Nghiên cứu ảnh hưởng của chế dộ vận hành đến hiệu quả xử lý photpho của hệ thống lọc yếm khí thiếu khí hiếu khí cải tiến

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
======

NGUYỄN HẢI YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA
CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH ĐẾN HIỆU
QUẢ XỬ LÝ PHOTPHO CỦA HỆ
THỐNG LỌC YẾM KHÍ – THIẾU
KHÍ – HIẾU KHÍ 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 – 2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt báo cáo 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 Hàn Lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS. Lê Cao Khải người đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp.
Nhân đây 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 kiến
thức trong những năm học vừa qua .

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị phụ trách phòng thí nghiệm
công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường của Viện Công Nghệ Môi Trường -Viện Hàn
Lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam đã rất nhiệt tình giúp đỡ về mọi cơ sở vật
chất và chỉ bảo em trong quá trình tiến hành làm thí nghiệm.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự trao đổi và đóng góp ý kiến thẳng
thắn của các bạn học cùng khoá đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành
bài báo cáo khóa luận tốt nghiệp của mình.
HÀ NỘI, Ngày tháng năm 2015
Sinh viên

Nguyễn Hải Yến


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

HK

Hiếu khí

YK

Yếm khí

TK
VFA
FAO

Thiếu khí
Axit béo dễ bay hơi
Sinh vật tích lũy photpho


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20oC…….…….…26
Bảng 2. Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho………..35
Bảng 3. Dung tích hữu ích của ngăn trong thiết bị thí nghiện...........................56
Bảng 4. Các chế độ vận hành……………………………………………..…..59
Bảng 5. Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu……...……………………61


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Quá trình xử lý photpho AO…………….…………………………..28
Hình 2. Sơ đồ phostrip tách loại photpho………….……………………...…30
Hình 3. Sơ đồ xử lý nitơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho năm giai đoạn; c)
Quá trình UCT; d) quá trình VIP………………...…………………………..32
Hình 4. Mô hình cải tiến công nghệ AAO………………….………………..45
Hình 5. Quá trình phân hủy yếm khí………………………...………………47
Hình 6. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm………………………………….57
Hình 7. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm……….………………………….………..59
Hình 8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ............60
Hình 9. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ..62
Hình 10. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn yếm
khí....................................................................................................................63

Hình 11. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn....64


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ TỔNG PHOTPHO TRONG
NƢỚC THẢI SINH HOẠT PHÂN TÁN .................................................. 10
1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt ................................................................ 10
1.1.1. Khái niệm về nước thải sinh hoạt .......................................................... 10
1.1.2. Đặc điểm chung về nươc thải sinh hoạt ................................................. 10
1.1.3. Phân loại nước thải sinh hoạt ................................................................ 11
1.1.4. Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường .................................... 13
1.1.5. Quản lý nước thải ở Việt Nam .............................................................. 14
1.2. Tổng quan về photpho ................................................................................. 16
1.2.1. Định nghĩa ............................................................................................ 16
1.2.2. Vai trò của photpho .............................................................................. 16
1.2.3. Thực trạng ô nhiễm photpho hiện nay ................................................... 17
1.2.4. Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho ....................................................... 18
1.2.5. Ảnh hưởng của photpho tổng ................................................................ 18
1.3. Tổng quan về công nghệ xử lý tổng photpho (T-P) trong nước thải sinh hoạt
.......................................................................................................................... 21
1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho ....................................................... 21
1.3.2. Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước thải .............................. 26
1.3.3. Đặc thù của quá trình xử lý photpho ..................................................... 30
1.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố lên hiệu quả xử lý ........................................ 36
1.4. Công nghệ xử lý nước thải AAO ................................................................. 40


CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 47

2.1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu ............................................................. 47
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 47
2.1.2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 47
2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 47
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 48
2.3.1. Phương pháp tài kiệu kế thừa ................................................................ 48
2.3.2. Phương pháp phân tích định lượng photpho bằng phương pháp oxy hóa
ướt bằng K2S2O8 ............................................................................................. 48
2.4. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................... 53

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................. 57
3.1. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu .................................... 57
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý T-P .......................................... 58
3.3. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P ............................... 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 63


MỞ ĐẦU
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người cũng như các sinh
vật trên Trái đất, tất cả các sự sống đều phụ thuộc vào nước và vòng tuần hoàn
nước. Lượng nước trên Trái đất vào khoảng 1,38 tỉ km³ trong đó 97,4% là nước
mặn trong các đại dương, còn 2,6%, là nước ngọt, tồn tại chủ yếu dưới dạng băng
tuyết ở Bắc Cực, Nam Cực và trên các ngọn núi, chỉ có 0,3% nước trên toàn thế giới
(hay 3,6 triệu km³) là có thể sử dụng làm nước uống.
Hiện nay vấn đề ô nhiễm nước rất được quan tâm. Trong quá trình sinh hoạt
hàng ngày, dưới tốc độ phát triển như hiện nay con người vô tình làm ô nhiễm
nguồn nước bằng các hóa chất, chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy, xí
nghiệp. Ở nước ta hiện nay, hầu hết các khu đô thị, khu dân cư, làng, xã hay một số

điểm du lịch được xây dựng phục vụ nhu cầu con người có nguồn nước thải sinh
hoạt thải ra còn chưa được xử lý triệt để, mặc dù một vài nơi có hệ thống xử lý tập
trung nhưng còn nhiều khó khăn về vấn đề vận hành cũng như các chi phí xử lý cao
dẫn đến nước thải sinh hoạt không đạt tiêu chuẩn môi trường mà đã xả trực tiếp ra
sông, hồ. Ngoài nguồn nước thải khổng lồ, thải ra từ các hoạt động của con người
thì chúng ta cũng phải đối mặt với một hiện tượng môi trường ngày càng trở nên
nghiêm trọng là hiện tượng phú dưỡng gây ra do bùng nổ các loài rong, tảo, thực
vật phù du và nồng độ chất dinh dưỡng nitơ, photpho quá cao. Điều đó khiến tình
trạng tầng nước mặt bị ô nhiễm, bốc mùi khó chịu, nước có màu xanh đen hoặc đen,
theo thời gian sẽ ảnh hưởng tới tầng nước ngầm làm mất cảnh quan cũng như biến
đổi hệ sinh thái nước và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người.
Hàm lượng cho phép của các thành phần dinh dưỡng N, P được quy định chặt
chẽ trong tiêu chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như Việt Nam. Vì vậy, trong xử
lý nước thải ngoài việc xử lý các thành phần ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD, SS…)
việc xử lý các thành phần dinh dưỡng nitơ, photpho cũng là yêu cầu quan trọng.

8


Hiện nay, người ta đã đưa ra nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt. Một
trong những phương pháp đó là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Để góp
phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường, trong bản khóa luận này bước đầu chúng tôi
thực hiện đề tài “ Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ vận hành đến hiệu quả xử
lý photpho của hệ thống lọc yếm khí – thiếu khí – hiếu khí cải tiến”.

9


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ TỔNG PHOTPHO TRONG NƢỚC THẢI SINH

HOẠT PHÂN TÁN
1.1. Tổng quan về nƣớc thải sinh hoạt
1.1.1. Khái niệm về nƣớc thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, trong đó chất
bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới thành phần không hòa tan, dạng
keo và dạng hòa tan. Thành phần và tính chất của chất bẩn phụ thuộc vào mức độ
hoàn thiện thiết bị, trạng thái làm việc của hệ thống mạng lưới vận chuyển, tập quán
sinh hoạt của người dân, mức sống xã hội, điều kiện tự nhiên… Do tính chất hoạt
động của đô thị mà chất bẩn của nước thải thay đổi theo thời gian và không gian.
1.1.2. Đặc điểm chung về nƣớc thải sinh hoạt
Lượng nước thải thực sự từ mỗi người hàng ngày gần tương đương với lượng
nước tiêu thụ, chỉ khoảng 4 l/ngày, khi đó hàm lượng chất rắn trong nước thải sẽ đạt
trên 10%. Tuy nhiên, trong cuộc sống hàng ngày, lượng nước sử dụng trên đầu
người cao hơn nhiều lần, mức độ càng cao khi khả năng cung cấp càng lớn và càng
giàu có càng tiêu thụ nhiều nước. Đó là nước dùng vào các mục đích vệ sinh, chuẩn
bị đồ ăn thức uống hàng ngày. Trong quá trình thu gom và vận chuyển nước thải về
nguồn nhận nước, các thành phần có khả năng sinh hủy bị biến đổi theo thời gian,
các thành phần dễ sinh hủy bị phân hủy với tốc độ cao hơn so với các thành phần
khó phân hủy nên thành phần tạp chất trong nước thải biến động cả về số lượng và
nồng độ tạp chất theo thời gian và mang tính cục bộ (đặc thù) khá cao.
Nhìn chung, tại các thành phố lớn của các nước phát triển, mức độ sử dụng nước
nằm trong khảng 150 – 200 l/ngày trên đầu người. Tại các vùng nông thôn, mức độ
sử dụng nước thường thấp hơn so với thành phố.

10


Trong sinh hoạt gia đình, nước thải bao gồm ba nguồn chính với lưu lượng gần
ngang nhau: từ nhà vệ sinh, từ các hoạt động vệ sinh nhà cửa, tắm gội, từ giặt giũ và
chuẩn bị cho ăn uống. Nước thải từ bể phốt được gọi là nước thải đen , nước thải từ

nhà bếp và tắm giặt gọi là nước thải xám.
Thành phần tạp chất trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp rất
phong phú, chẳng những từ điểm phát thải ban đầu mà còn là các sản phẩm chuyển
hóa tiếp theo của chúng trong môi trường. Các thành phần tạp chất cũng có thể phân
loại theo hậu quả mà chúng gây ra:


Thành phần tiêu thụ oxy trong nước.



Thành phần dinh dưỡng.



Hợp chất gây hại, gây cảm giác khó chịu.



Hợp chất hóa học có độc tính.

Các hợp chất tiêu thụ oxy (BOD) làm cạn kiệt oxy của nguồn nước, phá hoại môi
trường sống của thủy động vật. Thành phần dinh dưỡng (N, P) gây cho nguồn nước
giàu dinh dưỡng, thúc đẩy tảo và thủy thực vật phát triển, dẫn đến hiện tượng phú
dưỡng của nguồn nước. Các hợp chất gây cảm giác khó chịu và hại như ăn mòn,
mùi hôi, gây màu, giảm thiểu quá trình trao đổi chất giữa nước và không khí. Các
hợp chất gây độc có thể mang tính cấp tính hay lâu dài, gây ra các bệnh nguy hiểm
như ung thư, thần kinh, biến đổi gien.
1.1.3. Phân loại nƣớc thải sinh hoạt
Phù hợp với mục đích của kỹ thuật xử lý nước thải thì thành phần gây ô nhiễm

được phân loại theo tính chất hóa học, vật lý và sinh hóa của chúng.
Phân loại theo đặc trƣng vật lý
Đặc trưng vật lý của tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các tiêu chí: trạng thái tập
hợp, khối lượng riêng và mức độ phân tán.

11


Trạng thái của vật chất trong nước thải gồm ba dạng là hơi (khí), lỏng và rắn. Khí
và chất rắn có thể nổi trên mặt nước hay phân tán trong nước dưới dạng hạt keo
(chất rắn mịn, khó lắng) hay dạng nhũ, bọt khí. Tính chất nổi, chìm hay phân tán
của chất rắn và lỏng trong nước trước hết phụ thuộc vào khối lượng riêng của nó so
với của nước và mức độ phân tán (kích thước càng nhỏ thì độ phân tán càng cao).
Mức độ phân tán có thể chia thành ba cấp: tan (tồn tại ở mức phân tử độc lập trong
nước), chỉ tan một phần (dạng keo, ví dụ keo gelatin, lòng trắng trứng) và dạng
huyền phù. Kích thước của các chất rắn trong nước thải nằm trong khoảng rất rộng,
từ vài mm đến mức phần triệu mm (virus). Kích thước của chất rắn liên quan mật
thiết đến biện pháp kỹ thuật tách chúng ra khỏi nước (kích thước lưới lọc rác, loại
màng lọc).
Phân loại theo đặc trƣng hóa học
Trong nước thải, hầu như tất cả các nguyên tố hóa học bền đều có thể có mặt, tuy
vậy không nhất thiết và cũng không thể nhận biết chúng một cách chi tiết được.
Trước hết chúng được phân loại theo tiêu chí hợp chất vô cơ, hữu cơ. Hợp chất vô
cơ bao gồm các thành phần không thuộc kim loại (nitrat, phosphat, sunfat), thành
phần bán kim loại (borat, silicat…) và kim loại (muối Na, Cu, Ca…).
Hợp chất hữu cơ có thể phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng (ví dụ chất
hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, đồng phân, nhân thơm…). Cách phân loại đó phức
tạp và thiếu tính thực tế trong công nghệ xử lý nước thải do sự tồn tại của hàng triệu
chất hữu cơ đã biết cho tới nay. Cách phân loại thực tế và có ích hơn là theo nguồn
gốc của chúng: từ tự nhiên hay thuộc loại nhân tạo. Tuy vậy cách phân loại này

cũng gặp những khó khăn vì nhiều loại hợp chất hữu cơ có trong thiên nhiên cũng
được con người chế tạo và còn biến tính thành các hợp chất mới hữu dụng hơn. Đại
diện cho các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên như mỡ, protein, carbohydrat, axit
humic, tanin, lignin. Hợp chất hóa học tổng hợp có thể là chất tẩy rửa, nước gội
đầu, xà phòng, hóa mỹ phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật, chất màu công nghiệp.
Phân loại theo đặc trƣng sinh hóa

12


Phân loại tạp chất trong nước thải theo phương diện sinh hóa dựa trên đặc điểm
về tốc độ phân hủy chúng bởi vi sinh vật gây ra trong các hệ thống xử lý nước thải,
ví dụ phân hủy nhanh (đường, rượu etanol, metanol), chậm (mỡ, protein), không
phân hủy, bền trong môi trường tự nhiên (hợp chất hữu cơ chứa clo, một số loại
thuốc trừ sâu), độc (dioxin).
1.1.4. Tác hại của nƣớc thải sinh hoạt đến môi trƣờng
Tác hại đến môi trường của nước thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong
nước thải gây ra.
 COD, BOD: sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và
gây ra thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái
môi trường nước. Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình
thành. Trong phân hủy yếm khí sinh ra các sản phẩm như : H2S, NH3, CH4…
làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường.
 SS: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí.
 Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đời
sống của thủy sinh vật nước.
 Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu
chảy, ngộ độc thức ăn, vàng da,…
 Amoniac, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng. Nếu nồng độ
trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa (sự phát triển bùng

phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm
gây ngạt thở và diệt vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ
oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra).
 Màu: mất mỹ quan.

13


 Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt.
1.1.5. Quản lý nƣớc thải ở Viêṭ Nam
Kiểm soát ô nhiễm nước thải mới được thực hiện từ giữa những năm 1990 tại
Việt Nam, một khoảng thời gian rất ngắn so với các nước phát triển đã có lịch sử
khoảng 100 năm nay. Do mới ở giai đoạn đầu nên những kết quả đạt được cho đến
nay cũng còn khiêm tốn.
Tại các khu công nghiệp tập trung, nơi có nhiề u nhà máy (đa da ̣ng về ngàn h nghề
sản xuất ) cùng hoạt động , các nguồn thải được thu gom về một vị trí để xử lý
(thường go ̣i là tra ̣m xử lý tâ ̣p trung , thực chấ t mang tin
́ h phân tán ). Hê ̣ thố ng xử lý
nước thải ta ̣i các khu công nghiê ̣p thường đươ ̣c lâ ̣p kế hoa ̣ch xây dựng ngay từ giai
đoa ̣n xây dựng ha ̣ tầ ng cơ sở nên có thể đưa vào hoa ̣t đô ̣ng cùng với sự hoa ̣t đô ̣ng
của khu công nghiệp đó.
Các cơ sở sản xuất công nghiệp không nằm trong khu công nghiệp tồn tại xen lẫn
với vùng dân cư, thường đươ ̣c xây dựng trước đây (công nghê ̣ la ̣c hâ ̣u ) và với quy
mô sản xuấ t nhỏ nên phầ n lớn chưa có hê ̣ thố ng xử lý nước thải (khoảng 70 %).
Hoạt động sản xuất tại các làng nghề (chế biế n nông sản , thực phẩ m , mủ cao su
tự nhiên, đồ gỗ , thủ công mỹ nghệ , gia công kim loa ̣i… ) gắ n liề n với sinh hoa ̣t của
cô ̣ng đồ ng dân cư (trong vùng nông thôn ) cũng phát sinh một lượng lớn nước thải
và mang tính thời vụ, hầ u hế t chưa đươ ̣c quản lý.
Mô ̣t loa ̣i hiǹ h nước thải khác với lươ ̣ng rấ t lớn liên quan đế n canh tác nông
nghiê ̣p (trồ ng lúa nước , nuôi trồ ng thủy sản ) chăn nuôi gia súc , gia cầ m đang đươ ̣c

xem là “vùng trắ ng” vì mức đô ̣ kiể m soát nguồ n thải trên còn rấ t h ạn chế. Tác động
tiêu cực của các nguồ n thải từ các hoa ̣t đô ̣ng nông nghiê ̣p khi không đươ ̣c kiể m soát
cũng rất nặng nề khi xét về phương diện lưu lượng thải

(trồ ng lúa, nuôi trồ ng thủy

sản) và các thành phần ô nhiễm (dinh dưỡng, hóa chất bảo vệ thực vật ). Tác động

14


tiêu cực của các nguồ n thải không chỉ thể hiê ̣n về phương diê ̣n làm ca ̣n kiê ̣t oxy
trong vực nhâ ̣n nước do thành phầ n hữu cơ có khả năng sinh hủy

(BOD), gây ra

hiê ̣n tươ ̣ng phú dưỡng (N, P), tác động trực tiếp đến sức khỏe con người (chấ t lươ ̣ng
thực phẩ m thông qua chuỗi thức ăn ) và ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất của vật
nuôi và cây trồ ng (ví dụ phát tán dịch bệnh cho vật nuôi , nguồ n thủy sản trong tự
nhiên).
Nguồ n nước thải sinh hoa ̣t chiế m tỷ lê ̣ cao nhấ t so với các nguồ n thải khác với
lưu lươ ̣ng thải rấ t biế n đô ̣ng phu ̣ thuô ̣c vào mâ ̣t đô ̣ và quy mô của các vùng dân cư .
Số lươ ̣ng các thành phố lớn có dân số tâ ̣p trung trên

1 – 2 triê ̣u người sinh số ng

hiê ̣n nay không nhiề u (tăng lên trong tương lai do quá trình đô thi ̣hóa ) nhưng các
khu dân cư tâ ̣p trung quy mô nhỏ (thị xã, thị trấn, thị tứ, làng xóm, khu vực du lich,
̣
giải trí) thì lại với số lượng rất ca o, thường đươ ̣c ngăn cách khá xa nhau bởi những

vùng đất canh tác nông nghiệp , rừng núi, sông nước. Mô ̣t đă ̣c điể m khác hiế m thấ y
là dân cư sống đông đúc dọc theo các trục đường giao thông (tỉnh, huyê ̣n và xã lô ̣).
Hiê ̣n tra ̣ng quản lý nguồn nước thải sinh hoạt xuất phát từ các địa điểm trên chưa
đươ ̣c hoa ̣ch đinh
̣ , là vấn đề còn đang bỏ ngỏ . Giải pháp quản lý nguồn nước thải
sinh hoa ̣t đố i với từng khu vực chắ c chắ n sẽ rấ t khác nhau , không thể có giải pháp
chung chung (như ta thường làm cho đế n nay ). Phương pháp tiế p câ ̣n hơ ̣p lý có thể
là (đang thực h iê ̣n) phát triển giải pháp quản lý tập trung cho các vùng dân cư có
quy mô lớn , lưu lươ ̣ng thải cao , quản lý phân tán cho các quy mô nhỏ . Trong các
giải pháp quản lý nước thải phân tán cho nước thải sinh hoạt và của các cơ sở sản
xuấ t nhỏ cầ n chú ý tới tiń h chấ t tổ hơ ̣p tương hỗ, kế t hơ ̣p xử lý ô nhiễm với sản xuấ t
nông nghiê ̣p , sản xuấ t năng lươ ̣ng , sản xuất sinh khối sơ cấp , thứ cấ p , nuôi trồ ng
thủy sản, tái sử dụng nước thải vào những mục đích thích hợp cùng với mục đích
giảm nhẹ gánh nặng ch i phí cho xử lý nước thải như các nơi khác trên thế giới đang
thực hiê ̣n, đă ̣c biê ̣t ta ̣i các nước đang phát triể n.

15


1.2. Tổng quan về photpho
1.2.1. Định nghĩa
Photpho (P) là một nguyên tố trong tự nhiên tồn tại dưới dạng quặng. Ở sinh
vật photpho có vai trò quan trọng có nhiều trong xương động vật dưới dạng canxi
photphat, trong não, lòng đỏ trứng, dưới dạng hợp chất hữu cơ.
Photpho là một phi kim, nguyên tử lượng 31, tỉ trọng 1,83, điểm nóng chảy
94 oC, điểm sôi 278 oC, không tan trong nước, tan trong dung môi hưu cơ. Là một
chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm, dễ uốn.
Tổng lượng photpho bao gồm ortophotphat (PO43-), poly photphat (hai phân
tử axit ortophotphoric ngưng tụ lại thành một phân tử) và các hợp chất photpho hữu
cơ trong đó ortophotphat luôn chiếm tỉ lệ cao nhất. Photphat có thể ở dạng hòa tan,

keo hay rắn. Trước khi phân tích cần xác định dạng tồn tại của photpho. Nếu chỉ
xác định ortophotphat (mục đích kiểm soát quá trình kết tủa của photpho) thì mẫu
cần lọc trước khi phân tích. Tuy nhiên nếu phân tích photpho tổng (kiểm soát giới
hạn thải) thì mẫu phải được đồng nhất và thủy phân.
1.2.2. Vai trò của photpho
Photpho là một yếu tố cần thiết cho sự sống, sinh vật sống, bao gồm cả con
người, sở hữu một số lượng nhỏ và yếu tố này rất quan trọng trong quá trình sản
sinh năng lượng của tế bào. Trong nông nghiệp, photpho khai thác từ các mỏ được
sử dụng rộng rãi để chế biến làm phân bón giúp tăng năng suất cây trồng. Photpho
cũng đã được sử dụng công nghiệp khác.
Photpho là nguyên tố quan trọng trong mọi dạng hình thành sự sống đã biết.
Photpho vô cơ trong dạng photphat PO43- đóng một vai trò quan trọng trong các
phân tử sinh học như AND và ARN trong đó nó tạo thành một phần của phần cấu
trúc cốt tủy của các phân tử này. Các tế bào sống cũng sử dụng photphat để vận

16


chuyển năng lượng tế bào thông qua adenosine triphotphat (ATP). Gần như mọi tiến
trình trong tế bào có sử dụng năng lượng đều có nó trong dạng ATP. ATP cũng là
quan trọng trong photphat hóa, một dạng điều chỉnh quan trọng trong các tế bào.
Các photpholipit là thành phần cấu trúc chủ yếu của mọi màng tế bào. Các muối
photphat canxi được các động vật dùng để làm cứng xương của chúng. Trung bình
trong cơ thể người chứa khoảng gần 1kg photpho, và khoảng ba phần tư số đó nằm
trong xương và răng dưới dạng apatit. Một người lớn ăn uống đầy đủ tiêu thụ và bài
tiết ra khoảng 1-3g photpho trong ngày dưới dạng photphat.
Theo thuật ngữ sinh thái học, photpho thường được coi là chất dinh dưỡng
giới hạn trong nhiều môi trường, tức là khả năng có sẵn của photpho điều chỉnh tốc
độ tăng trưởng của nhiều sinh vật. Trong các hệ sinh thái sự dư thừa photpho có thể
là một vấn đề, đặc biệt là trong các hệ thủy sinh thái, gây phú dưỡng và bùng nổ tảo.

1.2.3. Thực trạng ô nhiễm photpho hiện nay
Dư thừa photpho từ các cánh đồng và bãi cỏ ở ngoại ô các thành phố xuống
các ao, hồ, sông, suối là nguyên nhân chính để tảo phát triển, sau đó chúng đi vào
các nguồn nước và làm giảm chất lượng nước. Ô nhiễm photpho gây nguy hiểm cho
cá và các loài thủy sinh khác cũng như các loài động vật và con người, những sinh
vật sống phụ thuộc vào nguồn nước sạch. Trong một số trường hợp dư thừa photpho
còn giúp tảo độc phát triển, gây ra mối đe dọa trực tiếp đến sinh mạng con người và
động vật.
Dư thừa photpho trong môi trường là vấn đề chủ yếu ở các nước công
nghiệp, phần lớn ở Châu Âu, Bắc Mỹ và một số khu vực Châu Á. Ở các khu vực
khác, đặc biệt là Châu Phi và Australia, đất rất nghèo photpho, gây ra một sự mất
cân bằng dinh dưỡng. Trớ trêu thay, đất ở những nơi như Bắc Mỹ, khu vực mà phân
bón với photpho được sử dụng phổ biến nhất.

17


1.2.4. Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho
Hợp chất photphat được tìm thấy trong nước thải sinh hoạt hay được thải trực
tiếp vào nguồn nước mặt phát sinh từ:
 Thất thoát từ phân bón có trong đất
 Chất thải từ người và động vật
 Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch
Việc sử dụng photpho trên toàn thế giới, một loại phân bón quan trọng trong
nông nghiệp hiện đại - phân lân, một nhóm nhà nghiên cứu cảnh báo rằng kho dự
trữ photpho trên thế giới sẽ sớm khan hiếm và việc sử dụng quá mức trong một thế
giới công nghiệp hóa là nguyên nhân hàng đầu dẫn tới sự ô nhiễm ao, hồ, sông, suối
như hiện nay.
1.2.5. Ảnh hƣởng của photpho tổng
Hiện nay, nông nghiệp nước ta phải sử dụng phân hóa học và thuốc trừ sâu,

cỏ dại với khối lượng ngày càng lớn. Đây là xu thế tất yếu bởi lẽ phân hóa học và
thuốc trừ sâu, trừ cỏ dại có tác dụng quyết định đến 40-50% mức tăng sản lượng
cây trồng hàng năm, vấn đề đặt ra ở đây là cần có các biện pháp hữu hiệu nhằm hạn
chế mặt độc hại của những hóa chất ấy đối với môi trường sống và sức khỏe con
người.
Có hàng trăm loại hóa chất trừ dịch hại và phân hóa học được đưa vào nước
ta. Theo nhiều nhà nghiên cứu, trong khoảng hơn 120 hóa chất trừ sâu bệnh thông
dụng thì có tới 90 chất độc hại, 33 chất gây đột biến di truyền, 22 chất gây dị dạng
khuyết tật, 14 chất gây u độc và ung thư cho các loại động vật máu nóng. Nói
chung, hầu hết các loại phân hóa học và hóa chất trừ dịch bệnh, cỏ dại ít nhiều đều
gây độc cho người và gia súc.

18


Mỗi loại hóa chất có tính chất hóa lý khác nhau nên cơ chế gây độc cũng
khác nhau. Có thể chia làm hai loại: Loại độc mạnh, cấp tính nguy hiểm và loại gây
độc từ từ, tích lũy dần, gây tác hại mãn tính cho người.
Nhóm cơ photpho phân hủy tương đối nhanh trong đất, cây, trong cơ thể
người và động vật… Khi bị nhiễm độc nặng, sẽ ảnh hưởng rõ rệt đến hệ huyết áp,
hô hấp, làm thay đổi chức năng của hệ thần kinh, làm tổn thương chức năng bài tiết
của thận và quá trình trao đổi chất trong cơ thể. Nếu nhiễm độc nhóm Clo hữu cơ,
sẽ tác động mạnh đến hệ thần kinh, gây co giật cơ, làm nhịp tim và hệ tiêu hóa rối
loạn.
1.2.5.1. Ảnh hưởng đến môi trường nước
Khả năng tồn tại của photphat sinh học hoàn toàn phụ thuộc vào pH:
+ Ở pH thấp (môi trường axit): photpho gắn chặt với các hạt sét và tạo thành
các chất tổng hợp không tan với ion sắt ví dụ [Fe(OH)2H2PO4)] và nhôm
[Al(OH)2H2PO4]. Do sự xuất hiện của ion Fe3+ và nhôm trong đất, của cặn lắng và
nước, nên lượng photpho hòa tan rất thấp trong điều kiện axit. Khi môi trường

không có oxy, photpho được cố định là các phức hợp sắt không tan, có thể giải
phóng Fe3+,giảm thành Fe2+ và tạo thành sunfit sắt.
+ Trong điều kiện pH cao (môi trường kiềm): Photpho hình thành các hợp
chất không hòa tan khác nhất là canxi (ví dụ hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH2)).
Trong điều kiện hiếu khí có Ca, Al và ion Fe thì photphat tan nhiều nhất ở
pH 6-7.
Photpho là nguồn dinh dưỡng quan trọng cho thực vật và tảo. Trong nước,
các hợp chất photpho tồn tại ở bốn dạng: Hợp chất vô cơ không tan, hợp chất vô cơ
có tan, hợp chất hữu cơ tan và hợp chất hữu cơ không tan. Nồng độ cao của photpho
trong nước gây ra sự phát triển mạnh của tảo, khi tảo chết đi quá trình phân hủy kị

19


khí làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước và điều này gây độc hại đến đời sống
thủy sinh.
Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống vào trong nhiều ngành
công nghiệp, nông nghiệp. Khi thải 1kg nitơ dưới dạng hợp chất hóa học và môi
trường nước sẽ sinh ra 20kg COD, cũng như vậy, khi thải 1kg P sẽ sinh ra 138kg
COD. Trong nguồn nước giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng:
tảo và thủy sinh phát triển mạnh tạo nên mật độ lớn vào ban ngày hoặc khi nhiều
nắng tảo quang hợp mạnh. Để quang hợp, tảo hấp thụ khí CO 2 hoặc bicacbonat
(HCO3-) trong nước và nhả oxy. pH của nước tăng nhanh, nhất là khi nguồn nước có
pH thấp (tính đệm thấp do cân bằng H2CO3 - HCO3--CO32- ) vào cuối buổi chiều;
pH của một số ao, hồ giàu dinh dưỡng có thể đạt giá trị trên 10. Nồng độ oxi hòa tan
trong nước thường siêu bão hòa, tới 20mg/L.
Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân hủy chất hữu
cơ để tạo năng lượng, ngược với quá trình quang hợp) xảy ra.
Trong khi hô hấp, tảo và thực vật thủy sinh tiêu thụ oxy thải ra CO2 là tác
nhân làm giảm pH của nước.

Trong các nguồn nước, nếu hàm lượng N>30-60mg/L, P>4-8mg/L sẽ xảy ra
hiện tượng phú dưỡng. Vào ban đêm hoặc những ngày ít nắng, quá trình hô hấp
diễn ra mạnh mẽ gây hiện tượng thiếu oxy và làm giảm pH của nước. Do vậy, vào
buổi sáng thường oxy trong nước cạn kiệt và pH rất thấp.
Hiện tượng phú dưỡng cũng xảy ra ở hệ sinh thái biển, đặc biệt vùng cửa
sông hay các vịnh kín hoặc các vùng biển kín. Tảo nở hoa gây ra hiện tượng thủy
triều đỏ và phân hủy hệ sinh thái thủy sinh. Ví dụ trong suốt mùa du lịch trên thế
giới có khoảng 200 triệu người du lịch cùng với 85% nước thải sinh hoạt không
được xử lý từ các thành phố lớn thải ra biển sẽ gây ô nhiễm biển ở nhiều nơi. Cá
chết và gây ô nhiễm trầm tích.

20


1.2.5.2. Ảnh hưởng đối với con người
Đây là nguyên tố có độc tính với 50mg là liều trung bình gây chết người
(photpho trắng nói chung được coi là dạng độc hại của photpho trong khi photphat
và ortophotphat lại là các chất dinh dưỡng thiết yếu). Thù hình photpho trắng cần
được bảo quản dưới dạng ngâm nước do nó có độ hoạt động hóa học rất cao với oxy
trong khí quyển và gây ra nguy hiểm cháy và thao tác với nó cần được thực hiện
bằng kẹp chuyên dụng do việc tiếp xúc trực tiếp với da có thể sinh ra các vết bỏng
nghiêm trọng. Ngộ độc mãn tính photpho trắng đối với các công nhân không được
trang bị bảo hộ lao động tốt dẫn đến trứng chết hoại xương hàm. Nuốt phải photpho
trắng có thể sinh ra tình trạng mà trong y tế gọi là “ hội chứng tiêu chảy khói”. Các
hợp chất hữu cơ của photpho tạo ra một lớp lớn các chất, một số trong đó là cực kì
độc. Một loạt các hợp chất hữu cơ chứa photpho được sử dụng bằng độc tính của
chúng để làm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm, vv... Phần lớn các hợp
chất photphat vô cơ là tương đối không độc và là các chất dinh dưỡng thiết yếu.
Khi photpho trắng bị đưa ra ánh nắng mặt trời hay bị đốt nóng thành dạng
hơi ở 250 độ C thì nó chuyển thành dạng photpho đỏ, và nó không tự cháy trong

không khí, do vậy nó không nguy hiểm như photpho trắng. Tuy nhiên, việc tiếp xúc
với nó vẫn cần sự thận trọng do nó cũng có thể chuyển thành dạng photpho trắng
trong một khoảng nhiệt độ nhất định và nó cũng tỏa ra khói có độc tính cao chứa
các oxit photpho khi bị đốt nóng.
1.3. Tổng quan về công nghệ xử lý tổng photpho (T-P) trong nƣớc thải
sinh hoạt
1.3.1 Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho
Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải dưới ba dạng hợp chất: photphat đơn
(PO43-), polyphotphat (P2O7) và hợp chất hữu cơ chứa photphat, hai hợp chất sau

21


chiếm tỉ trọng lớn. Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước
thải duy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào. Hàm lượng
photpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 – 2,5%) khối lượng khô. Trong quá
trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu photphat cao hơn
mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 – 7%), lượng photpho dư được vi sinh
vật dự trữ để sử dụng sau. Trong điều kiện yếm khí, với sự có mặt của chất hữu cơ,
lượng photphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng photphat đơn. Một
vài loại tảo cũng có khả năng tích trữ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế
bào .
Hiện tượng trên được sử dụng để tách loại hợp chất photpho ra khỏi môi trường
nước thải bằng cách tách vi sinh có hàm lượng photpho cao dưới dạng bùn thải hoặc
tách photphat tồn tại trong nước sau khi xử lý yếm khí bằng biện pháp hóa học.
Biện pháp loại bỏ photpho từ bùn được gọi là phương pháp tách trực tiếp, biện
pháp sau áp dụng giải pháp xử lý kế tiếp giữa hiếu khí - yếm khí có ghép thêm công
đoạn xử lý hóa học (công đoạn phụ - side stream).
Xử lý photpho vì vậy không phải là một hệ xử lý độc lập mà là bổ xung hoặc vận
hành hợp lý một tổ hợp đã tồn tại nhằm mục đích tách loại thêm khi so với các hệ

cũ: phương pháp tăng cường xử lý photpho bằng biện pháp sinh học (enhanced
biological phophorus removal EBPR).
Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình hấp thu - tàng trữ - thải photpho
được quy chung về nhóm vi sinh bio - P mà vi sinh Acinetobacter là chủ yếu. Loại
vi sinh bio - P phát triển trong điều kiện vận hành kế tiếp chu trình hiếu khí - yếm
khí, tham gia vào quá trình tách loại photpho theo cơ chế trên. Hệ thống xử lý
photpho theo nguyên tắc trên được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tiễn xử lý nước
thải mặc dù cơ chế của quá trình vẫn chưa được hiểu thấu đáo.
Dưới điều kiện hiếu khí (O2) vi sinh bio - P tích lũy photphat trùng ngưng trong
cơ thể chúng từ photphat đơn tồn tại trong nước thải .

22


C2H4O2 + 0,16 NH4+ + 1,2 O2 + 0,2 PO43-  0,16 C5H7NO2 + 1,2 CO2 + 0,2
(HPO3) + 0,44 OH- + 1,44 H2O

(1.1)

Phương trình tỷ lượng (1.1) được thành lập trên cơ sở chất hữu cơ là axit axetic
(C2H4O2) với tỉ lệ tính theo mol của PO43-/C2H4O2 = 0,2 và với hiệu suất sinh khối
hữu hiệu là 0,3 g/g C2H4O2. HPO3 là photphat ở dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ
thể vi sinh vật. Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy, chỉ có mặt nitrat) quá trình
tích lũy photpho xảy ra:
C2H4O2 + 0,16NH4+ + 0,2PO43-+0,96NO3- 0,16C5H7NO2 + 1,2 CO2 +
0,2(HPO3) + 1,4OH- + 0,48N2 + 0,96H2O

(1.2)

Từ (1.2) cho thấy chủng loại vi sinh tích lũy photpho cũng có khả năng khử nitrat

.
Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat
trùng ngưng trong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn:
2 C2H4O2 + (HPO3) + H2O  (C2H4O2)2 + PO43-+ 3H+ (1.3)
(C2H4O2)2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ ngoài vào.
Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol P/mol axit
axetic.
Hiệu suất sinh khối của loại vi sinh bio – P (còn gọi là loại tích lũy photpho,
Phosphorus acccumulating organisms, PAOs) tương tự như loại dị dưỡng hiếu khí
có giá trị 0,5 – 0,6 g SK/g COD tan (sinh khối cũng tính theo COD). Nếu hiệu suất
sinh khối của bio – P tính theo khối lượng của thành phần không tan thì giá trị thu
được phụ thuộc vào hàm lượng photpho trong cơ thể vi sinh vật, tương ứng với sự
“thay thế” của chất hữu cơ khi photphat được thải ra.
Số liệu động học liên quan đến quá trình tích lũy - thải photpho của vi sinh vật
từ nghiên cứu chênh lệch nhau khá nhiều , vì vậy nên có những đánh giá trong từng
trường hợp cụ thể. Tuy nhiên khi xét về mặt động học cần chú ý tới cả ba giai đoạn

23


của một quá trình: tích lũy trong điều kiện hiếu khí, thiếu khí và tách photphat trong
điều kiện yếm khí.
Trong điều kiện hiếu khí tốc độ hấp thu photphat được mô tả qua phương trình
động học dạng Monod:
vi , P 

 m, p
Ym, p

.

SP
. X ( PAO )
SP  KP

(1.4)

vi , P : tốc độ hấp thu photphat từ môi trường nước.

m, p, Ym, p là hằng số tốc độ phát triển cực đại và hiệu suất sinh khối cực đại của
vi sinh bio – P.
SP và KP là nồng độ photphat trong dung dịch và hằng số bán bão hòa. X(PAO)
là nồng độ vi sinh tích lũy photpho.
Trong điều kiện thiếu khí, tốc độ hấp thu photphat nằm trong khoảng 40 – 60%
so với tốc độ trong điều kiện hiếu khí.
Tốc độ tách photphat từ vi sinh vật trong điều kiện yếm khí phụ thuộc vào tốc độ
hấp thu cơ chất, tức là phụ thuộc vào bản chất của cơ chất. Nếu sử dụng cơ chất là
axit axetic thì phương trình động học dạng Monod mô tả quá trình tách photphat có
dạng:
vi , Ax  k Ax .

S Ax
. X ( PAO )
S Ax  K Ax

(1.5)

vi , Ax : tốc độ hấp thu axit axetic, kAx là hằng số tốc độ phản ứng, SAx là nồng độ

axit axetic, X(PAO) là mật độ vi sinh vật. K Ax là hằng số bán bão hòa.

Khi tất cả photphat trùng ngưng tích trữ trong vi sinh đã tách hết thì quá trình sẽ
dừng lại. Tốc độ tách photphat có thể tính ra từ phương trình (1.5) và tỉ lượng giữa
axit axetic và photphat từ phương trình (1.3).
Bảng 1 ghi các giá trị động học quá trình xử lý photpho bằng phương pháp vi
sinh.

24


Bảng 1. Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20oC
Ký

Thông số

Đơn vị

Giá trị

m,P

d-1

1-2

Ym,P

gCOD/gCOD(Ax)

0,5 – 0,6

Ym,P

gSK/gCOD(Ax)

0,6 – 0,8

Ym,P

gP/gCOD(Ax)

0,07–

hiệu

Hằng số phát triển
cực đại
Hiệu suất sinh khối
cực đại, axit axetic
Hiệu suất sinh khối
cực đại, axit axetic
Hiệu suất sinh khối
cực đại, axit axetic
Hằng số bán bão

0,10
KAx

g Ax/m3

2-6

KP

g P/m3

0,1 – 0,5

kAx

gCOD(Ax)/g

0,5 - 2

hòa, hấp thu axit
axetic
Hằng số bán bão
hòa,

tích

lũy

photphat
Hằng số tốc độ hấp
thu axit axetic

COD(X).d

Hiệu quả và tốc độ xử lý photpho phụ thuộc vào các yếu tố của môi trường như
pH, nhiệt độ, cơ chất và sự có mặt của nitrat trong giai đoạn yếm khí.

So với các quá trình vi sinh khác, quá trình tăng cường xử lý photpho ít nhạy cảm
với nhiệt độ. Nhìn chung hiệu quả xử lý tăng ở nhiệt độ thấp.
pH có tác động đến giai đoạn hấp thu photphat của vi sinh vật, điều kiện tối ưu
nằm trong khoảng 6,6 – 7,4, giảm đáng kể khi pH < 6,2.
Hiệu quả xử lý photpho phụ thuộc vào hai yếu tố môi trường là: điều kiện kế tiếp
của yếm khí/thiếu khí và sự vắng mặt nitrat trong giai đoạn yếm khí. Điều kiện yếm

25