CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Nước thải đô thị và các đặc tính cơ bản 1. Thành phần của nước thải đô thị Tính gần đúng, nước thải đô thị thường gồm khoảng 50% là NTSH, 36% là NTCN và 14% là các loại nước thấm. Lưu lượng nước đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố.
Khoảng 65% - 85% lượng nước cung cấp cho một người trở thành nước thải. Lưu lượng và hàm lượng chất thải của nước thải đô thị thường dao động trong phạm vi rất lớn. Lưu lượng và tính chất nước thải đô thị còn thay đổi theo mùa, giữa ngày làm việc và ngày nghỉ trong tuần [16]. Nước thải sinh hoạt Nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí.
chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt, vệ sinh của con người được gọi chung là NTSH, nước thải từ khu dân cư hoặc nước thải vệ sinh [32]. Theo Lương Đức Phẩm (2002) [19]: Đặc điểm của NTSH là trong đó có hàm lượng lớn các chất hữu cơ dễ bị phân hủy (hidratcacbon, protein, chất béo), các chất vô cơ dinh dưỡng (phosphat, nitơ) cùng với vi khuẩn (có thể cả vi sinh vật gây bệnh), trứng giun, sán. Đặc trưng của NTSH là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chát hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật. Phần lớn vi sinh vật trong nước thải ở dạng các vi rút và vi khuẩn gây bệnh tả, lị, thương hàn.
Đồng thời trong nước cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy chất thải [16]. Theo phân loại của Canada, tùy theo nồng độ của các chất gây ô nhiễm, nước thải sinh hoạt được chia làm 3 loại: loại mạnh, loại trung bình và loại yếu. Thành phần đặc trưng của các loại nước thải sinh hoạt Nồng độ (mg/1) Chất ô nhiễm Loại mạnh Loại trung bình Loại yếu Chất rắn lơ lững 350 250 100 13 BOD5 300 200 100 COD 1. NTSH có hàm lượng chất dinh dưỡng khá cao, có khi vượt quá yêu cầu cho các QTXL sinh học.
Thông thường các QTXL sinh học cần các chất dinh dưỡng theo tỉ lệ sau: BOD5:N:P = 100:5:1 (nghĩa là 100mg/l BOD5; 5mg/l N và lmg/1 P). Một tính chất đặc trưng nữa của NTSH là không phải tất cả các chất hữu cơ đều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20 - 40% BOD thoát ra khỏi QTXL sinh học cùng với bùn [16], [26]. NTSH sau khi xử lý còn dư thừa N và p tạo điều kiện cho sự phát triển của vi sinh vật và rong tảo, do đó việc xử lý tiếp tục N và P (xử lý bậc 3) trước khi đổ ra sông, hồ là cần thiết [32]. Đây là một điều kiện thích hợp cho việc tái sử dụng các muối dinh dưỡng vào việc tưới tiêu và nuôi trồng thủy sản, đem lại một nguồn thu nhập đáng kể.
Dựa vào đặc điểm dễ phân hủy do vi sinh vật có trong nước, ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm: các chất hữu cơ dễ bị phân hủy và các chất hữu cơ khó bị phân hủy. • Các chất hữu cơ khó bị phân hủy: Thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm (hidrocacbua của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất Clo hữu cơ, phospho hữu cơ. Trong số này có nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp. Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người.
Chúng tồn lưu lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống [19]. • Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều ở NTSH thành phố. Theo TS Nguyễn Văn Tuyên [28], [29], [32], sự biến đổi thành phần của NTSH thành phố có thể tóm tắt như sau: Nhóm Protein: Gồm những chất cao phân tử (15.000), nhờ enzym proteaza do vi khuẩn tiết ra những chất này bị thủy phân tạo ra các monoacid và các amit. Lúc đầu là những chất phức tạp, sau đó đến alanin (được vi sinh vật hấp thụ dễ).
Sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy protein là nitơ khoáng ở dạng ion ammonia. 14 Những chất mùn, bã (khá bền vững) khi phân giải cho ra những chất mono, diamino acid và các amit. Những chất do vi sinh vật thải ra môi trường đáng chú ý hơn cả là những hợp chất bị khử như NH3, H2S, sunfit hữu cơ trong đó có mercaptan gây mùi thối. Trong nước tiểu người có khoảng 2,4% Urê, 0,04% acid uric C 5H4N4O3, 0,1 % acid hipuric C9H9NO3.
Urê bị phân hủy nhờ ureaza do các urea-bacteria tiết ra: CO(NH2) + H20 = C02 + 2NH3. Acid uric: C5H4N4O3 + 8 H20 + 02 = 4NH4HCO3 + C02 Acid hipuric: C9H9NO3 + H20 = C7H602 + CH2NH2COOH acid benzoic glycocol 4CH2NH2COOH + 2H20 = 3CH4 + 5C02 + 4 NH3 Trong điều kiện có không khí những chất chứa nitơ biến đổi tiếp tục đến nitrit rồi nitrate: 2NH3 + 302 = 2HNO2 + 2 H20 + 178 cal (Nhờ Nitrosomonas) 2HN02 + 02 = 2HNO3 + 43,2 cal (Nhờ Nitrobacter) Ý nghĩa của quá trình này là làm thiếu O2 trong thủy vực (X. Drachev, 1964) [29,trl9] Nhóm Hidratcacbon: Nhóm này được vi sinh vật sử dụng. Quá trình phân giải xảy ra nhanh nhất đối với các đường đơn.
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 674 cal Trong điều kiện yếm khí thì: C6H12O6 = 3CH3COOH + 34 cal (acid acetic) CH3COOH → CH4 + CO2 Đầu nguồn nước thải vi sinh vật hiếu khí nhiều, cuối nguồn ít.200 tinh bột saccarose (C12H22O11) (C6H10O5)2.000 cellulose mantose C12H22O11 + O2 = C6H12O6 + C6H12O6 15 glucose fructose Sau đó các đường đơn chuyển thành rượu, ví dụ như C4H9OH. (CH3CH2CH2CH2OH) + H20 = 3CH4 + C02 Nhóm Lipid: Lipid phân hủy thành glixerin và các acid béo C3H5(C17H35COOH)3 + 3H2O = C3H5(OH)3 + 3C17H35COOH (tristearin) (glixerin) (acid stearic) C17H35COOH + 8H2O → 13CH4 + 5CO2 Những acid béo này biến đổi tiếp tục thành những acid đơn giản hơn, một số trong chúng có mùi ôi như acid valeric: (CH3)2CH2 CH2 CH2 COOH. Thực vật và động vật chết cũng biến thành chất mùn nước và CO2. Chất mùn nước đó là sản phẩm ngưng tụ của các hợp chất thơm phenol, sản phẩm phân hủy protein và polisaccarid.
Chất mùn bền vững lắng đọng xuống đáy hồ, sau một thời gian phân hủy yếm khí tạo thành các acid béo. Những acid béo phân hủy tiếp cho CH4 và CO2. Những chất hữu cơ chứa phosphor (như protein) bị thối rữa tạo ra acid photphoric, acid này kết hợp với Ca, Mg, Fe, Al để thành lập các hợp chất khó hòa tan là đi, tri, tetra phosphat. Những chất này nhờ vi khuẩn cấu tạo acid chuyển thành monophosphat được thực vật hấp thụ.
Như vậy: những quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải là những quá trình hóa học và sinh hóa phức tạp xảy ra do sự thay đổi hóa trị của những nguyên tố tham gia phản ứng. Nghĩa là nó thuộc các phản ứng oxy hóa - khử (XM Drachev, 1964) [29, tr21]. Trong thiên nhiên, quá trình tự lọc sạch oxy là nguyên tố thu nhận điện tử từ những chất nó oxy hóa. Oxy hòa tan thiếu hay là chỉ có với một lượng ít trong các sản phẩm khử được dẫn ra ở môt hình sau: 16 Sự phân hủy các chất hữu cơ bằng con đường sinh hóa ở điều kiện hiếu khí chính là quá trình hô hấp của các vi sinh vật.
Glucose C6H1206 + 6O2 = 6CO2 + 6H20 + 674 cal Rượu C2H5OH + 02 = C2H4O2 + H20 + 116,2 cal Amoniac 2NH3 + 402 = 2HNO3 + 2H20 + 158 cal Metan CH4 + 202 = C02 + 2H20 + 220 cal Tất cả các quá trình cuối cùng đều dẫn đến sự oxy hóa sinh học nằm trong hệ thống các phản ứng oxy hóa khử, trong đó những hợp chất hữu cơ khác mất điện tử, nguyên tố thu nạp điện tử là oxy. Nghiên cứu xử lý nước thải chính là nghiên cứu các con đường oxy hóa các chất hữu cơ có liên quan đến việc giải quyết một loạt những nhiệm vụ thực tiễn trong sản xuất đề ra. Nước thải công nghiệp Nước thải sản xuất hay nước thải công nghiệp là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải gọi chung là NTCN [19], [32]. NTCN không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào từng ngành sản xuất, quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm.
Là nước thải của một nhà máy hay khu công nghiệp tập trung với các loại hình sản xuất rất khác nhau, vì vậy trong NTCN rất đa dạng, rất nhiều chủng loại hợp chất khác nhau và độ độc hại gây ô nhiễm môi trường cũng rất khác nhau [19], [26]. Ở NTCN, ngoài việc chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ như protein, các dạng cacbonhydrat, dầu mỡ (từ các công nghệ chế biến thực phẩm), hemuxenluloza, lignin (công nghiệp sản xuất giấy) còn có các hợp chất hóa học khó phân hủy như các hợp chất vòng thơm có nitơ, các alkyl benzensulfonate (công nghiệp sản xuất bột giặt), các loại dung môi, các kim loại nặng như Pb, Hg, As. sulfua, các acid vô cơ. với nồng độ cao (từ các nhà máy xi mạ, làm acquy) [19], [26], [32].
Lưu lượng NTCN dao động phụ thuộc vào quy mô, tính chất sản phẩm, quy trình công nghệ của từng nhà máy. Nhìn chung NTCN so với NTSH có các chỉ số BOD (nhu cầu oxy 17 sinh hóa) và COD (nhu cầu oxy hóa học) cao hơn rất nhiều. NTCN có độ ô nhiễm cao hơn so với NTSH [12], [19]. Các chất thải công nghiệp tiêu biểu có độ độc cao, nguy hiểm đến tính mạng và sức khỏe của con người như [28]: - Chất thải từ các ngành công nghiệp hóa chất: (CH3)Hg (chất đặc biệt độc) có thể gây tử vong cho con người.
TEP công thức (C2H5)4Pb: gây bệnh thần kinh, thiếu máu, mù lòa. - Các chất tẩy rửa: (Detergents): rất bền vững, làm giảm nhanh O2 hòa tan trong nước. Là chất thải của công nghiệp hóa chất được đặc biệt chú ý vì tác hại của nó. Các chất hữu cơ có nguồn gốc công nghiệp từ các nhà máy nhuộm, dệt, thuộc da, giấy, mực.
nhìn chung đều rất độc. Chúng chứa các nhóm đặc trưng rất độc sau Nitro-NO 2; Azo- N-N; Cacbonyl-CO. - Chất thải từ công nghiệp sản xuất giấy và xenlulozơ: Lượng oxy cần để oxy hóa loại chất thải này là lớn nhất. Ví dụ: NaHS, H2S, C6H5OH, C6H5SH.
- Cyanid: là một trong những chất cực kỳ độc hại, gây chết cho động vật thủy sinh (ví dụ: CH3NCO gọi tắt là MI (Methyl Isocyanat).