TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG

PHẠM THỊ THƯ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO,
PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ
NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG
NGHỆ SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC
(USBF)

HÀ NỘI – 5/2017
1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG

PHẠM THỊ THƯ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO,
PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC
THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG NGHỆ
SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC (USBF)

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường
Mã ngành

:

thực hiện nghiên cứu này.
Xin đặc biệt cảm ơn TS.Lê Ngọc Thuấn đã giành nhiều thời gian hướng
dẫn, tận tình giúp đỡ và truyền đạt nhiều kinh nghiệm thực tế cho em trong quá
trình học tập cũng như thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân bên
cạnh và các bạn sinh viên lớp ĐH3CM1 đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ để hoàn
thành tốt đồ án tốt nghiệp.
Cuối cùng, xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến ba mẹ, anh chị, tất cả mọi
người trong gia đình luôn là nguồn động viên, là điểm tựa vững chắc, đã hỗ trợ và
giúp bản thân em có đủ nghị lực để vượt qua khó khăn và hoàn thành tốt nhiệm vụ
của mình.
Dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, em rất mong
nhận được sự góp ý và sửa chữa của thầy cô và các bạn về đồ án tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2017
Sinh viên

Phạm Thị Thư

4


MỤC LỤC

5


DANH MỤC BẢNG

6

cái chết cho 50% của một nhóm động vật dùng thử nghiệm
: Tải lượng bùn hoạt tính
: Công nghệ sinh học dòng bùn ngược (upflow sludge blanket filtration)
: Nito tổng số
: Photpho tổng số
: Tổ chức y tế thế giới (World health Organization)
: Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and Agriculture
Organization of the United Nations)


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn nạn chung của nhiều quốc gia trên thế
giới, nhất là những nước đang phát triển như Việt Nam. Ô nhiễm môi trường gồm 3
loại chính: Ô nhiễm đất, không khí, và ô nhiễm nước. Trong đó ô nhiễm nguồn
nước đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng. Các thành phố lớn mọc lên hàng
trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có
công trình và thiết bị xử lý chất thải. Có thể nói ô nhiễm nước do sản xuất công
nghiệp là rất nặng. Nguyên nhân chính là do sự vô tâm của các doanh nghiệp, đặt
mục tiêu tối đa hóa lợi nhuận mà không quan tâm, đầu tư vào hệ thống xử lý nước
thải tại các khu công nghiệp, dẫn đến nước thải ô nhiễm liên tục thải ra sông, hồ gây
nhiễm độc nguồn nước tự nhiên.Các chất độc hại này nếu không được xử lý trước
khi thải ra môi trường sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con
người.
Với nỗ lực giảm thiếu tối đa những ảnh hưởng tiêu cực của quá trình công
nghiệp tới môi trường thì tiêu chuẩn thải nước trên thế giới ngày càng nghiêm ngặt.
Công nghiệp sản xuất keo, nhựa nhân tạo, dệt, dầu khí sinh ra một lượng lớn chất
thải hữu cơ độc hại, trong số các chất bẩn hữu cơ được sử dụng làm vật liệu thô cho
các ngành công nghiệp này thì phenol và các dẫn xuất của phenol đang ngày càng

- Nghiên cứu được khả năng xử lý Nito và photpho trong nước thải có chứa
phenol bằng công nghệ sinh học dòng bùn ngược USBF
3. Nội dung nghiên cứu
•
-

Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp thu thập tài liệu
Phân tích trong phòng thí nghiệm
Mô hình thực tế
Phân tích, thống kê, xử lý số liệu và tổng hợp kết quả
Phương pháp so sánh: so sánh giá trị các chỉ tiêu nước thải đầu vào và đầu ra của

nước thải.
- Phương pháp đồ họa: Sử dụng phần mềm Autocad để mô tả mô hình thí nghiệm
• Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu cơ sở khoa học, cấu tạo bể USBF.
- Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ USBF trong xử lý nước
- Cải tạo lại bể USBF
- Nghiên cứu được khả năng xử lý Nito và photpho trong mẫu giả định chứa phenol
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG
Tổng quan về phenol
1.1.1. Nguồn gốc và hiện trạng sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp
 Nguồn gốc phát sinh phenol
1.1.

10


Phenol được sinh ra qua 2 con đường: tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên

ứng dụng khác.
Nhựa phenolic: Được sản xuất bằng các ngưng giá thành sản xuất thấp, đã được sản
xuất thương mại hóa trên thế giới 100 năm qua. Chúng được sử dụng làm chất kết
dính trong nhiều ngành công nghiệp như gỗ dán và trong công nghiệp sản xuất ô tô.

-

Các chất sát trùng mang đặc tính của phenol được sử dụng bởi Sir Joseph Lister
(1827-1912) trong kỹ thuật phẫu thuật tiên phong của ông dùng chất khử trùng, mặc
11


việc tiếp xúc liên tục với phenol gây kích ứng da. Lister đã phủ những vết thương
với một miếng giẻ hoặc vải thô được ngâm trong axit carbolic (một tên khác của
phenol).
1.1.2. Tính chất
 Tính chất vật lí của phenol
Khối lượng phân tử 94,11 g/mol
Khối lượng riêng: 1,06 g/cm3
Nhiệt độ tan chảy: 43 oC
Nhiệt độ sôi: 182oC
Khả năng hòa tan trong nước (ở 20oC): 70g/l
Các dung môi hòa tan được phenol: etanol, ete, chloroform….
Là chất không màu hoặc màu trắng, khi nó ở dạng tinh khiết, ở dạng này thì
phenol là thể rắn. Thường tồn tại ở dạng lỏng. Ngưỡng ngửi mùi của phenol là 0.04
ppm (ở nồng độ này có mùi hơi cay, ngọt). Phenol rất dễ cháy.
 Tính chất hóa học của phenol

Phenol (acid cacbolic) có công thức phân tử: C6H5OH
Để lâu ngoài không khí, phenol bị oxi hóa một phần nên có màu hồng và bị

đồng thời gây tác hại cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Giá trị LD 50 của
pentaclorophenol là 27mg/kg đối với chuột. Một số phenol có khả năng gây ung
thư. Theo quy định của tổ chức Y tế Thế giới WHO, hàm lượng 2.4-triclophenol và
pentaclophenol trong nước uống không quá 1. Tiêu chuẩn nước thủy sản của FAO
đối với quy định nồng độ các phenol, đối với các loại cá họ salmonid và cyprinid.
1.1.4. Những vấn đề môi trường gây ra bởi hợp chất phenol
Phenol tìm thấy khá phổ biến trong tự nhiên, nó có mặt trong không khí, đất,
nước mặt và nước ngầm. Hàm lượng phenol trong môi trường phụ thuộc vào nguồn
phát sinh ra nó như các khu sản xuất, ngành công nghiệp tạo ra phenol… Thời gian
tồn tại phenol trong đất rất ngắn (2 – 5 ngày), tuy nhiên ở trong nước phenol có thời
gian tồn tại lâu hơn, có thể hàng tuần. Nếu nồng độ phenol càng lớn, thời gian tồn
tại của nó càng lâu.
Với nồng độ lớn hơn 50 ppb, phenol đã gây độc với sinh vật thủy sinh. Thêm
vào đó, các hợp chất phenol có nhu cầu oxi cao, tiêu tốn 24 mg O 2 cho 1 mg phenol.
Ngoài ra phenol còn kết hợp với clo trong nước uống tạo clorophenol, là hợp chất
rất độc và khó phân hủy.[11]

13


Bảng1.1. Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp
Ngành công nghiệp
Khai thác than
Chuyển đổi than cốc
Sản xuất khí đốt
Lò cao
Hóa dầu
Nhà máy sản xuất benzene
Dược phẩm
Tinh chế dầu

Cyanobacterium, Phormidium valderianumBDU30501 hoặc có thể sự phân giải
phenol được diễn ra đồng thời dưới sự tổ hợp của một quần xã vi sinh vật trong khu
hệ đó.
-

Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó
chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn
hoạt tính một phần chất hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt
buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi
khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas,
Zoogloea,

Achromobacter,

Flavobacterium,

Nocardia,

Bdellovibrio,

Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter.
Ngoài ra còn các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothirix, Lecicothrix
và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh khác cũng đóng vai trò quan trọng
trong các bể bùn hoạt tính.

14


Tổng quan về Nito và Photpho
1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải:[2, Tr.16-19]


hữu cơ. Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
Xử lý nitơ trong nước thải và các phương pháp.
Quá trình chuyển hóa Nitơ trong nước thải
Quá trình chuyển NO3- –> NO2- –>NO –> N2O –> N2 với việc sử dụng
methanol làm nguồn cacbon được biểu diễn bằng các phương trình sau đây:

16


 Nitrat hóa

Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi
khuẩn được lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các
vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO 2 (dạng vô cơ) hơn là các
nguồn các bon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat
hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với
sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng.
Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan
tới hai loại vi sinh vật, đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. ở giai
đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển
thành nitrat.
Bước 1. NH4+ + 1,5 O2 => NO2- + 2H+ + H2O
Bước 2. NO2- + 0,5 O2 => NO3Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lấy
từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Có thể
tổng hợp quá trình bằng phương trình sau:
NH4+ + 2O2 => NO3- + 2H+ + H2O (*)
Cùng với quá trình thu năng lượng, một số iôn Amôni được đồng hoá vận
chuyển vào trong các mô tế bào. Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằng
phương trình sau :


˗

Có nitrat (NO3- ) hoặc nitrit (NO2-)

˗

Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat

˗

Có nguồn cácbon hữu cơ
18


1.2.2. Tổng quan về Photpho trong nước[12]
Sự phát triển của tảo, trong trường hợp xấu nhất có thể gây hiện tượng phú
dưỡng hóa nước bề mặt, là kết quả của sự gia tăng nồng độ phophat quá mức trong
nước. Cho nên cần có một giới hạn xả thải về chỉ tiêu PO 4-P để ngăn ngừa hiện
tượng này. Các nhà máy xử lý nước thải vì thế cần phải loại trừ PO 4 trong các quá
trình nitrat hóa/đề nitrat hóa hay trong quá trình xử lý hóa học bằng cách tạo kết tủa
với photpho. Việc phân tích PO4-P hoàn toàn cần thiết không chỉ để đáp ứng yêu
cầu quan trắc giới hạn xả thải mà còn để đánh giá hiệu suất và chi phí xử lý của quá
trình loại trừ photpho.
a. Các ảnh hưởng của photpho lên nước mặt

Hợp chất photpho là chất dinh dưỡng cần thiết cho thực vật và gây nên sự
phát triển của tảo trong nước mặt. Tùy vào nồng độ photpho trong nước mà hiện
tượng phú dưỡng có thể xảy ra hay không. Chỉ 1g PO 4-P trong nước có thể đủ cho
nhu cầu 100 g tảo phát triển. Khi những loại tảo này chết, quá trình phân hủy chúng


Photphat có trong bể chứa nhiều hơn so với nhu cầu bình thường trong bùn
hoạt tính. Đó là do lượng bùn bị tuần hoàn giữa môi trường kị khí và hiếu khí. Hiệu
quả loại trừ bằng phương pháp sinh học phụ thuộc vào lượng hữu cơ dễ bị phân hủy
(BOD5). Tỉ lệ P/BOD5 là nhỏ hơn 0.03 và N/BOD5 là nhỏ hơn 0.25 trong dòng vào
bể sục khí nơi lượng photpho bị phân hủy gia tăng.
 Phương pháp hóa học loại bỏ photphat bằng kết tủa

Các hợp chất ortho-photpho bị kết tủa khi lượng photphat kim loại hòa tan
kém và sự có mặt của các hóa chất tạo lắng (muối sắt, nhôm, vôi sữa). Các muối
này lắng xuống và lưu lại trong bùn thải. Các chất tạo kết tủa có thể được cho vào ở
quá trình xử lý sơ bộ (trước kết tủa), trong bể khí (kết tủa đồng thời) hay tại bể phản
ứng phụ cuối dòng của bể hiếu khí (sau kết tủa). Hiệu quả nhất là tại quá trình kết
tủa đồng thời và tiết kiệm chi phí nhất.
Tổng quan về ô nhiễm môi trường do nước thải công nghiệp

1.3.

Trong sản xuất công nghiệp, nước thải được tạo ra trong quá trình khai thác
và chế biến các nguyên liệu hữu cơ, vô cơ. Trong các quá trình công nghệ, các
nguồn nước thải như:
•
•

Nước tạo thành từ quá trình phản ứng khoa học
Nước ở dạng ẩm tự do và liêu kết trong các nguyên liệu và chất ban đầu, được tách

ra trong quá trình chế biến
• Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị
• Nước chiết, hấp thụ

Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy các

•

hợp chất hữu cơ
Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thường cao so với nguồn nước sạch ban đầu, do

•

có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máy móc sản xuất
Lưu lượng: thể tích thực của nước cũng được xem là một tính chất vật lý của

•

nước thải, có đơn vị m3/người.ngày. Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo ngày.

 Tính chất hóa học của nước thải

Các thông số thể hiện tính chát hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ,
vô cơ và khí. Hay để đơn giản hóa, người ta xác dịnh các thông số như: độ kiềm,
BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (vô cơ, hữu cơ,
huyền phù, và không tan) và nước
Độ kiềm: là môi trường đệm để giữ pH trung tính của nước thải trong suốt

•

quá trình xử lý sinh hóa.
Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh

•

•

6-20mg/l
Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chất

•

rắn.
Nước: luôn là thành phần cấu tạo chính của nước thải. Trong một số trường

•

hợp, nước có thể chiếm 99,5%-99,9%.
 Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp
• Phương pháp cơ học:

Là phương pháp bao gồm những quá trình mà khi nước thải đi qua sẽ thay
đổi tính chất hóa học và sinh học của nước. Xử lý cơ học nhằm nâng cao chất lượng
và hiệu quả của các bước tiếp theo.
•

Các phương pháp hóa học
Các phương pháp hóa học như: Trung hòa, keo tụ - tạo bông. Nguyên tắc
của phương pháp này là dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm có:
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. Ưu điểm của phương pháp là hiệu quả xử lý cao, thường được
sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín. Tuy nhiên, phương pháp hóa học
có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý
nước thải với quy mô lớn. Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lý


nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào.
Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và
tổng hợp tế bào mới.
Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm
lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý.
Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, PH, dinh
dưỡng và các yếu tố vi lượng.
Các loại hình công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học bao gồm:

-

Phương pháp sinh học kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo
ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên phương trình
phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:
23


Chất hữu cơ

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
• Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;
• Giai đoạn 2: acid hóa;
• Giai đoạn 3: acetate hóa;
• Giai doạn 4: methan hóa.
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:


Dùng CO2 tới hạn để xử lý nước thải chứa phenol
Dùng CO2 tới hạn là một trong những phương pháp để chiết suất phenol có
trong nước thải. Phương pháp này cho thấy là tốn ít kinh phí hơn so với những
phương pháp khác như đốt cháy, oxy hóa không khí ẩm (oxy hóa nước tới hạn) và
phương pháp sinh học.

•

Oxy hóa chất xúc tác ở nhiệt độ thấp trong nguồn nước thải có chứa phenol
Phenol là một trong những chất hữu cơ thường thấy nhất có nguồn gốc từ
ngành công nghiệp chế biến hóa học. Ở nhiệt độ thấp, ôxi hóa chất xúc tác không
đồng nhất ở dạng lỏng của những hợp chất hữu cơ đã phân hủy có ý nghĩa lớn đối
với việc xử lý nước trên bề mặt và nước ngầm bị ô nhiễm, nước thải công nghiệp và
những nguồn nước thải khác. Khả năng cho việc xử lý ở điều kiện không khí và áp
suất thích hợp ổn định, so với phương pháp oxi hóa nước tới hạn và không khí ẩm
đã thành công thông qua việc sử dụng một chất xúc tác thuộc dòng lưỡng kim hoạt
động cực mạnh. Chất xúc tác thường dùng là muối kim loại (Cu, Fe, Ti…) hoặc
Zeolit kim loại.
C6H5OH + 7CO2 zeolit
6CO2 + 3H2O
Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là kim loại bị tan ra trong quá
trình phản ứng gây hiệu ứng ô nhiễm thứ cấp. Sử dụng Zeolit kim loại khắc phục
được nhược điểm trên nhưng để xử lý chất hữu cơ có kích thước phân tử lớn các

xúc tác này lại kém hiệu quả.
• Xử lý nước thải có chứa phenol bằng quá trình Fenton:[10]
Sử dụng phản ứng oxy hóa để phá hủy các chất độc hại là một phương pháp
xử lý ô nhiễm có hiệu quả. Nguyên tắc phản ứng Fenton để xử lý ô nhiễm nước thải
mà theo đó hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl