Nghiên cứu áp dụng công nghệ a2o với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LẠI MINH TIẾN

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ A2O VỚI SỢI VẬT
LIỆU ĐỆM TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT
Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Đặng Viết Hùng

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LẠI MINH TIẾN

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 13-03-1983

Nơi sinh: Quảng Bình

Chun ngành: Cơng Nghệ Mơi Trường

MSHV: 02506752

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ A2O VỚI SỢI VẬT
LIỆU ĐỆM TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu tổng quan về thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt
- Tìm hiểu về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dính bám và cơng
nghệ A2O (Anaerobic/Anoxic/Oxic)
- Nghiên cứu khả năng xử lý COD, NH4+-N, TKN, T-N và T-P của nước thải
sinh hoạt bằng mơ hình cơng nghệ A2O với sợi vật liệu đệm
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

:.....................

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

:.....................

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: TS. ĐẶNG VIẾT HÙNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chun ngành thơng qua.
Ngày
tháng
năm 2008
TRƯỞNG PHỊNG ĐT - SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


i

LỜI CẢM ƠN!

Để hoàn thành luận văn này trước hết con xin khắc ghi cơng ơn Ba Mẹ kính
u đã tần tảo vất vả ni con khơn lớn để có được như ngày hôm nay.
Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô giáo Trường Đại Học Bách Khoa Thành
Phố Hồ Chí Minh, Khoa Mơi Trường, đã truyền đạt cho em những kiến thức quý
báu trong suốt khóa học.
Xin gửi đến Thầy TS. Đặng Viết Hùng kính mến lịng biết ơn sâu sắc, cảm
ơn Thầy đã tận tình hướng dẫn em thực hiện luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc và cán bộ công nhân viên Trạm xử lý
nước thải tập trung Bình Hưng Hịa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời
gian thực hiện luận văn.
Cuối cũng xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người, bạn bè đã giúp đỡ và
động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.

TP.HCM, tháng 12/2008
Xin trân trọng cảm ơn!

Lại Minh Tiến


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nước thải sinh hoạt đã được nghiên cứu xử lý bằng công nghệ A2O
(Anaerobic/Anoxic/Oxic) với giá thể nhúng chìm theo 5 tải trọng tăng dần từ 0,5;
0,73; 1,12; 1,58 đến 2,05 kg COD/m3.ngày. Trong mỗi ngăn của mơ hình thí
nghiệm, sợi vật liệu đệm làm từ chất liệu polypropylene đã được cho vào với một
lượng chiếm thể tích 30% thể tích của mỗi ngăn nhằm tạo điều kiện sinh trưởng
bám dính cho cả vi sinh vật khử photpho, vi sinh vật nitrat hóa, vi sinh vật khử
nitrat hóa và vi sinh vật khử COD, BOD. Tại các thời gian lưu nước thuỷ lực (HRT)
tổng của hệ thống là 2,67 - 12 h, hiệu suất khử COD, NH4+-N, TKN, T-N và T-P đạt
được lần lượt là 91,77 - 98,25%, 75,67 - 94,82%, 64,68 - 90,08%, 48,49 - 63,23%
và 57,53 - 74,84%. Luận văn cũng xây dựng phương trình tương quan giữa nồng độ
COD, NH4+-N, TKN, T-N và T-P đầu ra cũng như hiệu suất xử lý của chúng với tải
trọng chất hữu cơ. Những kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng quá trình A2O với
sợi vật liệu đệm có thể được ứng dụng để xử lý chất hữu cơ (COD, BOD) và chất
dinh dưỡng (N, P) từ nước thải sinh hoạt. Với những ưu điểm trên, hệ thống A2O

với sợi vật liệu đệm thích hợp áp dụng cho các cơng trình xử lý nước thải sinh hoạt
vừa và nhỏ, yêu cầu chi phí đầu tư, vận hành và quản lý thấp, tiết kiệm được năng
lượng, diện tích xây dựng.


iii

ABSTRACT
Author’s Master dissertation has been carried out to examined organic
(COD, BOD) and nutrients (N, P) from municipal wastewater were eliminated
effectively in a lab-scale A2O process by increasing the organic loading rate (OLR)
from 0,5; 0,73; 1,12; 1,58 to 2,05 kg COD/m3.day. In the system, polypropylene
media were packed with a packing ratio of 30% based on the volume of each reactor
for attached growth of release phosphorus of bacteria, nitrifying bacteria,
denitrifying bacteria and heterotrophic bacteria. At a total HRT of the system of
2,67 - 12 hr, the system worked successfully obtaining the removal of COD, NH4+N, TKN, T-N and T-P: 91,77 - 98,25%, 75,67 - 94,82%, 64,68 - 90,08%, 48,49 63,23% and 57,53 - 74,84%, respectively. Besides, the dissertation has been
established the correlation equations to describe the relationship between effluent
concentration also removal efficiency of COD, NH4+-N, TKN, T-N, T-P and OLR,
respectively. The results of this research show that a A2O process packed with
polypropylene media could be applicable for treatment of organic and nutrients
from municipal wastewater.


iv

MỤC LỤC
Lời cảm ơn ................................................................................................................. i
Tóm tắt luận văn ........................................................................................................ ii
Mục lục...................................................................................................................... iv
Danh mục các bảng .................................................................................................. vii

Danh mục các hình.................................................................................................. viii
Danh mục các từ viết tắt............................................................................................. X

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ...................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu ..............................................2
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................2
1.2.2 Nội dung nghiên cứu..................................................................................2
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu............................................................................2
1.3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và tính mới của đề tài..............................2
1.3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài .......................................................................2
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài........................................................................3
1.3.3 Tính mới của đề tài ....................................................................................3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................4
2.1 Tổng quan về thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt ..................................4
2.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt ...............................8
2.2.1 Phương pháp cơ học...................................................................................8
2.2.2 Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học .....................8
2.2.2.1 Cơng trình xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên .............9
2.2.2.2 Cơng trình xử lý sinh học nước thải trong điều kiện nhân tạo.............9
2.2.3 Quá trình khử trùng..................................................................................10
2.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dính bám ..................................10
2.3.1 Cấu tạo lớp màng vi sinh vật....................................................................10
2.3.2 Cơ chế hình thành lớp màng vi sinh vật và hiện tượng tróc màng ..........10


v

2.3.3 Cơ chế trao đổi chất trên lớp màng sinh học ...........................................11

2.3.4 Tính chất của q trình màng sinh học bám dính ....................................11
2.3.5 Hệ vi sinh vật trên màng sinh học............................................................13
2.3.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình màng sinh học bám dính................14
2.4 Tổng quan về cơng nghệ A2O .........................................................................15
2.4.1 Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải .....................................18
2.4.1.1 Q trình phân hủy kỵ khí .................................................................18
2.4.1.2 Q trình phân hủy hiếu khí...............................................................21
2.4.2 Q trình loại bỏ nitơ (Nitrogen removal) ...............................................23
2.4.2.1 Q trình amon hóa (Ammonification)..............................................24
2.4.2.2 Q trình nitrat hóa (Nitrification).....................................................24
2.4.2.3 Q trình khử nitrat hóa (Denitrification)..........................................29
2.4.3 Q trình loại bỏ photpho (Phosphorus removal)....................................32
2.4.3.1 Mơ tả q trình...................................................................................32
2.4.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ photpho ........................35
2.5 Tình hình nghiên cứu áp dụng cơng nghệ A2O trong xử lý nước thải trên thế
giới và trong nước .................................................................................................37
2.5.1 Một số nghiên cứu ở nước ngồi..............................................................37
2.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ...........................................................46

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................47
3.1 Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................47
3.2 Mơ hình nghiên cứu ........................................................................................48
3.2.1 Cấu tạo mơ hình .......................................................................................48
3.2.2. Ngun tắc hoạt động .............................................................................49
3.3 Nội dung thí nghiệm .......................................................................................50
3.4 Phương pháp phân tích....................................................................................52

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - THẢO LUẬN............55
4.1 Nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ ........................................................55
4.2 Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ......................................................................63

vi

4.3 Nghiên cứu khả năng xử lý photpho ...............................................................78

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................86
5.1 Kết luận ...........................................................................................................86
5.2 Kiến nghị.........................................................................................................87

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................89
PHỤ LỤC A ........................................................................................................93
PHỤ LỤC B ........................................................................................................95
PHỤ LỤC C ......................................................................................................101


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần đặc trưng của nước thải đô thị chưa xử lý...............................7
Bảng 2.2 Thành phần nước thải trước xử lý của một khu dân cư điển hình ..............7
Bảng 3.1 Thành phần nước thải đơ thị Bình Hưng Hồ ...........................................47
Bảng 3.2 Thơng số sợi vật liệu đệm sinh học...........................................................48
Bảng 3.3 Thông số thiết kế và vận hành mơ hình thí nghiệm A2O ..........................49
Bảng 3.4 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích .....................................................52
Bảng 4.1 Tải trọng chất ô nhiễm hữu cơ và hiệu suất xử lý.....................................55
Bảng 4.2 Kết quả so sánh thực nghiệm và lý thuyết (LT) chỉ tiêu COD .................61
Bảng 4.3 Tải trọng nitơ Ammonia và hiệu suất xử lý ..............................................63
Bảng 4.4 Kết quả so sánh thực nghiệm và lý thuyết (LT) chỉ tiêu NH4+-N .............67
Bảng 4.5 Tải trọng nitơ Kjeldahl và hiệu suất xử lý ................................................70

Bảng 4.6 Kết quả so sánh thực nghiệm và lý thuyết (LT) chỉ tiêu TKN..................72
Bảng 4.7 Tải trọng nitơ tổng và hiệu suất xử lý .......................................................74
Bảng 4.8 Kết quả so sánh thực nghiệm và lý thuyết (LT) chỉ tiêu T-N ...................76
Bảng 4.9 Tải trọng photpho tổng và hiệu suất xử lý ................................................78
Bảng 4.10 Kết quả so sánh thực nghiệm và lý thuyết (LT) chỉ tiêu T-P..................85


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Cơ chế trao đổi chất của màng vi sinh vật.................................................11
Hình 2.2 Mơ hình hoạt động quá trình A2O truyền thống .......................................15
Hình 2.3 Phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí............................................19
Hình 2.4 Sự chuyển hóa nitơ trong q trình xử lý sinh học ...................................32
Hình 2.5 Sự chuyển hóa photpho trong q trình xử lý sinh học.............................34
Hình 3.1 Cấu tạo mơ hình thí nghiệm A2O ..............................................................49
Hình 4.1 Sự thay đổi COD qua các giai đoạn ở tải trọng 0,5 kg COD/m3.ngày......56
Hình 4.2 Sự thay đổi COD qua các giai đoạn ở tải trọng 0,73 kg COD/m3.ngày....56
Hình 4.3 Sự thay đổi COD qua các giai đoạn ở tải trọng 1,12 kg COD/m3.ngày....57
Hình 4.4 Sự thay đổi COD qua các giai đoạn ở tải trọng 1,58 kg COD/m3.ngày....57
Hình 4.5 Sự thay đổi COD qua các giai đoạn ở tải trọng 2,05 kg COD/m3.ngày....58
Hình 4.6 Sự thay đổi nồng độ COD trong suốt thời gian khảo sát...........................59
Hình 4.7 Sự thay đổi hiệu suất khử COD trong suốt thời gian khảo sát ..................59
Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn tương quan nồng độ COD dịng ra theo tải trọng...........62
Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn tương quan hiệu suất khử COD theo tải trọng................62
Hình 4.10 Sự thay đổi nồng độ NH4+-N trong suốt thời gian khảo sát ....................64
Hình 4.11 Sự thay đổi hiệu suất khử NH4+-N trong suốt thời gian khảo sát............64
Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn tương quan nồng độ NH4+-N dịng ra theo tải trọng.....66
Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn tương quan hiệu suất khử NH4+-N theo tải trọng .........66
Hình 4.14 Sự thay đổi nồng độ NO3- trong suốt thời gian khảo sát .........................67

Hình 4.15 Sự thay đổi nồng độ NO2- trong suốt thời gian khảo sát .........................69
Hình 4.16 Sự thay đổi nồng độ TKN trong suốt thời gian khảo sát.........................71
Hình 4.17 Sự thay đổi hiệu suất khử TKN trong suốt thời gian khảo sát ................71
Hình 4.18 Đồ thị biểu diễn tương quan nồng độ TKN dòng ra theo tải trọng .........73
Hình 4.19 Đồ thị biểu diễn tương quan hiệu suất khử TKN theo tải trọng..............73
Hình 4.20 Sự thay đổi nồng độ T-N trong suốt thời gian khảo sát ..........................75
Hình 4.21 Sự thay đổi hiệu suất khử T-N trong suốt thời gian khảo sát..................75


ix

Hình 4.22 Đồ thị biểu diễn tương quan nồng độ T-N dịng ra theo tải trọng...........77
Hình 4.23 Đồ thị biểu diễn tương quan hiệu suất khử T-N theo tải trọng ...............77
Hình 4.24 Sự thay đổi T-P qua các giai đoạn ở tải trọng 0,0060 kg T-P/m3.ngày...79
Hình 4.25 Sự thay đổi T-P qua các giai đoạn ở tải trọng 0,0086 kg T-P/m3.ngày...79
Hình 4.26 Sự thay đổi T-P qua các giai đoạn ở tải trọng 0,0139 kg T-P/m3.ngày...80
Hình 4.27 Sự thay đổi T-P qua các giai đoạn ở tải trọng 0,0214 kg T-P/m3.ngày...80
Hình 4.28 Sự thay đổi T-P qua các giai đoạn ở tải trọng 0,0284 kg T-P/m3.ngày...81
Hình 4.29 Sự thay đổi nồng độ T-P trong suốt thời gian khảo sát ...........................82
Hình 4.30 Sự thay đổi hiệu suất khử T-P trong suốt thời gian khảo sát ..................82
Hình 4.31 Đồ thị biểu diễn tương quan nồng độ T-P dòng ra theo tải trọng ...........84
Hình 4.32 Đồ thị biểu diễn tương quan hiệu suất khử T-P theo tải trọng ................84


x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A/O

: Anaerobic/Oxic: Quá trình kỵ khí/Hiếu khí

A1

: Q trình kỵ khí/Ngăn kỵ khí/Điều kiện kỵ khí

A2

: Q trình thiếu khí/Ngăn thiếu khí/ Điều kiện thiếu khí

A2O

: Anaerobic - Anoxic - Oxic: Kỵ khí - Thiếu khí - Hiếu khí

AOBs

: Ammonia - Oxydizing Bacteria: Vi khuẩn oxy hoá ammonia

BAF

: Biological Aerated Filter: Bể lọc sinh học hiếu khí

BOD

: Biological Oxygen Demand: Nhu cầu oxy sinh hóa

COD

: Chemical Oxygen Demand: Nhu cầu oxy hoá học

DNPAOs

: Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms: Vi sinh vật tích
lũy photphate khử nitrat

DO

: Dissolved Oxygen: Oxy hồ tan

EBPR

: Enhanced Biological Phosphorus Removal: Q trình loại bỏ
photpho sinh học tăng cường

F/M

: Food/Microrganism: Tỷ lệ chất hữu cơ/lượng vi khuẩn

HRT

: Hydraulic Retention Time: Thời gian lưu nước thủy lực

MLRR

: Mixed Liquor Recycling Ratios: Tỷ lệ tuần hoàn hỗn dịch

MLSS

: Mixed Liquor Suspended Solid: Hàm lượng chất rắn lơ lững hỗn
dịch

NR

: Nitrate Return: Tuần hoàn nitrat

OLR

: Organic Loading Rate: Tải trọng chất hữu cơ

Oxic

: Quá trình hiếu khí/Ngăn hiếu khí/ Điều kiện hiếu khí

PAOs

: Polyphosphate-Accumulating Organisms: VSV tích lũy phosphate

PHA

: Poly-β-hydroxylalkanoates

PHB

: Poly-β-hydroxybutyrate

RAS

: Return of Actived Sludge: Tuần hồn bùn hoạt tính

RBOM

: Rapidly Biodegradable Organic Matter: Chất hữu cơ dễ phân huỷ
sinh học


xi

SBR

: Sequencing Batch Reactor: Bể phản ứng theo mẽ

SS

: Suspended Solid: Chất rắn lơ lửng

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TDS

: Total Dissolved Solid: Tổng chất rắn hòa tan

TKN

: Total Kjeldahl Nitrogen: Tổng nitơ Kjeldahl

T-N

: Total nitrogen: Nitơ tổng

T-P

: Total phosphorus: Photpho tổng

TS

: Total Solids: Tổng chất rắn

TSS

: Total Suspended Solids: Tổng chất rắn lơ lửng

U.S.EPA

: U.S. Environmental Protection Agency: Cục bảo vệ môi trường Mỹ

VFAs

: Volatile Fatty Acids: Axit béo bay hơi


1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Kể từ khi bước vào thời kỳ mở cửa, hội nhập kinh tế với thế giới bên ngoài,
đất nước ta đã đạt được những thành tựu to lớn về kinh tế - xã hội - khoa học. Song
song với đó là q trình đơ thị hóa diễn ra khắp nơi với tốc độ phát triển mạnh mẽ.
Các khu đô thị, khu dân cư mới mọc ra ngày càng nhiều nhằm phục vụ nhu cầu ăn ở
của người dân, cuộc sống ngày càng được cải thiện. Cùng với đó, chúng ta phải giải

quyết một vấn đề nóng bỏng hiện nay là tình trạng ơ nhiễm môi trường phát sinh ra
từ các khu đô thị, khu dân cư này, nhất là vấn đề chất lượng môi trường nước.
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong xử lý nước
thải sinh hoạt, trong đó phương pháp sinh học đang được sử dụng phổ biến nhất ở
hầu hết các hệ thống xử lý vì những ưu điểm của nó cả về mặt kinh tế và mặt môi
trường. Trong các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt đang được áp dụng hiện nay
thì cơng nghệ A2O (Anaerobic/Anoxic/Oxic) được xem là một giải pháp rất phù
hợp. Cơng nghệ A2O được thiết kế dựa trên mơ hình động học xử lý COD, BOD,
nitơ (N), photpho (P) đã được nghiên cứu và áp dụng khá nhiều ở các nước. Ở Việt
Nam, công nghệ A2O cũng đã được áp dụng trong một số cơng trình xử lý nước thải
khu dân cư nhưng chưa có các cơng trình nghiên cứu công bố về các thông số vận
hành của công nghệ này trong xử lý nước thải sinh hoạt.
Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng công nghệ A2O với sợi vật liệu đệm
để xử lý nước thải sinh hoạt. Đây là quá trình khác biệt so với quá trình bùn hoạt
tính truyền thống, đó là sinh khối phát triển và dính bám vào bề mặt chất mang
(Wang et al., 1991; Park et al., 1995, 1996), là công nghệ cải tiến của cơng nghệ
A2O truyền thống, trong đó kết hợp 3 q trình kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí trong một
đơn vị xử lý nước thải. Với sự kết hợp này sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý, giảm
thời gian lưu nước (HRT), năng lượng chi phí cho q trình xây dựng và vận hành
hệ thống, đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải với tải lượng hữu cơ, nitơ,
photpho cao.


2

Với mong muốn được đóng góp phần nhỏ trong nhiệm vụ nghiên cứu xử lý
nước thải sinh hoạt đô thị hiện nay và đồng thời cũng là nhiệm vụ của luận văn tốt
nghiệp cao học mà đề tài “Nghiên cứu áp dụng công nghệ A2O với sợi vật liệu
đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt” được đề xuất.
1.2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ A2O với sợi vật liệu đệm trong xử
lý nước thải sinh hoạt.
1.2.2 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt.
Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt.
Nghiên cứu khả năng xử lý photpho trong nước thải sinh hoạt.
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp sẽ được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn:
−

Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa

−

Phương pháp tổng hợp tài liệu

−

Phương pháp lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước thải

−

Phương pháp thực nghiệm trong phịng thí nghiệm

−

Phương pháp thống kê xử lý số liệu

1.3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và tính mới của đề tài

1.3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nghiên cứu kết hợp quá trình sinh trưởng lơ lửng và quá trình bám dính
trong cùng một hệ thống của q trình A2O trong xử lý nước thải để tăng cường
hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành và xây dựng. Nghiên cứu đã kế thừa các
nghiên cứu về quá trình A2O trong xử lý nước thải ở trong và ngoài nước. Đề tài đã
thực hiện nghiên cứu áp dụng công nghệ A2O với sợi vật liệu đệm để xử lý triệt để
chất hữu cơ và chất dinh dưỡng có trong nước thải sinh hoạt dựa trên kết quả nghiên
cứu thực nghiệm có cơ sở khoa học và thực tế. Tồn bộ kết quả nghiên cứu của luận
văn được thu thập từ quá trình nghiên cứu thực nghiệm cụ thể của tác giả có căn cứ


3

khoa học rõ ràng. Các số liệu được thu thập thơng qua q trình thực nghiệm và
được xử lý bằng các phương pháp thống kê toán học trên phần mềm Excel và
Statgraphics Centurion v.XV.I nên đảm bảo tính khoa học của đề tài.
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Mặc dù nước thải sinh hoạt có nồng độ chất ơ nhiễm thấp nhưng do lưu
lượng thải ra rất lớn nên mức độ gây ô nhiễm rất cao. Việc lựa chọn tìm ra giải pháp
cho việc xử lý triệt để chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt ở
điều kiện cụ thể của Việt Nam là một địi hỏi cấp bách và thiết thực nhằm bảo vệ
mơi trường nói chung và tài ngun nước nói riêng.
Cơng nghệ A2O với sợi vật liệu đệm với ưu điểm có thể kết hợp xử lý triệt để
đồng thời COD, nitơ, photpho trong một hệ thống với hiệu quả cao nhằm đáp ứng
yêu cầu xả thải ngày càng nghiêm ngặt của tiêu chuẩn môi trường Việt Nam hiện tại
cũng như trong tương lai. Hệ thống A2O với sợi vật liệu đệm thích hợp áp dụng cho
các cơng trình xử lý nước thải sinh hoạt vừa và nhỏ, yêu cầu chi phí đầu tư, vận
hành và quản lý thấp, tiết kiệm được năng lượng, diện tích xây dựng. Vì vậy, việc
ứng dụng công nghệ A2O với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt sẽ
mang tính thực tiễn cao.

1.3.3 Tính mới của đề tài
Hiện nay, ở Việt Nam, việc xử lý nitơ, photpho trong nước thải ít được quan
tâm vì lý do kỹ thuật phức tạp và chi phí khá đắt. Trong khi đó, cơng nghệ A2O với
sợi vật liệu đệm tạo giá thể dính bám có thể kết hợp các khả năng xử lý đồng thời
COD, nitơ, photpho trong một hệ thống với hiệu quả cao, chi phí thấp và địi hỏi ít
diện tích mặt bằng. Đồng thời, hiện nay ở Việt Nam chưa có cơng trình nghiên cứu
về quá trình A2O với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải. Do đó, việc ứng dụng
cơng nghệ A2O với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt là điểm mới của
nghiên cứu này.


4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Tổng quan về thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích
sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân… Chúng thường
được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các cơng trình
cơng cộng khác. Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân
số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Tiêu chuẩn cấp nước
sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấp nước của các nhà
máy nước hay các trạm cấp nước hiện có. Các trung tâm đơ thị thường có tiêu
chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nơng thơn, do đó lượng
nước thải sinh hoạt tính theo đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông
thôn. Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đơ thị thường được thốt bằng hệ thống
thốt nước dẫn ra các sơng rạch, cịn ở các vùng ngoại thành và nơng thơn do khơng
có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ
hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm.
Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm hai loại là (1) Nước thải nhiễm bẩn
do sự bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh, (2) Nước thải nhiễm bẩn do các

chất thải sinh hoạt như cặn bã từ nhà bếp, các chất rữa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn
nhà.
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau,
trong đó khoảng 58% là các chất hữu cơ có nguồn gốc động vật và thực vật, 42% là
các chất vô cơ gồm cát, đất sét, xỉ quặng, các muối khống, các axit vơ cơ, kiềm,
các dầu khống.
Các chất hữu cơ có nguồn gốc động vật có trong nước thải sinh hoạt bao
gồm: các chất bài tiết của con người và động vật, cặn bã xác động vật… Đặc điểm
của chúng là có chứa hàm lượng lớn các chất N, P.
Các chất hữu cơ thực vật chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm: các chất
cặn bã thực vật, rau quả, giấy…


5

Thành phần hóa học của nước thải sinh hoạt bao gồm:
Các axit bay hơi: khoảng một nữa độ axit có trong nước thải sinh hoạt mới
xả ra là do có chứa axit bay hơi. Nồng độ trung bình của axit bay hơi trong nước
thải sinh hoạt là 8,5 - 20,1 ppm.
Các axit khơng bay hơi: ít nhất có khoảng 12 loại axit khơng bay hơi dạng
hồ tan trong nước thải mới xả ra. Nồng độ lớn nhất của mỗi loại axit này khoảng 1
ppm và đa phần thường khoảng 0,1 ppm.
Các axit béo bậc cao: khoảng hai phần ba hàm lượng axit béo bậc cao tìm
thấy trong nước thải sinh hoạt mới xả ra là axit palmitic, axit stearic, axit oleic.
Nồng độ của chúng xấp xỉ nhau.
Các protein và các axit amin: có khoảng 20 loại axit amin trong nước thải và
chúng chiếm khoảng 45 - 50% tổng lượng nitơ trong nước thải sinh hoạt.
Các hydrocacbon: có nhiều dạng đường tan trong nước thải mới xả ra, đó là
glucose, saccarose, lactose, fructose, pentose…
Ngồi ra cịn có một số lượng lớn các vi sinh vật (VSV), phần lớn thường ở

dạng virút và các vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn… Đồng thời trong nước
thải sinh hoạt cũng có chứa các vi khuẩn khơng có hại có tác dụng phân huỷ các
chất thải.
Tuy nhiên trung bình có thể đánh giá rằng khoảng hai phần ba lượng chất rắn
là các chất hữu cơ có phân tử khối lớn, trong đó 40 - 60% là protein, 25 - 50% là
hydrat cacbon. Các chất hữu cơ phân tử khối lớn lại bao gồm các phân tử đơn giản
bao gồm các nguyên tố cacbon, hydro, oxy, nitơ, photpho, đôi khi cả sulphur. Nồng
độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450 mg/l
theo trọng lượng khơ. 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 ơ nhiễm mơi trường nghiêm
trọng.
Ngồi những chất đặc trưng trên, trong nước thải sinh hoạt còn chứa các chất
hữu cơ khác như chất béo, mỡ, chất hoạt động bề mặt.


6

Đặc điểm quan trọng của nước thải sinh hoạt là thành phần, tính chất của
chúng tương đối ổn định. Tính chất nước thải giữ vai trò rất quan trọng trong thiết
kế, vận hành hệ thống xử lý và quản lý chất lượng môi trường. Sự dao động về lưu
lượng và tính chất nước thải quyết định tải trọng thiết kế cho các cơng trình đơn vị.
Thành phần, tính chất nước thải đô thị ở nước ta khác xa so với nước thải của các
nước công nghiệp phát triển bởi các lý do chính:
-

Mức sống trung bình của xã hội trong các đơ thị cịn thấp nên lượng chất
thải hữu cơ theo đầu người khơng cao.

-

Hầu hết các nhà đều có bể tự hoại (cho dù hoàn thiện hay chưa hoàn thiện),
do đó trước khi xả vào cho cống, nước thải cũng đã được xử lý một phần
bằng quá trình sinh học kỵ khí.

-

Mạng lưới thốt nước ở đơ thị nước ta chưa hồn thiện, về mùa khơ nước
thải đọng lại trong cống rất lâu, do vậy, trên thực tế cho dù khơng mong
muốn cũng đã xảy ra q trình xử lý kỵ khí tương tự như trong bể tự hoại.

Vì những lý do này dẫn đến một số đặc trưng:
-

Nồng độ nhiễm bẩn thấp hơn nhiều so với nước thải ở các nước công nghiệp
phát triển. Ở những thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh,
BOD5 thường là 150 - 200 mg/l trong khi các đô thị khác là 100 - 150 mg/l.

-

Nồng độ các chất rắn lơ lửng thường dao động rất lớn. Về mùa khô rất thấp
nhưng khi có mưa lại tăng đột ngột, thậm chí cao hơn hàng chục lần.

-

Nồng độ NH4+ và H2S cao, cho nên trong xử lý nước thải nếu lựa chọn giải
pháp xử lý bằng sinh học sẽ thuận lợi hơn so với hoá lý.
Đối với những nguồn thải đã qua bể tự hoại thì mức độ ơ nhiễm giảm, COD

của nước thải trong bể tự hoại giảm từ 25 - 50%. Nồng độ của các chất bẩn trong

dòng nước thải ra khỏi bể tự hoại nằm trong khoảng: BOD5: 120 - 140 mg/l; TS: 50
- 100 mg/l; NH4+: 20 - 50 mg/l; NO3-: < 1 mg/l; T-N: 25 - 80 mg/l; T-P: 10 - 20
mg/l; Tổng coliform: 103 - 106 MPN/100ml.


7

Bảng 2.1 Thành phần đặc trưng của nước thải đô thị chưa xử lý
Chỉ tiêu phân tích

Đơn vị

Giá trị

COD

mg/l

315

BOD

mg/l

250

SS

mg/l

270

TDS

mg/l

750

Chlorua

mg/l

100

Ammonia

mg/l

32

Photphat

mg/l

12,5

Coliform

MPN/100ml

13.106

(Nguồn: Trần Đức Hạ, Xử lý nước thải đô thị, 2006).
Bảng 2.2 Thành phần nước thải trước xử lý của một khu dân cư điển hình
Nồng độ
Chất ơ nhiễm

Đơn vị

Thấp

Trung bình

Cao

mg/l

350

720

1200

mg/l

250

500

850

Cố định

mg/l

145

300

525

Bay hơi

mg/l

105

200

325

mg/l

100

220

350

Cố định

mg/l

20

55

75

Bay hơi

mg/l

80

165

275

mg/l

5

10

20

BOD5

mg/l

110

220

400

TOC

mg/l

80

160

290

COD

mg/l

250

500

1000

Nitơ

mg/l

20

40

85

Hữu cơ

mg/l

8

15

35

Ammonia

mg/l

12

25

50

Nitrit

mg/l

0

0

0

Tổng chất rắn (TS)
Tổng chất rắn hoà tan

Chất rắn lơ lửng (SS)

Chất rắn lắng được


8

Nitrat

mg/l

0

0

0

Photpho

mg/l

4

8

15

Hữu cơ

mg/l

1

3

5

Vơ cơ

mg/l

3

5

10

Chlor

mg/l

30

50

100

Sulfate

mg/l

20

30

50

Độ kiềm

mg/l

50

100

200

Mỡ

mg/l

50

100

150

No/100ml

106 - 107

107 - 108

107 - 109

µg/l

<100

100 - 400

> 400

Tổng coliform
Chất hữu cơ bay hơi

(Nguồn: Metcalf and Eddy, Inc.: Wastewater Engineering, Treatment and Reuse,
Fourth edition, McGraw-Hill, 2003).
2.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt nhìn chung thường có thể được xử lý bằng các phương

pháp như cơ học, sinh học và khử trùng.
2.2.1 Phương pháp cơ học
Phương pháp xử lý cơ học nhằm loại bỏ các tạp chất không hoà tan và một
phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải bằng cách gạn lọc, lắng và lọc. Phương
pháp này thường ứng dụng với các cơng trình xử lý như song chắn rác, bể lắng cát,
bể điều hoà, các loại bể lắng ngang, đứng hay ly tâm, …
Phương pháp xử lý cơ học có thể loại bỏ đến 60% các tạp chất khơng hồ tan
có trong nước thải sinh hoạt và giảm BOD đến 20%. Thơng thường thì xử lý cơ học
chỉ là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi cho quá trình xử lý sinh học.
2.2.2 Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống và
hoạt động của vi sinh vật có tác dụng phân hố những chất hữu cơ. Do kết quả của
q trình sinh hố phức tạp mà những chất bẩn hữu cơ được khoáng hoá và trở
thành nước, những chất vơ cơ và những chất khí đơn giản.


9

Các cơng trình xử lý sinh học có thể phân thành hai nhóm: các cơng trình xử
lý sinh học trong điều kiện tự nhiên và các cơng trình xử lý sinh học trong điều kiện
nhân tạo.
2.2.2.1 Cơng trình xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và
nguồn nước. Việc xử lý nước thải thực hiện trên các cơng trình như: cánh đồng tưới,
bãi lọc, hồ sinh học… Nước thải sinh hoạt chứa nhiều vi khuẩn gây bệnh và trứng
giun sán. Khi lắng sơ bộ nước thải có thể giữ lại được 50 - 60% tổng số vi khuẩn
cùng với các chất lơ lửng ở dạng cặn lắng. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh
học tự nhiên có thể giảm tới 90 - 95% lượng vi trùng.
2.2.2.2 Cơng trình xử lý sinh học nước thải trong điều kiện nhân tạo
a. Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí

Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí dựa trên nhu cầu oxy cần cung
cấp cho vi sinh vật hiếu khí có trong nước thải hoạt động và phát triển. Quá trình
này của vi sinh vật được gọi chung là hoạt động sống bao gồm hai quá trình dị
dưỡng sử dụng các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào mới, phát
triển tăng sinh khối; và quá trình phân huỷ các chất hữu cơ còn lại tạo thành CO2 và
nước. Các biện pháp này thường được sử dụng trong các cơng trình xử lý nước thải
bể bùn hoạt tính aeroten, các bể lọc sinh học, mương oxy hoá, các loại đĩa sinh học
quay (Rotating Biological Contactor = RBC)…
b. Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí
Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi
khuẩn kỵ khí phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện mơi trường khơng có oxy
tạo sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí chủ yếu là CH4 và CO2. Các cơng trình xử lý
sinh học kỵ khí gồm có bể metan, bể lắng hai vỏ, bể tự hoại, bể lọc kỵ khí… Ưu
điểm của phương pháp này là hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao
ngay cả khi tải trọng chất hữu cơ cao và nhiệt độ thấp. Cấu trúc và hoạt động của
thiết bị là tương đối đơn giản. Diện tích mặt bằng ít, tiêu thụ ít năng lượng và lượng


10

bùn sinh ra thấp. Tuy nhiên quá trình vận hành khởi động hệ thống lâu và quá trình
hoạt động sinh mùi hơi (H2S).
2.2.3 Q trình khử trùng
Khử trùng nước thải là cơng đoạn cuối cùng của q trình xử lý nước thải
nhằm loại bỏ vi trùng và virút gây bệnh có trong nước thải trước khi xả vào nguồn
nước tiếp nhận. Để tiến hành khử trùng nước thải, có thể dùng Cl và các hợp chất
chứa Cl. Ngồi ra cịn có thể tiến hành khử trùng bằng ozon, H2O2, UV, sóng siêu
âm… nhưng cần phải xem xét đến khía cạnh kinh tế.
2.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dính bám
Q trình VSV dính bám là q trình xử lý nước thải thông qua hoạt động

của các VSV tồn tại ở trạng thái bám dính trên bề mặt các giá thể tạo thành các lớp
màng vi sinh.
2.3.1 Cấu tạo lớp màng vi sinh vật
Màng vi sinh là một cấu trúc không đồng nhất, bao gồm những cụm tế bào
rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt giá thể thơng qua tập hợp polymer ngoại bào
(gelatin) do chính các VSV sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất và tiêu hủy tế
bào. Giữa các cụm tế bào hình thành các lỗ rỗng theo chiều ngang và chiều đứng tạo
ra các kênh vận chuyển.
2.3.2 Cơ chế hình thành lớp màng vi sinh vật và hiện tượng tróc màng
Nước thải chảy qua bề mặt giá thể mang theo các VSV, các VSV này trong
quá trình trao đổi chất sẽ tiết ra các polymer ngoại bào để bám dính vào bề mặt giá
thể. Được cung cấp chất hữu cơ từ nước thải, các VSV phát triển về số lượng và bao
phủ toàn bộ bề mặt giá thể. Lớp màng VSV này ngày càng dày lên nên các VSV ở
phía bên trong ít có cơ hội tiếp xúc với oxy cũng như chất hữu cơ. Trên màng sẽ
hình thành vùng hiếu khí ở bên ngồi và kỵ khí ở bên trong. Màng này cứ dày thêm
và thực chất đây là sinh khối vi sinh dính bám trên giá thể. Màng này có khả năng
oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải khi chảy qua hoặc tiếp xúc. Ngoài ra
màng này cịn có khả năng hấp thụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán...


11

Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài VSV khác nhau, có hoạt tính oxy
hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Màng này dày từ 1 - 3
mm và hơn nữa. Màu của màng thay đổi tuỳ theo thành phần của nước thải từ vàng
xám đến nâu tối. Khi lớp màng quá dày, cơ chất không thể khuếch tán vào lớp bên
trong, các VSV ở lớp kỵ khí bên trong khơng đủ chất hữu cơ để phát triển và xảy ra
quá trình hô hấp nội bào. Các tế bào này sẽ già và chết gây ra hiện tượng “màng lột
xác”.
2.3.3 Cơ chế trao đổi chất trên lớp màng sinh học

Hình 2.1 Cơ chế trao đổi chất của màng VSV
Như vậy, lớp màng vi sinh có thể tạm chia thành hai vùng hiếu khí và thiếu
khí. Ở vùng hiếu khí phía bên ngồi, cơ chất sẽ được oxy hóa sinh hóa với sự có
mặt của O2 tạo ra CO2, NO3-… Ở vùng thiếu khí phía bên trong xảy ra các q trình
khử nitrat hóa để chuyển NO3- thành N2 hoặc khử SO42- thành H2S. Đây là đặc điểm
khác biệt và là ưu thế của q trình VSV bám dính so với q trình VSV lơ lửng.
2.3.4 Tính chất của q trình màng sinh học bám dính
• Đặc tính dính bám của màng sinh học