Chương 1: Tổng quan phương pháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học.2) Phương pháp cơ học Các phương pháp cơ học thường được sử dụng gồm: lắng, trộn, tuyển nổi, v. Phương pháp xử lý cơ học được sử dụng dựa vào các lực vật lý như lực trọng trường, lực ly tâm v. để tách các chất không hoà tan, các hạt lơ lửng có kích thước đáng kể ra khỏi nước thải. Ưu điểm: Phương pháp tương đối đơn giản, mức chi phí thấp, hiệu quả xử lý chất lơ lửng.
Phương pháp này có thể loại bỏ 60% các hợp chất không hòa tan có trong nước thải và BOD giảm 20%. Hiệu quả xử lý có thể đạt 75% theo hàm lượng chất lơ lửng và 30 – 35% theo BOD bằng các biện pháp làm thoáng sơ bộ hoặc đông tụ sinh học.3) Phương pháp hóa học Các phương pháp hóa học gồm: Oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các chất độc hại. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào các phản ứng hóa học giữa các chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào. Ưu điểm: Hiệu quả xử lý cao, thường được dùng trong các hệ thống xử lý nước khép kín.
Nhược điểm: Chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thải có quy mô lớn.4) Phương pháp hóa lý Trang 12 Báo cáo tổng hợp đề tài Chương 1: Tổng quan Bản chất của phương pháp này là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động đến các chất ô nhiễm, biến đổi hóa học tạo thành các chất dễ xử lý và không gây ô nhiễm môi trường. Phương pháp xử lý hóa lý có thể kết hợp với các phương pháp cơ học, hóa học, sinh học. Các phương pháp hóa lý bao gồm: keo tụ, tuyển nổi, trao đổi ion, hấp phụ v. Hấp thụ: Dùng để tách các chất hữu cơ và khí hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách tập trung những chất đó trên bề mặt chấp hấp thụ Trích ly: Dùng để tách các chất bẩn hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách bổ sung một chất dung môi không hòa tan vào nước, nhưng độ hòa tan của chất bẩn trong dung môi cao hơn nước.
Chưng bay hơi (chưng cất):Là quá trình cấp nhiệt liên tục để hóa hơi nước thải, trong đó các chất hòa tan cùng bay hơi lên theo.Khi ngưng tụ hơi nước và chất bẩn đã bay hơi sẽ hình thành các lớp riêng biệt và do đó dễ dàng tách các chất bẩn ra.5) Phương pháp sinh học Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để oxy hóa các liên kết hữu cơ phân tán dạng keo và dạng hòa tan có trong nước thải. Vi sinh sử dụng các chất hữu cơ có sẳn trong nước trong nước thải làm nguồn dinhh dưỡng như cacbon, nitơ, phtpho, kali, v. vi sinh vật sử dụng vật chất này để kiến tạo tế bào cũng như tích lũy năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển. Chính vì vậy sinh khối vi sinh vật không ngừng tăng lên.
Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có 5 nhóm chính: 9 Quá trình hiếu khí. 9 Quá trình thiếu khí. 9 Quá trình kỵ khí. 9 Thiếu khí và kỵ khí kết hợp.
9 Quá trình hồ sinh học. Trang 13 Báo cáo tổng hợp đề tài Chương 1: Tổng quan Ưu điểm: Rẻ tiền, sản phẩm phụ của quá trình có thể tận dụng lảm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí metan).1) Phương pháp sinh học loại bỏ nitơ Nitơ trong nước thải đô thị hiện diện ờ nhiều dạng khác nhau như nitơ hữu cơ (protein và ure) và N-NH3. Việc loại bỏ nitơ có thể đạt được bởi 2 quá trình cơ bản gồm quá trình đồng hóa và quá trình nitrat hóa - khử nitrat hóa. Vi sinh vật đồng hóa N-NH3 để chuyển thành sinh khối.
Đối với quá trình nitrat hóa - khử nitrat, nitơ sẽ được loại bỏ bởi 2 quá trình đó. Trong giai đoạn đầu tiên, nitrat hóa là tiến trình sinh học trong đó N-NH3 sẽ được chuyển hóa thành nitrit và cuối cùng là nitrat, tất cả diễn ra trong quá trình hiếu khí. Quá trình nitrat hóa diễn ra do các vi sinh vật tự dưỡng. Quá trình loại bỏ nitơ gồm 2 phản ứng, một là oxi hóa N-NH3 thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và từ nitrit sang nitrat bởi vi khuẩn Nitrobacter.
Trong giai đoạn thứ 2, nitrat chuyển hóa thành khí N2, quá trình khử nitrat hóa diễn ra trong điều kiện thiếu khí. Sự chuyển hóa nitơ trong quá trình sinh học được mô tả trong hình 2. có hiệu quả và tiết kiệm trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ. Quá trình khử Ammonia Quá trình xử lý sinh học được ứng dụng trong việc khử ammonia và nitrate trong nước thải được ứng dụng một cách rộng rãi với nhiều quy trình công nghệ xử lý ngày càng trở nên phổ biến, từ đầu tiên là công nghệ SBR, mương oxy hóa đến những công nghệ gần đây như ANAMMOX (Mulder, 1995), CANON (Schmidt, 2003) và SHARON (Hellinga, 1998).
Quá trình thông thường nitơ trong nước thải được loại bỏ nhờ sự chuyển hóa của vi khuẩn đối với các hợp chất của nitơ như N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, v. thành nitơ tự do nhờ quá trình nitrate hoá và khử nitrate (nitrification/denitrification). Tổng kết các quá trình chuyển hoá nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học được thê hiện trong bảng 1. Trang 14 Báo cáo tổng hợp đề tài Chương 1: Tổng quan Bảng 1-2 : Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật Nguồn Environ-ental Biotec-nology: princip-es and → C5H7O2N + 4H2O 2.5CH4 + Ammonification applica-ion, 1a - + Vi khuẩn 1.5CO2 + HCO3 + NH4 (kỵ khí) Rittman v Mcácarty (2001); Henze (2002) C5H7O2N + 5O2 → Ammonification 1b - + Vi khuẩn 4CO2 + HCO3 + NH4 + H2O (hiếu khí) Cân bằng → Không (quá 2 NH4+ + OH- NH3 + H2O ammonia/ammoni trình vật lý) a 4CO2 + HCO3- + NH4+ + Quang hợp, tự 3 Vi khuẩn, tảo H2O → C5H7O2N + 5O2 dưỡng Nitrisomonas, e.
NH4+ + 1,5O2 + 2HCO3- → 4 Nitritation N. eutropha NO2- + 2CO2 + 3H2O N.europea Nitrosospira Nitrobacter, e. agilis 5 - → NO2 + 0,5O2 NO3 - Nitratation Nitrospira Nitrococácus Nitrosocystics + -→ NH4 + 2O2 + 2HCO3 Nitrifying 4+5 - Nitrification NO3 + 2CO2 + 3H2O bacteria Denitrifying 6 C + 2NO3- → 2NO2- + CO2 Denitratation heterotrophic bacteria Denitrifying -→ 3C + 2H2O + CO2 + 4NO2 heterotrofic 7 Denitritation 2N2 + 4HCO3- bacteria Heterotrophs: Pseudomonas 5C + 2H2O + 4NO3- → 6+7 Denitrification Bacillus 2N2 + 4HCO3- + CO2 Alcaligenes Paracocácus NH4+ + 0.75O2 + HCO3- → Nitrate hoá bán Ammonia- Van Dongen 8 0.5NO2- + phần (partial oxidizing (2001) CO2 + 1.5H2O nitritation) bacteria Trang 15 Báo cáo tổng hợp đề tài Chương 1: Tổng quan STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật Nguồn Anammox (không Planctomycetale 9a NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O tổng hợp tế bào) s NH4+ + 1. tổng hợp tế bào) s 5N0, 15 +2.03H2O Rittman v 4NH4+ + 6O2 + 3C + Modified nitrogen Bacteria Mcácarty 4 + 7 4HCO3- → 2N2 + 7CO2 + removal (2001) 10H2O Henze (2002) 4 + 5 4NH4+ + 8O2 + 5C + Khử nitơ truyền + 6 4HCO3- → 2N2 + 9CO2 + thống (Traditional Bacteria + 7 10H2O nitrogen removal) Nitrifying NH3 + 0.11NO3- + bacteria Sliekers 4+9 CANON 0.75O2 → Verstraet-e v 10 OLAND Nitrosomonas 0.5H2O Philips (1998) 3NH4+ + 3O2 + 3[H] → Schmidt 11 Quá trình NOx Nitrosomonas 1.5N2 + 3H+ + 6H2O (2003) Nguồn : Luzia Gut, 2006 Quá trình khử nitrat • Mô tả quá trình Khử nitrate, bước thứ hai theo sau quá trình nitrate hoá, là quá trình khử nitrate- nitrogen thành khí nitơ, nitrous oxide (N2O) hoặc nitrite oxide (NO) được thực hiện trong môi trường thiếu khí (anoxic) và đòi hỏi một chất cho electron l chất hữu cơ hoặc vô cơ.
Hai con đường khử nitrate có thể xảy ra trong hệ thống sinh học đó là: - Đồng hóa: Con đường đồng hóa liên quan đến khử nitrate thành ammonia sử dụng cho tổng hợp tế bào. Nơi xảy ra khi ammonia không có sẵn, độc lập với sự ức chế của oxy. - Dị hoá (hay khử nitrate): Khử nitrate bằng con đường dị hóa liên quan đến sự khử nitrate thành oxide nitrite, oxide nitrous và nitơ. Trang 16 Báo cáo tổng hợp đề tài Chương 1: Tổng quan NO3-→ NO2-→ NO(g) → N2O (g) → N2(g) Một số loài vi khuẩn khử nitrate được biết: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocácus, Spirillum, Thiobacillus, Achromobacterium, Denitrobacillus, Micrococus, Xanthomonas (Painter 1970).
Hầu hết vi khuẩn khử nitrate là dị dưỡng, nghĩa là chúng lấy carbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ. Bên cạnh đó, vẫn có một số loài tự dưỡng, chúng nhận carbon cho tổng hợp tế bào từ các hợp chất vơ cơ. Ví dụ loài Thiobacillus denitrificans oxy hoá nguyên tố S tạo năng lượng và nhận nguồn carbon tổng hợp tế bào từ CO2 tan trong nước hay HCO3-. Quá trình khử nitrate đòi hỏi phải cung cấp nguồn carbon.
Điều này có thể thực hiện bằng một trong ba cách : o Cấp nguồn carbon từ bên ngoài như methanol, nước thải đô thị hoặc acetate. - Sử dụng BOD của chính nước thải làm nguồn carbon, thực hiện bằng cách. - Tuần hoàn lại phần lớn nước sau khi đã nitrate hoá đến vùng thiếu khí ở vị trí đầu công trình. o Dẫn một phần nước thải thô đầu vào hay đầu ra sau xử lí sơ bộ vào vùng chứa nitrate.
o Sử dụng nguồn carbon của chính tế bào do quá trình hô hấp nội sinh. Độ kiềm sinh ra được tính từ cân bằng phản ứng sau (Theo Mcácarty, 1969).76 CO2 + OH- Do đó, độ kiềm sinh ra 3.57 mg CaCO3/mgNO3- bị khử khi g NO3- được sử dụng cho tổng hợp tế bào. Trong nước thải có sẵn ammonia thì độ kiềm sinh ra ít hơn do một phần nitrate chuyển thành ammonia cho tổng hợp tế bào được thay thế bởi ammonia có sẵn ( 2.9 – 3 gCaCO3/gNO3- bị khử). Trang 17 Báo cáo tổng hợp đề tài Chương 1: Tổng quan 1.2) Khử Phospho trong nước thải Sự tích lũy sinh học Phospho trong nước tồn tại ở các dạng như: ortho-phosphat, polyphosphat và các hợp chất phospho hữu cơ.