Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình đại học và thực hiện tốt khóa luận tốt
nghiệp, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý
thầy cô trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 cùng các thầy cô viện Công nghệ
Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu và
thầy cô giáo trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tận tình dạy bảo truyền đạt
những kiến thức bổ ích cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Ths. Lê Cao Khải đã dành nhiều thời
gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp em hoàn thành khóa luận tốt
nghiệp này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh, chị cùng cán bộ viện Công
nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo
điều kiện cho em xây dựng mô hình nghiên cứu và tiến hành thực nghiệm
được tốt nhất.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện khóa luận tốt nghiệp bằng
tất cả nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô giáo
và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2013

Trần Thị Nga

Sinh viên: Trần Thị Nga

Lớp K35C - Hóa Học


Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát
nước
Bảng 2: Thành phần nước thải khu dân cư
Bảng 3: Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT
Bảng 4: Kết quả phân tích một số chỉ tiêu trong nước thải
Bảng 5: Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt
Bảng 6: Nồng độ NH4+ và NO2- gây cho nitrobacter

Sinh viên: Trần Thị Nga

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AO: Anoxic - Oxic
BOD (Biochemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxygen sinh hóa
BOD5: Là lượng oxy cần thiết để oxy hóa hết các chất hữu cơ và sinh hóa do

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
SINH HOẠT .................................................................................................... 3
1.1.Tổng quan về nước thải sinh hoạt ............................................................... 3
1.1.1.Nguồn phát sinh của nước thải................................................................. 3
1.1.2.Lưu lượng và thành phần nước thải sinh hoạt phân tán ........................... 3
1.2.Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi trường nước và trạng thái
tồn tại của nitơ trong môi trường nước thải ..................................................... 6
1.2.1.Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi trường nước ............... 6
1.2.2.Trạng thái tồn tại của nitơ ........................................................................ 8
1.3.Tác hại của nitơ trong nước thải .............................................................. 12
1.3.1.Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng ........................................ 12
1.3.2.Tác hại của ô nhiễm nitơ đối với môi trường ........................................ 13
1.4.Tổng quan về công nghệ xử lý nitơ trong nước thải ................................. 13
1.4.1.Các phương pháp được ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt ............ 13
1.4.2.Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải hiện nay .......................... 15
1.4.2.1.Phương pháp Clo hóa đến điểm đột biến ............................................ 15
1.4.2.2.Phương pháp thổi khí ở pH cao .......................................................... 17
1.4.2.3.Phương pháp sinh học ......................................................................... 18
1.4.3.Xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học......... 18
1.4.4.Một số qui trình cơ bản ứng dụng trong xử lý nitơ trong nước thải bằng
phương pháp sinh học .................................................................................... 25
1.4.5.Ưu điểm công nghệ ................................................................................ 29
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........ 30
2.1.Đối tượng và mục đích nghiên cứu ........................................................... 30
2.1.1.Đối tượng nghiên cứu............................................................................. 30
Sinh viên: Trần Thị Nga

Lớp K35C - Hóa Học


3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ T -N đến hiệu suất xử lý T - N ở bể kỵ khí .. 45

Sinh viên: Trần Thị Nga

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ T -N đến hiệu suất xử lý T - N ở bể thiếu
khí ............................................................................................................ 46
3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ và tải lượng T-N đến hiệu suất xử lý T -N
tổng ....................................................................................................... 47
3.5. Ảnh hưởng của dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý T -N ................ 49
3.5.1. Ảnh hưởng dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý T -N ở bể thiếu khí .. 49
3.5.2. Ảnh hưởng dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý T -N ở bể kỵ khí ...... 50
3.5.3. Ảnh hưởng dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý T -N ở bể hiếu khí ... 50
3.5.4. Ảnh hưởng dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý T -N tổng ............. 51
KẾT LUẬN ................................................................................................... 52
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 60

Sinh viên: Trần Thị Nga

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Sinh viên: Trần Thị Nga

1

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

nước xả ra. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phải thấp hơn giá trị
giới hạn cho phép quy định xả ra các loại nguồn nước mặt khác nhau.
Một trong những chỉ tiêu cần phải đạt được là hàm lượng nitơ trong
nước thải. Mà hàm lượng cho phép của các thành phần dinh dưỡng N, P được
quy định khá ngặt nghèo trong tiêu chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như
của Việt Nam.
Theo TCVN 67772: 2000 thì N - NH4+ không lớn hơn 0,05 mg/l với
nguồn loại A và 1 mg/l với nguồn loại B. Hàm lượng niơ trong nước thải cao
làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đến môi trường và với các quá trình
xử lý khác trong trạm xử lý nước thải. Vì vậy, trong xử lý nước thải ngoài
việc xử lý các thành phần ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD), SS… Việc xử lý các
thành phần dinh dưỡng N, P cũng là yêu cầu rất quan trọng.
Có nhiều biện pháp để khử niơ trong nước thải. Trong giới hạn chuyên
đề này, tôi đưa ra biện pháp sinh học để khử niơ trong nước thải sinh hoạt
phân tán bằng tổ hợp kỵ khí - thiếu khí - hiếu khí.

Sinh viên: Trần Thị Nga

2

-Thành phần: 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

Sinh viên: Trần Thị Nga

3

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

cho một người dân xả vào hệ thống thoát nước trong một ngày theo bảng 1
sau đây.
Bảng 1: Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống
thoát nước (theo quy định của TCXD 51:2007)

Các chất

Giá trị, gam/ngày.đêm

Chất lơ lửng (SS)

60,65

BOD5 của nước thải chưa lắng

Bảng 2: Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư
Chỉ tiêu

Trong khoảng

Trung bình

350-1.200

720

Chất rắn hòa tan (TDS), mg/l

250-850

500

Chất rắn lơ lửng(SS), mg/l

100-350

220

BOD5 mg/l

20-85

220

Tổng nitơ, mg/l


30-100

50

Độ kiềm, mg CaCO3/l

50-200

100

Tổng chất rắn (TS), mg/l

Tổng photpho, mg/l

8

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phần ô nhiễm chính đặc
trưng của nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, nitơ, Photpho, SS,TSS chất tẩy
rửa, trong nước sinh hoạt hàm lượng nitơ và photpho rất lớn (từ 50 đến 55%),
chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có vi sinh vật gây bệnh phát triển, tổng số
coliform từ 106 đến 109 MPN/100ml, fecal từ 104 đến 107 MPN/100ml. Nếu
không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng.
Đồng thời trong nước thải còn có nhiều vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ, cần
thiết cho các quá trình chuyển hóa chất bẩn trong nước. Một yếu tố gây ô
nhiễm ô nhiễm quan trọng trong nước thải sinh hoạt chứa phân từ động vật
các loài mầm bệnh được lan truyền bởi các vi sinh vật.
Như vậy nước thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và các cơ sở
dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn cao,
Sinh viên: Trần Thị Nga


Mức B

1

pH

mg/l

5-9

5-9

2

BOD

mg/l

30

50

3

Chất rắn lơ lửng

mg/l

50


10

7

Nitrat

mg/l

30

50

1.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi trường nước và
trạng thái tồn tại của nitơ trong môi trường nước thải.
1.2.1 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi trường nước
Nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nitơ trong nước theo đánh giá
của các nhà khoa học là từ các nguồn: nước thải sinh hoạt, nước thải công
nghiệp có chứa các hợp chất nitơ, phân bón sử dụng trong sản xuất nông
nghiệp. Bên cạnh đó, rác thải ở nhiều khu dân cư không được thu gom và
xử lý đã tác động tới nguồn nước.
Kết quả phân tích nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện… ở các
đô thị và khu dân cư khu vực phía bắc của Bộ môn Cấp thoát nước - Môi
trường nước của Đại học Xây dựng cho thấy nồng độ N - amoni trong các
loại nước thải này là khá cao (bảng 4).
Sinh viên: Trần Thị Nga

6

Lớp K35C - Hóa Học


2

Hàm lượng cặn lơ lửng

100 - 250

150 - 350

100 - 250

(mg/l)
3

DO (mg/l)

0,5 - 2,0

0 - 1,5

0,5 - 2,0

4

BOD5 (mg/l)

80 - 250

150 - 350


1,5 - 4,0

8

Coliform. MPN/100 ml

104 - 107

105 - 107

104 - 107

Một nguồn thải chính khác góp phần đáng kể gây ô nhiễm nitơ trong
nước là từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp. Ở nước ta đang sử dụng trên 9
triệu ha đất nông nghiệp, hàng năm phải bón ít nhất từ 5 - 7 triệu tấn phân bón
hóa học. Như vậy, từ phân bón hóa học (ure, lân, kali) sẽ có một lượng dư
thừa lớn, có tới hàng nghìn tấn các hợp chất N, P, K trong đất mỗi năm và sẽ
rửa trôi theo dòng sông, ngòi, mương rãnh ảnh hưởng đến nguồn cấp nước
sinh hoạt hoặc ngấm xuống gây ô nhiễm tầng nước ngầm.
Hiện nay, trong các ngành sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi được đưa
lên thành sản xuất hàng hóa lớn, năm 2010 đàn trâu trên 2,9134 triệu con, bò
5,9163 triệu con, lợn 27,37 triệu con, gia cầm 300,5 triệu con. Như vậy mỗi
năm có trên 100 triệu tấn phân và nước thải từ chăn nuôi góp phần làm mất vệ
sinh và ô nhiễm môi trường, đặc biệt các nguồn thải này đều có hàm lượng
nitơ - amoni rất cao.

Sinh viên: Trần Thị Nga

7



Sinh viên: Trần Thị Nga

8

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nitơ phân tử N2
Cố định nitơ
N-Protein thực vật

N-Protein động vật

Amôn hóa
NH4+ hoặc NH3
Khử nitơrat
+ O2

Nitrit hoá
NO3-

Nitrat hoá

NO2-



Trường ĐHSP Hà Nội 2

Sau đó bị thối rữa:
(NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O

(2)

Như vậy NH3 chính là lượng nitơ amoni trong nước thải. Trong điều
kiện yếm khí amoniac cũng có thể hình thành từ nitrat do các quá trình khử
nitrat của vi khuẩn Denitrificans.
Lượng chất bẩn nitơ amoni (N-NH4) một người trong một ngày xả vào
hệ thống thoát nước: 7g/ng.ngày
Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư.
Bảng 5. Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất nitơ trong nước thải sinh
hoạt

Chỉ tiêu

Trung bình

Tổng Nitơ, mg/l

40

- Nitơ hữu cơ, mg/l

15

- Nitơ Amoni, mg/l


Sinh viên: Trần Thị Nga

10

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Các phương trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá được biểu
diễn như sau:
NH4+ + 1,5O2

Nitrosomonas

NO2- + H2O + 2H+

NO2- + 0,5O2

Nitrobacter

NO3-

NH4+ + 2O2

NO3- + H2O + 2H+



Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khi thiếu oxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách oxy
khỏi nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình oxy hoá các chất hữu cơ
khác. Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vi khuẩn
yếm khí tuỳ tiện). Trong điều kiện không có oxy tự do mà môi trường vẫn còn
chất hữu cơ cácbon, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho
quá trình oxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình khử nitrat được biểu diễn theo
phương trình phản ứng sau đây:
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ

5CO2 + 2N2 + 2H2O

Trong quá trình phản nitrat hoá, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O2 (khử
nitrit) và 2,85g O2 (khử nitrat).
1.3 Tác hại của nitơ trong nước thải
1.3.1Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng
Trên bình diện sức khoẻ nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên
hiệu ứng về môi trường. Sự có mặt của nitơ trong nước thải có thể gây ra
nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước
thải có nhiều amoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm
giảm lượng oxy hoà tan trong nước. Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng
thêm hàm lượng photpho có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có
màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxy hoà tan trong nước giảm mạnh gây
ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.
Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào
trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy
hiểm. Nitrat tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo
thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ

Sự có mặt của nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm
hiệu qủa làm việc của các công trình. Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại
hoá chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người.
Với đặc tính như vậy việc xử lý nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là
vấn đề đáng được nghiên cứu và ứng dụng. Vấn đề này đã được các nhà
nghiên cứu, các học giả đi sâu tìm hiểu.
1.4 Tổng quan về công nghệ xử lý nitơ trong nước thải.
1.4.1 Các phương pháp được ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt.
Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt hiện nay được chia thành:
+ Phương pháp cơ học : được sử dụng để tách các tạp chất không hòa
tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Các công trình xử lý
cơ học bao gồm: thiết bị chắn rác, bể điều hòa, bể lắng, lọc, vớt dầu mỡ…
Sinh viên: Trần Thị Nga

13

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp
+

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Phương pháp hóa lý: có bổ sung thêm hóa chất từ ngoài vào, bao

gồm phương pháp keo tụ tạo bông, trung hòa, tuyển nổi, hấp thụ, hấp phụ,
trao đổi ion, oxi hóa khử, phương pháp điện hóa…
+


Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

+ Bể điều hòa: Dùng để điều hòa lưu lượng cũng như nồng độ nước
thải. Trong bể có hệ thống khuấy trộn để đảm bảo hòa tan và san đều nồng độ
các chất bẩn trong thể tích toàn bể không cho cặn lắng trong bể.
- Xử lý sinh học: Mục đích quá trình xử lý sinh học và lợi dụng các
hoạt động sống và sinh sản của vi sinh vật để khử các hợp chất hữu cơ chứa
cacbon, nitơ, photpho trong nước thải đây là bước xử lý quan trọng cho nước
thải sinh hoạt quyết định chất lượng đầu ra. Với hiệu suất xử lý khá cao 9099% ít sử dụng hóa chất, chi phí xử lý thấp hơn so với các phương pháp khác.
Có rất nhiều công nghệ xử lý khác nhau được áp dụng cho bước xử lý
sinh học nước thải như dung bể thổi khí liên tục (aeroten) bể SBR công nghệ
kết hợp quá trình thiếu khí và hiếu khí (AO)…
Xử lý bùn cặn trong nước thải: Trong nước thải có các chất không hòa
tan như cát, cặn lắng…được phơi khô hoặc ép làm giảm thể tích và vận
chuyển về bãi chôn lấp.
Giai đoạn khử trùng: Nhằm tiêu diệt vi sinh vật có hại là giai đoạn bắt
buộc với một số loại nước thải nhằm đảm bảo nước khi thải ra ngoài không
gây hại đến môi trường.
Xử lý mùi phát tán: Mùi sinh ra ở các bể thu gom nước thải ban đầu được
thu gom và xử lý qua tháp hấp thụ trước khi thải ra môi trường không khí.
1.4.2 Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải hiện nay
Đã có nhiều phương pháp nhiều công trình xử lý nitơ trong nước thải
được nghiên cứu và đưa vào vận hành trong đó có cả các phương pháp hoá lý
(sục khí đuổi amoniac trong môi trường kiềm, xử lý nitơ tồn tại dưới dạng
NH4+), hóa học (oxy hóa bằng các chất oxi hóa gốc Clo) hoặc sinh học.


Lúc này lượng Clo dư trong nước sẽ giảm tới giá trị nhỏ nhất vì xảy ra sự

Lượng Clo dư

phân hủy cloramin, điểm tương ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến.

0

D

●B
●C
●A
Phản ứng
Với Fe2+, S2-

NH3 → amin

amin

N2

Lượng Clo cho vào mg/l
Clo dư

Hình 3: Đường cong Clo hóa tới điểm đột biến đối với nước có amoni

Sinh viên: Trần Thị Nga


trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, tuy nhiên khó có thể
xử lý triệt để N-amoni trong nước như: phương pháp trao đổi ion, phương
pháp ozon hóa với chất xúc tác Bromua [6]. Tuy nhiên, chi phí xử lý của các
phương pháp này quá cao, cũng như hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào thành
phần của nước nên không phù hợp trong xử lý nước thải.

Sinh viên: Trần Thị Nga

17

Lớp K35C - Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.4.2.3 Phương pháp sinh học
Ngày nay, phương pháp sinh học đã trở thành phương pháp chủ đạo
trong xử lý nitơ trong nước thải, do những ưu điểm của nó như sau:
 Hiệu quả xử lý đạt rất cao, có thể đạt 90 - 99%.
 Ít sử dụng hóa 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 cao.
Trong phương pháp này, amoni sẽ bị chuyển hóa thành nitrat rồi N2 nhờ
hoạt tính của vi sinh vật trong tự nhiên. Cơ sở lý thuyết cũng như các sơ đồ
công nghệ được áp dụng trong xử lý nitơ trong nước thải được trình bày chi
tiết trong phần tiếp theo.
1.4.3 Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học
Cơ sở lý thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải.