Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
1
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
************* NGUYỄN THỊ VINH
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG
NƢỚC THẢI SINH HOẠT PHÂN
TÁN BẰNG HỆ AAO CẢI TIẾN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: HÓA CÔNG NGHỆ - MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI – 2014
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
2
Để hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt khóa luận tốt
nghiệp, em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các quý
Thầy, Cô của trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 và các Thầy, Cô của
Viện Công nghệ Môi Trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Em xin cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn ThS. Lê Cao Khải đã dành
thời gian và tâm huyết để hướng dẫn em thực hiện tốt khóa luận tốt
nghiệp.
Đồng thời em xin cảm ơn các Thầy, Cô của trường Đại học sư
phạm Hà Nội 2 đặc biệt là các thầy cô đã dạy và hướng dẫn em trong
thời gian em học tại trường.
Em xin cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường và các Thầy, Cô
trong Khoa Hóa học đã tạo điều kiện tốt nhất để em học tập và hoàn
thiện tốt khóa học.
Em xin cảm ơn các anh, chị, các thầy cô thuộc Viện Công nghệ
Môi Trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo
điều kiện cho em thực nghiệm tại đây để hoàn thành tốt khóa luận .
Em đã hoàn thành khóa luận tốt nghiệp theo đúng tiến độ của Nhà
trường đề ra với cố gắng và sự nhiệt tình của bản thân, tuy nhiên em vẫn
không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của
các thầy cô và các bạn để khóa luận tốt nghiệp được hoàn thiện tốt hơn.
Hà Nội, Ngày 20 tháng 05 năm 2014
Sinh viên
Nguyễn Thị Vinh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
5
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Lượng phát thải sinh học bình quân của con người trong ngày
xả vào hệ thống thoát nước (theo quy định của TCXD 51:2007 ).
Bảng 1.2: Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các phương
pháp của APHA.
Bảng 1.3: Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT.
Bảng 3.1: Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu.
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm phân tích.
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
7
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC
THẢI SINH HOẠT 2
1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt 2
1.1.1. Nguồn gốc nước thải sinh hoạt 2
1.1.2. Phân loại nước thải sinh hoạt 2
1.1.3. Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt 2
1.2. Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước thải 6
1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải 6
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước 7
1.2.3. Tác hại của nitơ trong nước thải 7
1.3 Tổng quan về công nghệ xử lí nitơ trong nước thải sinh hoạt 8
1.3.1. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt 9
1.3.2. Xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học 9
1.4. Một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán 12
1.4.1. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ
(JOHKASOU)-JKS 12
1.4.2. Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt BIOFILTER 15
1.4.3. Công nghệ SBR 16
1.4.4. Công nghệ AAO 18
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 22
2.1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu 22
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 22
2.1.2. Mục đích nghiên cứu 22
2.2. Nội dung nghiên cứu 22
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
1
MỞ ĐẦU
Việt Nam đang chuyển mình hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, do
đó quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa không ngừng phát triển và kết
quả là kéo theo đô thị hóa. Dân số tăng nhanh nên các khu dân cư tập
trung dần được quy hoạch và hình thành. Nước thải sinh hoạt là sản
phẩm trong quá trình sinh hoạt của con người. Ô nhiễm nguồn nước do
tác động của nước thải sinh hoạt đang là vấn đề bức xúc hiện nay. Bên
cạnh đó vấn đề xử lý nước thải trước khi thải ra sông rạch chưa được áp
dụng rộng rãi và hiệu quả. Hậu quả là nguồn nước mặt bị ô nhiễm và
nguồn nước ngầm cũng dần ô nhiễm theo, tình trạng ngập nước trên các
tuyến đường, nước thải chảy tràn lan qua hệ thống sông ngòi, kênh
rạch… ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường và cuộc sống của chúng ta.
Hiện nay, việc quản lý nước thải trong đó có nước thải sinh hoạt là một vấn
đề cấp thiết của các nhà quản lý môi trường trên thế giới nói chung và việt
Nam nói riêng.Vì vậy cần xây dựng các công trình xử lí nước thải phải đạt
các yêu cầu về chất lượng nguồn nước xả ra.
Một trong những chỉ tiêu cần phải đạt được là hàm lượng nitơ trong
nước thải. Theo QCVN 14 : 2008 thì lượng N-NH
4
+
không lớn hơn 5 mg/l
với nguồn nước loại A và 10 mg/l với nguồn nước loại B. Hàm lượng nitơ
trong nước thải cao làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đến môi
lửng.
+ Nước xám: Là nước phát sinh từ quá trình tắm, rửa, giặt với
thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể.
1.1.3. Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh
học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
3
bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp
chất như protein (40-50%), hydrat cacbon (40-50%). Nồng độ chất hữu
cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150-450mg/l theo
trọng lượng khô. Có khoảng 20-40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh
học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước
thải sinh hoạt không được xử lí thích đáng là một trong những nguồn gây
ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Trong quá trình sinh hoạt, con người xả vào hệ thống thoát nước
một lượng chất bẩn nhất định, phần lớn là các loại cặn, chất hữu cơ, các
chất dinh dưỡng. Ở nước ta Tiêu chuẩn TCXD 51:2007 quy định về
lượng chất bẩn tính cho một người dân xả vào hệ thống thoát nước trong
một ngày theo bảng 1.1 sau đây:
Bảng 1.1: Lƣợng phát thải sinh hoạt bình quân của một ngƣời trong
một ngày xả vào hệ thống thoát nƣớc
(theo quy định của TCXD 51:2007)
Các chất
Giá trị , gam/ngày.đêm
Chất lơ lửng (SS )
60¸65
BOD
5
Thấp
Tổng chất rắn
1000
500
200
Chất rắn hòa tan
700
350
120
Chất rắn không hòa tan
300
150
8
Tổng chất rắn lơ lửng
600
350
120
Chất rắn lắng
12
8
4
BOD
5
300
200
100
DO
0
0
100
50
Chất béo
40
20
0
T-P
-
8
-
Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phần ô nhiễm chính
đặc trưng ở nước thải sinh hoạt là BOD
5
, COD, Nitơ, Phốtpho, SS, TOC
chất tẩy rửa, trong nước thải sinh hoạt hàm lượng Nitơ và phốtpho rất
lớn, (từ 50 đến 55%), chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh phát triển. Nếu
không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú
dưỡng. Như vậy nước thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và các cơ
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
5
sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn
cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh là một trong những nguồn gây ô nhiễm
chính đối với môi trường nước. Và vấn đề đặt ra là yêu cầu chất lượng
nước thải sau khi xử lý phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn thải sau:
Bảng 1.3: Yêu cầu nƣớc thải sau khi xử lý đạt
QCVN 14:2008/BTNMT
TT
Thông số ô nhiễm
1
4
6
Amoni ( tính theo
nitơ)
mg/L
5
10
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
6
1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nƣớc thải
1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải
Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các
hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng oxy hoá (nitrit và nitrat).
Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự
nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá.
NO
2
-
NO
3
-
Nitrat hoá
+ O
2
Khử nitơrat
Cố định nitơ
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
7
người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương
đương với 12g nitơ tổng số.
Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH
2
)
2
) là 0,7g, lượng chất bẩn
Nitơ amôn (N-NH
4
) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát
nước là 7 g/ng.ngày còn lại là các loại nitơ khác.
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước
Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ
khuẩn đường ruột. Khi tác dụng với các amin hay ankyl cacbonat trong
cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư.
Trong cơ thể nitrit có thể oxy hóa sắt II ngăn cản quá trình hình thành
Hemoglobin làm giảm lượng oxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi
nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
1.2.3.2. Tác hại ô nhiễm nitơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng
chất dinh dưỡng. Do đó nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại
thực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ
chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, sản sinh nhiều chất độc trong nước
NH
4
+
, H
2
S, CH
4
, CO
2
tiêu diệt nhiều sinh vật có ích trong nước. Hiện
tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước.
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và
kênh dẫn nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ,
sông Tô Lịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát
khí H
2
S
.
nitrat hóa chuyển hóa amoni thành nitrat, còn quá trình khử nitrat chuyển
nitrat thành nitơ tự do N
2
.
Quá trình nitrat hóa
Vi sinh vật và điều kiện của quá trình Nitrat hóa.
Vi sinh vật của quá trình Nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật:
Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vì
chúng nhận được năng lượng do sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào phần
lớn từ quá trình oxy hóa các hợp chất cacbon vô cơ (HCO
3
-
là chính) và
Nitơ vô cơ. Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (Vi khuẩn hiếu khí).
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
10
Cả hai nhóm vi sinh vật mày đều có những yêu cầu khá đặc trưng
đối với các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và
chúng có tốc độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị
dưỡng. Nitrosomonas chỉ có thể oxy hóa NH
4
+
thành NO
2
-
, sau đó
Nitrobacter làm chức năng chuyển hóa NO
2
-
Phương trình tổng
NH
4
+
+ 2O
2
NO
3
-
+ 2H
+
+ H
2
O (3)
Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo
Gujer và Jenkin:
1,02NH
4
+
+ 1,89O
2
+ 2,02HCO
3
-
0,021C
5
H
7
O
-
NO
2
-
NO (k)
N
2
O (k)
N
2
(k)
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất – chất cho điện tử, chúng có
thể là chất hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H
2
và S. Khi có
mặt đồng thời NO
3
-
và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hóa,
đồng thời NO
3
-
nhận điện và bị khử về N
2
.
Gayle đã phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá
-
red
NO
3
-
red
N
O
N
O
2
-
N
O
3
-
NO
3
-
NO
2
-
l
í
p n
-í
c
lipoprotein
Màng tế bào chất
N
-
Lớp nước
Màng vỏ ngoài
Khối chất bào
Tế bào chất
Hình 1.2: Quá trinh nitrat hóa trêm màng tế bào chất của sinh vật.
Các phương trình tỉ lượng của quá trình khử nitrat hóa phụ thuộc
vào bản chất của nguồn cacbon sử dụng như sau:
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
12
6NO
3
-
+ 5CH
3
OH 3N
2
+ 5 CO
2
+ 7 H
2
O + 6 OH
-8NO
-
+ C
10
H
19
O
3
N
5N
2
+ 10 CO
2
+ 3 H
2
O + NH
3g
+
10 OH
-
Ghi chú: C
10
H
9
0
3
N là công thức trung bình của nước thải sinh hoạt.
NO
- Giảm công trình lắng cho riêng mỗi quá trình.
- Có khả năng khử 60-80% tổng lượng nitơ trong nước thải.
1.4. Một số công nghệ xử lý nitơ trong nƣớc thải sinh hoạt phân tán
1.4.1. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ
(JOHKASOU)-JKS
VSV
VSV
VSV
VSV
VSV
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
13 Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ JKS
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: JKS cải tiến gồm có 5 ngăn (bể) chính:
- Ngăn thứ nhất (bể lọc kỵ khí): Tiếp nhận nguồn nước thải, sàng
lọc các vật liệu rắn, kích thước lớn (giấy vệ sinh, tóc, ), đất, cát có trong
nước thải;
- Ngăn thứ hai (bể lọc kỵ khí): loại trừ các chất rắn lơ lửng bằng
quá trình vật lý và sinh học.
- Ngăn thứ ba (bể lọc màng sinh học): loại trừ BOD, loại trừ
Nitơ, Phốtpho bằng phương pháp màng sinh học.
- Ngăn thứ tư: Bể trữ nước đã xử lý
- Ngăn thứ năm (bể khử trùng): diệt một số vi khuẩn bằng nước
khử
trùng
Máy cấp
khí
Chất
dinh
dưỡng
Ngăn chứa bùn
Tiếp
nhận
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
14
màng lọc cao cho phép xử lý gần như triệt để các thành phần trong nước
thải, nước thải sau xử lý có BOD 2,3mg/l, N 8mg/l, tổng chất rắn lơ lửng
TSS < 5mg/l, tổng khuẩn Ecoli < 100 tế bào/l. Tuy nhiên việc sử dụng
màng sinh học dễ dẫn đến tắc màng lọc và hệ thống này cần phải súc rửa
3 tháng một lần. Trong trường hợp này nước thải có thể được tái sử dụng
để thực hiện quá trình súc rửa.
Hệ thống JKS cải tiến cần phải được cung cấp điện năng liên tục
cho quá trình vận hành. Ðiện năng giúp vận hành bơm khí, ổn định dòng
chảy, và duy trì tuần hoàn hệ thống nước thải.Ðiện năng tiêu thụ cho một
hệ thống JKS cho một gia đình 5- 10 người vào khoảng 350 đến
500kW/năm phụ thuộc vào từng loại JKS.
Bã lắng đọng (bùn lắng) trong hệ thống JKS cần phải được hút (ít
nhất 1 lần trong 1 năm) và xử lý. Trung bình một hộ gia đình (5-10
người, nước tiêu thụ 250 lít/người/ngày), tổng lượng bã trong 1 năm vào
khoảng 58,8 kg (trọng lượng khô). Xe tải chuyên dụng (trọng tải 2- 4
tấn) được sử dụng cho việc hút bã. Bã lắng đọng sau khi được hút vào xe
rồi được chuyên chở tới trạm xử lý bã lắng đọng. Sản phẩm sau quá trình
Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt Biofilter
Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một
đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện có thể. Nước đến lớp vật liệu
lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
16
của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu
và được làm do vi sinh vật của màng phân huỷ hiếu khí và kị khí các
chất hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ phân huỷ hiếu khí sinh ra
CO
2
và nước, phân huỷ kị khí sinh ra CH
4
và CO
2
làm tróc màng ra khỏi
vật liệu mang, bị nước cuốn theo. Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại
hình thành lớp màng mới. Hiện tượng này được lặp đi lặp lại nhiều lần.
Kết quả là BOD của nước thải bị vi sinh vật sử dụng làm chất dinh
dưỡng và bị phân huỷ kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch.
Trong bể lọc sinh học nhỏ giọt, các vi sinh vật sinh trưởng cố định
trên lớp vật liệu lọc. Bể lọc hiện đại bao gồm một lớp vật liệu dễ thấm
nước với vi sinh vật dính kết trên đó.Nước thải đi từ trên xuống ngược
dòng khí đi từ dưới lên. Nước thải được phân bố đều trên bề mặt nguyên
liệu lọc theo kiểu nhỏ giọt hoặc phun tia. Lượng không khí cần thiết cho
quá trình được cấp vào nhờ quá trình thông gió tự nhiên qua bề mặt hở
phía trên và hệ thống thu nước phía dưới của bể lọc.
Ƣu điểm của công nghệ lọc nhỏ giọt BIOFILTER:
và thời gian tháo nước. Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng
dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học.
Bể SBR hoạt động theo 5 pha.
:
Hình 1.5: Các pha của bể SBR
Copyright: Tài liệu đại học ©