Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ AAO cải tiến

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
1

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
*************


NGUYỄN THỊ VINH



NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG
NƢỚC THẢI SINH HOẠT PHÂN
TÁN BẰNG HỆ AAO CẢI TIẾN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: HÓA CÔNG NGHỆ - MÔI TRƢỜNG








HÀ NỘI – 2014
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
2

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
*************


NGUYỄN THỊ VINH



NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG
NƢỚC THẢI SINH HOẠT PHÂN
TÁN BẰNG HỆ AAO CẢI TIẾN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: HÓA CÔNG NGHỆ - MÔI TRƢỜNG


Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
ThS. LÊ CAO KHẢI




HÀ NỘI – 2014
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
3
LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt khóa luận tốt
nghiệp, em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các quý
Thầy, Cô của trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 và các Thầy, Cô của
Viện Công nghệ Môi Trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Em xin cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn ThS. Lê Cao Khải đã dành
thời gian và tâm huyết để hướng dẫn em thực hiện tốt khóa luận tốt
nghiệp.
Đồng thời em xin cảm ơn các Thầy, Cô của trường Đại học sư
phạm Hà Nội 2 đặc biệt là các thầy cô đã dạy và hướng dẫn em trong
thời gian em học tại trường.
Em xin cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường và các Thầy, Cô
trong Khoa Hóa học đã tạo điều kiện tốt nhất để em học tập và hoàn
thiện tốt khóa học.
Em xin cảm ơn các anh, chị, các thầy cô thuộc Viện Công nghệ
Môi Trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo
điều kiện cho em thực nghiệm tại đây để hoàn thành tốt khóa luận .
Em đã hoàn thành khóa luận tốt nghiệp theo đúng tiến độ của Nhà
trường đề ra với cố gắng và sự nhiệt tình của bản thân, tuy nhiên em vẫn
không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của
các thầy cô và các bạn để khóa luận tốt nghiệp được hoàn thiện tốt hơn.
Hà Nội, Ngày 20 tháng 05 năm 2014
Sinh viên

Nguyễn Thị Vinh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

AO (Anoxic – Oxic) Thiếu khí – hiếu khí
AAO (Anaerobic – Anoxic - Oxic) Yếm khí – thiếu khí – hiếu
khí.
BOD
5
(Biochemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy hóa sinh học
(5 ngày).
COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa hóa học.
DO Lượng oxy hòa tan trong
nước.
HK Hiếu khí.
KH Kỵ khí.
TK Thiếu khí.
MBR (Membrane Biological Reactor) Màng sinh học.
MLSS (Mixed liquor suspended solids) Tải lượng bùn hoạt tính
QCVN 14:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc
gia về nước thải sinh hoạt.
TCVN 5494 – 1995 Tiêu chuẩn Việt Nam.
TSS (Total suspended solids) Tổng chất rắn lơ lửng.
SS (suspended solid) Hàm lượng chất rắn lơ lửng.
NTSH Nước thải sinh hoạt.

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
5

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Lượng phát thải sinh học bình quân của con người trong ngày
xả vào hệ thống thoát nước (theo quy định của TCXD 51:2007 ).
Bảng 1.2: Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các phương
pháp của APHA.
Bảng 1.3: Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT.
Bảng 3.1: Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu.
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm phân tích.

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
6
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên.
Hình 1.2: Quá trình khử nitrat trên màng tế bào chất của vi khuẩn.
Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ JKS.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt Biofilter.
Hình 1.5: Các pha của bể SBR.
Hình 1.6: Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AAO.
Hình 1.7: Hệ thống thiết bị thí nghiệm.
Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ AAO.
Hình 1.9: Ảnh hưởng của tải lượng NH
4
+
vào đến hiệu suất xử lý NH
4
+
.
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa DO và hiệu suất xử lý NH
4
+
.
Hình 1.11: Ảnh hưởng của DO đến hiệu suất xử lý tổng N.




Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
7
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC
THẢI SINH HOẠT 2
1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt 2
1.1.1. Nguồn gốc nước thải sinh hoạt 2
1.1.2. Phân loại nước thải sinh hoạt 2
1.1.3. Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt 2
1.2. Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước thải 6
1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải 6
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước 7
1.2.3. Tác hại của nitơ trong nước thải 7
1.3 Tổng quan về công nghệ xử lí nitơ trong nước thải sinh hoạt 8
1.3.1. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt 9
1.3.2. Xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học 9
1.4. Một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt phân tán 12
1.4.1. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ
(JOHKASOU)-JKS 12
1.4.2. Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt BIOFILTER 15
1.4.3. Công nghệ SBR 16
1.4.4. Công nghệ AAO 18
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 22
2.1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu 22
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 22
2.1.2. Mục đích nghiên cứu 22
2.2. Nội dung nghiên cứu 22
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
8
2.3. Phương pháp nghiên cứu 22
2.3.1. Phương pháp tài kiệu kế thừa 22
2.3.2. Phương pháp phân tích 23
2.4. Phương pháp thực nghiệm 24
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26
3.1. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu 26
3.2. Ảnh hưởng của tải lượng NH
4
+
vào đến hiệu suất xử lý NH
4
+
tổng 27
3.3. Ảnh hưởng của DO đến hiệu quả xử lý N 28
3.3.1. Ảnh hưởng của DO đến hiệu suất xử lý NH
4
+
28
3.3.2. Ảnh hưởng của DO đến hiệu suất xử lý tổng N 29
3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý N 30
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 33
PHỤ LỤC

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
1
MỞ ĐẦU

Việt Nam đang chuyển mình hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, do
đó quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa không ngừng phát triển và kết
quả là kéo theo đô thị hóa. Dân số tăng nhanh nên các khu dân cư tập
trung dần được quy hoạch và hình thành. Nước thải sinh hoạt là sản
phẩm trong quá trình sinh hoạt của con người. Ô nhiễm nguồn nước do
tác động của nước thải sinh hoạt đang là vấn đề bức xúc hiện nay. Bên
cạnh đó vấn đề xử lý nước thải trước khi thải ra sông rạch chưa được áp
dụng rộng rãi và hiệu quả. Hậu quả là nguồn nước mặt bị ô nhiễm và
nguồn nước ngầm cũng dần ô nhiễm theo, tình trạng ngập nước trên các
tuyến đường, nước thải chảy tràn lan qua hệ thống sông ngòi, kênh
rạch… ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường và cuộc sống của chúng ta.
Hiện nay, việc quản lý nước thải trong đó có nước thải sinh hoạt là một vấn
đề cấp thiết của các nhà quản lý môi trường trên thế giới nói chung và việt
Nam nói riêng.Vì vậy cần xây dựng các công trình xử lí nước thải phải đạt
các yêu cầu về chất lượng nguồn nước xả ra.
Một trong những chỉ tiêu cần phải đạt được là hàm lượng nitơ trong
nước thải. Theo QCVN 14 : 2008 thì lượng N-NH
4
+
không lớn hơn 5 mg/l
với nguồn nước loại A và 10 mg/l với nguồn nước loại B. Hàm lượng nitơ
trong nước thải cao làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đến môi

trường và với các quá trình xử lí khác trong trạm xử lí nước thải.
Ngày nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt, nhưng
phương pháp sinh học được áp dụng rộng rãi hơn cả. Xuất phất từ những
lí do trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường nước, bước đầu
tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt
phân tán bằng hệ AAO cải tiến”.
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
2
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NITƠ
TRONG NƢỚC THẢI SINH HOẠT

1.1. Tổng quan về nƣớc thải sinh hoạt
1.1.1. Nguồn gốc nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng
ngày của con người như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ăn… Ở Việt
Nam lượng nước thải này trung bình khoảng 120 – 260lít/người/ngày.
NTSH được thu gom từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, khu
dân cư, cơ sở kinh doanh, chợ, các công trình công cộng khác và ngay
chính trong các cơ sở sản xuất. Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô
thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các
vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên thải
thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp
tự thấm.
1.1.2. Phân loại nước thải sinh hoạt
Thông thường nước thải sinh hoạt được chia làm 2 loại chính:
Nước đen và nước xám.
+ Nước đen: Là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô
nhiễm chủ yếu là các chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và các cặn lơ

lửng.
+ Nước xám: Là nước phát sinh từ quá trình tắm, rửa, giặt với
thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể.
1.1.3. Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh
học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
3
bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp
chất như protein (40-50%), hydrat cacbon (40-50%). Nồng độ chất hữu
cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150-450mg/l theo
trọng lượng khô. Có khoảng 20-40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh
học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước
thải sinh hoạt không được xử lí thích đáng là một trong những nguồn gây
ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Trong quá trình sinh hoạt, con người xả vào hệ thống thoát nước
một lượng chất bẩn nhất định, phần lớn là các loại cặn, chất hữu cơ, các
chất dinh dưỡng. Ở nước ta Tiêu chuẩn TCXD 51:2007 quy định về
lượng chất bẩn tính cho một người dân xả vào hệ thống thoát nước trong
một ngày theo bảng 1.1 sau đây:
Bảng 1.1: Lƣợng phát thải sinh hoạt bình quân của một ngƣời trong
một ngày xả vào hệ thống thoát nƣớc
(theo quy định của TCXD 51:2007)
Các chất
Giá trị , gam/ngày.đêm
Chất lơ lửng (SS )
60¸65
BOD
5

của nước thải chưa lắng
65
BOD
5
của nước thải đã lắng
30¸35
Nitơ amoni (N-NH
4
+
)
8
Phốt phát (PO
4
3-
)
3,3





Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
4
Bảng 1.2: Thành phần nƣớc thải sinh hoạt phân tích theo các
phƣơng pháp của APHA
Các chất (mg/L)
Mức độ ô nhiễm
Nặng
Trung bình

Thấp
Tổng chất rắn
1000
500
200
Chất rắn hòa tan
700
350
120
Chất rắn không hòa tan
300
150
8
Tổng chất rắn lơ lửng
600
350
120
Chất rắn lắng
12
8
4
BOD
5

300
200
100
DO
0
0

0
Tổng N
85
50
25
Nito hữu cơ
35
20
10
Nito amoniac
50
30
15
NO
2
0.1
0.05
0
NO
3

0.4
0.2
0.1
Clorua
175
100
15
Độ kiềm
200

100
50
Chất béo
40
20
0
T-P
-
8
-

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phần ô nhiễm chính
đặc trưng ở nước thải sinh hoạt là BOD
5
, COD, Nitơ, Phốtpho, SS, TOC
chất tẩy rửa, trong nước thải sinh hoạt hàm lượng Nitơ và phốtpho rất
lớn, (từ 50 đến 55%), chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh phát triển. Nếu
không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú
dưỡng. Như vậy nước thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và các cơ
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
5
sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn
cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh là một trong những nguồn gây ô nhiễm
chính đối với môi trường nước. Và vấn đề đặt ra là yêu cầu chất lượng
nước thải sau khi xử lý phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn thải sau:
Bảng 1.3: Yêu cầu nƣớc thải sau khi xử lý đạt
QCVN 14:2008/BTNMT
TT
Thông số ô nhiễm

Đơn vị
Giới hạn cho phép
(QCVN 14:2008)
Mức A
Mức B
1
pH
mg/L
5-9
5-9
2
BOD
mg/L
30
50
3
Chất rắn lơ lửng
mg/L
50
100
4
Tổng chất rắn hòa tan
mg/L
500
1000
5
Sunfua (H
2
S)
mg/L

1
4
6
Amoni ( tính theo
nitơ)
mg/L
5
10
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
6

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nƣớc thải
1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải
Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các
hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng oxy hoá (nitrit và nitrat).
Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự
nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá.

Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên
Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein
hoặc là thành phần phân huỷ protein như là các peptit, axit amin, urê.
Hàm lượng amoniac (NH
3
) chính là lượng nitơ amoni (NH
4
+
)
trong nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số
loại nước thải khác có thể rất cao. Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong
nước thải công nghiệp: chế biến sữa, rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản
xuất bia, rượu, thuộc da. Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng
vô cơ (65%) và hữu cơ (35%). Nguồn nitơ chủ yếu là từ nước tiểu. Mỗi
Nitơ phân tử N
2

N-Protein thực vật
N-Protein động vật
Amôn hóa
NH
4
+
hoặc NH
3

+ O
2

Nitrit hoá

NO
2
-

NO
3
-

Nitrat hoá
+ O
2

Khử nitơrat
Cố định nitơ
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
7
người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương
đương với 12g nitơ tổng số.
Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH
2
)
2
) là 0,7g, lượng chất bẩn
Nitơ amôn (N-NH
4
) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát
nước là 7 g/ng.ngày còn lại là các loại nitơ khác.
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước
Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ

trong môi trường nước, nhưng nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm Nitơ
trong nước theo đánh giá của các nhà khoa học là từ các nguồn nước như
nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp có chứa các hợp chất Nitơ,
phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp. Ở Việt Nam, một nguồn
chính khác góp phần gây ô nhiễm Nitơ trong nước là các hoạt động sản
xuất nông nghiệp, nước ta đang sử dụng trên 9 triệu ha đất nông nghiệp,
hằng năm phải bón 5-7 triệu tấn phân hóa học. Như vậy, phân bón hóa
học (urê, lân, kali) sẽ còn một lượng dư thừa lớn, có tới hàng nghìn tấn
các chất N, P, K trong đất mỗi năm sẽ rửa trôi theo sông ngòi, mương
rạch ảnh hướng đến nguồn nước cấp sinh hoạt, hoặc ngấm xuống gây ô
nhiễm tầng nước ngầm.
1.2.3. Tác hại của nitơ trong nước thải
1.2.3.1. Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng
Trên bình diện sức khỏe nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên
hiệu ứng trong môi trường. Sự có mặt của nitơ trong nước thải có thể gây
ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Khi
trong nước thải có nhiều amoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật
thủy sinh, làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước. Khi làm lượng oxy
hòa trong nước cao cộng thêm hàm lượng photpho có thể gây phú dưỡng
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
8
nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxy
hòa tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật cho hồ.
Khi xử lí nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào
trong chuỗi thức ăn trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy
hiểm. Nitơ tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo
thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ
sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng
làm pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi

khuẩn đường ruột. Khi tác dụng với các amin hay ankyl cacbonat trong
cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư.
Trong cơ thể nitrit có thể oxy hóa sắt II ngăn cản quá trình hình thành
Hemoglobin làm giảm lượng oxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi
nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
1.2.3.2. Tác hại ô nhiễm nitơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng
chất dinh dưỡng. Do đó nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại
thực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ
chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, sản sinh nhiều chất độc trong nước
NH
4
+
, H
2
S, CH
4
, CO
2
tiêu diệt nhiều sinh vật có ích trong nước. Hiện
tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước.
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và
kênh dẫn nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ,
sông Tô Lịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát
khí H
2
S

.

Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư
đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm
không khí của khu dân cư.
1.3 Tổng quan về công nghệ xử lí nitơ trong nƣớc thải sinh hoạt
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
9
1.3.1. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt
+ Phương pháp vật lí: lọc, làm thoáng, kết tủa bằng điện cực, thẩm
thấu ngược… các phương pháp này cho hiệu suất không được cao.
+ Phương pháp hóa lý: sục khí đuổi ammoniac trong môi trường
kiềm, xử lý Nitơ tồn tại dưới dạng NH
4
+
…
+ Phương pháp hóa học: oxi hóa bằng các chất oxi hóa gốc clo,
đông tụ hóa học, trao đổi ion chọn lọc với NO
3
-
…
+ Phương pháp sinh học: sử dụng các vi sinh vật có sẵn trong
nước thải hoặc bổ sung thêm các chủng, giống vi sinh vật để nâng cao
hiệu suất xử lý nước thải. Các phương pháp sinh học có thể được duy
trì trong các điều kiện yếm khí (không có oxy), thiếu khí và hiếu khí
(bổ sung thêm oxy từ ngoài vào).
1.3.1. Xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học
Cơ sở lí thuyết của các quá trình sinh học xử lý Nitơ trong nước
thải
Phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt được thực hiện
qua hai quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat trong đó quá trình

nitrat hóa chuyển hóa amoni thành nitrat, còn quá trình khử nitrat chuyển
nitrat thành nitơ tự do N
2
.
Quá trình nitrat hóa
 Vi sinh vật và điều kiện của quá trình Nitrat hóa.
Vi sinh vật của quá trình Nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật:
Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vì
chúng nhận được năng lượng do sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào phần
lớn từ quá trình oxy hóa các hợp chất cacbon vô cơ (HCO
3
-
là chính) và
Nitơ vô cơ. Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (Vi khuẩn hiếu khí).
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
10
Cả hai nhóm vi sinh vật mày đều có những yêu cầu khá đặc trưng
đối với các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và
chúng có tốc độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị
dưỡng. Nitrosomonas chỉ có thể oxy hóa NH
4
+
thành NO
2
-
, sau đó
Nitrobacter làm chức năng chuyển hóa NO
2
-

thành NO
3
-
.
 Cơ chế của quá trình nitrat hóa
Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh
vật được viết như sau:
NH
4
+
+ 1,5O
2
NO
2
-
+ 2H
+
+ H
2
O (1)

NO
2
-
+ 0,5O
2
NO
3
-
(2)

Phương trình tổng
NH
4
+
+ 2O
2
NO
3
-
+ 2H
+
+ H
2
O (3)
Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo
Gujer và Jenkin:

1,02NH
4
+
+ 1,89O
2
+ 2,02HCO
3
-
0,021C
5
H
7
O

2
N +
1,00NO
3
-
+1,92H
2
CO
3
+ 1,06H
2
O (4)
Từ phương trình (4) ở trên, ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá
trình Nitrat hóa là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá
trình oxy hóa.
Quá trình khử nitrat hóa:
 Vi sinh vật và điều kiện của quá trình khử Nitrat hóa
Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng oxy từ
nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị
dưỡng nghĩa là cần nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới.
Quá trình khử nitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:
Nitrosomonas
Nitrobacter
VSV
VSV
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
11
NO
3

-

NO
2
-

NO (k)

N
2
O (k)

N
2
(k)
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất – chất cho điện tử, chúng có
thể là chất hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H
2
và S. Khi có
mặt đồng thời NO
3
-
và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hóa,
đồng thời NO
3
-
nhận điện và bị khử về N
2
.
Gayle đã phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá

trình khử nitrat. Những nhóm vi khuẩn phổ biến là: Bacillius denitrificans,
Microcous denitrificans, Pseudomonas stutzeri và Achrommobacter,
Paracocus, Spirilum và Thiobacilus Phần lớn các vi khuẩn này là dị
dưỡng nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chũng sẽ oxy hóa để tổng
hợp tế bào mới.
Chỉ có Thiobacilus denitrificans là sử dụng nguồn điện tử từ S
nguyên tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO
2
và HCO
3
-
)
để tổng hợp tế bào mới
Cơ chế quá trình khử nitrat
Hình 1.2 minh họa quá trình khử nitrat hóa trên màng tế bào chất
của vi khuẩn:
khô
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
Màng tế bào chất
N

2
O
N
2
N
2
O
red
NO

red
NO
2
red
NO
3
red
NO
NO
2
-
NO
3
-
NO
3
-

NO
2

-

Lớp nước
Màng vỏ ngoài
Khối chất bào
Tế bào chất

Hình 1.2: Quá trinh nitrat hóa trêm màng tế bào chất của sinh vật.
Các phương trình tỉ lượng của quá trình khử nitrat hóa phụ thuộc
vào bản chất của nguồn cacbon sử dụng như sau:
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
12

6NO
3
-
+ 5CH
3
OH 3N
2
+ 5 CO
2
+ 7 H
2
O + 6 OH
-


8NO

3
-
+ 5CH
3
COOH 4N
2
+ 10 CO
2
+ 6 H
2
O + 8 OH

8NO
3
-
+ 5CH
4

4N
2
+ 5 CO
2
+ 6 H
2
O + 8 OH
-


10NO
3

-
+ C
10
H
19
O
3
N

5N
2
+ 10 CO
2
+ 3 H
2
O + NH
3g
+
10 OH
-

Ghi chú: C
10
H
9
0
3
N là công thức trung bình của nước thải sinh hoạt.

NO

3
-
+ 1,08CH
3
OH + 0,24H
2
CO
3
0,056C
5
H
7
NO
2
+
0,47N
2
+ 1,68H
2
O + HCO
3
-

Khi kết hợp quá trình nitrat hóa và khử nitrat có các ƣu điểm
sau:
- Giảm thể tích khí cần cung cấp cho quá trình nitrat hóa và khử
BOD
5
.
- Không cần bổ sung nguồn carbon cho quá trình khử nitrat.

- Giảm công trình lắng cho riêng mỗi quá trình.
- Có khả năng khử 60-80% tổng lượng nitơ trong nước thải.



1.4. Một số công nghệ xử lý nitơ trong nƣớc thải sinh hoạt phân tán
1.4.1. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ
(JOHKASOU)-JKS

VSV
VSV
VSV
VSV
VSV
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
13


Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ JKS
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: JKS cải tiến gồm có 5 ngăn (bể) chính:
- Ngăn thứ nhất (bể lọc kỵ khí): Tiếp nhận nguồn nước thải, sàng
lọc các vật liệu rắn, kích thước lớn (giấy vệ sinh, tóc, ), đất, cát có trong
nước thải;
- Ngăn thứ hai (bể lọc kỵ khí): loại trừ các chất rắn lơ lửng bằng
quá trình vật lý và sinh học.
- Ngăn thứ ba (bể lọc màng sinh học): loại trừ BOD, loại trừ
Nitơ, Phốtpho bằng phương pháp màng sinh học.
- Ngăn thứ tư: Bể trữ nước đã xử lý
- Ngăn thứ năm (bể khử trùng): diệt một số vi khuẩn bằng nước

clo, thải nước đã được xử lý ra ngoài.
Chất lượng xử lý nước thải được quyết định ở ngăn thứ ba phụ
thuộc vào chất liệu màng sinh học được sử dụng.Chất lượng màng sinh
học càng cao thì hiệu quả xử lý và giá thành JKS càng cao. Kỹ thuật
Ngăn
phản
Nitrat

Ngăn
điều
hòa
Ngăn
Nitrat
hóa và
lọc
sinh
học
học



Nước
thải
sinh
hoạt
Tách
rác
Màng
vi lọc
Ngăn

khử
trùng
Máy cấp
khí
Chất
dinh
dưỡng
Ngăn chứa bùn
Tiếp
nhận
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
14
màng lọc cao cho phép xử lý gần như triệt để các thành phần trong nước
thải, nước thải sau xử lý có BOD 2,3mg/l, N 8mg/l, tổng chất rắn lơ lửng
TSS < 5mg/l, tổng khuẩn Ecoli < 100 tế bào/l. Tuy nhiên việc sử dụng
màng sinh học dễ dẫn đến tắc màng lọc và hệ thống này cần phải súc rửa
3 tháng một lần. Trong trường hợp này nước thải có thể được tái sử dụng
để thực hiện quá trình súc rửa.
Hệ thống JKS cải tiến cần phải được cung cấp điện năng liên tục
cho quá trình vận hành. Ðiện năng giúp vận hành bơm khí, ổn định dòng
chảy, và duy trì tuần hoàn hệ thống nước thải.Ðiện năng tiêu thụ cho một
hệ thống JKS cho một gia đình 5- 10 người vào khoảng 350 đến
500kW/năm phụ thuộc vào từng loại JKS.
Bã lắng đọng (bùn lắng) trong hệ thống JKS cần phải được hút (ít
nhất 1 lần trong 1 năm) và xử lý. Trung bình một hộ gia đình (5-10
người, nước tiêu thụ 250 lít/người/ngày), tổng lượng bã trong 1 năm vào
khoảng 58,8 kg (trọng lượng khô). Xe tải chuyên dụng (trọng tải 2- 4
tấn) được sử dụng cho việc hút bã. Bã lắng đọng sau khi được hút vào xe
rồi được chuyên chở tới trạm xử lý bã lắng đọng. Sản phẩm sau quá trình

xử lý là chất rắn sinh học được sử dụng làm khí sinh học, vật liệu
composit, sản suất phân bón hoặc xi măng.
Ƣu điểm khi sử dụng công nghệ JKS:
 Hệ thống gọn nhẹ, độ bền cao, sử dụng an toàn theo tiêu
chuẩn Nhật Bản.
 Thể tích của hệ thống Johkasou chỉ bằng 70% thể tích của bể tự
hoại cho cùng số người sử dụng.
 Vị trí lắp đặt: bên ngoài toà nhà hoặc trong gara xe, được chôn
ngầm dưới đất, không tốn về diện tích.
 Lắp đặt dễ dàng, thời gian lắp đặt ngắn.
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
15
 Bùn lắng được thu gom triệt để.
 Nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn Nhật Bản cao hơn tiêu chuẩn
QCVN 14/2008/BTNMT.
 Chi phí xây dựng phù hợp.
1.4.2. Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt BIOFILTER
Bể biophin xây dựng dưới dạng hình tròn hay hình chữ nhật có
tường đặc và đáy thép. Đáy trên là tấm đan đỡ lớp vật liệu lọc, đáy dưới
liền khối không thấm nước. Chiều cao giữa hai lớp đáy lấy khoảng 0,4-
0,6m, độ dốc hướng về máng thu I ≥ 0,01. Độ dốc theo chiều dài của
máng thu lấy theo kết cấu, nhưng không được nhỏ hơn 0,005. Tường bể
làm cao hơn lớp vật liệu lọc 0,5m.
Đặc điểm riêng của bể Biophin nhỏ giọt là kích thước của vật liệu lọc
không lớn hơn 25-30 mm và tải trọng tưới nước nhỏ 0,5-1,0 m
3
/( m
3
.VLL).

Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt Biofilter
Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một
đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện có thể. Nước đến lớp vật liệu
lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
16
của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu
và được làm do vi sinh vật của màng phân huỷ hiếu khí và kị khí các
chất hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ phân huỷ hiếu khí sinh ra
CO
2
và nước, phân huỷ kị khí sinh ra CH
4
và CO
2
làm tróc màng ra khỏi
vật liệu mang, bị nước cuốn theo. Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại
hình thành lớp màng mới. Hiện tượng này được lặp đi lặp lại nhiều lần.
Kết quả là BOD của nước thải bị vi sinh vật sử dụng làm chất dinh
dưỡng và bị phân huỷ kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch.
Trong bể lọc sinh học nhỏ giọt, các vi sinh vật sinh trưởng cố định
trên lớp vật liệu lọc. Bể lọc hiện đại bao gồm một lớp vật liệu dễ thấm
nước với vi sinh vật dính kết trên đó.Nước thải đi từ trên xuống ngược
dòng khí đi từ dưới lên. Nước thải được phân bố đều trên bề mặt nguyên
liệu lọc theo kiểu nhỏ giọt hoặc phun tia. Lượng không khí cần thiết cho
quá trình được cấp vào nhờ quá trình thông gió tự nhiên qua bề mặt hở
phía trên và hệ thống thu nước phía dưới của bể lọc.
Ƣu điểm của công nghệ lọc nhỏ giọt BIOFILTER:

 Dễ quản lý vận hành.
 Tiết kiệm diện tích đất xây dựng.
 Có thể kiểm soát các ô nhiễm thứ cấp như tiếng ồn và mùi hôi.
Nhưng chi phí ban đầu cho việc sử dụng công nghệ lọc nhỏ giọt
BIOFILTER là cao.
1.4.3. Công nghệ SBR
Đây là công nghệ được áp dụng tương đối rộng rãi ở nước ta.
Bể SBR là bể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo quy
trình phản ứng từng mẻ liên tục. Quy trình này tuần hoàn với chu kỳ thời
gian sinh trưởng gián đoạn mà khả năng thích ứng với một sự đa dạng
của quá trình bùn hoạt tính – như là khuấy trộn hoàn chỉnh theo lối thông
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Vinh K36B - Hóa học
17
thường, tháo lưu lượng, tiếp xúc ổn định và các chu trình sục khí kéo dài.
Mỗi bể SBR một chu kỳ tuần hoàn bao gồm: làm đầy, sục khí, lắng, chắt
và nghỉ. Bởi thao tác vận hành như trường hợp gián đoạn này, cũng có
nhiều khả năng khử nitrit và phốtpho. Phản ứng bể SBR không phụ
thuộc đơn vị xử lý khác và chúng hoạt động liên tục trong chu trình đem
lại nhiều lợi ích kinh tế.
Quy trình thay đổi luân phiên trong bể SBR không làm mất khả
năng khử BOD trong khoảng 90 – 92%. Ví dụ, phân huỷ yếm khí, quá
trình tiếp xúc yếm khí, lọc yếm khí, lọc tiếp xúc, lọc sinh học nhỏ giọt,
tiếp xúc sinh học dạng đĩa, bể bùn hoạt tính cổ truyền và hồ sinh học
hiếu khí chỉ có thể khử được BOD khoảng 50 – 80%. Vì vậy, việc thay
đổi luân phiên được theo sau giai đoạn khác như hệ thống truyền khí hay
hệ thống oxy hoà tan.
Hệ thống SBR yêu cầu vận hành theo chu kỳ để điều khiển quá
trình xử lý. Hoạt động chu kỳ kiểm soát toàn bộ các giai đoạn của quy
trình xử lý bao gồm: thời gian nước vào, thời gian sục khí, thời gian lắng

và thời gian tháo nước. Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng
dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học.
Bể SBR hoạt động theo 5 pha.
:
Hình 1.5: Các pha của bể SBR