Đồ án Nghiên cứu cải tiến nâng cao hiệu quả xử lý của thiết bị lọc sinh học ngập nước ứng dụng trong xử lý nước thải

+ ⇔ HBrO + O2 (1.10) Ph¶n øng oxy hãa NH4 + ®−îc thùc hiÖn bëi ion BrO- gièng nh− cña ion ClO- NH3 + HBrO → NH2Br + H2O (1.11) NH2Br + NHBr2 → NHBr + H2O (1.12) §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 17 NH2Br + NHBr → N2↑ + 3Br- + 3H+ (1.13) §©y chÝnh lµ ®iÓm t−¬ng ®ång gi÷a hai ph−¬ng ph¸p clo hãa vµ ozon hãa xóc t¸c Br- do Galat-Gorhev vµ Moris t×m ra n¨m 1975. 1.5.5. Xö lý amoni b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc C«ng nghÖ xö lý nito trong n−íc th¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc ®· ®−îc nghiªn cøu vµ ®−a vµo øng dông thùc tÕ tõ nh÷ng n¨m 1960. Trªn thùc tÕ, cã rÊt nhiÒu quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý nito b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc kh¸c nhau. Chóng gièng nhau ë nguyªn lý lµ thùc hiÖn c¸c qu¸ tr×nh nitrat hãa vµ khö nitrat hãa nh−ng kh¸c nhau ë c¸ch s¾p xÕp tr×nh tù c¸c qu¸ tr×nh trong s¬ ®å xö lý vµ nguån cacbon sö dông. C¸c qu¸ tr×nh nµy cã thÓ lµ c¸c qu¸ tr×nh sinh tr−ëng l¬ löng, sinh tr−ëng b¸m dÝnh hay sinh tr−ëng l¬ löng – b¸m dÝnh kÕt hîp. Sau ®©y lµ mét sè quy tr×nh c¬ b¶n th−êng ®−îc øng dông trong xö lý nito trong n−íc th¶i. Trong quy tr×nh (a) (h×nh 1.2) cho hiÖu suÊt xö lý cao (70 – 90%) v× toµn bé nitrat sinh ra trong bÓ hiÕu khÝ sÏ ®−îc ®−a qua qu¸ tr×nh khö nitrat. Trong quy tr×nh nµy, qu¸ tr×nh t¸i sôc khÝ tiÕp theo qu¸ tr×nh khö nitrat lµ cÇn thiÕt nh»m xö lý thµnh phÇn h÷u c¬ d− sau khö nitrat. Quy tr×nh c«ng nghÖ nµy cã nh−îc ®iÓm lµ phøc t¹p, cÇn ph¶i bæ sung c¬ chÊt h÷u c¬ cho qu¸ tr×nh nitrat. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 18 (a) (b) (c) H×nh 1.2 – Mét sè quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý nito trong n−íc th¶i Quy tr×nh (b) lµ quy tr×nh cã thÓ tËn dông ngay nguån c¬ chÊt h÷u c¬ s½n cã trong n−íc th¶i mµ kh«ng cÇn bæ sung thªm nguån cacbon tõ bªn ngoµi. Qui tr×nh nµy ®¬n gi¶n, chi phÝ ®Çu t− thÊp nh−ng nh−îc ®iÓm lµ hiÖu suÊt xö lý nito ®¹t 60 – 70%, tû lÖ håi l−u so víi dßng vµo lµ tõ 1 – 4 lÇn. Quy tr×nh (c) lµ quy tr×nh ®−îc øng dông ®Ó xö lý ®ång thêi N, P trong n−íc th¶i. HiÖu suÊt xö lý t−¬ng tù nh− quy tr×nh (b). Trong c¸c quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý nito nªu trªn l¹i cã thÓ chia thµnh hai nhãm ph−¬ng ph¸p sau: BÓ thiÕu khÝ BÓ hiÕu khÝ BÓ l¾ng N−íc th¶i vµo N−íc ®· xö lý Bïn håi l−u N−íc håi l−u Bïn th¶i Nitrat hãa Khö nitrat hãa N−íc ®Çu vµo BÓ thiÕu khÝ BÓ yÕm khÝ BÓ hiÕu khÝ BÓ l¾ng N−íc ®· xö lý Bïn håi l−u N−íc håi l−u Bïn th¶i (Nitrat hãa)(Khö nitrat hãa) BÓ thiÕu khÝ BÓ hiÕu khÝ T¸i sôc khÝ l¾ N−íc th¶i vµo N−íc ®· xö lý Bæ sung c¬ chÊt BÓ l¾ng Bïn th¶iBïn håi l−u (Nitrat hãa) (Khö nitrat hãa) §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 19 9 Nhãm ph−¬ng ph¸p sö dông c¸c qu¸ tr×nh trong ®ã vi sinh ph©n t¸n ®Òu trong thÓ tÝch ph¶n øng (sinh tr−ëng l¬ löng) mµ ®¹i diÖn lµ qu¸ tr×nh bïn ho¹t tÝnh (BHT) 9 Nhãm ph−¬ng ph¸p dïng c¸c qu¸ tr×nh víi líp vi sinh ®−îc cè ®Þnh lªn bÒ mÆt chÊt mang r¾n gäi lµ c¸c qu¸ tr×nh mµng vi sinh (sinh tr−ëng b¸m dÝnh) mµ ®¹i diÖn c¸c qu¸ tr×nh víi líp vi sinh ®−îc cè ®Þnh lªn bÒ mÆt chÊt mang r¾n gäi lµ c¸c qu¸ tr×nh mµng vi sinh (sinh tr−ëng b¸m dÝnh) mµ ®¹i diÖn lµ ph−¬ng ph¸p läc sinh häc (LSH) ngËp n−íc. Trong qu¸ tr×nh xö lý vi sinh vËt sÏ ®−îc t¹o c¸c ®iÒu kiÖn vÒ dinh d−ìng còng nh− c¸c yÕu tè kh¸c ®Ó cã thÓ ®¹t ®−îc ho¹t tÝnh cao nhÊt... ë ph−¬ng ph¸p sinh häc cã thÓ thùc hiÖn bao gåm hai qu¸ tr×nh nèi tiÕp lµ nitrat ho¸ vµ khö nitrat ho¸ nh− sau: a. Qu¸ tr×nh nitrat ho¸ Qu¸ tr×nh chuyÓn hãa vÒ mÆt hãa häc ®−îc viÕt nh− sau: NH4 + + 1,5O2  NO2- + 2H+ + H2O (1.14) NO2 - + 0,5O2  NO3- (1.15) Ph−¬ng tr×nh tæng: NH4 + + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O (1.16) Nh− vËy, 1 mol NH4 + tiªu thô 2 mol O2 hay 1 g N-NH4 + tiªu thô 4,57 g O2, 1 mol NH4 + t¹o thµnh 1 mol NO3 -, 1 mol NH4 + t¹o thµnh 2 mol H+. L−îng H+ t¹o ra ph¶n øng víi ®é kiÒm HCO3 -, nh− vËy 1 g N-NH4 + tiªu thô 7,14 g ®é kiÒm (quy vÒ CaCO3). C¸c ph−¬ng tr×nh (1.15 vµ 1.16) kh«ng tÝnh ®Õn qu¸ tr×nh sinh tæng hîp. NÕu tÝnh c¶ c¸c qu¸ tr×nh tæng hîp sinh khèi (vi khuÈn), theo Gujer vµ Jenkins [9] ta cã: 1,02 NH4 + + 1,89 O2 + 2,02 HCO3 -  0,021C5H7O2N + 1,00NO3- + 1,92H2CO3 + 1,06H2O (1.17) Nh− vËy, 1 gam N-NH4 + tiªu thô 4,3 g O2, 1 gam N-NH4 + tiªu thô 7,2 g ®é kiÒm (quy vÒ CaCO3) §Ó thiÕt kÕ ng−êi ta hay dïng c¸c con sè suy ra tõ ph−¬ng tr×nh 1.17 lµ 4,3 g O2 vµ 7,14 g ®é kiÒm/1 g N-NH4 + ®Ó tÝnh to¸n. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 20 b. Qu¸ tr×nh khö nitrat Kh¸c víi qu¸ tr×nh nitrat ho¸ qu¸ tr×nh khö nitrat sö dông «xy tõ nitrat nªn gäi lµ anoxic (thiÕu khÝ). C¸c vi khuÈn ë ®©y lµ dÞ d−ìng nghÜa lµ cÇn nguån cacbon h÷u c¬ ®Ó t¹o lªn sinh khèi míi. Qu¸ tr×nh khö nitrat lµ tæng hîp cña bèn ph¶n øng nèi tiÕp sau: NO3 -  NO2-  NO (k)  N2O (k)  N2 (k) Qu¸ tr×nh nµy ®ßi hái nguån c¬ chÊt - chÊt cho ®iÖn tö, chóng cã thÓ lµ chÊt h÷u c¬ (phæ biÕn nhÊt lµ axit axetic), H2 vµ S. Khi cã mÆt ®ång thêi NO3 - vµ c¸c chÊt cho ®iÖn tö, chÊt cho ®iÖn tö bÞ oxy ho¸, ®ång thêi NO3 - nhËn ®iÖn vµ bÞ khö vÒ N2. Gayle [29] ®· ph©n lËp ®−îc Ýt nhÊt 14 lo¹i vi khuÈn tham gia vµo qu¸ tr×nh khö nitrat. Chóng lµ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocus, Spirilum vµ Thiobacilus, v.v... PhÇn lín c¸c vi khuÈn lo¹i nµy lµ dÞ d−ìng nghÜa lµ chóng dïng cacbon h÷u c¬ mµ chóng sÏ «xy ho¸ ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi. ChØ cã Thiobacilus denitrifcans lµ sö dông nguån ®iÖn tö tõ S nguyªn tè ®Ó t¹o n¨ng l−îng vµ nguån cacbon v« c¬ (tõ CO2 vµ HCO3 -) ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi. NÕu sö dông nguån cacbon lµ methanol hoÆc methan th× vi khuÈn Methylotrophic sÏ chuyÓn ho¸ c¸c c¬ chÊt tan tèt nh− xitrat vµ isoxitrat ®Ó vi khuÈn hÊp thô vµ sö dông nh− nguån ®iÖn tö e-. C¸c ph−¬ng tr×nh tØ l−îng cña qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ phô thuéc vµo b¶n chÊt nguån cacbon sö dông nh− sau: N 2 O N 2 N 2 O red NO red NO 2 - red NO 3 - red N O N O 2 - N O 3 - NO 3 -NO 2 - l í p n −í c lipoprotein m µ ng v á ngo µ i kh è i ch Ê t b µ o m µ ng t Õ b µ o ch Ê t t Õ b µ o ch Ê t H×nh 1.3 - Qu¸ tr×nh khö nitrat trªn mµng tÕ bµo chÊt cña vi khuÈn [3] §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 21 6NO3 - + 5CH3OH  3N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH- (1.18) 8NO3 - + 5CH3COOH  4N2 + 10 CO2 + 6 H2O + 8 OH- (1.19) 8NO3 - + 5CH4  4N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8 OH- (1.20) 10NO3 - + C10 H19O3 N  5N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3g + 10 OH- (1.21) Ghi chó: C10 H19O3N - c«ng thøc trung b×nh cña n−íc th¶i sinh ho¹t. Nhãm OH- sÏ ph¶n øng víi CO2 t¹o ®é kiÒm bicacbonat: OH- + CO2  HCO3- Còng nh− tr−êng hîp nitrat ho¸, nÕu tÝnh c¶ qu¸ tr×nh sinh tæng hîp th× ta cã: NO3 - + 1,08CH3OH + 0,24H2CO3   0,056C5H7NO2 + 0,47N2 + 1,68H2O + HCO3- (1.22) NO2 - + 0,67CH3OH + 0,53H2CO3   0,04 C5H7NO2 + 0,48N2 + 1,23H2O + CO3- (1.23) O2 + 0,93CH3OH + 0,056NO3 -   0,056C5H7NO2 + 1,04N2 + 0,59H2O + 0,56HCO3- (1.24) Nh− vËy, 1 gam nitrat bÞ khö tiªu thô 2,86g O2, 1 gam nitrat bÞ khö sinh ra 3,57 g ®é kiÒm (CaCO3). NÕu cã NH4 + tham gia vµo qu¸ tr×nh sinh tæng hîp tÕ bµo th×: l−îng kiÒm sinh ra sÏ Ýt h¬n (vµo kho¶ng 2,9 - 3,0 g). Theo ph−¬ng tr×nh (1.22) ®−îc nªu bëi (McCarty, 1968) [28]: NO3 - + 1,08 CH3OH  0,056 C5H7NO2 + 0,47 N2 + 1,44 H2O + 0,67 CO2 + OH - (2.12) Nh− vËy cø 1 mg/l NO3 - bÞ khö th× sinh ra 3,57 mg/l ®é kiÒm. NÕu trong hÖ cã NH3 th× l−îng kiÒm sinh ra sÏ Ýt h¬n. • C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh nitrat ho¸ - ¶nh h−ëng cña pH vµ nhiÖt ®é tíi qu¸ tr×nh nitrat ho¸ Thùc nghiÖm cho thÊy kho¶ng pH tèi −u kh¸ réng vµ dao ®éng xung quanh gi¸ trÞ pH = 8 (6 - 10) [11]. Khi thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh pH tèi −u cÇn l−u ý kh¶ n¨ng thÝch nghi cña vi khuÈn, vËy c¸c phÐp ®o ph¶i ®−îc thùc hiÖn ngay khi ®−a vµo m«i tr−êng pH míi. §Ó hiÓu râ h¬n nghiªn cøu cña Grady vµ Lim [12] §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 22 sÏ chøng minh cho chóng ta thÊy ë h×nh 1.4. Nghiªn cøu nµy ®· chøng minh cho thÊy vi khuÈn nitrat ho¸ rÊt nh¹y c¶m víi pH, ®èi víi Nitrosomonas cã d¶i pH tèi thÝch tõ 7,0 ®Õn 8,0. Vµ ®èi víi Nitrobacter lµ tõ 7,5 ®Õn 8,0. Nh−ng bªn c¹nh ®ã nghiªn cøu cña Skadsen vµ céng sù (1996) l¹i cho thÊy mét sè loµi cã thÓ thÝch hîp ë møc pH > 9 [13]. Tuy nhiªn, Odell vµ céng sù (1996) l¹i cho r»ng cßn rÊt nhiÒu nh÷ng yÕu tè kh¸c lµm ¶nh h−ëng tíi sù tån t¹i vµ ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat vµ nghiªn cøu cña «ng l¹i chØ ra r»ng pH thÝch hîp cho vi khuÈn nµy lµ tõ 6,6 ®Õn 9,7 [14]. H×nh 1.4- ¶nh h-ëng cña pH tíi vi khuÈn nitrat ho¸ [12] NhiÖt ®é cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn hiÖu qu¶ qu¸ tr×nh nitrat ho¸ b»ng vi sinh. Thùc nghiÖm cho thÊy nhiÖt ®é tèi −u n»m trong kho¶ng 15 - 27oC [15], nh−ng cã t¸c gi¶ l¹i cho biÕt vïng nhiÖt ®é cã thÓ nghiªn cøu ®−îc l¹i n»m trong kho¶ng rÊt réng tõ 4- 50OC [16] . NÕu nhiÖt ®é qu¸ cao sÏ lµm gi¶m ho¹t tÝnh cña vi sinh vµ g©y øc chÕ ho¹t ®éng vµ cã khi g©y chÕt vi sinh vËt. Tuy nhiªn, do ®iÒu kiÖn vÒ quy m« xö lý cho nªn trong qu¸ tr×nh vËn hµnh kh«ng thÓ ®iÒu chØnh nhiÖt ®é cña n−íc ®Çu vµo, thùc tÕ n−íc nguån n−íc t¹i phßng thÝ nghiÖm kh¸ æn ®Þnh vµ n»m trong giíi h¹n thuËn lîi cho ho¹t ®éng cña toµn bé hÖ thèng. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 23 - ¶nh h−ëng cña c¸c chÊt ®éc tíi sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat ho¸ So víi c¸c vi khuÈn dÞ d−ìng, c¸c vi khuÈn tù d−ìng nitrat ho¸ nh¹y c¶m víi nhiÒu kim lo¹i nÆng vµ hãa chÊt. Sè liÖu vÒ ®éc tÝnh cña mét sè chÊt cho ë b¶ng 1.4. B¶ng 1.4 - C¸c chÊt h÷u c¬ vµ nång ®é g©y øc chÕ vi khuÈn nitrat ho¸ [16] Danh môc c¸c chÊt mg/l Danh môc c¸c chÊt mg/l Acetone 2000 m-Cresol 1-100 Amino acids 1-1000 Cyanide 16,5 Ammonium 1000 Dicyandiamide 250 Aniline 7,7 2,4-Dinitrophenol 37 Benzenne 13 Dithio-oxamide 1 Benzocaine 100 Ethanol 2400 Benzylamine 100 Sodium arsenite 2000 Bisphenol A 100 Sodium chloride 35000 Cadmium 14,3 Sodium cyanate 100 Carbamate 2 Sodium cyanide 1 Carbon disulphude 35 Sodium pluoride 1218 Chloride 1 Tetrabromobisphenol 100 Chloroform 18 1,2,3,4-Tetrachlorobenzene 20 Hydrogen sulfide 50 1,2,4,5-Tetrachlorobenzene 9,8 Lead 0,5 1,1,1,2-Tetrachloroethane 8,7 1-Lysine 4 1,1,2,2-Tetrachloroethene 1,4 Methanol 160 1,2,3,5,6-Tetrachlorophenol 1,3 Methyl mercaptan 300 Trichloroethylene 0,81 Methyl pyridines 100 Trichlorophenol 100 Nickel 5 2,3,5-Trichlorophenol 3,9 Nitrobenzene 50 2,3,6-Trichlorophenol 0,42 Potassium chlorate 2500 2,4,6-Trichlorophenol 7,9 Chromium (2I) 10 Copper 230 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 24 - ¶nh h−ëng cña nång ®é NH4 + tíi sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat- Nitrobacter Turk, O., vµ Mavinic, D.S. (1986) [17] ®· chØ ra r»ng c¸c qu¸ tr×nh «xi ho¸ nitrit bÞ øc chÕ khi nång ®é NH3 ®¹t 0,1 -1 mg/l vµ ë nång ®é NH3 tõ 5 -20 mg/l, qu¸ tr×nh oxi hãa NH4 + còng bÞ øc chÕ. Tuy nhiªn, Ford et al. (1980) [18] l¹i cho sè liÖu vÒ nång ®é g©y øc chÕ qu¸ tr×nh «xi hãa nitrit cao h¬n nhiÒu (10 – 150 mg NH3 /l). Sù cã mÆt cña NO2 - vµ pH thÊp sinh ra HNO2 kh«ng ph©n li, ®©y lµ t¸c nh©n g©y øc chÕ qu¸ tr×nh «xy ho¸ nitrit. Alleman (1985) [19] cho thÊy khi nång ®é nitrit cao tíi 27 mg/l th× Nitrobacter bÞ øc chÕ m¹nh h¬n Nitrosomonas. Alleman còng cho r»ng nhiÖt ®é thÊp, «xy hoµ tan (DO) thiÕu vµ CO2 cao, sù cã mÆt cña NH3 tù do vµ d− l−îng bïn lµm gi¶m tèc ®é ph¸t triÓn cña Nitrobacter vµ kÐo theo sù gi¶m oxi hãa nitrit. Ngoµi ra, sèc amoni vµ sù khö nitrat cã thÓ g©y ra sù tÝch luü chÊt ®éc NO2 -. §ã lµ do Nitrosomonas Ýt nh¹y c¶m h¬n ®èi víi sèc NH3 vµ nhanh thÝch nghi h¬n Nitrobacter dÉn tíi sù tÝch luü nitrit trong hÖ. B¶ng 1.5 - Nång ®é NH4 + vµ NO2 - g©y øc chÕ nitrobacter [20] pH NH+4 (mg/l) NO - 2 (mg/l) 6,0 210-2100 30-330 6,5 70-700 88-1050 7,0 20-210 260-3320 7,5 7-70 - 8,0 2-20 - • C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ ¶nh h−ëng cña pH vµ nhiÖt ®é tíi qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ §iÒu kiÖn ph¸t triÓn vi khuÈn khö nitrat hãa: pH 7 - 8; to = 5 - 25 oC [23], c¬ chÊt ph¶i lµ chÊt h÷u c¬ tan, cµng dÔ ®−îc vi sinh hÊp thô cµng tèt. MÆc dï methanol lµ c¬ chÊt phæ biÕn nhÊt, nh−ng nã ch−a ph¶i lµ chÊt tèt nhÊt vÒ mÆt nhiÖt ®éng häc. Monteith (1980) ®· ghi nhËn lµ trong sè 30 lo¹i n−íc th¶i c«ng §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 25 nghiÖp cã 22 lo¹i (th¶i bia vµ r−îu) dïng trong khö nitrat hãa tèt h¬n metanol [24]. Vi khuÈn khö nitrat hãa cã søc chÞu ®éc h¬n vi khuÈn tù d−ìng. Tuy nhiªn, vÉn cÇn l−u ý c¸c tr−êng hîp sau: - Do øc chÕ men khö nitrit (m¹nh h¬n so víi t¸c ®éng lªn men khö nitrat). NÕu cã DO, nitrit sÏ tÝch luü. NÕu DO = 5% møc b·o hoµ, tèc ®é t¹o khÝ NOx gi¶m, nÕu ®¹t 13% th× men khö nitrit kh«ng ho¹t ®éng, nÕu h¬n 13 % th× men khö nitrat còng bÞ øc chÕ. - B¶n th©n nitrit còng lµ chÊt ®éc. NÕu N-NO2 - ≥ 14 mg/l ë pH =7 th× qu¸ tr×nh chuyÓn hãa chÊt h÷u c¬ bëi Pseudomonas Aeruginosa sÏ chËm l¹i, ë nång ®é 350 mg/l qu¸ tr×nh bÞ øc chÕ hoµn toµn (kÓ c¶ qu¸ tr×nh oxic dïng chÊt nhËn e- lµ O2). T−¬ng tù, c¸c khÝ NOx còng lµ chÊt ®éc. - Sù khö ®èi víi NO2 - bÞ ¶nh h−ëng m¹nh khi gi¶m pH < 7,5 (ng−îc l¹i ®èi víi sù khö NO3 -). 1.6. T×nh h×nh nghiªn cøu trong vµ ngoµi n−íc 1.6.1.T×nh h×nh nghiªn cøu trong n−íc HiÖn nay chóng ta ®· cã mét sè c«ng tr×nh nghiªn cøu xö lý c¸c hîp chÊt chøa nit¬ trong n−íc cÊp còng nh− trong n−íc th¶i, c¸c nghiªn cøu cßn h¹n chÕ vµ ch−a ®Çy ®ñ nh−ng cã thÓ liÖt kª mét sè c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ lÜnh vùc nµy nh− sau: − Nghiªn cøu xö lý c¸c chÊt dinh d−ìng (c¸c hîp chÊt N vµ P) trong c¸c hÖ xö lý n−íc th¶i sinh ho¹t - Lª V¨n ChiÒu, luËn ¸n TiÕn SÜ, tr−êng §HKHTN, 2003. − Nghiªn cøu ph¸t triÓn c«ng nghÖ xö lý n−íc th¶i giµu hîp chÊt nit¬ (N), Photpho (P) thÝch hîp víi ®iÒu kiÖn ViÖt Nam - Lª V¨n C¸t, b¸o c¸o ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ thuéc ch−¬ng tr×nh nhµ n−íc vÒ b¶o vÖ m«i tr−êng, Hµ Néi 2001-2002. − Nghiªn cøu xö lý amoni trong n−íc ngÇm Hµ Néi - ®Ò tµi cÊp thµnh phè 01C-09/11-2002-2, chñ tr× NguyÔn V¨n Kh«i - Së Giao th«ng C«ng chÝnh Hµ Néi. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 26 − B¸o c¸o b−íc ®Çu xö lý amoni cho nhµ m¸y n−íc Nam D− c«ng suÊt 30.000m3/ngµy ®ªm, 2002 C«ng ty t− vÊn cÊp tho¸t n−íc vµ m«i tr−êng ViÖt Nam (VIWASE Vietnam Water Supply and Environment). − C¸c ®Ò tµi xö lý nit¬ quy m« nhá cña ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖt Nam (VKH&CNVN) b»ng ph−¬ng ph¸p vi sinh- chñ tr× NguyÔn V¨n NhÞ. − §Ò tµi xö lý nit¬ quy m« nhá b»ng ph−¬ng ph¸p trao ®æi víi zeolit, chñ tr× NguyÔn H÷u Phó- VKH&CNVN. − Xö lý nitrat, b¸o c¸o cña L©m Minh TriÕt vµ céng t¸c viªn, §¹i häc Quèc gia Thµnh phè Hå ChÝ Minh. − X©y dùng c«ng nghÖ kh¶ thi xö lý amoni vµ asen trong n−íc sinh ho¹t, Viªn C«ng NghÖ M«i Tr−êng. PhÇn lín c¸c ®Ò tµi trªn ®Òu kh¼ng ®Þnh cã thÓ xö lý tèt amoni nh−ng ®Òu liªn quan tíi n−íc th¶i. §èi víi n−íc cÊp c¸c ph−¬ng ph¸p nh− trao ®æi ion ®−îc ®Ò xuÊt xö lý quy m« nhá. VKH&CNVN cã ®Ò tµi chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ cì nhá, c¸c ®Ò tµi ®Òu kh¼ng ®Þnh ph−¬ng ph¸p sinh häc lµ ®Þnh h−íng chÝnh quy cho quy m« lín. §èi víi c¸c hîp chÊt nit¬, c¸c c«ng nghÖ xö lý n−íc cÊp th«ng th−êng kh«ng cã hiÖu qu¶. VÊn ®Ò xö lý amoni trong n−íc cÊp, ®Æc biÖt ë møc nång ®é cao cì 15 – 25 mg/l lµ mét trong nh÷ng vÊn ®Ò cßn kh¸ míi mÎ ë n−íc ta vµ trªn thÕ giíi. Tr−íc n¨m 2002 c¸c TCVN ®Òu giíi h¹n nång ®é amoni ë møc ≤ 3 mg/l th× tõ 2002, víi QuyÕt ®Þnh 1329/2002 Q§-BYT cña Bé Y tÕ, giíi h¹n nång ®é amoni cña ViÖt Nam ®· ë møc cña Tæ chøc søc khoÎ thÕ giíi WHO lµ 1,5 mg/l, trong khi cña c¸c n−íc Ch©u ©u ®· lµ 0,5 mg/l [3]. §iÒu nµy ®· thóc ®Èy nhiÒu nghiªn cøu ®ång thêi ë ViÖt Nam trong lÜnh vùc xö lý amoni trong n−íc cÊp. 1.6.2. T×nh h×nh nghiªn cøu ngoµi n−íc Mét sè tµi liÖu ®· kh¼ng ®Þnh viÖc xö lý amoni ®¹t hiÖu qu¶ cao (98 - 100% ) [u] b»ng ph−¬ng ph¸p läc víi dßng khÝ thæi ng−îc dßng. Qu¸ tr×nh xö lý amoni trong n−íc b»ng vi sinh dùa trªn hai qu¸ tr×nh sinh ho¸ nèi tiÕp vµ rÊt kh¸c nhau lµ nitrat ho¸ vµ khö nitrat. B−íc 1 vi khuÈn nitrat §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 27 ho¸ «xy ho¸ NH4 + thµnh NO2 -, råi sau ®ã thµnh NO3 -, ph¶n øng nµy ®−îc thùc hiÖn bëi nhãm vi khuÈn tù d−ìng (autotrophic) lµ nhãm vi khuÈn dïng cacbon v« c¬ trong n−íc ®Ó tæng hîp tÕ bµo. B−íc 2 vi khuÈn khö nitrat (denitrifiers) khö NO3 - (vµ c¶ NO2 -) thµnh N2. Nhãm vi khuÈn nµy ph¶i dïng cacbon h÷u c¬ ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi, chóng lµ nhãm dÞ d−ìng (heterotrophic). Nãi chung c¸c vi khuÈn dÞ d−ìng - vi khuÈn khö nitrat ho¸ "khoÎ" h¬n c¸c vi khuÈn tù d−ìng, ®Æc biÖt trong qu¸ tr×nh xö lý n−íc cÊp khi mµ sù t¨ng tr- −ëng cña chóng bÞ khèng chÕ bëi l−îng c¬ chÊt Ýt ái so víi n−íc th¶i. V× lý do nµy, nÕu ¸p dông c¸c kü thuËt sinh häc cæ ®iÓn kiÓu bïn ho¹t tÝnh cÇn thêi gian l−u n−íc rÊt l©u tíi 7 ngµy ë 200C [27]. ChÝnh v× vËy, ®Ó t¨ng l−îng sinh khèi ®Õn møc cÇn thiÕt nh»m gi¶m thêi gian ph¶n øng th× c¸c ph−¬ng ph¸p läc sinh häc víi vËt liÖu mang vi sinh thÝch hîp cã thÓ thùc hiÖn ®iÒu nµy vµ tá ra cã −u thÕ tuyÖt ®èi trong c¸c kü thuËt sinh häc ®Ó xö lý nit¬ trong n−íc ¨n uèng. Trong lÜnh vùc nµy ng−êi ch©u ¢u cã −u thÕ v−ît tréi. Nh÷ng kü thuËt th−êng ®−îc ¸p dông lµ läc sinh häc ngËp n−íc, läc c¸t nhanh, läc víi líp ®Öm më réng hoÆc gi¶ láng (fluidized hoÆc expanded bed reactor), vµ läc víi líp vËt liÖu läc (VLL) lµ than ho¹t tÝnh. Nh÷ng th«ng b¸o ®Çu tiªn trong lÜnh vùc nµy thuéc vÒ ng−êi Anh [28]. Hä sö dông bÓ läc víi vËt liÖu läc lµ ®¸, dµy 2m, tèc ®é läc 0,8-2,8 m/h ®Ó xö lý n−íc s«ng Thames víi nång ®é amoni 2-3 mg/l. Do VLL th«, kh«ng cã hÖ sôc khÝ mµ hÖ chØ ®¹t hiÖu suÊt 80% chØ sau 1 n¨m ho¹t ®éng, ngoµi ra nhiÖt ®é thÊp vµ sù thiÕu «xy còng ¶nh h−ëng xÊu ®Õn hiÖu qu¶ xö lý. HÖ läc víi líp ®Öm më réng tá ra hiÖu qu¶ h¬n nhiÒu. Nhê kÕt cÊu h×nh chãp ng−îc, n−íc ®i tõ d−íi lªn, tèc ®é n−íc d©ng sÏ gi¶m dÇn vµ thÊp nhÊt ë vïng thu n−íc h×nh trô phÝa trªn cïng, ë vïng gi÷a, sinh khèi vµ VLL sÏ l¬ löng vµ c¸c qu¸ tr×nh xö lý vi sinh x¶y ra ë ®©y. Vïng trªn cïng lµ vïng cã thiÕt diÖn ch¶y cao nhÊt øng víi tèc ®é n−íc d©ng thÊp nhÊt cho phÐp sinh khèi kÕt b«ng vµ r¬i trë l¹i vïng ph¶n øng. B»ng kÕt cÊu nµy ng−êi ta cã thÓ n©ng tèc ®é läc lªn tíi 6-30 m/h, thêi gian l−u n−íc chØ cã 5-10 phót. HiÖu qu¶ xö lý phô thuéc nhiÖt §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 28 ®é vµ tèc ®é läc vµ ®¹t 20-100% (Goodal J.B., 1979). Mét nhµ m¸y ë Anh (Tewkesbury), mét ë §øc (Mulheim) hiÖn ¸p dông kü thuËt nµy. Trong hÖ läc nhanh, nÕu t¹o ®iÒu kiÖn ®Ó vi khuÈn nitrat ho¸ tÝch luü còng cã thÓ thùc hiÖn qu¸ tr×nh nitrat ho¸. T¹i Ph¸p, ®Ó thùc hiÖn ®iÒu nµy ng−êi ta bæ sung lªn bÒ mÆt c¸t bÓ läc nhanh 3-5 mm VLL lµ pozzolana vµ sôc khÝ vµo bÓ víi c−êng ®é 0,9 m3 kh«ng khÝ/1 m3 n−íc. Víi nång ®é ®Çu vµo lµ 15 mg N/l, tèc ®é läc 4-25 m/h. Tèc ®é xö lý gi¶m khi t¨ng tèc ®é läc vµ ®¹t 3 ®Õn 14 mg N/l/giê [29]. Trong [30] t¸c gi¶ còng cho r»ng víi líp VLL pozzolana lµ 7-15 mm th× 1 th¸ng chØ cÇn röa mét lÇn b»ng khÝ vµ n−íc nh− röa ng−îc. ë Mü ng−êi ta hay dïng líp VLL th«, xèp víi chiÒu dµy tíi 4 mÐt ®Ó thay líp c¸t läc th«ng th−êng [25]. NÕu ¸p dông than ho¹t tÝnh lµm VLL th× qu¸ tr×nh x¶y ra cßn tèt h¬n. VÝ dô, Jekel [21] th«ng b¸o kÕt qu¶ nitrat ho¸ hoµn toµn khi n−íc ozon ho¸ qua bån than h¹t GAC víi tèc ®é 10 m/h øng víi thêi gian l−u tÝnh cho cét rçng chØ 15 phót. Rice vµ céng sù, giíi thiÖu nhµ m¸y n−íc La Chapelle ë Ph¸p sö dông c«ng nghÖ nitrat ho¸ víi d©y chuyÒn «zon (0,7 mg/l, t =3 phót) - läc nhanh (4,84 m/h, c¸t 1mm dµy 1m) - läc GAC (tèc ®é 4,84 m/h, líp GAC 0,75m). HiÖu suÊt xö lý 78 % víi nång ®é amoni ®Çu ra lµ 0,3 mg/l, ngoµi ra t¸c gi¶ còng th«ng b¸o kh¶ n¨ng xö lý ®ång thêi Mn trªn hÖ nµy [31]. Theo nh− cuèn sæ tay xö lý n−íc [22] còng cung cÊp c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh nitrat ho¸, khö nitrat ho¸ vi sinh, vÝ dô, tèc ®é ph¸t triÓn cña Nitrobacter vµ Nitrosomonas (μ = 0,03 vµ 0,08 h-1). Ngoµi ra cßn m« t¶ mét sè hÖ läc sinh häc víi c¸c VLL kh¸c nhau nh− pozzolana, biolite vµ cho vÝ dô mét sè nhµ m¸y. VÝ dô nhµ m¸y Louveciennes, n−íc ®Çu vµo cã 5 mg N-NH4 +/l, c«ng suÊt 20.000 m3/ngµy bao gåm c¸c c«ng ®o¹n: «z«n ho¸ (0,5 mg/l) → nitrat ho¸ → «z«n ho¸ (1,5 mg/l) → läc GAC. 1.7. Ph−¬ng ph¸p läc sinh häc Ph−¬ng ph¸p läc sinh häc nãi chung con ng−êi ®· biÕt tõ l©u, song ®−a nã thµnh biÖn ph¸p c«ng nghÖ xö lý n−íc nãi chung vµ n−íc th¶i nãi riªng m·i tíi §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 29 thÕ kû 19 míi ®−îc x¸c lËp. Läc sinh häc lÇn ®Çy tiªn ®−îc ¸p dông ë Mü n¨m 1819 vµ ë Anh n¨m 1893. §Õn cuèi thÓ kû 20 lo¹i LSH ngËp n−íc ®· ®−îc sö dông ë Ph¸p, Mü, óc víi c«ng suÊt 4.000m3/ ngµy ®Ó xö lý n−íc th¶i ®« thÞ vµ n−íc th¶i c«ng nghiÖp thùc phÈm. Ứng dông ph−¬ng ph¸p LSH ngËp n−íc ®Ó xö lý N, P ®−îc nhiÒu quèc gia quan t©m nghiªn cøu xö lý, tuy nhiªn ë ViÖt Nam vÊn ®Ò nµy còng ch−a ®−îc quan t©m ®óng møc. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh LSH ngËp n−íc Nguyªn lý cña ph−¬ng ph¸p LSH lµ dùa trªn qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña vi sinh vËt trªn mµng sinh häc, oxy hãa c¸c chÊt bÈn cã trong n−íc. C¸c mµng sinh häc, lµ tËp thÓ c¸c vi sinh vËt hiÕu khÝ, kÞ khÝ vµ thiÕu khÝ. C¸c vi khuÈn hiÕu khÝ tËp trung ë phÇn líp ngoµi cña mµng sinh häc, ë ®©u chóng ph¸t triÓn g¾n víi gi¸ mang lµ c¸c vËt liÖu läc. ChÊt h÷u c¬ nhiÔm bÈn trong n−íc th¶i bÞ oxy hãa bëi quÇn thÓ vi sinh vËt ë mµng sinh häc, mµng nµy th−êng dÇy kho¶ng 0,1 – 0,4 mm. C¸c chÊt h÷u c¬ tr−íc hÕt bÞ ph©n hñy bëi vi sinh vËt hiÕu khÝ, sau khi thÊm s©u vµo mµng, sÏ bÞ ph©n hñy bëi vi sinh vËt kÞ khÝ. Khi c¸c chÊt h÷u c¬ cã trong n−íc th¶i c¹n kiÖt, vi sinh vËt ë mµng sinh häc sÏ chuyÓn sang h« hÊp néi bµo vµ kh¶ n¨ng kÕt dÝnh còng gi¶m, dÇn dÇn bÞ vì cuèn theo n−íc läc. LSH ngËp n−íc cã thÓ khö ®−îc BOD vµ chuyÓn hãa NH4 + thµnh NO3 -, P ng−êi ta cã thÓ ®Æt hai bÓ läc nèi tiÕp hoÆc t¹o ra vïng thiÕu khÝ ®Ó xö lý ®−îc triÖt ®Ó N, P. C¸c qu¸ tr×nh nitrat hãa vµ khö nitrat cã thÓ ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸c qu¸ tr×nh sinh tr−ëng l¬ löng mµ ®¹i diÖn lµ qu¸ tr×nh bïn ho¹t tÝnh, hoÆc qu¸ tr×nh sinh tr−ëng b¸m dÝnh trong ®ã vi sinh vËt ®−îc cè ®Þnh trªn chÊt mang (cè ®Þnh hoÆc l¬ löng), vÝ dô qu¸ tr×nh LSH ngËp n−íc. Vi sinh vËt nitrat hãa cã tèc ®é sinh tr−ëng chËm, do ®ã ®Ó t¨ng nång ®é vi sinh vËt trong thiÕt bÞ xö lý nh»m n©ng cao tèc ®é nitrat hãa ng−êi ta th−êng ¸p dông qu¸ tr×nh sinh tr−ëng b¸m dÝnh cho qu¸ tr×nh nµy. C¸c nghiªn cøu øng dông hiÖn nay trªn thÕ giíi th−êng tËp trung vµo vÊn ®Ò chÕ t¹o vµ øng dông c¸c lo¹i vËt liÖu mang cã diÖn tÝch bÒ mÆt riªng lín d¹ng cè ®Þnh còng nh− d¹ng l¬ löng còng nh− nghiªn cøu c¶i tiÕn thiÕt bÞ nh»m n©ng cao hiÖu qu¶ xö lý. Lo¹i vËt liÖu mang l¬ löng cã mét sè −u ®iÓm so víi lo¹i cè ®Þnh lµ bÒ mÆt riªng cña §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 30 vËt liÖu mang lín, sö dông lo¹i nµy cã thÓ kh¾c phôc ®−îc bÒ mÆt riªng cña vËt liÖu mang lín, cã thÓ kh¾c phôc ®−îc hiÖn t−îng bÝt t¾c thiÕt bÞ, trong vËn hµnh kh«ng cÇn thao t¸c röa ng−îc, tuy nhiªn c«ng nghÖ s¶n xuÊt vËt liÖu phøc t¹p, gi¸ thµnh vËt liÖu hiÖn nay cßn rÊt cao. Ở ViÖt Nam, viÖc nghiªn cøu c¶i tiÕn thiÕt bÞ LSH ngËp n−íc ®Ó xö lý n−íc th¶i giµu N, P cßn rÊt h¹n chÕ c¶ vÒ sè l−îng còng nh− ph−¬ng ph¸p øng dông, sè c«ng tr×nh nghiªn cøu ®−îc c«ng bè cßn rÊt Ýt. Cã thÓ kÓ ®Õn hai hÖ thèng xö lý n−íc th¶i sinh ho¹t pilot b»ng ph−¬ng ph¸p LSH ngËp n−íc lµ hÖ thèng xö lý n−íc th¶i Kim Liªn vµ Tróc B¹ch ®−îc thiÕt kÕ ®ång thêi ®Ó xö lý N, P cã sö dông vËt liÖu mang d¹ng l¬ löng cho bÓ hiÕu khÝ. 1.8. C¸ch tiÕp cËn vµ ®Þnh h−íng nghiªn cøu C¸c qu¸ tr×nh xö lý n−íc th¶i cã chó ý ®Õn xö lý thµnh phÇn dinh d−ìng hiÖn nay cßn phøc t¹p, ®ßi hái ®Çu t− vµ chi phÝ xö lý cao. V× vËy øng dông cña c¸c qu¸ tr×nh nµy vµo thùc tÕ ë ViÖt Nam cßn nhiÒu h¹n chÕ. Do vËy, viÖc nghiªn cøu ®Ó tõng b−íc x©y dùng hÖ thiÕt bÞ h÷u Ých, ®¬n gi¶n vµ kinh tÕ ®Ó xö lý n−íc th¶i giµu N, P lµ rÊt cÇn thiÕt. §Ó phï hîp víi ®iÒu kiÖn xö lý n−íc th¶i cña ViÖt Nam ®Þnh h−íng x©y dùng c«ng nghÖ cÇn tháa m·n c¸c yªu cÇu sau: chi phÝ x©y dùng vµ chi phÝ xö lý thÊp: HiÖu qu¶ xö lý t−¬ng ®èi cao, vËn hµnh ®¬n gi¶n vµ cã tÝnh æn ®Þnh cao. Trªn thùc tÕ, cã rÊt nhiÒu quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý c¸c thµnh phÇn dinh d−ìng b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc hiÕu khÝ - thiÕu khÝ kh¸c nhau. C¸c qu¸ tr×nh nµy cã thÓ lµ c¸c qu¸ tr×nh sinh tr−ëng l¬ löng, sinh tr−ëng b¸m dÝnh hay sinh tr−ëng l¬ löng – b¸m dÝnh kÕt hîp. §Ó xö lý ®ång thêi c¸c thµnh phÇn dinh d−ìng, cã thÓ ¸p dông mét sè quy tr×nh c¬ b¶n nh− ®· nªu, tuy nhiªn do cã mét sè nh−îc ®iÓm nh− qu¸ tr×nh vËn hµnh phøc t¹p, ®Çu t− lín, vËn hµnh vµ kiÓm so¸t qu¸ tr×nh phøc t¹p, thÓ tÝch thiÕt bÞ lín nªn kh¶ n¨ng ¸p dông ë ViÖt Nam cßn h¹n chÕ. Do vËy, cÇn c¶i