Nghiên cứu cải tiến nâng cao hiệu quả xử lý của thiết bị lọc sinh học ngập nước ứng dụng trong xử lý nước thải

§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 1 Lêi c¶m ¬n T«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi TS. Phan §ç Hïng ®∙ lu«n lu«n quan t©m gióp ®ì vµ h−íng dÉn t«i hÕt søc tËn t×nh, chu ®¸o trong suèt qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n tèt nghiÖp. T«i còng xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thÇy c« gi¸o trong khoa C«ng nghÖ sinh häc vµ M«i Tr−êng, Tr−êng §¹i Häc Ph−¬ng §«ng ®∙ tËn t×nh gi¶ng d¹y, truyÒn ®¹t kiÕn thøc cho t«i trong suèt thêi gian häc tËp t¹i ®©y. §ång thêi t«i còng xin göi lêi c¶m ¬n tíi c¸c c¸n bé phßng thÝ nghiÖm – ViÖn C«ng nghÖ M«i Tr−êng – ViÖn Khoa Häc vµ C«ng NghÖ ViÖt Nam ®∙ h−íng dÉn, t¹o ®iÒu kiÖn vµ gióp ®ì t«i trong suèt qu¸ tr×nh lµm thùc nghiÖm. Cuèi cïng, t«i xin ch©n thµnh ®−îc göi lêi c¶m ¬n s©u s¾c tíi gia ®×nh, ng−êi th©n vµ b¹n bÌ ®∙ ®éng viªn khÝch lÖ, gióp ®ì t«i hoµn thµnh luËn v¨n nµy. Hµ Néi, th¸ng 5 n¨m 2009 Sinh viªn NguyÔn ThÞ Ph−¬ng §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 2 Danh môc h×nh H×nh 1.1 - §−êng cong clo ho¸ tíi ®iÓm ®ét biÕn ®èi víi níc cã amoni ............ 12 H×nh 1.2 - Mét sè quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý nito trong níc th¶i ................. 16 H×nh 1.3 - Qu¸ tr×nh khö nitrat trªn mµng tÕ bµo chÊt cña vi khuÈn ............. 18 H×nh 1.4- ¶nh h−ëng cña pH tíi vi khuÈn nitrat ho¸ .............................. 20 H×nh 2.1 - Than tre ®îc cacbon hãa ............................................................... 29 H×nh 2.2 - S¬ ®å thÝ nghiÖm xö lý amoni ....................................................... 31 H×nh 2.3 - HÖ läc sinh häc ngËp níc cã thÓ cÊp khÝ tù ®éng theo chu kú ..... 31 H×nh 3.1- HiÖu qu¶ suÊt xö lý COD ë c¸c chÕ ®é sôc khÝ kh¸c nhau ............ 33 H×nh 3.2 - HiÖu suÊt xö lý T – N ë c¸c chÕ ®é sôc khÝ kh¸c nhau ............... 34 H×nh 3.3 - HiÖu suÊt xö lý NH4 ë c¸c chÕ ®é sôc khÝ kh¸c nhau .................. 35 H×nh 3.4 - HiÖu suÊt xö lý COD ë c¸c thêi gian l−u (l−u l−îng) kh¸c nhau . 36 H×nh 3.5 - HiÖu suÊt xö lý T – N ë thêi gian l−u (l−u l−îng) kh¸c nhau ....... 37 Danh môc b¶ng B¶ng 1.1 - ChÊt lîng níc t¹i mét sè huyÖn thuéc tØnh Hµ Nam .............................. 6 B¶ng 1.2 - Hµm lîng NH4 + t¹i ®Çu ra cña c¸c nhµ m¸y níc ë Hµ Néi .................... 7 B¶ng 1.3 - Tiªu chuÈn mét sè quèc gia vÒ c¸c hîp chÊt nit¬ trong níc cÊp .................. 11 B¶ng 1.4 - C¸c chÊt h÷u c¬ vµ nång ®é g©y øc chÕ vi khuÈn nitrat ho¸ ................. 20 B¶ng 1.5 - Nång ®é NH4 + vµ NO2 - g©y øc chÕ nitrobacter ..................................... 22 B¶ng 2.1 - Th«ng sè kü thuËt cña m« h×nh thÝ nghiÖm ........................................... 30 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 3 Më ®Çu Trªn thÕ giíi còng nh− ë ViÖt Nam viÖc nghiªn cøu ra c¸c ph−¬ng ph¸p ®Ó xö lý n−íc cã c¸c thµnh phÇn « nhiÔm ®ang rÊt ®−îc quan t©m. KÕt qu¶ cña viÖc nghiªn cøu ®ã lµ ®· ph¸t hiÖn ra rÊt nhiÒu ph−¬ng ph¸p sinh häc, hãa häc vµ hãa lý. Mét trong nh÷ng ph−¬ng ph¸p sinh häc ®ang rÊt ®−îc quan t©m lµ ph−¬ng ph¸p läc sinh häc (biofiltration). §©y lµ mét c«ng nghÖ ®iÒu khiÓn sù « nhiÔm míi. Nã bao gåm sù lo¹i bá vµ oxi hãa nh÷ng hîp chÊt khÝ bÞ nhiÔm bÈn nhê vi sinh vËt. Tr−íc ®©y, läc sinh häc ®−îc thiÕt lËp rÊt tèt trong c«ng nghÖ ®iÒu khiÓn « nhiÔm ë §øc vµ Hµ Lan vµ nã còng thu hót ®−îc sù quan t©m ë B¾c Mü nh−ng ngµy nay th× ph−¬ng ph¸p nµy ®· ®−îc ¸p dông mét c¸ch réng r·i ë c¸c n−íc trªn thÕ giíi vµ ë ViÖt Nam. Läc sinh häc cã thÓ xö lý nh÷ng ph©n tö khÝ h÷u c¬, nh÷ng hîp chÊt h÷u c¬ bay h¬i (Volatile Organic Compound- VOC's) hoÆc c¸c hîp chÊt cacbon, hay nh÷ng chÊt khÝ ®éc v« c¬, amoni, H2S. Nh− chóng ta ®· biÕt hiÖn nay, n−íc th¶i giµu dinh d−ìng lµ mét trong nh÷ng nguån chñ yÕu g©y « nhiÔm m«i tr−êng vµ lµm suy gi¶m chÊt l−îng nguån n−íc. Nguån n−íc th¶i giµu dinh d−ìng rÊt ®a d¹ng vµ phøc t¹p: n−íc th¶i tõ c¸c chuång tr¹i, ch¨n nu«i, lß mæ, nhµ m¸y chÕ biÕn thùc phÈm, thuéc da, n−íc th¶i n«ng nghiÖp, n−íc th¶i sinh ho¹t, … Nh×n chung trong thµnh phÇn cña nh÷ng lo¹i n−íc th¶i nµy th−êng chøa N, P víi hµm l−îng cao. Nguån n−íc th¶i nµy kh«ng qua xö lý ®−îc x¶ trùc tiÕp vµo c¸c thñy vùc g©y ra c¸c hiÖn t−îng: phó d−ìng, lµm gi¶m oxy hßa tan trong n−íc, ph¸ hñy hÖ ®éng, thùc vËt thñy sinh cña c¸c thñy vùc tiÕp nhËn, g©y mïi h«i thèi ¶nh h−ëng ®Õn c¶nh quan, m«i tr−êng, søc kháe cña con ng−êi vµ thËm chÝ cã thÓ lµm chÕt c¸c loµi ®éng vËt sèng d−íi n−íc. B×nh th−êng thùc vËt trong c¸c thñy vùc ph¸t triÓn c©n b»ng víi l−îng ®éng vËt trong chuçi thøc ¨n vµ bÞ giíi h¹n bëi hµm l−îng c¸c chÊt dinh d−ìng. Tuy nhiªn, nÕu ®−a vµo nguån tiÕp nhËn qu¸ nhiÒu chÊt dinh d−ìng N, P sÏ dÉn ®Õn sù ph¸t triÓn bïng næ c¸c loµi thùc vËt thñy sinh nh− rong, t¶o vµ c¸c lo¹i thùc vËt tr«i næi kh¸c. Khi c¸c sinh vËt nµy chÕt ®i sÏ g©y ra c¸c hiÖn t−îng nh− “dßng s«ng chÕt” §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 4 do ®ã khã cã thÓ kiÓm so¸t ®−îc vµ dÉn ®Õn lµm suy gi¶m chÊt l−îng nguån n−íc vµ g©y nªn « nhiÔm cho m«i tr−êng. Lùa chän ph−¬ng ph¸p läc sinh häc ®Ó xö lý lo¹i n−íc th¶i nµy lµ rÊt phï hîp tuy nhiªn t¹i ViÖt Nam, c¸c c«ng nghÖ xö lý n−íc th¶i cßn ch−a ®−îc quan t©m, do nhiÒu lý do nh− c«ng nghÖ phøc t¹p, chi phÝ cao,… XuÊt ph¸t tõ lý do trªn chóng t«i ®· lùa chän ®Ò tµi “nghiªn cøu c¶i tiÕn n©ng cao hiÖu qu¶ xö lý cña thiÕt bÞ läc sinh häc ngËp n−íc øng dông trong xö lý n−íc th¶i”. Môc tiªu cña ®Ò tµi: C¶i tiÕn thiÕt bÞ läc sinh häc nh»m ®¬n gi¶n hãa qui tr×nh vµ n©ng cao hiÖu qu¶ xö lý. Bè côc cña luËn v¨n ®−îc chia thµnh c¸c phÇn nh− sau: Më ®Çu Ch−¬ng I: Tæng quan tµi liÖu Ch−¬ng II: VËt liÖu vµ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu Ch−¬ng III: KÕt qu¶ vµ th¶o luËn Ch−¬ng IV: KÕt luËn vµ KiÕn nghÞ. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 5 CH¦¥NG I – TæNG QUAN 1.1. HiÖn tr¹ng ¸p dông ph−¬ng ph¸p läc sinh häc ngËp n−íc ®Ó xö lý n−íc th¶i Ph−¬ng ph¸p läc sinh häc lÇn ®Çu tiªn ®−îc ¸p dông ë Mü n¨m 1891 vµ ë Anh n¨m 1893. Ngµy nay ph−¬ng ph¸p nµy ®· ®−îc ph¸t triÓn vµ cã thÓ chia thµnh hai lo¹i: Läc sinh häc víi vËt liÖu tiÕp xóc kh«ng ngËp n−íc vµ läc sinh häc cã vËt liÖu tiÕp xóc ®Æt ngËp trong n−íc. §èi víi mçi ph−¬ng ph¸p thÝch hîp ®Ó xö lý tõng lo¹i n−íc th¶i cã ®Æc tÝnh kh¸c nhau. Ph−¬ng ph¸p läc sinh häc víi vËt liÖu tiÕp xóc kh«ng ngËp n−íc cã −u ®iÓm lµ tiªu hao n¨ng l−îng thÊp, tuy nhiªn nã còng cã mét sè nh−îc ®iÓm nh−: dÔ bÞ t¾c nghÏn, bïn d− kh«ng æn ®Þnh, hiÖu suÊt lµm s¹ch kh«ng cao, gi¸ thµnh thiÕt bÞ cao,…v× thÕ ph−¬ng ph¸p nµy chØ phï hîp víi mét sè ®èi t−îng n−íc th¶i nhÊt ®Þnh nh− n−íc th¶i cã hµm l−îng BOD, SS, nito thÊp. §èi víi läc sinh häc cã líp vËt liÖu ngËp trong n−íc ¸p dông cho viÖc xö lý n−íc th¶i cã chøa ®ång thêi chÊt h÷u c¬ vµ N, P, lo¹i bá ®−îc chÊt r¾n huyÒn phï. Ph−¬ng ph¸p läc sinh häc ngËp n−íc còng rÊt thÝch hîp ®Ó nitrat hãa vµ khö nitrat. Cã rÊt nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®−îc øng dông ®Ó xö lý n−íc th¶i nãi chung vµ n−íc th¶i chøa c¸c thµnh phÇn dinh d−ìng nãi riªng nh−ng kh«ng ph¶i ph−¬ng ph¸p nµo còng mang l¹i hiÖu qu¶ cao, vËn hµnh ®¬n gi¶n vµ tiÕt kiÖm chi phÝ. Trªn thùc tÕ, cã rÊt nhiÒu quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý c¸c thµnh phÇn dinh d−ìng b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc hiÕu khÝ – thiÕu khÝ kh¸c nhau. C«ng nghÖ xö lý Nito trong n−íc th¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc ®· ®−îc nghiªn cøu vµ ®−a vµo øng dông thùc tÕ tõ nh÷ng n¨m 1960. Trªn thùc tÕ, cã rÊt nhiÒu quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý Nito b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc kh¸c nhau. Chóng gièng nhau ë nguyªn lý lµ thùc hiÖn c¸c qu¸ tr×nh nitrat hãa vµ khö nitrat hãa nh−ng kh¸c nhau ë c¸ch s¾p xÕp tr×nh tù c¸c qu¸ tr×nh s¬ ®å xö lý vµ nguån cacbon sö dông. C¸c qu¸ tr×nh nµy cã thÓ lµ c¸c qu¸ tr×nh sinh tr−ëng l¬ löng, sinh tr−ëng b¸m dÝnh hay sinh tr−êng l¬ löng – b¸m dÝnh kÕt hîp. Mét sè quy tr×nh c¬ b¶n th−êng ®−îc øng dông ®Ó xö lý n−íc th¶i chøa c¸c thµnh phÇn dinh d−ìng nh− sau: §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 6 §èi víi quy tr×nh (1) vµ (2) qu¸ tr×nh vËn hµnh phøc t¹p, chi phÝ ®Çu t− lín. Quy tr×nh (3) do qu¸ tr×nh lµm viÖc theo mÎ nªn vËn hµnh vµ kiÓm so¸t phøc t¹p, thÓ tÝch thiÕt bÞ lín. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong ®Ò tµi cÊp c¬ së chän läc n¨m 2006 cña ViÖn C«ng NghÖ M«i Tr−êng cho thÊy ph−¬ng ph¸p läc sinh häc ngËp n−íc cã hiÖu qu¶ xö lý h÷u c¬ vµ Nit¬ cao. Tuy nhiªn qu¸ tr×nh ®−îc tiÕn hµnh theo c¸c b−íc thiÕu khÝ – hiÕu khÝ ®éc lËp truyÒn thèng nªn qu¸ tr×nh vÉn cßn phøc t¹p. ViÖc nghiªn cøu ®Ó c¶i tiÕn thiÕt bÞ nh»m n©ng cao hiÖu qu¶ xö lý, ®¬n gi¶n hãa qu¸ tr×nh, gän nhÑ hãa thiÕt bÞ lµ rÊt cÇn thiÕt. Nghiªn cøu nµy nh»m x©y dùng lo¹i thiÕt bÞ läc sinh häc ngËp n−íc c¶i tiÕn cã thÓ xö lý ®ång thêi h÷u c¬, nit¬ vµ photpho mét c¸ch liªn tôc trong cïng mét thiÕt bÞ duy nhÊt víi qu¸ tr×nh thæi khÝ ®−îc thùc hiÖn theo chu kú. 1.2. HiÖn tr¹ng « nhiÔm n−íc th¶i giµu dinh d−ìng ë ViÖt Nam. Tõ n¨m 1990 c¸c ®« thÞ ViÖt Nam b¾t ®Çu ph¸t triÓn, lóc ®Çu c¶ n−íc míi cã kho¶ng 500 ®« thÞ (tû lÖ ®« thÞ hãa vµo kho¶ng 17 – 18%), ®Õn n¨m 2000 con YÕm khÝ ThiÕu khÝ N−íc chøa NO3- N−íc th¶i HiÕu khÝ(2) (3) ThiÕt bÞ xö lý theo mÎ qua c¸c giai ®o¹n sôc khÝ/kh«ng sôc khÝ lu©n phiªn N−íc th¶i YÕm khÝ HiÕu khÝ ThiÕu khÝ C¬ chÊt h÷u c¬ N−íc th¶i HiÕu khÝ(1) §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 7 sè nµy lín 649 vµ n¨m 2003 lµ 656 ®« thÞ. TÝnh ®Õn nay,c¶ n−íc cã kho¶ng 700 ®« thÞ, trong ®ã cã 5 thµnh phè trùc thuéc trung −¬ng, 44 thµnh phè trùc thuéc tØnh, 45 thÞ x· vµ trªn 500 thÞ trÊn. Bªn c¹nh ®ã, cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c ®« thÞ th× ngµnh c«ng nghiÖp vµ gia t¨ng d©n sè ®ang lµ søc Ðp ®èi víi vÊn ®Ò m«i tr−êng t¹i n−íc ta. HiÖn nay, møc ®é « nhiÔm n−íc ao, hå vµ toµn bé hÖ thèng s«ng t¹i c¸c ®« thÞ lín ®ang ë møc rÊt nghiªm träng vµ gÇn nh− kh«ng cã kh¶ n¨ng tù lµm s¹ch. Mét sè s«ng lín nh− s«ng Hång, CÇu, §¸y, NhuÖ vµ s«ng Th−¬ng… ®· bÞ « nhiÔm trªn ph¹m vi réng. Hµm l−îng c¸c chØ tiªu COD, NH4 +, NO3 -, NO2 -... ë nhiÒu ®o¹n s«ng ®· v−ît qu¸ chØ tiªu gÊp tõ 1,5 – 90 lÇn. Theo ®¸nh gi¸ cña c¸c nhµ khoa häc th× hiÖn tr¹ng « nhiÔm trªn mÆt ®Êt ®· ¶nh h−ëng trùc tiÕp xuèng n−íc ngÇm ®ang ë møc b¸o ®éng, ®Æc biÖt lµ t¹i c¸c thµnh phè lín n¬i cã c¸c ho¹t ®éng s¶n xuÊt c«ng nghiÖp vµ sinh ho¹t ®«ng ®óc cña c− d©n. §iÓn h×nh nh− t¹i khu vùc phÝa Nam thµnh phè Hµ Néi vµ khu vùc tØnh Hµ Nam ®ang ph¶i ®èi mÆt víi vÊn ®Ò suy gi¶m chÊt l−îng tÇng n−íc ngÇm vµ c¸c thñy vùc s«ng hå t¹i ®©y. Theo kÕt qu¶ kh¶o s¸t ®¸nh gi¸ cña c¸c nhµ khoa häc ViÖn §Þa Lý thuéc ViÖn Khoa Häc vµ C«ng NghÖ ViÖt Nam th× hÇu nh− tÊt c¶ c¸c mÉu n−íc tõ c¸c huyÖn cña tØnh Hµ Nam ®Òu cã tû lÖ nhiÔm amon ë møc ®é ®¸ng b¸o ®éng. Ch¼ng h¹n nh− t¹i Lý Nh©n cã mÉu n−íc víi hµm l−îng lªn tíi 111,8mg/l gÊp 74 lÇn so víi TCBYT, Duy Tiªn 93,8mg/l gÊp 63 lÇn cho phÐp,... Trong khi ®ã, c¸c kÕt qu¶ kh¶o cøu cña tr−êng §¹i Häc Má §Þa ChÊt Hµ Néi còng cho biÕt chÊt l−îng n−íc ngÇm ë tÇng m¹ch n«ng vµ m¹ch s©u t¹i c¸c ®Þa ph−¬ng nµy còng cã hµm l−îng nito trung b×nh > 20mg/l v−ît møc TCVN cho phÐp rÊt nhiÒu lÇn. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 8 B¶ng 1.1 – ChÊt l−îng n−íc t¹i mét sè huyÖn thuéc tØnh Hµ Nam STT Tiªu chuÈn Sè l−îng mÉu lÊy [N-NH4 +] theo gi¸ trÞ ®iÓn h×nh (mg/l) TCBYT [NH4 +] (mg/l) 1 B×nh Lôc 20 58,8 ≤ 1,5 2 Thanh Liªm 20 > 50 3 Kim B¶ng 5 > 50 4 Lý Nh©n 5 111,8 5 Duy Tiªn 6 93,8 6 ThÞ TrÊn VÜnh Trô - 77,63 VÊn ®Ò cung cÊp n−íc s¹ch vµ vÖ sinh an toµn lu«n lµ mèi quan t©m hµng ®Çu cña c¸c ®« thÞ lín, ®Æc biÖt víi thñ ®« Hµ Néi lµ trung t©m kinh tÕ, v¨n hãa vµ gi¸o dôc cña c¶ n−íc. HiÖn nay, hÖ thèng cÊp n−íc cña Hµ Néi ®· ph¸t triÓn m¹nh, nhiÒu chØ tiªu chÊt l−îng tr−íc ®©y ch−a kiÓm so¸t ®−îc th× nay ®· cã c¸c phßng thÝ nghiÖm hiÖn ®¹i cïng ®éi ngò c¸n bé cã kü thuËt cã thÓ kiÓm tra ®¸nh gi¸. Tuy nhiªn cïng víi sù ph¸t triÓn nhiÒu mÆt cña thñ ®«, vÊn ®Ò n−íc cÊp cã xu thÕ ch−a theo kÞp ®−îc sù ph¸t triÓn c¶ vÒ sè l−îng còng nh− chÊt l−îng. Trong ®ã ®¸ng chó ý lµ t×nh tr¹ng n−íc ngÇm bÞ « nhiÔm amoni, c¸c kim lo¹i nÆng vµ c¶ c¸c t¸c nh©n mµ chóng ta ch−a cã ®iÒu kiÖn kiÓm nghiÖm vÝ dô nh− c¸c hîp chÊt h÷u c¬ ®éc h¹i. Ở c¸c khu vùc nh− Ngäc Hµ, Quúnh L«i, VÜnh Tuy, Hoµng Mai, Nh©n ChÝnh, tû lÖ sö dông n−íc ngÇm khai th¸c tõ giÕng khoan kh«ng qua hÖ thèng läc vµ c¸c vïng ngo¹i thµnh sö dông n−íc mÆt ®Òu cã nguy c¬ nhiÔm NH4 + vµ c¸c hîp chÊt h÷u c¬ kh¸c. MÆc dï Hµ Néi lµ n¬i cã hÖ thèng cÊp n−íc thuéc lo¹i tèt nhÊt ViÖt Nam nh−ng c¸c sè liÖu vÒ thµnh phÇn chÊt l−îng cña n−íc nguån còng nh− n−íc cÊp vÒ khÝa c¹nh c¸c hîp chÊt nito cho thÊy hµm l−îng NH4 + trong c¸c nguån n−íc cña ba nhµ m¸y khu vùc phÝa Nam Hµ Néi lµ T−¬ng Mai, H¹ §×nh, Ph¸p V©n ®Òu v−ît gi¸ trÞ cho phÐp. NÆng nhÊt lµ nhµ m¸y n−íc Ph¸p V©n víi hµm l−îng amoni cã trong n−íc m¸y lªn tõ 15 – 18mg/l ®Õn 40- 60mg/l (giíi h¹n cho phÐp < 1,5mg/l), H¹ §×nh 15 – 20mg/l, T−¬ng Mai 12mg/l. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 9 B¶ng 1.2- Hµm l−îng NH4+ t¹i ®Çu ra cña c¸c nhµ m¸y n−íc ë Hµ Néi STT Tªn nhµ m¸y n−íc [NH4+] (mg/l) theo GTTB TCBYT 1329/2002 1 Mai DÞch 0,85 1,5 2 Yªn Phæ 1,45 1,5 3 Ngäc Hµ 1,80 1,5 4 Ng« Sü Liªn 0,60 1,5 5 L−¬ng Yªn 1,54 1,5 6 T−¬ng Mai 8,09 1,5 7 H¹ §×nh 15 - 20 1,5 8 Ph¸p V©n 23,20 1,5 VÒ chÊt l−îng c¸c con s«ng ch¶y qua khu vùc Hµ Néi mang theo n−íc th¶i cña thµnh phè, chóng ®æ dån vÒ khu vùc Thanh Tr×, V¨n §iÓn qua c¸c con s«ng nh−: Kim Ng−u, T« LÞch, SÐt, Lõ. T¹i ®©y c¸c ®¸y s«ng th−êng xuyªn ®−îc båi l¾ng líp bïn h÷u c¬ kh¸ dµy vµ cã hµm l−îng amoni ë møc t−¬ng ®èi cao, theo nh− nghiªn cøu cho thÊy hµm l−îng NH4 + c¸c con s«ng trªn nh− sau: Kim Ng−u 12,25mg/l; T« LÞch 16,14mh/l; Lõ 22,61mg/l; SÐt 24,32mg/l. Trong khi ®ã t¹i thµnh phè Hå ChÝ Minh th× t×nh h×nh « nhiÔm còng diÔn biÕn phøc t¹p kh«ng kÐm, hµng lo¹t c¸c b¸o c¸o m«i tr−êng cho thÊy mçi ngµy hÖ thèng kªnh r¹ch vµ s«ng Sµi Gßn ph¶i g¸nh trªn 1 triÖu m3 n−íc sinh ho¹t, gÇn 4 ngh×n m3 n−íc th¶i c«ng nghiÖp, 4 – 5 ngh×n tÊn r¸c th¶i sinh ho¹t vµ 7 tÊn r¸c th¶i y tÕ vÉn ch−a qua xö lý. Bªn c¹nh ®ã, ho¹t ®éng cña c¸c khu c«ng nghiÖp ë mét sè tØnh phÝa Nam ®ang trë lªn lµ th¸ch thøc víi m«i tr−êng vµ g©y nhiÒu bøc xóc cho ng−êi d©n, ®iÓn h×nh nh− §ång Nai cã 3 trong 17 khu c«ng nghiÖp cã hÖ thèng xö lý n−íc th¶i, B×nh D−¬ng cã 2 trong 13 vµ ®¸ng chó ý h¬n c¶ lµ 5 khu c«ng nghiÖp t¹i Bµ RÞa – Vòng Tµu hoµn toµn ch−a ®−îc trang bÞ bÊt kú mét hÖ thèng xö lý n−íc th¶i nµo. §©y chØ lµ c¸c sè liÖu cßn ch−a ®Ò cËp tíi l−îng n−íc rØ ra tõ c¸c b·i r¸c vÉn ch−a qua xö lý. Nh−ng nh÷ng con sè thèng kª nµy ®· nãi lªn mét thùc tr¹ng « nhiÔm m«i tr−êng n−íc ë n−íc ta ®ang cã xu h−íng lan réng vµ ngµy mét trÇm träng h¬n. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 10 1.3. Thùc tr¹ng xö lý n−íc th¶i « nhiÔm N – amoni T¹i ViÖt Nam, theo b¸o c¸o 2005 cña Bé Tµi nguyªn vµ M«i tr−êng c¸c ho¹t ®éng s¶n xuÊt c«ng n«ng nghiÖp vµ d©n sinh mçi ngµy th¶i ra m«i tr−êng hµng triÖu m3 n−íc th¶i. HÇu nh− tÊt c¶ c¸c nguån n−íc th¶i (sinh ho¹t, bÖnh viÖn, n«ng nghiÖp, ®« thÞ, c¸c lµng nghÒ,...) hiÖn vÉn ®−îc th¶i trùc tiÕp ra c¸c s«ng hå tiÕp nhËn mµ kh«ng qua xö lý, tæng l−îng n−íc th¶i ®−îc xö lý míi ®¹t kho¶ng 5 %. T×nh tr¹ng « nhiÔm n−íc râ rµng nhÊt lµ t¹i c¸c thµnh phè vµ ®« thÞ lín nh− thµnh phè Hå ChÝ Minh, Hµ Néi, H¶i Phßng, §µ N½ng, HuÕ, Nam §Þnh, H¶i D−¬ng. Theo b¸o c¸o ®¸nh gi¸ diÔn biÕn m«i tr−êng hai vïng kinh tÕ träng ®iÓm phÝa B¾c vµ phÝa Nam (2004): Trong sè 76 khu c«ng nghiÖp vµ khu chÕ xuÊt ®ang ho¹t ®éng chØ cã 16 tr¹m xö lý n−íc th¶i tËp trung ho¹t ®éng víi c«ng suÊt 41.800 m3/ ngµy. TÝnh ®Õn ®Çu n¨m 2005, khu vùc ®« thÞ vµ khu c«ng nghiÖp mçi ngµy th¶i kho¶ng 3.110.000 m3 n−íc th¶i sinh ho¹t vµ n−íc th¶i s¶n xuÊt trùc tiÕp vµo nguån n−íc mÆt. Mét sè c«ng tr×nh xö lý n−íc th¶i ®· b¾t ®Çu xuÊt hiÖn ë mét sè n¬i nh−ng cßn qu¸ Ýt vµ hiÖu qu¶ ho¹t ®éng còng ch−a ®¸ng kÓ. T¹i thµnh phè Hå ChÝ Minh thùc tr¹ng xö lý n−íc th¶i còng kh«ng kh¸c so víi thµnh phè Hµ Néi. Trong sè 13 khu c«ng nghiÖp (KCN), khu chÕ xuÊt (KCX) ®· ®i vµo ho¹t ®éng chØ cã 5 KCN, KCX ®· x©y dùng vµ vËn hµnh hÖ thèng xö lý n−íc th¶i c«ng nghiÖp tËp trung víi c«ng suÊt tõ 300 – 10.000 m3/ ngµy. Thµnh phè hiÖn cã kho¶ng 1.000 xÝ nghiÖp c«ng nghiÖp vµ h¬n 22.000 c¬ së s¶n xuÊt tiÓu thñ c«ng nghiÖp. NhiÒu nhµ m¸y, xÝ nghiÖp kh«ng cã hÖ thèng xö lý chÊt th¶i hoÆc c¸c hÖ thèng xö lý chÊt th¶i chØ ho¹t ®éng mang tÝnh ®èi phã víi c¬ quan qu¶n lý nhµ n−íc. C¸c c¬ së s¶n xuÊt nµy ®ang n»m lÉn trong c¸c khu d©n c−, th−êng xuyªn x¶ chÊt th¶i trùc tiÕp ra hÖ thèng kªnh r¹ch: tiªu biÓu lµ c¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt däc kªnh Tham L−¬ng vµ khu c«ng nghiÖp T©n B×nh hoÆc hµng tr¨m c¬ së s¶n xuÊt tiÓu thñ c«ng nghiÖp kh¸c n»m däc c¸c kªnh T©n Hãa – Lß Gèm (thuéc c¸c quËn 6, quËn 11). C¸c hÖ thèng xö lý n−íc th¶i tËp trung t¹i thµnh phè Hå ChÝ Minh ®· ®−îc ®Çu t− x©y dùng vµ vËn hµnh nh− KCX T©n ThuËn víi c«ng suÊt 10.000m3/ ngµy. C¸c KCN kh¸c ®ang lËp dù ¸n hoÆc ®ang §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 11 cßn kh¶o s¸t, chê quyÕt ®Þnh. Trong khi ®ã thµnh phè còng gÊp rót tiÕn hµnh c«ng t¸c di dêi c¸c ®¬n vÞ g©y « nhiÔm ra KCN vµ vïng phô cËn. MÆc dï mét sè c¬ së s¶n xuÊt ®· di dêi ra c¸c huyÖn ngo¹i thµnh nh−ng do kh«ng cã hÖ thèng xö lý n−íc th¶i nªn h¬n 70 c¬ së s¶n xuÊt n»m däc kªnh An H¹ - ThÇy Cai (huyÖn Hãc M«n – Cñ Chi) nhanh chãng lµm « nhiÔm nguån n−íc vèn rÊt trong s¹ch tr−íc ®©y cña hÖ thèng kªnh nµy. C¸c th«ng tin trªn cho thÊy, ë ViÖt Nam xö lý n−íc th¶i míi chØ ®−îc tiÕn hµnh ë quy m« nhá lÎ, ch−a toµn diÖn, phÇn lín c¸c nguån n−íc th¶i sinh ho¹t vµ c«ng nghiÖp ®ang ®−îc th¶i trùc tiÕp ra m«i tr−êng mµ kh«ng qua xö lý. PhÇn lín c¸c c«ng tr×nh XLNT hiÖn cã míi chØ tËp trung vµo xö lý mét vµi t¸c nh©n g©y « nhiÔm nh− COD, BOD, SS vµ mét sè kim lo¹i nÆng mµ ch−a quan t©m ®Õn vÊn ®Ò xö lý c¸c chÊt dinh d−ìng N, P. Mét sè tr¹m xö lý n−íc th¶i Kim Liªn, Tróc B¹ch (sö dông vËt liÖu mang l¬ löng cho qu¸ tr×nh nitrat hãa) cã chó träng ®Õn vÊn ®Ò xö lý N, P, tuy nhiªn c«ng nghÖ vµ vËt liÖu hoµn toµn tõ n−íc ngoµi nªn chi phÝ ®Çu t− rÊt cao. Hai tr¹m xö lý nµy lµ hai c«ng tr×nh thÝ ®iÓm n»m trong gãi thÇu tho¸t n−íc cña TP Hµ Néi víi vèn vay Ng©n hµng Hîp t¸c Quèc TÕ NhËt B¶n (JBIC) lªn tíi 1,067 tû yªn NhËt (kho¶ng 145 tû ®ång) vµ 10 tû 440 triÖu ®ång ViÖt Nam. §iÒu ®¸ng chó ý lµ chi phÝ vËn hµnh cho mçi tr¹m nµy kh«ng d−íi 1,7 tû ®ång/ n¨m. 1.4. ¶nh h−ëng cña amoni tíi søc khoÎ con ng−êi Amoni hÇu nh− kh«ng cã ¶nh h−ëng trùc tiÕp tíi søc khoÎ con ng−êi, nh−ng trong qu¸ tr×nh khai th¸c, l−u tr÷ vµ xö lý... Amoni ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh nitrit (NO-2) vµ nitrat (NO3 -) lµ nh÷ng chÊt cã tÝnh ®éc h¹i ®èi víi con ng−êi. Nitrit lµ chÊt rÊt ®éc cho con ng−êi, v× nã cã thÓ chuyÓn ho¸ thµnh Nitroamin, chÊt nµy cã kh¶ n¨ng g©y ung th− cho con ng−êi [7]. ChÝnh v× vËy, quy ®Þnh hµm l−îng nitrit cho phÐp trong n−íc sinh ho¹t lµ rÊt ngÆt nghÌo (B¶ng 1.3). Nit¬ tån t¹i trong hÖ thuû sinh ë nhiÒu d¹ng hîp chÊt v« c¬ vµ h÷u c¬, c¸c d¹ng nit¬ v« c¬ c¬ b¶n tån t¹i víi tØ lÖ kh¸c nhau tuú thuéc vµo ®iÒu kiÖn cña m«i tr−êng n−íc. Nitrat lµ muèi nit¬ v« c¬ trong m«i tr−êng n−íc ®−îc sôc §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 12 khÝ ®Çy ®ñ vµ liªn tôc, nitrit tån t¹i trong ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt, cßn amoniac (NH3) vµ ion NH4 + tån t¹i trong ®iÒu kiÖn kÞ khÝ. Amoniac hoµ tan trong n−íc t¹o thµnh d¹ng hy®r«xit amoni (NH4OH) vµ sÏ ph©n ly thµnh ion NH4 + vµ OH-. Qu¸ tr×nh oxi ho¸ cã thÓ chuyÓn tÊt c¶ c¸c d¹ng nit¬ v« c¬ thµnh ion nitrat, cßn qu¸ tr×nh khö sÏ chuyÓn ho¸ chóng thµnh d¹ng ion amoni. Mét sè nghiªn cøu ë Nepan ®· kh¼ng ®Þnh khi hµm l−îng NO3 - trªn 45 mg/l khiÕn cho d©n c− dïng th−êng xuyªn nguån n−íc nµy sÏ bÞ m¾c c¸c bÖnh ung th− vÒ d¹ dµy, thùc qu¶n vµ bÖnh tiÓu ®−êng [1]. Ngoµi ra, thøc ¨n cã hµm l−îng nitrat vµ nitrit cao còng rÊt ®¸ng lo ng¹i. Mèi quan hÖ gi÷a n−íc giÕng nhiÔm nitrat vµ héi chøng BBS (Baby Blue Syndrome) lÇn ®Çu tiªn ®−îc Hunter Comly, b¸c sÜ ë Iowa t×m thÊy håi ®Çu thËp niªn 40 khi «ng ®iÒu trÞ cho hai ®øa trÎ m¾c chøng da xanh [2]. Nh÷ng ®øa trÎ s¬ sinh trong giai ®o¹n míi ®−îc 6 th¸ng tuæi dÔ bÞ m¾c c¨n bÖnh nµy v× hµm l−îng enzym methemoglobin reductase t−¬ng ®èi thÊp - ®©y lµ mét lo¹i enzym tÕ bµo m¸u ®á cã kh¶ n¨ng chuyÓn ho¸ methemoglobin trë l¹i thµnh hemoglobin. Ngoµi Mü, mét sè n−íc §«ng ¢u, møc ®é nhiÔm ®éc nguån n−íc sinh ho¹t lÊy tõ giÕng lªn còng rÊt cao. VÝ dô t¹i Transylvania ë Rumani trong thêi gian tõ 1990 -1994 trung b×nh cø 100.000 trÎ em s¬ sinh th× cã tíi 24 ®Õn 363 ca nhiÔm ®éc. Cã lÏ ®é nguy hiÓm cña NO3 - ®· ®Æt ng−êi Mü quy ®Þnh trong §¹o luËt vÒ An toµn Nguån n−íc Sinh ho¹t cña Mü (SDWA-Safe Drinking Water Act) hµm l−îng nit¬-nitrat tèi ®a lµ 10 mg/l (B¶ng 1.4, 44,3 mg/l). MÆc dï, b»ng chøng dÞch tÔ häc vÒ ®é ®éc cña nitrit vµ nitrat lµ ch−a ®Çy ®ñ, tuy nhiªn cã thÓ kh¼ng ®Þnh r»ng nã ®éc víi trÎ em v× nguy c¬ g©y bÖnh mÊt s¾c tè m¸u methaemoglobinaemia, nhÊt lµ trÎ d−íi 3 th¸ng tuæi [2]. Tæ chøc søc khoÎ thÕ giíi ®Ò nghÞ møc 50 mg/l cho tæng nitrit vµ nitrat, trong ®ã nitrit kh«ng ®−îc lín h¬n 3mg/l. C¸c tiªu chuÈn vÒ n−íc cÊp ë ViÖt Nam còng nh− thÕ giíi ®Òu 1,5 mg/l [6], riªng tiªu chuÈn Ch©u ¢u cã yªu cÇu rÊt nghiªm ngÆt lµ 0,5 mg/l (B¶ng 1.3). §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 13 B¶ng 1.3 - Tiªu chuÈn mét sè quèc gia vÒ c¸c hîp chÊt nit¬ trong n−íc cÊp [4] ChØ tiªu Hoa kú Ch©u ¢u 80/778/EEC WHO 1993 TCBYT 1329/2002 NH4 - - 0,5 1,5 1,5 NO3 - 44,3 50 50 50 NO2 - 4,4 0,1 3 3 Ngoµi ra, nÕu trong n−íc tån t¹i amoni sÏ lµm gi¶m hiÖu qu¶ cña kh©u clo ho¸ s¸t trïng lµ b−íc cuèi cïng trong qu¸ tr×nh xö lý n−íc hiÖn hµnh, nh»m ®¶m b¶o n−íc hoµn toµn an toµn vÒ mÆt vi sinh khi ®Õn tay ng−êi tiªu dïng. Khi cã mÆt amoni, hîp chÊt nµy ph¶n øng ngay víi clo ®Ó chuyÓn clo thµnh cloramin (bao gåm monochloramine, dichloramine, trichloramine organochloramine) cã tÝnh s¸t khuÈn kÐm hµng tr¨m lÇn so víi clo nguyªn tè. Ngoµi ra, nã gi¶m kh¶ n¨ng xö lý mangan b»ng c«ng nghÖ truyÒn thèng [8]. Bªn c¹nh ®ã amoni lµ nguån dinh d−ìng cho c¸c sinh vËt n−íc vµ t¶o ®Ó sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn. Sù ph¸t triÓn nµy lµm « nhiÔm n−íc thø cÊp trong qu¸ tr×nh l−u tr÷, ®ång thêi sinh ra c¸c chÊt ®éc nitrit vµ nitrat. 1.5. C¸c ph−¬ng ph¸p xö lý amoni trong n−íc cÊp 1.5.1 Ph−¬ng ph¸p clo hãa tíi ®iÓm ®ét biÕn Clo gÇn nh− lµ ho¸ chÊt duy nhÊt cã kh¶ n¨ng «xy ho¸ amoni/amoniac ë nhiÖt ®é phßng thµnh N2. Khi hßa tan Clo trong n−íc, tïy theo pH cña n−íc mµ Clo cã thÓ n»m ë d¹ng HClO hay ClO- do cã ph¶n øng theo ph−¬ng tr×nh: Cl2 + H2O ↔ HCl + HClO ( pH 8) (1.1) Khi trong n−íc cã NH4 + sÏ x¶y ra c¸c ph¶n øng sau: HClO + NH3 = H2O + NH2Cl (Monocloramin) (1.2) HClO + NH2Cl = H2O + NHCl2 (Dicloramin) (1.3) HClO + NHCl2 = H2O + NCl3 (Tricloramin) (1.4) NÕu d− clo sÏ x¶y ra c¸c ph¶n øng ph©n huû c¸c cloramin NH2Cl + NHCl2 = N2 ↑ + 3HCl (1.5) 4NH2Cl + 3Cl2 + H2O = 10HCl + N2 + N2O §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 14 Ta cã ph−¬ng tr×nh tæng céng 2NH3 + 3HClO = N2↑ + 3H2O + 3HCl (1.6) Lóc nµy l−îng Cl2 d− trong n−íc sÏ gi¶m tíi gi¸ trÞ nhá nhÊt v× x¶y ra sù ph©n huû cloramin, ®iÓm t−¬ng øng víi gi¸ trÞ nµy gäi lµ ®iÓm ®ét biÕn. L −î n g c lo d − L − î n g c l o c h o v µ o , m g / L B C D A 0 P h ¶ n ø n g v í i F e 2 + , S 2 - N H 3 a m i n a m i n N 2 C l o d − H×nh 1.1 - §-êng cong clo ho¸ tíi ®iÓm ®ét biÕn ®èi víi n-íc cã amoni [3] Theo lý thuyÕt ®Ó xö lý NH4 + ph¶i dïng tû lÖ Cl : N = 7,6 : 1 song trªn thùc tÕ ph¶i dïng tû lÖ 8 : 1 hoÆc h¬n ®Ó oxy hãa hÕt NH3. Do x¶y ra c¸c ph¶n øng ®· nªu, qu¸ tr×nh clo ho¸ thùc tÕ diÔn ra theo mét ®−êng cong cã d¹ng ®Æc biÖt, cã "®iÓm ®ét biÕn" nh− h×nh 1.1. Nh÷ng nghiªn cøu tr−íc ®©y cho thÊy, tèc ®é ph¶n øng cña clo víi chÊt h÷u c¬ b»ng nöa so víi ph¶n øng víi amoni. Khi amoni ph¶n øng gÇn hÕt, clo sÏ ph¶n øng víi c¸c chÊt h÷u c¬ cã trong n−íc ®Ó h×nh thµnh nhiÒu chÊt c¬ clo cã mïi ®Æc tr−ng khã chÞu, trong ®ã, kho¶ng 15% lµ c¸c hîp chÊt nhãm Trihalometan - THM vµ axit axetic halogen- HAA- ho¸ ®Òu lµ c¸c chÊt cã kh¶ n¨ng g©y ung th− vµ bÞ h¹n chÕ nång ®é nghiªm ngÆt. Ngoµi ra, víi l−îng clo cÇn dïng rÊt lín, vÊn ®Ò an toµn trë nªn khã gi¶i quyÕt ®èi víi c¸c nhµ m¸y lín. §©y lµ nh÷ng lý do khiÕn ph−¬ng ph¸p clo ho¸ mÆc dï rÊt ®¬n gi¶n vµ rÎ vÒ mÆt thiÕt bÞ vµ x©y dùng c¬ b¶n nh−ng rÊt khã ¸p dông. 1.5.2. Ph−¬ng ph¸p trao ®æi Ion Qu¸ tr×nh trao ®æi ion lµ mét qu¸ tr×nh ho¸ lý thuËn nghÞch trong ®ã x¶y ra ph¶n øng trao ®æi gi÷a c¸c ion trong dung dÞch ®iÖn ly víi c¸c ion trªn bÒ mÆt §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 15 hoÆc bªn trong cña pha r¾n tiÕp xóc víi nã. Qu¸ tr×nh trao ®æi ion tu©n theo ®Þnh luËt b¶o toµn ®iÖn tÝch, ph−¬ng tr×nh ph¶n øng trao ®æi ion ®−îc m« t¶ mét c¸ch tæng qu¸t nh− sau: AX + B- ↔ AB + X- (1.7) CY + D+ ↔ CD + Y+ (1.8) Trong ®ã AX chÊt trao ®æi anion, CY chÊt trao ®æi cation. Ph¶n øng trao ®æi ion lµ ph¶n øng thuËn nghÞch, chiÒu thuËn ®−¬c gäi lµ ph¶n øng trao ®æi, chiÒu nghÞch cßn ®−îc gäi lµ ph¶n øng t¸i sinh. Møc ®é trao ®æi ion phô thuéc vµo: 1- kÝch th−íc, ho¸ trÞ cña ion; 2- nång ®é ion cã trong dung dÞch; 3- b¶n chÊt cña chÊt trao ®æi ion vµ 4- nhiÖt ®é. Nhùa trao ®æi ion d¹ng r¾n ®−îc dïng ®Ó thu nh÷ng ion nhÊt ®Þnh trong dung dÞch vµ gi¶i phãng vµo dung dÞch mét l−îng t−¬ng ®−¬ng c¸c ion kh¸c cã cïng dÊu ®iÖn tÝch. Nhùa trao ®æi cation (cationit) lµ nh÷ng hîp chÊt cao ph©n tö h÷u c¬ cã chøa c¸c nhãm chøc cã kh¶ n¨ng trao ®æi víi c«ng thøc chung lµ RX trong ®ã R lµ gèc h÷u c¬ phøc t¹p, X cã thÓ lµ SO3HCOOH... Qua cét nµy c¸c cation bÞ gi÷ l¹i: Cat-H+ (Na+) + NH4 + Cat-NH4 + + H+ (Na+) 2 RCOOH + Ca2 + (RCOO)2 + H + VÒ mÆt c¬ chÕ, qu¸ tr×nh trao ®æi ion x¶y ra gi÷a mét chÊt r¾n xèp (chÊt trao ®æi ion) vµ mét dung dÞch ®iÖn ly tr¶i qua n¨m giai ®o¹n nh− sau: (1). C¸c ion trong dung dÞch khuÕch t¸n ®Õn bÒ mÆt chÊt trao ®æi ion; (2). C¸c ion tiÕp tôc khuÕch t¸n trªn bÒ mÆt chÊt r¾n ®Õn vÞ trÝ ion sÏ trao ®æi; (3). X¶y ra ph¶n øng trao ®æi ion; (4). C¸c ion ®−îc trao ®æi vèn tõ dung dÞch khuÕch t¸n trªn bÒ mÆt chÊt trao ®æi ion. (5). C¸c ion vèn cã trªn nhùa trao ®æi bÞ thÕ ®Èy khuÕch t¸n vµo thÓ tÝch dung dÞch, rêi xa chÊt r¾n. ChÊt trao ®æi ion cã thÓ cã s½n trong tù nhiªn nh− c¸c lo¹i kho¸ng sÐt, trong ®ã quan träng nhÊt lµ zeolite, c¸c lo¹i sîi,... còng cã thÓ lµ chÊt v« c¬ tæng §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 16 hîp (alumino silicat, alumino photphat, zeolie...) hoÆc h÷u c¬ (nhùa trao ®æi ion). Trong thùc tÕ nhùa trao ®æi ion ®−îc s¶n xuÊt vµ øng dông réng r·i nhÊt. Trong c«ng nghÖ xö lý n−íc cÊp ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion tá râ tÝnh −u viÖt trong viÖc lµm mÒm n−íc, lo¹i bá chÊt kho¸ng, h÷u c¬ ®éc h¹i... ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p lµ tèc ®é nhanh, c«ng suÊt lín trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch thiÕt bÞ vµ vËt liÖu, chÊt l−îng n−íc xö lý cao. Nh−îc ®iÓm lµ chi phÝ ®Çu t− cao do gi¸ nhùa (cationit ë møc 1,5 -2,0 anionit gÇn 4$/l) chi phÝ vËn hµnh trong mét sè tr−êng hîp vÉn cao [4]. 1.5.3. Ph−¬ng ph¸p thæi khÝ ë pH cao Amoni ë trong n−íc tån t¹i d−íi d¹ng c©n b»ng: NH4 + NH3(khÝ hoµ tan) + H + víi pKa = 9,5 Nh− vËy, ë pH gÇn 7 chØ cã mét l−îng rÊt nhá NH3 khÝ so víi amoni. NÕu ta n©ng pH tíi 9,5 tû lÖ [NH3]/[NH4 +] = 1, vµ cµng t¨ng pH c©n b»ng cµng chuyÓn vÒ phÝa t¹o thµnh NH3. Khi ®ã nÕu ¸p dông c¸c kü thuËt sôc hoÆc thæi khÝ th× NH3 sÏ bay h¬i theo ®Þnh luËt Henry, lµm chuyÓn c©n b»ng vÒ phÝa ph¶i: NH4 + + OH- ↔ NH3↑ + H2O (1.9) Trong thùc tÕ pH ph¶i n©ng lªn xÊp xØ 11, l−îng khÝ cÇn ®Ó ®uæi NH3 ë møc 1600 m3 kh«ng khÝ/1m3 n−íc [6] vµ qu¸ tr×nh rÊt phô thuéc vµo nhiÖt ®é m«i tr−êng. Ph−¬ng ph¸p nµy ¸p dông ®−îc cho n−íc th¶i, khã cã thÓ ®−a nång ®é NH4 + xuèng d−íi 1,5 mg/l nªn rÊt hiÕm khi ®−îc ¸p dông ®Ó xö lý n−íc cÊp. 1.5.4. Ph−¬ng ph¸p ozon hãa víi xóc t¸c Brom §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p clo hãa ®iÓm ®ét biÕn ng−êi ta cã thÓ thay thÕ mét t¸c nh©n oxy hãa kh¸c lµ ozon víi sù cã mÆt cña Br-. VÒ c¬ b¶n xö lý NH4 + b»ng O3 víi sù cã mÆt cña Br - còng diÔn ra theo c¬ chÕ gièng nh− ph−¬ng ph¸p xö lý dïng clo. D−íi t¸c dông cña O3, Br - bÞ oxy hãa thµnh lµ BrO- theo ph¶n øng sau ®©y: Br- + O3 + H + ⇔ HBrO + O2 (1.10) Ph¶n øng oxy hãa NH4 + ®−îc thùc hiÖn bëi ion BrO- gièng nh− cña ion ClO- NH3 + HBrO → NH2Br + H2O (1.11) NH2Br + NHBr2 → NHBr + H2O (1.12) §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 17 NH2Br + NHBr → N2↑ + 3Br- + 3H+ (1.13) §©y chÝnh lµ ®iÓm t−¬ng ®ång gi÷a hai ph−¬ng ph¸p clo hãa vµ ozon hãa xóc t¸c Br- do Galat-Gorhev vµ Moris t×m ra n¨m 1975. 1.5.5. Xö lý amoni b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc C«ng nghÖ xö lý nito trong n−íc th¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc ®· ®−îc nghiªn cøu vµ ®−a vµo øng dông thùc tÕ tõ nh÷ng n¨m 1960. Trªn thùc tÕ, cã rÊt nhiÒu quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý nito b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc kh¸c nhau. Chóng gièng nhau ë nguyªn lý lµ thùc hiÖn c¸c qu¸ tr×nh nitrat hãa vµ khö nitrat hãa nh−ng kh¸c nhau ë c¸ch s¾p xÕp tr×nh tù c¸c qu¸ tr×nh trong s¬ ®å xö lý vµ nguån cacbon sö dông. C¸c qu¸ tr×nh nµy cã thÓ lµ c¸c qu¸ tr×nh sinh tr−ëng l¬ löng, sinh tr−ëng b¸m dÝnh hay sinh tr−ëng l¬ löng – b¸m dÝnh kÕt hîp. Sau ®©y lµ mét sè quy tr×nh c¬ b¶n th−êng ®−îc øng dông trong xö lý nito trong n−íc th¶i. Trong quy tr×nh (a) (h×nh 1.2) cho hiÖu suÊt xö lý cao (70 – 90%) v× toµn bé nitrat sinh ra trong bÓ hiÕu khÝ sÏ ®−îc ®−a qua qu¸ tr×nh khö nitrat. Trong quy tr×nh nµy, qu¸ tr×nh t¸i sôc khÝ tiÕp theo qu¸ tr×nh khö nitrat lµ cÇn thiÕt nh»m xö lý thµnh phÇn h÷u c¬ d− sau khö nitrat. Quy tr×nh c«ng nghÖ nµy cã nh−îc ®iÓm lµ phøc t¹p, cÇn ph¶i bæ sung c¬ chÊt h÷u c¬ cho qu¸ tr×nh nitrat. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 18 (a) (b) (c) H×nh 1.2 – Mét sè quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý nito trong n−íc th¶i Quy tr×nh (b) lµ quy tr×nh cã thÓ tËn dông ngay nguån c¬ chÊt h÷u c¬ s½n cã trong n−íc th¶i mµ kh«ng cÇn bæ sung thªm nguån cacbon tõ bªn ngoµi. Qui tr×nh nµy ®¬n gi¶n, chi phÝ ®Çu t− thÊp nh−ng nh−îc ®iÓm lµ hiÖu suÊt xö lý nito ®¹t 60 – 70%, tû lÖ håi l−u so víi dßng vµo lµ tõ 1 – 4 lÇn. Quy tr×nh (c) lµ quy tr×nh ®−îc øng dông ®Ó xö lý ®ång thêi N, P trong n−íc th¶i. HiÖu suÊt xö lý t−¬ng tù nh− quy tr×nh (b). Trong c¸c quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý nito nªu trªn l¹i cã thÓ chia thµnh hai nhãm ph−¬ng ph¸p sau: BÓ thiÕu khÝ BÓ hiÕu khÝ BÓ l¾ng N−íc th¶i vµo N−íc ®· xö lý Bïn håi l−u N−íc håi l−u Bïn th¶i Nitrat hãa Khö nitrat hãa N−íc ®Çu vµo BÓ thiÕu khÝ BÓ yÕm khÝ BÓ hiÕu khÝ BÓ l¾ng N−íc ®· xö lý Bïn håi l−u N−íc håi l−u Bïn th¶i (Nitrat hãa)(Khö nitrat hãa) BÓ thiÕu khÝ BÓ hiÕu khÝ T¸i sôc khÝ l¾ N−íc th¶i vµo N−íc ®· xö lý Bæ sung c¬ chÊt BÓ l¾ng Bïn th¶iBïn håi l−u (Nitrat hãa) (Khö nitrat hãa) §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 19 9 Nhãm ph−¬ng ph¸p sö dông c¸c qu¸ tr×nh trong ®ã vi sinh ph©n t¸n ®Òu trong thÓ tÝch ph¶n øng (sinh tr−ëng l¬ löng) mµ ®¹i diÖn lµ qu¸ tr×nh bïn ho¹t tÝnh (BHT) 9 Nhãm ph−¬ng ph¸p dïng c¸c qu¸ tr×nh víi líp vi sinh ®−îc cè ®Þnh lªn bÒ mÆt chÊt mang r¾n gäi lµ c¸c qu¸ tr×nh mµng vi sinh (sinh tr−ëng b¸m dÝnh) mµ ®¹i diÖn c¸c qu¸ tr×nh víi líp vi sinh ®−îc cè ®Þnh lªn bÒ mÆt chÊt mang r¾n gäi lµ c¸c qu¸ tr×nh mµng vi sinh (sinh tr−ëng b¸m dÝnh) mµ ®¹i diÖn lµ ph−¬ng ph¸p läc sinh häc (LSH) ngËp n−íc. Trong qu¸ tr×nh xö lý vi sinh vËt sÏ ®−îc t¹o c¸c ®iÒu kiÖn vÒ dinh d−ìng còng nh− c¸c yÕu tè kh¸c ®Ó cã thÓ ®¹t ®−îc ho¹t tÝnh cao nhÊt... ë ph−¬ng ph¸p sinh häc cã thÓ thùc hiÖn bao gåm hai qu¸ tr×nh nèi tiÕp lµ nitrat ho¸ vµ khö nitrat ho¸ nh− sau: a. Qu¸ tr×nh nitrat ho¸ Qu¸ tr×nh chuyÓn hãa vÒ mÆt hãa häc ®−îc viÕt nh− sau: NH4 + + 1,5O2  NO2- + 2H+ + H2O (1.14) NO2 - + 0,5O2  NO3- (1.15) Ph−¬ng tr×nh tæng: NH4 + + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O (1.16) Nh− vËy, 1 mol NH4 + tiªu thô 2 mol O2 hay 1 g N-NH4 + tiªu thô 4,57 g O2, 1 mol NH4 + t¹o thµnh 1 mol NO3 -, 1 mol NH4 + t¹o thµnh 2 mol H+. L−îng H+ t¹o ra ph¶n øng víi ®é kiÒm HCO3 -, nh− vËy 1 g N-NH4 + tiªu thô 7,14 g ®é kiÒm (quy vÒ CaCO3). C¸c ph−¬ng tr×nh (1.15 vµ 1.16) kh«ng tÝnh ®Õn qu¸ tr×nh sinh tæng hîp. NÕu tÝnh c¶ c¸c qu¸ tr×nh tæng hîp sinh khèi (vi khuÈn), theo Gujer vµ Jenkins [9] ta cã: 1,02 NH4 + + 1,89 O2 + 2,02 HCO3 -  0,021C5H7O2N + 1,00NO3- + 1,92H2CO3 + 1,06H2O (1.17) Nh− vËy, 1 gam N-NH4 + tiªu thô 4,3 g O2, 1 gam N-NH4 + tiªu thô 7,2 g ®é kiÒm (quy vÒ CaCO3) §Ó thiÕt kÕ ng−êi ta hay dïng c¸c con sè suy ra tõ ph−¬ng tr×nh 1.17 lµ 4,3 g O2 vµ 7,14 g ®é kiÒm/1 g N-NH4 + ®Ó tÝnh to¸n. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 20 b. Qu¸ tr×nh khö nitrat Kh¸c víi qu¸ tr×nh nitrat ho¸ qu¸ tr×nh khö nitrat sö dông «xy tõ nitrat nªn gäi lµ anoxic (thiÕu khÝ). C¸c vi khuÈn ë ®©y lµ dÞ d−ìng nghÜa lµ cÇn nguån cacbon h÷u c¬ ®Ó t¹o lªn sinh khèi míi. Qu¸ tr×nh khö nitrat lµ tæng hîp cña bèn ph¶n øng nèi tiÕp sau: NO3 -  NO2-  NO (k)  N2O (k)  N2 (k) Qu¸ tr×nh nµy ®ßi hái nguån c¬ chÊt - chÊt cho ®iÖn tö, chóng cã thÓ lµ chÊt h÷u c¬ (phæ biÕn nhÊt lµ axit axetic), H2 vµ S. Khi cã mÆt ®ång thêi NO3 - vµ c¸c chÊt cho ®iÖn tö, chÊt cho ®iÖn tö bÞ oxy ho¸, ®ång thêi NO3 - nhËn ®iÖn vµ bÞ khö vÒ N2. Gayle [29] ®· ph©n lËp ®−îc Ýt nhÊt 14 lo¹i vi khuÈn tham gia vµo qu¸ tr×nh khö nitrat. Chóng lµ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocus, Spirilum vµ Thiobacilus, v.v... PhÇn lín c¸c vi khuÈn lo¹i nµy lµ dÞ d−ìng nghÜa lµ chóng dïng cacbon h÷u c¬ mµ chóng sÏ «xy ho¸ ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi. ChØ cã Thiobacilus denitrifcans lµ sö dông nguån ®iÖn tö tõ S nguyªn tè ®Ó t¹o n¨ng l−îng vµ nguån cacbon v« c¬ (tõ CO2 vµ HCO3 -) ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi. NÕu sö dông nguån cacbon lµ methanol hoÆc methan th× vi khuÈn Methylotrophic sÏ chuyÓn ho¸ c¸c c¬ chÊt tan tèt nh− xitrat vµ isoxitrat ®Ó vi khuÈn hÊp thô vµ sö dông nh− nguån ®iÖn tö e-. C¸c ph−¬ng tr×nh tØ l−îng cña qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ phô thuéc vµo b¶n chÊt nguån cacbon sö dông nh− sau: N 2 O N 2 N 2 O red NO red NO 2 - red NO 3 - red N O N O 2 - N O 3 - NO 3 -NO 2 - l í p n −í c lipoprotein m µ ng v á ngo µ i kh è i ch Ê t b µ o m µ ng t Õ b µ o ch Ê t t Õ b µ o ch Ê t H×nh 1.3 - Qu¸ tr×nh khö nitrat trªn mµng tÕ bµo chÊt cña vi khuÈn [3] §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 21 6NO3 - + 5CH3OH  3N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH- (1.18) 8NO3 - + 5CH3COOH  4N2 + 10 CO2 + 6 H2O + 8 OH- (1.19) 8NO3 - + 5CH4  4N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8 OH- (1.20) 10NO3 - + C10 H19O3 N  5N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3g + 10 OH- (1.21) Ghi chó: C10 H19O3N - c«ng thøc trung b×nh cña n−íc th¶i sinh ho¹t. Nhãm OH- sÏ ph¶n øng víi CO2 t¹o ®é kiÒm bicacbonat: OH- + CO2  HCO3- Còng nh− tr−êng hîp nitrat ho¸, nÕu tÝnh c¶ qu¸ tr×nh sinh tæng hîp th× ta cã: NO3 - + 1,08CH3OH + 0,24H2CO3   0,056C5H7NO2 + 0,47N2 + 1,68H2O + HCO3- (1.22) NO2 - + 0,67CH3OH + 0,53H2CO3   0,04 C5H7NO2 + 0,48N2 + 1,23H2O + CO3- (1.23) O2 + 0,93CH3OH + 0,056NO3 -   0,056C5H7NO2 + 1,04N2 + 0,59H2O + 0,56HCO3- (1.24) Nh− vËy, 1 gam nitrat bÞ khö tiªu thô 2,86g O2, 1 gam nitrat bÞ khö sinh ra 3,57 g ®é kiÒm (CaCO3). NÕu cã NH4 + tham gia vµo qu¸ tr×nh sinh tæng hîp tÕ bµo th×: l−îng kiÒm sinh ra sÏ Ýt h¬n (vµo kho¶ng 2,9 - 3,0 g). Theo ph−¬ng tr×nh (1.22) ®−îc nªu bëi (McCarty, 1968) [28]: NO3 - + 1,08 CH3OH  0,056 C5H7NO2 + 0,47 N2 + 1,44 H2O + 0,67 CO2 + OH - (2.12) Nh− vËy cø 1 mg/l NO3 - bÞ khö th× sinh ra 3,57 mg/l ®é kiÒm. NÕu trong hÖ cã NH3 th× l−îng kiÒm sinh ra sÏ Ýt h¬n. • C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh nitrat ho¸ - ¶nh h−ëng cña pH vµ nhiÖt ®é tíi qu¸ tr×nh nitrat ho¸ Thùc nghiÖm cho thÊy kho¶ng pH tèi −u kh¸ réng vµ dao ®éng xung quanh gi¸ trÞ pH = 8 (6 - 10) [11]. Khi thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh pH tèi −u cÇn l−u ý kh¶ n¨ng thÝch nghi cña vi khuÈn, vËy c¸c phÐp ®o ph¶i ®−îc thùc hiÖn ngay khi ®−a vµo m«i tr−êng pH míi. §Ó hiÓu râ h¬n nghiªn cøu cña Grady vµ Lim [12] §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 22 sÏ chøng minh cho chóng ta thÊy ë h×nh 1.4. Nghiªn cøu nµy ®· chøng minh cho thÊy vi khuÈn nitrat ho¸ rÊt nh¹y c¶m víi pH, ®èi víi Nitrosomonas cã d¶i pH tèi thÝch tõ 7,0 ®Õn 8,0. Vµ ®èi víi Nitrobacter lµ tõ 7,5 ®Õn 8,0. Nh−ng bªn c¹nh ®ã nghiªn cøu cña Skadsen vµ céng sù (1996) l¹i cho thÊy mét sè loµi cã thÓ thÝch hîp ë møc pH > 9 [13]. Tuy nhiªn, Odell vµ céng sù (1996) l¹i cho r»ng cßn rÊt nhiÒu nh÷ng yÕu tè kh¸c lµm ¶nh h−ëng tíi sù tån t¹i vµ ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat vµ nghiªn cøu cña «ng l¹i chØ ra r»ng pH thÝch hîp cho vi khuÈn nµy lµ tõ 6,6 ®Õn 9,7 [14]. H×nh 1.4- ¶nh h-ëng cña pH tíi vi khuÈn nitrat ho¸ [12] NhiÖt ®é cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn hiÖu qu¶ qu¸ tr×nh nitrat ho¸ b»ng vi sinh. Thùc nghiÖm cho thÊy nhiÖt ®é tèi −u n»m trong kho¶ng 15 - 27oC [15], nh−ng cã t¸c gi¶ l¹i cho biÕt vïng nhiÖt ®é cã thÓ nghiªn cøu ®−îc l¹i n»m trong kho¶ng rÊt réng tõ 4- 50OC [16] . NÕu nhiÖt ®é qu¸ cao sÏ lµm gi¶m ho¹t tÝnh cña vi sinh vµ g©y øc chÕ ho¹t ®éng vµ cã khi g©y chÕt vi sinh vËt. Tuy nhiªn, do ®iÒu kiÖn vÒ quy m« xö lý cho nªn trong qu¸ tr×nh vËn hµnh kh«ng thÓ ®iÒu chØnh nhiÖt ®é cña n−íc ®Çu vµo, thùc tÕ n−íc nguån n−íc t¹i phßng thÝ nghiÖm kh¸ æn ®Þnh vµ n»m trong giíi h¹n thuËn lîi cho ho¹t ®éng cña toµn bé hÖ thèng. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 23 - ¶nh h−ëng cña c¸c chÊt ®éc tíi sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat ho¸ So víi c¸c vi khuÈn dÞ d−ìng, c¸c vi khuÈn tù d−ìng nitrat ho¸ nh¹y c¶m víi nhiÒu kim lo¹i nÆng vµ hãa chÊt. Sè liÖu vÒ ®éc tÝnh cña mét sè chÊt cho ë b¶ng 1.4. B¶ng 1.4 - C¸c chÊt h÷u c¬ vµ nång ®é g©y øc chÕ vi khuÈn nitrat ho¸ [16] Danh môc c¸c chÊt mg/l Danh môc c¸c chÊt mg/l Acetone 2000 m-Cresol 1-100 Amino acids 1-1000 Cyanide 16,5 Ammonium 1000 Dicyandiamide 250 Aniline 7,7 2,4-Dinitrophenol 37 Benzenne 13 Dithio-oxamide 1 Benzocaine 100 Ethanol 2400 Benzylamine 100 Sodium arsenite 2000 Bisphenol A 100 Sodium chloride 35000 Cadmium 14,3 Sodium cyanate 100 Carbamate 2 Sodium cyanide 1 Carbon disulphude 35 Sodium pluoride 1218 Chloride 1 Tetrabromobisphenol 100 Chloroform 18 1,2,3,4-Tetrachlorobenzene 20 Hydrogen sulfide 50 1,2,4,5-Tetrachlorobenzene 9,8 Lead 0,5 1,1,1,2-Tetrachloroethane 8,7 1-Lysine 4 1,1,2,2-Tetrachloroethene 1,4 Methanol 160 1,2,3,5,6-Tetrachlorophenol 1,3 Methyl mercaptan 300 Trichloroethylene 0,81 Methyl pyridines 100 Trichlorophenol 100 Nickel 5 2,3,5-Trichlorophenol 3,9 Nitrobenzene 50 2,3,6-Trichlorophenol 0,42 Potassium chlorate 2500 2,4,6-Trichlorophenol 7,9 Chromium (2I) 10 Copper 230 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 24 - ¶nh h−ëng cña nång ®é NH4 + tíi sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat- Nitrobacter Turk, O., vµ Mavinic, D.S. (1986) [17] ®· chØ ra r»ng c¸c qu¸ tr×nh «xi ho¸ nitrit bÞ øc chÕ khi nång ®é NH3 ®¹t 0,1 -1 mg/l vµ ë nång ®é NH3 tõ 5 -20 mg/l, qu¸ tr×nh oxi hãa NH4 + còng bÞ øc chÕ. Tuy nhiªn, Ford et al. (1980) [18] l¹i cho sè liÖu vÒ nång ®é g©y øc chÕ qu¸ tr×nh «xi hãa nitrit cao h¬n nhiÒu (10 – 150 mg NH3 /l). Sù cã mÆt cña NO2 - vµ pH thÊp sinh ra HNO2 kh«ng ph©n li, ®©y lµ t¸c nh©n g©y øc chÕ qu¸ tr×nh «xy ho¸ nitrit. Alleman (1985) [19] cho thÊy khi nång ®é nitrit cao tíi 27 mg/l th× Nitrobacter bÞ øc chÕ m¹nh h¬n Nitrosomonas. Alleman còng cho r»ng nhiÖt ®é thÊp, «xy hoµ tan (DO) thiÕu vµ CO2 cao, sù cã mÆt cña NH3 tù do vµ d− l−îng bïn lµm gi¶m tèc ®é ph¸t triÓn cña Nitrobacter vµ kÐo theo sù gi¶m oxi hãa nitrit. Ngoµi ra, sèc amoni vµ sù khö nitrat cã thÓ g©y ra sù tÝch luü chÊt ®éc NO2 -. §ã lµ do Nitrosomonas Ýt nh¹y c¶m h¬n ®èi víi sèc NH3 vµ nhanh thÝch nghi h¬n Nitrobacter dÉn tíi sù tÝch luü nitrit trong hÖ. B¶ng 1.5 - Nång ®é NH4 + vµ NO2 - g©y øc chÕ nitrobacter [20] pH NH+4 (mg/l) NO - 2 (mg/l) 6,0 210-2100 30-330 6,5 70-700 88-1050 7,0 20-210 260-3320 7,5 7-70 - 8,0 2-20 - • C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ ¶nh h−ëng cña pH vµ nhiÖt ®é tíi qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ §iÒu kiÖn ph¸t triÓn vi khuÈn khö nitrat hãa: pH 7 - 8; to = 5 - 25 oC [23], c¬ chÊt ph¶i lµ chÊt h÷u c¬ tan, cµng dÔ ®−îc vi sinh hÊp thô cµng tèt. MÆc dï methanol lµ c¬ chÊt phæ biÕn nhÊt, nh−ng nã ch−a ph¶i lµ chÊt tèt nhÊt vÒ mÆt nhiÖt ®éng häc. Monteith (1980) ®· ghi nhËn lµ trong sè 30 lo¹i n−íc th¶i c«ng §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 25 nghiÖp cã 22 lo¹i (th¶i bia vµ r−îu) dïng trong khö nitrat hãa tèt h¬n metanol [24]. Vi khuÈn khö nitrat hãa cã søc chÞu ®éc h¬n vi khuÈn tù d−ìng. Tuy nhiªn, vÉn cÇn l−u ý c¸c tr−êng hîp sau: - Do øc chÕ men khö nitrit (m¹nh h¬n so víi t¸c ®éng lªn men khö nitrat). NÕu cã DO, nitrit sÏ tÝch luü. NÕu DO = 5% møc b·o hoµ, tèc ®é t¹o khÝ NOx gi¶m, nÕu ®¹t 13% th× men khö nitrit kh«ng ho¹t ®éng, nÕu h¬n 13 % th× men khö nitrat còng bÞ øc chÕ. - B¶n th©n nitrit còng lµ chÊt ®éc. NÕu N-NO2 - ≥ 14 mg/l ë pH =7 th× qu¸ tr×nh chuyÓn hãa chÊt h÷u c¬ bëi Pseudomonas Aeruginosa sÏ chËm l¹i, ë nång ®é 350 mg/l qu¸ tr×nh bÞ øc chÕ hoµn toµn (kÓ c¶ qu¸ tr×nh oxic dïng chÊt nhËn e- lµ O2). T−¬ng tù, c¸c khÝ NOx còng lµ chÊt ®éc. - Sù khö ®èi víi NO2 - bÞ ¶nh h−ëng m¹nh khi gi¶m pH < 7,5 (ng−îc l¹i ®èi víi sù khö NO3 -). 1.6. T×nh h×nh nghiªn cøu trong vµ ngoµi n−íc 1.6.1.T×nh h×nh nghiªn cøu trong n−íc HiÖn nay chóng ta ®· cã mét sè c«ng tr×nh nghiªn cøu xö lý c¸c hîp chÊt chøa nit¬ trong n−íc cÊp còng nh− trong n−íc th¶i, c¸c nghiªn cøu cßn h¹n chÕ vµ ch−a ®Çy ®ñ nh−ng cã thÓ liÖt kª mét sè c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ lÜnh vùc nµy nh− sau: − Nghiªn cøu xö lý c¸c chÊt dinh d−ìng (c¸c hîp chÊt N vµ P) trong c¸c hÖ xö lý n−íc th¶i sinh ho¹t - Lª V¨n ChiÒu, luËn ¸n TiÕn SÜ, tr−êng §HKHTN, 2003. − Nghiªn cøu ph¸t triÓn c«ng nghÖ xö lý n−íc th¶i giµu hîp chÊt nit¬ (N), Photpho (P) thÝch hîp víi ®iÒu kiÖn ViÖt Nam - Lª V¨n C¸t, b¸o c¸o ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ thuéc ch−¬ng tr×nh nhµ n−íc vÒ b¶o vÖ m«i tr−êng, Hµ Néi 2001-2002. − Nghiªn cøu xö lý amoni trong n−íc ngÇm Hµ Néi - ®Ò tµi cÊp thµnh phè 01C-09/11-2002-2, chñ tr× NguyÔn V¨n Kh«i - Së Giao th«ng C«ng chÝnh Hµ Néi. §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 26 − B¸o c¸o b−íc ®Çu xö lý amoni cho nhµ m¸y n−íc Nam D− c«ng suÊt 30.000m3/ngµy ®ªm, 2002 C«ng ty t− vÊn cÊp tho¸t n−íc vµ m«i tr−êng ViÖt Nam (VIWASE Vietnam Water Supply and Environment). − C¸c ®Ò tµi xö lý nit¬ quy m« nhá cña ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖt Nam (VKH&CNVN) b»ng ph−¬ng ph¸p vi sinh- chñ tr× NguyÔn V¨n NhÞ. − §Ò tµi xö lý nit¬ quy m« nhá b»ng ph−¬ng ph¸p trao ®æi víi zeolit, chñ tr× NguyÔn H÷u Phó- VKH&CNVN. − Xö lý nitrat, b¸o c¸o cña L©m Minh TriÕt vµ céng t¸c viªn, §¹i häc Quèc gia Thµnh phè Hå ChÝ Minh. − X©y dùng c«ng nghÖ kh¶ thi xö lý amoni vµ asen trong n−íc sinh ho¹t, Viªn C«ng NghÖ M«i Tr−êng. PhÇn lín c¸c ®Ò tµi trªn ®Òu kh¼ng ®Þnh cã thÓ xö lý tèt amoni nh−ng ®Òu liªn quan tíi n−íc th¶i. §èi víi n−íc cÊp c¸c ph−¬ng ph¸p nh− trao ®æi ion ®−îc ®Ò xuÊt xö lý quy m« nhá. VKH&CNVN cã ®Ò tµi chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ cì nhá, c¸c ®Ò tµi ®Òu kh¼ng ®Þnh ph−¬ng ph¸p sinh häc lµ ®Þnh h−íng chÝnh quy cho quy m« lín. §èi víi c¸c hîp chÊt nit¬, c¸c c«ng nghÖ xö lý n−íc cÊp th«ng th−êng kh«ng cã hiÖu qu¶. VÊn ®Ò xö lý amoni trong n−íc cÊp, ®Æc biÖt ë møc nång ®é cao cì 15 – 25 mg/l lµ mét trong nh÷ng vÊn ®Ò cßn kh¸ míi mÎ ë n−íc ta vµ trªn thÕ giíi. Tr−íc n¨m 2002 c¸c TCVN ®Òu giíi h¹n nång ®é amoni ë møc ≤ 3 mg/l th× tõ 2002, víi QuyÕt ®Þnh 1329/2002 Q§-BYT cña Bé Y tÕ, giíi h¹n nång ®é amoni cña ViÖt Nam ®· ë møc cña Tæ chøc søc khoÎ thÕ giíi WHO lµ 1,5 mg/l, trong khi cña c¸c n−íc Ch©u ©u ®· lµ 0,5 mg/l [3]. §iÒu nµy ®· thóc ®Èy nhiÒu nghiªn cøu ®ång thêi ë ViÖt Nam trong lÜnh vùc xö lý amoni trong n−íc cÊp. 1.6.2. T×nh h×nh nghiªn cøu ngoµi n−íc Mét sè tµi liÖu ®· kh¼ng ®Þnh viÖc xö lý amoni ®¹t hiÖu qu¶ cao (98 - 100% ) [u] b»ng ph−¬ng ph¸p läc víi dßng khÝ thæi ng−îc dßng. Qu¸ tr×nh xö lý amoni trong n−íc b»ng vi sinh dùa trªn hai qu¸ tr×nh sinh ho¸ nèi tiÕp vµ rÊt kh¸c nhau lµ nitrat ho¸ vµ khö nitrat. B−íc 1 vi khuÈn nitrat §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 27 ho¸ «xy ho¸ NH4 + thµnh NO2 -, råi sau ®ã thµnh NO3 -, ph¶n øng nµy ®−îc thùc hiÖn bëi nhãm vi khuÈn tù d−ìng (autotrophic) lµ nhãm vi khuÈn dïng cacbon v« c¬ trong n−íc ®Ó tæng hîp tÕ bµo. B−íc 2 vi khuÈn khö nitrat (denitrifiers) khö NO3 - (vµ c¶ NO2 -) thµnh N2. Nhãm vi khuÈn nµy ph¶i dïng cacbon h÷u c¬ ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi, chóng lµ nhãm dÞ d−ìng (heterotrophic). Nãi chung c¸c vi khuÈn dÞ d−ìng - vi khuÈn khö nitrat ho¸ "khoÎ" h¬n c¸c vi khuÈn tù d−ìng, ®Æc biÖt trong qu¸ tr×nh xö lý n−íc cÊp khi mµ sù t¨ng tr- −ëng cña chóng bÞ khèng chÕ bëi l−îng c¬ chÊt Ýt ái so víi n−íc th¶i. V× lý do nµy, nÕu ¸p dông c¸c kü thuËt sinh häc cæ ®iÓn kiÓu bïn ho¹t tÝnh cÇn thêi gian l−u n−íc rÊt l©u tíi 7 ngµy ë 200C [27]. ChÝnh v× vËy, ®Ó t¨ng l−îng sinh khèi ®Õn møc cÇn thiÕt nh»m gi¶m thêi gian ph¶n øng th× c¸c ph−¬ng ph¸p läc sinh häc víi vËt liÖu mang vi sinh thÝch hîp cã thÓ thùc hiÖn ®iÒu nµy vµ tá ra cã −u thÕ tuyÖt ®èi trong c¸c kü thuËt sinh häc ®Ó xö lý nit¬ trong n−íc ¨n uèng. Trong lÜnh vùc nµy ng−êi ch©u ¢u cã −u thÕ v−ît tréi. Nh÷ng kü thuËt th−êng ®−îc ¸p dông lµ läc sinh häc ngËp n−íc, läc c¸t nhanh, läc víi líp ®Öm më réng hoÆc gi¶ láng (fluidized hoÆc expanded bed reactor), vµ läc víi líp vËt liÖu läc (VLL) lµ than ho¹t tÝnh. Nh÷ng th«ng b¸o ®Çu tiªn trong lÜnh vùc nµy thuéc vÒ ng−êi Anh [28]. Hä sö dông bÓ läc víi vËt liÖu läc lµ ®¸, dµy 2m, tèc ®é läc 0,8-2,8 m/h ®Ó xö lý n−íc s«ng Thames víi nång ®é amoni 2-3 mg/l. Do VLL th«, kh«ng cã hÖ sôc khÝ mµ hÖ chØ ®¹t hiÖu suÊt 80% chØ sau 1 n¨m ho¹t ®éng, ngoµi ra nhiÖt ®é thÊp vµ sù thiÕu «xy còng ¶nh h−ëng xÊu ®Õn hiÖu qu¶ xö lý. HÖ läc víi líp ®Öm më réng tá ra hiÖu qu¶ h¬n nhiÒu. Nhê kÕt cÊu h×nh chãp ng−îc, n−íc ®i tõ d−íi lªn, tèc ®é n−íc d©ng sÏ gi¶m dÇn vµ thÊp nhÊt ë vïng thu n−íc h×nh trô phÝa trªn cïng, ë vïng gi÷a, sinh khèi vµ VLL sÏ l¬ löng vµ c¸c qu¸ tr×nh xö lý vi sinh x¶y ra ë ®©y. Vïng trªn cïng lµ vïng cã thiÕt diÖn ch¶y cao nhÊt øng víi tèc ®é n−íc d©ng thÊp nhÊt cho phÐp sinh khèi kÕt b«ng vµ r¬i trë l¹i vïng ph¶n øng. B»ng kÕt cÊu nµy ng−êi ta cã thÓ n©ng tèc ®é läc lªn tíi 6-30 m/h, thêi gian l−u n−íc chØ cã 5-10 phót. HiÖu qu¶ xö lý phô thuéc nhiÖt §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 28 ®é vµ tèc ®é läc vµ ®¹t 20-100% (Goodal J.B., 1979). Mét nhµ m¸y ë Anh (Tewkesbury), mét ë §øc (Mulheim) hiÖn ¸p dông kü thuËt nµy. Trong hÖ läc nhanh, nÕu t¹o ®iÒu kiÖn ®Ó vi khuÈn nitrat ho¸ tÝch luü còng cã thÓ thùc hiÖn qu¸ tr×nh nitrat ho¸. T¹i Ph¸p, ®Ó thùc hiÖn ®iÒu nµy ng−êi ta bæ sung lªn bÒ mÆt c¸t bÓ läc nhanh 3-5 mm VLL lµ pozzolana vµ sôc khÝ vµo bÓ víi c−êng ®é 0,9 m3 kh«ng khÝ/1 m3 n−íc. Víi nång ®é ®Çu vµo lµ 15 mg N/l, tèc ®é läc 4-25 m/h. Tèc ®é xö lý gi¶m khi t¨ng tèc ®é läc vµ ®¹t 3 ®Õn 14 mg N/l/giê [29]. Trong [30] t¸c gi¶ còng cho r»ng víi líp VLL pozzolana lµ 7-15 mm th× 1 th¸ng chØ cÇn röa mét lÇn b»ng khÝ vµ n−íc nh− röa ng−îc. ë Mü ng−êi ta hay dïng líp VLL th«, xèp víi chiÒu dµy tíi 4 mÐt ®Ó thay líp c¸t läc th«ng th−êng [25]. NÕu ¸p dông than ho¹t tÝnh lµm VLL th× qu¸ tr×nh x¶y ra cßn tèt h¬n. VÝ dô, Jekel [21] th«ng b¸o kÕt qu¶ nitrat ho¸ hoµn toµn khi n−íc ozon ho¸ qua bån than h¹t GAC víi tèc ®é 10 m/h øng víi thêi gian l−u tÝnh cho cét rçng chØ 15 phót. Rice vµ céng sù, giíi thiÖu nhµ m¸y n−íc La Chapelle ë Ph¸p sö dông c«ng nghÖ nitrat ho¸ víi d©y chuyÒn «zon (0,7 mg/l, t =3 phót) - läc nhanh (4,84 m/h, c¸t 1mm dµy 1m) - läc GAC (tèc ®é 4,84 m/h, líp GAC 0,75m). HiÖu suÊt xö lý 78 % víi nång ®é amoni ®Çu ra lµ 0,3 mg/l, ngoµi ra t¸c gi¶ còng th«ng b¸o kh¶ n¨ng xö lý ®ång thêi Mn trªn hÖ nµy [31]. Theo nh− cuèn sæ tay xö lý n−íc [22] còng cung cÊp c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh nitrat ho¸, khö nitrat ho¸ vi sinh, vÝ dô, tèc ®é ph¸t triÓn cña Nitrobacter vµ Nitrosomonas (μ = 0,03 vµ 0,08 h-1). Ngoµi ra cßn m« t¶ mét sè hÖ läc sinh häc víi c¸c VLL kh¸c nhau nh− pozzolana, biolite vµ cho vÝ dô mét sè nhµ m¸y. VÝ dô nhµ m¸y Louveciennes, n−íc ®Çu vµo cã 5 mg N-NH4 +/l, c«ng suÊt 20.000 m3/ngµy bao gåm c¸c c«ng ®o¹n: «z«n ho¸ (0,5 mg/l) → nitrat ho¸ → «z«n ho¸ (1,5 mg/l) → läc GAC. 1.7. Ph−¬ng ph¸p läc sinh häc Ph−¬ng ph¸p läc sinh häc nãi chung con ng−êi ®· biÕt tõ l©u, song ®−a nã thµnh biÖn ph¸p c«ng nghÖ xö lý n−íc nãi chung vµ n−íc th¶i nãi riªng m·i tíi §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT NguyÔn ThÞ Ph−¬ng MSSV: 505303044 29 thÕ kû 19 míi ®−îc x¸c lËp. Läc sinh häc lÇn ®Çy tiªn ®−îc ¸p dông ë Mü n¨m 1819 vµ ë Anh n¨m 1893. §Õn cuèi thÓ kû 20 lo¹i LSH ngËp n−íc ®· ®−îc sö dông ë Ph¸p, Mü, óc víi c«ng suÊt 4.000m3/ ngµy ®Ó xö lý n−íc th¶i ®« thÞ vµ n−íc th¶i c«ng nghiÖp thùc phÈm. Ứng dông ph−¬ng ph¸p LSH ngËp n−íc ®Ó xö lý N, P ®−îc nhiÒu quèc gia quan t©m nghiªn cøu xö lý, tuy nhiªn ë ViÖt Nam vÊn ®Ò nµy còng ch−a ®−îc quan t©m ®óng møc. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh LSH ngËp n−íc Nguyªn lý cña ph−¬ng ph¸p LSH lµ dùa trªn qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña vi sinh vËt trªn mµng sinh häc, oxy hãa c¸c chÊt bÈn cã trong n−íc. C¸c mµng s