CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Nước là nguồn tài nguyên vô giá luôn gắn liền với hoạt động sống của con người. Tuy nhiên, nước thải từ các hoạt động sản suất và sinh hoạt của con người đang ngày càng hủy hoại nguồn tài nguyên vô giá đó. Do vấn đề chi phí xây dựng và vận hành hệ thống nên hầu hết các nhà máy xử lý nước thải chỉ đáp ứng chất lượng nước sau xử lý vừa đủ đạt so với các quy chuẩn Việt Nam hiện hành. Tuy nhiên, việc xả vào nguồn tiếp nhận lượng nước còn chứa hàm lượng nitơ và phospho sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng làm suy giảm chất lượng nước tại nguồn tiếp nhận.
Gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe của con người. Để giải quyết hiện tượng này, có nhiều phương pháp, nhưng tìm ra phương pháp vừa xử được nguồn nước vừa không tốn nhiều chi phí là một vấn đề cần phải nghiên cứu. Việc áp dụng các biện pháp hóa học để giải quyết hàm lượng nitơ và phospho còn lại trong nguồn nước xả thải không những gây tốn kém rất nhiều mà các sản phẩm sau phản ứng và dư lượng hóa chất sau xử lý có thể ảnh hưởng xấu đến môi trường. Biện pháp xử lý bằng vi sinh vật có thể được áp dụng.
Tuy nhiên, lượng nước sau hệ thống xử lý đã đạt so với quy chuẩn nên việc xây dựng thêm công trình đơn vị để xử lý sẽ rất tốn kém chi phí và diện tích đất. Để giải quyết đồng thời hai vấn đề môi trường và kinh tế, cần nghiên cứu phương pháp mới. Dựa trên đặc điểm hấp thu nguồn dinh dưỡng chủ yếu là nitơ và phospho của vi tảo, ta có thể tận dụng chúng để giải quyết lượng nitơ và phospho còn lại trong nước thải vừa góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính do quá trình quang hợp của tảo góp phần hấp thu khí CO 2. Bên cạnh đó, sinh khối tảo còn có khả năng thu hồi cung cấp cho ngành thủy sản, hóa dược, mỹ phẩm, chiết suất dầu sinh học… Trong bối cảnh hiện nay, phần lớn hoạt động sản xuất đều cần đến nhiên liệu (ở đây là nhiên liệu hóa thạch).
Tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Không những thế, hậu quả từ việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này đang ngày một rõ rệt hơn. Một giải pháp cho vấn đề này là thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng nhiên liệu tái tạo, mặc dù không hoàn toàn, nhưng cũng sẽ góp phần giảm ảnh hưởng từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Có nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu tái tạo, tuy nhiên vi tảo là một nguồn nguyên liệu có tính cạnh tranh hơn các nguồn nguyên liệu khác vì nó không can thiệp tới nguồn cung cấp thực phẩm.
Vi tảo có thể phát triển trong nước và hấp thu ánh sáng mặt trời thông qua quang hợp hiệu quả hơn so với thực vật trên cạn do cấu trúc tế bào đơn giản của chúng. Tuy nhiên, sinh khối tảo cho sản xuất nhiên liệu tái tạo được coi là không kinh tế nếu nuôi tảo trong nguồn nước đang được sử dụng cho các mục đích khác. Trong số các loài vi tảo, Chlorella sp. được biết đến rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là xử lý nước thải.
Năm 2010, các nhà nghiên cứu ở Thụy Điển cũng chỉ ra các loài vi tảo có khả năng xử lý nitơ và phospho có trong nước 10 Tieu luan thải rất tốt, hiệu quả xử lý nitơ đạt 60% − 80% và phospho đạt 60% − 100% trong các tháng của mùa hè (Nguyễn Minh Phương, 2011). Từ những vấn đê trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý Nitơ và Phospho trong nước thải sinh hoạt bằng vi tảo Chlorella sp.” là thật sự cần thiết. 11 Tieu luan CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 2.
Khái niệm Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,. Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác. Lượng nước thải của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấp nước của các nhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có.
Các trung tâm đô thị có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn. Do đó lượng nước thải sinh hoạt tính trên một đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn. Nước thải sinh hoạt ở trung tâm đô thị thường được thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra sông rạch, còn ở các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm (Lâm Minh Triết, 2008). Thành phần Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại (hình 2.1): − Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh.
− Nước thải nhiễm bẩn do nước thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi kể cả làm vệ sinh sàn nhà.1: Một số nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt Nguồn: Steve Hall, 2004 12 Tieu luan Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngoài ra còn có các thành phần chất vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chất như protein 40% − 50% ; hydratcarbon 40% − 50%; gồm tinh bột, đường, cenlulose và các chất béo 5% − 100%. Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động khoảng (150 – 450) mg/l theo trọng lượng khô. Có khoảng 20% − 40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học (Lâm Minh Triết, 2008).
Một số thành phần, tính chất và đặc trưng của nước thải sinh hoạt được thể hiện trong bảng 2.1: Tải trọng chất bẩn tính cho một người trong ngày đêm Tải trọng chất bẩn (g/người.đêm) Chỉ tiêu Theo tiêu chuẩn Các Quốc gia đang phát triển TCXD−51−84 của gần gủi với Việt Nam Việt Nam Chất rắn lơ lửng (SS) 70 − 145 50 – 55 BOD5 45 − 54 25 − 30 COD (Bicromate) 72 − 102 − + Nitơ Amonia (N−NH4 ) 2,4 − 4,8 7 Nitơ tổng cộng (N) 6 − 12 − Phospho tổng hợp (P) 0,8 − 4,0 1,7 Chất hoạt động bề mặt − 2,0 − 2,5 Dầu mỡ phí khoáng 10 – 30 _ Nguồn: Lâm Minh Triết, 2008 Bảng 2.2: Đặc tính của bùn tự hoại trong nước thải sinh hoạt Nồng độ, mg/L Các chỉ tiêu Khoảng dao động Giá trị đặc trưng Chất rắn tổng hợp 5.000 Chất rắn lơ lửng 4.000 Chất rắn lơ lửng bay hơi 1.000 Nitơ tổng cộng (Kjedhal) 100 − 1.000 700 N−NH3 100 − 800 400 Tổng Phospho (P) 50 − 800 250 Kim loại nặng (Fe, Zn, Al) 100 − 1.000 300 Nguồn: Lâm Minh Triết, 2008 13 Tieu luan Bảng 2.3: Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt Nồng độ Các chỉ tiêu Nhẹ Trung Bình Nặng Chất rắn tổng cộng, mg/l 350 720 1200 Tổng chất rắn hòa tan, mg/l 250 500 850 Cố định (Fixed), mg/l 145 300 525 Bay hơi, mg/l 150 200 325 Chất rắn lơ lửng, mg/l 100 220 350 Cố định, mg/l 20 55 75 Bay hơi, mg/l 80 165 275 Chất rắn lắng được, mg/l 5 10 20 NOS5 (BOD5), mg/l 110 220 400 Tổng cacbon hữu cơ, mg/l 80 160 210 NOH (COD), mg/l 250 500 1000 Tổng nitơ (theo N), mg/l 20 40 85 Hữu cơ 8 15 35 Amonia tự do 12 25 50 Nitrit 0 0 0 Nitrat 0 0 0 Tổng phospho (theo P), mg/l 4 8 15 Hữu cơ 1 3 5 Vô vơ 3 5 10 Clorua, mg/l 30 50 100 Sunfat, mg/l 20 30 50 Độ kiềm (theo CaCO3), mg/l 50 100 200 Dầu mỡ, mg/l 50 100 150 6 7 7 8 Coliform No/100, mg/l 10 ÷ 10 10 ÷ 10 10 ÷ 109 7 Chất hữu cơ bay hơi, μg/l <100 100 ÷ 400 > 400 Nguồn: Lâm Minh Triết, 2008 Độ pH trong nước thải sinh hoạt thường dao động trong khoảng từ 6,9 − 7,8 (Lâm Minh Triết, 2008) nằm trong khoảng pH thuận lợi phát triển của tảo Chlorella sp. Theo Metcals, thành phần của chất rắn trong nước thải sinh hoạt được mô tả một cách tương đối như ở hình 2. 14 Tieu luan Tổng cộng (720 mg/l) Lơ lửng (220 mg/l) Lọc được (500 mg/l) Keo Hoà tan Lắng được (160 mg/l) Không lắng (60 mg/l) (50 mg/l) (450 mg/l) Hữu cơ Hữu cơ 40 mg/l Vô cơ 10 mg/l Vô cơ 290 mg/l Vô cơ 45 mg/l Hữu cơ 45 Vô mg/l cơ 15 mg/l Hữu cơ 160 mg/l 120 mg/l Hình 2.2: Thành phần mô tả chất thải rắn trong nước thải sinh hoạt Hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt là các hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5 g − 16 g nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30% trong số đó.
Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu nhiều hơn trong phân khoảng 8 lần. Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả năng oxy hoá amoni) thấp. Thành phần amoni chiếm 60% − 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt (Lê Văn Cát, 2007). Nguồn phát thải phospho quan trọng nhất trong nước thải sinh hoạt là phân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp.
Lượng phospho có nguồn gốc từ phân được ước tính là (0,2 − 1,0) kg P/người/năm hoặc trung bình là 0,6 kg. Lượng phospho từ nguồn chất tẩy rửa tổng hợp được ước tính là 0,3 kg/người/năm. Sau khi hạn chế hoặc cấm sử dụng phospho trong thành phần chất tẩy rửa, lượng phospho trên giảm xuống, còn khoảng 0,1 kg/người/năm. Tiêu chuẩn thải đối với chất dinh dưỡng của EU được thể hiện trong bảng 2.4: Tiêu chuẩn thải đối với chất dinh dưỡng của EU theo mức độ giảm thiểu (% ) hay nồng độ chất thải.
15 Tieu luan Mức giảm thiểu ít Chất ô nhiễm Nồng độ thải nhất 2 mg/l cho hệ < 10.000 người 1 mg/l P – tổng 80% cho hệ > 10.000 người 15 mg/l cho hệ < 10.000 người 10 N – tổng 70 – 80% mg/l cho hệ > 10.000 người Nguồn: Lê Văn Cát, 2007 2.