TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOẢ HÓA HỘC
===SOC3 cas===

ĐẶNG THỊ THỊNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHOTPHO
TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT
BẰNG HÊ• THỐNG LOC
SINH HOC
•
•
THIẾU KHÍ - HIẾU KHÍ CẢI TIẾN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: H óa công nghệ m ôi trường

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Ths. LẼ CAO KHẢI

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt báo cáo khóa luận
tốt nghiệp, em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các quý
Thày, Cô của trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 và các Thày, Cô của Viện
Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS. Lê Cao Khải
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận tốt

Hình 6. Anh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý p của toàn hệ
Hình 7. Anh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý p của toàn hệ
Hình 8. Anh hưởng của tải lượng tói hiệu suất xử lý p của toàn hệ


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT
Bảng 2. Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20°c
Bảng 3. Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho
Bảng 4. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu
Bảng 5. Ảnh hưởng của các ion silic đến kết quả phân tích
Bảng 6. Dung tích hữu ích các ngăn ừong thiết bị thí nghiệm
Bảng 7. Các chế độ vận hành


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

Thiếu khí - hiếu khí

AAO (Anaerobic - Anoxic - Oxic)

Yếm khí - thiếu khí - hiếu khí

HK

Hiếu khí

YK


1.1.1. khái niệm nước thải sinh hoạt...................................................................3
1.1.2. Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt........................................... 3
1.1.3. Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường...................................... 3
1.1.4. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt............................................ 4
1.2.

Tổng quan về photpho...............................................................................6

1.2.1. Định nghĩa.................................................................................................. 6
1.2.2. Vai trò của photpho....................................................................................7
1.2.3. Thực trạng, nguyên nhân ô nhiễm photpho hiện n ay .............................. 7
1.2.4. Ảnh hưởng của photpho tổng.....................................................................7
1.3.

Tổng quan về công nghệ xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt....... 9

1.3.1.Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho...........................................................9
1.3.2. Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước thải.............................. 14
1.4. Công nghệ xử lý nước thải A O ..................................................................29
1.4.1. Quá trình Anoxic (xử lý sinh học thiếu khí).......................................... 30
1.4.2. Quá trình Oxic (xử lý sinh học hiếu khí)............................................... 31
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH NGHIÊN CÚƯ VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................................ 32
2.1. Đối tượng nghiên cứu..................................................................................32
2.2. Mục đích nghiên cứu...................................................................................32
2.3. Nội dung nghiên cứu...................................................................................32
2.4. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................33
2.4.1. Phương pháp tài liệu kế thừa...................................................................33
2.4.2. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu................................................... 33
2.4.2.1. Phương pháp thu thập số liệu.............................................................33

ở đó có sự sống. Nước tự nhiên bao gồm toàn bộ nước từ các đại dưomg, biển
vịnh sông hồ, ao suối...trong đó nước ngọt chiếm tỷ lệ rất nhỏ khoảng 2 ,6 %
tổng lượng nước. Nước ngọt được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau
như: sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, sản xuất công nghiệp và dịch vụ... Sau
khi sử dụng thì nước sẽ trở thành nước thải và bị ô nhiễm ở mức độ khác
nhau. Ngày nay, cùng vói sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa hiện
đại hóa và sự bùng nổ dân số thì nhu cầu nước sạch càng trở nên cấp thiết hơn
đi đôi với đó lượng nước thải ra ngày càng nhiều. Tuy nhiên, nước thải đã và
đang gây ô nhiễm môi trường trầm ữọng, vấn đề ô nhiễm nước đang rất được
quan tâm, đang là mối lo ngại của rất nhiều quốc gia trong đó có cả Vệt Nam.
Ở việt Nam, trong các khu đô thị thì nước thải sinh hoạt sẽ được thải ra
hệ thống thu gom nước đưa về khu xử lý tập trung để xử lý. Tuy nhiên, nguồn
nước thải sinh hoạt vẫn chưa được xử lý một cách triệt để do nước thải sinh
hoạt có thành phần phức tạp, chi phí xử lý cao, các khu xử lý có hiệu suất xử
lý thấp chưa đáp ứng yêu càu xử lý. Còn ở nông thôn, nước sau khi được sử
dụng lại thải bỏ trực tiếp ra ao hồ sông ngòi vì vậy dẫn tói tình trạng ô nhiễm
nguồn nước và gây mùi khó chịu làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm
trọng tới con người động thực vật khác. Các thành phần ô nhiễm chính đặc
trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là COD, nito, photpho... Ngoài ra,
nước thải sinh hoạt còn chứa hàm lượng N và p rất lớn, nếu không được loại
bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng. Trong môi trường
phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy hòa tan) biến động liên tục và mạnh là
những tác nhân khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống nổi đối thủy
động vật.

Đặng Thị Thịnh

1



của khu vực đó. Các trung tâm đô thị thường có lượng nước thải sinh hoạt cao
hơn so với nông thôn. Nước thải sinh hoạt ở các đô thị được thải ra hệ thống
thoát nước còn ở nông thôn không được xử lý mà đổ trực tiếp ra hệ thống
kênh rạch và xả thẳng vào các ao, hồ, sông, ngòi và được tiêu thoát tự nhiên.
1.1.2. Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt
Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại chính: nước đen và
nước xám.
• Nước đen là nước thải từ các nhà vệ sinh chứa phàn lớn các chất ô
nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng.
• Nước xám là nước thải phát sinh từ quá trình tắm rửa, cạn bã từ nhà
bếp, các chất rửa trôi, kể cả các chất thải từ nấu nướng.. .với thành phần các
chất ô nhiễm không đáng kể.
1.1.3. Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường
Các thành phần ô nhiễm chính thường thấy trong nước thải sinh hoạt là
BOD, COD, nitơ và phôtpho. Nước thải sinh hoạt chứa nhiều họp chất hữu cơ
dễ bị phân hủy sinh học, các chất hữu cơ khó phân hủy, ngoài ra còn có cả
thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ

Đặng Thị Thịnh

3


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

chứa trong nước thải bao gồm các họp chất như protein (40% -50 %);
hydratcacbon (40% - 50%)... Chúng chính là tác nhân gây hại của nước thải.
• COD, BOD: sự khoáng hóa, các chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn

Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

dùng nhất là: phương pháp xử lý sinh học, phương pháp xử lý lý học, phương
pháp xử lý hóa học.
• Phương pháp xử lý sinh học
Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh
hoạt là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân
hủy các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải. Các quá trình
xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học chủ yếu có các nhóm
chính: quá trình hiếu khí, quá trình kị khí, quá trình kết hợp khác.
Ví dụ như hệ thống xử lý bằng thực vật nước: lục bình, sậy, tảo...
• Phương pháp xử lý lý học
Xử lý lý học là nhằm loại bỏ các tạp chất không hòa tan chứa trong
nước thải và được thực hiện ở các công trình xử lý như: song chắn rác, bể
lắng cát, bể lắng, bể lọc.
Song chắn rác, lưới chắn rác làm nhiệm vụ giữ lại các chất bẩn kích
thước lớn có nguồn gốc hữu cơ.
Bể lắng, bể lọc giữ lại các tạp chất vô cơ, chất lơ lửng ừong nước.
v ề nguyên tắc đây là phương pháp xử lý sơ bộ trước khi xử lý tiếp
theo.
• Phương pháp xử lý hóa học
Các phương pháp hóa học dùng trong quá trình xử lý nước thải sinh
hoạt bao gồm: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa, hoặc phản ứng phân hủy
các hợp chất độc hại. Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học
diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào đó. Ưu điểm của phương pháp
hóa học là hiệu quả xử lý cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là
rất tốn kém, không phù họp áp dụng trên diện rộng.
Chất lượng nước thải sau khi xử lý phải đạt tiêu chuẩn môi trường bảng 1.

1

pH

2

BOD5 (20°C)

mg/l

30

50

3

Tổng chất rắn lơ lửng

mg/1

50

10 0

4

Tổng chất rắn hòa tan

mg/1


30

50

mg/1

6

10

Phosphat ( POl )
8
(tính theo P)

1.2. Tổng quan về photpho
1.2.1. Định nghĩa
- Photpho (P) là nguyên tố trong tự nhiên tồn tại dưới dạng quặng. Ở
sinh vật photpho có vai trò quan trọng, có nhiều trong xương động vật dưới
dạng canxi photphat, ừong não, lòng đỏ trứng, dưới dạng họp chất hữu cơ.
- Photpho là một phi kim, nguyên tử lượng 31, tỉ trọng 1.83, điểm
nóng chảy 94°c, điểm sôi 278°c, không tan trong nước, tan trong dung môi
hữu cơ. Photpho là một chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm, dễ uốn.
- Photpho tồn tại dưới ba dạng thù hình cơ bản: photpho đỏ, photpho
trắng, photpho đen. Trong đó photpho trắng và photpho đỏ là hai dạng tồn tại
chính.
- Tổng lượng photpho trong nước thải sinh hoạt bao gồm ortho
photphat (PO43'), poly photphat (hai phân tử axit ortho photphoric ngưng tụ

Đặng Thị Thịnh


+ Chất thải từ người và động vật.
+ Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch.
1.2.4. Ảnh hưởng của photpho tổng

Đặng Thị Thịnh

7


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

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
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 hợp chất hoá
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 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.
Vào ban ngày hoặc khi nhiều nắng, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh
liệt. Khi quang họp tảo hấp thụ khí CƠ2 hoặc bicarbonat (HCO3 ) trong nước
và nhả ra khí oxy. pH của nước tăng nhanh, nhất là khi nguồn nước nhận có
độ kiềm thấp (tính đệm thấp do cân bằng của hệ H2CO3 - HCO3' - CO32'), vào
thòi điểm cuối buổi chiều, pH của một số ao, hồ giàu dinh dưỡng có thể đạt
giá trị trên 10. Nồng độ oxy tan trong nước thường ở mức siêu bão hoà, có thể
tới 20 mg/1.
Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân huỷ chất

hai họp chất sau chiếm tỉ ừọng 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 trữ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế bào.
Hiện tượng trên được sử dụng để tách loại họp 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.

Đặng Thị Thịnh

9


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

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).
Xử lý photpho vì vậy không phải là một hệ xử lý độc lập mà là bổ sung
hoặc vận hành họp lý một tổ họp đã tồn tại nhằm mục đích tách loại thêm so
với các hệ cũ: phương pháp tăng cường xử lý photpho bằng biện pháp sinh
học (enhanced biological phophorus removal EBPR).
Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình hấp thu - tàng trữ - thải


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy
photphat trùng ngưng ừong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn:
2 C2H4O2 + (HPO3) + H20 - > (C2H4 0 2)2 + P 0 4 3 + 3H+ (1.3)
(C2H40 2)2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ
ngoài vào. Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol
p/mol axit axetic.
Hiệu suất sinh khối của loại vi sinh bio - p (còn gọi là loại tích lũy
photpho, Phosphorus acccumulating organisms, PAOs) tương tự như loại dị
dưỡng hiếu khí có giá trị 0,5 - 0,6 g SK/g COD tan (sinh khối cũng tính theo
COD). Nếu hiệu suất sinh khối của bio - P tính theo khối lượng của thành
phàn không tan thì giá trị thu 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 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:
.X {PAO)

(1.4)

Y'm,p Sp + Kp

(1.5)

Ò Ax + K Ax

vi Ax: tốc độ hấp thu axit axetic, kAx là hằng số tốc độ phản ứng, Sax là
nồng độ axit axetic, X(PAO) là mật độ vi sinh vật. Kax là hằng số bán bão hòa.
Khi tất cả photphat trùng ngưng tích trữ trong vi sinh đã tách hết thì
quá trình sẽ dừng lại. Tốc độ tách photphat có thể tính ra từ phương trình (1.5)
và tỉ lượng giữa axit axetic và photphat từ phương trình (1.3).
Bảng 2 ghi các giá trị động học quá trình xử lý photpho bằng phương
pháp vi sinh.

Đặng Thị Thịnh

12


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Bảng 2. Thông sổ động học của vỉ sinh vật tích lũy photpho, 20°c
Thông số

Ký

Đon vị

Giá trị


Hiệu suất sinh khối cực đại,
axit axetic
Hằng số bán bão hòa, hấp

0,10
g Ax/m3

2 -6

Kp

g p/m3

0 ,1 -0 ,5

k.Ax

gCOD(Ax)/g

0 ,5 - 2

K

ax

thu axit axetic
Hằng số bán bão hòa, tích
lũy photphat
Hằng số tốc độ hấp thu axit
axetic


độ photpho tại đàu ra. Quá trình AO là quá trình tách loại photpho trực tiếp,
không ghép thêm công đoạn tách phụ vào hệ xử lý nước thải thông dụng.
Trong trường họp nước thải chứa họp chất nitơ, hệ trên cũng có tác dụng xử
lý, tuy nhiên cần phải tính toán đủ thời gian lưu cho giai đoạn hiếu khí để oxy
hóa amoni.
Quá trình Phostrip
Phostrip là quá trình tách loại photpho có ghép thêm công đoạn phụ để
kết tủa photphat tan sau khi xử lý yếm khí như (hình 2):
Hiếu khí

-►Bùn thải
------------------------------- 1

Yếm khí

◄r

Nước sau xử lý yêm khí
Nước sau
* kettua” Kết tủa hóa học

Ẵ
^ óa ciiat

Bùn thải

Hình 2. Sơ đồ phostrip tách loại photpho
Trong sơ đồ công nghệ Phostrip, một phần bùn thải từ bể lắng thứ cấp
được đưa vào xử lý yếm khí với thời gian lưu thủy lực từ 8 - 12 giờ. Photphat

Quá trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho. Giai
đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho. Giai đoạn xử lý thiếu
khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu
cơ phân hủy nội sinh. Bổ hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ
hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phàn amoni, BOD dư và để hạn chế
quá trình tách loại photpho từ vi sinh ừong bể lắng thứ cấp. Hỗn họp bùn - vi
sinh được quay vòng từ bể hiếu khí đầu về bề thiếu khí thứ nhất. So với AAO
thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn (10-40 ngày).
Quá trình UCT
ƯCT là tên viết tắt của University of Cape Town, nơi thiết lập sơ đồ
công nghệ xử lý có khả năng đồng thời loại bỏ BOD, hợp chất nitơ và
photpho. Sơ đồ UCT tương tự sơ đồ công nghệ AAO, tuy vậy có hai điểm

Đặng Thị Thịnh

16


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

khác biệt: vi sinh được quay vòng về bể xử lý thiếu khí và có hai vòng quay
hỗn họp nước - bùn nội bộ từ thiếu khí về hiếu khí và từ thiếu khí về yếm khí.
Quay vòng bùn từ bể lắng về bể thiếu khí sẽ hạn chế được sự có mặt
của niừat trong bể yếm khí, thúc đẩy quá trình tách photpho từ vi sinh trong
giai đoạn yếm khí. Hai chu trình nội bộ giúp tăng cường khả năng xử lý chất
hữu cơ.
Chất hữu cơ có trong dòng quay vòng từ bể xử lý thiếu khí là loại dễ
sinh hủy và hàm lượng nitrat trong đó thấp vì vậy thích họp cho quá trình tách

L

Bùn ứiải

a

Bùn thải
d

Hình 3. Sơ đồ xử lý nỉtơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho
năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình YIP

Đặng Thị Thịnh

18