TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOÀ HÓA HỌC

TRỊNH TRỌNG LOAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA CHẾ Đ ộ VẬN HÀNH ĐẾN
HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ CỦA HỆ THỐNG SINH
HỌC
YẾM KHÍ - THIẾU KHÍ - HIẾU KHÍ
m

KHÓA LUẬN
• TỐT NGHỆP
• ĐẠI
• HỌC
•
Chuyên ngành: Hóa Công Nghệ- Môi Trường

HÀ NỘI- 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2

TRỊNH TRỌNG LOAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA CHẾ Đ ộ VẬN HÀNH ĐẾN
HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ CỦA HỆ THỐNG SINH
HỌC YẾM KHÍ- THIẾU KHÍ- HIẾU KHÍ
KHÓA LUẬN TÓT NGHỆP ĐẠI HỌC

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 vẫn không tránh khỏi
những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của các thày cô và các
bạn để khóa luận tốt nghiệp được hoàn thiện tốt hơn.
Hà Nội, Ngày 08 tháng 05 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Trịnh Trọng Loan


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẤT
AO (Anoxic - Oxic)

Thiếu khí - hiếu khí

AAO (Anaerobic - Anoxic - Oxic)

Yếm khí - thiếu khí - hiếu khí

BOD5 (Biochemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy hóa sinh học (5 ngày)

COD (Chemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy hóa hóa học.

CD

Nước thải sinh hoạt

NOD( Nitrogenous oxygen demand)

Nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ

QCVN 14:2008/BTNMT

Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải
sinh hoạt

TCVN 5494 -1995

Tiêu chuẩn Việt Nam

TSS (Total suspended solids)

Tổng chất rắn lơ lửng

SS (Suspended solid)

Hàm lượng chất rắn lơ lửng


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt................................ 6
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn thải nước khu dân cư......................................................... 6
Bảng 1.3. Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích........................................... 7
theo các phương pháp của APHA...................................................................... 7
Bảng 1.4. Yêu càu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT............ 8

1.2. Tổng quan về nitơ trong nước thải sinh hoạt............................................. 8
1.2.1. Sơ lược về chu trình của nitơ trong tự nhiên [3]............................... 8
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi nước.................. 11
1.2.3. Tác hại của nitơ trong nước thải..................................................... 12
1.3. Các quá trình sinh học chuyển hóa các họp chất chứa Nitơ.....................13
1.3.1. Quá trình amon hóa.........................................................................13
1.3.1.1. Amon hóaurê...........................................................................14
1.3.1.2. Amon hóa protein.....................................................................14
1.3.2. Quá trình nitrat hóa..........................................................................15
1.3.2.1. Giai đoạn nitrit hóa..................................................................16
1.3.2.2. Giai đoạn nitrat hóa..................................................................16
1.3.3. Quá trình phản niừat.......................................................................16


1.3.4. Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox)..................................18
1.4. Tổng quan về công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt................. 19
1.4.1. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt................... 19
1.4.2. Cơ sở lí thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải
21

1.4.2.1. Quá trình nitrat hóa..................................................................22
1.4.2.2. Quá trình khử nitrat hóa...........................................................24
1.4.3. Một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt..................26
1.4.3.1. Hệ A O ..................................................................................... 28
1.4.3.2. HệAAO...................................................................................31
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH____________________________ 33
VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu_______________________________ 33
2.1. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................33
2.2. Mục đích nghiên cứu............................................................................... 33
2.3. Nội dung nghiên cứu.............................................................................. 33

nước ngầm có chứa các chất độc hại. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong
nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và các chất bền
tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận.
Hợp chất hữu cơ giàu thành phần cacbon có khả năng sinh huỷ (BOD) khi
tồn tại trong nước với nồng độ lớn là nguồn cơ chất cho các loại vi sinh vật
phát triển. Với các loại vi sinh vật hiếu khí, trong quá trình phát triển và hoạt
động chúng tiêu thụ một lượng oxy tan khá lớn, với mật độ cao sẽ gây đục
nước và khi chết chúng lắng xuống lóp bùn đáy. Trong điều kiện thiếu oxy các
loại vi sinh vật yếm khí phát triển, tạo ra nhiều dạng họp chất có mùi hôi (các
chất có tính khử cao như H2S, metan, axit hữu cơ dễ bay hơi) đầu độc môi
trường nước và không khí vùng xung quanh.
Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các
hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công
nghiệp, nông nghiệp. Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thảnh
phàn dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá
ừầm trọng cho môi trường. Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hoá học vào

1


môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, cũng tương tự như vậy 1 kg
photpho sẽ sinh ra được 138 kg COD dưới dạng tảo chết. Trong nguồn nước
nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy thực
vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn gây ra hiện tượng phú dưỡng
- lượng dinh dưỡng cho thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi trường
nước. Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động liên
tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường không
thể sống đối với thuỷ động vật từ đó gây ô nhiễm môi trường nước. [3]
Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nitơ gồm phương pháp hóa học,
phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. Trong các phương pháp ừên,

so với các thành phàn 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 L/ngày trên đầu người. Tại các vùng
nông thôn, mức độ sử dụng nước thường thấp hơn so với thành phố.
Trong sinh hoạt gia đình, nướcthải bao gồm ba nguồn chính với lưu
lượng gàn 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.
Đặc tính chung của NTSH thường bị ô nhiễm các chất cặn bã hữu cơ,
các chất hữu cơ hòa tan (thông qua các chỉ tiêu BOD, COD), các chất dinh
dưỡng (nitơ, photpho), các vi trùng gây bệnh (ecoli, colifrom..)

3


1.1.2. Phân loại nước thải sinh hoạt [3]
1.1.2.1. 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.
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
ừong nước thải nằm trong khoảng rất rộng, từ vài mm đến mức phần triệu

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 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 - 450 mg/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 nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do nồng
độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp. Thành phần amoni chiếm 60
- 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt.

5


Nồng độ họp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu
lượng nguồn thải: mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các
dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu ừong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt...
Bảng 1.1.sau đây thể hiện các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh
hoạt bao gồm cả ô nhiễm bởi các họp chất chứa nitơ.
Bảng 1.1. Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt

Thànhphần
Chât răn

Nông độ

Đơn vi

mg/1

250 -1000

500

mgã

2 0 -8 5

35

mg/1

1 2 -5 0

22

Nitơ tông (N)
NH3-N

(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và p, Lê Văn Cát, 2007)

Ngoài ra, lượng nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước,
đặc điểm hệ thống thoát nước điều kiện trang thiết bị vệ sinh... và có thể tham
khảo theo bảng 1 .2 .sau đây:
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn thải nước khu dân cư
STT
1


theo các phương pháp của APHA
Các chất (mg/L)

Mức đô ô nhiễm
•

Nặng

Trung bình

Thâp

Tông chât răn

1000

500

200

Chât răn hòa tan

700

350

120

Chât răn không hòa tan


DO

0

0

0

Tông N

85

50

25

Nito hữu cơ

35

20

10

Nito amoniac

50

30


100

50

Chât béo

40

20

0

8

-

T-P

-

T----------------------------------------- 1----------------------------------------------

\--------------------------------1--------------------------------------------

(Nguôn: Giảo trình công nghệ xử lỷ nước thải, Trân Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 2002)

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phần ô nhiễm chính đặc
trưng ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, nitơ, photpho, ss, TOC chất tẩy

7

mg/L

5-9

5-9

2

BOD

mg/L

30

50

3

Chất rắn lơ lửng

mg/L

50

100

4

Tổng chất rắnhòatan



8


các dạng họp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ. Trong môi trường hiếu khí, thực
vật chết và protein động vật bị vi sinh vật phân hủy, thải ra amoniac và
amoniac bị oxy hóa thành nitrit, nitrat. Nitrat, amoniac từ phân hủy hiếu khí và
từ quá trình cố định đạm tham gia xây dựng tế bào thực vật, vi sinh vật nằm
dưới dạng hợp chất hữu cơ. Chất hữu cơ chứa nitơ trong thực vật, vi sinh vật
được động vật tiêu thụ để sản xuất protein. Đó là chu trình nitơ tổng thể. Mặc
dù nhóm vi sinh vật cố định đạm từ khí nhỏ nhưng chúng có vài trò khá quan
trọng, nổi bật trong trường hợp thiếu đạm.
Trong môi trường nước, sự chuyển hóa của hợp chất nitơ có những nét
đặc trưng riêng.
Họp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các
hoạt động của con người dưới dạng họp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin,
protein, urin...) các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo
thành amoniac.
Trong điều kiện nước chảy, amoniac sẽ chuyển hóa hoặc dịch chuyển theo
một trong ba phương thức:
- Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật có rễ để
tạo ra sinh khối.
- Bay hơi vào không khí dưới dạng khí amoniac nếu áp suất riêng của nó
trong không khí thấp hơn mức bão hòa (hầu như luôn tồn tại). Mức độ bay
hơi trước hết phụ thuộc vào pH của môi trường. Amoniac là một bazơ yếu có
cường độ bazơ là 9,25. Tại pH = 9,25 thì 50% nồng độ tồn tại ở dạng trung
hòa (NH3) có khả năng bay hơi và 50% tồn tại ở dạng ion amoni (NH4+)
không bay hơi. Tại pH = 7,2 tỉ lệ nồng độ giữa dạng ion và trung hòa là
100/1, ngược lại tại pH = 11,25 thì tỉ lệ trên là 1/100. pH cao là điều kiện cần để
amoniac trong nước tồn tại ở dạng bay hơi. Sục khí và nhiệt độ cao thúc đẩy

Loại vi sinh tự dưỡng thực hiện phản ứng oxy hóa amoniac với oxy để sản
xuất năng lượng cho mục đích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển. Quá
trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa. Loại vi sinh tùy
nghi, dị dưỡng khử nitrit và nitrat với chất hữu cơ (chất cho điện tử) và tạo

10


thành khí nitơ. Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương
pháp sinh học

Hợp chất Nitơ
( Protein, urê)
Phân hủy vi sinh thủy phân
Tao sinh
khôi

Amoniac

Tế bào Nitơ hữu cơ

Tế bào thưc

Phân hủy nội sinh

Chất hữu cơ cacbon

Hình 1.1. Chu trình Nitơ
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nìtơ trong môi nước
Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi

Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng amoni hydroxit (NH4OH) và
sẽ phân ly thành ion NH4+và OH\ Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng
nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng
ion amoni. Nitơ không những chỉ có thể gây ra các vấn đề phú dưỡng mà khi chỉ
tiêu N - NO3- trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45 mg/1 sẽ gây ra mối đe doạ
nghiêm ừọng đối với sức khỏe con ngưòi Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng
định khi hàm lượng NO3- trên 45 mg/L sẽ khiến cho dân cư dùng thường xuyên
nguồn nước này bị mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu
đường.

12


Trong đường ruột trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển hoá
nitrat thành nitrit. Nitrit có ái lực với hồng càu trong máu mạnh hom oxy, khi
nó thay thế oxy sẽ tạo thành methermoglobin, họp chất này không thể nhận oxy
và gây ra bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ (methemoglobinemia), thậm chí có thể gây tử
vong. Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được

6

tháng tuổi dễ bị mắc

căn bệnh này vì hàm lượng enzym methaemoglobin reductase tương đối thấp - đây
là một loại enzym có khả năng chuyển hoá methermoglobin ừở lại thành
hemoglobin.
Ngoài Mỹ, một số nước Đông Ầu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh
hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao. Ví dụ tại Transylvania ở Rumani ừong thời
gian từ 1990 - 1994 trung bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363
ca nhiễm độc. Độ nguy hiểm của N 03- đã khiến người Mỹ quy định ừong Đạo

CO(NH2)2 + 2 H20 ^ (NH4)2C0 3 ( Giai đoạn 1)
(NH4)2C0 3 —> 2 NH3 + CO2 + H2O ( Giai đoạn 2)
Một số loài vi khuẩn có khả năng amon hóa urê, chúng đều tiết ra enzym
ureaza. Trong đó có một số loài phân giải cao như: Micrococcus ureae,
Bacillus amylovorum, Proteus vulgaris.... Đa số chúng thuộc nhóm hiếu khí
hoặc kỵ khí không bắt buộc, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm.
1.3.1.2. Amon hóa protein
Protein là thảnh phần quan trọng của tế bào sinh vật. Protein chứa 15 17% Nitơ nhưng cây ừồng và thực vật nước không thể hấp thụ trực tiếp
protein mà phải thông qua sự phân hủy của vi sinh vật. Quá trình này có thể
xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy
protein có khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase.
Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết peptit (-CO-NH-)n trong
phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là acxit amin.
Dưới tác dụng của enzyme proteinase, phân tử protein sẽ được phân giải
thành các polypeptit và oligopeptit. Sau đó dưới tác dụng của enzym

14


pedtidase các polypedtit và oligopeptit sẽ được phân giải thành các axit amin.
Một phần axit amin sẽ được tế tào vi sinh vật hấp thu làm chất dinh dưỡng.
Phần khác sẽ thông qua quá trình khử amin tạo thành NH3 và nhiều sản phẩm
trung gian khác. Sự khử amin có thể xảy ra theo các phương thức sau:
R-CH(NH2)COOH

R-CHCOOH + NH3

R-CH(NH2)COOH + H20 -> R -C H 2OH-COOH
R-CH(NH2)COOH + ^/1 0 2 —* R -C O -C O O H


HNO2 + O2 —> 2 HNO3 (giai đoạn 2 )

Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn
thành các chất bẩn hữu cơ.

15


Quá trình nitrit hóa còn có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý
nước thải. Quá trình nitrat hóa tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể
dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do (oxy
hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn.
1.3.2.1. Giai đoạn nỉtrỉt hóa
Là giai đoạn oxy hóa NĨỈ4+ tạo thành NO2' được tiến hành bởi các vi
khuẩn nitrit hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+
bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng.
NĨÍ4+ +

3/ 2 O2

—> NO2 + H20 + 2 H+ + Năng lượng

Năng lượng để đồng hóa CO2 tạo ra cacbon hữu cơ. Enzym xúc tác cho
quá trình này là các enzym của quá trình hô hấp hiếu khí. Nhóm vi sinh vật
nitrite hóabao gồm bốn chi khác nhau: Niừosomonas, Nitrozocystis,
Nitrozolobus, Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có
khả năng sống trên môi trường có chất hữu cơ.
1.3.2.2. Giai đoạn niừat hóa
NO2' tạo ra tiếp tục được oxy hóa thành NO3' bởi nhóm vi khuẩn niừat
hóa. Đây cũng là các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxy