Nghiên cứu xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khi hiếu khí cải tiến

DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Quá trình xử lý photpho AO
Hình 2. Sơ đồ phostrip tách loại photpho
Hình 3. Sơ đồ xử lý nitơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho năm giai đoạn; c)
Quá trình UCT; d) quá trình VIP
Hình 4. Đường chuẩn photpho
Hình 5. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm
Hình 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý P của toàn hệ
Hình 7. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý P của toàn hệ
Hình 8. Ảnh hưởng của tải lượng tới hiệu suất xử lý P của toàn hệ


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT
Bảng 2. Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20oC
Bảng 3. Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho
Bảng 4. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu
Bảng 5. Ảnh hưởng của các ion silic đến kết quả phân tích
Bảng 6. Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm
Bảng 7. Các chế độ vận hành


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

Thiếu khí

VFA

Axit béo dễ bay hơi

FAO

Sinh vật tích lũy photpho

BOD ( Biological Oxyzen Demand)

Nhu cầu oxi hóa sinh học

COD ( Chemical Oxyzen Demand)

Nhu cầu oxi hóa hóa học


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 3
1.1.

Tổng quan về nước thải sinh hoạt .......................................................... 3

1.1.1. khái niệm nước thải sinh hoạt ................................................................... 3
1.1.2. Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt ............................................ 3
1.1.3. Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường....................................... 3
1.1.4. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt ............................................. 4
1.2.

Tổng quan về photpho ............................................................................ 6

1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................. 6
1.2.2. Vai trò của photpho ................................................................................... 7
1.2.3. Thực trạng, nguyên nhân ô nhiễm photpho hiện nay ............................... 7
1.2.4. Ảnh hưởng của photpho tổng.................................................................... 7
1.3.

Tổng quan về công nghệ xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt ........ 9

1.3.1.Nguyên tắc xử lý hợp chất photpho ........................................................... 9
1.3.2. Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước thải ............................... 14
1.4. Công nghệ xử lý nước thải AO .................................................................. 29
1.4.1. Quá trình Anoxic (xử lý sinh học thiếu khí) ........................................... 30
1.4.2. Quá trình Oxic (xử lý sinh học hiếu khí) ................................................ 31
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU....................................................................................... 32
2.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................. 32

2.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 32
2.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 32
2.4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 33
2.4.1. Phương pháp tài liệu kế thừa................................................................... 33
2.4.2. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu .................................................... 33
2.4.2.1. Phương pháp thu thập số liệu ............................................................................... 33


2.4.2.2. Phương pháp xử lý số liệu

.............................................................. 33

2.4.3. Phương pháp phân tích định lượng photpho bằng phương pháp oxy
hóa ướt bằng K2S2O8 ......................................................................................... 33
2.4.3.1. Nguyên tắc .......................................................................................... 33
2.4.3.2. Yếu tố ảnh hưởng ................................................................................. 34
2.4.3.3. Dụng cụ thiết bị .................................................................................... 35
2.4.3.4.Hóachất………………………………………………………………36
2.4.3.5. Quy trình phân tích…………………………………………..……..37
2.4.4. Phương pháp thực nghiệm ...................................................................... 38
2.4.4.1. Hệ thiết bị thí nghiệm...........................................................................39
2.4.4.2. Các chế độ thí nghiệm và quy trình vận hành...................................... 40
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 41
3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý photpho ................................ 41
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý photpho .. 41
3.3. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu quả xử lý photpho............................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 45


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, nước cần thiết cho sự sống
và phát triển của động thực vật và con người vì vậy có thể nói ở đâu có nước
ở đó có sự sống. Nước tự nhiên bao gồm toàn bộ nước từ các đại dương, biển
vịnh sông hồ, ao suối…trong đó nước ngọt chiếm tỷ lệ rất nhỏ khoảng 2,6%
tổng lượng nước. Nước ngọt được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau
như: sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, sản xuất công nghiệp và dịch vụ... Sau
khi sử dụng thì nước sẽ trở thành nước thải và bị ô nhiễm ở mức độ khác
nhau. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa hiện
đại hóa và sự bùng nổ dân số thì nhu cầu nước sạch càng trở nên cấp thiết hơn
đi đôi với đó lượng nước thải ra ngày càng nhiều. Tuy nhiên, nước thải đã và
đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, vấn đề ô nhiễm nước đang rất được
quan tâm, đang là mối lo ngại của rất nhiều quốc gia trong đó có cả Vệt Nam.
Ở việt Nam, trong các khu đô thị thì nước thải sinh hoạt sẽ được thải ra
hệ thống thu gom nước đưa về khu xử lý tập trung để xử lý. Tuy nhiên, nguồn
nước thải sinh hoạt vẫn chưa được xử lý một cách triệt để do nước thải sinh
hoạt có thành phần phức tạp, chi phí xử lý cao, các khu xử lý có hiệu suất xử
lý thấp chưa đáp ứng yêu cầu xử lý. Còn ở nông thôn, nước sau khi được sử
dụng lại thải bỏ trực tiếp ra ao hồ sông ngòi vì vậy dẫn tới tình trạng ô nhiễm
nguồn nước và gây mùi khó chịu làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm
trọng tới con người động thực vật khác. Các thành phần ô nhiễm chính đặc
trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là COD, nito, photpho... Ngoài ra,
nước thải sinh hoạt còn chứa hàm lượng N và P rất lớn, nếu không được loại
bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng. Trong môi trường
phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy hòa tan) biến động liên tục và mạnh là
những tác nhân khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống nổi đối thủy
động vật.

Đặng Thị Thịnh

1


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Từ thực trạng đó, đã có rất nhiều biện pháp được đưa ra để xử lý nước
thải sinh hoạt. Trong đó, biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng biện pháp
sinh học có sử dụng vi sinh vật trong điều kiện thiếu khí và hiếu khí đang
được chú ý nghiên cứu và áp dụng. Nhận thấy được biện pháp trên có nhiều
ưu điểm như: có giá thành vận hành rẻ, thích hợp cho các loại nước thải có độ
ô nhiễm cao, phù hợp với điều kiện ấm nóng của Việt Nam, trong bản khóa luận
này, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý photpho trong nước thải
sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khi - hiếu khí cải tiến”.

Đặng Thị Thịnh

2


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt
1.1.1. khái niệm nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục
đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân… Chúng
thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, phòng thí nghiệm, trường học…
Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào lượng dân số
của khu vực đó. Các trung tâm đô thị thường có lượng nước thải sinh hoạt cao
hơn so với nông thôn. Nước thải sinh hoạt ở các đô thị được thải ra hệ thống
thoát nước còn ở nông thôn không được xử lý mà đổ trực tiếp ra hệ thống
kênh rạch và xả thẳng vào các ao, hồ, sông, ngòi và được tiêu thoát tự nhiên.
1.1.2. Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt
Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại chính: nước đen và
nước xám.
 Nước đen là nước thải từ các nhà vệ sinh chứa phần lớn các chất ô
nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng.
 Nước xám là nước thải phát sinh từ quá trình tắm rửa, cạn bã từ nhà
bếp, các chất rửa trôi, kể cả các chất thải từ nấu nướng…với thành phần các
chất ô nhiễm không đáng kể.
1.1.3. Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường
Các thành phần ô nhiễm chính thường thấy trong nước thải sinh hoạt là
BOD, COD, nitơ và phôtpho. Nước thải sinh hoạt chứa nhiều hợp chất hữu cơ
dễ bị phân hủy sinh học, các chất hữu cơ khó phân hủy, ngoài ra còn có cả
thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ

Đặng Thị Thịnh

3


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein (40% -50 %);
hydratcacbon (40% - 50%)… Chúng chính là tác nhân gây hại của nước thải.
 COD, BOD: sự khoáng hóa, các chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn
oxy và gây thiếu hụt oxy trong nước dẫn tới nguồn tiếp nhận bị ảnh hưởng.
Nếu nước bị ô nhiễm COD và BOD quá mức, điều kiện yếm khí hình thành.
Trong quá trình phân hủy yếm khí sinh ra các khí như: H2S, NH3, CH4… làm
cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường.
 Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền như tiêu chảy, ngộ độc
thức ăn, vàng da, kiết lị…
 Ammoni, photpho: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng.
Nếu nồng độ trong nước quá cao có thể dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa (sự
phát triển bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước thấp
vào ban đêm gây ngạt thở và diệt vong của các vi sinh vật, trong khi đó vào
ban ngày nồng độ oxy lại rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra).
 Màu: gây mất mĩ quan.
 Chất thải lơ lửng: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận gây điều kiện yếm
khí.
 Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt ảnh hưởng đến đời sống của thủy
sinh vật dưới nước.
 Dầu mỡ gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt nước gây
thiếu hụt oxy. Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí hình thành tạo khí
như H2S, Nh3, CH4…gây mùi hôi thối khó chịu cho nước.
1.1.4. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt gây nhiều tác hại đến môi trường cũng như đời
sống con người và sinh vật vì vậy chúng ta cần phải xử lý nước thải sinh hoạt
thật tốt để bảo vệ môi trường cũng như bảo vệ hệ sinh thái đặc biệt là hệ sinh
thái dưới nước. Hiện nay các phương pháp xử lý nước thải phổ biến được

Đặng Thị Thịnh

4


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

dùng nhất là: phương pháp xử lý sinh học, phương pháp xử lý lý học, phương
pháp xử lý hóa học.
 Phương pháp xử lý sinh học
Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh
hoạt là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân
hủy các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải. Các quá trình
xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học chủ yếu có các nhóm
chính: quá trình hiếu khí, quá trình kị khí, quá trình kết hợp khác.
Ví dụ như hệ thống xử lý bằng thực vật nước: lục bình, sậy, tảo…
 Phương pháp xử lý lý học
Xử lý lý học là nhằm loại bỏ các tạp chất không hòa tan chứa trong
nước thải và được thực hiện ở các công trình xử lý như: song chắn rác, bể
lắng cát, bể lắng, bể lọc.
Song chắn rác, lưới chắn rác làm nhiệm vụ giữ lại các chất bẩn kích
thước lớn có nguồn gốc hữu cơ.
Bể lắng, bể lọc giữ lại các tạp chất vô cơ, chất lơ lửng trong nước.
Về nguyên tắc đây là phương pháp xử lý sơ bộ trước khi xử lý tiếp
theo.
 Phương pháp xử lý hóa học
Các phương pháp hóa học dùng trong quá trình xử lý nước thải sinh

hoạt bao gồm: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa, hoặc phản ứng phân hủy
các hợp chất độc hại. Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học
diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào đó. Ưu điểm của phương pháp
hóa học là hiệu quả xử lý cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là
rất tốn kém, không phù hợp áp dụng trên diện rộng.
Chất lượng nước thải sau khi xử lý phải đạt tiêu chuẩn môi trường bảng 1.

Đặng Thị Thịnh

5


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Bảng 1. Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT
Giới hạn cho phép (QCVN
STT

Thông số ô nhiễm

Đơn vị

14:2008)
Mức A

Mức B

-

5-9

5-9

1

pH

2

BOD5 (200C)

mg/l

30

50

3

Tổng chất rắn lơ lửng

mg/l

50

100

4

Tổng chất rắn hòa tan

mg/l

500

1000

5

Sunfua (H2S)

mg/l

1

4

6

Amoni (tính theo nitơ)

mg/l

5

10

7

Nitrat

mg/l

30

50

mg/l

6

10

8

Phosphat ( PO 43 )
(tính theo P)

1.2. Tổng quan về photpho
1.2.1. Định nghĩa
- Photpho (P) là 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 940C, điểm sôi 2780C, không tan trong nước, tan trong dung môi
hữu cơ. Photpho là một chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm, dễ uốn.
- Photpho tồn tại dưới ba dạng thù hình cơ bản: photpho đỏ, photpho
trắng, photpho đen. Trong đó photpho trắng và photpho đỏ là hai dạng tồn tại

chính.
- Tổng lượng photpho trong nước thải sinh hoạt bao gồm ortho
photphat (PO43-), poly photphat (hai phân tử axit ortho photphoric ngưng tụ

Đặng Thị Thịnh

6


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

lại thành một phân tử) và các hợp chất photpho hữu cơ trong đó ortho
photphat luôn chiếm tỉ lệ cao nhất.
- Photphat có thể ở dạng hòa tan hay keo, rắn. Trước khi phân tích cần
xác định dạng tồn tại của photpho để xác định phương pháp phân tích phù hợp.
1.2.2. Vai trò của photpho
- Photpho là một yếu tố cần cho cuộc sống, sinh vật bao gồm cả con
người sở hữu lượng nhỏ nguyên tố này. Photpho rất quan trọng trong quá
trình sản sinh năng lượng của tế bào, tham gia cấu thành tế bào.
- Trong nông nghiệp, photpho khai thác từ các mỏ được sử dụng rộng
rãi để chế biến thành phân bón giúp tăng năng xuất cây trồng.
- Trong công nghiêp photpho được dùng để làm nguyên liệu sản xuất
phân bón, nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất sản xuất axit photphoric
(H3PO4, photpho pentao oxit (P2O5)…
- Ngoài ra photpho còn có rất nhiều vai trò quan trọng khác nữa.
1.2.3. Thực trạng, nguyên nhân ô nhiễm photpho hiện nay
- Thực trạng dư thừa photpho trong nước thải sinh hoạt cũng như trên
các cánh đồng chính là nguyên nhân chính gây nên sự phát triển của tảo, làm

giảm chất lượng của nước. Ô nhiễm photpho làm nguy hiểm cho các vi sinh
vật sống dưới nước, con người và các loài sống phụ thuộc vào nguồn nước
sạch. Trong một số trường hợp dư thừa photpho còn làm cho các loài tảo độc
phát triển gây hại cho con người và vi sinh vật.
- Nguyên nhân gây ô nhiễm photpho trong nước sinh hoạt phát sinh từ:
+ Thất thoát từ phân bón có trong ruộng đất.
+ Chất thải từ người và động vật.
+ Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch.
1.2.4. Ảnh hưởng của photpho tổng

Đặng Thị Thịnh

7


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả
các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất
công nghiệp, nông nghiệp. Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là
thành phần dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm
khá trầm trọng cho môi trường. Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hoá
học vào môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, cũng tương tự như vậy
1 kg photpho sẽ sinh ra được 138 kg COD dưới dạng tảo chết.
Trong nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các
hiện tượng: tảo và thủy thực vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn.
Vào ban ngày hoặc khi nhiều nắng, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh
liệt. Khi quang hợp tảo hấp thụ khí CO2 hoặc bicarbonat (HCO3-) trong nước

và nhả ra khí oxy. pH của nước tăng nhanh, nhất là khi nguồn nước nhận có
độ kiềm thấp (tính đệm thấp do cân bằng của hệ H2CO3 - HCO3- - CO32-), vào
thời điểm cuối buổi chiều, pH của một số ao, hồ giàu dinh dưỡng có thể đạt
giá trị trên 10. Nồng độ oxy tan trong nước thường ở mức siêu bão hoà, có thể
tới 20 mg/l.
Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân huỷ chất
hữu cơ để tạo ra năng lượng, ngược với quá trình quang hợp) xảy ra. Trong
khi hô hấp, tảo thải ra khí CO2, tác nhân làm giảm pH của nước. Vào ban đêm
hoặc những ngày ít nắng, quá trình hô hấp diễn ra mạnh mẽ gây tình trạng
thiếu oxy và làm giảm pH trong nước. Trong các nguồn nước giàu dinh
dưỡng vào buổi sáng sớm, trước lúc bình minh, lượng oxy trong nước hầu
như cạn kiệt và pH có thể thấp hơn 5,5.
Hiện tượng nêu trên được gọi là phú dưỡng - lượng dinh dưỡng cho
thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi trường nước.

Đặng Thị Thịnh

8


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động
liên tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường
không thể sống đối với thuỷ động vật.
Thời gian hay chu kỳ sống của tảo có giới hạn, sau khi phát triển mạnh
(bùng nổ tảo hay còn gọi là nước nở hoa) tảo chết lắng xuống lớp đáy và tiếp
tục bị phân huỷ trong điều kiện yếm khí. Giống loài tảo rất phong phú, trong

đó có loài tảo độc (tiết ra độc tố), trong điều kiện phú dưỡng tỷ lệ thành phần
tảo thường thay đổi theo chiều hướng bất lợi, hình thành nhiều loại tảo độc.
1.3. Tổng quan về công nghệ xử lý photpho trong nước 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 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.

Đặng Thị Thịnh

9


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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 sung
hoặc vận hành hợp lý một tổ hợp đã tồn tại nhằm mục đích tách loại thêm 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.
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 + 1,2CO2 +
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.

Đặng Thị Thịnh

10


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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 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.

Đặng Thị Thịnh

11


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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. KAx 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 2 ghi các giá trị động học quá trình xử lý photpho bằng phương
pháp vi sinh.

Đặng Thị Thịnh

12


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Bảng 2. Thông số động học của vi sinh vật tích lũy photpho, 20oC
Thông số

Ký
hiệu

Đơn vị

Giá trị

Hằng số phát triển cực đại

m,P

d-1

1–2

Hiệu suất sinh khối cực đại,

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–

axit axetic
Hiệu suất sinh khối cực đại,
axit axetic
Hiệu suất sinh khối cực đại,
axit axetic
Hằng số bán bão hòa, hấp

0,10
KAx

g Ax/m3

2–6

KP

g P/m3

0,1 – 0,5

kAx

gCOD(Ax)/g

0,5 – 2

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 khí giúp cho quá trình chọn lọc, làm giàu loại vi sinh tích

Đặng Thị Thịnh

13


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

lũy photphat hoạt động trong giai đoạn hiếu khí sau đó. Sự có mặt của nitrat
gây ra hai tác động: sử dụng cạnh tranh nguồn cơ chất dễ sinh hủy giữa vi
sinh Denitrifier và bio - P (1,26 mol axit axetic/mol NO3-), làm thay đổi cơ
chế trao đổi chất của bio - P dẫn đến mất khả năng tích lũy photphat trùng
ngưng.
1.3.2. Tách loại photpho trong công nghệ xử lý nước thải
Dựa trên nguyên tắc hoạt động của vi sinh vật bio – P, quá trình tách
loại photpho trong một hệ thống xử lý nước thải có thể thực hiện phối hợp với
oxy hóa BOD, với khử hợp chất nitơ theo các phương án kỹ thuật khác nhau.
Quá trình AO
Quá trình AO là sơ đồ phối hợp xử lý yếm khí (anaerobic) và hiếu khí
(oxic) được bố trí thể hiện trên (hình 1):
Yếm khí

Hiếu khí

Bùn thải
Hình 1. Quá trình xử lý photpho AO
Bùn từ bể lắng thứ cấp được bơm trở lại trộn với dòng thải tại đầu vào.
Trong quá trình xử lý yếm khí, photphat được tách ra khỏi vi sinh vật từ dòng
bùn hồi lưu dưới dạng photphat đơn. Một phần chất hữu cơ cũng được xử lý
tại đây bởi các quá trình lên men yếm khí, khử nitrat và do vi sinh bio – P hấp
thu. Trong quá trình xử lý hiếu khí, photphat đơn được vi sinh sử dụng để
tổng hợp tế bào và được tích lũy bởi loại vi sinh bio – P. Sinh khối lắng trong
bể thứ cấp chứa hàm lượng photpho cao được tách loại photpho trong quá
trình AO phụ thuộc vào tỉ lệ BOD:P, nếu tỉ lệ trên lớn hơn 10, hiệu quả tách
loại tốt, nếu tỉ lệ trên thấp có thể bổ xung thêm muối sắt, nhôm để giảm nồng

Đặng Thị Thịnh

14


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

độ photpho tại đầu ra. Quá trình AO là quá trình tách loại photpho trực tiếp,
không ghép thêm công đoạn tách phụ vào hệ xử lý nước thải thông dụng.
Trong trường hợp nước thải chứa hợp chất nitơ, hệ trên cũng có tác dụng xử
lý, tuy nhiên cần phải tính toán đủ thời gian lưu cho giai đoạn hiếu khí để oxy
hóa amoni.
Quá trình Phostrip
Phostrip là quá trình tách loại photpho có ghép thêm công đoạn phụ để
kết tủa photphat tan sau khi xử lý yếm khí như (hình 2):
Hiếu khí

Bùn thải
Yếm khí

Nước sau xử lý yếm khí
Nước sau
kết tủa Kết tủa hóa học

Hóa chất

Bùn thải

Hình 2. Sơ đồ phostrip tách loại photpho
Trong sơ đồ công nghệ Phostrip, một phần bùn thải từ bể lắng thứ cấp
được đưa vào xử lý yếm khí với thời gian lưu thủy lực từ 8 - 12 giờ. Photphat
đơn tách ra từ xử lý yếm khí tan trong nước, phần nước này được tách ra để
kết tủa với hóa chất. Sinh khối sau khi tách photpho được đưa về cùng với
sinh khối từ bể lắng thứ cấp hòa trộn với dòng vào để xử lý hiếu khí.
Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn
Sử dụng kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn cũng có thể tách loại đồng thời
BOD, hợp chất nitơ, photpho bằng cách thay đổi thời gian vận hành đối với

Đặng Thị Thịnh

15


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

từng chu kỳ. Trong giai đoạn sục khí xảy ra các quá trình oxy hóa BOD,
amoni và tích lũy photpho. Trong giai đoạn khuấy trộn xảy ra quá trình khử
nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối. Tách photpho ra khỏi nước thải có
thể thực hiện với hóa chất hay trực tiếp (ngay sau xử lý hiếu khí). Để khử
nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối cần bổ xung thêm BOD hoặc sử dụng
chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh.
Quá trình AAO
AAO là một biến hình công nghệ của sơ đồ AO bao gồm các công đoạn
xử lý yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic), trong đó
giai đoạn xử lý thiếu khí dành cho quá trình khử nitrat với thời gian lưu thủy
lực khoảng một giờ. Khoảng xử lý thiếu khí được bổ xung nitrat, nitrit từ bể

hiếu khí (quay vòng), bùn từ bể lắng thứ cấp được hồi lưu về bể yếm khí. Sơ
đồ AAO có khả năng xử lý đồng thời hợp chất nitơ và photpho.
Quá trình Bardenpho năm giai đoạn
Quá trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho. Giai
đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho. Giai đoạn xử lý thiếu
khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu
cơ phân hủy nội sinh. Bể hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ
hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phần amoni, BOD dư và để hạn chế
quá trình tách loại photpho từ vi sinh trong bể lắng thứ cấp. Hỗn hợp bùn - vi
sinh được quay vòng từ bể hiếu khí đầu về bề thiếu khí thứ nhất. So với AAO
thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn (10 - 40 ngày).
Quá trình UCT
UCT là tên viết tắt của University of Cape Town, nơi thiết lập sơ đồ
công nghệ xử lý có khả năng đồng thời loại bỏ BOD, hợp chất nitơ và
photpho. Sơ đồ UCT tương tự sơ đồ công nghệ AAO, tuy vậy có hai điểm

Đặng Thị Thịnh

16


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

khác biệt: vi sinh được quay vòng về bể xử lý thiếu khí và có hai vòng quay
hỗn hợp nước – bùn nội bộ từ thiếu khí về hiếu khí và từ thiếu khí về yếm khí.
Quay vòng bùn từ bể lắng về bể thiếu khí sẽ hạn chế được sự có mặt
của nitrat trong bể yếm khí, thúc đẩy quá trình tách photpho từ vi sinh trong
giai đoạn yếm khí. Hai chu trình nội bộ giúp tăng cường khả năng xử lý chất

hữu cơ.
Chất hữu cơ có trong dòng quay vòng từ bể xử lý thiếu khí là loại dễ
sinh hủy và hàm lượng nitrat trong đó thấp vì vậy thích hợp cho quá trình tách
photpho từ vi sinh vật. Dòng quay vòng nội bộ thứ hai và bùn từ bể lắng thứ
cấp có tác dụng khử nitrat.
Quá trình VIP
VIP là tên viết tắt của Virginia Initiative Plant in Norfork, Virginia)
tương tự như AAO và UCT, điểm khác biệt là chu trình quay vòng bùn và
hỗn hợp bùn – nước (hình 3. d). Bùn từ bể lắng cùng với hỗn hợp bùn nước từ
bể hiếu khí được đưa về bể xử lý thiếu khí, còn hỗn hợp bùn – nước từ bể
thiếu khí được quay vòng về bể yếm khí. Do một phần chất hữu cơ của dòng
vào được xử lý qua hai giai đoạn yếm khí và thiếu khí nên tiết kiệm được
lượng oxy tiêu thụ tại bể hiếu khí.

Đặng Thị Thịnh

17


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Yếm khí

Thiếu khí

Hiếu khí
Bùn thải

a

Yếm
khí

Thiếu
khí

Hiếu
khí

Thiếu
khí

Hiếu
khí

Bùn thải
b
Yếm
khí

Thiếu
khí

Thiếu
khí

Hiếu
khí

Bùn thải

c

Yếm
khí

Thiếu
khí

Hiếu
khí

Bùn thải
d
Hình 3. Sơ đồ xử lý nitơ, photpho: a) AAO; b) Bardenpho
năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình VIP

Đặng Thị Thịnh

18


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Đặc thù của quá trình xử lý photpho
Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý
hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ bùn. Dòng bùn quay vòng cùng với nước

thải được đưa về bể xử lý yếm khí. Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế
tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí. Trong môi trường yếm khí, nơi
giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu
cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí
chúng tích lũy photphat tan trong nước thải. Do thay đổi về điều kiện cơ chất
từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên bề yếm khí còn đóng vai trò của bể chọn
lọc vi sinh: thúc đẩy sự phát triển của vi sinh tích lũy photpho và hạn chế vi
sinh dạng sợi phát triển, tạo điều kiện lắng bùn tốt hơn trong bể lắng thứ cấp.
Thông thường thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí có ảnh hưởng
không lớn lắm đến quá trình giải phóng photpho, quá trình này chủ yếu phụ
thuộc vào đặc trưng của nước thải và các thông số vận hành: bản chất và nồng
độ chất hữu cơ, oxy hòa tan, nitrat, pH, nhiệt độ. Vì lý do đó, thiết kế hệ xử lý
photpho đạt hiệu quả cao là việc không dễ dàng. Trong thiết kế cũng phải đảm
bảo cho yếu tố và điều kiện vận hành sao cho điều kiện yếm khí được duy trì,
ví dụ giảm lượng oxy hòa tan từ dòng vào và từ dòng hồi lưu bùn. Quá trình
giải phóng photpho cũng xảy ra trong bể lắng và cũng cần được hạn chế khi
quay vòng bùn. Do biến động của nhiều yếu tố nên hệ xử lý được thiết kế rất
cần yếu tố linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu.
Mục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ
trong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn
lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải. Hệ xử lý photpho
có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động
nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc thiết kế đòi hỏi gọn, ít
thay đổi cơ cấu của hệ cũ. Ví dụ với hệ xử lý bùn hoạt tính theo kỹ thuật dòng

Đặng Thị Thịnh

19

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

lý tưởng khi chuyển đổi một phần thể tích bể sang chế độ hoạt động yếm khí
thì có thể xây dựng vách ngăn để tách riêng hai vùng, ngăn chặn sự lưu thông
ngược lại từ vùng hiếu khí sang yếm khí. Tất nhiên, ngay trong vùng yếm khí
cũng cần được khuấy trộn để tạo điều kiện cho sinh khối ở trạng thái lơ lửng.
Hệ được bố trí như vậy kèm thêm các điều kiện khác như cấp đầy đủ chất hữu
cơ thích hợp, kiểm soát được oxy hòa tan, nitrat, nitrit thì hệ sẽ hoạt động có
hiệu quả.
Một số mô hình có thể sử dụng để tính toán thiết kế hệ xử lý photpho:
ASM2, ASM2d (IWA 1994, 2000) hoặc EAWAG Bio - P module (phiên bản
của ASM3), mô hình kinh nghiệm.
Để có thể thiết kế hiệu quả một hệ thống xử lý photpho, yếu tố cực kỳ
quan trọng là đánh giá đầy đủ các đặc trưng của nước thải cần xử lý, đặc biệt
là nguồn chất hữu cơ trong đó mà vi sinh vật có thể hấp thu trong môi trường
yếm khí.
Để hệ xử lý photpho hoạt động có hiệu quả cần đáp ứng các điều kiện:
- Điều kiện môi trường yếm khí, hiếu khí kế tiếp nhau.
- Đủ lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể
hấp thu.
- Lượng photpho trong nước thải cao hơn mức nhu cầu tổng hợp tế bào
vi sinh.
- Đủ hàm lượng kali và magie.
- Vùng pH thích hợp.
Đó là các điều kiện để vi sinh vật PAO phát triển trong môi trường yếm
khí, tất nhiên để đạt tới mức độ ổn định về mật độ vi sinh vật cần có thời gian.
Dòng hồi lưu bùn từ bể lắng thứ cấp về bể yếm khí cần được hòa trộn liên tục
với dòng đầu vào. Sau một thời gian nhất định, mật độ vi sinh PAO phát triển

đạt mức cực đại.

Đặng Thị Thịnh

20