NGHIÊN CỨU SỰ THÍCH NGHI CỦA BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ KHI XỬ LÍ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG BỂ PHẢN ỨNG THEO MẺ SBR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG

ĐẶNG THỊ NGỌC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU SỰ THÍCH NGHI CỦA BÙN HOẠT
TÍNH HIẾU KHÍ KHI XỬ LÍ NƯỚC THẢI CHỨA
PHENOL BẰNG BỂ PHẢN ỨNG THEO MẺ SBR

HÀ NỘI, 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG

ĐẶNG THỊ NGỌC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU SỰ THÍCH NGHI CỦA BÙN HOẠT
TÍNH HIẾU KHÍ KHI XỬ LÍ NƯỚC THẢI CHỨA
PHENOL BẰNG BỂ PHẢN ỨNG THEO MẺ SBR

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Môi trường
Mã ngành: 52 51 04 06

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. LÊ NGỌC THUẤN
TS. CHU THỊ THU HÀ

HÀ NỘI, 2017

LỜI CAM KẾT
Chúng tôi xin cam kết rằng tất cả quá trình làm đồ án đều theo hướng dẫn của
TS.Lê Ngọc Thuấn.
Mọi kết quả trong đồ án đều trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn
Việt Nam. Các kết quả thực hiện được chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên
cứu nào khác.
Mọi sao chép trích dẫn đều có căn cứ tài liệu đầy đủ, không sao chép gian lận
vi phạm quy chế đào tạo, nếu vi phạm thì chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
trước hội đồng và nhà trường.


LỜI CẢM ƠN
Trong bốn năm học tập và khoảng thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, em
luôn nhận được sự quan tâm, động viên và giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, người
thân và bạn bè. Với những kiến thức thầy cô truyền đạt, sự động viên của bạn bè và
gia đình đã giúp đỡ em rất nhiều để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giảng viên Khoa Môi trường của
trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất cho em
thực hiện nghiên cứu này.
Xin đặc biệt cảm ơn TS.Lê Ngọc Thuấn đã giành nhiều thời gian hướng dẫn,
tận tình giúp đỡ và truyền đạt nhiều kinh nghiệm thực tế cho em trong quá trình học
tập cũng như thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân bên cạnh
và các bạn sinh viên lớp ĐH3CM1 đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ để hoàn thành
tốt đồ án tốt nghiệp.
Cuối cùng, xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến ba mẹ, anh chị, tất cả mọi
người trong gia đình luôn là nguồn động viên, là điểm tựa vững chắc, đã hỗ trợ và
giúp bản thân em có đủ nghị lực để vượt qua khó khăn và hoàn thành tốt nhiệm vụ
của mình.

Dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, em rất mong
nhận được sự góp ý và sửa chữa của thầy cô và các bạn về đồ án tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DO (mg/l)
MLSS (mg/l)
SBR
SVI (ml/g)
TSS (mg/l)

Lượng oxi hòa tan
Hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng
Bể phản ứng theo mẻ
Chỉ số thể tích bùn
Hàm lượng cặn lơ lửng


DANH MỤC BẢNG


DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Công ty cổ phần chăn nuôi CP Việt Nam
Hình 2. 2:Bùn hoạt tính của công ty cổ phần chăn nuôi CP-khu công nghiệp Phú
Nghĩa

Hình 3. 1: Sơ đồ cấu tạo của mô hình SBR
Hình 3. 2:Sự thay đổi của nhiệt độ
Hình 3. 3:Sự thay đổi của DO
Hình 3. 4:Hàm lượng bùn hoạt tính theo thời gian lần 1
Hình 3. 5:Sự thay đổi của chỉ số thể tích bùn SVI theo thời gian lần 1
Hình 3. 6:Phương trình đường chuẩn phân tích phenol
Hình 3. 7:Hiệu suất xử lý Phenol
Hình 3. 8:Sự thay đổi của nhiệt độ theo thời gian lần 2
Hình 3. 9:Sự thay đổi của DO theo thời gian lần 2
Hình 3. 10:Hàm lượng bùn hoạt tính theo thời gian lần 2
Hình 3. 11:Sự thay đổi của chỉ số SVI theo thời gian lần 2
Hình 3. 12:Hiệu suất xử lý Phenol theo thời gian lần 2
Hình 3. 13:Đường chuẩn Phot pho
Hình 3. 14:Đồ thị liên hệ giữa hiệu quả xử lí P ứng với sự thay đổi nồng độ
Phenol
Hình 3. 15: Đường chuẩn NH4+
Hình 3. 16: Đường chuẩn NO3Hình 3. 17: Nồng độ NH4+đầu vào – đầu ra
Hình 3. 18: Nồng độ NO3- đầu vào – đầu ra
Hình 3. 19: Đồ thị liên hệ giữa hiệu quả xử lí N tổng ứng với sự thay đổi nồng độ
Phenol


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Nước là một nguồn tài nguyên quý giá và có tầm quan trọng thiết yếu với sự
sống của toàn nhân loại. Hiện nay, cùng với quá trình phát triển không ngừng của
nền kinh tế xã hội Việt Nam, các quá trình sản xuất tạo ra của cải vật chất đã để lại
những tác động xấu đến môi trường trong đó có sự ô nhiễm nguồn nước. Đặc biệt
sự ô nhiễm của các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ và rất độc có trong thành phần
nước thải của một số ngành công nghiệp, luôn là một vấn đề nổi trội và đáng được

quan tâm nhất.
Phenol là một chất hoá học chủ yếu do con người tạo ra, mặc dù nó được tìm
thấy trong những phế liệu động vật và các hợp chất hữu cơ phân huỷ. Trong công
nghiệp, phenol đóng vai trò rất quan trọng, là nguyên liệu nguồn của nhiều ngành
công nghiệp. Một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn của nước ta đó là công
nghiệp dầu khí, chế biến các sản phẩm từ dầu khí và công nghiệp sản xuất keo dán.
Hàng năm các hoạt động sản xuất của những ngành công nghiệp này đã phát thải ra
một lượng lớn chất thải độc hại cụ thể là phenol, vào môi trường nói chung và môi
trường nước nói riêng dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước. Để có thể phát triển
một cách bền vững thì đi đôi với các quá trình sản xuất, chúng ta luôn phải quan
tâm đến việc tìm ra những phương pháp tối ưu nhất để bảo vệ môi trường, đặc biệt
là môi trường nước.
Công nghệ SBR đã được nghiên cứu từ những năm 1920 và được sử dụng
ngày càng rộng rãi trên toàn thế giới. Ở Châu Âu và Trung Quốc, Hòa Kỳ, họ đang
áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, đặc biệt
là trong những khu vực đặc trưng có lưu lượng nước thải thấp và biến động. Các
khu đô thị, khu nghỉ dưỡng, khu nghỉ mát và một số ngành công nghiệp như sản
xuất sữa, bột giấy, thuộc da đang sử dụng công nghệ SBR để xử lý nước thải.
Nhận thức được những vấn đề cấp thiết đó, đồng thời thấy được ưu điểm của
việc sử dụng các biện pháp sinh học cũng như công nghệ phản ứng theo mẻ để xử lý
nước thải so với các phương pháp khác, từ đó em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu sự

9


thích nghi của bùn hoạt tính hiếu khí trong quá trình xử lý nước thải chứa phenol
bằng bể phản ứng theo mẻ SBR ” để làm đề tài tốt nghiệp của mình.
2.

Mục tiêu nghiên cứu

-

Nghiên cứu chế tạo mô hình bể SBR.

-

Nghiên cứu sự thích nghi của bùn hoạt tính hiếu khí trong quá trình xử lý nước thải
chứa phenol bằng bể SBR.

3. Nội dung nghiên cứu
-

Tìm hiểu cơ sở khoa học và cấu tạo của bể phản ứng theo mẻ ( SBR) , nghiên cứu
và chế tạo mô hình xử lý nước thải theo mẻ (SBR) áp dụng đối với nước thải chứa
phenol.

-

Thử nghiệm xử lí nước thải chứa phenol trong phòng thí nghiệm

-

Đánh giá hiệu quả xử lí Phenol trong nước thải của mô hình.

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Tổng quan về phenol

-

Công thức phân tử: C6H5OH

-

Công thức cấu tạo

 Tính chất vật lý
-

Ở điều kiện thường tồn tại ở dạng tinh thể hình kim, không màu có mùi hắc đặc
trưng, để lâu trong không khí có màu hồng và biến thành màu nâu nhạt do nó bị ôxy
hóa.

-

Tỷ trọng : d = 1,0545 g/cm2

-

Nhiệt độ nóng chảy : t„c = 40,3°C.

-

Nhiệt độ sôi: ts = 182,2°C.

-

Phenol tan rất ít trong nước lạnh nhưng tan tốt trong nước ở nhiệt độ>60°C

-

Độc làm bỏng da và các niêm mạc với dung dịch 2-3%

-

Nồng độ cho phép của Phenol trong không khí là 0,005mg/lk2

-

Dễ tan trong dung dịch kiềm do tính acid của nó tạo ra Phenolat:
C6H5OH + NaOH-> C6H5ONa + H2O

 Tính chất hóa học

Phenol có tính axit vì có hiệu ứng cộng hưởng xảy ra trong phân tử. Vì vậy,
khác với rượu, phenol còn có thể tác dụng với bazơ mạnh:
C6H5OH + NaOH ---> C6H5ONa + H2O
(Natri phenolat)
Tuy nhiên, tính axit của phenol rất yếu K a=10-9,75 nên không làm đổi màu quỳ
tím. Vì vậy, muối phenolat bị axit cacbonic tác dụng tạo lại phenol:
C6H5ONa + CO2 + H2O ---> C6H5OH + NaHCO3
11


Phản ứng này được dùng để tái tạo phenol trong công nghiệp.

1.2

Độc tính của phenol
Phenol có thể thâm nhập vào cơ thể người qua việc hô hấp và tiếp xúc da, mắt,
màng nhầy. Phenol được xem là chất cực độc đối với con người nếu đi vào cơ thể
người qua đường miệng với hàm lượng lớn. Khi ăn phải những chất có hàm lượng
phenol cao sẽ dẫn đến tử vong. Triệu chứng như co giật, hôn mê dẫn tới rối loạn hô
hấp, không còn khả năng kiểm soát, máu trong cơ thể thay đổi dẫn đến hiện tượng
tụt huyết áp. Phenol còn làm ảnh hưởng tới gan, thận và cả tim của người nhiễm
độc.
Những ảnh hưởng lâu dài của phenol: nhiều thí nghiệm đã chỉ ra sự liên quan
về đau bắp thịt, sưng gan của con người khi tiếp xúc với phenol lâu ngày. Phenol
còn gây bỏng cho da, làm rối loạn nhịp tim, tiếp xúc thường xuyên với phenol có
thể dẫn đến sự phát triển chậm trễ, gây ra sự biến đổi dị thường ở thế hệ sau, tăng tỉ
lệ đẻ non ở người mang thai.
Khả năng gây ung thư của phenol: EPA – Cục bảo vệ môi trường Hoa Kì đã
xếp phenol vào nhóm D, nhóm có khả năng gây bệnh ung thư ở người.[13]
Khi ăn, uống phải một lượng phenol có thể gây kích ứng, bỏng phía bên trong
cơ thể và gây tử vong ở hàm lượng cao. Tình trạng kích ứng và ảnh hưởng cũng xảy
ra tương tự đối với các loài động vật khi tiếp xúc với phenol.

1.3 Một số phương pháp xử lí phenol trong nước
a. Phương pháp hóa – lí

 Phương pháp sử dụng Ozone
Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, ozon là một chất khí có màu
xanh nhạt, nặng hơn không khí. Ozon không bền, dễ bị phân hủy thành oxy nguyên
tử và oxy phân tử. Ozon có thể hòa tan trong nhiều dung môi khác nhau, ở điều kiện
thường, độ hòa tan của ozon vào trong nước gấp 14 lần oxy, tuy nhiên, tính ổn định

12


phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường như các cation, kim loại, các oxít kim loại
nặng, nhiệt độ, độ ẩm và áp suất.
Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong nước theo hai con đường:
− Oxi hóa phenol trực tiếp bằng phân tử ozon hòa tan trong nước.
− Oxi hóa phenol gián tiếp thông qua gốc hydroxyl (OH°) tạo ra khi phân hủy ozon
trong nước.
− Hai con đường oxi hoá phenol nói trên của ozon xảy ra gần nhau. Quá trình oxi hoá
trực tiếp bằng phân tử O 3 xảy ra tương đối chậm so với oxi hoá gián tiếp thông qua
gốc hydroxyl (OH°)do sự phân huỷ ozon tạo ra [4].
 Phương pháp sử dụng vật liệu Ag- TiO2/ Bentonit
Nguyễn Việt Cường cùng cộng sự năm 2009 đã nghiên cứu chế tạo xúc tác
quang trên cơ sở vật TiO2 - SiO2 và ứng dụng trong xử lý nước nhiễm phenol [8].
Nhóm tác giả đã tiến hành đánh giá cấu trúc tinh thể của sản phẩm (được tổng hợp
từ TiO2 – SiO2 và N-TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel) và hoạt tính xúc tác
quang thông qua hiệu suất xử lý phenol trong điều kiện sử dụng ánh sáng UV-A và
ánh sáng mặt trời. Kết quả cho thấy việc bổ sung SiO 2 và N đều làm tăng diện tích
bề mặt riêng của vật liệu so với sản phẩm TiO2 ban đầu. Hoạt tính xúc tác quang của
các sản phẩm trong điều kiện sử dụng ánh sáng UV-A đạt tốt nhất ở tỷ lệ khối lượng
TiO2:SiO2 là 90:10. Trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên tại TPHCM,
vật liệu pha tạp N-TiO2-SiO2 thể hiện hiệu quả xử lý phenol đạt khoảng 90%, vượt
trội so với các vật liệu TiO2-SiO2 và TiO2 (lần lượt là 62 và 60%). Hiệu quả xử lý
phenol của các hợp chất pha tạp N-TiO 2-SiO2 trong điều kiện ánh sáng mặt trời tự
nhiên vượt trội (đạt xấp xỉ 90%), gấp 1,5 lần so với hợp chất không pha tạp N.
Phan Vũ An năm 2008 đã nghiên cứu xử lý nước nhiễm phenol bằng màng
mỏng TiO2 [9]. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tác nhân quang hóa là ánh sáng
UV-A, hạt alummino silicate được phủ lớp phim xúc tác N-TiO 2-SiO2 có hiệu quả

cao nhất (31,2%) do quá trình nhúng giúp tạo lớp phủ ổn định, đồng đều và bền
vững trên bề mặt chất mang. Khi tác nhân quang hóa là ánh sáng mặt trời tự nhiên,
sợi thủy tinh được phủ lớp phim xúc tác N-TiO 2-SiO2cho hiệu quả xử lý phenol cao
nhất (85,32%) do diện tích bề mặt tiếp xúc với ánh sáng mặt trời tự nhiên lớn nên
đã giúp cải thiện rõ hiệu quả xử lý. Trong thí nghiệm, sau 3 lần chạy, độ hao hụt là
13


0,19% (tương đương 0,001g) cho mỗi lần thí nghiệm. Điều này chứng tỏ sợi thủy
tinh có tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn.
b. Phương pháp sinh học
 Phương pháp sử dụng chủng vi khuẩn DX3

Vũ Thị Thanh và cộng sự đã nghiên cứu khả năng phân hủy phenol của chủng
vi khuẩn DX3 [12]. Chủng vi khuẩn DX3 được phân lập từ bể chứa nước thải kho
xăng dầu Đỗ Xá, Thường Tín, Hà Nội. Sau 3 lần làm giàu liên tiếp trên môi trường
muối khoáng Gost có bổ sung 50 mg/l phenol. Nhóm nghiên cứu lựa chọn các nồng
độ phenol ban đầu lần lượt là 50, 100 và 150 mg/l để bổ sung vào môi trường nuôi
cấy của chủng vi khuẩn Bacillus sp DX3 và nuôi ở 30 oC. Kết quả cho thấy, sau 7
ngày nuôi cấy trên môi trường khoáng dịch với nồng độ phenol ban đầu 150 mg/l
thì hàm lượng phenol đã giảm xuống còn 0,067 mg/l, đạt hiệu quả xử lý 99,9%.
1.4 Một số phương pháp xử lí nước thải chứa phenol trên thế giới
 Phương pháp sử dụng bùn hoạt tính trong điều kiện hiếu khí

Vazquez và cộng sự năm 2006 đã nghiên cứu loại bỏ phenol, amoni,
thiocyanua trong nước thải cốc hóa bằng bùn hoạt tính trong điều kiện hiếu khí với
các thông số đầu vào phenol (110-350mg/l); N-NH4+(504-2340mg/l); SCN-(185370mg/l), COD(807-3275 mg/L)[14]. Khi bổ sung nguồn cacbon (2,8kg
NaHCO3/m3) sẽ tạo điều kiện cho các vi sinh vật tự dưỡng phát triển để đẩy mạnh
quá trình khử nitơ trong dòng thải. Hiệu quả xử lý NH 4 đạt 71% khi thời gian lưu
nước là 54,3h. Hiệu quả loại bỏ COD, phenol lần lượt là 65,6 và 97%. Hiệu quả loại

bỏ phenol trong điều kiện không bổ sung carbon tương đương với điều kiện bổ sung
nguồn carbon. Tuy nhiên khả năng loại bỏ phenol tăng khi pH tăng. Hiệu quả loại
bỏ cao nhất đạt 96% khi pH=8 trong 15 h phản ứng.
 Phương pháp sử dụng hệ phản ứng màng sinh học yếm khí - thiếu khí - hiếu

khí (A1/A2/O-MBR)
Wen-tao Zhao và cộng sự năm 2009 đã nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy
cốc bằng hệ phản ứng màng sinh học yếm khí - thiếu khí - hiếu khí (A1/A2/OMBR) [16] . Bể yếm khí với vật liệu đệm, độ xốp 95%. Bể hiếu khí được cung cấp
oxy bằng bơm không khí, với DO được duy trì 5mg/l và sử dụng màng sợi
polythene, Mitsubishi, Nhật với diện tích 0,2m 2. Tại bể này nước thải được bổ sung
14


Na2CO3 để tạo môi trường kiềm cho quá trình loại bỏ các chất dinh dưỡng và duy trì
pH trong khoảng 7-7,2. Nước thải ở các bể được duy trì ở nhiệt độ 35 0C±1 bằng
nhiệt kế để đảm bảo nước nghiên cứu có cùng nhiệt độ với nguồn nước thải. Hệ
thống A1/A2/O-CAS (sử dụng bùn hoạt tính) cũng hoạt động song song, cùng điều
kiện để so sánh hiệu quả xử lý giữa hai hệ thống. Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ
COD và phenol của hệ A1/A2/O-MBR cao hơn hẳn hệ sử dụng bùn hoạt tính đặc
biệt khi hệ thống hoạt động với tải lượng chất ô nhiễm lớn như nước thải cốc hóa.
Hiệu quả xử lý COD đạt 89,8±1,2% tương đương 264±36mg/l. Hiệu quả xử lý
phenol đạt 99,9% với nồng độ phenol sau xử lý là 0,2±0,1mg/l. Công nghệ tích hợp
A1/A2/O-MBR là công nghệ hiện đại nhất hiện nay cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ
cao. Tuy nhiên giá thành xử lý đắt do chi phí màng cao. Do đó trong các nước đang
phát triển cũng chưa được ứng dụng nhiều.
1.5 Công nghệ SBR
1.5.1 Nguyên lý hoạt động

Bể SBR (Sequencing Batch Reactor): là bể phản ứng làm việc theo mẻ dạng
công trình xử lý bùn hoạt tính nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra trong cùng

một bể. Hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý nước thải sinh học chứa hợp chất
hữu cơ và nito cao. Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm nước thải –
phản ứng – lắng – hút nước ra, trong đó quá trình phản ứng hay còn gọi là quá trình
tạo hạt (bùn hạt hiếu khí) quá trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, đặc điểm
của chất nền trong nước thải đầu vào.
 Các giai đoạn xử lý bằng hệ thống SBR[7]
•

Pha làm đầy: Trong pha này, nước thải sẽ được nạp đầy bể, nước thải vào sẽ mang
theo một hàm lượng thức ăn cho các vi khuẩn trong bùn hoạt tính, tạo ra một môi
trường cho phản ứng sinh hóa xảy ra.
Đưa nước thải vào bể có thể vận hành ở 3 chế độ: làm đầy tĩnh, làm đầy khuấy
trộn, làm đầy sục khí.

15


-

Làm đầy tĩnh: Nước thải đưa vào bể ở trạng thái tĩnh, nghĩa là không cung cấp thiết
bị khuấy trộn và sục khí. Trạng thái này thường áp dụng trong công trình không cần
quá trình nitrat hóa và quá trình phản nitrat và những công trình lưu lượng nước thải
thấp để tiết kiệm năng lượng, chi phí vận hành, bảo dưỡng..

-

Làm đầy có khuấy trộn thì giúp điều hòa nồng độ, ổn định thành phần nước thải,
đồng thời xảy ra các quá trình oxy hóa cơ chất trong điều kiện hiếu khí và thiếu khí,
tăng hiệu quả xử lí nito trong nước thải.

-

Làm đầy có thổi khí nhằm duy trì vùng hiếu khí trong bể. Tạo điều kiện cho vi sinh
vật sinh trưởng và phát triển mạnh mẽ, trong bể xảy ra quá trình oxy hóa các hợp
chất hữu cơ, loại bỏ một phần COD/BOD trong nước thải. Tạo điều kiện cho quá
trình nitrat hóa xảy ra

•

Pha phản ứng: Sau khi cho nước vào bể, hệ thống bơm nước thải vào sẽ ngừng hoạt
động, thay vào đó hệ thống sục khí sẽ được khởi động để tiến hành quá trình nitrit
hóa, nitrat hóa và phân giải các hợp chất hữu cơ. Do trong pha này, không có nước
thải vào trong bể vì vậy thề tích nước thải và tải trọng hữu cơ không được bồ sung,
quá trình sục khí được duy trình, các vi sinh vật hiếu khí sẽ oxi hóa các hợp chất
hữu cơ để sinh trưởng và phát triển. Vì vậy các hợp chất hữu cơ sẽ được loại
bỏ.Trong pha này còn xảy ra quá trình nitrat hóa, ammoniac có trong nước thải sẽ
được chuyển hóa thành nitrit và nitrat.

•

Pha lắng: các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình lắng diễn ra trong môi
tường tĩnh hoàn toàn, thời gian lắng thường nhỏ hơn 2 giờ. Trong pha này, các bông
bùn đã được hình thành sẽ được lắng xuống đáy bể, đồng thời xảy ra quá trình phản
nitrat, nitrat và nitrit được tạo ra ở pha trên sẽ bị khử thành nito.

•

Pha xả nước: nước đã lắng sẽ được hệ thống thu nước tháo ra đến công trình tiếp
theo, đồng thời trong quá trình này bùn cũng được tháo ra.

•
1.5.2

Pha chờ: thời gian chờ nạp mẻ tiếp theo( có thể bỏ qua pha này).
Ưu điểm
16


-

Không cần bể lắng và tuần hoàn bùn.

-

Trong pha làm đầy bể SBR đóng vai trò như bể cân bằng vì vậy bể SBR có thể chịu
dựng được tải trọng cao và sốc tải.

-

Có thể hạn chế được sự phát triển của vi khuẩn sợi thông qua việc điều chỉnh tỉ số
F/M và thời gian thổi khí trong quá trình làm đầy.

-

Ít tốn diện tích đất xây dựng do các quá trình cân bằng cơ chất, xử lý sinh học và
lắng được thực hiện trong cùng một bể.

-

Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị (các thiết bị ít) mà không cần phải tháo nước

cạn bể. Chỉ tháo nước khi bảo trì các thiết bị như: cánh khuấy, motor, máy thổi khí,
hệ thống thổi khí.

-

Hệ thống có thể điều khiển hoàn toàn tự động.

-

TSS đầu ra thấp, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và khử nitrat hóa cao.

-

Ít tốn diện tích do không có bể lắng 2 và quá trình tuần hoàn bùn.

1.5.3

Nhược điểm

-

Nếu như quá trình lắng bùn xảy ra sự cố thì sẽ dẫn đến bùn bị trôi theo ống đầu ra.

-

Khi xả tốc độ dòng chảy rất lớn sẽ làm ảnh hưởng đến các hệ thống xử lý phía sau.

-

Có thể xảy ra quá trình khử nitrat trong pha lắng nếu như thời gian lưu bùn dài.

Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng bùn nổi do bị khí nitơ đẩy lên. Hiện tượng này càng
nghiêm trọng vào những ngày nhiệt độ cao.

1.5.4
-

Các đặc tính nổi bật
Nồng độ bùn trong công trình: hầu hết các công trình truyền thống đều hoạt động
ở nồng độ bùn thấp hoặc trung bình, thường 1.500 - 2.500 mg/l nhưng đối với bể
SBR lại hoạt động ở nồng độ bùn cao, điển hình là 2.000 - 4.000 mg/l dẫn đến tuổi
bùn lâu hơn và tăng hiệu quả sinh học

17


-

Tất cả quá trình tích hợp vào một công trình: công nghệ SBR kết hợp các quá trình
nitrat hóa, khử nitơ, phản ứng, lắng và ổn định bùn bên trong một công trình nhỏ
gọn, đỡ tốn chi phí xây dựng.

1.6 Đặc điểm chung của bùn hoạt tính
-

Bùn hoạt tính là những quần thể sinh vật, vi sinh vật bao gồm: vi khuẩn, nấm,
Protozoa, tích trùng và các loại động vật không xương, động vật bậc cao khác
(giun, dòi, bọ). Bùn có dạng bóng, màu nâu xám. Bùn hoạt tính được hình thành rất
đơn giản bằng cách làm thoáng sục khí vào nước thải với sự có mặt của vi khuẩn.
Việc sục khí được thực hiện cho tới khi vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ. Bùn hoạt
tính hình thành không phải bởi một loại vi khuẩn tạo bông đặc biệt mà chỉ là một

hiện tượng bình thường, bởi mỗi loại vi khuẩn đều có mức năng lượng nhất định.
Có thể tạo bùn hoạt tính từ nước thải chứa nhiều keo như nước thải sinh hoạt, hoặc
nước thải chứa nhiều chất tan phức hợp như nước thải nhà máy hóa chất tổng hợp.
Sự hình thành bùn hoạt tính đều diễn ra như nhau khi tiến hành ở hai loại nước thải
trên đây, miễn là bảo đảm ổn định và có chất dinh dưỡng, tức là chứa đầy đủ các
nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn phát triển bình thường. Đa số nước
thải chứa đủ vi sinh vật để sản sinh ra bùn hoạt tính, không cần phải gieo cấy gì
thêm. Những vi sinh vật này thường có xuất xứ từ phân, các chất bẩn sinh hoạt. Đối
với một số ít nước thải công nghiệp có thể phải có thêm một ít phân để gieo cấy.
Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi
khuẩn, thành phần các loại vi khuẩn trong bùn hoạt tính phát triển tuỳ thuộc vào đặc
trưng của nước thải. Trong đó, có thể chia làm các nhóm vi khuẩn sau:
Bảng 1. 1: Các nhóm vi khuẩn có trong bùn hoạt tính [1]

18


1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến bể bùn hoạt tính hiếu khí

Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng của nông độ bùn hoạt tính tức phụ
thuộc vào chỉ sổ bùn. Chỉ sổ bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn đưa vào công trình xử lý
càng lớn hoặc ngược lại. Khi tiến hành quá trình cần phải cung cấp đầy đủ lượng
oxi một cách liên tục sao cho lượng oxi hòa tan trong nước > 2 mg/L, tải trọng hữu
cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ qua bể bủn
hoạt tính có BOD toàn phần phải < 1000 mg/L. Ngoài ra trong nước thải cũng cần
đầy đủ các nguyên tố vi lượng, nguyên tố dinh dưỡng. Các nguyên tố dinh dưỡng
theo một tỷ lệ thích hợp BODtp:N:P = 100:5:1 hay COD:N:P = 150:5:1. Giá trị pH
tối ưu cho đa số vi sinh vật từ 6,5 - 8,5. pH < 5 sẽ thúc đẩy nấm phát triển. Nêu pH
> 9 sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào, vỉ sinh vật sẽ chết. Nước thải có
nhiệt độ thích nghỉ với đa số vi sinh vật tối ưu từ 25 oC - 37°C hoặc 20° - 80°C thấp

19


nhất vào mùa đông là 12°C, Ngoài ra quá trình xử lý hiếu khi còn phụ thuộc nồng
độ muối vô cơ, lượng chất lơ lửng chảy vào bể xử lý cũng như các loại vi sinh vật
và cấu trúc chất bẩn hữu cơ [7]

20


CHƯƠNG II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Mô hình bể SBR

Sử dụng mô hình bể hoạt động theo mẻ SBR trong nghiên cứu xử lí Phenol
trong nước thải
Thiết kế mô hình bể phản ứng theo mẻ SBR với các thông số thiết kế về:
-

Kích thước

-

Lưu lượng nước đầu vào, đầu ra, lưu lượng cấp khí

-

Các giai đoạn vận hành của bể: Làm đầy, phản ứng, lắng, xả nước, pha chờ.

-

Các thiết bị phụ trợ:

•

Bơm nước đầu vào.

•

Cánh khuấy

•

Hệ thống phân phối khí

•

Hệ thống ống dẫn nước đầu vào và đầu ra.

•

Hệ thống van, vòi điều chỉnh lưu lượng nước đầu vào và đầu ra, van xả bùn.

•

Bể chứa nước đầu vào và đầu ra.

2.2 Nguồn dinh dưỡng cung cấp cho sinh khối [11]

Chất dinh dưỡng đối vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấp thụ từ

môi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho
các quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho
các quá trình trao đổi năng lượng. Như vậy, chất dinh dưỡng phải là những hợp chất
có tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào.
Thành phần nước thải có vai trò quyết định tới sự sinh trưởng và phát triển của
vi sinh vật. Mỗi loài sinh vật chỉ sinh trưởng và phát triển trong một dải nồng độ
thức ăn nhất định, nếu lớn hơn dải nồng độ đó sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển của
chúng. Mỗi một loài sinh vật có thể sử dụng một số thức ăn nhất định, chúng sẽ
đồng hoá những loại thức ăn dễ đồng hoá trước, thức ăn khó đồng hoá sau. Thành
phần và chất lượng nước thải thể hiện qua các thông số sau:
2.2.1 Nguồn cacbon
Tuỳ từng nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp dưới dạng cacbon
vô cơ (CO2,..) hoặc cacbon hữu cơ và nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trời hay
nguồn năng lượng là sản phẩm của trao đổi chất (ATP).
21


Trên thế giới hầu như không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị vi
sinh vật phân giải. Không ít những vi sinh vật có thể đồng hoá được cả các hợp chất
cacbon rất bền vững như cao su, chất dẻo, dầu mỏ,...
Đối với những chất hữu cơ không tan trong nước hoặc có khối lượng phân tử
lớn, để hấp thụ được các chất này thì vi sinh vật phải tiết ra các enzym ngoại bào
thuỷ phân để chuyển hoá chúng thành những hợp chất dễ hấp thụ (đường, axit
amin,...).
Người ta thường dùng đường làm nguồn thức ăn cacbon khi nuôi cấy phần lớn
các vi sinh vật dị dưỡng. Để nuôi cấy các vi sinh vật khác nhau, người ta thường
dùng các nồng độ đường không giống nhau.
Đối với vi sinh vật dị dưỡng, nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng:
nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng.
2.2.2 Nguồn nitơ

Nitơ là nguyên tố rất cần thiết cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ chứa
nitơ trong cơ thể vi sinh vật. Để tiến hành quá trình đồng hoá được các hợp chất
chứa nitơ có trong môi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzym
ngoại bào sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác. Chính
vì thế mà trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin, nitơ
amoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do. Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi
sinh vật là NH3 và NH4+. Muối amoni vô cơ rẻ hơn nhưng thường làm chua môi
trường, làm ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Thường dùng urê làm nguồn nitơ vì
tạo môi trường trung tính.
Đa số các vi sinh vật không có khả năng đồng hóa N 2 trong không khí. Tuy
nhiên có những vi sinh vật có thể chuyển hoá N 2 thành NH3 nhờ hoạt động xúc tác
của một hệ thống enzym có tên là nitrogenaza.
Đối với nguồn thức ăn nitơ hữu cơ, vi sinh vật có khả năng đồng hoá rất tốt.
Các thức ăn này sẽ vừa làm nguồn cacbon vừa là nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh
vật.
Xác định hàm lượng nitơ trong môi trường để ta có khái niệm về khả năng sử
dụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm nước và mức độ ô nhiễm nước. Khi thiếu

22


nitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá, các chất hữu cơ còn tạo ra bùn
hoạt tính khó lắng.
Trong kỹ thuật môi trường, người ta thường xác định nitơ bằng phương pháp
Kjendahl, còn N – NH3, N – NO2- bằng phương pháp so màu.
2.2.3 Nguồn photpho
Trong môi trường nước, photpho tồn tại ở dạng: H 2PO4-, HPO42-, PO43-, dạng
polyphophat Na(PO3)6 và photpho hữu cơ.
Photpho là nguyên tố rất quan trọng, có mặt trong thành phần của ATP, ADP,
AMP, photpholipit...

Thông số photpho giúp ta đánh giá mức độ dinh dưỡng có trong nước. Thiếu
photpho sẽ dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, làm bùn hoạt tính trương
lên, khó lắng và bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý do đó làm giảm nồng độ của bùn
hoạt tính trong bể xử lý. Để khắc phục điều này người ta đề xuất một tỷ lệ các chất
dinh dưỡng cho xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí như sau BOD : N : P =
100 : 5 : 1 (đối với 3 ngày đầu) còn đối với thời gian xử lý dài hơn thì tỷ lệ trên là
200 : 5 : 1.
2.2.4 Hàm lượng sunphat
Sunphat sắt luôn có mặt trong nước bị ô nhiễm và trong nước thải. Lưu huỳnh
có mặt trong một số aminoaxit cấu tạo nên protein (cystein và methionin). Lưu
huỳnh sẽ được chuyển hoá theo phương trình sau trong điều kiện kị khí nhờ vi
khuẩn:

Sự có mặt của lưu huỳnh dạng H2S trong nước làm cho nước có mùi thối.
2.2.5 Hàm lượng các kim loại nặng
Khi trong nước chứa các kim loại nặng như: chì (Pb), thuỷ ngân (Hg), Crom
(Cr), Cadimi (Cd), Asen (As) thì ngoài việc gây hại cho con người, động thực vật sử
dụng nguồn nước, các kim loại nặng này còn có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của
các vi sinh vật trong nước.
Các kim loại nặng ở hàm lượng nhất định nào đó có thể làm cho quá trình
trao đổi chất của cơ thể vi sinh vật bị rối loạn do sự kìm hãm hoạt động của các

23


enzym khi có mặt một số kim loại. Tuy nhiên đối với một vài kim loại nặng ở dạng
vết thì lại có tác dụng tốt nhất định đối với sự phát triển sinh vật.
2.2.6

Nguồn khoáng

Nhu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố khoáng là không giống nhau
tuỳ thuộc vào từng loài, từng giai đoạn phát triển.
Các nguyên tố khoáng chia làm 2 loại:
Nguyên tố đa lượng: là các nguyên tố mà vi sinh vật sử dụng với lượng lớn.
Đó là các nguyên tố: P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca, Fe,...
Nguyên tố vi lượng : là các nguyên tố mà vi sinh vật chỉ đòi hỏi một lượng
rất nhỏ: B, Mo, Cu, Zn, Mn,...
Hàm lượng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chất của vi sinh vật khác
nhau là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôi cấy.
Bảng 2. 1: Thành phần nước thải giả định
Hóa chất (thành phần đa lượng)
C6H5OH
NH4Cl
KH2PO4
CaCl2
MgSO4.7H2O
FeSO4.7H20
Hóa chất (thành phần vi lượng)
H3BO3
ZnSO4.7H2O

M
94
53.5
136
111
246
278
M
62

287

Nồng độ dd làm việc (mg/l)
150
100
22.5
15
12.5
2
Nồng độ dd làm việc (mg/l)
0.05
0.05

CuCl2.2H2O

171

0.03

MnSO4
151
0.05
MoO3
144
0.05
AlCl3
287
0.05
CoCl2.6H2O
166

0.05
NiNO3
121
0.05
( Nguồn tham khảo: Biodegradation of high phenol concentration by
activated sludge in an immersed membrane bioreactor, 2006 - B. Marrot ∗, A.
Barrios-Martinez, P. Moulin, N. Roche)
2.3

Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến sinh trưởng và phát triển của
vi sinh vật trong nước [11]
24


Sự phát triển của vi sinh vật trong các thuỷ vực chịu ảnh hưởng của nhiều
nhân tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theo
nhiều kiểu. Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần loài của các quần thể, đến
hình thái và sinh lý của vi sinh vật. Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàm
lượng muối, các chất hữu cơ, các chất vô cơ, các khí hoà tan.
2.3.1

Hàm lượng oxy hoà tan
DO là hàm lượng oxy hoà tan trong nước để duy trì sự sống cho các vi sinh
vật trong nước.
Đây là điều kiện đầu tiên đảm bảo cho vi sinh vật hiếu khí có khả năng oxi
hoá các chất bẩn hữu cơ. Do đó, trong quá trình xử lý phải đảm bảo cung cấp đủ
lượng oxi mà chủ yếu dưới dạng hoà tan trong môi trường lỏng. Để đáp ứng được
lượng oxi hoà tan trong bể hiếu khí người ta thường chọn giải pháp khuấy trộn cơ
học hoặc sục khí.
Khi nồng độ oxy hoà tan dưới 0,5mg/l thì quá trình xử lý nước thải bằng vi

sinh vật hiếu khí hầu như ngưng trệ. Lượng oxy hoà tan tốt nhất trong khoảng
1,5÷4,0 mg/l.
Khuấy trộn hoặc sục khí làm tăng sự tiếp xúc giữa bùn hoạt tính và các chất
thải trong nước, làm cho khả năng làm sạch nước thải của vi sinh vật tăng lên.

2.3.2 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD
BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng để
oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3-. Phương trình tổng
quát như sau:

Chỉ số BOD chỉ ra lượng oxy mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hoá
các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu
cơ có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn.
Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân huỷ
hoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian mà người ta thường chỉ xác định
lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C, kí hiệu BOD5. Tại thời điểm
này đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá.
25