Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng thiết bị S46 của hãng SludgeHammer

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
•__

NGUYỄN ĐÌNH ĐÔNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG
NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG THIÉT
BỊ S46 CỦA HÃNG SLUDGEHAMER

KHOÁ LUÂN
TỐT NGHIÊP
ĐAI
HOC
•
•
•
•
Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trường
Người hướng dẫn khoa học
ThS. LÊ CAO KHẢI

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt khoá 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 Mồi trường Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn ThS. Lê Cao Khải đã dành

thời gian, tâm huyết để hướng dẫn em thực hiện tốt khoá luận tốt nghiệp.
Đồng thòi em xin cảm ơn các thầy cô trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, đặc
biệt là các thầy, cô đã giảng dạy và hướng dẫn em trong thòi gian em học ở
trường.
Em xin cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường và các thầy, cô trong Khoa Hoá
học đã tạo điều kiện tốt nhất để em học tập và hoàn thiện tốt khoá học.
Em xin cảm ơn các thầy, cô, các anh, chị 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 khoá luận.
Em đã hoàn thành khoá luận tốt nghiệp theo đúng tiến độ của nhà trường đề
ra vói cố gắng và sự nhiệt tình của bản thân, tuy nhiên em không tránh khỏi
những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy, cô và các
bạn để khoá luận tốt nghiệp được hoàn thiện tốt hơn.

Hà Nội, ngày 6 tháng 5 năm 2016
Sinh viên

Nguyễn Đình Đông


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................4
1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt.............................................................4
1.1.1. Nguồn gốc nước thải sinh hoạt............................................................4
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt...............................................4

1.1.3. Phân loại nước thải sinh hoạt................................................................5
1.1.4. Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt..................................5
1.2. Tổng quan về nitơ trong nước thải sinh hoạt............................................ 8
1.2.1. Trạng thái tồn tại của nitơ trong nước thải........................................... 8
1.2.2. Tác hại của ô nhiễm nitơ đối với mồi trường.......................................9
1.2.3. Tác hại của nitơ đối vói quá trình xử lý nước..................................... 10
1.3. Tổng quan về xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt.................................10
1.3.1. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt...................... 10
1.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước............ 13
1.3.3. Các phương pháp xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong nước.... 17
1.3.3.1. Phương pháp lọc sinh học thiếu khí - hiếu khí............................. 17
1.3.3.2. Phương pháp SBR.......................................................................... 19
1.3.3.3. Phương pháp mương oxi hóa........................................................20
CHƯƠNG 2 . ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀPHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
22


2.1. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................22
2.2. Mục đích nhiên cứu.................................................................................22
2.3. Nội dung nghiên cứu...............................................................................22
2.4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................22
2.4.1. Phương pháp tài liệu kế thừa..............................................................22
2.4.2. Phương pháp phân tích

...............................................................22

2.4.3. Phương pháp thực nghiệm..................................................................23
2.4.3.1. Mô hình thực nghiệm.....................................................................23
2.4.3.2. Hệ thống thiết bị trong thực tế .......................................................25
2.4.3.3. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý của hệ nghiên cứu............ 25

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN.........................................................26
3.1. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ......................................................................26
3.2. Hiệu quả xử lý nitơ, photpho...................................................................27
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý nitơ.............................. 27
3.2.2. Anh hưởng của thời gian đến hàm lượng NO3'...................................28
3.2.3. Anh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý photpho........................ 30
KẾT LUẬN.....................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................32
PHỤ LỤC........................................................................................................33


DANH MUC HÌNH
m

Hình 1. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm....................................................24
Hình 2. Thiết bị S46 của hãng SludgeHammer.............................................25
Hình 3. Hình ảnh trên thực tế của hệ thống xử lý..........................................25
Hình 4. Anh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý chất hữu c ơ ...............26
Hình 5. Anh hưởng thòi gian xử lý đến đến hiệu quả xử lí nitơ....................27
Hình 6. Anh hưởng của thời gian xử lý đến sự tăng nồng độ NƠ3................29
Hình 7. Anh hưởng thòi gian xử lý đến đến hiệu quả xử lí photpho.............30


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Các thông số ô nhiễm chính của nước thải sinh hoạt.........................7
Bảng 2. Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt... 8
Bảng 3. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải....................................11
Bảng 4. Anh hưởng của thòi gian xử lý đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ,
nitơ, photpho................................................................................................. 33

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD (Biochemical Oxigen Demand)

Nhu cầu oxi sinh hóa

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

COD (Chemical Oxigen Demand)

Nhu cầu oxi hóa học

DO

Oxi hòa tan

SBR (sequencing batch reactor)

Bể phản ứng theo mẻ

NTSH

Nước thải sinh hoạt

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SS

Chất rắn lơ lửng

vsv

Vi sinh vật

XLNT

Xử lý nước thải

h

Giờ


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

MỞ ĐÀU
> Lý do chọn đề tài
Điều kiện kinh tế - xã hội phát triển, mức sống của con người được nâng cao
dẫn đến lượng nước thải sinh hoạt thải ra môi trường ngày một tăng. Cùng với
nước thải do hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, nước thải sinh hoạt - nước đã
nhiễm bẩn trong quá trình con người sinh hoạt được ròi khỏi khu vực đang sử
dụng về nguồn nhận như ao, hồ, sông, biển. Trong khi dịch chuyển một số chất
độc hại sẽ ngấm vào đất làm ô nhiễm môi trường đất tạo ra môi trường nước

ngầm có chứa các chất độc hại. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường là các chất có
khả năng chuyển hóa thành các chất khác nhau và các chất bền tác động đến cân
bằng sinh thái trong môi trường nước nhận.
Hợp chất hữu cơ giàu thành phần cacbon có khả năng sinh hủy (BOD) khi
tồn tại trong nước với nồng độ lớn là nguồn cơ chất cho các loại vi sinh vật phát
triển. Với các loại vi sinh vật hiếu khí, trong quá trinh phát triển và hoạt động
chúng tiêu thụ một lượng oxi hòa tan khá lớn, với mật độ cao sẽ gây đục nước và
khi chết chúng lắng xuống lớp bùn đáy. Trong điều kiện thiếu khí các loại vi sinh
vật yếm khí phát triển, tạo ra nhiều dạng họp chất có mùi hôi (các chất có tính
khử cao như H2S, metan, axit hữu cơ dễ bay hơi) đầu độc môi trường nước và
không khí vùng xung quanh. Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự
sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan với sự sống và trong rất nhiều
ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Họp chất hóa học như 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
họp chất hóa 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 dưói dạng tảo chết. Trong
nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo

1


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

và các thủy vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn gây ra hiện tượng
phú dưỡng - lượng dinh dưỡng cho thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi
trường nước. Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxi hòa tan)
biến động liên tục và mạnh mẽ là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi

trường không thể sống đối với thủy động vật từ đó gây ồ nhiễm mồi trường
nước.
Hàm lượng cho phép của các thành phần dinh dưỡng N, p được quy định khá
ngặt nghèo trong tiêu chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như của Việt Nam. Vì
vậy, trong xử lý nước thải ngoài việc xử lý các thành ô nhiễm hữu cơ BOD,
COD,

ss việc xử lý các thành phần dinh dưỡng N, p cũng là yêu cầu rất quan

trọng. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam quy định cho các loại nước thải này cũng
tương đối sát so với các nước tiên tiến trên thế giới và trong khu vực, nhưng thực
tế do nhiều lý do như công nghệ phức tạp, chi phí đầu tư cao,... mà việc xử lý
các thành phần N, p hầu như chưa được quan tâm. Các nghiên cứu về các quá
trình xử lý N, p trong nước thải hầu như còn rất ít.
Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nitơ gồm phương pháp hóa học,
phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. Trong các phương pháp trên, việc
áp dụng các quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa họp chất nitơ là vấn đề
cần được chú ý và đẩy mạnh hơn nữa. Đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ
yếu là vi khuẩn để phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tạo ra các sản
phẩm không có hại như cacbonic, nước và các chất vô cơ khác, do vậy là phương
pháp tiết kiệm chi phí và thân thiện với mồi trường. Bằng nhiều công trình
nghiên cứu chúng ta đã có rất nhiều hệ thống đem vào vận hành để xử lý nitơ
trong nước đem lại hiệu quả cao. Thiết bị S46 của hãng Sludgehammer là thiết bị
hàng đầu trong việc xử lý nước thải sinh hoạt đặc biệt là nước thải sau bể

2


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

phốt.Với hệ thống vận hành đơn giản, chi phí lắp đặt ít tốn kém mà lại cho hiệu
suất cao nên chúng tôi quyết định sử dụng thiết bị S46 để nghiên cứu xử lý nitơ
trong nước thải sinh hoạt. Xuất phát từ lý do đó tôi chọn đề tài:
“Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng thiết bị S46 của hãng
SludgeHammer” làm đề tài nghiên cứu.

3


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1.

Tồng quan về nước 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 - 160 líưngười/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. NTSH 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 thường

được tiêu thoát tự nhiên vào các ao, hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm.
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt
Tốc độ phát triển kinh tế cao, bên cạnh việc mang lại những lợi ích to lớn
như cải thiện mức sống của người dân và tiềm lực cho đất nước, cũng có tác
động nặng nề đến chất lượng môi trường. Trong đó, ồ nhiễm do nước thải sinh
hoạt và công nghiệp là một trong những vấn đề nhức nhối nhất. Ở nước ta hiện
nay, phần lớn nước thải sinh hoạt được xả trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm
nghiêm trọng nguồn nước mặt, nước ngầm. Theo một số nghiên cứu đánh giá
(Cục Kiểm soát ô nhiễm - Tổng cục môi trường, 2010; World Bank, 2009) thì
chỉ có 10% lượng nước thải đô thị được xử lí. Năng lực xử lí nước thải của Việt
Nam chỉ đáp ứng ở mức rất thấp so vói nhu cầu thực tế.
Mức độ ô nhiễm nước đang ngày càng gia tăng do không kiểm soát nguồn
gây ô nhiễm hiệu quả. Tình trạng này đang gây ra những ảnh hưởng đến sức
khỏe của con người, làm tăng nguy cơ ung thư, sảy thai và dị tật bẩm sinh, dẫn

4


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

đến suy giảm nòi giống. Tại một số địa phương của Việt Nam, khi nghiên cứu
các trường họp ung thư, viêm nhiễm ở phụ nữ cho thấy 40 - 50% là do sử dụng
nguồn nước ô nhiễm. Theo thống kê và đánh giá của Bộ Y tế và Bộ Tài Nguyên
môi trường trung bình mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong vì
nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém và gần 200.000 trường hợp mắc bệnh ung
thư mói phát hiện, mà một trong những nguyên nhân chính là sử dụng nguồn
nước ô nhiễm. Báo cáo khảo sát ô nhiễm môi trường nước của Trung tâm Quan
trắc môi trường Quốc gia - Tổng cục Môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường)

cũng cho thấy hiện trạng môi trường nước nhiều nơi bị ô nhiễm nghiêm trọng.
Miền Bắc tập trung đông dân cư (đặc biệt là Đồng bằng sông Hồng) lượng nước
thải đô thị lớn hầu hết của các thành phố đều chưa được xử lý và xả trực tiếp vào
các kênh mương và chảy thẳng ra sông.
1.1.3. Phân loai
• nước thải sinh hoat
•
Thông thường nước thải sinh hoạt được chia làm hai 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: lá nước phát sinh từ quá trình tắm, rửa, giặt vói thành phần các
chất ô nhiễm không đáng kể.
1.1.4. Thành phần và đặc tính của 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 các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công
trình công cộng khác. Lượng nước thải sinh họat của khu dân cư phụ thuộc vào
dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Thành
phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

5


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

- Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh.
- Nước thải nhiễm bẫn do các chất thải sinh họat: cặn bã từ nhà bếp, các chất

rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà. Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ
dễ bị phân hủy sinh học, ngoài ra còn có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi
trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao
gồm các hợp chất như protein (40 - 50%); hydrat cacbon (40 - 50%); và các chất
béo (5 - 10%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong
khoảng 150 - 450 mg/1 theo trọng lượng khô. Có khoảng 20 - 40% chất hữu cơ
khó phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp
kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn
gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Lượng nước thải sinh hoạt dao động
trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và các thói quen của người dân,
có thể ước tính bằng 80% lượng nước được cấp.
Trong nước thải sinh hoạt, ngoài chất hữu cơ còn chứa N và p, nếu không
được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng làm cho
nguồn nước trở nên ô nhiễm. Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thải
sinh hoạt, đặc biệt là trong phân, đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi
các vi sinh vật có trong phân. Vi sinh vật gây bệnh từ nước thải có khả năng lây
lan qua nhiều nguồn khác nhau, qua tiếp xúc trực tiếp, qua môi trường (đất,
nước, không khí, cây trồng, vật nuôi, côn trùng,...), thâm nhập vào cơ thể người
qua đường thức ăn, nước uống, hô hấp,...và sau đó có thể gây bệnh. Vi sinh vật
gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào
và giun sán. Vói thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác
nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những họp chất tan
trong nước, việc xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch
nước và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng.

6


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Tại các đô thị lớn của nước ta, hệ thống thu gom và thoát nước được xây
dựng chủ yếu từ thòi Pháp thuộc. Các đường ống nước thải và nước mưa đều
chung nhau, điều này gây khó khăn rất lớn đến việc thu gom và xử lý nước thải
sinh hoạt. Ngoài những nguyên nhân do vấn đề lịch sử mà còn do sự quy hoạch
dân cư chưa họp lý nên nước thải sinh hoạt phát sinh phân tán nhỏ lẻ từ các hộ
dân cư không được xử lý chảy ra các sông hồ mà còn do hiện nay vẫn còn thiếu
các hệ thống xử lý nước thải với quy mô nhỏ, gọn, chi phí vận hành họp lý.
Bảng 1. Các thông số ô nhiễm chính của nước thải sinh hoạt
STT

Thông số

Giá tri• điển hình
6,2 - 8,1

2

COD, mg/1

150-300

3

BOD5, mg/1

10 0 -20 0

4

Chất rắn lơ lửng, mg/1

150-300

5

T-N, mg/1

2 0 -3 0

6

T-P, mg/1

6 -2 4

7

Tổng Coliform, MNP/100 ml

r-0

pH

0

1

Có thể thấy rằng, trong nước thải sinh hoạt có cả những chất dễ phân giải vi

sinh như các chất hữu cơ cần nhiều oxi để các loài vi sinh phân giải được thể
hiện ở chỉ tiêu BOD5 không nhỏ. Giá trị BOD5 của nước thải đều vượt giói hạn
của QCVN 14:2008/BTNMT cho phép từ 4 đến 7 lần (200 - 350 mg/1). Mặt
khác các thông số T - N, T - p, tổng Coliíòrm đều vượt quy chuẩn thải cho phép.
Nước thải sinh hoạt mặc dù hàm lượng ô nhiễm không cao như các loại nước

7


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

thải đặc thù khác nhưng khối lượng nước thải thải ra môi trường lớn, dẫn đến tải
lượng ô nhiễm rất lớn.
1.2.

Tồng quan về nitơ trong nước thải sinh hoạt

1.2.1. Trạng thái tồn tại của nitơ trong nước thải
Trong nước thải, các họp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu
cơ, amoni và các họp chất dạng oxy hoá (nitrit và nitrat). 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 người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước
tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số. Trong số đó nitơ trong urê là 0,7g, còn
lại là các loại nitơ khác.
Bảng 2. Các chỉ tiêu trung bình các họp chất nỉtơ trong nước thải sinh hoạt
Trung bình (mg/1)

Chỉ tiêu

Tổng nitơ

40

- Nitơ hữu cơ

15

- Nitơ amoni

25

- Nitơ nitrit

0.05

- Nitơ nitrat

0.2

Tổng photpho

8

Nitrit (NƠ2'): là sản phẩm trung gian của quá trinh oxy hóa amoniac hoặc
nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó
nitrit hình thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa thành nitrat. Nitrit là
chất không bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử nitrat trong điều
kiện yếm khí.

8


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Nitrat (NO3'): là dạng họp chất nitơ có hóa tri cao nhất và có nguồn gốc
chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực
phẩm, hóa chất,... chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông, hồ
chúng tiếp tục bị nitrat hóa, tạo thành nitrat.
Nitrat hóa là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ
chứa nitơ. Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý
nước thải bằng phương pháp sinh học.
Mặt khác, quá trình nitrat hóa còn tạo nên sự tích lũy oxi trong họp chất nitơ
để cho các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxi hòa tan
trong nước rất ít hoặc bị hết.
Khi thiếu oxi và tồn tại nitrat hóa sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách oxi khỏi
nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ khác.
Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hóa (vi khuẩn yếm
khí tùy tiện). Trong điều kiện không có oxi tự do mà môi trường vẫn còn chất
hữu cơ, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxi các chất hữu cơ.
4NO3' + 4H+ + 5Chữucơ --------> 5CO2 + 2N 2 + 2H2O

1.2.2. Tác hại của ô nhiễm nỉtơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh
dưỡng. Do vậy, nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du
như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxi trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất
lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất
độc trong nước như NIỈ4+, H2S, C 02, CH4,... tiêu diệt nhiều loại 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 H2S. Hiện tượng này tác

9


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

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.
1.2.3. Tác hại của nitơ đối với quá trình x ử lý nước
Sự có mặt của nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu
quả làm việc của các công trình. Mặt khác, nó có thể kết hợp với các loại hoá
chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người. Với đặc tính
như vậy việc xử lý nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề đáng được
nghiên cứu và ứng dụng, vấn đề này đã được các nhà nghiên cứu, các học giả đi
sâu tìm hiểu.
1.3.

Tồng quan về xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

1.3.1. Các phương pháp x ử lý nỉtơ trong nước thải sinh hoạt
Đã có nhiều phương pháp, nhiều công trình xử lý nitơ trong nước thải được
nghiên cứu và đưa vào vận hành trong đó có các phương pháp sau:
+ Phương pháp vật lý: sử dụng chủ yếu để tách loại các thành phần ô nhiễm
ra khỏi nước thải, ít làm thay đổi bản chất hóa học của chất ô nhiễm, gồm 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 amoniac trong mồi trường kiềm, xử lý
nitơ tồn tại dạng NĨỈ4+,...
+ Phương pháp hóa học: oxy hóa bằng các chất oxy hóa gốc clo, đông tụ hóa
học, trao đổi ion chọn lọc vói NO3',...
+ 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 duy trì trong các điều kiện yếm khí (không có
oxi) thiếu khí và hiếu khí.

10


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Bảng 3. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải

Hiệu suất xử lý nitơ (%)

Các phương
pháp xử lý

Nito dạng hữu
cơ

Hiêu suất

NH3 - NH4+

NO3

xử lý %

0

5 - 10%

Xử] ý thông thường
Bậc I

10 - 20 %

0

Bậc II

15-20%

< 10 %

Hiệu suất
thấp

10 - 30%

Xử lý bằng phương pháp sinh học
Vi khuẩn hấp

thụ nitơ
Quá trình khử
nitrat

40 - 70%

0

0

80 - 90%

Thu hoạch sinh

Thu hoạch

khối

sinh khối

Chủ yếu chuyển
Thu hoạch tảo

hóa thành NH3 NH4+

Quá trình

Xử lý có giới

Chuyển hóa

nitrat hóa

hạn

thành nitrat

Chủ yếu chuyển
Hồ oxi hóa

Hiệu suất

0

hóa thành NH3-

thấp

0

30 - 70%

70 - 95%

50 - 80%

5 - 20%

Tách bằng
Xử lý bởi quá

các quá trình

trình làm thoáng

nitrat và khử

n h 4+

20 - 29%

nitrat

Các phương pháp hóa học
Châm clo

Kém ổn định

90 - 100%

0

80 - 95%

Đông tụ hóa

50 - 70%

Hiệu suất thấp

Hiệu suất

20 - 30%

11


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

học
Cacbon dính
bám
Trao đổi ion
có chọn lọc
vói amoni

thấp
30 - 35%

Hiệu suất thấp,
kém ổn định

Hiệu suất thấp

Hiệu suất
thấp

10 - 20%

80 - 97%

0

70 - 95%

Hiệu suất thấp

75 - 90%

70 - 90%

Trao đổi ion
có chọn lọc

Hiệu suất thấp

vói nitrat
Các phương pháp vật lý
Lọc

30 - 95% N
dạng cặn hữu cơ

Làm thoáng

0

Kết tủa bằng

100% N dạng

điện cực

cặn hữu cơ

Thẩm thấu
ngược

60 - 90%

Hiệu suất thấp

Hiệu suất
thấp

20 - 40%

60 - 95%

0

50 - 90%

30 - 50%

30 - 50%

40 - 50%

60 - 90%

60 - 90%

80 - 90%

12


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

1.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình sinh học xử lý nìtơ trong nước
Phương pháp sinh học xử lý nitơ trong nước thải được thực hiện qua hai quá
trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá. Trong đó, quá trình nitrat hoá
chuyển hoá amoni thành nitrat, còn quá trình khử nitrat chuyển hoá nitrat thành
nitơ tự do N2.
❖

Quá trình nỉtrat hoá
- Vi sinh vật và điều kiện của quá trình nỉtrat hoá
Yi sinh vật của quá trình nitrat hoá thuộc hai nhổm vi sinh vật: Nitrosomonas

và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hoá năng vì chúng nhận được năng
lượng cho sự sinh trưởng và tổng họp tế bào phần lớn là từ quá trình oxy hoá các
hợp chất cacbon vô cơ (HCO3' là chính) và nitơ vô cơ. Ngoài ra chúng tiêu thụ
mạnh oxi (vi khuẩn hiếu khí).
Cả hai nhóm vi sinh vật này đều có những yêu cầu khá đặc trưng đối với các

các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxi hoà tan (DO); và chúng có tốc độ
tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so vói vi khuẩn dị dưỡng. Nỉtrosomonas chỉ
có thể oxy hoá NIỈ4+ thành NO2', sau đó Nỉtrobacter làm chức năng chuyển hoá
NO2 thành NO3 .
- Cơ chế của quá trình nitrat hoá
Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật được
viết như sau:
NH4+ + 1,502
NO2 + 0,502

Nitrosomonas

- + 2H+ + H20

Nitrobacter

(

1. 1)

( 1. 2)

Phương trình tổng:
NH4+ + 2 0 2

vsv

+ H20

13

(1.3)


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Như vậy, 1 mol NIỈ4+ tiêu thụ 2 mol Ơ2 hay 1 g N - NĨỈ4+ tiêu thụ 4,57 g O2,
1 mol NH4+ tạo thành 1 mol NO3', 1 mol NIỈ4+ tạo thành 2 mol H+. Lượng H+
tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3', như vậy lg N - NIỈ4+ tiêu thụ 7,14 g độ
kiềm (quy về CaCƠ3). Các phương trình (1.2 và 1.3) không tính đến quá trình
sinh tổng hợp.
Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn) ta có:
1,02NH4+ + 1,8902 + 2,02HCO3- - vsv

Ì 7O2N + IOONO3- +

+ 1,92H2C03 + IO 6H2O

(1.4)

Như vậy, 1 gam N - NIỈ4+ tiêu thụ 4,3 g O2, 1 g N - NIỈ4+ tiêu thụ 7,2 g độ
kiềm (quy về CaCƠ3).
Từ phương trình (1.4) ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá trình nitrat hoá
là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hoá.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá
+ Ảnh hưởng của pH tới quá trình nitrat hoá
Thực nghiệm cho thấy pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình nitrat hoá. Nghiên
cứu của Grady và Lim cho thấy vi khuẩn nitrat hoá rất nhạy cảm với pH, đối với

Nitrosomonas có dải pH tối thích từ 7,0 đến 8,0. Và đối vói Nitrobacter là từ 7,5
đến 8,0. Nhưng bên cạnh đó nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho
thấy một số loài có thể thích họp ở mức pH > 9. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho
rằng khoảng pH thích họp cho quá trình nitrat hoá là pH = 7,0 - 8,5; tối ưu là
xung quanh giá tri pH = 8.
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình nỉtrat hoá
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của quá trình nitrat hoá. Tốc độ
tăng trưởng tế bào tăng khi tăng nhiệt độ đến giá trị giới hạn khoảng 35°c. Nếu
nhiệt độ quá cao (> 35°C) sẽ làm giảm hoạt tính của vi sinh, gây ức chế hoạt

14


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

động và có khi gây chết vi sinh vật. Khoảng nhiệt độ có thể ứng dụng được là 5 -

35°c, khoảng tối ưu là 30 - 35°c.
+ Ảnh hưởng của các chất độc tới sự phát triển của vi khuẩn nitrat hoá
So vói các vi khuẩn dị dưỡng, các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá nhạy cảm với
nhiều kim loại nặng và hóa chất. Một số chất có thể gây độc cho Nỉtrosomonas
như: aniline, athylenediamine, hexamethylenediamine và monoethanolamin.
+ Ảnh hưởng của nồng độ NH.4 +tới quá trình nitrat hoá.
Turk,

o., và Mavinic, D .s.

(1986) đã chỉ ra rằng các quá trình oxy hoá nitrit

bị ức chế khi nồng độ NH3 đạt 0,1-1 mg/1 và ở nồng độ NH3 từ 5 - 20 mg/1, quá
trình oxy hóa NIỈ4+ cũng bị ức chế. Tuy nhiên, Ford cùng nhóm nghiên cứu
(1980) lại cho số liệu về nồng độ gây ức chế quá trình oxy hóa nitrit cao hơn
nhiều (10 - 150 mg NH3/I). Sự có mặt của NO2' và pH thấp sinh ra HNO2 không
phân li, đây là tác nhân gây ức chế quá trình oxy hoá nitrit. Alleman (1985) cho
thấy khi nồng độ nitrit cao tói 27 mg/1 thì Nitrobacter bị ức chế mạnh hơn
Nỉtrosomonas. Alleman cũng cho rằng nhiệt độ thấp, oxi hoà tan (DO) thiếu và
CO2 cao, sự có mặt của NH3 tự do và dư lượng bùn làm giảm tốc độ phát triển
của Nitrobacter và kéo theo sự giảm oxy hóa nitrit. Ngoài ra, sốc amoni và sự
khử nitrat có thể gây ra sự tích luỹ chất độc NO2'. Đó là do Nỉtrosomonas ít nhạy
cảm hơn đối với sốc NH3 và nhanh thích nghi hơn Nitrobacter dẫn tới sự tích luỹ
nitrit trong hệ.
♦♦♦ Quá trình khử nitrat hoá
- Vi sinh vật và điều kiện của quá trình khử nitrat hoá
Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng oxi 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 hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:

15


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

NO3 -► N 0 2 -> NO(k) -> N20(k) -> N2(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),

H2 và s. Khi có mặt đồng thời

NO3 và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hoá, đồng thời NO3 nhận
điện và bị khử về N2. Phần lớn các vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng nghĩa là
chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ oxy hoá để tổng họp tế bào mói. Chỉ có
Thiobacilus denitrifcans là sử dụng nguồn điện tử từ

s nguyên tố để tạo năng

lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3 ) để tổng họp tế bào mới.
- Cơ chế của quá trình khử nitrat hoá.
Các phương trình tỉ lượng của quá trình khử nitrat hoá phụ thuộc vào bản
chất nguồn cacbon sử dụng như sau:
6NO3 + 5CH3OH -

vsv

8NO3- + 5 CH3COOH -

:o2+ 7H2o + 6 0H

vsv

C0 2 + 6 H20 + 8 OH
0 2 + 6H 20 + 8 0 H

8NO3 + 5CH4 - vsv

10NO3- + C10 H 19O3N -

(1.5)

vsv

(1.6)
(1.7)

C0 2 + 3 H20 + NH3 + 10 OH(1.8)

Ghi chú: Cio H 19O3N - công thức trung bình của nước thải sinh hoạt
Nhóm OH sẽ phản ứng vói CO2 tạo độ kiềm bicacbonat:
OH' + C0 2 -► HCOí
Cũng như trường họp nitrat hoá, nếu tính cả quá trình sinh tổng họp ta có:
NO3- + IO 8 CH3OH + 0,24H2CO3

- vsv

:5H 7N 0 2 +

0,47N2+ 1,68H20 + HCOf

(1.9)

Cứ 1 mg/1 NO3' bị khử thì sinh ra 3,57 mg/1 độ kiềm. Nếu trong hệ có NH3
thì lượng kiềm sinh ra sẽ ít hơn.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat hoá
Điều kiện phát triển vi khuẩn khử nitrat hóa: pH 7 - 8; nhiệt độ từ 5
cơ chất là chất tan, càng dễ được vi sinh hấp thụ càng tốt.

16

- 35°c,


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

1. DO ức chế men khử nitrit (mạnh hơn so với tác động lên men khử nitrat).
Nếu có DO, nitrit sẽ tích luỹ. Nếu DO = 5% mức bão hoà, tốc độ tạo khí NOx
giảm, nếu đạt 13% thì men khử nitrit không hoạt động, nếu hơn 13% thì men
khử nitrat cũng bị ức chế.
2. Bản thân nitrit cũng là chất độc. Neu N - NO2' > 14 mg/1 ở pH = 7 thì quá
trình chuyển hóa chất hữu cơ bởi Pseudomonas Aeruginosa sẽ chậm lại, ở nồng
độ 350 mg/1 quá trình bị ức chế hoàn toàn (kể cả quá trình oxic dùng chất nhận e'
là O2). Tương tự, các khí NOx cũng là chất độc.
3. Sự khử đối với NO2' bị ảnh hưởng mạnh khi giảm pH < 7,5 (ngược lại đối
với sự khử NO3 ).
1.3.3. Các phương pháp xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong nước
1.3.3.1. Phương pháp lọc sinh học thiếu khí - hiếu khí
Phương pháp lọc sinh học lần đầu tiên được áp dụng ở Mỹ năm 1891 và ở
Anh năm 1893. Ngày nay phương pháp này đã được phát triển và có thể chia
thành hai loại: Lọc sinh học vói vật liệu tiếp xúc không ngập nước và lọc sinh
học có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước. Đối vói mỗi phương pháp thích họp
để xử lý từng loại nước thải có đặc tính khác nhau. Phương pháp lọc sinh học vói
vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước có ưu điểm là tiêu hao năng lượng thấp,
tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm như: dễ bị tắc nghẽn, bùn dư không ổn
định, hiệu suất làm sạch không cao, giá thành thiết bị cao,... vì thế phương pháp
này chỉ phù họp với một số đối tượng nước thải nhất định như nước thải có hàm

lượng BOD,

ss, nitơ thấp. Đối vói lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước

áp dụng cho việc xử lý nước thải có chứa đồng thời chất hữu cơ và N, p, loại bỏ
được chất rắn huyền phù. Phương pháp lọc sinh học ngập nước cũng rất thích
họp để nitrat hóa và khử nitrat.

17


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

* Cơ chế của quá trình lọc sinh học ngập nước
Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của
vi sinh vật hên màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn có trong nước. Các màng
sinh học, là tập thể các vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và thiếu khí. Các vi khuẩn
hiếu khí tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học, ở đây chúng phát triển và
gắn với giá mang là các vật liệu lọc. Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị
oxy hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học, màng này thường dầy khoảng
từ 0,1 - 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí,
sau khi thấm sâu vào màng, sẽ bị phân hủy bởi vi sinh vật kỵ khí. Khi các chất
hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang
hô hấp nội bào và khả năng kết dính cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước
lọc. Lọc sinh học ngập nước có thể khử được BOD và chuyển hóa NIỈ4+ thành
NO3', lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng, để khử được tiếp BOD,
NO3', p người ta có thể đặt hai bể lọc nối tiếp hoặc tạo ra vùng thiếu khí để xử lý
được triệt để N, p.

Các quá trình nitrat hoá và khử nitrat có thể được thực hiện bằng các quá
trình sinh trưởng lơ lửng mà đại diện là quá trình bùn hoạt tính, hoặc quá trình
sinh trưởng bám dính trong đó vi sinh vật được cố định trên chất mang (cố định
hoặc lơ lừng), ví dụ quá trình lọc sinh học ngập nước.
Yi sinh vật nitrat hóa có tốc độ sinh trưởng chậm, do đó để tăng nồng độ vi
sinh vật trong thiết bị xử lý nhằm nâng cao tốc độ nitrat hóa người ta thường áp
dụng quá trình sinh trưởng bám dính cho quá trình này. Các nghiên cứu ứng
dụng hiện nay trên thế giới thường tập trung vào vấn đề chế tạo và ứng dụng các
loại vật liệu mang có diện tích bề mặt riêng lớn dạng cố định cũng như dạng lơ
lửng cũng như nghiên cứu cải tiến thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả xử lý. Loại

18