TẠP CHÍ SINH HỌC, 2012, 34(3SE): 105-110<br />
<br />
XỬ LÝ AMMONIUM TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ BẰNG VIỆC<br />
SỬ DỤNG KẾT HỢP QUÁ TRÌNH NITRIT HÓA MỘT PHẦN/ANAMMOX<br />
Lê Công Nhất Phương(*), Lê Thị Cẩm Huyền, Nguyễn Huỳnh Tấn Long<br />
Viện Sinh học nhiệt đới, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, (*)vshnd@yahoo.com<br />
TÓM TẮT: Nước thải chứa một lượng lớn nitơ chưa qua xử lý mà xả thải trực tiếp ra các nguồn nước<br />
tiếp nhận sẽ gây tác động xấu đến môi trường nước. Công nghệ dựa vào sự kết hợp quá trình nitrit hóa<br />
một phần và Anammox đang được phát triển và nghiên cứu ứng dụng để xử lý N-NH4 trong nước thải.<br />
Nghiên cứu xử lý ammonium nước thải giết mổ bằng quá trình nitrit hóa một phần/anammox trong một bể<br />
phản ứng, sử dụng giá thể poly acrylic và sợi bông tắm. Kết quả cho thấy mô hình hoạt động hiệu quả với<br />
hiệu suất xử lý đạt 92% ở tải trọng 0,04 kgN-NH4/m3.ngày và 87,8% ở tải trọng 0,14 kgN-NH4/m3.ngày.<br />
Từ khóa: Anammox, Nitrosomonas, giá thể, nitrit hóa, nước thải giết mổ.<br />
<br />
MỞ ĐẦU<br />
Các hệ thống xử lý nitơ trong nước thải cho<br />
đến nay chủ yếu dựa vào quá trình nitrat<br />
hóa/khử nitrat hóa được đánh giá là có hiệu quả<br />
và chi phí thấp. Công nghệ xử lý nitơ truyền<br />
thống này không thích hợp xử lý nước thải có<br />
nồng độ ammonium cao, đồng thời cần tiêu thụ<br />
một lượng carbon hữu cơ.<br />
Quá trình nitrat hóa (tự dưỡng hiếu khí):<br />
NH4+ NH2OH NO2- NO3 -.<br />
Quá trình khử nitrat (dị dưỡng thiếu khí):<br />
NO3- NO2- NO N2O N2.<br />
Sự phát hiện phản ứng anammox mở một<br />
hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới. Quá<br />
trình này có thể sử dụng để xử lý nước sau ép<br />
<br />
bùn, nước thải công nghiệp chế biến thủy hải<br />
sản, nước thải chăn nuôi heo, nước thải các lò<br />
mổ gia súc gia cầm, nước thải chế biến thực<br />
phẩm và nước thải thuộc da... Công nghệ này đã<br />
được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới và<br />
Việt Nam cũng được triển khai nghiên cứu ứng<br />
dụng trong những năm gần đây. Công nghệ xử<br />
lý ammonium khi ứng dụng vi khuẩn Anammox<br />
thì phải tiến hành thông qua hai bước. Bước thứ<br />
nhất, ammonium được oxy hóa một phần thành<br />
hydroxyamin hoặc nitrit với oxy là chất nhận<br />
điện tử (tự dưỡng hiếu khí). Bước thứ hai,<br />
hydroxyamin hoặc nitrit với vai trò là chất nhận<br />
điện tử sẽ phản ứng với lượng ammonium còn<br />
lại để tạo nên khí nitơ (tự dưỡng kỵ khí). Kết<br />
hợp hai quá trình này gọi là quá trình nitrit hóa<br />
một phần/anammox [3] (hình 1).<br />
<br />
NO3-<br />
<br />
NO<br />
NO2<br />
<br />
-<br />
<br />
N2O<br />
Pha khí<br />
<br />
pha lỏng<br />
NH2OH<br />
<br />
N2<br />
<br />
N2 H4<br />
<br />
Nitrat hóa<br />
Khử nitrat<br />
Cố định đạm đồng hóa<br />
Nitrit hóa<br />
<br />
Anammox<br />
Nitơ<br />
hữu cơ<br />
<br />
NH4<br />
<br />
+<br />
<br />
Hình 1. Chu trình chuyển hóa các hợp chất nitơ<br />
105<br />
<br />
Le Cong Nhat Phuong, Le Thi Cam Huyen, Nguyen Huynh Tan Long<br />
<br />
Việc kết hợp 2 loại vi khuẩn hiếu khí, kỵ<br />
khí của quá trình nitrit hóa một phần/anammox<br />
trong cùng một bể phản ứng là một thử thách về<br />
mặt công nghệ. Trong quá trình hoạt động<br />
chung như vậy, hai nhóm vi khuẩn trên đã tạo<br />
<br />
nên một lớp bông bùn mà bên trong là những<br />
nhóm vi khuẩn kỵ khí. Ưu điểm của cách này là<br />
vừa tiết kiệm được năng lượng sục khí, vừa ít<br />
tốn mặt bằng (hình 2).<br />
<br />
Hình 2. Lớp màng sinh học trong quá trình Canon [1]<br />
Trong nghiên cứu này, công nghệ nitrit<br />
hóa/anammox được sử dụng trong cùng một bể<br />
phản ứng, thử nghiệm 2 loại giá thể dính bám<br />
poly acrylic và sợi bông tắm để nghiên cứu khả<br />
năng xử lý ammonium trong nước thải giết mổ.<br />
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP<br />
<br />
Vật liệu<br />
Nước thải đầu vào của mô hình thí nghiệm<br />
được thu sau quá trình xử lý yếm khí của một<br />
cơ sở lò mổ có tính chất như bảng 1.<br />
Sinh khối Anammox và Nitrosomonas sử<br />
dụng 5 lít (SS = 8000 mg/L) được cung cấp từ<br />
đề tài nghiên cứu của Lê Công Nhất Phương<br />
(2008) [4].<br />
<br />
loại giá thể để vi sinh vật bám dính, sinh trưởng<br />
và phát triển là sợi poly acrylic và sợi bông tắm<br />
(hình 3).<br />
Bảng 1. Đặc trưng của nước thải giết mổ sau xử<br />
lý kỵ khí<br />
STT<br />
<br />
Chỉ tiêu<br />
<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
<br />
N-NH4<br />
N-NO2<br />
N-NO3<br />
COD<br />
pH<br />
Nhiệt độ<br />
Tổng Photpho<br />
<br />
Mô hình thí nghiệm được vận hành trên hai<br />
<br />
Sợi poly acrylic<br />
<br />
Sợi bông tắm<br />
<br />
Hình 3. Giá thể sử dụng trong thí nghiệm<br />
106<br />
<br />
Đơn<br />
vị<br />
mg/L<br />
mg/L<br />
mg/L<br />
mg/L<br />
o<br />
<br />
C<br />
mg/L<br />
<br />
Giá trị<br />
60,4-128,4<br />
0-0,1<br />
0-1,1<br />
114,4 - 201<br />
7-8,4<br />
28-30<br />
0,5-5,6<br />
<br />
TẠP CHÍ SINH HỌC, 2012, 34(3SE): 105-110<br />
<br />
Thiết bị phản ứng có dạng hình hộp chữ<br />
nhật phía trên để hở gồm 2 ngăn: ngăn phản ứng<br />
có kích thước dài × rộng × cao tương ứng là 350<br />
× 150 × 300 mm (thể tích hữu dụng 15 lít) và<br />
<br />
ngăn lắng 150 × 100 × 300 mm (thể tích<br />
hữu dụng 4,4 lít). Tại ngăn phản ứng, giá thể<br />
được sắp đặt để tạo điều kiện cho vi khuẩn<br />
dính bám.<br />
<br />
Hình 4. Mô hình thí nghiệm<br />
Vận hành mô hình<br />
Nước thải được bơm định lượng cấp liên tục<br />
vào ngăn phản ứng. Mô hình xử lý được cấp khí<br />
thông qua bơm khí từ đáy ngăn phản ứng cung<br />
cấp oxi cho vi khuẩn hoạt động. Nước thải đầu<br />
vào sẽ đi từ đầu ngăn phản ứng ở phía đáy, di<br />
<br />
chuyển đến cuối ngăn phản ứng và chảy qua<br />
ngăn lắng từ phía trên, tiếp tục đi lên phía trên<br />
ngăn lắng và chảy qua miệng ống ra ngoài mô<br />
hình (hình 4).<br />
Nghiên cứu tiến hành các giai đoạn thí<br />
nghiệm như bảng 2.<br />
<br />
Bảng 2. Các giai đoạn thí nghiệm<br />
Giai đoạn<br />
1<br />
<br />
Lưu lượng (L/ngày)<br />
10 - 20 và 30<br />
<br />
Giá thể<br />
Poly acrylic<br />
<br />
2<br />
<br />
10<br />
<br />
Poly acrylic<br />
<br />
3<br />
<br />
10<br />
<br />
Sợi bông tắm<br />
<br />
Ghi chú<br />
Tăng nồng độ N-NH4<br />
nước thải vào<br />
Tăng nồng độ N-NH4<br />
nước thải vào<br />
<br />
Phương pháp phân tích<br />
<br />
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
<br />
N-NO2 được xác định bằng phương pháp so<br />
màu sử dụng thuốc thử Griss. N-NO3 được xác<br />
định băng phương pháp so màu dựa trên phản<br />
ứng của nitrat với axit disunfophenol tạo thành<br />
nitrofenoldisunfonic trong môi trường kiềm có<br />
màu vàng đặc trưng, đo tại bước sóng 410 nm.<br />
Các chỉ tiêu khác được phân tích theo Standard<br />
methods for the examination of water and<br />
wastewater, phiên bản thứ 20 (Clescerl et al,<br />
1999): N-NH4 (4500-NH3 F), N-NO2 , N-NO3,<br />
SS(2540 D), VSS (2540 E), độ kiềm (2320 B),<br />
COD(5220 B); COD được điều chỉnh theo chất<br />
cản trở N-NO2 (-1,1 mg/L COD cho 1 mg/L NNO2). pH và DO được đo bằng thiết bị đo cầm<br />
tay tương ứng.<br />
<br />
Hiệu quả xử lý N-NH4<br />
Quá trình vận hành mô hình thí nghiệm cho<br />
thấy có sự giảm rõ rệt nồng độ ammonium của<br />
nước thải (hình 5). Ở tải trọng 0,04 kg<br />
N-NH4/m3.ngày (lưu lượng 10 L/ngày, nồng độ<br />
N-NH4 đầu vào trung bình 61,6 mg/L), nồng độ<br />
N-NH4 sau phản ứng dao động trong khoảng<br />
0,6-11,9 mg/L. Hiệu quả xử lý N-NH4 tăng dần<br />
từ 80,3% lên 99%, ổn định trong khoảng 96,799%. Khi tăng lưu lượng nước thải vào ngăn<br />
phản ứng gấp đôi (20 L/ngày) tương ứng tải<br />
trọng 0,08 kgN-NH4/m3.ngày; nồng độ N-NH4<br />
đầu ra và hiệu quả xử lý dao động trong khoảng<br />
1-12,7 mg/L và 78,7-98,4%, hiệu suất xử lý<br />
trung bình 90,3%. Ở tải trọng ammonium đầu<br />
107<br />
<br />
Le Cong Nhat Phuong, Le Thi Cam Huyen, Nguyen Huynh Tan Long<br />
<br />
vào 0,14 kgN-NH4/m3.ngày (mô hình vận hành<br />
30 L/ngày) với N-NH4 đầu vào trung bình 70<br />
<br />
mg/L, hiệu quả xử lý dưới 90,8%, giá trị trung<br />
bình là 87,8%.<br />
<br />
Giai đoạn 1<br />
<br />
Giai đoạn 2<br />
Hình 5. Sự thay đổi nồng độ N-NH4<br />
<br />
Qua số liệu trên cho thấy, hiệu suất xử lý<br />
giảm dần khi tăng tải trọng ammonium nước<br />
thải đầu vào, tuy nhiên, về khả năng loại N-NH4<br />
thì thực tế hiệu quả xử lý tốt hơn.<br />
Trong thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý<br />
của mô hình khi nồng độ N-NH4 nước thải đầu<br />
vào thay đổi, kết quả cho thấy, mô hình có sự<br />
thích nghi với sự tăng của nồng độ ammonium.<br />
Ở giai đoạn 2 này, mô hình được vận hành thay<br />
đổi ở 4 giá trị tải trọng 0,07-0,09-0,11-0,13<br />
kgN-NH4/m3 .ngày, hiệu suất loại ammonium<br />
trung bình đạt được tương ứng 86,2%-78,5%74,2%-66,8% (hiệu suất cao nhất tương ứng là<br />
90,5%-84,5%-81,8%-72,8%). Cũng như giai<br />
<br />
đoạn 1, tuy hiệu suất loại N-NH4 giảm, nhưng<br />
thực tế, khả năng loại N-NH4 tốt hơn, các giá trị<br />
tải trọng loại trung bình N-NH4 tương ứng<br />
0,059-0,069-0,08-0,084 kgN-NH4/m3.ngày (giá<br />
trị tải trọng loại cao nhất lần lượt 0,064-0,0760,092-0,093 kgN-NH4/m3 .ngày).<br />
Qua 2 giai đoạn thí nghiệm, kết quả cho<br />
thấy rằng, hiệu suất xử lý của mô hình cao hơn<br />
khi tăng tải trọng ammonium nước thải đầu vào<br />
bằng cách tăng lưu lượng nước thải so với cách<br />
tăng nồng độ ammonium. Điều này có thể liên<br />
quan đến sự thích nghi chậm với nồng độ NNH4 của sinh khối (bảng 3).<br />
<br />
Bảng 3. Bảng hiệu suất và tải trọng loại N-NH4 ở giai đoạn 1 và 2<br />
Tải trọng N-NH4<br />
Giai đoạn<br />
Hiệu suất (%)<br />
nước thải đầu vào<br />
(kgN-NH4/m3.ngày)<br />
1<br />
92<br />
0,04<br />
1<br />
90,3<br />
0,08<br />
1<br />
87,8<br />
0,14<br />
2<br />
86,2<br />
0,07<br />
2<br />
78,5<br />
0.09<br />
2<br />
74,2<br />
0,11<br />
2<br />
66,8<br />
0,13<br />
Trong thí nghiệm sử dụng giá thể sợi bông<br />
tắm, khả năng loại ammonium của mô hình<br />
cũng được ghi nhận (hình 6).<br />
Tương tự giai đoạn 2, giai đoạn này mô<br />
hình vận hành với tải trọng tăng dần bằng cách<br />
108<br />
<br />
Tải trọng loại N-NH4<br />
(kgN-NH4/m3.ngày)<br />
0,038<br />
0,073<br />
0,123<br />
0,059<br />
0,069<br />
0,08<br />
0,084<br />
<br />
tăng nồng độ N-NH4 nước thải vào ngăn phản<br />
ứng: 0,04-0,07-0,09-0,11 kgN-NH4/m3.ngày, kết<br />
quả đạt được hiệu suất loại ammonium trung<br />
bình tương ứng là 88%-80,6%-76,4%-72,5% và<br />
tải trọng loại trung bình lần lượt là 0,036-0,055-<br />
<br />
TẠP CHÍ SINH HỌC, 2012, 34(3SE): 105-110<br />
<br />
0,066-0,078 kgN-NH4/m3.ngày.<br />
Trong giai đoạn thí nghiệm 2 và 3, kết quả<br />
cho thấy, hiệu quả xử lý của mô hình sử dụng<br />
giá thể sợi polyacrylic tốt hơn giá thể sợi bông<br />
tắm (hiệu suất xử lý 86,2% so với 80,6% ở tải<br />
trọng 0,07 kgN-NH4/m3.ngày). Trong thí<br />
nghiệm cũng ghi nhận sự dính bám của sinh<br />
khối vi khuẩn vào mạng lưới sợi polyacrylic,<br />
trong khi đó giá thể sợi bông tắm không có sự<br />
<br />
dính bám mà chỉ tập trung thành từng lớp dày<br />
nằm trong các lớp giá thể.<br />
Trong các giai đoạn thí nghiệm, một lượng<br />
nhỏ N-NO2 (0,1-0,5 mg/L) sinh ra sau quá trình<br />
xử lý được ghi nhận. Trong khi đó, lượng N-NO3<br />
sinh ra nhiều, tỉ số giữa N-NH4 tiêu thụ/N-NO3<br />
sinh ra ở 3 giai đoạn thí nghiệm lần lượt là 1-0,44;<br />
1-0,3 và 1-0,3. Nồng độ DO trong ngăn phản ứng<br />
ghi nhận được có giá trị DO < 0,5 mg/L.<br />
<br />
Hình 6. Sự thay đổi nồng độ N-NH4 ở giai đoạn thí nghiệm 3<br />
Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả xử lý NNH4 của mô hình đạt 87,8-92% ở tải trọng 0,040,14 kgN-NH4/m3.ngày. Một kết quả nghiên cứu<br />
cùng công nghệ xử lý với nghiên cứu này sử<br />
dụng nước thải giết mổ của Reginatto (2005) [5]<br />
cũng đạt hiệu quả xử lý đến 95% ở tải trọng<br />
<br />
0,033-0,067 kgN-NH4/m3.ngày. Ở Việt Nam,<br />
một nghiên cứu quá trình nitrit hóa - anammox<br />
xử lý nước thải chăn nuôi cũng đạt hiệu quả xử<br />
lý N-NH4 cao 80-95% ở tải trọng 0,17-0,33<br />
kgN-NH4/m3 .ngày (bảng 4).<br />
<br />
Bảng 4. Tải trọng và hiệu suất xử lý N-NH4 của một số nghiên cứu<br />
Quá trình<br />
Nitrit hóa - Anammox<br />
Nitrit hóa - Anammox<br />
Nitrit hóa - Anammox<br />
(SBR)<br />
Nitrit hóa - Anammox<br />
<br />
Nước thải<br />
Nước thải<br />
giết mổ<br />
Nước thải<br />
giết mổ<br />
Nước thải<br />
chăn nuôi<br />
Nước thải<br />
chăn nuôi<br />
<br />
Tải trọng<br />
kgN-NH4/m3.ngày<br />
<br />
Hiệu suất<br />
(%)<br />
<br />
Tác giả<br />
<br />
0,04-0,14<br />
<br />
87,8-92<br />
<br />
Nghiên cứu này<br />
<br />
0,033-0,067<br />
<br />
40-95<br />
<br />
V. Reginatto et al.<br />
[5]<br />
<br />
0,054-0,108<br />
<br />
95<br />
<br />
E.Choi et al. [2]<br />
<br />
0,17-0,33<br />
<br />
80-95<br />
<br />
Phương [4]<br />
<br />
109<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
