Tóm tất Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tất Luận án Tiến sĩ "Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định" đánh giá được khả năng sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy thông qua đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ của quá trình Anammox trong mô hình Anammox (AX) với kỹ thuật phản ứng tầng cố định. Tìm hiểu khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox với giá thể vi sinh cố định Felibendy.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tất Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI NGUYỄN THỊ MỸ HẠNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX SỬ DỤNG GIÁ THỂ VI SINH CỐ ĐỊNH Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải Mã số: 9520320-2 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, năm 2022
2 Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thị Hiền Hoa Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Mạnh Khải Phản biện 2: PGS.TS. Hoàng Thị Thu Hương Phản biện 3: PGS.TS. Đoàn Thu Hà Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại trường Đại học Xây dựng Hà Nội Vào hồi…… giờ…….. ngày ……….. tháng………… năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Với mức độ đô thị hóa như hiện nay, tới năm 2035 Việt Nam sẽ có khoảng 106,3 triệu dân trong đó có 47,87 triệu dân đô thị (44,87% dân số), ước tính lượng nước thải đô thị cần xử lý là 7,63 triệu m3/ngày đêm. Tính đến nay, đã có khoảng 70 nhà máy xử lý nước thải tập trung ở các đô thị, đa phần là xử lý nước thải của hệ thống thoát nước chung, trong đó chỉ có 3 nhà máy xử lý nước thải của hệ thống thoát nước riêng. Bể tự hoại với hơn 90% số hộ gia đình sử dụng vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt ở các đô thị có đấu nối với hệ thống thoát nước chung. Nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người, chứa các chất bẩn ở trạng thái lơ lửng, các chất hữu cơ, vi sinh vật và các chất dinh dưỡng cần được xử lý đạt yêu cầu trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Với các công nghệ xử lý nước thải đang được áp dụng tại Việt Nam, một số công nghệ không thể xử lý triệt để được nitơ như bể lọc sinh học nhỏ giọt hay công nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS). Một số công nghệ khác như AO, A2O, SBR dựa trên cơ sở quá trình nitrat hoá/khử nitrat lại yêu cầu phải tuần hoàn bùn nội tại, hoặc cần cấp lượng khí lớn hoặc phải bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài… Dựa trên cơ sở lý thuyết về xử lý nitơ bằng phương pháp oxi hoá kỵ khí, thấy rằng quá trình Anammox có ưu điểm là không cần phải bổ sung nguồn cacbon bên ngoài, tiết kiệm được năng lượng cho việc sục khí, lượng bùn sinh ra rất ít, giảm thiểu phát sinh khí nhà kính, tiết kiệm được diện tích công trình xây dựng. Do đó, công nghệ xử lý nitơ bằng quá trình Anammox được xem là công nghệ thân thiện với môi trường và rất phù hợp để đưa công nghệ xử lý nước thải của Việt Nam tiếp cận với “xu thế phát triển bền vững” trong bối cảnh “nước thải và nền kinh tế tuần hoàn”. Để ứng dụng quá trình Anammox vào thực tiễn xử lý nước thải sinh hoạt cần tiến hành nghiên cứu về các thông số vận hành hệ thống xử lý, kỹ thuật phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý. Giá thể vi sinh cố định đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ quá trình dính bám của vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải. Do vật liệu Felibendy có cấu trúc sợi dạng cứng rắn, bền vững, có đặc tính xốp, nhẹ, có diện tích bề mặt lớn, có khả năng thấm hút cao, đáp
2 ứng được yêu cầu cho vi khuẩn dính bám nên đã được lựa chọn làm giá thể vi sinh cố định trong mô hình thí nghiệm. Luận án “Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định” là cần thiết để từng bước đưa quá trình Anammox ứng dụng vào thực tiễn xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt ở Việt Nam. 2. Mục tiêu của luận án. - Đánh giá được khả năng sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy thông qua đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ của quá trình Anammox trong mô hình Anammox (AX) với kỹ thuật phản ứng tầng cố định. - Đánh giá được khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox với giá thể vi sinh cố định Felibendy. - Đánh giá được sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải (thông qua chỉ số COD) đến hiệu quả của quá trình xử lý nitơ của quá trình Anammox. Xác định được thông số động học của quá trình Anammox với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: - Quá trình Anammox với kỹ thuật phản ứng tầng cố định - Các hợp chất chứa nitơ vô cơ trong nước thải sinh hoạt - Nước thải sinh hoạt (nước thải nhân tạo và nước thải thực tế sau bể tự hoại của ký túc xá trường Đại học Xây Dựng Hà Nội là đối tượng nghiên cứu điển hình) Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành đối với nước thải sinh hoạt ở các đô thị của Việt Nam trên mô hình PN và mô hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy quy mô phòng thí nghiệm. 4. Cơ sở khoa học của luận án - Xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ Anammox dựa trên cơ sở kết hợp quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox: Quá trình nitrit hoá bán phần với sự có mặt của vi khuẩn Nitrosomonas, oxi hoá một phần amoni thành nitrit. Tiếp sau đó là quá trình Anammox, amoni được oxi hoá trong điều kiện kỵ khí với nitrit là chất nhận điện tử và tạo thành nitơ phân tử với sự tham gia của vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes.
3 - Dựa trên nguyên lý vi sinh vật sinh trưởng dính bám, việc sử dụng giá thể mang trong quá trình xử lý làm tăng mật độ vi khuẩn trên bề mặt và tăng cường hiệu quả xử lý. - Dựa trên cơ sở các phương trình của mô hình động học cơ bản (mô hình động học bậc 1, mô hình động học bậc 2 Grau và mô hình Stover Kincannon) đã được dựa trên cơ chế chuyển hoá sinh học các chất trong nước thải. 5. Nội dung nghiên cứu Luận án được tiến hành với các nội dung sau: - Tổng quan về công nghệ xử lý nito trong nước thải sinh hoạt, tổng quan về quá trình Anammox trên thế giới và Việt Nam, tổng quan về giá thể vi sinh sử dụng trong quá trình Anammox. - Nghiên cứu cơ sở khoa học xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hóa bán phần và Anammox. - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với mô hình PN và mô hình AX - Đánh giá và thảo luận về các kết quả nghiên cứu. 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng quan: tổng quan về các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải, nghiên cứu - Phương pháp kế thừa: kế thừa các nghiên cứu - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp tổng hợp, phân tích - Phương pháp thống kê, xử lý số liệu - Phương pháp so sánh, đối chiếu - Phương pháp chuyên gia 7. Những đóng góp mới của luận án. - Xác định được thời gian lưu thuỷ lực phù hợp đối với mô hình PN và mô hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy để xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải sinh hoạt: 9h đối với mô hình PN và 6h đối với mô hình AX. - Xác định được ngưỡng ức chế đối với quá trình Anammox trong mô hình AX bởi hàm lượng các chất hữu cơ là 300mgCOD/L. - Xác định được hằng số tốc độ tiêu thụ lớn nhất Umax và hằng số bán bão hoà KB của phương trình động học Stover Kincannon cho quá trình Anammox tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học
4 - Nghiên cứu đã xác định được thời gian lưu nước phù hợp trong mô hình PN và mô hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy. - Nghiên cứu đã đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải đến quá trình Anammox (COD>300 mg/L gây ức chế quá trình Anammox). - Nghiên cứu đã xác định được mô hình Stover Kincannon là phù hợp để mô tả động học của quá trình Anammox. Đồng thời cũng xác định được các thông số động học Umax và KB của mô hình Stover Kincannon với các tỉ lệ C/N khác nhau. Ý nghĩa thực tiễn - Thời gian lưu thủy lực đã xác định trong nghiên cứu (9h đối với mô hình PN và 6h đối với mô hình AX) là một trong các thông số phục vụ thiết kế công trình xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox. - Các thông số động học Umax và KB của mô hình Stover Kincannon có thể sử dụng để dự đoán chất lượng nước đầu ra và hiệu quả của quá trình xử lý. 9. Cấu trúc luận án Cấu trúc luận án gồm: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về các vấn đề liên quan đến xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt Chương 2: Cơ sở khoa học quá trình xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox Chương 3: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Chương 4: Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1.1. Nguồn gốc, đặc tính của nước thải sinh hoạt và yêu cầu của nguồn tiếp nhận 1.1.1. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải sinh hoạt NTSH được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người, được chia thành hai loại là nước đen và nước xám [1]. Theo TCVN 7957:2008, mỗi người trong ngày trung bình thải vào HTTN khoảng 60-65 g cặn lơ lửng, 30-35 g BOD, 8 g NH4+…Ở Việt Nam, bể tự hoại đóng vai trò rất quan trọng đặc biệt là đối với HTTN chung. Quá trình phân huỷ yếm khí trong bể tự hoại làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng cacbon nhưng lại không có tác dụng đối với các hợp chất nitơ, thậm chí hàm lượng hợp chất nitơ trong nước thải sau bể tự hoại cao hơn trong nước thải sinh hoạt chưa qua phân huỷ yếm khí [3]. 1.1.2. Các dạng tồn tại của các hợp chất chứa nitơ trong NTSH Trong nước thải sinh hoạt, nitơ tồn tại dưới dạng nitơ vô cơ (amoniac/ amoni, nitrit và nitrat) và nitơ hữu cơ (axit amin, protein, ure...). Tổng nitơ trong nước thải (TN) bao gồm nitơ hữu cơ và nitơ vô cơ và được xác định theo công thức: TN = N hữu cơ + NH4+ + NO2- + NO3- (1- 1) - - TN = TKN + NO2 + NO3 (1- 2) Dưới tác dụng của vi khuẩn, các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urê bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac [7]. Tổng nitơ vô cơ trong nước thải (TIN) được xác định theo công thức: TIN = NH4+ + NO2- + NO3- (1- 3) 1.1.3. Tác động của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng và môi trường Nước thải có hàm lượng nitơ cao có thể làm nước có màu, có mùi khó chịu, làm giảm oxi hoà tan trong nước, gây hiện tượng phú dưỡng, giảm chất lượng nước, sản sinh nhiều chất độc trong nước, tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước… 1.1.4. Quy định của nguồn tiếp nhận đối với các chỉ tiêu nitơ trong nước thải sinh hoạt NTSH trước khi xả thải vào nguồn phải được xử lý và đáp ứng được yêu cầu theo QCVN 14:2008/BTNMT: nồng độ amoni và nitrat trong nước thải sinh hoạt trước khi xả vào nguồn tiếp nhận loại A lần lượt là 5 mg/L, 30 mg/L và nguồn loại B lần lượt là 10 mg/L, 50 mg/L. 1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải
6 1.2.1. Phương pháp hoá lý Phương pháp hoá lý bao gồm: Thổi khí (Stripping), trao đổi ion. 1.2.2. Phương pháp hoá học Phương pháp hóa học bao gồm: oxi hóa amoni, kết tủa amoni bằng MAP. 1.2.3. Phương pháp sinh học Phương pháp sinh học bao gồm quá trình nitrat hoá/khử nitrat (công nghệ truyền thống) và quá trình Anammox. 1.3. Tổng quan một số công nghệ xử lý nitơ trong NTSH 1.3.1. Các công nghệ ứng dụng quá trình nitrat hoá/khử nitrat Một số công nghệ ứng dụng quá trình nitrat hóa/khử nitrat bao gồm: AO, SBR, AAO, MBR, MBBR, FAST. 1.3.2. Công nghệ xử lý nitơ ứng dụng quá trình Anammox Việc áp dụng công nghệ xử lý nước thải bằng quá trình Anammox là sự kết hợp của 2 quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox. Hai giai đoạn này có thể được tiến hành trong hai thiết bị phản ứng riêng biệt (PN/AX) hoặc trong cùng một thiết bị phản ứng (CANNON, SNAP, OLAND) 1.3.3. Đánh giá về hiệu quả của công nghệ xử lý nitơ bằng quá trình nitrat hoá/khử nitrat và công nghệ ứng dụng quá trình Anammox So với quá trình nitrat hoá/khử nitrat truyền thống, quá trình Anammox đã được chứng minh có những ưu điểm nổi bật sau: giảm thiểu việc sử dụng nguồn cacbon hữu cơ, lượng bùn sinh ra thấp, tiết kiệm được chi phí về mặt năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên quá trình Anammox chưa được triển khai rộng rãi trong thực tế là do một số khó khăn như thời gian khởi động và thích nghi của vi khuẩn dài, bên cạnh đó vi khuẩn rất nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, pH, độ kiềm, độ oxi hoà tan… 1.3.4. Đánh giá các công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các nhà máy xử lý nước thải của Việt Nam và xu hướng tiếp cận công nghệ xử lý nước thải trên thế giới. Các công nghệ xử lý nước thải đô thị ở Việt Nam hiện đang áp dụng chủ yếu là các hình thức khác nhau của công nghệ xử lý thứ cấp bằng bùn hoạt tính như CAS, SBR, AO, AAO … Việc loại bỏ các chất hữu cơ và các hợp chất nitơ trong nước thải cần được nghiên cứu và lựa chọn nhằm tiết kiệm năng lượng, phát thải ít cacbon, thân thiện với môi trường, tiếp cận với công nghệ xử lý nước thải mới trên thế giới.
7 1.4. Tổng quan về một số nghiên cứu xử lý nitơ ứng dụng quá trình Anammox 1.4.1. Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trên thế giới và Việt Nam Quá trình Anammox được phát hiện đầu tiên trong công trình xử lý nước thải Gist Brocades ở Hà Lan vào năm 1995. Từ đó đến nay quá trình Anammox được triển khai nghiên cứu rộng rãi đối với nhiều loại nước thải ở các quy mô khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu về quá trình Anammox ở Việt Nam vẫn còn hạn chế. 1.4.2. Tổng quan về một số giá thể mang sử dụng trong quá trình Anammox. Một số các giá thể mang đã được đưa vào nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox như hạt gel PVA, hạt MC, vật liệu than sinh học BC; vật liệu xốp PE; vật liệu vải không dệt,... Vật liệu Felibendy có một cấu trúc sợi dạng cứng rắn (vỏ là nhựa EVOH và cốt lõi là nhựa PET), bền vững, với các đặc tính nhẹ, diện tích bề mặt lớn, cách nhiệt và thấm khí tốt thể đáp ứng được các yêu cầu của giá thể mang và được lựa chọn làm giá thể vi sinh cố định nhằm hỗ trợ quá trình Anammox trong mô hình phản ứng tầng cố định. 1.4.3. Tổng quan về các nghiên cứu về phương trình động học mô tả quá trình Anammox Một số mô hình động học cơ bản thường được sử dụng như mô hình bậc 1, mô hình Monod, mô hình động học bậc hai Grau, mô hình Contois, mô hình Stover Kincannon…. 1.5. Một số vấn đề còn tồn tại khi xử lý nước thải bằng quá trình Anammox và hướng nghiên cứu của luận án. Tổng quan về những vấn đề còn tồn tại cho thấy để từng bước đưa quá trình Anammox vào thực tiễn xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế ở Việt Nam cần tiến hành đánh giá hiệu suất xử lý lâu dài, xác định thời gian lưu nước phù hợp với mô hình PN/AX sử dụng giá thể vi sinh cố định, xác định ngưỡng ảnh hưởng của hợp chất hữu cơ đối với quá trình Anammox và xác định các thông số động học của quá trình Anammox đối với các tỉ lệ C/N khác nhau.
8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NITRIT HOÁ BÁN PHẦN - ANAMMOX 2.1. Quá trình Anammox 2.1.1. Bản chất của quá trình Anammox Quá trình Anammox được định nghĩa là quá trình amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N2 dưới điều kiện yếm khí với amoni là chất cho điện tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo thành khí N2. NH4++1,32NO2-+0,066HCO3-+0,13H+ → 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0.066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O (2.1) Quá trình Anammox được thực hiện với sự đóng góp của nhóm vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes. 2.1.2. Hoá sinh học của quá trình Anammox Phương pháp đồng vị đánh dấu (15N) cho thấy hydroxylamine và hydrazine là chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển hoá nội bào của phản ứng Anammox. Quá trình Anammox được thực hiện bởi vi khuẩn tự dưỡng thuộc nhóm Planctomycetales. Các vi khuẩn trong quá trình Anammox thuộc vào 3 giống sau: Candidatus Brocadia, Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua. 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammox Quá trình Anammox với sự tham gia của nhóm vi khuẩn kỵ khí Planctomycetes bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ, DO, nồng độ cơ chất đầu vào, nồng độ các chất hữu cơ và một số yếu tố ức chế khác (độ mặn, một số chất vô cơ). 2.1.4. Các thông số vận hành nhằm kiểm soát quá trình Anammox Để hệ thống xử lý hoạt động có hiệu quả, các thông số vận hành của hệ thống xử lý cần được theo dõi và kiểm soát bao gồm: thời gian lưu thuỷ lực HRT, các điều kiện về nhiệt độ, pH, DO, độ kiềm, tỉ lệ NH4/NO2… 2.2. Quá trình nitrit hoá bán phần 2.2.1. Bản chất của quá trình nitrit hoá bán phần Việc chuyển đổi NH4+ thành NO2- bao gồm hai bước: NH3+ O2 + 2H+ + 2e- → NH2OH +H2O – 120kJmol-1 (2. 2) NH2OH + 0,5O2 → HNO2 + 2H+ + 2e- – 114kJmol-1 (2. 3)
9 Quá trình nitrit hoá bán phần này bị hạn chế khử amoni đến nitrit, không phải là nitrat như trong các quá trình truyền thống do đó tiết kiệm được 25% năng lượng sục khí, giảm đến 30% lượng bùn sản sinh và giảm trên 20% lượng khí CO2 phát thải ra ngoài môi trường. 2.2.2. Hoá sinh học của quá trình nitrit hoá bán phần Quá trình nitrit hoá bán phần chỉ dừng ở giai đoạn chuyển hoá amoni sang dạng nitrit (nhờ các vi khuẩn AOB), chứ không chuyển hoá tiếp sang dạng nitrat (nhờ vi khuẩn NOB). Do đó, Nitrosomonas europaea và Nitrosomonas eutropha chiếm ưu thế trong quần chủng AOB. 2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrit hoá bán phần Có nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình nitrit hoá bán phần như nhiệt độ, pH, độ kiềm, DO, nồng độ chất hữu cơ, .... Các yếu tố ảnh hưởng này cũng là một trong những thông số quan trọng để kiểm soát quá trình nitrit hoá bán phần, giúp cho việc tích luỹ nitrit được ổn định và có hiệu quả. 2.2.4. Các thông số vận hành nhằm kiểm soát quá trình nitrit hoá bán phần Nhằm duy trì được sự tích luỹ nitrit, một số thông số vận hành của quá trình nitrit hoá bán phần cần kiểm soát bao gồm: pH, DO, độ kiềm, thời gian lưu HRT. 2.3. Cơ sở khoa học sử dụng giá thể mang trong xử lý nước thải 2.3.1. Sự hình thành màng sinh học (Biofilm) trên giá thể mang Có 4 giai đoạn chính trong sự hình thành và phát triển màng sinh học gồm: Gắn kết thuận nghịch lên giá thể, Hình thành lớp tế bào và mạng lưới ngoại bào, Hình thành một màng sinh học hoàn chỉnh, Quá trình tách rời. 2.3.2. Cơ sở lựa chọn giá thể mang (giá thể vi sinh) Màng sinh học được tạo thành trong quá trình xử lý cần có được cấu trúc bền vững, mật độ tế bào vi sinh vật cao giúp màng sinh học chống lại được những điều kiện bất lợi của môi trường. Giá thể mang cần đáp ứng một số yêu cầu cơ bản sau: độ bám dính vi sinh cao, có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, độ bền sản phẩm cao và giá thành hợp lý. 2.4. Động học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox 2.4.1. Cơ sở lý thuyết của động học phản ứng Động học quá trình xử lý sinh học liên quan đến quá trình phân hủy cơ chất, quá trình sinh trưởng tế bào và quá trình phân huỷ nội bào.
10 Tốc độ của phản ứng ở trạng thái ổn định của hệ thống xử lý được xác định bằng phương trình: dS (2.4) r= − dt 2.4.2. Phương trình động học bậc 1 dS (2.12) − = 𝑘1 . 𝑆 dt trong đó: k1: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mô hình động học bậc 1 (ngày-1) S: nồng độ cơ chất (mg/L) 2.4.3. Phương trình động học bậc 2 Grau dS Se 2 (2.15) − = k 2 . X. ( ) dt S0 trong đó: k2: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mô hình động học bậc hai (ngày-1); X: tổng nồng độ sinh khối trong mô hình (mg/L) S0, Se: nồng độ cơ chất đầu vào, nồng độ cơ chất đầu ra (mg/L) 2.4.4. Phương trình động học Stover-Kincannon Q. S0 (2.20) dS Umax ( V ) − = dt K + (Q. S0 ) B V trong đó: Q: tốc độ dòng (L/ngày) V: thể tích của bể phản ứng (L) KB: hằng số bán bão hoà (mg/L/ngày); Umax: tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất (mg/L/ngày)
11 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Đối tượng và nội dung nghiên cứu 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu 1. Nước thải a. Nước thải nhân tạo có chứa nitơ b. Nước thải sinh hoạt thực tế c. Nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau 2. Giá thể vi sinh cố định Giá thể vi sinh cố định Felibendy được cung cấp bởi công ty Kuraray, Nhật Bản có dạng tấm phẳng khổ lớn dài 1,5m, rộng 1 m và dày 8mm. Trong luận án, Felibendy được sử dụng với 2 dạng: dạng tấm phẳng (150x250x8mm) với mô hình PN và dạng hình hộp chữ nhật (10x10x0,8mm) với mô hình AX. 3.1.2. Kế hoạch nghiên cứu 3.1.3. Nội dung nghiên cứu Luận án thực hiện 3 nội dung nghiên cứu gồm: - Nội dung 1: Đánh giá hiệu quả loại bỏ các hợp chất chứa nitơ trong nước thải nhân tạo của mô hình phản ứng tầng cố định với vật liệu mang Felibendy. - Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trìnhAnammox. - Nội dung 3: Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải đến quá trình Anammox để xử lý nitơ trong NTSH. 3.2. Chuẩn bị thí nghiệm 3.2.1. Chuẩn bị mô hình thí nghiệm 1. Mô hình AX: Mô hình AX là cột phản ứng hình trụ tròn có đường kính trong 71mm, cao 410mm. Bên trong cột phản ứng chứa vật liệu mang Felibendy kích thước 10x10x8mm đã được cấy vi khuẩn Planctomycetes. 2. Mô hình PN: Mô hình PN dạng hình hộp chữ nhật có kích thước 105x200x310 (mm) gồm 2 ngăn (ngăn phân phối và ngăn phản ứng). Bên trong ngăn phản ứng có trí 2 tấm vật liệu Felibendy có kích thước 150x250x8 (mm) đã được cấy vi khuẩn Nitrosomonas. 3.2.2. Chuẩn bị vi sinh vật 1. Vi khuẩn Nitrosomonas được cung cấp bởi Viện Sinh học nhiệt đới, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam. 2. Vi khuẩn Planctomycetes được cung cấp bởi công ty Meidensa, Nagoya, Nhật Bản.
12 3.2.3. Chuẩn bị nước thải 1. Nước thải thí nghiệm 1: sử dụng nước thải nhân tạo có tỉ lệ amoni: nitrit  1:1. Nước thải được pha hàng ngày với nồng độ tăng dần theo từng giai đoạn nghiên cứu (bảng 3.1). 2. Nước thải thí nghiệm 2: sử dụng nước thải sinh hoạt thực tế được sau bể tự hoại của ký túc xá Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội. 3. Nước thải thí nghiệm 3: sử dụng nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau (C/N = 0; 1,0; 2,0; 3,5; 5,5 đến 7,0). 3.2.4. Lựa chọn và kiểm soát thông số vận hành Các thông số vận hành được duy trì như sau: DO ≈ 2 mg/L (mô hình PN), DO
13 Hình 3.3. Sơ đồ mô hình thí nghiệm 3 3.4. Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và xử lý số liệu 3.4.1. Phương pháp lấy mẫu - Nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình thí nghiệm được lấy với tần suất trung bình 2-3 ngày/lần. - Mẫu nước thải được phân tích tại phòng thí nghiệm bộ môn Cấp thoát nước, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội. 3.4.2. Phương pháp phân tích Các thông số được đo và phân tích trong nghiên cứu bao gồm: pH, DO, COD, NH4+ -N, NO2- -N, NO3- -N. Phương pháp phân tích được tiến hành theo phương pháp tiêu chuẩn “Standard methods for the examination of water and wastewater”. 3.4.3. Phương pháp xử lý số liệu Số liệu được xử lý trên phần mềm Microsoft Excel phiên bản 2010 theo phương pháp thống kê toán học của 3 lần phân tích cùng một chỉ tiêu. 3.4.4. Phương pháp xác định chủng vi khuẩn Sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử, nhận diện bằng kỹ thuật khuếch đại gen PCR (Polymerase chain reaction). 3.4.5. Phương pháp xây dựng phương trình toán để xác định thông số động học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox Sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2010 thiết lập các phương trình tuyến tính thể hiện mối liên hệ giữa thông số của phương trình động học trên trục tung và trục hoành.
14 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Đánh giá hiệu quả loại bỏ các hợp chất chứa nitơ của mô hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy 4.1.1. Hiệu quả loại bỏ amoni, nitrit và tổng nitơ Diễn biến sự thay đổi nồng độ thành phần các hợp chất của nitơ qua 4 giai đoạn được thể hiện trong hình 4.1 và hình 4.2. Hình 4.1. Sự biến thiên nồng độ NH4+-N trong mô hình AX qua 4 giai đoạn Hình 4.2. Sự biến thiên nồng độ NO2--N trong mô hình AX qua 4 giai đoạn
15 Hình 4.3. Sự biến thiên nồng độ tổng nitơ trong mô hình AX Hình 4.4. Sự thay đổi tốc độ loại bỏ tổng nitơ qua các giai đoạn nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành trong 4 giai đoạn với nồng độ các hợp chất chứa nitơ tăng dần. Khi mới vận hành, vi khuẩn trong mô hình chưa kịp thích nghi nên hiệu suất loại bỏ amoni, nitrit và tổng nitơ còn thấp chỉ đạt 40,9%, 35,6% và 21,3%. Sau 191 ngày vận hành, vi khuẩn Planctomycetes dần được thích nghi, phát triển tốt nên tốc độ loại bỏ tổng nitơ đã tăng đáng kể theo thời gian và đạt tối đa 1,15 kgN/m3/ngày. Cuối giai đoạn 4, mô hình AX có hiệu suất loại bỏ amoni, nitrit và tổng nitơ lớn nhất đạt được là 86,4%, 82,9% và 71,3%. 4.1.2. Mối tương quan giữa các thành phần chứa nitơ trong quá trình Anammox Theo Strous và cộng sự, tỉ số giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ nitrit và tốc độ tạo thành nitrat so với tốc độ loại bỏ amoni theo
16 lý thuyết được xác định là 2,06: 1,32: 0,26. Từ kết quả thực nghiệm, mối quan hệ tương quan giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ nitrit và tốc độ tạo thành nitrat với tốc độ loại bỏ amoni trong 4 giai đoạn thí nghiệm được thể hiện trên hình 4.5. Giai đoạn 1 Giai đoạn 3 Giai đoạn 2 Giai đoạn 4 Hình 4.5. Mối tương quan giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ nitrit và tốc độ tạo thành nitrat với tốc độ loại bỏ amoni trong 4 giai đoạn vận hành Kết quả trên hình 4.5 cho ta thấy mối tương quan giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ nitrit và tốc độ nitrat tạo thành trong giai đoạn 3 và 4 sát với lý thuyết hơn so với giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Điều này được giải thích là do vi khuẩn Planctomycetes ở giai đoạn 3,4 đã có đủ thời gian thích nghi và phát triển ổn định hơn so với giai đoạn 1 và giai đoạn 2. 4.1.3. Kết quả, thảo luận và so sánh kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong mô hình AX với giá thể mang Felibendy với một số nghiên cứu khác Nghiên cứu xử lý nitơ bằng quá trình với mô hình phản ứng tầng cố định sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy được tiến hành so sánh với kết quả của một số nghiên cứu khác khi xử lý nitơ bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể PVA gel, MC, PE… Với các điều kiện
17 vận hành Hiệu quả xử lý và NRR trong các nghiên cứu có sự khác nhau có thể là do bản chất của các loại giá thể mang khác nhau. 4.2. Nội dung nghiên cứu 2. Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox 4.2.1. Sự chuyển hóa amoni thành nitrit trong mô hình PN Mô hình nitrit hoá hoá bán phần sử dụng nước thải sinh hoạt thực tế lấy từ sau bể tự hoại, được tiến hành qua 3 giai đoạn. Hình 4.6. Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong mô hình PN Mô hình PN thực hiện quá trình chuyển hoá bán phần amoni thành nitrit (tỉ lệ nitrit/amoni xấp xỉ 1:1) để làm tiền đề cho quá trình Anammox kế tiếp. Tỉ lệ nitrit/amoni này phụ thuộc vào nhiều yếu tố vận hành trong đó có yếu tố thời gian lưu thuỷ lực. Kết quả thí nghiệm đã cho thấy thời gian lưu 9h trong mô hình PN là phù hợp, đủ để vi khuẩn Nitrosomonas trong mô hình thực hiện quá trình để tạo ra tỉ lệ nitrit/amoni cần thiết cho quá trình Anammox. 4.2.2. Sự biến thiên nồng độ amoni, nitrit và tổng nitơ trong mô hình AX Nước thải sau quá trình nitrit hoá bán phần được tiếp tục tiến hành quá trình Anammox (nước thải đầu vào mô hình AX là nước thải đầu ra của mô hình PN). Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong mô hình AX qua các giai đoạn được thể hiện trên hình 4.7.
18 30 giai đoạn 1(1a, 1b) 100 Gđ 1a Gđ 1b 90 25 HRT=12h HRT=9h 80 70 Hiệu quả loại bỏ (%) 20 Nong do (mg/l) 60 15 50 40 10 30 20 5 10 0 0 (ngày) 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 giai đoạn 2 (2a, 2b, 2c) 45 100 40 90 35 80 70 Hiệu quả loại bỏ (%) 30 Nong do (mg/l) 60 25 Gđ 2a Gđ 2b Gđ 2c 50 20 HRT=9h HRT=6h HRT=4,5h 40 15 30 10 20 5 10 0 0 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93 96 99 102 105 108 111 114 117 120 123 126 129 132 135 138 141 144 147 150 (ngay) 60 100 55 90 50 80 45 70 Nong do (mg/l) 40 Hiệu quả loại bỏ (%) 35 Gđ 3a 60 30 HRT=6h 50 25 40 20 30 15 10 20 5 10 0 0 153 156 159 162 165 168 171 174 177 180 183 186 189 192 195 198 201 204 207 210 Thoi gian (ngay) NH4-N vào FB NH4-N ra FB NO2-N vào FB NO2-N ra FB NO3-N ra FB Hiệu suất loại bỏ NH4-N Hiệu suất loại bỏ NO2-N Hình 4.7. Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong mô hình AX