Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của xã hội, vấn đề ô nhiễm môi trường cũng ngày càng trở nên đáng báo động, trong đó có vấn đề ô nhiễm nước. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận. Rất nhiều hợp chất gây ô nhiễm trong nước thải có khả năng chuyển hoá cao trong môi trường nước tự nhiên thông qua các phản ứng hoá học, sinh hoá, quang hoá và tác động đến cân bằng sinh thái của môi trường. Thành phần gây ô nhiễm trong nước thải, xét về khía cạnh tác động gây hại và giải pháp công nghệ xử lý, có thể chia thành ba nhóm chính: chất hữu cơ có khả năng sinh hủy, thành phần dinh dưỡng và loại hợp chất hóa học cần đặc biệt quan tâm.
Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thành phần dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường. Tác dụng xấu của nước thải lên môi trường được con người nhận biết từ lâu và luôn tìm cách hạn chế. Kỹ thuật hay công nghệ xử lý nước thải có thể được đặc trưng bởi trình độ phát triển qua các giai đoạn: xử lý sơ cấp, thứ cấp và bậc ba (phương pháp tiên tiến).
Rất nhiều các giải pháp kỹ thuật được sử dụng để xử lý nước thải đã và đang được sử dụng trong các điều kiện khác nhau như kỹ thuật huyền phù, cố định vi sinh trên chất mang, kỹ thuật bùn hoạt tính, đĩa quay, lọc nhỏ giọt, tầng cố định, tầng giãn nở, tầng linh động (lưu thể) hoặc tổ hợp (lai ghép) của các kỹ thuật trên. Mỗi phương pháp kỹ thuật đều có những ưu, nhược điểm riêng. Xử lý các thành phần gây ô nhiễm trong nước thải đòi hỏi mức độ phát triển công nghệ khác nhau. Việc xử lý mức độ khó và chi phí tốn kém đối với việc xử lý các chất thải chứa thành phần chứa chất dinh dưỡng hay các hợp n 2 chất hoá học đặc biệt nêu trên.
Nhận biết được mức độ gây hại của thành phần dinh dưỡng trong nước thải, vào thập kỷ 90, một loạt các nước công nghiệp đề ra chiến lược và qui định kiểm soát các yếu tố trên. Công nghệ xử lý nước thải luôn được phát triển và hoàn thiện trên cơ sở những thành tựu mới về khoa học, kỹ thuật nhằm hạ giá thành xây dựng và vận hành hệ thống xử lý nước thải cũng như nâng cao chất lượng nước sau khi xử lý. Tuy nhiên hiện nay việc xử lý nước thải nói chung và nước thải giàu N, P nói riêng theo hướng áp dụng các kỹ thuật sinh học được chú trọng phát triển mạnh trong thời gian gần đây do chúng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện trong tự nhiên. Từ các lý do trên em lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến” 1.
Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá các chế độ vận hành hệ xử lý phối hợp đồng thời nitơ và phốtpho hệ thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu, tải lượng đến khả năng xử lý N và P. - Thiết lập quan hệ tải lượng hữu cơ - năng suất xử lí N và P, nhằm đưa ra giá trị thông số thiết kế áp dụng cho các hệ thống qui mô lớn trong thực tiễn. Mục đích nghiên cứu Đánh giá số liệu, hiệu chỉnh vận hành phù hợp; đề xuất hiệu chỉnh cho quy trình tổng thể hợp nhất xử lý nước thải giàu N, P. Đánh giá hiệu quả kinh tế của đề tài.
Ý nghĩa của đề tài 1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học + Vận dụng kiến thức đã học + Nâng cao tay nghề 1. Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất Ý nghĩa thực tiễn của việc áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải là vô cùng quan trọng trong đời sống. Vừa mang lại lợi ích cho kinh n 3 tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội lẫn môi trường.
Có thể kể những ý nghĩa quan trọng như: + Ứng dụng sinh học như một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lý chất thải hiệu quả mà không mang lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường. Chất lượng nước đầu ra sạch hơn và có tính chất như nước tự nhiên. Vai trò của Công nghệ sinh học trong xử lý nước thải. + Công nghệ sinh học là công cụ xử lý triệt để và chủ động trên thành phần và tính chất nước thải, không cần thiết có sự can thiệp trực tiếp của con người vào quá trình xử lý tự nhiên.
Thuận tiện trong công tác vận hành và quản lý. + Tiết kiệm kinh phí trong việc xử lý nước thải. Chi phí cho các biện pháp sinh học thường thấp hơn chi phí cho các biện pháp xử lý khác. Bên cạnh đó chi phí quản lý cũng thấp do việc quản lý đơn giản hơn.
+ Những chất không bị phân hủy trong nước thải công nghiệp trước giờ. n 4 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Các cơ sở nghiên cứu của đề tài 2. Nước thải giàu N, P Nước thải giàu nitơ, photpho là những loại nước thải khá phổ biến, có lẽ trừ công nghiệp phân bón (sản xuất phân nitơ, photpho) phần lớn các loại nước thải kiểu này đều có nguồn gốc hữu cơ, do đó chúng phổ biến ở những nước có nền nông nghiệp đang phát triển-có nền chăn nuôi đang phát triển, có nhu cầu lớn về phát triển công nghiệp chế biến các nông - hải sản như Việt Nam.
Chúng là nước thải chăn nuôi tập trung, nước thải từ các lò giết mổ gia súc, nước thải công nghiệp chế biến hải sản, nước thải từ các hầm cầu (tiền) xử lí phân, từ các bể metan phân hủy bùn sinh học của các trạm hay nhà máy xử lí nước thải mà Việt Nam bắt đầu xây dựng… Nếu sử dụng các kĩ thuật phản ứng thông dụng và xử lí độc lập từng đối tượng hệ xử lí sẽ rất phức tạp, kéo theo chi phí xây dựng cơ bản cũng như chi phí vận hành rất cao, khó chấp nhận (Lê Văn Cát, 2007) [ 1]. Nước thải được coi là giàu nitơ hay photpho về phương diện công nghệ xử lý (vi sinh) được hiểu trong mối tương quan với chất hữu cơ, ví dụ trong xử lý hiếu khí thì chỉ khi BOD: N: P vượt tỉ lệ 100: 5:1, trong xử lý yếm khí thì 900: 5: 1. Xét theo khía cạnh đó thì nước thải chăn nuôi tại Việt Nam (khí hậu nóng, BOD dễ phân hủy), nước thải sau xử lý yếm khí (nước rác, nước thải chuồng trại, ủ biogas, nước sau bể phốt) thuộc loại giàu nitơ và photpho. Nước thải giàu nitơ và photpho còn phụ thuộc vào đặc điểm sinh hoạt: các công sở, bệnh viện, trường học, trung tâm thương mại, khách sạn có nguồn nước thải giàu N, P do nguồn thải chủ yếu từ khu vực vệ sinh (chứa ít chất hữu cơ) (Gaul T, 2002) [11].
Nước thải giàu nitơ, photpho không những được hiểu là có nồng độ cao mà rộng hơn còn được hiểu là có thải lượng lớn. Ví dụ trong ngành nuôi trồng thủy sản, nồng độ amoni chỉ khoảng 5g/m3, nhưng mỗi lần thải có thể tới 10000m3 từ một ao nuôi. Riêng tại Việt Nam hiện có trên 5000 trạm nuôi giống đang hoạt động, hàng ngày thải vào môi trường nhiều chục tấn nitơ (Lê Văn Cát, 2012) (Lê Văn Cát và cs. n 5 Vì vậy khi nói về tính chất giàu nitơ, photpho là nói đến tải lượng của nguồn thải, nguồn đó chứa ít chất hữu cơ (so với tỷ lệ trên), là loại hình nước thải phổ biến có lưu lượng thải lớn và khó xử lý.
Xử lý hợp chất N Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học), vật lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước. - Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí quyển. Con đường chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua các quá trình liên tiếp nitrat hóa (oxy hóa amoniac) và khử nitrat (khử nitrat với tư cách là chất oxy hóa và chất hữu cơ carbon là chất khử). Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trực tiếp giữa amoniac với nitrit và nitrat bằng phương pháp vi sinh (quá trình Anamox).
Oxy hóa xúc tác trực tiếp amoniac thành khí nitơ. Oxy hóa amoniac với clo hoạt động (clo hóa tại điểm đột biến) (Lê Văn Cát, 2007) [1]. - Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào của sinh khối (thực vật và vi sinh vật). Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực vật hay đồng hóa của vi sinh vật.
Quá trình trên tồn tại trong tự nhiên, là cơ sở của phương pháp xử lý bằng các loại thủy thực vật. - Bốc hơi amoniac vào bầu khí quyển. Phương pháp này thật ra là chuyển chất ô nhiễm từ nước vào không khí, sau đó phần lớn lại được hấp thụ trở lại vào môi trường nước ở những vị trí khác. Để thực hiện phương pháp trên, amoniac phải tồn tại ở dạng bay hơi (trung hòa) và do độ tan của amoniac trong nước rất lớn nên để thúc đẩy cần phải sục khí với lượng rất lớn và ở nhiệt độ cao.
- Tách amoniac ra khỏi môi trường nước có thể thực hiện bằng phương pháp trao đổi ion trên cationit. Các loại nhựa cationit có độ chọn lọc trao đổi thấp đối với amoni, dung lượng trao đổi động thấp, bị cạnh tranh mạnh bởi các ion khác có mặt với nồng độ cao như canxi, magie. Loại zeolit tự nhiên clinoptilolite có khả năng chọn lọc cao đối với amoni có thể được sử dụng trong một số trường hợp. Nitrat cũng là cấu tử có độ chọn lọc trao đổi ion n 6 thấp hầu hết trên các loại nhựa tổng hợp.
Trên thị trường có một số anionit đặc thù dành cho trao đổi nitrat (Lê Văn Cát, 2012) [ 2 ]. Sử dụng một số loại màng thích hợp: màng nanô, màng thẩm thấu ngược hay điện thẩm tích cũng tách được các hợp chất nitơ đồng thời với các hợp chất khác.