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

DƯƠNG THỊ KIỀU NGA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LƯU,
HÀM LƯỢNG BÙN TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÍ
NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG BỂ PHẢN ỨNG
THEO MẺ SBR

HÀ NỘI, 2017


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

DƯƠNG THỊ KIỀU NGA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LƯU,
HÀM LƯỢNG BÙN TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÍ
NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG BỂ PHẢN ỨNG
THEO MẺ SBR
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Môi trường
Mã ngành: 52 51 04 06

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. LÊ NGỌC THUẤN
TS. CHU THỊ THU HÀ

HÀ NỘI, 2017

người trong gia đình luôn là nguồn động viên, là điểm tựa vững chắc, đã hỗ trợ và
giúp bản thân tôi 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, chúng tôi 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!
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DO

Dessolved Oxygen - Lượng oxi hòa tan

MLSS

Mixed Liquoz Suspended Solids - Hàm lượng chất rắn lơ lửng
trong bùn lỏng

SVI

Sludge Volume Index - Chỉ số thể tích bùn

SBR

Sequencing Batch Reactor – Công nghệ phản ứng theo mẻ

trường nước nói riêng. Phenol là một chất hoá học chủ yếu do con người tạo ra,
mặc dù nó được tìm thấy trong những phế liệu động vật và các hợp chất hữu cơ
phân huỷ. Trong công nghiệp, phenol đóng vai trò rất quan trọng, nó là nguyên liệu
nguồn của nhiều ngành công nghiệp. Ngành công nghiệp thể hiện rõ nhất đó là
ngành sản xuất keo, ngành sản xuất nhựa nhân tạo, ngành dệt, dầu khí. Để có thể
phát triển một cách bền vững thì đi đôi với các quá trình sản xuất, chúng ta luôn
phải quan tâm đến việc tìm ra những phương pháp tối ưu nhất để bảo vệ môi
trường, đặc biệt là môi trường nước. SBR đã được nghiên cứu từ những năm 1920
và được sử dụng ngày càng rộng rãi trên toàn thế giới. Ở Châu Âu và Trung Quốc,
Hòa Kỳ, họ đang áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị và nước thải
công nghiệp, đặc biệt là trong những khu vực đặc trưng có lưu lượng nước thải thấp
và biến động. Các khu đô thị, khu nghỉ dưỡng, khu nghỉ mát và một số ngành công
nghiệp như sản xuất sữa, bột giấy, thuộc da đang sử dụng công nghệ SBR để xử lý
nước thải.
Nhận thức được những vấn đề cấp thiết đó, đồng thời thấy được ưu điểm của
việc sử dụng các biện pháp sinh học cũng như công nghệ phản ứng theo mẻ để xử
lý nước thải so với các phương pháp khác, từ đó em đã chọn đề tài “Nghiên cứu
ảnh hưởng của thời gian lưu, hàm lượng bùn trong quá trình xử lý nước thải chứa
phenol bằng bể phản ứng theo mẻ SBR” để làm đề tài tốt nghiệp của mình.
2. Mục tiêu nghiên cứu
•

Nghiên cứu chế tạo mô hình bể SBR.

•
•

Thử nghiệm xử lý nước thải chứa phenol trong phòng thí nghiệm
Đánh giá hiệu quả xử lý Phenol trong nước thải của mô hình.


-

Khối lượng riêng : 1,06 g/cm3

-

Nhiệt độ tan chảy : 43°c, nhiệt độ sôi: 182°c

-

Khả năng hoà tan trong nước ( ở 20°c): 70g/l

-

Các dung môi hoà tan được phenol: etanol, ete,

cloroíorm...

Phenol là một chất hoá học chủ yếu do con người tạo ra, mặc dù nó được tìm
thấy trong những phế liệu động vật và các hợp chất hữu cơ phân huỷ. Nó được tìm
thấy đầu tiên khi chưng cất than đá vào năm 1834 và có tên là acid cacbolic. Cho
đến trước chiến tranh thế giới thứ nhất, chưng cất than đá gần như là cách duy nhất
để tạo ra phenol. Tuy nhiên hiện nay người ta đã tìm ra nhiều phản ứng để tổng hợp
tạo ra phenol bằng phương pháp hoá học.
Phenol là một chất không màu hoặc màu trắng khi nó ở dạng tinh khiết, ở dạng
này thì phenol là các tinh thể rắn. Tuy nhiên thông thường nó tồn tại ở dạng lỏng.
Ngưỡng ngửi mùi của phenol là 0,04 ppm. Ở nồng độ này phenol có mùi hơi cay,
ngọt. Ngoài ra, phenol rất dễ cháy. [12]
1.1.2 Những ảnh hưởng của phenol tới con người
Phenol có thể thâm nhập vào cơ thể người qua việc hô hấp và tiếp xúc da, mắt,

Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong nước theo hai con đường:
− Oxi hóa phenol trực tiếp bằng phân tử ozon hòa tan trong nước.
− Oxi hóa phenol gián tiếp thông qua gốc hydroxyl (OH °) tạo ra khi phân hủy ozon
trong nước.
− Hai con đường oxi hoá phenol nói trên của ozon xảy ra gần nhau. Quá trình oxi hoá
trực tiếp bằng phân tử O 3 xảy ra tương đối chậm so với oxi hoá gián tiếp thông qua
gốc hydroxyl (OH°)do sự phân huỷ ozon tạo ra [3].
 Phương pháp sử dụng vật liệu Ag- TiO2/ Bentonit
Nguyễn Việt Cường cùng cộng sự năm 2009 đã nghiên cứu chế tạo xúc tác
quang trên cơ sở vật TiO2 - SiO2 và ứng dụng trong xử lý nước nhiễm phenol [6].
Nhóm tác giả đã tiến hành đánh giá cấu trúc tinh thể của sản phẩm (được tổng hợp
từ TiO2 – SiO2 và N-TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel) và hoạt tính xúc tác
quang thông qua hiệu suất xử lý phenol trong điều kiện sử dụng ánh sáng UV-A và
ánh sáng mặt trời. Kết quả cho thấy việc bổ sung SiO 2 và N đều làm tăng diện tích
bề mặt riêng của vật liệu so với sản phẩm TiO2 ban đầu. Hoạt tính xúc tác quang của
các sản phẩm trong điều kiện sử dụng ánh sáng UV-A đạt tốt nhất ở tỷ lệ khối lượng

12


TiO2:SiO2 là 90:10. Trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên tại TPHCM,
vật liệu pha tạp N-TiO2-SiO2 thể hiện hiệu quả xử lý phenol đạt khoảng 90%, vượt
trội so với các vật liệu TiO2-SiO2 và TiO2 (lần lượt là 62 và 60%). Hiệu quả xử lý
phenol của các hợp chất pha tạp N-TiO 2-SiO2 trong điều kiện ánh sáng mặt trời tự
nhiên vượt trội (đạt xấp xỉ 90%), gấp 1,5 lần so với hợp chất không pha tạp N.
Phan Vũ An năm 2008 đã nghiên cứu xử lý nước nhiễm phenol bằng màng
mỏng TiO2 [7]. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tác nhân quang hóa là ánh sáng
UV-A, hạt alummino silicate được phủ lớp phim xúc tác N-TiO 2-SiO2 có hiệu quả
cao nhất (31,2%) do quá trình nhúng giúp tạo lớp phủ ổn định, đồng đều và bền
vững trên bề mặt chất mang. Khi tác nhân quang hóa là ánh sáng mặt trời tự nhiên,

bỏ cao nhất đạt 96% khi pH=8 trong 15 h phản ứng.
 Phương pháp sử dụng hệ phản ứng màng sinh học yếm khí - thiếu khí - hiếu
khí (A1/A2/O-MBR)
Wen-tao Zhao và cộng sự năm 2009 [15] đã nghiên cứu xử lý nước thải nhà
máy cốc bằng hệ phản ứng màng sinh học yếm khí - thiếu khí - hiếu khí (A1/A2/OMBR). Bể yếm khí với vật liệu đệm, độ xốp 95%. Bể hiếu khí được cung cấp oxy
bằng bơm không khí, với DO được duy trì 5mg/l và sử dụng màng sợi polythene,
Mitsubishi, Nhật với diện tích 0,2m2. Tại bể này nước thải được bổ sung Na2CO3 để
tạo môi trường kiềm cho quá trình loại bỏ các chất dinh dưỡng và duy trì pH trong
khoảng 7-7,2. Nước thải ở các bể được duy trì ở nhiệt độ 35 0C±1 bằng nhiệt kế để
đảm bảo nước nghiên cứu có cùng nhiệt độ với nguồn nước thải. Hệ thống
A1/A2/O-CAS (sử dụng bùn hoạt tính) cũng hoạt động song song, cùng điều kiện
để so sánh hiệu quả xử lý giữa hai hệ thống. Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD
và phenol của hệ A1/A2/O-MBR cao hơn hẳn hệ sử dụng bùn hoạt tính đặc biệt khi
hệ thống hoạt động với tải lượng chất ô nhiễm lớn như nước thải cốc hóa. Hiệu quả
xử lý COD đạt 89,8±1,2% tương đương 264±36mg/l. Hiệu quả xử lý phenol đạt
99,9% với nồng độ phenol sau xử lý là 0,2±0,1mg/l. Công nghệ tích hợp A1/A2/OMBR là công nghệ hiện đại nhất hiện nay cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao. Tuy
nhiên giá thành xử lý đắt do chi phí màng cao. Do đó trong các nước đang phát triển
cũng chưa được ứng dụng nhiều.
1.2 Công nghệ SBR
1.2.1 Nguyên lý hoạt động
Bể SBR (Sequencing Batch Reactor): là bể phản ứng làm việc theo mẻ dạng
công trình xử lý bùn hoạt tính nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra trong cùng
một bể. Hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý nước thải sinh học chứa hợp chất
hữu cơ và nito cao. Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm nước thải –
phản ứng – lắng – hút nước ra, trong đó quá trình phản ứng hay còn gọi là quá trình
tạo hạt (bùn hạt hiếu khí) quá trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, đặc điểm
của chất nền trong nước thải đầu vào. [2]
 Các giai đoạn xử lý bằng hệ thống SBR

14

•

Pha phản ứng: Sau khi cho nước vào bể, hệ thống bơm nước thải vào sẽ ngừng hoạt
động, thay vào đó hệ thống sục khí sẽ được khởi động để tiến hành quá trình nitrit
hóa, nitrat hóa và phân giải các hợp chất hữu cơ. Do trong pha này, không có nước
thải vào trong bể vì vậy thề tích nước thải và tải trọng hữu cơ không được bồ sung,
quá trình sục khí được duy trình, các vi sinh vật hiếu khí sẽ oxi hóa các hợp chất
hữu cơ để sinh trưởng và phát triển. Vì vậy các hợp chất hữu cơ sẽ được loại
bỏ.Trong pha này còn xảy ra quá trình nitrat hóa, ammoniac có trong nước thải sẽ
được chuyển hóa thành nitrit và nitrat.

•

Pha lắng: các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình lắng diễn ra trong môi
tường tĩnh hoàn toàn, thời gian lắng thường nhỏ hơn 2 giờ. Trong pha này, các bông
bùn đã được hình thành sẽ được lắng xuống đáy bể, đồng thời xảy ra quá trình phản
nitrat, nitrat và nitrit được tạo ra ở pha trên sẽ bị khử thành nito.

•

Pha xả nước: nước đã lắng sẽ được hệ thống thu nước tháo ra đến công trình tiếp
theo, đồng thời trong quá trình này bùn cũng được tháo ra.

15


•

Pha chờ: thời gian chờ nạp mẻ tiếp theo( có thể bỏ qua pha này).
1.2.2 Ưu điểm

-

TSS đầu ra thấp, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và khử nitrat hóa cao.

-

Ít tốn diện tích do không có bể lắng 2 và quá trình tuần hoàn bùn.
1.2.3 Nhược điểm

-

Nếu như quá trình lắng bùn xảy ra sự cố thì sẽ dẫn đến bùn bị trôi theo ống đầu ra.

-

Khi xả tốc độ dòng chảy rất lớn sẽ làm ảnh hưởng đến các hệ thống xử lý phía sau.

-

Có thể xảy ra quá trình khử nitrat trong pha lắng nếu như thời gian lưu bùn dài.
Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng bùn nổi do bị khí nitơ đẩy lên. Hiện tượng này càng
nghiêm trọng vào những ngày nhiệt độ cao.
1.2.4 Các đặc tính nổi bật

-

Nồng độ bùn trong công trình: hầu hết các công trình truyền thống đều hoạt động
ở nồng độ bùn thấp hoặc trung bình, thường 1.500 - 2.500 mg/l nhưng đối với bể
SBR lại hoạt động ở nồng độ bùn cao, điển hình là 2.000 - 4.000 mg/l dẫn đến tuổi
bùn lâu hơn và tăng hiệu quả sinh học

(giun, dòi, bọ). Bùn có dạng bóng, màu nâu xám. Bùn hoạt tính được hình thành rất
đơn giản bằng cách làm thoáng sục khí vào nước thải với sự có mặt của vi khuẩn.
Việc sục khí được thực hiện cho tới khi vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ. Bùn hoạt
tính hình thành không phải bởi một loại vi khuẩn tạo bông đặc biệt mà chỉ là một
hiện tượng bình thường, bởi mỗi loại vi khuẩn đều có mức năng lượng nhất định.
Đa số nước thải chứa đủ vi sinh vật để sản sinh ra bùn hoạt tính, không cần phải
gieo cấy gì thêm. Những vi sinh vật này thường có xuất xứ từ phân, các chất bẩn
sinh hoạt. Đối với một số ít nước thải công nghiệp có thể phải có thêm một ít phân
để gieo cấy.

17


Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi
khuẩn, thành phần các loại vi khuẩn trong bùn hoạt tính phát triển tuỳ thuộc vào đặc
trưng của nước thải. Trong đó, có thể chia làm các nhóm vi khuẩn sau:

Hình 1. 1 Các nhóm vi khuẩn có trong bùn hoạt tính
( Nguồn: Báo cáo chuyên đề công nghệ môi trường 2009)
1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới bể bùn hoạt tính hiếu khí
Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng của nông độ bùn hoạt tính tức phụ
thuộc vào chỉ sổ bùn. Chỉ sổ bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn đưa vào công trình xử
lý càng lớn hoặc ngược lại. Khi tiến hành quá trình cần phải cung cấp đầy đủ
lượng oxi một cách liên tục sao cho lượng oxi hòa tan trong nước > 2 mg/L, tải
trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ
qua bể bủn hoạt tính có BOD toàn phần phải < 1000 mg/L. Ngoài ra trong nước
thải cũng cần đầy đủ các nguyên tố vi lượng, nguyên tố dinh dưỡng. Các nguyên
tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp BODtp:N:P = 100:5:1 hay COD:N:P =
150:5:1. Giá trị pH tối ưu cho đa số vi sinh vật từ 6,5 - 8,5. pH < 5 sẽ thúc đẩy
18

trong cơ thể vi sinh vật. Để tiến hành quá trình đồng hoá được các hợp chất chứa
nitơ có trong môi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzym ngoại bào
sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác. Chính vì thế mà
trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin, nitơ amoniac,
19


nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do. Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là
NH3 và NH4+. Muối amoni vô cơ rẻ hơn nhưng thường làm chua môi trường, làm ức
chế sự phát triển của vi sinh vật. Thường dùng urê làm nguồn nitơ vì tạo môi trường
trung tính.
Đa số các vi sinh vật không có khả năng đồng hóa N 2 trong không khí. Tuy
nhiên có những vi sinh vật có thể chuyển hoá N 2 thành NH3 nhờ hoạt động xúc tác
của một hệ thống enzym có tên là nitrogenaza.
Đối với nguồn thức ăn nitơ hữu cơ, vi sinh vật có khả năng đồng hoá rất tốt.
Các thức ăn này sẽ vừa làm nguồn cacbon vừa là nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh
vật.
Khi thiếu nitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá, các chất hữu cơ còn
tạo ra bùn hoạt tính khó lắng.
1.6.3 Nguồn photpho
Trong môi trường nước, photpho tồn tại ở dạng: H 2PO4-, HPO42-, PO43-, dạng
polyphophat Na(PO3)6 và photpho hữu cơ.
Photpho là nguyên tố rất quan trọng, có mặt trong thành phần của ATP, ADP,
AMP, photpholipit...
Thông số photpho giúp ta đánh giá mức độ dinh dưỡng có trong nước. Thiếu
photpho sẽ dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, làm bùn hoạt tính trương
lên, khó lắng và bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý do đó làm giảm nồng độ của bùn
hoạt tính trong bể xử lý.
1.6.4 Hàm lượng sunphat
Sunphat sắt luôn có mặt trong nước bị ô nhiễm và trong nước thải. Lưu huỳnh

tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theo nhiều
kiểu. Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần loài của các quần thể, đến hình thái
và sinh lý của vi sinh vật. Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàm lượng muối,
các chất hữu cơ, các chất vô cơ, các khí hoà tan.[10]
1.7.1 Hàm lượng oxy hoà tan
DO là hàm lượng oxy hoà tan trong nước để duy trì sự sống cho các vi sinh vật
trong nước.
Đây là điều kiện đầu tiên đảm bảo cho vi sinh vật hiếu khí có khả năng oxi hoá
các chất bẩn hữu cơ. Do đó, trong quá trình xử lý phải đảm bảo cung cấp đủ lượng
oxi mà chủ yếu dưới dạng hoà tan trong môi trường lỏng. Để đáp ứng được lượng
oxi hoà tan trong bể hiếu khí người ta thường chọn giải pháp khuấy trộn cơ học
hoặc sục khí.

21


Khi nồng độ oxy hoà tan dưới 0,5mg/l thì quá trình xử lý nước thải bằng vi
sinh vật hiếu khí hầu như ngưng trệ. Lượng oxy hoà tan tốt nhất trong khoảng
1,5÷4,0 mg/l.
1.7.2 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD
BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng để
oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3-. Phương trình tổng
quát như sau:
Chất hữu cơ + O2
Chất hữu cơ + O2
Chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh
học trong nước càng lớn. Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần
thiết để phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian mà người ta
thường chỉ xác định lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20 0C, kí hiệu
BOD5. Tại thời điểm này đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá.

2.1 Mô hình nghiên cứu
Sử dụng mô hình nghiên cứu dạng SBR có kích thước L x B x H = 0,3 x 0,3 x 0,6
m; lưu lượng 40 l/ngđ.
Các thiết bị phụ trợ bao gồm:
•
•
•
•
•
•

1 bơm nước đầu vào.
1 cánh khuấy.
Hệ thống phân phối khí bố trí ở đáy bể.
Hệ thống ống dẫn nước đầu vào và đầu ra.
Hệ thống van vòi điều chỉnh lưu lượng nước đầu vào, đầu ra.
Bể chứa nước đầu vào và đầu ra.

Bể hoạt động gồm 4 giai đoạn: Làm đầy, Sục khí, Lắng, Rút nước và Chờ.
Thời gian vận hành bể được thể hiện trong Bảng 2.1:
Bảng 2. 1 Chu trình vận hành mô hình bể SBR
Số chu kỳ vận hành trong 1 ngày
Tổng thời gian trong 1 chu kỳ

2 chu kỳ
10 giờ

Thời gian cho từng giai đoạn :
•


phần cơ chất là phenol và bổ sung các chất dinh dưỡng, vi lượng để nuôi bùn hoạt
tính. Nước thải giả định được chuẩn bị bằng cách hòa tan khối lượng đã xác định
trước các hóa chất vào nước máy. Thành phần nước thải giả định được trình bày
trong Bảng 2.2
Bảng 2. 2 Thành phần nước thải

24


Hóa chất

Nồng độ
trong nước
thải (mg/l)

Hóa chất

Nồng độ
trong nước
thải (mg/l)

C6H5OH

150

H3BO3

0.05

NH4Cl


2

AlCl3

0.05

CoCl2.6H2O

0.05

CaCl2

NiNO3

0.05

( Nguồn tham khảo: Biodegradation of high phenol concentration by activated
sludge in an immersed membrane bioreactor, 2006 - B. Marrot ∗, A. BarriosMartinez, P. Moulin, N. Roche)
2.3 Nguồn sinh khối
Bùn được lấy từ bể xử lý hiếu khí của hệ thống xử lý nước thải sản xuất của
công ty cổ phần chăn nuôi CP Việt Nam (KCN Phú Nghĩa, huyện Chương Mỹ,
thành phố Hà Nội).

Hình 2. 1 Công ty cổ phần chăn nuôi CP Việt Nam
2.3.1 Đặc tính của bùn

25