Nghiên cứu xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và nitơ bằng phương pháp sục khí luân phiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG



Nguyễn Việt Hoàng



NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI
GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN



Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành Công nghệ Môi trường
(Chương trình đào tạo Chuẩn)







Hà Nội – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG



Nguyễn Việt Hoàng



NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI
GIÀU CHẤT HỮU CƠ VÀ NITƠ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ LUÂN PHIÊN



Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành Công nghệ Môi trường
(Chương trình đào tạo Chuẩn)
Cán bộ hướng dẫn:
PGS. TS Nguyễn Thị Hà
TS. Phan Đỗ Hùng





Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thiện được khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực không
ngừng của bản thân, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới
các thầy cô khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quốc gia Hà Nội đã luôn quan tâm và tận tình truyền đạt những kiến thức quý
báu cho em trong suốt thời gian theo học tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn
Thị Hà và TS. Phan Đỗ Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp
này.
Trân trọng cảm ơn lãnh đạo Hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm, lãnh đạo
phòng Công nghệ xử lý nước, thầy cô Bộ môn Công nghệ môi trường, Đại học
Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện cũng như luôn giúp đỡ cho
em hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng, em xin dành lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn
bè, những người vẫn luôn quan tâm, động viên và đồng thời là chỗ dựa tinh
thần giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập
và quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp vừa qua.

Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Sinh viên



Nguyễn Việt Hoàng



DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
BOD
Biochemical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy sinh hóa
COD
Chemical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy hóa học
DO
Dissolved Oxygen
Oxy hòa tan
MLSS
Mixed Liquoz Suspendid
Solids
Nồng độ chất rắn lơ lửng trong
hỗn hợp chất lỏng – rắn huyền
phù
SBR
Sequencing Batch Reactor
Bể phản ứng hoạt động theo
mẻ kế tiếp
T – N

Tổng Nitơ
TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam
TOC
Total Organic Carbon

Tổng cacbon hữu cơ
ThOD
Theorical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy theo lý thuyết
UASB
Upflow Anaerobic Sludge
Blanket
Bể với lớp bùn kỵ khí dòng
chảy ngược.
VSV

Vi sinh vật



MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải 3
1.1.1. Các chất hữu cơ 3
1.1.2. Các hợp chất chứa Nitơ 3
1.2. Ảnh hưởng của Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người 4
1.3. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải 6
1.3.1. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ 6
1.3.2. Các phương pháp xử lý Nitơ 7
1.3.3. Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải10
1.3.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 12
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.1. Đối tượng nghiên cứu 18
2.1.1. Nước thải tự pha 18

2.1.2. Hệ thiết bị sục khí luân phiên 19
2.2. Phương pháp nghiên cứu 20
2.2.1. Phương pháp tổng quan tài liệu 20
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm 21
2.2.3. Phương pháp phân tích, đánh giá, xử lý số liệu thực nghiệm 23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26
3.1. Kết quả đánh giá đặc tính nước thải đầu vào 26
3.1.1. Kết quả nghiên cứu quá trình chuẩn bị mẫu nước. 26
3.1.2. Kết quả diễn biến các thành phần ô nhiễm trong nước thải 27


3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến
hiệu suất xử lý chất hữu cơ và Nitơ 29
3.2.1. Hiệu suất xử lý chất hữu cơ 29
3.2.2. Hiệu suất xử lý Nitơ 31
3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ và Nitơ đến hiệu suất
xử lý 34
3.3.1. Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD 34
3.3.2. Ảnh hưởng của tải trọng Nitơ đến hiệu suất xử lý Nitơ 35
3.4. So sánh, đánh giá và xác định chế độ vận hành tối ưu 36
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO 39
PHỤ LỤC 43




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Các chế độ vận hành thí nghiệm 22
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm điều chế nước thải 26

Bảng 3. So sánh hiệu quả xử lý COD giữa các nghiên cứu khác nhau 30
Bảng 4. So sánh hiệu quả xử lý T – N với các nghiên cứu khác 33
Bảng 5. So sánh hiệu quả xử lý COD, NH
4
+
và T – N giữa các chế độ thí nghiệm 36





DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ 4
Hình 2. Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải 9
Hình 3. Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm 19
Hình 4. Diễn biến thành phần COD trong nước thải pha 27
Hình 5. Diễn biến thành phần NH
4
+
trong nước thải pha 28
Hình 6. Diễn biến giá trị pH của nước thải pha 29
Hình 7. Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến hiệu suất xử lý COD 30
Hình 8. Nồng độ N – NH
4
+
đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý ở các chế độ khác nhau 31
Hình 9. Hiệu quả xử lý T – N ở các chế độ thí nghiệm khác nhau 32
Hình 10. Quá trình chuyển hóa nitrit và nitrat ở các chế độ khác nhau 33
Hình 11. Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD 34
Hình 12. Ảnh hưởng của tải trọng T – N đến hiếu suất xử lý T – N 35

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

1
MỞ ĐẦU
Việt Nam đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh
tế, nhằm đạt mục tiêu chiến lược là trở thành một đất nước công nghiệp tiên
tiến vào năm 2020. Song song với các hoạt động để có thể đạt được mục tiêu
phát triển đó, một trong những nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu là bảo vệ
môi trường và phát triển nền kinh tế bền vững. Nếu không được sự quan tâm
của chính quyền cũng như người dân, môi trường sống sẽ ngày càng giảm sút,
đặc biệt là môi trường nước.
Nguyên nhân chính gây ra quá trình ô nhiễm nước thải là do quá trình sử
dụng của con người trong các hoạt động sống hay sản xuất, làm thay đổi tính
chất và thành phần nước ban đầu. Các chất thải này khi phát thải ra môi trường
sẽ gây mùi hôi thối khó chịu, làm chậm quá trình chuyển hóa và hòa tan oxi
vào nước, dinh dưỡng hóa nước mặt, làm cản trở quá trình sinh trưởng và phát
triển của vi sinh vật.
Hiện nay, xử lý nước thải với đặc tính ô nhiễm giàu chất hữu cơ và Nitơ
bằng biện pháp sinh học được coi là phương pháp thân thiện với môi trường và
được ứng dụng nhiều ở các nước trên thế giới. Đây là công nghệ xử lý nước
thải dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ, hợp chất
chứa Nitơ có trong nước thải mang lại hiệu quả cao, chi phí hợp lý, dễ dàng vận
hành. Quá trình phát triển của vi sinh vật xảy ra trong các điều kiện có sự
chuyển hóa năng lượng tế bào vi sinh vật nhờ các quá trình sinh học.
Xuất phát từ thực tiễn đó, với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng
phương pháp xử lý sinh học để xử lý chất hữu cơ cũng như các hợp chất chứa
Nitơ trong nước thải, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và
Nitơ bằng phương pháp sục khí luân phiên” được chọn làm khóa luận tốt

nghiệp, nhằm mục tiêu lựa chọn được phương pháp phù hợp để xử lý nước thải
với đặc tính giàu chất hữu cơ và Nitơ, trong đó tập trung nghiên cứu các nội
dung chính bao gồm:

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

2
 Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD, N – NH
4
+
, T – N bằng phương
pháp sục khí luân phiên.
 Đánh giá nồng độ các thành phần NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
, T – N và COD
qua từng bước xử lý cũng như tính ổn định của hệ thống và khả năng ứng dụng
phương pháp trong điều kiện việt nam

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải
1.1.1. Các chất hữu cơ
Dựa vào khả năng có thể phân hủy nhờ vi sinh vật có trong nước mà ta
có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm:
a. Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy
Đó là các hợp chất protein, hidratcacbon, chất béo có nguồn gốc động
vật và thực vật. Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải
sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. Các hợp chất này chủ
yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy
sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt.
b. Các chất hữu cơ khó bị phân hủy
Các chất loại này thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm (hidrocacbua của
dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ…
Trong số các chất 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.
Trong nguồn nước tự nhiên, hàm lượng các chất hữu cơ rất thấp, ít có
ảnh hưởng đến nước sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản và tưới tiêu thủy lợi. Khi bị
ô nhiễm thì hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước sẽ tăng cao.
1.1.2. Các hợp chất chứa Nitơ
Hợp chất chứa Nitơ trong nước thường tồn tại ở ba dạng: hợp chất hữu
cơ, amoniac và dạng oxi hóa (nitrat, nitrit). Các dạng này là các khâu trong
chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ, ví dụ: protein và hợp phần của
protein.

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

4

Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH
4
OH
thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. NH
3
trong nước sẽ gây độc với cá và sinh
vật khác trong nước.
Nếu trong nước có hợp chất N chủ yếu là nitrit (NO
2
-
) là nước đã bị ô
nhiễm một thời gian dài hơn.
Nếu nước chủ yếu là hợp chất N ở dạng nitrat (NO
3
-
) chứng tỏ quá trình
phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrat chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở
điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrat dễ bị khử thành N
2
O, NO và Nitơ
phân tử tách khỏi nước bay vào không khí.
 Amoniac (NH
3
): amoniac trong nước tồn tại ở dạng NH
3
và NH
4
+

(NH
4
OH, NH
4
NO
3
, (NH
4
)
2
SO
4
) tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một bazơ
yếu. NH
3
và NH
4
+
có trong nước cùng với photphat sẽ thúc đẩy quá trình phú
dưỡng của nước.
 Nitrat (NO
3
-
): là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các
hợp chất hữu cơ chứa N có trong nước thải của người và động vật.
1.2. Ảnh hưởng của Nitơ đối với môi trường và sức khỏe con người
Amoni hầu như không có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người,
nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý amoni được chuyển hoá thành
nitrit (NO

2
-
) và nitrat (NO
3
-
) là những chất có tính độc hại đối với con người.
Nitrit là chất rất độc vì nó có thể chuyển hoá thành nitroamin, chất này có khả
Hình 1. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ

Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

5
năng gây ung thư cho con người. Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng
hợp chất vô cơ và hữu cơ, các dạng Nitơ vô cơ cơ bản tồn tại với tỉ lệ khác nhau
tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường nước. Nitrat là muối Nitơ vô cơ trong
môi trường nước được sục khí đầy đủ và liên tục, nitrit tồn tại trong điều kiện
đặc biệt, còn amoniac (NH
3
) và ion NH
4
+
tồn tại trong điều kiện kỵ khí.
Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH
4
OH) và sẽ
phân ly thành ion NH
4
+
và OH

-
. Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng
Nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng
ion amoni.
Nitơ không những chỉ có thể gây ra các vấn đề phì dưỡng mà khi chỉ tiêu
N – NO
3
-
trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45 mg/l sẽ gây ra mối đe doạ
nghiêm trọng đối với sức khỏe con người. Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng
định khi hàm lượng NO
3
-
trên 45 mg/l sẽ khiến cho dân cư dùng thường xuyên
nguồn nước này bị mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu
đường.
Trong đường ruột trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển
hoá nitrat thành nitrit. Nitrit có ái lực với hồng cầu trong máu mạnh hơn oxy,
khi nó thay thế oxy sẽ tạo thành methermoglobin, hợp chất này không thể nhận
oxy và gây ra bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ (methermoglobinemia), thậm chí có thể
gây tử vong. Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được 6 tháng tuổi dễ
bị mắc căn bệnh này vì hàm lượng enzym methaemoglobin reductase tương đối
thấp – đây là một loại enzym có khả năng chuyển hoá methermoglobin trở lại
thành hemoglobin.
Ngoài Mỹ, một số nước Đông Âu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh
hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao. Ví dụ tại Transylvania ở Rumani trong thời
gian từ 1990 – 1994 trung bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363
ca nhiễm độc. Độ nguy hiểm của NO
3
-

đã khiến người Mỹ quy định trong Đạo
luật về An toàn Nguồn nước Sinh hoạt của Mỹ (SDWA – Safe Drinking Water
Act) hàm lượng N – NO
3
-
tối đa là 10 mg/l [15].
Ngoài ra, nếu trong nước tồn tại amoni sẽ làm giảm hiệu quả của khâu
clo hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

6
đảm bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng.
Khi có mặt amoni, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao
gồm monochloramine, dichloramine, trichloramine, organochloramine) có tính
sát khuẩn kém hàng trăm lần so với clo nguyên tố. Bên cạnh đó amoni là nguồn
dinh dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển. Sự phát triển
này làm ô nhiễm nước thứ cấp trong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các
chất độc nitrit và nitrat.
1.3. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ và Nitơ trong nước thải
1.3.1. Các phương pháp xử lý chất hữu cơ
Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi
các chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H
2
S, các sunfit, amoniac,
Nitơ,… Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để
phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng
các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng
lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây
dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên.

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa
sinh hóa .
Như vậy, nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ
được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD. Để có thể xử lý bằng phương pháp
này, nước thải sản xuất cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim
loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho
phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5.
Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải đều có xuất sứ trong
tự nhiên. Nhờ thực hiện các biện pháp tăng cường hoạt động của vi sinh vật
trong các công trình nhân tạo, quá trình làm sạch các chất bẩn diễn ra nhanh
hơn. Trong thực tế hiện nay người ta vẫn tiến hành xử lý nước thải bằng phương
pháp sinh học ở điều kiện tự nhiên và điều kiện nhân tạo tùy thuộc vào khả
năng kinh phí, yêu cầu công nghệ, địa lý cùng hàng loạt các yếu tố khác. Nói
chung, các quá trình sinh học trong xử lý nước thải gồm 5 nhóm quá trình chủ
yếu sau:
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

7
 Quá trình hiếu khí
 Quá trình kỵ khí
 Quá trình trung gian – anoxic
 Quá trình tùy nghi
 Quá trình ở ao hồ
Từ những quá trính chủ yếu này lại thêm các quá trình phụ, như quá trình
sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng dính bám
1.3.2. Các phương pháp xử lý Nitơ
Để xử lý amoni trong nước thải có thể sử dụng các phương pháp hóa lý
(sục khí đuổi amoniac trong môi trường kiềm, hấp phụ, trao đổi ion ), hóa học
(oxi hóa bằng các chất oxi hóa gốc clo), các phương pháp lọc màng (UF – Nano,

RO), hoặc phương pháp sinh học.
a. Phương pháp clo hóa tới điểm đột biến
Bản chất của phương pháp là quá trình oxy hóa – khử xảy ra giữa clo khi
hòa tan vào trong nước có chứa amoniac và amoni tạo thành các cloramin. Nếu
clo dư, các cloramin sẽ bị phân hủy thành khí N
2
. Tuy phương pháp clo hóa
nhìn chung rất đơn giản và rẻ về mặt thiết bị cũng như xây dưng cơ bản nhưng
rất khó áp dụng vì dư lượng clo nếu quá lớn sẽ gây khó khăn cho các nhà máy
trong việc giải quyết vấn đề an toàn sức khỏe.
b. Phương pháp thổi khí ở pH cao
Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:
NH
4
+
 NH
3 (khí hòa tan)
+ H
+
với pK
a
= 9,5 (1.1)
Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH
3
so với amoni.
Nếu ta nâng pH tới 9,5; tỷ lệ [NH
3
]/[NH
4
+

] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng
chuyển về phía tạo thành NH
3
. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục hoặc thổi
khí thì NH
3
sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm dịch chuyển cân bằng về phía
phải:
NH
4
+
+ OH
-
 NH
3
↑ + H
2
O (1.2)
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

8
Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH
3
ở
mức 1600 m
3
không khí/1m
3
nước và quá trình rất phụ thuộc vào nhiệt độ môi

trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, tuy nhiên khó có thể xử
lý triệt để N – amoni và cũng không có khả năng xử lý Nitơ trong các hợp chất
hữu cơ.
c. Phương pháp sinh học
Để xử lý nước thải người ta có thể sử dụng phương pháp vật lý, hóa lý
và hóa học; nhưng xu hướng ngày nay thường sử dụng phương pháp sinh học
cho các hệ xử lý nói chung bởi những tính năng ưu việt mà phương pháp này
mang lại. Trong rất nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh xử lý
bằng phương pháp sinh học đã mang lại cho con người những lợi điểm như sau:
hiệu suất xử lý cao: từ 80 – 90% và có thể là 90 – 99%, ít sử dụng hoá chất, chi
phí năng lượng cho một đơn vị thể tích xử lý thấp so với các phương pháp khác
và do những ưu điểm trên nên phương pháp sinh học mang tính kinh tế rất cao.
Trong phương pháp này, amoni sẽ bị chuyển hoá thành nitrat rồi thành
N
2
nhờ hoạt tính của vi sinh vật trong tự nhiên. Trong quá trình xử lý, vi sinh
vật sẽ được tạo các điều kiện về dinh dưỡng cũng như các yếu tố khác để có
thể đạt được hoạt tính cao nhất… Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao
gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá.
Như đã nói ở trên, công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương
pháp sinh học đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế từ những năm
1960. Trên thực tế, có rất nhiều quy trình công nghệ xử lý Nitơ bằng phương
pháp sinh học khác nhau. Chúng giống nhau ở nguyên lý là thực hiện các quá
trình nitrat hoá và khử nitrat hoá nhưng khác nhau ở cách sắp xếp trình tự các
quá trình trong sơ đồ xử lý và nguồn cacbon sử dụng. Các quá trình này có thể
là các quá trình sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng bám dính hay sinh trưởng lơ
lửng – bám dính kết hợp. Sau đây là một số qui trình cơ bản thường được ứng
dụng trong xử lý Nitơ trong nước thải.
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

9
Trong quy trình (a) Hình 2 cho hiệu suất xử lý cao (70 – 90%) vì toàn bộ
nitrat sinh ra trong bể hiếu khí sẽ được đưa qua quá trình khử nitrat. Trong quy
trình này, quá trình tái sục khí tiếp theo quá trình khử nitrat là cần thiết nhằm
xử lý thành phần hữu cơ dư sau khử nitrat. Quy trình công nghệ này có nhược
điểm là phức tạp, cần phải bổ sung cơ chất hữu cơ cho quá trình khử nitrat.

Hình 2. Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

10
Quy trình (b) là quy trình có thể tận dụng ngay nguồn cơ chất hữu cơ sẵn
có trong nước thải mà không cần bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài.
Quy trình này đơn giản, chi phí đầu tư thấp nhưng nhược điểm là hiệu suất khử
nitrat phụ thuộc vào tỷ lệ dòng hồi lưu nước sau bể nitrat hoá. Hiệu suất xử lý
Nitơ đạt 60 – 70%, tỷ lệ hồi lưu so với dòng vào là từ 1 – 4 lần [20].
Quy trình (c) là quy trình được ứng dụng để xử lý đồng thời N, P trong
nước thải. Hiệu suất xử lý tương tự như quy trình (b).
1.3.3. Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải
Phương pháp sục khí luân phiên (Intermittent Aeration methods) là một
dạng công trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính theo mẻ. Thiết
bị giống quá trình bùn hoạt tính, tuy nhiên chế độ sục khí không liên tục mà
theo chu kỳ, bao gồm các chu trình sục khí (hiếu khí)/ngừng sục khí (thiếu khí)
luân phiên nhau. Hệ thống sục khí luân phiên là hệ thống được áp dụng để xử
lý nước thải chứa chất hữu cơ và Nitơ cao mà không cần phải bổ sung cơ chất
cho quá trình khử nitrat.
 Ưu điểm:
 Xử lý đồng thời COD, Nitơ, photpho.

 Thay đổi được chế độ làm việc một cách linh động để nâng cao hiệu
quả xử lý Nitơ và có thể làm việc liên tục.
 Thiết bị tương đối đơn giản so với các hệ thiết bị hiếu khí – thiếu
khí kết hợp.
 Tiết kiệm năng lượng so với phương pháp hiếu khí – thiếu khí
truyền thống.
 Tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu.
 Nhược điểm:
 Công nghệ và thiết bị chưa được nghiên cứu đầy đủ tại Việt Nam.
 Hiệu suất xử lý Nitơ phụ thuộc chế độ vận hành (nước thải khác
nhau cần chế độ vận hành tối ưu khác nhau).
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

11
Trong nước cũng như trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu phòng thí
nghiệm và quy mô pilot về phương pháp sục khí luân phiên ứng dụng trong xử
lý nước thải với đặc tính chứa nhiều chất hữu cơ, hợp chất Nitơ và photpho
Cụ thể, tác giả Trần Thị Thu Lan (2013) (Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Trường
đại học Khoa học Tự nhiên – ĐH QGHN) [3] đã nghiên cứu xử lý đồng thời
các thành phần hữu cơ và Nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng
phương pháp sục khí luân phiên. Sau hơn 10 tháng nghiên cứu, vận hành hệ
thiết bị thí nghiệm với 3 chế độ sục – ngừng sục luân phiên khác nhau, kết quả
cho thấy hiệu suất xử lý COD ở các chu kỳ sục khí luân phiên khác nhau đều
đạt khá cao (80 – 88%); hiệu quả xử lý N – NH
4
+
đạt rất cao và ổn định, xấp xỉ
100% và không bị ảnh hưởng bởi các chế độ khác nhau. Chu kỳ sục – ngừng
sục luân phiên cách nhau 3 giờ được xác định là tương đối phù hợp để xử lý T

– N (hiệu suất đạt 72 – 86%).
Nhóm tác giả Koottatep S. và cộng sự (1994) [24] đến từ Chiangmai,
Thái Lan đã nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt cho một khu dân cư nhỏ bằng
mô hình thí điểm hồ sục khí đặt tại Đại học Chiangmai. Kết quả cho thấy 45%
T – N bị loại bỏ với tổng thời gian sục và ngừng sục mỗi chu kỳ là 12 giờ và
chế độ sục khí luân phiên không ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ.
Nhóm tác giả Kousei Sasaki và cộng sự (1994) [25] từ Kanagawa, Nhật
Bản đã nghiên cứu xử lý đồng thời Nitơ và photpho bằng quá trình bùn hoạt
tính 2 bể sục khí luân phiên khuấy trộn hoàn toàn và nối tiếp với nhau. Quá
trình sục khí, ngừng sục khí kết hợp khuấy trộn được lặp lại định kỳ trong mỗi
chu trình làm việc 2 giờ, lưu lượng nước thải đầu vào 225 l/ngày, thời gian lưu
nước trong mỗi bể là 16 giờ. Sau 2 tháng vận hành, kết quả nghiên cứu cho thấy
hiệu suất xử lý đạt được khá ổn định, cụ thể đối với TOC là 94,9%, T – N là
89,4% và T – P là 95,5%.
Tác giả Katsuto Inomae và nnk. (1987) [23] đến từ Khoa Khoa học và
Kỹ thuật, Đại học Saga, Nhật Bản đã nghiên cứu quá trình loại bỏ Nitơ trong
hệ mương oxy hóa có sục khí luân phiên. Tác giả đã chỉ ra rằng các điều kiện
vận hành tối ưu để có thể đạt được hiệu quả loại bỏ Nitơ cao chủ yếu phụ thuộc
vào tỷ lệ giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa. Mô hình thí nghiệm trong
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

12
nghiên cứu được vận hành với chu kỳ 45 phút trong đó tỷ lệ quá trình hiếu khí
là 0,42; hiệu quả xử lý Nitơ đạt được lên đến 81% mà không cần bổ sung độ
kiềm và nguồn carbon hữu cơ.
1.3.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và Nitơ nói chung bằng các biện pháp
sinh học là rất phổ biến trong đại đa số các ngành công nghiệp sản xuất bởi tính
khả thi và tính kinh tế cao của các phương pháp này mang lại. Bên cạnh đó,

phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác
ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt là hiệu quả xử lý cao ở thời gian
lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học
a. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, các loại chất thải có đặc trưng chứa hàm lượng cao các chất
hữu cơ và Nitơ đã được nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp, hệ thống xử
lý một cách rộng rãi và khoa học. Nhìn chung, các nghiên cứu vẫn chủ yếu
được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot thí điểm.
Gần đây, bước đầu đã có một số nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi.
Nhóm tác giả Ngô Kế Sương và cộng sự (2006) [6] đã nghiên cứu xử lý nước
thải chăn nuôi trên mô hình thử nghiệm 30 m
3
/ngày – đêm bằng hệ thống bể
yếm khí – bể lọc yếm khí – hồ sinh học tại Xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao. Hiệu
quả xử lý các thành phần hữu cơ, Nitơ và chất rắn lơ lửng (SS) của hệ thống
này khá cao, đạt trên 95%. Tuy nhiên thời gian lưu nước thải của hệ thống lớn
(bể yếm khí – 22,4 h; bể lọc yếm khí – 16 h; hồ sinh học 720 m
2
(24 m
2
/1 m
3

nước thải), thể tích thiết bị và mặt bằng xây dựng lớn, vì vậy khả năng áp dụng
trong thực tế là chưa cao.
Tác giả Trương Thanh Cảnh (2010) đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn
nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng bùn ngược [1]. Kết quả nghiên
cứu cho thấy mô hình tương đối thích hợp cho việc xử lý nước thải chăn nuôi
với hiệu quả xử lý vào khoảng 97; 80 và 90% tương ứng với các chỉ tiêu COD;
BOD

5
và N. Việc kết hợp 3 modul trong một quá trình xử lý (3 quá trình thiếu
khí, hiếu khí và lọc sinh học bằng dòng bùn ngược) tạo ra ưu điểm lớn trong
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

13
việc nâng cao hiệu quả xử lý, với sự kết hợp này sẽ đơn giản hóa hệ thống, tiết
kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ
thống.
Về nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải chăn
nuôi lợn ở Việt Nam, tác giả Lê Công Nhất Phương (2009) (Đề tài luận văn
tiến sĩ, Viện Môi trường và Tài nguyên, Trường ĐHQG TP. HCM) đã bước
đầu nghiên cứu làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ bùn ở bể UASB của hệ
thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn và nghiên cứu thử nghiệm xử lý amoni trên
mô hình thí nghiệm 10 L/ngày [5]. Kết quả cho thấy thời gian làm giàu nhóm
vi khuẩn Anammon từ 4 – 5 tháng, hiệu suất loại bỏ amoni của quá trình nitrit
hóa – Anammox kết hợp trên thiết bị phòng thí nghiệm là 80 – 97%. Nghiên
cứu cũng cho thấy rằng việc điều khiển khống chế quá trình nitrit hóa để đạt
được tỷ lệ N – NH
4
+
/N – NO
3
-
xấp xỉ 1/1 là rất quan trọng, quyết định đến hiệu
suất xử lý tổng của quá trình và tỷ lệ COD/T – N cao sẽ ảnh hưởng không tốt
đến hoạt động xử lý Nitơ của vi khuẩn Anammox, do cạnh tranh yếu hơn so
với các nhóm vi khuẩn kỵ khí khác. Đây là một phương pháp có nhiều triển
vọng trong tương lai, tuy nhiên cần có thêm nhiều nghiên cứu đầy đủ, đặc biệt

là về mặt kỹ thuật kiểm soát quá trình và làm chủ công nghệ, đồng thời cần
được phát triển để phù hợp với điều kiện trang trại Việt Nam.
Nhóm tác giả Nguyễn Văn Phước và cộng sự Viện Môi trường Tài
nguyên, ĐHQG – HCM, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM (2009) đã
tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì được lấy tại cơ sở sản xuất
quy mô hộ gia đình – Thủ Đức, TP. HCM (Số 5 – Đường số 9 – KP4 – phường
Bình Chiểu) trên mô hình thử nghiệm với công nghệ HYBRID (lọc sinh học –
aerotank) [4]. Sau 58 ngày vận hành trong đó thời gian thích nghi là 10 ngày,
nghiên cứu đã thu được những kết quả khả quan như sau:
 Mô hình HYBRID kết hợp lọc sinh học hiếu khí với Aerotank có
khả năng xử lý nước thải tinh bột mì đạt hiệu xuất xử lý cao (đối với COD là
87 – 95% và đối với N – NH
3
là 60 – 98%). Tải trọng 1 kg COD/m
3
/ngày được
chọn là tải trọng tối ưu, tương ứng hiệu quả xử lý COD và N – NH
3
lần lượt là
95 và 98%.
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

14
 Nước sau xử lý mất mùi, trong, pH trung tính. Điều kiện vận hành
COD vào 1000 mg/L với thời gian lưu nước thích hợp là 1 ngày.
Nhìn chung kết quả thu được sau quá trình nghiên cứu là rất khả quan,
tuy nhiên một số loại mỳ đặc biệt có hàm lượng photpho cao nên trong quá
trình xử lý cần áp dụng công nghệ khử P, cùng với đó là cần tiếp tục nghiên
cứu trong thời gian dài việc ứng dụng công nghệ lai hợp lọc sinh học và

aerotank trên những loại nước thải có tính chất tương tự.
Tác giả Lê Quang Huy và nnk. (2009) đã nghiên cứu ứng dụng quá trình
thiếu khí từng mẻ để xử lý oxit Nitơ nồng độ cao trong nước rác cũ [2]. Mô
hình thiếu khí sinh học từng mẻ sử dụng trong bài nghiên cứu (Anoxic
Sequencing Batch Reactor – ASBR) được áp dụng nhằm xử lý TNO
x
(các oxit
Nitơ gồm nitrit và nitrat) trong nước rỉ rác của bãi rác cũ với nồng độ TNO
x

vào khoảng 1000 mg/L bằng biện pháp sinh học thiếu khí (anoxic). Hiệu quả
khử Nitơ qua cơ chế khử nitrit lại cho hiệu quả cao khi bổ sung đủ nguồn C cho
quá trình. Tỷ lệ COD bổ sung/N – NO
2
thích hợp là 1,5/1 và tỷ lệ COD khử/NO
2

khử là 2,2/1,0 trong đó 30% COD khử là COD sẳn có trong nước thải. Hiệu
quả khử nitrit có thể đạt đến 95% với tải trọng Nitơ đạt 0,115 kg N – NO
2
khử/g
MLSS/ngày. Với kết quả này đem lại hiệu quả khử Nitơ ammonia của cả quá
trình xử lý sinh học đạt 80 – 85%.
b. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Quá trình xử lý amoni trong nước bằng vi sinh dựa trên hai quá trình sinh
học nối tiếp và rất khác nhau là nitrat hoá và khử nitrat. Bước 1: vi khuẩn nitrat
hoá oxy hoá NH
4
+
thành NO

2
-
, rồi sau đó thành NO
3
-
, phản ứng này được thực
hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng (là nhóm vi khuẩn dùng cacbon vô cơ trong
nước để tổng hợp tế bào). Bước 2: vi khuẩn khử nitrat khử NO
3
-
(và cả NO
2
-
)
thành N
2
. Nhóm vi khuẩn này phải dùng cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào mới,
chúng là nhóm dị dưỡng.
Nhìn chung, các vi khuẩn dị dưỡng – vi khuẩn khử nitrat hoá "khoẻ" hơn
các vi khuẩn tự dưỡng. Chính vì vậy, để tăng lượng sinh khối đến mức cần thiết
nhằm giảm thời gian phản ứng thì các phương pháp lọc sinh học với vật liệu
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

15
mang vi sinh thích hợp có thể thực hiện được điều này và tỏ ra có ưu thế tuyệt
đối trong các kỹ thuật sinh học để xử lý amoni.
Những kỹ thuật thường được áp dụng là lọc sinh học ngập nước, lọc cát
nhanh, lọc với lớp đệm mở rộng hoặc giả lỏng (fluidized hoặc expanded bed
reactor), và lọc với lớp vật liệu lọc là than hoạt tính.

Những thông báo đầu tiên trong lĩnh vực này thuộc về người Anh. Họ sử
dụng bể lọc với vật liệu lọc là đá, dày 2m, tốc độ lọc 0,8 – 2,8 m/h để xử lý
nước sông Thames với nồng độ amoni 2 – 3 mg/l. Do vật liệu lọc thô, không
có hệ sục khí nên sau 1 năm hoạt động hệ chỉ đạt hiệu suất 80%, ngoài ra nhiệt
độ thấp và sự thiếu ôxy cũng ảnh hưởng xấu đến hiệu quả xử lý.
Ở Oberding CHLB Đức có một nhà máy giết mổ động vật. Nhà máy này
sản xuất tới 380 tấn sản phẩm/tuần với công nghệ tách mỡ theo phương pháp
“khô” nên lượng nước thải thấp. Lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý là 1,9
– 2,1m
3
/h. Quy trình xử lý nước thải: xử lý sơ bộ và xử lý sinh học. Nước thải
qua xử lý có pH đầu ra: 7,2 – 7,6; COD: 200 – 300mg/l; N – amoni: 270 – 700
mg/l.
Một số nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của phương
pháp SBR cũng đã được thực hiện. Nghiên cứu của Bortone và cộng sự về xử
lý nước thải chăn nuôi lợn [16] cho thấy chế độ cấp nước thải 2 lần trong chu
kỳ xử lý cho hiệu suất cao hơn chế độ cấp nước thải 1 lần. Hiện nay người ta
cũng cải tiến hệ thống SBR bằng cách bổ sung thêm bể hoạt hóa bùn sinh học
vào phía trước hệ thống và hồi lưu bùn trở lại nhằm làm tăng hoạt tính của bùn.
Phương pháp SBR được coi là một công nghệ xử lý hiệu quả đối với nhiều loại
nước thải sinh hoạt và công nghiệp
Nghiên cứu loại bỏ carbon và Nitơ từ nước thải của một phòng thí
nghiệm chế biến sữa công nghiệp do Garrido và cộng sự đăng trên Tạp chí
Khoa học và Kỹ thuật Nước tập 43, số 3 năm 2001.
 Các công trình xử lý nước thải có đặc tính giàu chất hữu cơ và Nitơ đã
áp dụng trong nước và trên thế giới
c. Trong nước
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

16
Hệ thống xử lý nước thải giết mổ Lương Yên bắt đầu hoạt động từ tháng
3 năm 2002, công suất 18 – 20 m
3
/ngày đêm, công nghệ xử lý bằng các biện
pháp hóa – lý kết hợp sinh học (lọc sinh học), hiệu quả xử lý đạt được là tương
đối cao (COD 96%, T – N 95%)
Hệ thống xử lý nước thải chế biến hải sản Phước Cơ tại Vũng Tàu được
xây dựng và chính thức hoạt động từ tháng 11 năm 2005 nhằm xử lý nước thải
từ quá trình chế biến hải sản đông lạnh với công suất 180 m
3
/ngày. Công nghệ
xử lý của hệ thống là chủ yếu là xử lý bằng biện pháp sinh học bao gồm các bể
tuyển nổi, bể xử lý hiếu khí, bể lắng…cho nước thải đầu ra đạt loại C TCVN
5945:2005 (nay được thay thế bằng Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc Gia về nước thải
Công nghiệp – QCVN 40:2011).
Một loại hình nước thải khác có tính chất giàu chất hữu cơ và Nitơ là
nước thải chế biến mủ cao su. Hiện nay trong nước đang có hệ thống xử lý nước
thải mủ cao su Xuân Lập được khởi công xây dựng từ năm 2004 với các đơn
vị xử lý như bể gạn mủ, bể DAF và hồ hoàn thiện.
Nhà máy xử lý nước rác Nam Sơn sau gần 5 tháng thi công và 3 tháng
đưa vào chạy thử đã chính thức đưa vào hoạt động trong năm 2005. Nước thải
từ bãi rác qua 15 khâu trước khi đưa ra hệ thống thoát nước chung, các khâu xử
lý sinh học có thể kể đến như là hồ kỵ khí, hồ hiếu khí, bể kỵ khí, bể xử lý gián
đoạn Công suất nhà máy đạt từ 500 m
3
nước thải/ngày đêm và được điều
khiển tự động hoàn toàn.
d. Trên thế giới
Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại thành phố Ebina, tỉnh

Kangawa Nhật bản với công suất 12 m
3
/ngày được xây dựng và đi vào hoạt
động từ tháng 3 năm 1969 với công nghệ xử lý sinh học bằng hệ thống mương
oxy hóa. Hiệu suất xử lý COD và T – N tương ứng đạt 97 và 95%
Tại Shangdong Trung Quốc, hệ thống xử lý nước thải giết mổ với công
nghê MBR đã được xây dựng và hoạt động từ tháng 11 năm 2008. Công suất
xử lý của nhà máy lên đến 8000 m
3
/ngày, nước thải sau khi xử lý đạt đủ tiêu
chuẩn có thể tái sử dụng.
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Việt Hoàng

17
Hệ thống xử lý nước thải mủ cao su tại Nhật Bản (tháng 6 năm 1959) với
công nghệ xử lý hiếu khí (quá trình bùn hoạt tính) kết hợp xử lý bậc cao (kết
tủa hóa học và lọc cát), công suất xử lý đạt trung bình 5500 m
3
/ngày và lớn nhất
là 7800 m
3
/ngày, hiệu quả xử lý tương ứng đối với COD và T – N là 88 và 70%.