NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO, PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC (USBF)

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

PHẠM THỊ THƯ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO,
PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ
NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG
NGHỆ SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC
(USBF)

HÀ NỘI – 5/2017
1


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

PHẠM THỊ THƯ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ NITO,
PHOTPHO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC
THẢI CHỨA PHENOL BẰNG CÔNG NGHỆ
SINH HỌC DÒNG BÙN NGƯỢC (USBF)

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường
Mã ngành

:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. LÊ NGỌC THUẤN

HÀ NỘI, THÁNG 5 NĂM 2017
2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan 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.
Sinh viên

Phạm Thị Thư

3


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!

4


MỤC LỤC

5


DANH MỤC BẢNG

6


DANH MỤC HÌNH

7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BOD
COD
DO
LD50
MLSS
USBF
T-N
T-P
WHO
FAO

8

:
:
:
:

Biological Oxygen Demand (mg/l)
Chemical Oxygen Demand (mg/l)
Lượng oxy hòa tan trong nước (mgO/l)
Liều lượng hóa chất phơi nhiễm trong cùng một thời điểm gây ra
cái chết cho 50% của một nhóm động vật dùng thử nghiệm
: Tải lượng bùn hoạt tính
: Công nghệ sinh học dòng bùn ngược (upflow sludge blanket filtration)
: Nito tổng số
: Photpho tổng số

: Tổ chức y tế thế giới (World health Organization)
: Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and Agriculture
Organization of the United Nations)


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn nạn chung của nhiều quốc gia trên thế
giới, nhất là những nước đang phát triển như Việt Nam. Ô nhiễm môi trường gồm 3
loại chính: Ô nhiễm đất, không khí, và ô nhiễm nước. Trong đó ô nhiễm nguồn
nước đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng. Các thành phố lớn mọc lên hàng
trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có
công trình và thiết bị xử lý chất thải. Có thể nói ô nhiễm nước do sản xuất công
nghiệp là rất nặng. Nguyên nhân chính là do sự vô tâm của các doanh nghiệp, đặt
mục tiêu tối đa hóa lợi nhuận mà không quan tâm, đầu tư vào hệ thống xử lý nước
thải tại các khu công nghiệp, dẫn đến nước thải ô nhiễm liên tục thải ra sông, hồ gây
nhiễm độc nguồn nước tự nhiên.Các chất độc hại này nếu không được xử lý trước
khi thải ra môi trường sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con
người.
Với nỗ lực giảm thiếu tối đa những ảnh hưởng tiêu cực của quá trình công
nghiệp tới môi trường thì tiêu chuẩn thải nước trên thế giới ngày càng nghiêm ngặt.
Công nghiệp sản xuất keo, nhựa nhân tạo, dệt, dầu khí sinh ra một lượng lớn chất
thải hữu cơ độc hại, trong số các chất bẩn hữu cơ được sử dụng làm vật liệu thô cho
các ngành công nghiệp này thì phenol và các dẫn xuất của phenol đang ngày càng
nhận được sự quan tâm do tính độc hại của chúng.
Phenol và các dẫn xuất của phenol là một trong những loại chất thải hữu cơ
độc hại khó xử lý. Đây là chất hữu cơ tương đối bền, có khả năng tích lũy trong cơ
thể con người và sinh vật, gây nhiễm độc cấp tính, mãn tính. Ngay cả ở nồng độ
thấp nó cũng là tác nhân tiềm ẩn gây ung thư.

Bên cạnh đó, hàm lượng hai thông số về nito và photopho cũng được quy
định khá nghiêm ngặt trong tiêu chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như của Việt
Nam. Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, liên quan mật thiết đối
với các hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp. Hợp chất của nitơ, photpho
được gọi là thành phần dinh dưỡng và là đối tượng gây ô nhiễm nghiêm trọng. Khi
thải loại nước này vào nguồn tiếp nhận thường xảy ra các hiện tượng phú dưỡng
hóa, làm giảm oxy hòa tan trong nước, phá hủy hệ động, thực vật thủy sinh của các
9


thủy vực tiếp nhận, gây mùi hôi thối ảnh hưởng đến cảnh quan, môi trường, sức
khỏe của con người và thậm chí có thể làm chết các loài động vật sống dưới nước.
Nhận thức rõ được những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trường
nếu không xử lý phenol trong nước thải của các ngành công nghiệp đồng thời cũng
thấy được tính cấp thiết của việc phải có một phương pháp xử lý phenol hiệu quả cả
về mặt môi trường và kinh tế. Mặt khác, qua quá trình tìm hiểu thấy được ưu điểm
vượt trội của công nghệ sinh học dòng bùn ngược trong ứng dụng xử lý nước thải.
Song song vào đó, em cũng muốn khảo sát xem hiệu quả xử lý nito và photpho
trong mẫu nước thải có chứa phenol khi tiến hành dùng công nghệ này. Từ đó em
quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng loại bỏ Nito, Photpho trong quá trình
xử lý nước thải chứa phenol bằng công nghệ sinh học dòng bùn ngược (USBF)” đề
làm đề tài tốt nghiệp và nghiên cứu thực hiện đề tài bằng mô hình thực nghiệm để
đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của mô hình USBF.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu, cải tạo lại mô hình công nghệ USBF
- Nghiên cứu được khả năng xử lý Nito và photpho trong nước thải có chứa
phenol bằng công nghệ sinh học dòng bùn ngược USBF
3. Nội dung nghiên cứu
•
-

Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp thu thập tài liệu
Phân tích trong phòng thí nghiệm
Mô hình thực tế
Phân tích, thống kê, xử lý số liệu và tổng hợp kết quả
Phương pháp so sánh: so sánh giá trị các chỉ tiêu nước thải đầu vào và đầu ra của

nước thải.
- Phương pháp đồ họa: Sử dụng phần mềm Autocad để mô tả mô hình thí nghiệm
• Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu cơ sở khoa học, cấu tạo bể USBF.
- Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ USBF trong xử lý nước
- Cải tạo lại bể USBF
- Nghiên cứu được khả năng xử lý Nito và photpho trong mẫu giả định chứa phenol
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG
Tổng quan về phenol
1.1.1. Nguồn gốc và hiện trạng sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp
 Nguồn gốc phát sinh phenol
1.1.

10


Phenol được sinh ra qua 2 con đường: tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên
phenol có trong một số loại thực phẩm, chất thải của động vật, con người và trong
sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ hoặc phenol còn được tạo ra bên trong cơ
thể sinh vật do quá trình trao đổi chất chuyển hóa từ axit amin. Phenol được phát
hiện vào năm 1834, khi nó được chiết xuất từ nhựa, than đá, đó là nguồn chính sản
xuất phenol cho đến khi ngành công nghiệp hóa dầu phát triển.

Hiện nay, phenol được sản xuất, sử dụng rộng rãi trong rất nhiều loại hình
sản xuất công nghiệp như sản xuất nhựa phenolic, gỗ dán, chất kết dính, xây dựng,
ô tô và thiết bị vật tư cho các ngành công nghiệp; phenol cũng được tạo ra từ các
quá trình sản xuất sợi tổng hợp như nilon, nhựa epoxy…
 Ứng dụng của phenol trong công nghiệp

Phenol và các dẫn xuất của phenol rất quan trọng trong nhiều ngành công
nghiệp khác nhau. Năm 1963 toàn thế giới sản xuất 40 vạn tấn phenol. Năm 1993
tổng lượng phenol do Mỹ sản xuất là 1,67 triệu tấn trong đó một nửa lượng trên
dùng trong công nghiệp xây dựng và nhà ở. Ứng dụng chính của phenol là sản xuất
chất dẻo phenol – fomandehit, các loại nhựa phenolic, sợi nilon, sợi capolacton,
nhựa epoxit. Năm 2001 phenol được sản xuất trên toàn thế giới khoảng 64 triệu tấn.
Ngoài ra phenol còn được dùng để sản xuất axit salyxilic, các chất màu, dược phẩm,
chất hóa dẻo, chất chồng oxi hóa, chất tẩy uế côn trùng, thuốc trừ sâu, thuốc diệt
cỏ…sử dụng làm thuốc thử trong phòng thí nghiệm, công nghệ hóa dầu, dược
phẩm. Các sản phẩm nitro hóa của phenol dùng làm thuốc nổ. [11,Tr. 4- 14]
Một số ứng dụng hợp chất của phenol:
-

Bisphenol A (BPA) được sử dụng trong sản xuất các thiết bị ngưng tụ, nó được sử
dụng rộng rãi trong sản xuất nhựa polycarbonate. Đây là loại nhựa kỹ thuật được sử
dụng trong ngành công nghiệp ô tô như làm lớp phủ ô tô, chất phủ điện tử và các

-

ứng dụng khác.
Nhựa phenolic: Được sản xuất bằng các ngưng giá thành sản xuất thấp, đã được sản
xuất thương mại hóa trên thế giới 100 năm qua. Chúng được sử dụng làm chất kết
dính trong nhiều ngành công nghiệp như gỗ dán và trong công nghiệp sản xuất ô tô.

-

Các chất sát trùng mang đặc tính của phenol được sử dụng bởi Sir Joseph Lister
(1827-1912) trong kỹ thuật phẫu thuật tiên phong của ông dùng chất khử trùng, mặc
11


việc tiếp xúc liên tục với phenol gây kích ứng da. Lister đã phủ những vết thương
với một miếng giẻ hoặc vải thô được ngâm trong axit carbolic (một tên khác của
phenol).
1.1.2. Tính chất
 Tính chất vật lí của phenol
Khối lượng phân tử 94,11 g/mol
Khối lượng riêng: 1,06 g/cm3
Nhiệt độ tan chảy: 43 oC
Nhiệt độ sôi: 182oC
Khả năng hòa tan trong nước (ở 20oC): 70g/l
Các dung môi hòa tan được phenol: etanol, ete, chloroform….
Là chất không màu hoặc màu trắng, khi nó ở dạng tinh khiết, ở dạng này thì
phenol là thể rắn. Thường tồn tại ở dạng lỏng. Ngưỡng ngửi mùi của phenol là 0.04
ppm (ở nồng độ này có mùi hơi cay, ngọt). Phenol rất dễ cháy.
 Tính chất hóa học của phenol

Phenol (acid cacbolic) có công thức phân tử: C6H5OH
Để lâu ngoài không khí, phenol bị oxi hóa một phần nên có màu hồng và bị
chảy rữa do hấp thụ hơi nước. Phenol ít tan trong nước lạnh, tan trong một số hợp
chất hữu cơ. Phenol rất độc, gây bỏng nặng khi rơi vào da. Phenol tan vô hạn ở
660C.
Ngoài ra phenol còn có các tính chất khác như: Tính axit, tính chất như rượu
và tính chất của nhân thơm.

12


1.1.3. Tính độc của phenol đối với con người
Các con đường xâm nhập vào cơ thể con người:
•

Thâm nhập vào cơ thể con người qua hô hấp, tiếp xúc với da, mắt, màng nhầy của

•

người.
Ăn phải chất có hàm lượng phenol cao sẽ dẫn đến hiện tượng chết người với những
triệu chứng như co giật, không có khả năng kiểm soát, hôn mê dẫn tới rối loạn hô

•

hấp, máu trong cơ thể thay đổi dẫn đến tụt huyết áp. Ảnh hưởng tới tim, gan, thận.
Tiếp xúc với phenol lâu ngày: Đau bắp thịt, sung gan. Phenol còn làm bỏng da, rối
loạn nhịp tim. Giới hạn tối đa cho phép của phenol trong cơ thể là 0.6mg/kg trọng

lượng cơ thể.
• Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải công nghiệp. Sự xuất hiện của các
hợp chất phenol trong nước là một trong các nguyên nhân làm cho nước có mùi,
đồng thời gây tác hại cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Giá trị LD 50 của
pentaclorophenol là 27mg/kg đối với chuột. Một số phenol có khả năng gây ung
thư. Theo quy định của tổ chức Y tế Thế giới WHO, hàm lượng 2.4-triclophenol và
pentaclophenol trong nước uống không quá 1. Tiêu chuẩn nước thủy sản của FAO
đối với quy định nồng độ các phenol, đối với các loại cá họ salmonid và cyprinid.

1.1.4. Những vấn đề môi trường gây ra bởi hợp chất phenol
Phenol tìm thấy khá phổ biến trong tự nhiên, nó có mặt trong không khí, đất,
nước mặt và nước ngầm. Hàm lượng phenol trong môi trường phụ thuộc vào nguồn
phát sinh ra nó như các khu sản xuất, ngành công nghiệp tạo ra phenol… Thời gian
tồn tại phenol trong đất rất ngắn (2 – 5 ngày), tuy nhiên ở trong nước phenol có thời
gian tồn tại lâu hơn, có thể hàng tuần. Nếu nồng độ phenol càng lớn, thời gian tồn
tại của nó càng lâu.
Với nồng độ lớn hơn 50 ppb, phenol đã gây độc với sinh vật thủy sinh. Thêm
vào đó, các hợp chất phenol có nhu cầu oxi cao, tiêu tốn 24 mg O 2 cho 1 mg phenol.
Ngoài ra phenol còn kết hợp với clo trong nước uống tạo clorophenol, là hợp chất
rất độc và khó phân hủy.[11]

13


Bảng1.1. Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp
Ngành công nghiệp
Khai thác than
Chuyển đổi than cốc
Sản xuất khí đốt
Lò cao
Hóa dầu
Nhà máy sản xuất benzene
Dược phẩm
Tinh chế dầu
Sản xuất nhựa phenol - formandehit

Nồng độ phenol (mg/l)
1000-2000
10000-15000

4000
4000
50-70
50
1000
2000-20000
100-200

(Luận văn thạc sĩ Trịnh Anh Nam, tr.8, s/documents/luan-van-18-12-2011.html)
 Một số vi sinh vật xử lý phenol.
- Một số hệ vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa phenol:[13,Tr_9]

Một số loài có khả năng phân giải phenol một cách độc lập như chủng
Pseudomonas

putida,

Pseudomonas

paucimobilis,

Rhodococcus,

Bacillus,

Cyanobacterium, Phormidium valderianumBDU30501 hoặc có thể sự phân giải
phenol được diễn ra đồng thời dưới sự tổ hợp của một quần xã vi sinh vật trong khu
hệ đó.
-

Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó
chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn
hoạt tính một phần chất hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt
buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi
khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas,
Zoogloea,

Achromobacter,

Flavobacterium,

Nocardia,

Bdellovibrio,

Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter.
Ngoài ra còn các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothirix, Lecicothrix
và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh khác cũng đóng vai trò quan trọng
trong các bể bùn hoạt tính.

14


Tổng quan về Nito và Photpho
1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải:[2, Tr.16-19]
1.2.

Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu
cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy 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 (N-CO(NH 2-)2) là 0,7g, còn
lại là các loại nitơ khác. [12]
a. Tác hại của ô nhiễm Nitơ 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 oxy 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 NH4+, H2S, CO2, CH4… tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước.
Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước
b.Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử 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.
c. Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học
 Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học

Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, nitơ
amôn sẽ được chuyển thành nitrit và nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và
Nitrobacter. Khi môi trường thiếu ôxy, các loại vi khuẩn khử nitrat Denitrificans
(dạng kỵ khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất

15


hữu cơ. Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
Xử lý nitơ trong nước thải và các phương pháp.
Quá trình chuyển hóa Nitơ trong nước thải
Quá trình chuyển NO3- –> NO2- –>NO –> N2O –> N2 với việc sử dụng

methanol làm nguồn cacbon được biểu diễn bằng các phương trình sau đây:

16


 Nitrat hóa

Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi
khuẩn được lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các
vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO 2 (dạng vô cơ) hơn là các
nguồn các bon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat
hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với
sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng.
Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan
tới hai loại vi sinh vật, đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. ở giai
đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển
thành nitrat.
Bước 1. NH4+ + 1,5 O2 => NO2- + 2H+ + H2O
Bước 2. NO2- + 0,5 O2 => NO3Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lấy
từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Có thể
tổng hợp quá trình bằng phương trình sau:
NH4+ + 2O2 => NO3- + 2H+ + H2O (*)
Cùng với quá trình thu năng lượng, một số iôn Amôni được đồng hoá vận
chuyển vào trong các mô tế bào. Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằng
phương trình sau :
4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O => C5H7O2N + 5O2
C5H7O2N tạo thành được dùng để tổng hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi
khuẩn.

17

Toàn bộ quá trình ôxy hoá và phản ứng tổng hợp được thể hiện qua phản ứng
sau :
NH4+ +1,83O2 + 1,98HCO3- =>0,021C5H7O2N+ 0,98 NO3 + 1,041 H2O
+1,88H2CO3
Lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá amôni thành nitrat cần 4,3 mg O 2/ 1mg
NH4+. Giá trị này gần bằng với giá trị 4,57 thường được sử dụng trong các công
thức tính toán thiết kế. Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trình
tổng hợp sinh khối tế bào không được xét đến.
 Khử nitrit và nitrat:

Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitrat
Denitrificans (dạng kị khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để
ôxy hoá chất hữu cơ. Nitơ phân tử N 2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi
nước.
+ Khử nitrat:
NO3- + 1,08 CH3OH + H+ => 0,065 C5H7O2N + 0,47 N2 + 0,76CO2 +
2,44H2O
+ Khử nitrit:
NO2- + 0,67 CH3OH + H+ => 0,04 C5H7O2N + 0,48 N2 + 0,47CO2 + 1,7H2O
Điều kiện áp dụng
˗

Điều kiện yếm khí ( thiếu ôxy tự do )

˗

Có nitrat (NO3- ) hoặc nitrit (NO2-)

˗

Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat

˗

Có nguồn cácbon hữu cơ
18


1.2.2. Tổng quan về Photpho trong nước[12]
Sự phát triển của tảo, trong trường hợp xấu nhất có thể gây hiện tượng phú
dưỡng hóa nước bề mặt, là kết quả của sự gia tăng nồng độ phophat quá mức trong
nước. Cho nên cần có một giới hạn xả thải về chỉ tiêu PO 4-P để ngăn ngừa hiện
tượng này. Các nhà máy xử lý nước thải vì thế cần phải loại trừ PO 4 trong các quá
trình nitrat hóa/đề nitrat hóa hay trong quá trình xử lý hóa học bằng cách tạo kết tủa
với photpho. Việc phân tích PO4-P hoàn toàn cần thiết không chỉ để đáp ứng yêu
cầu quan trắc giới hạn xả thải mà còn để đánh giá hiệu suất và chi phí xử lý của quá
trình loại trừ photpho.
a. Các ảnh hưởng của photpho lên nước mặt

Hợp chất photpho là chất dinh dưỡng cần thiết cho thực vật và gây nên sự
phát triển của tảo trong nước mặt. Tùy vào nồng độ photpho trong nước mà hiện
tượng phú dưỡng có thể xảy ra hay không. Chỉ 1g PO 4-P trong nước có thể đủ cho
nhu cầu 100 g tảo phát triển. Khi những loại tảo này chết, quá trình phân hủy chúng
sẽ cần đến khoảng 150g oxy hòa tan. Nồng độ để bắt đầu gây ra hiện tượng phú
dưỡng là khoảng 0.1-0.2 mg/L PO4-P trong nước động và 0.005-0.01mg/L PO4-P
trong nước tĩnh. Phòng ngừa nguy hại tiềm ẩn cho nước bề mặt, hướng dẫn
91/271/EEC của EU đã đưa ra các mức giới hạn của nguồn thải trước khi xả vào
nguồn tiếp nhận. Phụ thuộc vào công suất của nhà máy xử lý nước thải, các giá trị

này có thể là 2 mg/L P-tổng (10000 – 100000 p.e) hay 1 mg/L P-tổng (>100000 p.e)
b. Nguồn gốc của Photphat

Hợp chất photphat tìm thấy trong nước thải hay được thải ra trực tiếp vào
nguồn nước mặt phát sinh từ:
˗
˗
˗

Thất thoát từ phân bón có trong đất
Chất thải từ người và động vật
Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch
Tổng lượng photpho bao gồm ortho photphat + poly-photphat + hợp chất
photpho hữu cơ trong đó ortho photphat luôn chiếm tỉ lệ cao nhất. Photphat có thể ở
dạng hòa tan, keo hay rắn. Trước khi phân tích cần xác định dạng tồn tại của
19


photpho. Nếu chỉ xác định orth-photphat (mục đích kiểm soát quá trình kết tủa
photpho) thì mẫu cần được lọc trước khi phân tích. Tuy nhiên nếu phân tích
photpho tổng (kiểm soát giới hạn thải) thì mẫu phải được đồng nhất và sau đó được
thủy phân
c. Phương pháp loại bỏ

 Phương pháp sinh học loại bỏ photphat

Photphat có trong bể chứa nhiều hơn so với nhu cầu bình thường trong bùn
hoạt tính. Đó là do lượng bùn bị tuần hoàn giữa môi trường kị khí và hiếu khí. Hiệu
quả loại trừ bằng phương pháp sinh học phụ thuộc vào lượng hữu cơ dễ bị phân hủy
(BOD5). Tỉ lệ P/BOD5 là nhỏ hơn 0.03 và N/BOD5 là nhỏ hơn 0.25 trong dòng vào

bể sục khí nơi lượng photpho bị phân hủy gia tăng.
 Phương pháp hóa học loại bỏ photphat bằng kết tủa

Các hợp chất ortho-photpho bị kết tủa khi lượng photphat kim loại hòa tan
kém và sự có mặt của các hóa chất tạo lắng (muối sắt, nhôm, vôi sữa). Các muối
này lắng xuống và lưu lại trong bùn thải. Các chất tạo kết tủa có thể được cho vào ở
quá trình xử lý sơ bộ (trước kết tủa), trong bể khí (kết tủa đồng thời) hay tại bể phản
ứng phụ cuối dòng của bể hiếu khí (sau kết tủa). Hiệu quả nhất là tại quá trình kết
tủa đồng thời và tiết kiệm chi phí nhất.
Tổng quan về ô nhiễm môi trường do nước thải công nghiệp

1.3.

Trong sản xuất công nghiệp, nước thải được tạo ra trong quá trình khai thác
và chế biến các nguyên liệu hữu cơ, vô cơ. Trong các quá trình công nghệ, các
nguồn nước thải như:
•
•

Nước tạo thành từ quá trình phản ứng khoa học
Nước ở dạng ẩm tự do và liêu kết trong các nguyên liệu và chất ban đầu, được tách

ra trong quá trình chế biến
• Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị
• Nước chiết, hấp thụ
• Nước do quá trình làm nguội

20

•

Nước thải bị ô nhiễm bởi nhiều chất khác nhau, theo WHO, các chất ô nhiễm hóa

•
•
•
•

học trong nước được chia như sau:
Chất hữu cơ không bền sinh học
Chất muối vô cơ ít độc
Các hợp chất gen sinh học
Các chất độc đặc biệt bao gồm các kim loại nặng, các hợp chất tổng hợp hữu cơ

không phân hủy sinh học.
 Tính chất vật lý của nước thải
Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: màu sắc,
mùi, nhiệt độ và lưu lượng
Màu: nước thải mới có màu nâu hơi sáng, tuy nhiên thường là màu xám có

•

vẩn đục, màu sắc của nước thải sẽ thay đổi đáng kể nếu như bị nhiễm khuẩn, khi đó
màu sẽ đen tối.
Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy các

•

hợp chất hữu cơ

Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thường cao so với nguồn nước sạch ban đầu, do

•

có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máy móc sản xuất
Lưu lượng: thể tích thực của nước cũng được xem là một tính chất vật lý của

•

nước thải, có đơn vị m3/người.ngày. Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo ngày.
 Tính chất hóa học của nước thải

Các thông số thể hiện tính chát hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ,
vô cơ và khí. Hay để đơn giản hóa, người ta xác dịnh các thông số như: độ kiềm,
BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (vô cơ, hữu cơ,
huyền phù, và không tan) và nước
Độ kiềm: là môi trường đệm để giữ pH trung tính của nước thải trong suốt

•

quá trình xử lý sinh hóa.
Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh

•

hóa trong nước thải, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 20 o BOD5 trong
nước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100-300mg/l
Nhu cầu oxy hóa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hóa trong

•

nước thải. COD thường trong khoảng 200-500mg/l/. Tuy nhiên, có một số loại nước
thải công nghiệp BOD có thể tăng cao nhiều lần
21


Các chất khí hòa tan: đây là những chất khí có thể hòa tan trong nước thải.

•

Nước thải công nghiệp thường có lượng oxy hòa tan tương đối thấp
Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi đối với mỗi

•

loại nước thải khác nhau.
pH: đây là cách nhanh nhất xác định tính axit của nước thải. Nồng độ pH

•

khoảng 1-14. Để xử lý nước thải có hiệu quả pH thường 6-9 (hay tối ưu 6,5-8)
Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa. P thường khoảng

•

6-20mg/l
Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chất

•

rắn.
Nước: luôn là thành phần cấu tạo chính của nước thải. Trong một số trường

•

hợp, nước có thể chiếm 99,5%-99,9%.
 Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp
• Phương pháp cơ học:

Là phương pháp bao gồm những quá trình mà khi nước thải đi qua sẽ thay
đổi tính chất hóa học và sinh học của nước. Xử lý cơ học nhằm nâng cao chất lượng
và hiệu quả của các bước tiếp theo.
•

Các phương pháp hóa học
Các phương pháp hóa học như: Trung hòa, keo tụ - tạo bông. Nguyên tắc
của phương pháp này là dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm có:
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. Ưu điểm của phương pháp là hiệu quả xử lý cao, thường được
sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín. Tuy nhiên, phương pháp hóa học
có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý
nước thải với quy mô lớn. Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lý
nước thải là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản
ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các
chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễm
môi trường.

•

Phương pháp sinh học
22


Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có
trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H 2S, Sunfit, ammonia, Nito… dựa
trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi
sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn. Một cách tổng
quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:
- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều
kiện không có oxy.
- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong
điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa
sinh hóa. Để thực hiện quá trình này các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chất
phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3
giai đoạn chính như sau:
-

Giai đoạn 1: Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinh vật.
Giai đoạn 2: Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch

-

nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào.
Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và
tổng hợp tế bào mới.
Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm
lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý.
Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, PH, dinh
dưỡng và các yếu tố vi lượng.
Các loại hình công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học bao gồm:

-

Phương pháp sinh học kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo
ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên phương trình
phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:
Chất hữu cơ

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
• Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;
• Giai đoạn 2: acid hóa;
23


• Giai đoạn 3: acetate hóa;
• Giai doạn 4: methan hóa.
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:
- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá
trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ
khí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB);
- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá
trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process).
- Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn:

- Oxy hóa các chất hữu cơ;
- Tổng hợp tế bào mới;
- Phân hủy nội bào.
Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điều
kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều
kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất
cao hơn rất nhiều.
Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí
nhân tạo có thể chia thành:
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu
được sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm
thoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí.
Trong số các quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất.
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá
trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản
ứng nitrate với màng cố định...
1.4.

Một số phương pháp xử lý phenol trong nước thải được áp dụng hiện nay[11]
• Dùng CO2 tới hạn để xử lý nước thải chứa phenol
Dùng CO2 tới hạn là một trong những phương pháp để chiết suất phenol có
trong nước thải. Phương pháp này cho thấy là tốn ít kinh phí hơn so với những

24


phương pháp khác như đốt cháy, oxy hóa không khí ẩm (oxy hóa nước tới hạn) và
phương pháp sinh học.
•

Oxy hóa chất xúc tác ở nhiệt độ thấp trong nguồn nước thải có chứa phenol
Phenol là một trong những chất hữu cơ thường thấy nhất có nguồn gốc từ
ngành công nghiệp chế biến hóa học. Ở nhiệt độ thấp, ôxi hóa chất xúc tác không
đồng nhất ở dạng lỏng của những hợp chất hữu cơ đã phân hủy có ý nghĩa lớn đối
với việc xử lý nước trên bề mặt và nước ngầm bị ô nhiễm, nước thải công nghiệp và
những nguồn nước thải khác. Khả năng cho việc xử lý ở điều kiện không khí và áp
suất thích hợp ổn định, so với phương pháp oxi hóa nước tới hạn và không khí ẩm
đã thành công thông qua việc sử dụng một chất xúc tác thuộc dòng lưỡng kim hoạt
động cực mạnh. Chất xúc tác thường dùng là muối kim loại (Cu, Fe, Ti…) hoặc
Zeolit kim loại.
C6H5OH + 7CO2 zeolit
6CO2 + 3H2O
Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là kim loại bị tan ra trong quá
trình phản ứng gây hiệu ứng ô nhiễm thứ cấp. Sử dụng Zeolit kim loại khắc phục
được nhược điểm trên nhưng để xử lý chất hữu cơ có kích thước phân tử lớn các

xúc tác này lại kém hiệu quả.
• Xử lý nước thải có chứa phenol bằng quá trình Fenton:[10]
Sử dụng phản ứng oxy hóa để phá hủy các chất độc hại là một phương pháp
xử lý ô nhiễm có hiệu quả. Nguyên tắc phản ứng Fenton để xử lý ô nhiễm nước thải
mà theo đó hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl
có khả năng phá hủy các chất hữu cơ. Trong một số trường hợp nếu phản ứng xảy ra
hoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành CO 2 và nước. Hiện nay các quy
định bảo vệ môi trường càng trở nên khắt khe hơn vì vậy phương pháp Fenton lại
càng được chú trọng.
Dùng cho phản ứng Fenton cần có xúc tác và chất oxy hóa. Chất xúc tác có
thể là muối sắt hai hoặc sắt ba còn chất oxy hóa là hyđro peroxit. Phản ứng tạo ra
gốc tự do hyđroxyl diễn ra như sau:
Fe2+ + H2O2

Fe3+ + OH- + OH.

Fe3+ + H2O2

Fe2+ + H+ + HOO.

2H2O2
25

H2O + OH. + HOO.