MỞ ĐẦU 1. Sự cầ n thiế t của đề tài Phát triển Khoa học – Kỹ thuật là vấn đề luôn được chú tro ̣ng trong chin ́ h sách quố c gia của Chính phủ với mục tiêu đưa Việt Nam trở thành một nước công nghiệp vào năm 2020. Việc xây dựng và phát triể n các khu công nghệ cao ở Hà Nội là một phần của chính sách này. Từ báo cáo nghiên cứu “Quy hoạch chung và Nghiên cứu khả thi Khu công nghệ cao Hòa Lạc của JICA”, Thủ tướng Chính phủ Việt Nam đã phê duyệt viê ̣c thực hiện dự án khu Công nghệ cao Hòa Lạc (sau đây gọi tắt là khu CNC Hòa Lạc) từ năm 1996 đến 1998.
Tháng 5 năm 2008, Thủ tướng Chính phủ Việt Nam đã phê duyệt “Điều chỉnh Quy hoạch chung khu CNC Hòa Lạc” với một số thay đổi về diện tích khu vực nghiên cứu. Trong tổng diện tích 1.586 ha của khu CNC Hòa Lạc, theo quy hoạch chung điều chỉnh, tiến hành xem xét lại nghiên cứu khả thi một cách chi tiết trên diện tích 1. Đây là khu vực cần khẩn trương phát triển trong khu CNC Hòa Lạc. Với mật độ dân số và các khu chức năng của quá trình phát triển khu CNC Hòa Lạc đươ ̣c hình thành, thì lượng nước thải ra từ khu CNC Hòa Lạc lớn ( tính toán từ dự án là 36.000 m3/ngày đêm), đây là nguồn gây ô nhiễm cho nguồn nước, bị tác động trực tiếp là nguồn nước mặt (Sông Tích là nguồn tiếp nhận).
Ngoài ra, theo báo cáo Quy hoạch chung xây dựng thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050, Sông Tích với chất lượng môi trường hiện trạng có dấu hiệu ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng ( BOD5 vượt 1,05 lần và Fe vượt 1,41 lần so với QCVN hiện hành) và Sông Tích là một trong những con sông trong quy hoạch không gian mặt nước của Thủ Đô Hà Nội. Chính vì vậy, Sông Tích sẽ được cải tạo mở rộng và làm sống lại hệ thống dòng sông trong tương lai nhưng vẫn giữ nguyên hình thái của các con sông ( sông Đáy, sông Tích, sông Nhuệ). 3 Vì vậy, khi xây dựng Khu CNC Hoà Lạc công tác bảo vệ môi trường là không thể thiếu nhằm đảm bảo phát triển bền vững, đặc biệt là bảo vệ môi trường nước trong khu CNC Hòa Lạc và khu vực lân cận. Theo quy định về bảo vệ môi trường và yêu cầu của Khu CNC Hòa Lạc, nước thải từ Khu CNC Hòa Lạc phải đạt yêu cầu Cô ̣t A của QCVN 40:2011/BTMT – Quy chuẩn quốc gia về nước thải công nghiệp.
Từ đó, trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ ngành Công nghệ Môi trường và qua quá trình làm việc với tư cách là cán bộ kỹ thuật ở giai đoạn lập dự án nhà máy xử lý nước thải khu công nghệ cao Hòa Lạc, tác giả lựa chọn đề tài luận văn : “Nghiên cứu, lựa chọn và đề xuất công nghệ xử lý nước thải Khu CNC Hòa Lạc” với mục đích nghiên cứu và lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam và đảm bảo nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn quy định nêu ở trên, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Mu ̣c tiêu đề tài Lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp với nước thải từ Khu Công Nghệ Cao Hòa Lạc nhằm đảm bảo: a. Đảm bảo nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn A của QCVN 40:2011/BTNMT -Quy chuẩn quốc gia về nước thải công nghiệp. Dễ dàng vận hành, bảo dưỡng trong điều kiện ở Việt Nam.
Nô ̣i dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về quy hoạch Khu CNC Hòa Lạc. - Nghiên cứu tổng quan về công nghê xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính như: công nghệ SBR ( aeroten hoa ̣t đô ̣ng theo mẻ), công nghê ̣ xử lý Ky ̣ khí + Hiế u khí (AO), công nghê ̣ xử lý nước thải Ky ̣ khí + Thiế u Khí + Hiế u Khí (A2O). - Đề xuất và lựa chọn công nghệ xử lý nước thải Khu CNC Hòa Lạc. - Phân tích đánh giá sự phù hợp, tính khả thi của công nghệ lựa chọn.
Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (Nghiên cứu công nghệ SBR, AO, A2O), phân tích các ưu nhược, điểm và đề xuất 4 phương án xử lý nước thải cho Khu CNC Hòa Lạc phù hợp trong điều kiện Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu là từ các thông tin thực tế, tiến hành rà soát lại lý thuyết cơ bản về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, nghiên cứu các công nghệ xử lý bằng phương pháp sinh học đã áp dụng tại Việt Nam và từ đó đề xuất và lựa chọn công nghệ hợp lý cho Khu CNC Hòa lạc. Các phương pháp sử dụng bao gồm: - Phương pháp truy hồi quá khứ: thu thập tài liệu, tổng hợp, phân tích các tài liệu, số liệu hiện có liên quan, lựa chọn và sử dụng các kinh nghiệm đã có: + Tài liệu, số liệu trong nước, tại các cơ quan đơn vị có liên quan, sách báo,. + Tài liệu, số liệu nước ngoài, sách báo, tài liệu của các cơ quan, đồng nghiệp,.
- Điều tra, khảo sát thực địa lấy số liệu thực tế. - Phương pháp chuyên gia: Lấy ý kiến bổ sung, đánh giá, đóng góp của các chuyên gia, các cán bộ chuyên ngành và các ngành khác có liên quan tại Hà Nội và một số tỉnh. Các phương pháp nêu trên là thích hợp với lĩnh vực xử lý nước thải nói riêng và công tác môi trường nói chung, đây cũng là lĩnh vực có rất nhiều yếu tố tác động đến kết quả thí nghiệm và rất khó kiểm soát trên phương diện lý thuyết. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC I.1 Cơ chế chuyể n hóa sinh ho ̣c và xử lý các chấ t hữu cơ, chấ t dinh dưỡng trong nước thải Khi đưa nước thải vào trong công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, các chất hữu cơ ở trạng thái hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ sẽ được hấp thụ trên bề mặt tế bào vi khuẩn.
Sau đó, chúng được chuyển hóa và phân hủy nhờ vi khuẩn. Quá trình này gồm 3 giai đoạn như sau: 1. Khuếch tán, chuyển dịch và hấp thụ chất bẩn từ môi trường nước lên bề mặt tế bào vi khuẩn. Ôxy hóa ngoại bào và vận chuyển các chất bẩn hấp phụ được qua màng tế bào vi khuẩn.
Chuyển hóa các chất hữu cơ thành năng lượng, tổng hợp sinh khối từ chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng khác bên trong tế bào vi khuẩn. Sơ đồ cân bằng vật chất trong quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ (BOD) được trình bày trên hình 1.1 sau: G0 G1 Gt Trôi theo nước thải G2 G3 CO2 + H2O G4 G5 CO2 + H2O Hình 1. 1 Sơ đồ cân bằng BOD trong công trình XLNT bằng phương pháp sinh học hiếu khí Trong đó: G0: lượng BOD trong nước thải Gt: Lượng BOD không được xử lý ( trôi theo nước ra khỏi công trình) 6 G1: lượng BOD hấp thụ trên bề mặt tế bào vi khuẩn G2: Phần BOD được vận chuyển vào bên trong màng tế bào vi khuẩn. G3: Phần BOD ôxy hóa nội bào G4: Phần BOD được tổng hợp thành sinh khối vi khuẩn.
G5: Phần BOD ôxy hóa nội bào. Các chất đầu tiên bị ôxy hóa để tạo thành năng lượng là cacbon Hydrat và một số các chất hữu cơ khác. Quá trình này được thực hiện trên bề mặt tế bào vi khuẩn nhờ xúc tác men ngoại bào. Một phần chất hữu cơ được vận chuyển qua màng tế bào vi khuẩn vào bên trong và tiếp tục ôxy hóa để giải phóng ra năng lượng tổng hợp thành tế bào chất.
Sinh khối vi sinh vật sẽ tăng. Trong điều kiện thiếu nguồn dinh dưỡng, tế bào chất lại bị ôxy hóa nội bào để tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động sống. Vi khuẩn ôxy hóa các chất hữu cơ bằng cách: hô hấp và lên men. Trong quá trình hô hấp, các cơ chất được ôxy hóa bằng ôxy tự do để sinh ra năng lượng và tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.
Đây là quá trình hô hấp hiếu khí diễn ra trong môi trường đủ ôxy tự do. Vi khuẩn thực hiện quá trình này là các vi khuẩn hiếu khí hoặc tùy tiện. Khi môi trường không đủ ôxy tự do ( điều kiện thiếu khí – anoxic) hoặc không có ôxy tự do ( điều kiện yếm khí – anaerobic), các loại vi khuẩn hiếu khí hoặc vi khuẩn tùy tiện sẽ tách khỏi ôxy trong liên kết nitrat, nitrit hoặc sunfat để ôxy hóa chất hữu cơ. Sản phẩm tạo ra của quá trình thường là các chất mang tính khử như H2S, NO-2, … hoặc nitơ phân tử.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí Sự chuyển hóa các chất hữu cơ (BOD) và các chất dinh dưỡng nhờ vi khuẩn hiếu khí được thể hiện trên hình sau: 7 Các chất bẩn hữu cơ và các chất dinh dưỡng trong nước thải Sản phẩm của Các quá trình phản ứng: sinh hóa của vi Ôxy CO2 và H2O sinh vật Nước sạch Tế bào và các chất trơ C5H7NO2, P, K… Hình 1.
2 Sơ đồ tổng quát quá trình chuyển hóa chất bẩn trong công trình XLNT bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí. Các quá trình này được biểu diễn theo các phương trình sau: 1) Đồng hóa (Catabolism) CxHyOzN + O2 CO2 + H2O + NH3 + Năng lượng (1.2) 3) Tự phân hủy ( Autolysis) CxHyOzN + O2 CO2 + H2O + NH3 + Năng lượng (1.3) Trong quá trình ôxy hóa hiếu khí, các hợp chất hữu cơ chứa ni tơ, lưu huỳnh, phốt pho cũng được chuyển hóa thành nitơ rát (NO3-), sunphat (SO42-), phốt phát (PO4-3), CO2 và H2O. Khi môi trường cạn nguồn các bon hữu cơ, các loại vi khuẩn nitơ rát hóa (Nitrosomonas) và nitơ rát hóa ( Nitrobacter) thực hiện quá trình nitơ rát hóa theo hai giai đoạn: Nitrosonas 55NH4+ + 76O2 + 5CO2 C5H7NO2 + 54NO2- + 52H2O + 109 H+ (1.4) 8 Nitrobacter 400NO2 + 109O2 + NH3 + 2H2O + 5CO2 C5H7NO2 + 400NO3- (1.5) - Trong quá trình trên, tỷ lệ sử dụng ôxy do Nitrosomonas là 3,33 g O2 cho 1 g N-NH4 và do Nitrobacter là 1,11 g O2 cho 1 g N-NO2. Trong điều kiện yếm khí, không có ôxy tự do, các loại vi khuẩn phản nitơ rát ( Denitrificans) tách ôxy từ nitơ rát và nitơ rít để ôxy hóa các chất hữu cơ.
Lượng ôxy giải phóng từ 1g NO2- là 1,71 g và từ 1g NO3- là 2,85 g.