Luận văn Nghiên cứu quá trình chuyển hóa Nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí và hiếu khí

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu quá trình chuyển hóa Nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí và hiếu khí

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THẾ NAM NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THẾ NAM NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRỊNH LÊ HÙNG Hà Nội – 2014
3. Lời cảm ơn Luận văn này được thực hiện tại bộ môn Hoá môi trường - khoa Hoá - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Trịnh Lê Hùng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong bộ môn Hoá môi trường, các bạn và các em trong phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa công nghệ đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Hà Nội, tháng 7 năm 2014 Học viên Lê Thế Nam
4. DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ ...................... ..41 Bảng 1.2. Một số vi khuẩn sinh metan . ................................ 42 Bảng 2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn của amoni............................................... 51 Bảng 2.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrit ................. .......... ..54 Bảng 2.3. Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrat . ...............................57 3- Bảng 2.4. Kết quả dựng đường chuẩn PO4 .........................................60 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm yếm khí lần 1 ............................. ............63 Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm yếm khí lần 2 ............................................63 Bảng 3.3. Kết quả trung bình thí nghiệm xử lý yếm khí ........... ............64 Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm hiếu khí lần 1 .......................... .......... .68 Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm hiếu khí lần 2 ............................... .......... 69 Bảng 3.6. Kết quả trung bình thí nghiệm xử lý hiếu khí ...................................69 Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm yếm khí và hiếu khí trong 4 ngày ... ............... 75 + - - Bảng 3.8. Phần trăm N chuyển hóa thành NH4 , NO2 , NO3 qua các ngày .............79 Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm yếm khí trước trong 3 ngày, sau đó tiếp tục xử lý hiếu khí trong 3 ngày và ngược lại.... ........................................................................ 80
5. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sự phụ thuộc của nồng độ Clo dư trong nước vào nồng độ Clo xử lí nước có và không có NH3...........................................................................................................13 Hình 1.2. Vi khuẩn Nitrosomonas ................................................................................18 Hình 1.3. Vi khuẩn Nitrobacter ....................................................................................18 Hình 1.4. Vi khuẩn Bacillus..........................................................................................20 Hình 1.5. Vi khuẩn Pseudomonas.................................................................................20 Hình 1.6. Cơ chế sinh hóa giả thiết của phản ứng Anammox.......................................27 Hình 1.7. Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia....................................................28 Hình 1.8. Chu trình N trong tự nhiên ...........................................................................35 Hình 1.9. Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học......................................46 Hình 2.1. Phương trình đường chuẩn của amoni..........................................................51 Hình 2.2. Phương trình đường chuẩn của nitrit.............................................................55 Hình 2.3. Phương trình đường chuẩn của nitrat............................................................58 Hình 2.4. Phương trình đường chuẩn của photphat.......................................................60 Hình 3.1. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm yếm khí......................................64 Hình 3.2. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm yếm khí..................................65 Hình 3.3. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm yếm khí....................................66 Hình 3.4. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm yếm khí...................................67 Hình 3.5. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm yếm khí..............................68 Hình 3.6. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm hiếu khí......................................70 Hình 3.7. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm hiếu khí..................................71 Hình 3.8. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm hiếu khí....................................72 Hình 3.9. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm hiếu khí...................................73 Hình 3.10. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm hiếu khí............................74 Hình 3.11. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày .....75
6. Hình 3.12. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày.76 Hình 3.13. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày....77 Hình 3.14. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày...77 Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày................................................................................................................................78 Hình 3.16. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí.....81 Hình 3.17. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí...................................................................................................................................82 Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí...................................................................................................................................82 Hình 3.19. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí...................................................................................................................................83 Hình 3.20. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm kết hợp yếm khí và hiếu khí ........................................................................................................................................84
7. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt ------------------------------------------------------------------------------------------------- AOB Ammonium oxidizing bacteria Vi khuẩn oxi hóa amoni BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi sinh hóa (hay sinh học) COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hoá học DO Dissolved oxigen Oxi hòa tan EPA Environmental Protection Agency Cơ quan Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ FA Free amoni Amoni tự do FNA Free nitrogen amonium Amoni tự do HRT Hydranliz Retention Time Thời gian lưu thủy lực MAP Magie Amoni Photphat, MgNH4PO4.6H2O SRT Sludge Retention Time Tuổi của bùn WHO World Health Organization Tổ chức y tế thế giới
8. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..........................................................................................3 1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lý các hợp chất Nitơ trong nước...........3 1.1.1. Tình hình ô nhiễm các nguồn nước hiện nay....................................................3 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước............................................4 1.1.3. Nguyên nhân ....................................................................................................7 1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con người..........................7 1.1.5. Nguồn gây ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ.....................................................9 1.1.5.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên....................................................9 1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người ..................................................10 1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ..................10 1.2.1 Các phương pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni.....................................11 1.2.1.1. Làm thoáng để khử amoni (Air stripping).............................................11 1.2.1.2. Phương pháp clo hoá đến điểm đột biến (break point)..........................12 1.2.1.3. Phương pháp trao đổi ion (Ion Exchange).............................................14 1.2.1.4. Phương pháp điện hóa............................................................................15 1.2.1.5. Phương pháp tạo kết tủa Magie Amoni Photphat (MAP)......................15 1.2.2. Các phương pháp sinh học tách loại amoni....................................................16 1.2.2.1. Các điều kiện nước thải đưa vào xử lý sinh học....................................16 1.2.2.2. Phương pháp sinh học truyền thống.......................................................17 1.2.2.3. Phương pháp sinh học Sharon................................................................21 1.2.2.4. Phương pháp sinh học Anammox..........................................................26 1.2.3. Xử lý nước thải chứa amoni bằng phương pháp bãi lọc trồng cây ngập nước (wetland)..................................................................................................................29
9. 1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới.................................30 1.2.3.2. Các ưu - nhược điểm chính của bãi lọc trồng cây..................................32 1.3. Đánh giá các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải............................................32 1.4. Quá trình chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước thải........................................33 1.4.1. Hệ vi khuẩn của nước thải..............................................................................33 1.4.2. Quá trình amoni hóa sinh học.........................................................................35 1.4.3. Quá trình nitrat hóa sinh học..........................................................................36 1.4.4. Đenitrat hóa....................................................................................................38 1.4.5. Quá trình yếm khí...........................................................................................39 1.4.6. Quá trình hiếu khí...........................................................................................44 1.4.7. Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải do vi sinh vật..............................46 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM.......................................................................................................................47 2.1. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................47 2.2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................47 2.3. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................47 2.4. Phương pháp phân tích............................................................................................47 2.4.1. Phương pháp xác định COD bằng kalibicromat.............................................47 2.4.2. Xác định hàm lượng amoni............................................................................48 - 2.4.3. Xác định hàm lượng Nitrit (NO2 ) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử Griss..........................................................................................................52 - 2.4.4. Xác định nitrat (NO3 ) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử phenoldisunfonic.......................................................................................................55 3- 2.4.5. Xác định photphat (PO4 ) trong nước bằng phương pháp trắc phổ dùng amoni molipđat.........................................................................................................58 2.5. Thực nghiệm ..........................................................................................................61 2.5.1. Quá trình yếm khí...........................................................................................61
10. 2.5.2. Quá trình hiếu khí...........................................................................................61 2.5.3. So sánh giữa yếm khí và hiếu khí...................................................................62 2.5.4. Nghiên cứu trật tự yếm khí và hiếu khí trong quá trình xử lý nước thải............................................................................................................................62 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................63 3.1. Kết quả thí nghiệm xử lý yếm khí...........................................................................63 3.2. Kết quả thí nghiệm xử lý hiếu khí...........................................................................68 3.3. Kết quả thí nghiệm xử lý yếm khí và hiếu khí trong cùng một thời gian 4 ngày................................................................................................................................75 3.4. Kết quả thí nghiệm xử lý phối hợp giữa yếm khí và hiếu khí...................................................................................................................................80 KẾT LUẬN ..................................................................................................................85 KIẾN NGHỊ..................................................................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................87