MỞ ĐẦU Vấn đề xử lý nƣớc thải tại các đô thị nói chung, Hà Nội nói riêng đã đƣợc quan tâm từ lâu, trong quy hoạch thành phố các trạm xử lý nƣớc thải tập trung luôn đƣợc chú ý. Trạm xử lý nƣớc thải Kim Liên, Hà Nội là một trong những trạm xử lý sử dụng công nghệ xử lý nƣớc thải đô thị phổ biến hiện nay. Trạm xử lý nƣớc thải bằng công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng với nhiều ƣu điểm nhƣ loại bỏ tốt các chất hữu cơ, xử lý đƣợc các hợp chất Nitơ và Photpho, hạn chế sử dụng hóa chất, ít phát sinh độc tố/chất thải thứ cấp trong quá trình xử lý, thân thiện với môi trƣờng. Tuy nhiên, bên cạnh những ƣu điểm là những nhƣợc điểm nhƣ: xử lý Nitơ chƣa hiệu quả, vấn đề kiểm soát bùn gặp nhiều khó khăn cũng là một nhƣợc điểm lớn của hệ bùn hoạt tính lơ lửng.
Để khắc phục các nhƣợc điểm trên rất nhiều các giải pháp công nghệ đã và đang đƣợc nghiên cứu nhƣ công nghệ giá thể mang màng vi sinh chuyển động, đĩa quay sinh học, lọc nhỏ giọt hoặc tổ hợp (lai ghép) của các công nghệ trên. Mỗi phƣơng pháp công nghệ đều có những ƣu, nhƣợc điểm riêng. Nhìn chung các phƣơng pháp đều hƣớng tới việc tăng hiệu quả xử lý bằng cách tăng mật độ vi sinh (trên một đơn vị thể tích). Công nghệ giá thể mang màng vi sinh chuyển động (MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor) đáp ứng đƣợc tiêu chí đó.
Điểm nổi bật nhất của công nghệ MBBR là vật liệu mang làm giá thể cho vi sinh bám vào chuyển động trong môi trƣờng nƣớc thải nhờ dòng khí cấp cho vi sinh hiếu khí hoạt động. Vi sinh vật trong bể hiếu khí sẽ tồn tại ở hai trạng thái: huyền phù trong nƣớc và ở màng vi sinh trong chất mang. Chính quá trình chuyển động của chất mang giúp tăng mật độ vi sinh trên một đơn vị thể tích, phân bố bùn trong không gian đƣợc đồng đều hơn. Lớp màng vi sinh bám trên chất mang thực hiện đồng thời quá trình nitrat hóa và khử nitrat, nhờ vậy nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ.
Mặc dù có nhiều ƣu điểm nhƣng về phƣơng diện kinh tế công nghệ MBBR có hạn chế là vật liệu mang cần phải nhập khẩu, giá thành cao tại Việt Nam dẫn đến hạn chế việc áp dụng. Hiện tƣợng bào mòn các giá thể cũng là vấn đề cần đƣợc quan tâm. Hiện tƣợng này xảy ra khi các giá thể chuyển động trong bể và va chạm 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vào nhau, làm cho lớp màng hình thành trong giá thể dễ bong tróc, do đó làm giảm hiệu quả xử lý. Để khắc phục “nhƣợc điểm” nói trên của công nghệ MBBR, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu mang vi sinh chuyển động nhằm tăng cƣờng xử lý Nitơ trong nƣớc thải đô thị” là cần thiết, góp phần cải thiện hiệu quả xử lý nƣớc thải đồng thời đơn giản hóa công nghệ vận hành và giảm chi phí xử lý nƣớc thải.
* Mục tiêu của đề tài - Chế tạo vật liệu mang vi sinh vật chuyển động thích hợp cho xử lý nƣớc thải đô thị. - Nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ trong nƣớc thải đô thị bằng hệ bùn hoạt tính có sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động mới chế tạo. * Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu mang tăng tính năng mang vi sinh vật chuyển động. - Đánh giá đặc tính hóa lý và khả năng ứng dụng để xử lý nƣớc thải của vật liệu mang vi sinh chế tạo đƣợc.
- Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của hệ bùn hoạt tính có sử dụng vật liệu mang mới trong mô hình xử lý công suất 0,5 m3/ngày đêm quy mô phòng thí nghiệm. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nƣớc thải đô thị và các công nghệ xử lý nƣớc thải đô thị 1.1 Tổng quan về nước thải đô thị Nƣớc thải là nƣớc đƣợc thải ra sau quá trình sử dụng của con ngƣời và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng. Thông thƣờng nƣớc thải đƣợc phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Đó cũng là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp hoặc công nghệ xử lý.
Theo cách phân loại này, có các loại nƣớc thải sau, [3]. - Nƣớc thải sinh hoạt là nƣớc đƣợc thải bỏ sau khi sử dụng cho mục đích sinh hoạt của con ngƣời: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh,. Một số hoạt động công cộng hoặc dịch vụ nhƣ bệnh viện, trƣờng học, khách sạn, nhà hàng,.cũng tạo ra loại nƣớc thải có thành phần, tính chất giống nƣớc thải sinh hoạt; - Nƣớc thải công nghiệp (nƣớc thải sản xuất); - Nƣớc thải tự nhiên (nƣớc mƣa, nƣớc lũ, …); - Nƣớc thải đô thị (thuật ngữ chung chỉ hỗn hợp các loại nƣớc thải trong hệ thống cống thoát nƣớc của một thành phố); Đối với các khu dân cƣ không chứa làng nghề, chỉ chú trọng về ngành dịch vụ nhƣ khu vực nghiên cứu thì thành phần chủ yếu trong nƣớc thải đô thị chính là nƣớc thải sinh hoạt, [3]. Nƣớc thải sinh hoạt gồm hai loại: - Nƣớc đen là nƣớc thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm nhƣ chất hữu cơ, vi sinh vật và cặn lơ lửng.
- Nƣớc xám là nƣớc phát sinh từ các quá trình: tắm, giặt, rửa,. Để quản lý tốt chất lƣợng môi trƣờng nƣớc cũng nhƣ thiết kế, lựa chọn công nghệ và thiết bị xử lý phù hợp cần hiểu rõ bản chất của nƣớc thải. Có rất nhiều thông số về chất lƣợng nƣớc,nhóm các thông số quan trọng trong nƣớc thải có liên quan tới mức độ ô nhiễm và công nghệ xử lý đƣợc liệt kê trong bảng 1. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Đặc tính nƣớc thải sinh hoạt thông thƣờng nhìn chung, [22] TT Chỉ tiêu Đơn vị Trong khoảng Trung bình 1 Tổng chất rắn (TS) mg/l 350-1200 720 2 Chất rắn hòa tan(TDS) mg/l 250-850 500 3 Chất rắn lơ lửng(SS) mg/l 100-350 220 4 BOD5 mg/l 110-400 220 5 Tổng Nitơ mg/l 20-85 40 6 Nitơ hữu cơ mg/l 8-35 15 7 Nitơ Amoni mg/l 12-50 25 8 Nitơ Nitrit mg/l 0-0.1 0,05 9 Nitơ Nitrat mg/l 0.4 0,2 10 Clorua mg/l 30-100 50 11 Độ kiềm mgCaCO3/l 50-200 100 12 Tổng chất béo mg/l 50-150 100 Đặc trƣng của nƣớc thải sinh hoạt nói chung là thƣờng chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các hợp chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật. Các vi sinh vật thƣờng là vi sinh đƣờng ruột nhƣ E.coli, Coliform,… và các vi sinh vật gây bệnh nhƣ virus, vi khuẩn. Đồng thời trong nƣớc thải có cả vi sinh vật phân hủy chất ô nhiễm, [3]. Một vài thông số chính có liên quan nhiều đến công nghệ xử lý nƣớc thải sẽ đƣợc trình bày chi tiết sau đây.
a) Hàm lƣợng chất rắn Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trƣng quan trọng nhất của nƣớc thải. Theo kích thƣớc của hạt rắn, tổng chất rắn đƣợc phân thành các loại: chất rắng lơ lửng, chất rắn keo và chất rắn tan (đƣợc trình bày trong hình 1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chất rắn tan Chất rắn keo Chất rắn lơ lửng Kích thƣớc hạt, µm 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 100 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Kích thƣớc hạt, mm Khử bằng keo tụ Lắng đƣợc Hình 1. Phân loại chất rắn trong nƣớc thải [3].
Hàm lƣợng chất rắn lắng đƣợc là những hạt rắn sẽ lắng xuống đáy bình hình côn (phễu imhop) trong 60 phút, đƣợc tính bằng ml/l. Chỉ tiêu này là một phép đo gần đúng lƣợng bùn sẽ đƣợc khử trong lắng sơ cấp, [3]. Các chất rắn dạng keo sẽ đƣợc loại bỏ nhờ quá trình keo tụ. b) Hàm lƣợng oxy hòa tan DO Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nƣớc là hàm lƣợng oxy hòa tan, vì oxy không thể thiếu đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng nhƣ dƣới nƣớc.
Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lƣợng cho sự sinh trƣởng, sinh sản và tái sản xuất. Tuy nhiên oxy lại là chất khí khó hòa tan trong nƣớc, không tác dụng với nƣớc về mặt hóa học. Độ hòa tan của nó phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nƣớc, [3]. Để xác định hàm lƣợng oxy hòa tan trong nƣớc ngƣời ta thƣờng sử dụng các máy đo DO có độ chính xác cao phục vụ nghiên cứu và quan trắc môi trƣờng.
Việc xác định thông số về hàm lƣợng oxy hòa tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện của quá trình phân hủy hiếu khí trong xử lý nƣớc thải, [3]. c) Nhu cầu oxy sinh hóa BOD Nhu cầu oxy sinh hóa là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nƣớc thải đô thị và chất thải trong nƣớc thải. BOD đƣợc định nghĩa là lƣợng oxy vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ. Nhƣ vậy BOD 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com biểu thị lƣợng các chất hữu cơ trong nƣớc có thể bị phân hủy bằng các vi sinh vật.
Trong công nghệ môi trƣờng BOD đƣợc dùng rộng rãi để: - Xác định gần đúng khối lƣợng oxy cần thiết để ổn định sinh học các chất hữu cơ có trong nƣớc thải; - Xác định kích thƣớc thiết bị xử lý; - Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình; Trong thực tế ngƣời ta không thể xác định lƣợng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ do tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lƣợng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC, ký hiệu BOD5. Chỉ tiêu này đã đƣợc chuẩn hóa và sử dụng ở hầu khắp các nƣớc trên thế giới, [3]. d) Nhu cầu oxy hóa học COD Chỉ số này đƣợc dùng rộng rãi để biểu thị hóa hàm lƣợng chất ô nhiễm trong nƣớc thải và nƣớc tự nhiên. Nhu cầu oxi hoá học (COD) đƣợc định nghĩa là nồng độ khối lƣợng của oxi tƣơng đƣơng với lƣợng dicromat (hoặc KMnO4) tiêu tốn bởi các chất lơ lửng và hoà tan trong mẫu nƣớc khi mẫu nƣớc đƣợc xử lý bằng chất oxi hoá đó ở điều kiện xác định, [1].
Nhƣ vậy, COD là lƣợng oxy cần để oxy hoá toàn bộ các chất hoá học trong nƣớc, trong khi đó BOD là lƣợng oxy cần thiết để oxy hoá một phần các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ bởi vi sinh vật.Toàn bộ lƣợng oxy sử dụng cho các phản ứng trên đƣợc lấy từ oxy hoà tan trong nƣớc (DO).