TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
•__

NGUYỄN ĐÌNH ĐÔNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG
NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG THIÉT
BỊ S46 CỦA HÃNG SLUDGEHAMER

KHOÁ LUÂN
TỐT NGHIÊP
ĐAI
HOC
•
•
•
•
Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trường
Người hướng dẫn khoa học
ThS. LÊ CAO KHẢI

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt khoá 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 Mồi trường Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn ThS. Lê Cao Khải đã dành

1.1.3. Phân loại nước thải sinh hoạt................................................................5
1.1.4. Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt..................................5
1.2. Tổng quan về nitơ trong nước thải sinh hoạt............................................ 8
1.2.1. Trạng thái tồn tại của nitơ trong nước thải........................................... 8
1.2.2. Tác hại của ô nhiễm nitơ đối với mồi trường.......................................9
1.2.3. Tác hại của nitơ đối vói quá trình xử lý nước..................................... 10
1.3. Tổng quan về xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt.................................10
1.3.1. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt...................... 10
1.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước............ 13
1.3.3. Các phương pháp xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong nước.... 17
1.3.3.1. Phương pháp lọc sinh học thiếu khí - hiếu khí............................. 17
1.3.3.2. Phương pháp SBR.......................................................................... 19
1.3.3.3. Phương pháp mương oxi hóa........................................................20
CHƯƠNG 2 . ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀPHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
22


2.1. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................22
2.2. Mục đích nhiên cứu.................................................................................22
2.3. Nội dung nghiên cứu...............................................................................22
2.4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................22
2.4.1. Phương pháp tài liệu kế thừa..............................................................22
2.4.2. Phương pháp phân tích

...............................................................22

2.4.3. Phương pháp thực nghiệm..................................................................23
2.4.3.1. Mô hình thực nghiệm.....................................................................23
2.4.3.2. Hệ thống thiết bị trong thực tế .......................................................25
2.4.3.3. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý của hệ nghiên cứu............ 25


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD (Biochemical Oxigen Demand)

Nhu cầu oxi sinh hóa

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

COD (Chemical Oxigen Demand)

Nhu cầu oxi hóa học

DO

Oxi hòa tan

SBR (sequencing batch reactor)

Bể phản ứng theo mẻ

NTSH

Nước thải sinh hoạt

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

ngầm có chứa các chất độc hại. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường là các chất có
khả năng chuyển hóa thành các chất khác nhau 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 hủy (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 trinh phát triển và hoạt động
chúng tiêu thụ một lượng oxi hòa tan khá lớn, với mật độ cao sẽ gây đục nước và
khi chết chúng lắng xuống lớp bùn đáy. Trong điều kiện thiếu khí 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 với sự sống và trong rất nhiều
ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Họp chất hóa học như nitơ,
photpho được gọi là thành phần dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối
tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường. Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng
họp chất hóa học vào 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 dưói dạng tảo chết. Trong
nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo

1


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

và các thủy 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, oxi hòa tan)
biến động liên tục và mạnh mẽ là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi

Khóa luận tôt nghiệp

phốt.Với hệ thống vận hành đơn giản, chi phí lắp đặt ít tốn kém mà lại cho hiệu
suất cao nên chúng tôi quyết định sử dụng thiết bị S46 để nghiên cứu xử lý nitơ
trong nước thải sinh hoạt. Xuất phát từ lý do đó tôi chọn đề tài:
“Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng thiết bị S46 của hãng
SludgeHammer” làm đề tài nghiên cứu.

3


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1.

Tồng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1. Nguồn gốc nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng ngày của
con người như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ăn,... Ở Việt Nam lượng nước thải
này trung bình khoảng 120 - 160 líưngười/ngày. NTSH được thu gom từ các căn
hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, khu dân cư, cơ sở kinh doanh, chợ, các công
trình công cộng khác và ngay chính trong các cơ sở sản xuất. NTSH ở các trung
tâm đô thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các
vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên thường

cũng cho thấy hiện trạng môi trường nước nhiều nơi bị ô nhiễm nghiêm trọng.
Miền Bắc tập trung đông dân cư (đặc biệt là Đồng bằng sông Hồng) lượng nước
thải đô thị lớn hầu hết của các thành phố đều chưa được xử lý và xả trực tiếp vào
các kênh mương và chảy thẳng ra sông.
1.1.3. Phân loai
• nước thải sinh hoat
•
Thông thường nước thải sinh hoạt được chia làm hai loại chính: nước đen và
nước xám.
+) Nước đen: là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm
chủ yếu là các chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và các cặn lơ lửng.
+) Nước xám: lá nước phát sinh từ quá trình tắm, rửa, giặt vói thành phần các
chất ô nhiễm không đáng kể.
1.1.4. Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích
sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,... chúng thường
được thải ra từ các các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công
trình công cộng khác. Lượng nước thải sinh họat của khu dân cư phụ thuộc vào
dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Thành
phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

5


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

- Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh.
- Nước thải nhiễm bẫn do các chất thải sinh họat: cặn bã từ nhà bếp, các chất

Khóa luận tôt nghiệp

Tại các đô thị lớn của nước ta, hệ thống thu gom và thoát nước được xây
dựng chủ yếu từ thòi Pháp thuộc. Các đường ống nước thải và nước mưa đều
chung nhau, điều này gây khó khăn rất lớn đến việc thu gom và xử lý nước thải
sinh hoạt. Ngoài những nguyên nhân do vấn đề lịch sử mà còn do sự quy hoạch
dân cư chưa họp lý nên nước thải sinh hoạt phát sinh phân tán nhỏ lẻ từ các hộ
dân cư không được xử lý chảy ra các sông hồ mà còn do hiện nay vẫn còn thiếu
các hệ thống xử lý nước thải với quy mô nhỏ, gọn, chi phí vận hành họp lý.
Bảng 1. Các thông số ô nhiễm chính của nước thải sinh hoạt
STT

Thông số

Giá tri• điển hình
6,2 - 8,1

2

COD, mg/1

150-300

3

BOD5, mg/1

10 0 -20 0

4

sinh như các chất hữu cơ cần nhiều oxi để các loài vi sinh phân giải được thể
hiện ở chỉ tiêu BOD5 không nhỏ. Giá trị BOD5 của nước thải đều vượt giói hạn
của QCVN 14:2008/BTNMT cho phép từ 4 đến 7 lần (200 - 350 mg/1). Mặt
khác các thông số T - N, T - p, tổng Coliíòrm đều vượt quy chuẩn thải cho phép.
Nước thải sinh hoạt mặc dù hàm lượng ô nhiễm không cao như các loại nước

7


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

thải đặc thù khác nhưng khối lượng nước thải thải ra môi trường lớn, dẫn đến tải
lượng ô nhiễm rất lớn.
1.2.

Tồng quan về nitơ trong nước thải sinh hoạt

1.2.1. Trạng thái tồn tại của nitơ trong nước thải
Trong nước thải, các họp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu
cơ, amoni và các họp chất dạng oxy hoá (nitrit và nitrat). Trong nước thải sinh
hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%). Nguồn nitơ chủ yếu là
từ nước tiểu. Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước
tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số. Trong số đó nitơ trong urê là 0,7g, còn
lại là các loại nitơ khác.
Bảng 2. Các chỉ tiêu trung bình các họp chất nỉtơ trong nước thải sinh hoạt
Trung bình (mg/1)

Chỉ tiêu

8


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Nitrat (NO3'): là dạng họp chất nitơ có hóa tri cao nhất và có nguồn gốc
chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực
phẩm, hóa chất,... chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông, hồ
chúng tiếp tục bị nitrat hóa, tạo thành nitrat.
Nitrat hóa là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ
chứa nitơ. Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý
nước thải bằng phương pháp sinh học.
Mặt khác, quá trình nitrat hóa còn tạo nên sự tích lũy oxi trong họp chất nitơ
để cho các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxi hòa tan
trong nước rất ít hoặc bị hết.
Khi thiếu oxi và tồn tại nitrat hóa sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách oxi khỏi
nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ khác.
Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hóa (vi khuẩn yếm
khí tùy tiện). Trong điều kiện không có oxi tự do mà môi trường vẫn còn chất
hữu cơ, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxi các chất hữu cơ.
4NO3' + 4H+ + 5Chữucơ --------> 5CO2 + 2N 2 + 2H2O

1.2.2. Tác hại của ô nhiễm nỉtơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh
dưỡng. Do vậy, nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du
như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxi trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất
lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất
độc trong nước như NIỈ4+, H2S, C 02, CH4,... tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích

làm thoáng, kết tủa bằng điện cực, thẩm thấu ngược,... các phương pháp này
cho hiệu suất không được cao.
+ Phương pháp hóa lý: sục khí đuổi amoniac trong mồi trường kiềm, xử lý
nitơ tồn tại dạng NĨỈ4+,...
+ Phương pháp hóa học: oxy hóa bằng các chất oxy hóa gốc clo, đông tụ hóa
học, trao đổi ion chọn lọc vói NO3',...
+ Phương pháp sinh học: sử dụng các vi sinh vật có sẵn trong nước thải hoặc
bổ sung thêm các chủng, giống vi sinh vật để nâng cao hiệu suất xử lý nước thải.
Các phương pháp sinh học có thể duy trì trong các điều kiện yếm khí (không có
oxi) thiếu khí và hiếu khí.

10


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Bảng 3. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải

Hiệu suất xử lý nitơ (%)

Các phương
pháp xử lý

Nito dạng hữu
cơ

Hiêu suất


thụ nitơ
Quá trình khử
nitrat

40 - 70%

0

0

80 - 90%

Thu hoạch sinh

Thu hoạch

khối

sinh khối

Chủ yếu chuyển
Thu hoạch tảo

hóa thành NH3 NH4+

Quá trình

Xử lý có giới

Chuyển hóa


các quá trình

trình làm thoáng

nitrat và khử

n h 4+

20 - 29%

nitrat

Các phương pháp hóa học
Châm clo

Kém ổn định

90 - 100%

0

80 - 95%

Đông tụ hóa

50 - 70%

Hiệu suất thấp



80 - 97%

0

70 - 95%

Hiệu suất thấp

75 - 90%

70 - 90%

Trao đổi ion
có chọn lọc

Hiệu suất thấp

vói nitrat
Các phương pháp vật lý
Lọc

30 - 95% N
dạng cặn hữu cơ

Làm thoáng

0

Kết tủa bằng


60 - 90%

60 - 90%

80 - 90%

12


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

1.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình sinh học xử lý nìtơ trong nước
Phương pháp sinh học xử lý nitơ trong nước thải được thực hiện qua hai quá
trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá. Trong đó, quá trình nitrat hoá
chuyển hoá amoni thành nitrat, còn quá trình khử nitrat chuyển hoá nitrat thành
nitơ tự do N2.
❖

Quá trình nỉtrat hoá
- Vi sinh vật và điều kiện của quá trình nỉtrat hoá
Yi sinh vật của quá trình nitrat hoá thuộc hai nhổm vi sinh vật: Nitrosomonas

và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hoá năng vì chúng nhận được năng
lượng cho sự sinh trưởng và tổng họp tế bào phần lớn là từ quá trình oxy hoá các
hợp chất cacbon vô cơ (HCO3' là chính) và nitơ vô cơ. Ngoài ra chúng tiêu thụ
mạnh oxi (vi khuẩn hiếu khí).
Cả hai nhóm vi sinh vật này đều có những yêu cầu khá đặc trưng đối với các


(1.3)


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Như vậy, 1 mol NIỈ4+ tiêu thụ 2 mol Ơ2 hay 1 g N - NĨỈ4+ tiêu thụ 4,57 g O2,
1 mol NH4+ tạo thành 1 mol NO3', 1 mol NIỈ4+ tạo thành 2 mol H+. Lượng H+
tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3', như vậy lg N - NIỈ4+ tiêu thụ 7,14 g độ
kiềm (quy về CaCƠ3). Các phương trình (1.2 và 1.3) không tính đến quá trình
sinh tổng hợp.
Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn) ta có:
1,02NH4+ + 1,8902 + 2,02HCO3- - vsv

Ì 7O2N + IOONO3- +

+ 1,92H2C03 + IO 6H2O

(1.4)

Như vậy, 1 gam N - NIỈ4+ tiêu thụ 4,3 g O2, 1 g N - NIỈ4+ tiêu thụ 7,2 g độ
kiềm (quy về CaCƠ3).
Từ phương trình (1.4) ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá trình nitrat hoá
là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hoá.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá
+ Ảnh hưởng của pH tới quá trình nitrat hoá
Thực nghiệm cho thấy pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình nitrat hoá. Nghiên
cứu của Grady và Lim cho thấy vi khuẩn nitrat hoá rất nhạy cảm với pH, đối với


bị ức chế khi nồng độ NH3 đạt 0,1-1 mg/1 và ở nồng độ NH3 từ 5 - 20 mg/1, quá
trình oxy hóa NIỈ4+ cũng bị ức chế. Tuy nhiên, Ford cùng nhóm nghiên cứu
(1980) lại cho số liệu về nồng độ gây ức chế quá trình oxy hóa nitrit cao hơn
nhiều (10 - 150 mg NH3/I). Sự có mặt của NO2' và pH thấp sinh ra HNO2 không
phân li, đây là tác nhân gây ức chế quá trình oxy hoá nitrit. Alleman (1985) cho
thấy khi nồng độ nitrit cao tói 27 mg/1 thì Nitrobacter bị ức chế mạnh hơn
Nỉtrosomonas. Alleman cũng cho rằng nhiệt độ thấp, oxi hoà tan (DO) thiếu và
CO2 cao, sự có mặt của NH3 tự do và dư lượng bùn làm giảm tốc độ phát triển
của Nitrobacter và kéo theo sự giảm oxy hóa nitrit. Ngoài ra, sốc amoni và sự
khử nitrat có thể gây ra sự tích luỹ chất độc NO2'. Đó là do Nỉtrosomonas ít nhạy
cảm hơn đối với sốc NH3 và nhanh thích nghi hơn Nitrobacter dẫn tới sự tích luỹ
nitrit trong hệ.
♦♦♦ Quá trình khử nitrat hoá
- Vi sinh vật và điều kiện của quá trình khử nitrat hoá
Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng oxi từ nitrat nên
gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị dưỡng nghĩa là cần
nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới.
Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:

15


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

NO3 -► N 0 2 -> NO(k) -> N20(k) -> N2(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),


(1.5)

vsv

(1.6)
(1.7)

C0 2 + 3 H20 + NH3 + 10 OH(1.8)

Ghi chú: Cio H 19O3N - công thức trung bình của nước thải sinh hoạt
Nhóm OH sẽ phản ứng vói CO2 tạo độ kiềm bicacbonat:
OH' + C0 2 -► HCOí
Cũng như trường họp nitrat hoá, nếu tính cả quá trình sinh tổng họp ta có:
NO3- + IO 8 CH3OH + 0,24H2CO3

- vsv

:5H 7N 0 2 +

0,47N2+ 1,68H20 + HCOf

(1.9)

Cứ 1 mg/1 NO3' bị khử thì sinh ra 3,57 mg/1 độ kiềm. Nếu trong hệ có NH3
thì lượng kiềm sinh ra sẽ ít hơn.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat hoá
Điều kiện phát triển vi khuẩn khử nitrat hóa: pH 7 - 8; nhiệt độ từ 5
cơ chất là chất tan, càng dễ được vi sinh hấp thụ càng tốt.


lượng BOD,

ss, nitơ thấp. Đối vói lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước

áp dụng cho việc xử lý nước thải có chứa đồng thời chất hữu cơ và N, p, loại bỏ
được chất rắn huyền phù. Phương pháp lọc sinh học ngập nước cũng rất thích
họp để nitrat hóa và khử nitrat.

17


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

* Cơ chế của quá trình lọc sinh học ngập nước
Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của
vi sinh vật hên màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn có trong nước. Các màng
sinh học, là tập thể các vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và thiếu khí. Các vi khuẩn
hiếu khí tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học, ở đây chúng phát triển và
gắn với giá mang là các vật liệu lọc. Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị
oxy hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học, màng này thường dầy khoảng
từ 0,1 - 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí,
sau khi thấm sâu vào màng, sẽ bị phân hủy bởi vi sinh vật kỵ khí. Khi các chất
hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang
hô hấp nội bào và khả năng kết dính cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước
lọc. Lọc sinh học ngập nước có thể khử được BOD và chuyển hóa NIỈ4+ thành
NO3', lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng, để khử được tiếp BOD,
NO3', p người ta có thể đặt hai bể lọc nối tiếp hoặc tạo ra vùng thiếu khí để xử lý
được triệt để N, p.