩm men vi sinh 45 hoặc từ bùn hoạt tính. Thời gian nuôi cấy một hệ vi sinh vật hiếu khí từ 45 đến 60 ngày. Oxy cấp vào bể bằng máy thổi khí đặt cạn hoặc máy sục khí đặt chìm, ứ n g dụng công nghệ xử lý nước thải AAO: Công nghệ xử lý nước thải AAO được ứng dụng xử lý các loại hình nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như: nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải ngành chế biến thủy hải sản, nước thải ngành sản xuất bánh kẹo - thực phẩm... Công nghệ xử lý nước thải AAO thường được sử dụng trong xử lý nước thải phòng khám. Bệnh viện Chợ Rầy là bệnh viện đầu tiên thí điểm hệ thống xử lý nước thải theo công nghệ xử lý nước thải AAO. Công trình sử dụng công nghệ AAO của Nhật Bản, kết hợp nhiều quá trình xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ bằng bùn vi sinh, đảm bảo xử lý được triệt để theo tiêu chuẩn cao nhất đối với nước thải bệnh viện, chi phí vận hành thấp và ổn định, trình độ tự động hóa cao... 46 CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯ Ợ N G , MỤC ĐÍCH VÀ P H Ư Ơ N G PH ÁP NG H IÊN c ứ u 2.1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu Nước thải sinh hoạt. 2.1.2. Mục đích nghiên cứu Như đã trình bày ở phần tổng quan nguồn nước thải sinh hoạt được thải ra môi trường có ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, mặt khác hầu hết các khu tập thể nơi người dân sinh sống nguồn nước được thải ra vẫn chưa được xử lý một cách triệt để chính vì vậy nhiệm vụ đặt ra là nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi công nghệ Anaerobic - Anoxic - Oxic trong xử lý nước thải sinh hoạt. + Đánh giá khả năng xử lý T-P của phương pháp sinh học yếm khí - thiếu khí - hiếu khí. + Đánh giá tính ổn định của hệ thống. 2.2. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát tổng quan về nước thải sinh hoạt. - Xây dựng mô hình AAO cải tiến quy mô phòng thí nghiệm để xử lý nước thải sinh hoạt phân tán. - Nghiên cứu ảnh hưởng của T-P đầu vào, đầu ra đến hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ thống AAO cải tiến. 47 - Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý tổng photpho trong nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ thống AAO cải tiến. 2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phưo*ng pháp tài kiệu kế thừa Phương pháp này được sử dụng nhằm xác định, phân tích, đánh giá điều kiện về tự nhiên, môi trường và được thu thập, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau có liên quan đến nguồn nước thải sinh hoạt và định hướng trong việc ứng dụng công nghệ xử lý. 2.3.2. Phương pháp phân tích định lượng photpho bằng phương pháp oxy hóa ướt bằng K2s20 8 2.3.2. ỉ. Nguyên tẳc Các hợp chất p hữu cơ và tất cả các dạng photphat đầu tiên được chuyển thành dạng ortophotphat (M 3PO4). Để giải phóng p, người ta sử dụng phương pháp oxy hóa ướt. Ở đây giới thiệu phương pháp oxy hóa ướt bằng K 2s 20 8. Amoni molypdat và kali antimonyl tatrat phản ứng với octo photphat trong môi trường axit tạo thành axit dị đa photpho molypdic. Axit dị đa này bị khử thành xanh molypden ( phức bền) bằng axit ascorbic. Đo mật độ quang của dung dịch ở 880 nm có thể xác định được nồng độ p . Phụ thuộc vào việc xử lý mẫu nước cần phân tích mà kết quả xác định p có thể được phân thành: 48 + Photpho phản ứng (photpho hoạt động): bao gồm ortophotphat, các photphat ngưng tụ khác như pyro tripoly hecxa, meta photphat, một số hợp chất photphat hữu cơ. + Photpho thủy phân trong axit: bao gồm các polyphotphat không có phản ứng tạo sản phẩm xanh molypden. Các dạng photpho này sẽ bị chuyển thành photpho phản ứng, sau khi đun sôi trong axit một thời gian. + Photpho tổng : gồm tất cảcác dạng hợp chất chứa photpho trong nước ở dạng tan hay các hạt chất rắn. Đe xác định p tổng, cần phân hủy mẫu nước bằng một trong các phương pháp sau: • Phân hủy bằng hỗn hợp H N O 3- HCIO4 • Phân hủy bằng hỗn hợp H2SO4- HNO 3 • Phân hủy bằng pesunfat 2.3.2.2. Yêu tô ảnh hưởng Nói chung phương pháp này không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Sự thay đôi nhiệt độ ± 1 0 ° c không ảnh hưởng đến kết quả. 2.3.2.3. Dụng cụ thiết bị Dụng cụ: + Thiết bị đun nóng, bề mặt nung nóng 30cm X 50cm là thích hợp. + Nồi hấp áp lực hoặc nồi áp suất 1,1 - 1,4 kPacm 3. Máy đo màu: 49 + M áy quang phổ (spectrophometer), sử dụng ở bước sóng 880 nm hoặc có thể là 720 nm, nhưng độ nhạy sẽ kém hơn. Cuvet có bề dày 1 cm. + Máy hấp phụ kế (Absorptionmeter) + Dụng cụ thủy tinh Dụng cụ thủy tinh, bao gồm cả chai lấy mẫu , không được sử dụng cho mục đích khác và phải điền đầy đủ axit sunfuric 4,5M. Neu cần thiết, các dụng cụ thủy tinh phải được rửa sạch bằng axit cromic (hỗn hợp cân bằng của axit nitric và axit clohydric hoặc axit suníuric). Các hợp chất tẩy rửa chứa p cũng không được sử dụng. 2.3.2.4. Hóa chất + Chất chỉ thị phenolphthalein: hòa tan 0,5g phenolphthalein trong 50ml rượu etylic 95% và thêm 50ml nước cất. Nhỏ từng giọt dung dịch NaO H cho tới khi chất chỉ thị có màu phớt hồng. + Dung dịch Kali peroxidisunfat. Hòa tan 5gam K 2s 20 8 vào lOOml nước cất. Dùng hằng ngày + Dung dịch gốc photphat: hòa tan 4,390g K H 2PO 4 khan và định mức đến 1000 ml bằng nước cất. Thêm 1 hoặc 2 giọt toluen để bảo quản dung dịch (lm l dung dịch gốc tương đương với lm g P). + Dung dịch photphat làm việc: pha loãng lOml dung dịch này thành 1 lít và lắc kỹ. Dung dịch làm việc không được để lâu và phải được chuẩn bị trước khi thí nghiệm ( lm l dung dịch làm việc tương đương với 1 |0 ,g P). + Dung dịch Amonium molybdat trehydrat, 40g/lít + Dung dịch NaO H 5M 50 + Dung dịch H 2 SO 4 2,5M. Thêm cẩn thận 140 ml H 2 SO 4 (d= 1,84) vào nước, làm lạnh và định mức tới 1 lít. + Dung dịch kali antimonyl tatrat: hòa tan 2,7g K(Sb 0 )C 4 H 4 0 6 .!/2 H 2 0 vào nước cất trong bình định mức 1 lít và định mức tới vạch. Bảo quản trong bình có nút thủy tinh. + Kali peroxidisunfat rắn ( K 2s 20 8) . + Tác nhân khử: trộn cẩn thận theo thứ tự sau: 250 ml dung dịch H 2 SO 4 2,5M, 75 ml dung dịch amoni molypdat và 150ml dung dịch nước cất. Thêm vào 25ml dung dịch kali antimonyl tatrat và lắc kỹ. Dung dịch này phải được bảo quản trong tủ lạnh và bền vững trong vài tuần. Trước khi sử dụng cho phân tích mẫu, rót một lượng định mức vào các bình tam giác và thêm axit ascorbic với tỷ lệ l,73g/100m l dung dịch tác nhân khử. Chú ý sau khi thêm axit ascorbic dung dịch tác nhân khử không bền phải sử dụng ngay. Mỗi bình tiêu chuẩn và mỗi mẫu cần khoảng 8 ml dung dịch này. 2.3.2.5. Quy trình phân tích 1. Lấy lOOml mẫu đã lắc đều 2. Thêm 1 giọt ( 0,05 nl ) chỉ thị phenolphtalein. Neu xuất hiện màu đỏ, thêm từng acid sunfuric cho tới khi mất màu. 3. Thêm 2ml dung dịch acid sunfuric và 15ml dung dịch Kali peroxidisunfat 4. Đun sôi nhẹ ít nhất l h 3 0 ’ , thêm nước cất để giữ nước trong bình 25ml 5. Đe nguội và thêm 1 giọt ( 0,05 ml ) chất chỉ thị phenol phtalein, trung hòa tới màu hồng nhạt bằng dung dịch NaOH. 6. Định mức lại tới lOOml. 51 7. Chuẩn bị các bình định mức 50ml như sau: 8 D ung dịch photphat làm việc Nồng độ (ml) (ng / 1 ) 0 , 0 0 1 , 0 25 2 , 0 50 3,0 75 4,0 1 0 0 8 , 0 2 0 0 1 2 , 0 300 16,0 400 . Lấy 40 ml mẫu cho vào bình định mức 50 có nút đậy. 9. Thêm 8 ml dung dịch tác nhân khử vào từng bình định mức và bình đựng mẫu, định mức tới 50ml bằng nước cất và lắc kĩ. Đe yên trong 10 phút. 52 10. Đo độ hấp thụ của mẫu trắng và của bình định mức. Lập đồ thị dựa vào độ hấp thụ tương ứng với nồng độ photpho tính theo ịigl\íi 2.4. Phương pháp thực nghiệm Thí nghiệm xử lý photpho trong nước thải với quá trình sinh trưởng bám dính được thực hiện trên hệ thống thiế/ bị thí nghiệm sử dụng vật liệu mang nhựa gấp nếp như hình 6 . Hệ thống được khởi động bằng phương pháp cấp nước thải liên tục cho hệ thống. N guồn vi sinh vật dùng để cấy vào hệ là bùn từ hệ thiết bị thí nghiệm xử lý photpho trong phòng thí nghiệm. 2.4.1. Hệ thiết bị thí nghiệm Thí nghiệm thực hiện trên hệ thiết bị như ở hình 1. Be thí nghiệm AAO cải tiến được làm bằng mica trong suốt có dung tích hữu ích các ngăn như bảng 3. Bảng 3. Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm Ngăn (Thiết bị) Dung tích (L) Ngăn (Thiết bị) 120,0 Thiếu khí Dung tích (L) Thùng chứa nước thải 25,0 Điều hòa 16,0 Hiếu khí Yếm khí 12,0 Lắng + Khử trùng 53 3,6 Hình 6. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm © : Thùng chứa nước thải (2): Ngăn điều hòa (3): Ngăn yếm khí Ngăn thiếu khí (5): Ngăn hiếu khí (6 ): Ngăn lắng và khử trùng (7): Bơm khí (8 ): Bơm nước thải vào(D: Vật liệu đệm mang vi sinh (0): Cửa xả bùn thải 2.4.2. Các chế độ th í nghiệm và quy trình vận hành Nước thải được chứa trong thùng chứa v= 120 lít. Nước thải được cấp liên tục vào ngăn điều hòa, lần lượt qua các ngăn yếm khí, ngăn thiếu khí, hiếu khí kết hợp và ngăn lắng. Ở ngăn hiếu khí dưới đáy có bộ phận cấp khí làm tăng lượng oxy trong nước thải và tạo dòng tuần hoàn sang ngăn thiếu khí đồng thời kéo và tuần hoàn bùn ở ngăn lắng. Nước thải sau khi qua ngăn lắng sẽ chảy tràn ra ngoài vào thiết bị chứa. Bùn trong ngăn lắng khi sục khí sẽ tự động được kéo ngược trở lại sang ngăn hiếu khí rồi sang ngăn thiếu khí. Các thông số pH, DO (lượng oxy hòa tan trong nước) được hiển thị trên bảng điều khiển và được lưu trên máy tính. Các chế độ thí nghiệm thực hiện như bảng 4. 54 Bảng 4. Các chế độ vận hành Thông số vận hành Chế độ Lưu lượng dòng Chế độ sục khí Ghi chú Sục liên tục 18 - 24,6°c DO = 4,0 mg/L Mùa đông, xuân Sục liên tục 25 - 30°c DO = 4,0 mg/L M ùa hè vào (L/h) Chế độ 1 (CĐ1) Chế độ 2 (CĐ2) 1 , 0 1 , 0 Sục khí 60 phút, 25 - 30°c Chế độ 3 (CĐ3) dừng 90 phút, 1 , 0 M ùa hè DO khi sục là 4,0 mg/L Sục khí 60 phút, Chế độ 4 (CĐ4) dừng 30 phút, 2 , 0 DO khi sục là 8,0 mg/L Sục khí 60 phút, Chế độ 5 (CĐ5) dừng 45 phút, 2 , 0 DO khi sục là 8,0 mg/L 55 Chỉ thí nghiệm với ngăn thiếu khí - hiếu khí Chỉ thí nghiệm với ngăn thiếu khí - hiếu khí Hình 7. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm Nhiệt độ được lấy theo nhiệt độ môi trường tại thời điểm làm thực nghiệm. Mỗi ngày của các chế độ thí nghiệm lấy mẫu ở dòng vào, dòng ra xác định tổng p. 56 CHƯƠNG 3 KÉT QUẢ VÀ TH ẢO LUẬN 3.1. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu được thể hiện trong bảng sau: Bảng 5: Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu STT Thông số 1 pH 2 COD Đo’n vị - Hàm lượng 7 -7 ,5 mg / 1 200 - 350 3 n -n h 4+ mg / 1 35 - 50 4 n -n o 3' mg / 1 0 5 Tổng N mg / 1 35 - 70 6 Tổng p mg/ 1 0,5 - 12 57 3.2. Ảnh hưởng cüa nhiệt độ đến hiệu quả xử lý T-P Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ được thể hiện ở hình 8 Hình 8. Ảnh hưởng ciỉa nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P ciía toàn hệ Kết quả ở hình 8 cho thấy ở CĐ1 T = 18 - 25°c (mùa đông, xuân), DO = 4,0 mg/L hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 17,0 - 28,0%. Khi chuyển sang CĐ2 ở T = 25 - 30°c (mùa hè), DO = 4,0 mg/L hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 27,3 - 44,4%. Như vậy khi tăng nhiệt độ hiệu suất xử lý T-P của hệ tăng. Điều này được giải thích là khi nhiệt độ tăng hệ vi sinh vật xử lý photpho hoạt động tốt hơn dẫn đến hiệu suất xử lý T-P của hệ tăng. 58 3.3. Ánh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P 3.3.1. Anh hưởng của chế độ sục khỉ liên tục và sục khỉ 60 phút/dừng 90 p h ú t đến hiệu suất x ử lý T-P của toàn hệ được thê hiện ở hình 9. ♦ T-Pvào ■ T-Pra —A— HSXLT-P CĐ 2 CĐ3 - 50 - 45 - 40 ------ ^ ^ -------------------- - 35 ------------------------------ ■ ---------♦------- ■ » x l ------- +— - 30 ỉ - 25 H - 20 ẫ CL I - 15 ■■ ■ ' ■ ■ * ■ ___________ ■ - 10 - 5 0 5 10 15 0 20 T hờ i gian (n gày) Hình 9. Ảnh hưởng của chế độ sục khí liên tục và sục khí 60 phút/dừng 90 phút đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ Kết quả hình 9 cho thấy. Ở CĐ2 (DO=4,Omg/L; T = 25 - 30°C; sục khí liên tục) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ dao động từ 27,3 - 44,4%. Khi chuyển sang CĐ3 (DO=4,Omg/L; T = 25 - 30°C; sục khí 60 phút dừng 90 phút) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ giảm xuống chỉ còn 22,4 - 29,0%. Ket quả thực nghiệm chứng tỏ chế độ sục khí ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý T-P của hệ. Điều này được giải thích là khi sục khí vi sinh vật hiếu khí hấp thu photpho, nhưng khi ngừng sục khí (thiếu khí và yếm khí) vi sinh vật hiếu khí gần như không hấp thu photpho thậm chí ở chế độ yếm khí còn có hiện tượng vi sinh vật yếm khí giải phóng photpho. Cho nên chế độ sục khí liên tục tạo điều kiện tốt cho vi sinh vật hấp thu phot pho. 59 3.3.2. Anh hưởng của chế độ sục khỉ 60 phủt/dừng 30 p h ú t và sục khỉ 60 phủt/dừng 45 phút đến hiệu suât x ử lỷ T-P của ngăn thiếu khí — hiếu khí thê hiện ở hình 10. ♦ TP vào ■ TP ra 'HSXLTP 55 50 05 45 £ 40 o > Q. I«o*5 D5 c «o S P ơ\> 35 30 b 25 20 15 10 Thờ i g ia n , n g à y Hình 10. Ảnh hưởng của chế độ sục khí 60 phút/dừng 30 phút và sục khí 60 phút/dừng 45 phút đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn thiếu khí - hiếu khí Kết quả hình 10 cho thấy. Ở CĐ4 (D O = 8 ,Omg/L; sục khí 60 phút/dừng 30 phút) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ dao động từ 39 - 45%. Khi chuyển sang CĐ5 (D O = 8 ,Omg/L; sục khí 60 phút/dừng 45 phút) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ giảm xuống chỉ còn 19 - 24%. Ket quả thực nghiệm chứng tỏ chế độ sục khí ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý T-P của hệ. Điều này được giải thích là khi sục khí vi sinh vật hiếu khí hấp thu photpho, nhưng khi ngừng sục khí (thiếu khí và yếm khí) vi sinh vật hiếu khí gần như không hấp thu photpho thậm chí khi dừng lâu gần như yếm khí còn có hiện tượng vi sinh vật yếm khí giải phóng photpho. Cho nên dừng sục khí lâu không tạo điều kiện cho vi sinh vật hấp thu phot pho thậm chí còn giải phóng phốt pho. Như vậy càng dừng sục khí lâu hiệu suất xử lý T-P giảm. 60 Kết quả nghiên cứu cho thấy mặc dù nồng độ đầu vào của T-P ở chế độ 1, 2, 3 thấp nhưng hiệu suất xử lý photpho chỉ hiệu quả ở quá trình hiếu khí. Còn quá trình yếm khí là quá trình loại bỏ photpho nếu như xả bùn. Cho nên trong nghiên cứu này ở chế độ 4, 5 chỉ nghiên cứu thí nghiệm ở ngăn thiếu khí - hiếu khí. Trong nghiên cứu này hiệu suất xử lý COD dao động từ 74 - 96%. Hiệu suất xử lý T-N khoảng từ 23 - 6 6 %. Xét về tương quan C:N:P của nước thải dùng trong nghiên cứu thì tỷ lệ N cao. Với tỷ lệ N cao có ảnh hưởng tới quá trình xử lý. 61 KẾT LU ẬN VÀ KIÉN NGHỊ KÉT LUẬN Nghiên cứu xử lý T-P trên hệ A AO cải tiến thu được kết quả sau: Khi tăng nhiệt độ hiệu suất xử lý T-P của hệ tăng.CĐl hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 17,0 - 28,0%, CĐ2 hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 27,3 - 44,4%. Khi chuyển chế độ sục khí gián đoạn hiệu suất xử lý T-P giảm. Giảm từ 27,3 44,4% ở CĐ2 xuống 22,4 - 29,0% ở CĐ3. Khi thời gian dừng sục khí lâu thì hiệu suất xử lý T-P giảm. Giảm từ 39 - 45% ở CĐ4 xuống 19 - 24% ở CĐ5. Ket quả nghiên cứu cho thấy mặc dù nồng độ đầu vào của T-P ở chế độ 1, 2, 3 thấp nhưng hiệu suất xử lý photpho chỉ hiệu quả ở quá trình hiếu khí. Còn quá trình yếm khí là quá trình loại bỏ photpho nếu như xả bùn. Trên đây là những nghiên cứu một số chế độ vận hành trên hệ А AO, AO cải tiến, để hiệu suất xử lý COD, T-N và T-P đạt yêu cầu mong muốn ở các nhiệt độ khác nhau cần phải có những nghiên cứu tiếp theo khi thay đổi DO và có nhiều chế độ gián đoạn quá trình sục khí ở các khoảng khác nhau để tăng hiệu suất khử N, p đồng thời tiết kiệm năng lượng. KIÉN NGHỊ Do thời gian và điều kiện nghiên cứu có hạn, cho nên đề tài mới chỉ dừng lại ở những đánh giá ban đầu. Chính vì vậy, cần có những nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực này để tăng hiệu quả xử lý photpho. 62 TÀI LIỆU TH A M KHẢO Tiếng Việt 1. Khắc Uẩn, Đặng Kim Chi (2008), Tình trạng khan hiếm photpho và sự cần thiết của việc tái sử dụng nguồn thải chứa photpho, Hà Nội. 2. Đặng Kim Chi (2005), Đe tài KC 08-09: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc xây dựng các chính sách và biện pháp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường ở các làng nghề Việt Nam , Đại học Bách khoa Hà Nội. 3. Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ, Photpho, Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và công nghệ, Hà Nội. 4. Nguyễn Thị Kim Thái (2001), Xử lý nước thải tinh bột sắn băng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện khí hậu Việt Nam, Đại học Xây dựng Hà Nội. 5. Ngô Thị Quỳnh Nhi (2011), Phân tích, đánh giá hàm lượng photpho dễ tiêu trong đất và khả năng hấp thụ photpho của một số loại đất trồng rau trên địa bàn thành phố Đà N ằng bằng phương pháp trắc quang phân tử UV-VIS, khóa luận tốt nghiệp cử nhân khoa học. 6 . Lê Văn Khoa và các đồng nghiệp (1996), Phương pháp phân tích đất, nước, phân bón, cây trồng, NXB Giáo dục. Tiếng Anh 7. Lixiang Liu, Beiping Zhang, Xiaohui Wu, Gang Yan and Xiejuan Lu (2008). Simultaneous Removal of Nitrogen and Phosphorous from Municipal W astewater Using Continuous-Flow Integrated Biological Reactor. Journal of environmental engineering © asce: March 2008, pp 169-176. 8 . Yong Qiu, Han-chang Shi, and Miao He. Nitrogen and Phosphorous Removal in Municipal W astewater Treatment Plants in China: A Review, International 63 Journal of Chemical Engineering. Volume 2010, Article ID 914159, 10 pages doi:10.1155/2010/914159. 9. S. Thongtha, P. Techkarnjararuk, Teamkao, P. N. Thiravetyan. Boonapatcharoen, Phosphorus S. removal Tripetchkul, from S. domestic wastewater by Nelumbo nucifera Gaertn. and Cyperus alternifolius L. Journal of Environmental M anagem ent 137 (2014) 54e60. 10.Yayi W ang, Yongzhen Peng, Tom Stephenson. Effect of influent nutrient ratios and hydraulic retention time (HRT) on simultaneous phosphorus and nitrogen removal in two-sludge sequencing batch reactor. Bioresource Technology, Volume 100, Issue 14, July 2009, Pages 3506-3512. 11.H. Izanloo, A Mesdaghinia, R. Nabizadeh, S. Nasseri, K. Naddafi, A. H. Mahvi, Sh. Nazmara. Effect of organic loading on the pepformance of aerated submerged fixed-film (ASFFR) reactor for crude oil-containigng wastewater treament. Iran. J. Environ. Health. Sci. Eng., 2006, Vol. 3, No. 2, pp. 85-90. 12. P. Battistonia, A. De Angelisa, M. Prisciandarob, R. Boccadoroa, D. Bolzonella. P removal from anaerobic supernatants bystruvite crystallization: long term validation and process modeling. W ater Research 36 (2002) 1927— 1938. 13. Amir Hossein Mahvi, A.R.M esdaghinia and Farham Karakani. Feasibility of Continuous Flow Sequencing Batch Reactor in Domestic W astewater Treatment. American Journal of Applied Sciences 1 (4): 348-353, 2004. 14. American Public Health Association (APHA)/American Water Works Association (A W W A )/W ater Environm ent Federation (WEF) - Standard methods of for the examination of water and wastewater, Washington, DC, 1995. 64 19th Ed., [...]... bể hiếu khí được đưa về bể xử lý thiếu khí, còn hỗn hợp bùn - nước từ bể thiếu khí được quay vòng về bể yếm khí Do một phần chất hữu cơ của dòng vào được xử lý qua hai giai đoạn yếm khí và thiếu khí nên tiết kiệm được lượng oxy tiêu thụ tại bể hiếu khí 1.3.3 Đặc thù của quá trình xử lý photpho Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ. .. lý thiếu khí và có hai vòng quay hỗn hợp nước - bùn nội bộ từ thiếu khí về hiếu khí và từ thiếu khí về yếm khí 28 Quay vòng bùn từ bể lắng về bể thiếu khí sẽ hạn chế được sự có mặt của nitrat trong bể yếm khí, thúc đẩy quá trình tách photpho từ vi sinh trong giai đoạn yếm khí Hai chu trình nội bộ giúp tăng cường khả năng xử lý chất hữu cơ Chất hữu cơ có trong dòng quay vòng từ bể xử lý thiếu khí là loại... công nghệ của sơ đồ AO bao gồm các công đoạn xử lý yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic), trong đó giai đoạn xử lý thiếu khí dành cho quá trình khử nitrat với thời gian lưu thủy lực khoảng một giờ Khoang xử lý thiếu khí được bổ xung nitrat, nitrit từ bể hiếu khí (quay vòng), bùn từ bể lắng thứ cấp được hồi lưu về bể yếm khí Sơ đồ AAO có khả năng xử lý đồng thời hợp chất nitơ và photpho. .. hoảng pH hoạt động Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình xử lý photpho cho thấy, hệ không hoạt động khi pH < 5,4 Các nghiên cứu trong vùng pH cao không được thực hiện, tuy nhiên hệ có thể hoạt động trong vùng pH = 8,5 - 9,0, tất nhiên trong vùng pH đó photphat dễ bị kết tủa làm giảm nồng độ photphat tan 1.3.4 Anh hưởng của các yếu tổ lên hiệu quả xử lý Hiệu quả hoạt động của hệ xử lý photpho phụ thuộc... photphat của từng cấu tử là khác nhau Trình bày hiệu quả hấp thu photpho trong giai đoạn hiếu khí R(P/COD) và tỉ lệ COD sử dụng để loại bỏ photpho R (COD/P) trong cả hệ Phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ (tính theo COD) trong điều kiện: thời gian lưu tế bào là 13 ngày, xử lý hiếu khí với nồng độ oxy tan cao, COD sau xử lý rất thấp: Bảng 2 Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho. .. trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho Giai đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho Giai đoạn xử lý thiếu khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu cơ phân hủy nội sinh Bê hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phần amoni, BOD dư và đê hạn chế quá trình tách loại photpho từ vi sinh... bể xử lý yếm khí Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí Trong môi trường yếm khí, nơi giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí chúng tích lũy photphat tan trong nước thải Do thay đổi về điều kiện cơ chất từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên bề yếm. .. bể hiếu khí cao sẽ thúc đẩy sự phát triển của loại vi sinh dị dường không có khả năng tích lũy photpho, làm giảm mật độ (tỷ lệ) của vi sinh PAO trong sinh khối, kéo theo hàm lượng photphat trong bể hiếu khí giảm Tuy vậy có những trường hợp cho thấy: khi nồng độ axit axetic cao hơn 400 mg/1 thì hiệu quả xử lý photpho của hệ giảm Lượng photpho dư Thiếu photpho cũng có ảnh hưởng tiêu cực như thiếu chất... linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu Mục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ trong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải Hệ xử lý photpho có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc... 1.1.4 Tác hại của nước thảỉ sinh hoạt đến môỉ trường Tác hại đến môi trường của nước thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nước thải gây ra • C O D , B O D : sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây ra thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước Neu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong phân hủy yếm khí sinh ra ... trường, khóa luận bước đầu thực đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưỏ’ng chế độ vận hành đến hiệu xử lý photpho hệ thống lọc yếm khí - thiếu khí - hiếu khí cải tiến CHƯƠNG TỒ NG QUAN VỀ X Ử LÝ TỐ N G PH... hưởng nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P toàn hệ 60 Hình Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P toàn hệ 62 Hình 10 Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P ngăn yếm khí ... kiệm lượng oxy tiêu thụ bể hiếu khí 1.3.3 Đặc thù trình xử lý photpho Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, hai hệ xử lý có chung hệ bùn Dòng bùn quay vòng