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
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
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
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
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.
•
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).
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
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.
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
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
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).
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
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.
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
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
Copyright: Tài liệu đại học ©