ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG
Nguyễn Việt Hoàng
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI
GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN
Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành Công nghệ Môi trường
(Chương trình đào tạo Chuẩn)

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thiện được khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực không
ngừng của bản thân, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới
các thầy cô khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quốc gia Hà Nội đã luôn quan tâm và tận tình truyền đạt những kiến thức quý
báu cho em trong suốt thời gian theo học tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn
Thị Hà và TS. Phan Đỗ Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp
này.
Trân trọng cảm ơn lãnh đạo Hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm, lãnh đạo
phòng Công nghệ xử lý nước, thầy cô Bộ môn Công nghệ môi trường, Đại học
Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện cũng như luôn giúp đỡ cho
em hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng, em xin dành lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn
bè, những người vẫn luôn quan tâm, động viên và đồng thời là chỗ dựa tinh
thần giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập
và quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp vừa qua.

Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Sinh viên
Nguyễn Việt Hoàng
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tổng cacbon hữu cơ
ThOD
Theorical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy theo lý thuyết
UASB
Upflow Anaerobic Sludge
Blanket
Bể với lớp bùn kỵ khí dòng
chảy ngược.
VSV

Vi sinh vật
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải 3
1.1.1. Các chất hữu cơ 3
1.1.2. Các hợp chất chứa Nitơ 3
1.2. Ảnh hưởng của Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người 4
1.3. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải 6
1.3.1. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ 6
1.3.2. Các phương pháp xử lý Nitơ 7
1.3.3. Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải10
1.3.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 12
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.1. Đối tượng nghiên cứu 18
2.1.1. Nước thải tự pha 18

Bảng 3. So sánh hiệu quả xử lý COD giữa các nghiên cứu khác nhau 30
Bảng 4. So sánh hiệu quả xử lý T – N với các nghiên cứu khác 33
Bảng 5. So sánh hiệu quả xử lý COD, NH
4
+
và T – N giữa các chế độ thí nghiệm 36 DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ 4
Hình 2. Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải 9
Hình 3. Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm 19
Hình 4. Diễn biến thành phần COD trong nước thải pha 27
Hình 5. Diễn biến thành phần NH
4
+
trong nước thải pha 28
Hình 6. Diễn biến giá trị pH của nước thải pha 29
Hình 7. Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến hiệu suất xử lý COD 30
Hình 8. Nồng độ N – NH
4
+
đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý ở các chế độ khác nhau 31
Hình 9. Hiệu quả xử lý T – N ở các chế độ thí nghiệm khác nhau 32
Hình 10. Quá trình chuyển hóa nitrit và nitrat ở các chế độ khác nhau 33
Hình 11. Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD 34
Hình 12. Ảnh hưởng của tải trọng T – N đến hiếu suất xử lý T – N 35

nghiệp, nhằm mục tiêu lựa chọn được phương pháp phù hợp để xử lý nước thải
với đặc tính giàu chất hữu cơ và Nitơ, trong đó tập trung nghiên cứu các nội
dung chính bao gồm:

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

2
 Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD, N – NH
4
+
, T – N bằng phương
pháp sục khí luân phiên.
 Đánh giá nồng độ các thành phần NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
, T – N và COD
qua từng bước xử lý cũng như tính ổn định của hệ thống và khả năng ứng dụng
phương pháp trong điều kiện việt nam

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

3

4

Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH
4
OH
thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. NH
3
trong nước sẽ gây độc với cá và sinh
vật khác trong nước.
Nếu trong nước có hợp chất N chủ yếu là nitrit (NO
2
-
) là nước đã bị ô
nhiễm một thời gian dài hơn.
Nếu nước chủ yếu là hợp chất N ở dạng nitrat (NO
3
-
) chứng tỏ quá trình
phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrat chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở
điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrat dễ bị khử thành N
2
O, NO và Nitơ
phân tử tách khỏi nước bay vào không khí.
 Amoniac (NH
3
): amoniac trong nước tồn tại ở dạng NH
3
và NH
4
+

2
-
) và nitrat (NO
3
-
) là những chất có tính độc hại đối với con người.
Nitrit là chất rất độc vì nó có thể chuyển hoá thành nitroamin, chất này có khả
Hình 1. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

5
năng gây ung thư cho con người. Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng
hợp chất vô cơ và hữu cơ, các dạng Nitơ vô cơ cơ bản tồn tại với tỉ lệ khác nhau
tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường nước. Nitrat là muối Nitơ vô cơ trong
môi trường nước được sục khí đầy đủ và liên tục, nitrit tồn tại trong điều kiện
đặc biệt, còn amoniac (NH
3
) và ion NH
4
+
tồn tại trong điều kiện kỵ khí.
Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH
4
OH) và sẽ
phân ly thành ion NH
4
+
và OH

đã khiến người Mỹ quy định trong Đạo
luật về An toàn Nguồn nước Sinh hoạt của Mỹ (SDWA – Safe Drinking Water
Act) hàm lượng N – NO
3
-
tối đa là 10 mg/l [15].
Ngoài ra, nếu trong nước tồn tại amoni sẽ làm giảm hiệu quả của khâu
clo hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

6
đảm bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng.
Khi có mặt amoni, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao
gồm monochloramine, dichloramine, trichloramine, organochloramine) có tính
sát khuẩn kém hàng trăm lần so với clo nguyên tố. Bên cạnh đó amoni là nguồn
dinh dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển. Sự phát triển
này làm ô nhiễm nước thứ cấp trong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các
chất độc nitrit và nitrat.
1.3. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải
1.3.1. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ
Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi
các chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H
2
S, các sunfit, amoniac,
Nitơ,… Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để
phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng
các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng
lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây
dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên.

RO), hoặc phương pháp sinh học.
a. Phương pháp clo hóa tới điểm đột biến
Bản chất của phương pháp là quá trình oxy hóa – khử xảy ra giữa clo khi
hòa tan vào trong nước có chứa amoniac và amoni tạo thành các cloramin. Nếu
clo dư, các cloramin sẽ bị phân hủy thành khí N
2
. Tuy phương pháp clo hóa
nhìn chung rất đơn giản và rẻ về mặt thiết bị cũng như xây dưng cơ bản nhưng
rất khó áp dụng vì dư lượng clo nếu quá lớn sẽ gây khó khăn cho các nhà máy
trong việc giải quyết vấn đề an toàn sức khỏe.
b. Phương pháp thổi khí ở pH cao
Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:
NH
4
+
 NH
3 (khí hòa tan)
+ H
+
với pK
a
= 9,5 (1.1)
Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH
3
so với amoni.
Nếu ta nâng pH tới 9,5; tỷ lệ [NH
3
]/[NH
4
+

trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, tuy nhiên khó có thể xử
lý triệt để N – amoni và cũng không có khả năng xử lý Nitơ trong các hợp chất
hữu cơ.
c. Phương pháp sinh học
Để xử lý nước thải người ta có thể sử dụng phương pháp vật lý, hóa lý
và hóa học; nhưng xu hướng ngày nay thường sử dụng phương pháp sinh học
cho các hệ xử lý nói chung bởi những tính năng ưu việt mà phương pháp này
mang lại. Trong rất nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh xử lý
bằng phương pháp sinh học đã mang lại cho con người những lợi điểm như sau:
hiệu suất xử lý cao: từ 80 – 90% và có thể là 90 – 99%, ít sử dụng hoá chất, chi
phí năng lượng cho một đơn vị thể tích xử lý thấp so với các phương pháp khác
và do những ưu điểm trên nên phương pháp sinh học mang tính kinh tế rất cao.
Trong phương pháp này, amoni sẽ bị chuyển hoá thành nitrat rồi thành
N
2
nhờ hoạt tính của vi sinh vật trong tự nhiên. Trong quá trình xử lý, vi sinh
vật sẽ được tạo các điều kiện về dinh dưỡng cũng như các yếu tố khác để có
thể đạt được hoạt tính cao nhất… Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao
gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá.
Như đã nói ở trên, công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương
pháp sinh học đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế từ những năm
1960. Trên thực tế, có rất nhiều quy trình công nghệ xử lý Nitơ bằng phương
pháp sinh học khác nhau. Chúng giống nhau ở nguyên lý là thực hiện các quá
trình nitrat hoá và khử nitrat hoá nhưng khác nhau ở cách sắp xếp trình tự các
quá trình trong sơ đồ xử lý và nguồn cacbon sử dụng. Các quá trình này có thể
là các quá trình sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng bám dính hay sinh trưởng lơ
lửng – bám dính kết hợp. Sau đây là một số qui trình cơ bản thường được ứng
dụng trong xử lý Nitơ trong nước thải.
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

 Thay đổi được chế độ làm việc một cách linh động để nâng cao hiệu
quả xử lý Nitơ và có thể làm việc liên tục.
 Thiết bị tương đối đơn giản so với các hệ thiết bị hiếu khí – thiếu
khí kết hợp.
 Tiết kiệm năng lượng so với phương pháp hiếu khí – thiếu khí
truyền thống.
 Tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu.
 Nhược điểm:
 Công nghệ và thiết bị chưa được nghiên cứu đầy đủ tại Việt Nam.
 Hiệu suất xử lý Nitơ phụ thuộc chế độ vận hành (nước thải khác
nhau cần chế độ vận hành tối ưu khác nhau).
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

11
Trong nước cũng như trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu phòng thí
nghiệm và quy mô pilot về phương pháp sục khí luân phiên ứng dụng trong xử
lý nước thải với đặc tính chứa nhiều chất hữu cơ, hợp chất Nitơ và photpho
Cụ thể, tác giả Trần Thị Thu Lan (2013) (Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Trường
đại học Khoa học Tự nhiên – ĐH QGHN) [3] đã nghiên cứu xử lý đồng thời
các thành phần hữu cơ và Nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng
phương pháp sục khí luân phiên. Sau hơn 10 tháng nghiên cứu, vận hành hệ
thiết bị thí nghiệm với 3 chế độ sục – ngừng sục luân phiên khác nhau, kết quả
cho thấy hiệu suất xử lý COD ở các chu kỳ sục khí luân phiên khác nhau đều
đạt khá cao (80 – 88%); hiệu quả xử lý N – NH
4
+
đạt rất cao và ổn định, xấp xỉ
100% và không bị ảnh hưởng bởi các chế độ khác nhau. Chu kỳ sục – ngừng
sục luân phiên cách nhau 3 giờ được xác định là tương đối phù hợp để xử lý T

phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác
ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt là hiệu quả xử lý cao ở thời gian
lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học
a. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, các loại chất thải có đặc trưng chứa hàm lượng cao các chất
hữu cơ và Nitơ đã được nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp, hệ thống xử
lý một cách rộng rãi và khoa học. Nhìn chung, các nghiên cứu vẫn chủ yếu
được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot thí điểm.
Gần đây, bước đầu đã có một số nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi.
Nhóm tác giả Ngô Kế Sương và cộng sự (2006) [6] đã nghiên cứu xử lý nước
thải chăn nuôi trên mô hình thử nghiệm 30 m
3
/ngày – đêm bằng hệ thống bể
yếm khí – bể lọc yếm khí – hồ sinh học tại Xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao. Hiệu
quả xử lý các thành phần hữu cơ, Nitơ và chất rắn lơ lửng (SS) của hệ thống
này khá cao, đạt trên 95%. Tuy nhiên thời gian lưu nước thải của hệ thống lớn
(bể yếm khí – 22,4 h; bể lọc yếm khí – 16 h; hồ sinh học 720 m
2
(24 m
2
/1 m
3

nước thải), thể tích thiết bị và mặt bằng xây dựng lớn, vì vậy khả năng áp dụng
trong thực tế là chưa cao.
Tác giả Trương Thanh Cảnh (2010) đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn
nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng bùn ngược [1]. Kết quả nghiên
cứu cho thấy mô hình tương đối thích hợp cho việc xử lý nước thải chăn nuôi
với hiệu quả xử lý vào khoảng 97; 80 và 90% tương ứng với các chỉ tiêu COD;
BOD

là về mặt kỹ thuật kiểm soát quá trình và làm chủ công nghệ, đồng thời cần
được phát triển để phù hợp với điều kiện trang trại Việt Nam.
Nhóm tác giả Nguyễn Văn Phước và cộng sự Viện Môi trường Tài
nguyên, ĐHQG – HCM, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM (2009) đã
tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì được lấy tại cơ sở sản xuất
quy mô hộ gia đình – Thủ Đức, TP. HCM (Số 5 – Đường số 9 – KP4 – phường
Bình Chiểu) trên mô hình thử nghiệm với công nghệ HYBRID (lọc sinh học –
aerotank) [4]. Sau 58 ngày vận hành trong đó thời gian thích nghi là 10 ngày,
nghiên cứu đã thu được những kết quả khả quan như sau:
 Mô hình HYBRID kết hợp lọc sinh học hiếu khí với Aerotank có
khả năng xử lý nước thải tinh bột mì đạt hiệu xuất xử lý cao (đối với COD là
87 – 95% và đối với N – NH
3
là 60 – 98%). Tải trọng 1 kg COD/m
3
/ngày được
chọn là tải trọng tối ưu, tương ứng hiệu quả xử lý COD và N – NH
3
lần lượt là
95 và 98%.
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

14
 Nước sau xử lý mất mùi, trong, pH trung tính. Điều kiện vận hành
COD vào 1000 mg/L với thời gian lưu nước thích hợp là 1 ngày.
Nhìn chung kết quả thu được sau quá trình nghiên cứu là rất khả quan,
tuy nhiên một số loại mỳ đặc biệt có hàm lượng photpho cao nên trong quá
trình xử lý cần áp dụng công nghệ khử P, cùng với đó là cần tiếp tục nghiên
cứu trong thời gian dài việc ứng dụng công nghệ lai hợp lọc sinh học và

2
-
, rồi sau đó thành NO
3
-
, phản ứng này được thực
hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng (là nhóm vi khuẩn dùng cacbon vô cơ trong
nước để tổng hợp tế bào). Bước 2: vi khuẩn khử nitrat khử NO
3
-
(và cả NO
2
-
)
thành N
2
. Nhóm vi khuẩn này phải dùng cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào mới,
chúng là nhóm dị dưỡng.
Nhìn chung, các vi khuẩn dị dưỡng – vi khuẩn khử nitrat hoá "khoẻ" hơn
các vi khuẩn tự dưỡng. Chính vì vậy, để tăng lượng sinh khối đến mức cần thiết
nhằm giảm thời gian phản ứng thì các phương pháp lọc sinh học với vật liệu
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

15
mang vi sinh thích hợp có thể thực hiện được điều này và tỏ ra có ưu thế tuyệt
đối trong các kỹ thuật sinh học để xử lý amoni.
Những kỹ thuật thường được áp dụng là lọc sinh học ngập nước, lọc cát
nhanh, lọc với lớp đệm mở rộng hoặc giả lỏng (fluidized hoặc expanded bed
reactor), và lọc với lớp vật liệu lọc là than hoạt tính.

16
Hệ thống xử lý nước thải giết mổ Lương Yên bắt đầu hoạt động từ tháng
3 năm 2002, công suất 18 – 20 m
3
/ngày đêm, công nghệ xử lý bằng các biện
pháp hóa – lý kết hợp sinh học (lọc sinh học), hiệu quả xử lý đạt được là tương
đối cao (COD 96%, T – N 95%)
Hệ thống xử lý nước thải chế biến hải sản Phước Cơ tại Vũng Tàu được
xây dựng và chính thức hoạt động từ tháng 11 năm 2005 nhằm xử lý nước thải
từ quá trình chế biến hải sản đông lạnh với công suất 180 m
3
/ngày. Công nghệ
xử lý của hệ thống là chủ yếu là xử lý bằng biện pháp sinh học bao gồm các bể
tuyển nổi, bể xử lý hiếu khí, bể lắng…cho nước thải đầu ra đạt loại C TCVN
5945:2005 (nay được thay thế bằng Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc Gia về nước thải
Công nghiệp – QCVN 40:2011).
Một loại hình nước thải khác có tính chất giàu chất hữu cơ và Nitơ là
nước thải chế biến mủ cao su. Hiện nay trong nước đang có hệ thống xử lý nước
thải mủ cao su Xuân Lập được khởi công xây dựng từ năm 2004 với các đơn
vị xử lý như bể gạn mủ, bể DAF và hồ hoàn thiện.
Nhà máy xử lý nước rác Nam Sơn sau gần 5 tháng thi công và 3 tháng
đưa vào chạy thử đã chính thức đưa vào hoạt động trong năm 2005. Nước thải
từ bãi rác qua 15 khâu trước khi đưa ra hệ thống thoát nước chung, các khâu xử
lý sinh học có thể kể đến như là hồ kỵ khí, hồ hiếu khí, bể kỵ khí, bể xử lý gián
đoạn Công suất nhà máy đạt từ 500 m
3
nước thải/ngày đêm và được điều
khiển tự động hoàn toàn.
d. Trên thế giới
Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại thành phố Ebina, tỉnh