Lộ trình công nghệ loại bỏ tổng phốt pho và nitơ tổng: Từ nguyên tắc quy trình đến lựa chọn kỹ thuật

Lộ trình công nghệ loại bỏ tổng phốt pho và tổng nitơ: Từ nguyên tắc quy trình đến lựa chọn kỹ thuật

Trong các dự án nâng cấp nhà máy xử lý nước thải đô thị và xử lý nước thải công nghiệp, việc loại bỏ đồng thời tổng phốt pho (TP) và tổng nitơ (TN) là một thách thức kỹ thuật và là chỉ báo chính của quy định môi trường. Tổng phốt pho chủ yếu đến từ chất tẩy rửa trong nước thải sinh hoạt, phốt phát trong nước thải công nghiệp và dư lượng thuốc trừ sâu. Tổng nitơ bao gồm nitơ amoniac, nitơ nitrat, nitơ hữu cơ, v.v. Cả hai đều là những yếu tố chính gây ra hiện tượng phú dưỡng nước.

Đối với các nhà thầu kỹ thuật và nhà tích hợp hệ thống, việc hiểu phạm vi áp dụng và điều kiện biên của các công nghệ loại bỏ phốt pho và nitơ khác nhau là nền tảng cho việc thiết kế quy trình và lựa chọn thiết bị.

1. Các lộ trình công nghệ loại bỏ phốt pho tổng số

Tổng phốt pho tồn tại trong nước dưới dạng orthophosphate, polyphosphate và phốt pho hữu cơ. Các hình thức khác nhau tương ứng với các cơ chế loại bỏ khác nhau.

1.1 Phương pháp kết tủa hóa học

Kết tủa hóa học là quá trình chủ đạo để loại bỏ phốt pho. Nó liên quan đến việc thêm muối kim loại hoặc vôi để chuyển đổi các gốc photphat thành kết tủa không hòa tan.

Phương pháp kết tủa muối canxi:Thêm vôi (CaO) hoặc canxi clorua vào nước thải chứa phốt pho sẽ tạo ra kết tủa hydroxyapatite trong điều kiện kiềm. Phương trình phản ứng như sau:

5Ca²⁺ + 7OH⁻ + 3H₂PO₄⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓ + 6H₂O

Thông số kỹ thuật:Tốt nhất Hiệu quả loại bỏ phốt pho đạt được khi pH được kiểm soát ở mức 10,5–12,5 và nồng độ phốt phát trong nước thải có thể thấp hơn 0,5 mg/L. Thời gian phản ứng là 10–15 phút. Hợp tác với chất keo tụ PAM có thể cải thiện hiệu quả lắng.

Phương pháp kết tủa muối nhôm/sắt:Thêm nhôm sunfat, polyalumin clorua hoặc sắt clorua sẽ tạo ra kết tủa nhôm photphat hoặc sắt photphat. Ưu điểm của nó là có thể hoạt động trong điều kiện pH (6,5–7,5) gần trung tính, thích hợp cho việc loại bỏ phốt pho trong hệ thống hậu sinh hóa.

Cần lưu ý rằng phương pháp kết tủa hóa học chủ yếu nhắm vào phốt pho vô cơ và có tác dụng hạn chế trong việc loại bỏ phốt pho hữu cơ. Cần phải xác minh quy trình theo chất lượng nước thực tế.

1.2 Loại bỏ phốt pho sinh học

Việc loại bỏ phốt pho sinh học phụ thuộc vào hành vi hấp thu phốt pho quá mức của các sinh vật tích lũy phốt pho (PAO) trong môi trường kỵ khí/hiếu khí xen kẽ. Ở giai đoạn kỵ khí, polyphosphate bị thủy phân để giải phóng photphat; ở giai đoạn hiếu khí, lượng photphat dư thừa được hấp thụ và lưu trữ trong tế bào dưới dạng polyphosphate, còn photpho được loại bỏ thông qua việc thải bùn dư.

Khi hệ thống loại bỏ phốt pho sinh học tăng cường (EBPR) hoạt động ổn định, tổng lượng phốt pho trong nước thải có thể đạt dưới 0,5 mg/L. Tuy nhiên, việc loại bỏ phốt pho sinh học rất nhạy cảm với các nguồn cacbon và điều kiện vận hành, đồng thời hiệu quả giảm đáng kể trong điều kiện nhiệt độ thấp hoặc tỷ lệ cacbon-nitơ thấp.

1.3 Phương pháp hấp phụ

Tận dụng tác dụng hấp phụ của vật liệu xốp để loại bỏ photphat khỏi nước. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng than hoạt tính gốc bùn có khả năng hấp phụ phốt pho là 7,3 mg/g theo pH 6 và thời gian hấp phụ là 360 phút, tốt hơn so với than hoạt tính thương mại là 4,1 mg/g. Than sinh học được điều chế từ sợi chà là có thể đạt tỷ lệ loại bỏ tổng lượng phốt pho là 81%–91%.

Phương pháp hấp phụ phù hợp để xử lý sâu nước thải chứa phốt pho nồng độ thấp hoặc như một đơn vị xử lý bậc ba, nhưng cần phải đưa chi phí tái tạo và thay thế chất hấp phụ vào đánh giá kinh tế kỹ thuật.

2. Lộ trình công nghệ loại bỏ tổng nitơ

Cốt lõi của việc loại bỏ tổng nitơ là chuyển đổi các dạng nitơ khác nhau thành khí nitơ và giải phóng nó khỏi vùng nước. Các con đường kỹ thuật chính thống bao gồm phương pháp khử nitơ sinh học và hóa lý.

2.1 Quá trình khử nitrat sinh học

Quá trình khử nitrat sinh học được hoàn thành bằng cách kết hợp các quá trình nitrat hóa và khử nitrat.

Quá trình nitrat hóa:Trong điều kiện hiếu khí, nitơ amoniac bị oxy hóa tuần tự thành nitơ nitrat bởi vi khuẩn nitrit và vi khuẩn nitrat hóa.

Khử nitrat:Trong điều kiện thiếu oxy, vi khuẩn khử nitrat sử dụng chất hữu cơ làm chất cho điện tử để khử nitơ nitrat thành khí nitơ.

Các quy trình phổ biến trong kỹ thuật bao gồm:

• Quy trình AAO (Kỵ khí-Anoxic-Oxic):Cấu trúc ba giai đoạn tiêu chuẩn, đạt được khả năng loại bỏ nitơ và phốt pho đồng thời. Quy trình AAO cải tiến, thông qua việc kiểm soát tinh tế tỷ lệ hồi lưu bên trong và bổ sung nguồn carbon, có thể đạt được dòng thải TN<11 mg/L and TP<0.5 mg/L when the influent C/N ratio is 3–4.

• Quy trình Bardenpho:Một giai đoạn hậu thiếu khí bổ sung được thêm vào để tận dụng tối đa nguồn carbon nội sinh cho quá trình khử nitrat hóa sâu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng với liều lượng nguồn carbon là 38,63 mg/L và tỷ lệ hồi lưu bên trong là 300%, TN nước thải là 8,15 mg/L và TP là 0,3 mg/L.

Quá trình

• AOA-SBR:Lò phản ứng theo mẻ trình tự kỵ khí/oxic/anoxic. Ở nhiệt độ thấp 15,7oC, khi TN dòng vào là 45,5 mg/L và TP là 3,9 mg/L, nước thải giảm xuống lần lượt là 10,9 mg/L và 0,1 mg/L.

2.2 Chiến lược bổ sung nguồn carbon bên ngoài

Tỷ lệ carbon trên nitơ thấp (C/N<4) is a typical feature of municipal sewage in northern regions. Insufficient carbon sources will limit denitrification efficiency. In actual projects, external carbon sources such as sodium acetate are used for supplementation.

Các chiến lược kiểm soát tốt liên kết liều lượng nguồn carbon với nồng độ nitơ nitrat trong khu vực thiếu oxy, có thể làm giảm mức tiêu thụ nguồn carbon trên mỗi tấn nước từ 60 g đến 20 g (tính bằng natri axetat tinh khiết), tiết kiệm khoảng 70% chi phí nguồn carbon

2.3 Phương pháp khử nitrat hóa lý

Đối với nước thải chứa nitơ nồng độ cao không thể xử lý sinh hóa (như nước rỉ rác bãi rác và nước thải công nghiệp), có thể sử dụng các phương pháp sau:

• Trao đổi ion:Hấp phụ có chọn lọc các ion amoni bằng vật liệu như zeolite

• Tách màng:Đảo ngược thẩm thấu hoặc điện phân để đạt được nồng độ và phân tách nitơ

• Chất loại bỏ nitơ amoniac:Chỉ áp dụng cho nước thải chứa nitơ amoniac, chuyển đổi nó thành khí nitơ thông qua các phản ứng hóa học. Lưu ý rằng chất tẩy nitơ amoniac không có hiệu quả đối với nitơ nitrat và nitơ hữu cơ. Hiệu quả loại bỏ tổng nitơ phụ thuộc vào tỷ lệ nitơ amoniac trong tổng nitơ.

3. Tham khảo lựa chọn kỹ thuật và kết hợp quy trình

4. Sức mạnh tổng hợp của quy trình: Khó khăn về kỹ thuật trong việc loại bỏ đồng thời Nitơ và Phốt pho

Có những mâu thuẫn trong quy trình trong việc loại bỏ đồng thời tổng nitơ và tổng phốt pho:

• Loại bỏ phốt pho sinh học đòi hỏi phải có đủ nguồn carbon (phần kỵ khí), trong khi quá trình khử nitrat sinh học cũng tiêu thụ nguồn carbon (phần thiếu oxy)

• Việc loại bỏ phốt pho phụ thuộc vào lượng bùn thải dư thừa, trong khi quá trình khử nitrat phụ thuộc vào tuổi bùn dài hơn

Engineering đạt được sự cân bằng thông qua các chiến lược sau:

• Áp dụng quy trình cấp nước theo giai đoạn để phân phối nguồn carbon cho các phần kỵ khí và thiếu khí

• Tuổi bùn được kiểm soát ở mức 10–15 ngày, có tính đến nhu cầu tăng trưởng của vi khuẩn nitrat hóa và vi khuẩn tích lũy phốt pho

• Khi yêu cầu TP của nước thải nghiêm ngặt (<0.3 mg/L), supplement chemical post-precipitation unit

5. Giám sát và kiểm soát quy trình

Đối với các nhà tích hợp hệ thống, việc giám sát trực tuyến tổng lượng phốt pho và tổng nitơ là nền tảng của việc điều chỉnh quy trình. Hiện nay, việc giám sát tổng lượng phốt pho sử dụng phương pháp quang phổ amoni molybdat (giới hạn phát hiện 0,01–1,0 mg/L) và tổng nitơ sử dụng phương pháp quang phổ tia cực tím-tiêu hóa kali persulfate kiềm. Trong quy trình AAO, nồng độ nitơ nitrat trong phần anoxic là thông số chính để kiểm soát tỷ lệ hồi lưu bên trong và liều lượng nguồn carbon bên ngoài.

Câu hỏi thường gặp

Q1.Việc loại bỏ phốt pho bằng hóa học có hiệu quả đối với phốt pho hữu cơ không?

Không hiệu quả. Phương pháp kết tủa hóa học chỉ có hiệu quả đối với các ion photphat vô cơ. Phốt pho hữu cơ trước tiên cần được chuyển đổi thành phốt pho vô cơ thông qua quá trình oxy hóa hoặc phân hủy sinh học trước khi loại bỏ lượng mưa.

Q2.Tại sao quá trình khử nitrat khó khăn trong nước thải có tỷ lệ carbon-nitơ thấp?

Quá trình khử nitrat đòi hỏi chất hữu cơ làm chất cho điện tử. Khi C/N thấp hơn 4, nguồn carbon nước thô không đủ để hỗ trợ quá trình khử nitrat hoàn toàn và cần bổ sung các nguồn carbon bên ngoài (chẳng hạn như natri axetat) hoặc chiến lược cấp nước đa điểm.

Q3.Làm thế nào để lựa chọn giữa loại bỏ phốt pho sinh học và loại bỏ phốt pho hóa học?

Loại bỏ phốt pho sinh học được sử dụng cho quy trình chính (chi phí vận hành thấp nhưng hiệu quả bị ảnh hưởng bởi sự biến động của chất lượng nước); Việc loại bỏ photpho bằng hóa học được sử dụng như một biện pháp tự vệ (phản ứng ổn định nhưng chi phí hóa học cao). Trong kỹ thuật, phương thức kết hợp giữa sinh học là chính và hóa học là phụ trợ thường được áp dụng.

Q4.Khi khó tuân thủ tổng lượng nitơ, cần điều chỉnh thông số nào trước?

Trình tự kiểm tra: tỷ lệ hồi lưu bên trong (phải là 200%–400%), oxy hòa tan trong phần thiếu khí (nên là<0.5 mg/L), carbon source dosage and dosing point (should be added at the entrance of the anoxic zone), sludge age (nitrifying bacteria require longer sludge age).

Q5.Để giảm tổng lượng phốt pho từ 1,0 mg/L xuống 0,3 mg/L, quy trình nào là kinh tế nhất?

Khi TP chảy vào đã giảm xuống còn khoảng 1,0 mg/L, khả năng loại bỏ phốt pho sinh học gần đạt đến giới hạn trên. Sử dụng muối nhôm hoặc muối sắt để xử lý sau kết tủa hóa học (liều lượng khoảng 10–30 mg/L) là giải pháp loại bỏ photpho sâu tiết kiệm và khả thi.

Q6.Chu kỳ bão hòa của quá trình hấp phụ than hoạt tính để loại bỏ phốt pho là bao lâu?

Nó phụ thuộc vào nồng độ phốt pho chảy vào và loại cacbon. Cần phải tái sinh khi khả năng hấp phụ phốt pho đạt 60%–70% khả năng hấp phụ bão hòa. Lấy than hoạt tính gáo dừa làm ví dụ, khi xử lý nước thải thứ cấp bằng phốt pho 1–2 mg/L, chu trình bão hòa là khoảng 2000–5000 thể tích lớp.

Q7.Thiết bị xử lý nước thải tích hợp có thể đáp ứng đồng thời tiêu chuẩn TP và TN?

Có, nó có thể được cấu hình. Cần áp dụng các quy trình kiểm soát phân đoạn kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí (như thiết bị tích hợp AAO), đồng thời trang bị các thiết bị định lượng hóa chất và dụng cụ giám sát trực tuyến. Thích hợp cho các kịch bản xử lý nước thải phi tập trung 50–500 m³/d.

Tóm tắt:

Việc loại bỏ tổng phốt pho và tổng nitơ là một thách thức mang tính hệ thống trong kỹ thuật xử lý nước thải. Việc loại bỏ tổng lượng phốt pho chủ yếu dựa trên sự kết tủa hóa học và loại bỏ phốt pho sinh học, trong khi việc loại bỏ tổng lượng nitơ tập trung vào quá trình nitrat hóa/khử nitrat sinh học. Có một trò chơi giữa hai bên trong việc phân bổ nguồn carbon và kiểm soát tuổi bùn.

Các nhà thầu kỹ thuật cần làm rõ các đặc điểm của chất lượng nước đầu vào (tỷ lệ C/N, dạng phốt pho, phạm vi nhiệt độ) trong giai đoạn thiết kế, chọn các quy trình chính phù hợp và dự trữ định lượng hóa chất và các thiết bị lọc sâu để đảm bảo tuân thủ. Các nhà tích hợp hệ thống nên tập trung vào cấu hình của các công cụ giám sát trực tuyến (nitơ nitrat, nitơ amoniac, máy phân tích TP/TN) để cung cấp hỗ trợ dữ liệu cho quy định quy trình tinh chế.

Bảng dữ liệu cảm biến chất lượng nước

NBL-WQ-CL Cảm biến chất lượng nước trực tuyến Cảm biến clo dư trực tuyến.pdf

NBL-WQ-DO Cảm biến oxy hòa tan huỳnh quang trực tuyến.pdf

NBL-WQ-NHN Cảm biến chất lượng nước nitơ amoniac.pdf

NBL-WQ-COD Cảm biến chất lượng nước trực tuyến COD.pdf

NBL-WQ-pH Trực tuyến Cảm biến chất lượng nước pH.pdf

Cảm biến độ dẫn điện chất lượng nước NBL-WQ-EC.pdf

NBL-WQ-BOD-4A Cảm biến BOD trực tuyến.pdf

NBL-WQ-TH-4S cảm biến độ cứng tổng trực tuyến.pdf