Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định

Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định.

Tính cấp thiết của luận án

Sự gia tăng dân số đô thị tại Việt Nam, dự kiến đạt 47,87 triệu người vào năm 2035, đang tạo ra thách thức lớn cho môi trường do lượng nước thải đô thị cần xử lý ước tính lên tới 7,63 triệu m³/ngày đêm Hiện tại, cả nước có khoảng 70 nhà máy xử lý nước thải tập trung, chủ yếu phục vụ cho hệ thống thoát nước chung, trong khi chỉ có 3 nhà máy xử lý nước thải từ hệ thống thoát nước riêng Bể tự hoại vẫn là phương pháp xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt chủ yếu, với hơn 90% hộ gia đình sử dụng, góp phần quan trọng vào việc giảm tải cho hệ thống thoát nước chung.

Nước thải sinh hoạt, phát sinh từ hoạt động hàng ngày của con người, chứa nhiều chất bẩn lơ lửng, chất hữu cơ, vi sinh vật và các chất dinh dưỡng cần được xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường Ngoài việc loại bỏ chất hữu cơ, các hợp chất nitơ cũng là chất dinh dưỡng cần kiểm soát trong mọi nguồn nước tự nhiên và nước thải Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 14:2008/BTNMT, nồng độ amoni và nitrat trong nước thải sinh hoạt trước khi xả vào nguồn tiếp nhận loại A phải lần lượt là 5mg/L và 30mg/L, trong khi đối với nguồn loại B, nồng độ này là 10mg/L và 50mg/L.

Tại Việt Nam, nhiều công nghệ xử lý nước thải hiện tại như bể lọc sinh học nhỏ giọt và công nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS) không thể xử lý nitơ hiệu quả Các công nghệ khác như AO, A2O, và SBR mặc dù xử lý được nitơ, nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng, tạo ra lượng bùn lớn và yêu cầu tuần hoàn bùn hoặc bổ sung carbon từ bên ngoài Trong bối cảnh xu hướng toàn cầu đang hướng tới công nghệ xử lý nước thải tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải carbon và thân thiện với môi trường, việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ xử lý nitơ mới nhằm khắc phục nhược điểm của các phương pháp truyền thống là rất cần thiết.

Quá trình Anammox trong xử lý nitơ mang lại nhiều lợi ích như không cần bổ sung carbon bên ngoài, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu lượng bùn sinh ra, góp phần giảm khí nhà kính và tiết kiệm diện tích xây dựng Công nghệ này được coi là thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững của Việt Nam trong bối cảnh nước thải và kinh tế tuần hoàn Để áp dụng Anammox vào xử lý nước thải sinh hoạt, cần nghiên cứu các thông số vận hành, kỹ thuật phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Giá thể vi sinh cố định, như vật liệu Felibendy với cấu trúc xốp, nhẹ và bền vững, sẽ hỗ trợ quá trình dính bám của vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải.

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 bước quan trọng nhằm ứng dụng hiệu quả quá trình Anammox vào thực tiễn xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt tại Việt Nam.

Mục tiêu của luận án

Đánh giá khả năng sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy trong quá trình Anammox cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ nitơ Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình Anammox (AX) kết hợp với kỹ thuật phản ứng tầng cố định, mang lại những kết quả tích cực trong xử lý nước thải.

Đánh giá khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy cho thấy hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải Quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm nitơ mà còn tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo vệ môi trường Việc áp dụng công nghệ này trong xử lý nước thải sinh hoạt có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng nước và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường hiện hành.

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải, được đo qua chỉ số COD, đến hiệu quả xử lý nitơ trong quá trình Anammox Đồng thời, xác định các thông số động học của quá trình Anammox với các tỷ lệ C/N khác nhau trong nước thải.

Cơ sở khoa học của luận án

Xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng công nghệ Anammox kết hợp quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox Trong quá trình nitrit hoá bán phần, vi khuẩn Nitrosomonas oxy hóa một phần amoni thành nitrit Tiếp theo, trong điều kiện kỵ khí, quá trình Anammox diễn ra khi amoni được oxy hóa với nitrit là chất nhận điện tử, tạo thành nitơ phân tử với sự tham gia của vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes.

Dựa trên nguyên lý vi sinh vật sinh trưởng dính bám, việc sử dụng giá thể mang trong quá trình xử lý giúp tăng mật độ vi khuẩn trên bề mặt, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý.

Dựa trên các phương trình của mô hình động học cơ bản, bao gồm mô hình động học bậc 1, mô hình động học bậc 2 Grau và mô hình Stover Kincannon, nghiên cứu này tập trung vào cơ chế chuyển hoá sinh học các chất trong nước thải.

Nội dung nghiên cứu……………………………………………………………… 4 6 Phương pháp nghiên cứu…

Luận án tập trung vào việc tổng quan đặc tính nước thải sinh hoạt và các công nghệ xử lý nitơ hiện đang áp dụng tại Việt Nam và thế giới, đồng thời đánh giá các vấn đề còn tồn tại Nghiên cứu cũng xem xét quá trình Anammox và các giá thể vi sinh sử dụng trong quá trình này Bên cạnh đó, luận án tìm hiểu cơ sở khoa học của quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox, nhằm làm rõ cơ chế xử lý, các yếu tố ảnh hưởng và phương trình động học để xây dựng phương pháp nghiên cứu Thực nghiệm được tiến hành trên mô hình Anammox với kỹ thuật phản ứng tầng cố định, sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy, nhằm đánh giá hiệu quả xử lý Cuối cùng, nghiên cứu cũng thực hiện trên hệ mô hình PN/AX để đánh giá hiệu quả loại bỏ hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt và xác định thời gian lưu nước phù hợp cho quá trình xử lý.

Nghiên cứu Planctomycetes trên giá thể Felibendy trong mô hình xử lý nước thải sinh hoạt thực tế thông qua kỹ thuật PCR đã được thực hiện Từ ba phương trình động học cơ bản bậc 1, bậc 2 Grau và Stover Kincannon, phương trình phù hợp cho quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox đã được lựa chọn Đồng thời, nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến hiệu quả của quá trình Anammox, đồng thời xác định các thông số của phương trình Stover Kincannon để mô phỏng quá trình Anammox tương ứng với các tỉ lệ C/N trong nước thải đô thị.

Phương pháp tổng quan được áp dụng để thu thập tài liệu về các phương pháp và lý thuyết liên quan đến xử lý amoni trong nước thải Nghiên cứu này tập trung vào lý thuyết về quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý amoni.

Phương pháp kế thừa là việc áp dụng mô hình thí nghiệm và kết quả từ các nghiên cứu liên quan, nhằm lựa chọn những yếu tố nghiên cứu quan trọng cho việc phân tích các thông số vận hành như thời gian lưu nước, nhiệt độ, pH, và các yếu tố khác.

Phương pháp thực nghiệm được thực hiện thông qua việc thiết lập và vận hành mô hình thí nghiệm PN/AX sử dụng kỹ thuật phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy Nghiên cứu tiến hành phân tích các chỉ tiêu của nước thải như NH4+-N, NO2 N, NO3 N và COD tại phòng thí nghiệm bộ môn Cấp thoát nước, trường Đại học Xây dựng Hà Nội Mục tiêu là cung cấp các số liệu tin cậy nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của mô hình.

-Phương pháp tổng hợp, phân tích: tổng hợp các kết quả thí nghiệm, phân tích số liệu thí nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình.

Phương pháp thống kê và xử lý số liệu được thực hiện bằng phần mềm Microsoft Excel, giúp phân tích và trực quan hóa dữ liệu qua các đồ thị Những đồ thị này thể hiện diễn biến của quá trình xử lý trong mô hình thí nghiệm theo thời gian và tỷ lệ C/N, mang lại cái nhìn rõ ràng về các xu hướng và biến động trong nghiên cứu.

Phương pháp so sánh và đối chiếu đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu, cho phép chúng ta đối chiếu các kết quả đạt được với những nghiên cứu liên quan khác Bằng cách này, chúng ta có thể đánh giá tính nhất quán giữa các kết quả thực nghiệm và lý thuyết, từ đó làm nổi bật sự khác biệt và tương đồng, góp phần nâng cao độ tin cậy của nghiên cứu.

Phương pháp chuyên gia là việc thu thập ý kiến từ các chuyên gia trong ngành thông qua các buổi hội thảo chuyên đề và hội thảo mở rộng, nhằm mục đích định hướng và đánh giá độ tin cậy của nghiên cứu.

Những đóng góp mới của luận án………………………………………………… 5 8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Thời gian lưu thủy lực tối ưu cho mô hình PN và mô hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy trong việc xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải sinh hoạt được xác định là 9 giờ cho mô hình PN và 6 giờ cho 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 (tính theo COD) là 300mg/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

- 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 chỉ ra rằng mô hình Stover Kincannon phù hợp để mô tả động học quá trình Anammox khi sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy Đồng thời, các thông số động học Umax và KB của mô hình Stover Kincannon đã được xác định với các tỉ lệ C/N khác nhau, mang lại ý nghĩa thực tiễn quan trọng cho việc tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải.

-Thời gian lưu thủy lực đã xác định trong nghiên cứu (9h đối với mô hình

PN và thời gian 6h trong mô hình AX là các thông số quan trọng trong thiết kế công trình xử lý nitơ, áp dụng quá trình nitrit hóa bán phần và Anammox.

Thông số động học Umax và KB trong mô hình Stover Kincannon có thể được áp dụng để dự đoán chất lượng nước đầu ra cũng như đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý nước.

Cấu trúc luận án

Cấu trúc luận án gồm:

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

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Quá trình xử lý nitrit hóa nitơ bằng vi sinh cố định hoạt động trong mô hình AX cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ nitơ Sử dụng giá thể Felibendy đã chứng minh khả năng tối ưu hóa hiệu suất xử lý nước thải, mang lại kết quả tích cực trong việc cải thiện chất lượng nước.

Nghiên cứu cơ sở khoa học xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox

Xác định ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ (COD) đến qúa trình Anammox

Xây dựng phương trình động học Stover Kincannon đối với các tỉ lệ C/

Thí nghiệm 3: Mô hình AX1, AX2, AX3 Đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox. Đặt vấn đề nghiên cứu

Tổng quan về giá thể vi sinh sử dụng trong quá trình Anammox Tổng quan về quá trình Anammox

Tổng quan về công nghệ xử lý nitơ trong NT sinh hoạt

Thí nghiệm 2 sử dụng hệ mô hình PN/AX để đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thông qua quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox Trong khi đó, thí nghiệm 1 áp dụng mô hình AX để kiểm tra hiệu quả loại bỏ nitơ với giá thể vi sinh cố định Felibendy.

Kết luận và kiến nghị

Lưạ chọn phương trình động học phù hợp đối với quá trình PN và Anammox Xác định HRT phù hợp với quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox

Hình M.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án

TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN XỬ LÝ NITƠ

Tổng quan về các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải

Phương pháp hoá lý bao gồm: Thổi khí, trao đổi ion.

Giải pháp này thực hiện qua hai giai đoạn:

- Chuyển hóa NH4 + thành NH3 dạng tự do bằng cách nâng cao độ pH (từ 9 đến

11) nhờ dung dịch kiềm NaOH, phản ứng xảy ra như sau:

- Giải phóng NH3 bằng cách thổi khí cưỡng bức qua tháp Stripping.

Phương pháp này hiệu quả trong việc tách hầu hết lượng NH3 ra khỏi nước, nhưng cần một khối lượng lớn không khí sục và thời gian sục khí kéo dài, dẫn đến chi phí năng lượng cao Ngoài ra, khi lượng NH3 thoát ra nhiều, cần xử lý qua dung dịch axit trước khi thải ra môi trường.

2 Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là quá trình mà một ion của chất trao đổi rắn thay thế một ion khác cùng dấu trong nước, với cationit dành cho ion dương và anionit cho ion âm Vật liệu trao đổi ion thường là dạng rắn không tan trong nước, có thể là vô cơ hoặc hữu cơ Để tham gia vào quá trình này, amoniac cần tồn tại ở dạng ion dương amoni pH ảnh hưởng đến khả năng trao đổi amoni trên zeolit, với pH tối ưu cho quá trình là 6 Ở pH thấp, amoni bị cạnh tranh bởi proton, trong khi ở pH cao, amoni chuyển hóa thành dạng trung hòa.

Phương pháp hóa học bao gồm: oxi hóa amoni (clo hoá đến điểm đột biến), kết tủa amoni bằng MAP (Magie Ammonium Phosphate hexahydrated).

1 Phương pháp oxi hoá amoni

Phản ứng giữa amoniac với clo hoạt tính xảy ra theo bậc:

Giữa mono và dicloamin có khả năng chuyển hóa lẫn nhau qua phản ứng:

Từ monocloamin có thể chuyển hóa tiếp tục thành dicloamin hoặc có thể xảy ra hiện tượng phân hủy (oxi hóa - khử) monocloamin tạo ra khí nitơ.

Tại điểm đột biến, phản ứng (1-6) diễn ra với tỉ lệ mol HOCl/NH3 là 7,6 Từ điểm này trở đi, lượng clo được đưa vào hệ có tỉ lệ thuận với lượng clo dư.

Liều lượng clo hoạt động cần thiết để xử lý nước thải rất lớn, dẫn đến sự hình thành nhiều sản phẩm độc hại, trong đó có tricloamin - một chất dễ bay hơi với mùi hôi khó chịu Phản ứng giữa clo hoạt động và các hợp chất hữu cơ trong nước thải tạo ra các sản phẩm hữu cơ chứa clo, nổi bật là trihalometan (CHX3), với X là nguyên tố halogen, cùng với các hợp chất khác có khả năng gây ung thư.

2 Phương pháp kết tủa amoni bằng MAP

MAP (Magie Ammonium Phosphate hexahydrated) có công thức hóa học MgNH4PO4.6H2O, là một tinh thể vô cơ màu trắng Chất này tan trong môi trường axit, vì vậy quá trình sản xuất MAP thường diễn ra trong môi trường bazơ.

Mg2+ + NH4 + + PO4 3- + OH- + 5H2O = MgNH4PO4.6H2O  (1- 10)

MAP là sản phẩm có thể sản xuất bằng công nghệ đơn giản, giúp tách và thu hồi đồng thời amoni và photpho từ nước thải Nghiên cứu cho thấy, khi pha nước thải với 20% nước biển và đưa vào bể điện phân với anot than chì và katot inox, dòng điện sẽ tạo ra magie hidroxit, phản ứng với amoni và photpho để hình thành magie amoni photphat không tan Quá trình điện phân cũng sản sinh Cl2, có khả năng oxi hoá amoni, các chất hữu cơ và diệt khuẩn cho nước thải Phương pháp này đạt hiệu suất xử lý amoni từ 80-85%, và chất kết tủa thu được có thể sử dụng làm phân bón.

Phương pháp sinh học: quá trình nitrat hoá/khử nitrat và quá trình Anammox.

1 Quá trình nitrat hóa/khử nitrat truyền thống

Quá trình nitrat hoá và khử nitrat hoá là những yếu tố quan trọng trong hệ sinh thái, đặc biệt trong chu trình nitơ Để loại bỏ nitơ khỏi nước thải, cần chuyển hoá các hợp chất nitơ thành nitơ phân tử (N2) thông qua hai quá trình này.

Quá trình nitrat hóa diễn ra qua hai giai đoạn chính: nitrit hóa và nitrat hóa, liên quan đến hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng là vi khuẩn oxi hóa amoni (AOB) và vi khuẩn oxi hóa nitrit (NOB) Trong giai đoạn nitrit hóa, chủng vi khuẩn AOB điển hình nhất là Nitrosomonas, bên cạnh đó còn có một số chủng khác cũng tham gia vào quá trình này.

Nitrosococcus và Nitrosopira [130] Đối với giai đoạn nitrat hoá, vi khuẩn nitrat hoá

(NOB) bao gồm Nitrobacter, Nitrosopina, Nitrococcus và Nitrospira.

Phản ứng tổng hợp khi đó là:

Kết hợp với việc quan sát sinh khối thu được, phương trình phản ứng tổng hợp của toàn bộ quá trình oxi hóa sẽ là [45]:

Khử nitrat là quá trình chuyển đổi NO3- thành các sản phẩm khí như N2, NO và N2O, chủ yếu nhờ vào các vi sinh vật dị dưỡng như Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Achromobacter và Aerobacter Trong điều kiện thiếu oxy, các vi khuẩn này sử dụng NO3- hoặc NO2- làm chất nhận điện tử cuối cùng và khai thác các hợp chất hữu cơ như metanol, axetat, glucose và etanol để tạo ra năng lượng.

Phương trình phản ứng tổng hợp sử dụng metanol là nguồn cacbon được viết lại như sau [45]:

Phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng sinh học truyền thống tiêu tốn nhiều oxy, với khoảng 4,57 g O2 cho mỗi gram nitơ ammonium (N-NH4 +) trong quá trình nitrat hóa Đồng thời, quá trình khử nitrat hóa cũng cần một lượng cacbon hữu cơ, khoảng 2,47 g CH3OH cho mỗi gram nitơ nitrate (N-NO3 -).

Quá trình ôxi hóa ammonium kỵ khí (Anammox) đã được phát hiện là một giải pháp hiệu quả để khắc phục những hạn chế của các phương pháp sinh học truyền thống trong xử lý nitơ.

Vào năm 1977, Broda đã dự đoán sự hiện diện của các vi khuẩn tự dưỡng có khả năng oxi hóa amoni bằng nitrit và nitrat, dựa trên các tính toán nhiệt động học.

Quá trình nitrat hoá Quá trình Anammox +Cacbon vô cơ+O 2

+Cacbon hữu cơ +điều kiện kỵ khí

Quá trình nitrit hoá Quá trình nitrit hoá

NH4 + + NO2 -  N2 + NO3 - + 2H2O G 0 = -357kJ/mol (1- 16)

Hình 1.2 Chu trình chuyển hóa nitơ với quá trình nitrat hoá/khử nitrat truyền thống

(trái) và quá trình Anammox (phải) [46]

Vào năm 1995, nhóm nghiên cứu của Mulder tại Gist-brocades ở Delft, Hà Lan đã tiến hành một nghiên cứu thí điểm về quá trình khử nitrat trong hệ thống xử lý nước thải.

Quá trình "Anaerobic Ammonium Oxidation" (Anammox) đã được phát hiện khi amoni biến mất đồng thời với sự giảm hàm lượng nitrat và sản phẩm cuối cùng là khí nitơ Quá trình này dựa trên việc chuyển hóa năng lượng từ ôxy hóa kỵ khí amoni, sử dụng nitrit làm chất nhận electron trong điều kiện tự dưỡng Anammox đóng vai trò quan trọng trong chu trình tuần hoàn nitơ tự nhiên.

Quá trình Anammox là một phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để loại bỏ nitơ trong nước thải, không yêu cầu cung cấp oxy hay bổ sung nguồn carbon hữu cơ, đồng thời sản sinh lượng bùn rất ít.

Tổng quan một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt… 19 1 Các công nghệ ứng dụng quá trình nitrat hoá/khử nitrat

1.3.1 Các công nghệ ứng dụng quá trình nitrat hoá/khử nitrat

1 Công nghệ oxi hóa tuần hoàn

Kênh oxi hóa tuần hoàn hoạt động dựa trên nguyên lý thổi khí bùn hoạt tính kéo dài, với các guồng quay được sắp xếp theo chiều dài nhất định, tạo ra các vùng hiếu khí và thiếu khí luân phiên Quá trình thổi khí giúp oxi hóa hoàn toàn các chất hữu cơ dễ phân huỷ, ổn định bùn thông qua hô hấp nội bào, với hiệu quả xử lý đạt từ 85-95% (BOD) Đồng thời, quá trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra liên tục trong các vùng hiếu khí và thiếu khí, đạt hiệu quả khử tổng nitơ từ 40-80%.

Hình 1.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ oxi hóa tuần hoàn [14]

2 Công nghệ thiếu khí- hiếu khí AO (Anoxic-Oxic)

AO là công trình xử lý sinh học sử dụng bùn hoạt tính, bao gồm hai ngăn thiếu khí và hiếu khí Nước thải được hòa trộn với vi sinh vật hiếu khí thông qua hệ thống cấp không khí, trong đó vi sinh vật tiêu thụ chất ô nhiễm làm thức ăn Quá trình này diễn ra đồng thời với hai hoạt động chính: dị hóa, trong đó các chất hữu cơ và amoni được oxy hóa, và đồng hóa, tạo ra sinh khối mới Oxy hóa NH4+ thành NO3- xảy ra trong ngăn hiếu khí, trong khi đó, vi khuẩn Nitrobacter trong ngăn thiếu khí chuyển hóa nitrat thành khí nitơ tự do.

Bể thiếu khí thường được đặt trước bể hiếu khí nhằm tận dụng nguồn cacbon từ nước thải và bùn hoạt tính Việc tuần hoàn bùn từ bể lắng về bể thiếu khí là cần thiết Nước thải từ ngăn cuối của bể hiếu khí cần được hồi lưu về ngăn thiếu khí để thực hiện quá trình khử nitrat hiệu quả.

Hình 1.4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO [14]

3 Công nghệ SBR (Sequency Batch Reactor)

Hình 1.5 Sơ đồ dây chuyền công nghệ SBR [14]

Hệ thống SBR (Sequency Batch Reactor) là một phương pháp xử lý nước thải gián đoạn, hiệu quả cho nước thải có hàm lượng chất hữu cơ và nitơ cao Quá trình hoạt động của hệ thống diễn ra qua 5 pha liên tiếp: làm đầy nước thải, phản ứng (bao gồm thổi khí và khuấy trộn), lắng tĩnh, rút nước và pha ngưng Hệ thống SBR có khả năng khử tổng nitơ và photpho sinh hóa nhờ vào khả năng điều chỉnh các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí thông qua việc thay đổi chế độ cung cấp oxy.

4 Công nghệ kỵ khí-thiếu khí-hiếu khí AAO (Anerobic-Anoxic-Oxic)

Công nghệ AAO, viết tắt của Anerobic (kỵ khí), Anoxic (thiếu khí) và Oxic (hiếu khí), là một phương pháp xử lý sinh học liên tục Quy trình này kết hợp ba hệ vi sinh vật khác nhau để hiệu quả trong việc xử lý nước thải.

Hình 1.6 Sơ đồ dây chuyền công nghệ AAO [14]

Trong bể kỵ khí, quá trình phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và chất dạng keo trong nước thải diễn ra nhờ sự tham gia của hệ vi sinh vật kỵ khí.

Trong bể thiếu khí, quá trình nitrat hóa diễn ra để xử lý nitơ, trong đó các vi khuẩn khử nitrat (NO3 -) và nitrit (NO2 -) theo chuỗi chuyển hóa: NO3 - → NO2 - → N2O → N2↑ Kết quả là khí nitơ phân tử N2 được tạo thành và thoát ra khỏi nước.

Quá trình hiếu khí (Oxic) bao gồm ba bước chính: oxi hoá và phân huỷ chất hữu cơ, tổng hợp tế bào mới, và phân huỷ nội sinh.

5 Công nghệ màng lọc sinh học MBR (Membrane Bio Reactor)

Công nghệ MBR kết hợp giữa quá trình vi sinh trong bể bùn hoạt tính lơ lửng và công nghệ màng lọc sợi rỗng, mang lại chất lượng nước xử lý ổn định với hàm lượng SS < 1mg/L và độ đục < 0.2NTU Hệ thống MBR có khả năng duy trì nồng độ bùn hoạt tính cao, tối ưu hóa quá trình khử tổng nitơ và amoni Có hai kiểu thiết kế bể sinh học MBR: kiểu đặt ngập và kiểu đặt ngoài, với các phương pháp hoạt động khác nhau Quá trình khử nitơ trong bể MBR diễn ra qua hai giai đoạn: nitrit hoá bán phần và khử tổng nitơ thông qua màng vi lọc, đạt hiệu suất loại bỏ TN và amoni lên đến 90 – 95% và hiệu suất loại bỏ vi khuẩn, virus rất cao.

Hình 1.7 Sơ đồ dây chuyền công nghệ MBR [14]

6 Công nghệ màng sinh học giá thể chuyển động MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)

Công nghệ MBBR là phương pháp xử lý sinh học hiệu quả, kết hợp giữa bùn hoạt tính và màng sinh học Màng biofilm phát triển trên giá thể di chuyển tự do trong bể phản ứng nhờ hệ thống sục khí cấp oxi, giúp tăng mật độ vi sinh (MLVSS) so với kỹ thuật bùn hoạt tính phân tán Công nghệ này có khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ, nitơ, phốt pho với chất lượng cao, thời gian xử lý ngắn và ít chất thải thứ cấp Hiệu quả xử lý nitơ có thể lên tới 90%.

Hình 1.8 Sơ đồ dây chuyền công nghệ MBBR [14]

7 Công nghệ FAST (Fixed Activated Sludge Treatment)

Công nghệ FAST là một giải pháp tiên tiến nhằm cải thiện hiệu suất của bể tự hoại thông qua việc bổ sung ngăn hiếu khí Công nghệ này kết hợp quá trình sinh học lơ lửng và dính bám, cho phép thực hiện cả quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng một bể Đặc biệt, khả năng khử nitơ của công nghệ FAST có thể đạt trên 70%, mang lại hiệu quả cao trong xử lý nước thải.

Hình 1.9 Sơ đồ dây chuyền công nghệ FAST [14]

Hệ thống FAST cung cấp vi sinh vật dồi dào cho ngăn hiếu khí trong bể xử lý nước thải, giúp phân hủy hiệu quả Sự kết hợp giữa hai quá trình này mang lại tính ổn định cho màng sinh học cố định và nâng cao hiệu quả xử lý bùn hoạt tính.

Quá trình sinh trưởng dính bám giữ lại một lượng vi sinh vật trong hệ thống, ngăn chặn chúng bị cuốn trôi theo dòng nước, ngay cả khi lưu lượng nước thải lớn.

1.3.2 Công nghệ xử lý nitơ ứng dụng quá trình Anammox

Việc áp dụng công nghệ Anammox trong xử lý nước thải kết hợp hai quá trình nitrit hóa bán phần và Anammox Quá trình nitrit hóa bán phần chỉ chuyển hóa một phần amoni thành nitrit, tạo điều kiện cho quá trình oxi hóa kỵ khí amoni diễn ra Hai giai đoạn này có thể thực hiện trong các thiết bị phản ứng riêng biệt hoặc trong cùng một thiết bị Sự kết hợp giữa hai quá trình này được minh họa trong Hình 1.10.

Hình 1.10 Sơ đồ quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp với quá trình Anammox [16]

Quá trình SHARON – Anammox diễn ra trong hai bể phản ứng độc lập, bao gồm hai bước do hai nhóm vi khuẩn khác nhau thực hiện Bước đầu tiên là quá trình tự dưỡng hiếu khí, trong đó vi khuẩn AOB xúc tác để oxi hóa amoni thành nitrit với oxi làm chất nhận điện tử Tiếp theo, bước thứ hai là quá trình tự dưỡng kỵ khí, do nhóm vi khuẩn Planctomycetes thực hiện, trong đó nitrit đóng vai trò là chất nhận điện tử.

2 Quá trình OLAND (Oxygen Limited Autotrophic removal via nitrification denitrification)

Tổng quan một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

Việc đánh giá các giải pháp kết hợp trong quy trình A-B giúp xác định hiệu quả và khả năng thu hồi năng lượng từ các quá trình xử lý.

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

1 Một số nghiên cứu trên thế giới

Quá trình oxi hoá amoni kỵ khí (Anammox) lần đầu tiên được phát hiện tại công trình xử lý nước thải Gist Brocades ở Hà Lan vào năm 1995 Công nghệ Anammox được coi là giải pháp tiềm năng cho việc xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt, đô thị và công nghiệp Nghiên cứu của Augusto đã khởi động quá trình SNAP trong mô hình phản ứng màng sinh học có sục khí với tải lượng nitơ 50gN/m³/ngày và 100gN/m³/ngày, cho thấy hoạt động của vi khuẩn Anammox sau 48 ngày và đạt trạng thái ổn định sau 80 ngày.

Nghiên cứu của Wu [131] đã chứng minh rằng mô hình phản ứng sinh học màng có thể khởi động hiệu quả quá trình Anammox ở nhiệt độ thấp (13 °C), đạt tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ trên 90% sau ít nhất 45 ngày với bùn hạt kỵ khí và 90 ngày với bông bùn khử nitơ Đặc biệt, loài Ca Brocadia sinica đã được xác định có tốc độ sinh trưởng cao, giúp tăng cường nhanh chóng quá trình Anammox trong điều kiện nhiệt độ thấp.

Nghiên cứu của Li [70] đã chỉ ra rằng mô hình phản ứng tầng lưu động FB có khả năng xử lý hiệu quả nước thải có nồng độ amoni lên đến 400 mg.

Tại tải lượng nitơ 0,8 kgN/m3/ngày, NH4+-N/L có thể đạt được mà không cần bổ sung nguồn carbon Việc kiểm soát nồng độ oxy hòa tan ở mức 1,31 mg/L trong hệ thống đã cho thấy quá trình nitrat hóa một phần diễn ra khi thời gian lưu trú (HRT) là 18 giờ Sau quá trình nitrit hóa bán phần, nước thải đạt tỷ lệ nitrit/amoni là 1,27, phù hợp với quy trình Anammox.

Bảng 1.3 Tổng hợp kết quả một số nghiên cứu về quá trình Anammox trên thế giới

Loại nước thải /VL mang

NT tổng hợp/ màng silicone 30±1 24 50 43 78±6

NT tổng hợp/ [92] bùn hạt

PN/AX NT tổng hợp 35 12 0,8 - 44,1

Nghiên cứu của Chen [36] đã xác nhận tính khả thi của việc xử lý amoni bằng quá trình PN-AX trong mô hình airlift sử dụng vi hạt Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ nitơ đạt 71,8± 9,9% trong thời gian lưu thủy lực ngắn chỉ 2 giờ Phân tích vi sinh vật chỉ ra rằng Ca Kuenenia stuttgartiensis và Nitrosomonas là hai loại vi khuẩn chiếm ưu thế trong quá trình này.

Nghiên cứu của Reino cho thấy, nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của vi khuẩn Anammox, với NRR đạt 1,8±0,1 gN/L/ngày và 82±4% nitơ được loại bỏ ở 11 0 C, chủ yếu do loài Ca Brocadia anammoxidans chiếm ưu thế Tương tự, nghiên cứu của Laureni chỉ ra rằng sự giảm nhiệt độ đột ngột xuống 11 0 C đã gây ức chế đáng kể hoạt động của vi khuẩn Anammox, nhưng hoạt động này nhanh chóng phục hồi khi nhiệt độ tăng lên 15 0 C.

Mô hình phản ứng tầng cố định cho quá trình OLAND đã được triển khai thành công ở nhiệt độ phòng (15-25°C), đạt hiệu quả loại bỏ amoni và nitrit trên 90% Trong giai đoạn hoạt động ổn định, tốc độ loại bỏ amoni trung bình của mô hình có thể đạt tới 167 g/m³/ngày, từ ngày 103 đến ngày 111.

Nghiên cứu của Kowalski cho thấy mô hình MBBR có thể được khởi động nhanh chóng với bùn dạng hạt, đạt thành công trong vòng ít nhất 50 ngày Khả năng loại bỏ TN tăng lên hơn 80%, với độ dày màng sinh học đạt 1269 ± 444μm và hoạt tính riêng của Anammox là 22,0 ± 2,1mgN/gVSS/h.

Tran đã thực hiện nhiều nghiên cứu về quá trình Anammox, áp dụng các loại giá thể khác nhau như gel PVA, vật liệu MC và các vật liệu khác.

PE [117] Với cùng điều kiện vận hành như nhiệt độ, pH, DO…, hiệu quả loại bỏ

Các mô hình thí nghiệm cho thấy tỷ lệ loại bỏ TN đạt từ 70-83% Mô hình sử dụng giá thể có kích thước 3-5mm và 10-15mm đạt tốc độ loại bỏ TN lần lượt là 3,1 kgN/m³/ngày sau 315 ngày và 230 ngày Ngược lại, mô hình sử dụng PVA gel cần đến 564 ngày để đạt tốc độ loại bỏ 3 kgN/m³/ngày.

Chỉ trong 140 ngày, PE đã đạt được NRR là 2 kgN/m³/ngày Nghiên cứu về ứng dụng quá trình Anammox không chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm mà còn được triển khai ở quy mô lớn.

Bảng 1.4 Tổng hợp một số trạm xử lý nước thải quy mô lớn ứng dụng quá trình

Dạng bể Thể tích bể (m 3 ) Quá trình Vị trí Năm vận hành (kg/m NRR 3 /ngày)

SBR 606 DEMON Thun, Thuỵ Sĩ 2008 0,67

UASB 5400 Anammox Wulumuq, Trung Quốc 2011 2,0

MBBR 300 CANON Malmo, Thuỵ Điển 2011 1,0

RBC 6 OLAND Sneek, Hà Lan 2012 0,9

MBBR 140 CANON Grindsted, Đan Mạch 2013 0,7

Vào năm 2002, hệ thống Anammox quy mô lớn đầu tiên được khởi động tại Rotterdam, Hà Lan, nhờ sự hợp tác của Paques, TU Delft và nhóm Waterboard Mô hình phản ứng 70 m³ này đã được mở rộng từ thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm 10L lên gấp 7000 lần Dù có bổ sung bùn anammox, quá trình khởi động kéo dài 3,5 năm, lâu hơn 1,5 năm so với dự kiến Đến tháng 9 năm 2006, hệ thống hoạt động hoàn chỉnh với khả năng xử lý đạt 750 kgN/ngày, vượt 50% so với tải lượng NLR thiết kế.

Nghiên cứu ứng dụng quy trình Anammox đã được triển khai rộng rãi trên quy mô lớn tại nhiều quốc gia, bao gồm Trung Quốc, Đức, Hà Lan, Thụy Sĩ, Áo và Hoa Kỳ.

2 Một số nghiên cứu ở Việt Nam

Một số vấn đề còn tồn tại khi xử lý nước thải bằng quá trình Anammox và hướng nghiên cứu của luận án…

Sau khi tổng quan các nghiên cứu về quá trình Anammox trên thế giới và thực trạng nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam, nhận thấy rằng:

Tại Việt Nam, nghiên cứu về quá trình Anammox còn hạn chế về đa dạng loại nước thải, đặc biệt là nghiên cứu sử dụng nước thải sinh hoạt thực tế Do đó, cần thực hiện các thử nghiệm nhằm đánh giá hiệu suất lâu dài và khả năng ứng dụng của quá trình này trong thực tiễn.

Nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn Anammox hiện còn hạn chế Do đó, cần tiến hành các nghiên cứu bổ sung và áp dụng biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả cũng như rút ngắn thời gian khởi động của quá trình Anammox.

- Các nghiên cứu về nuôi cấy và làm giàu vi khuẩn Anammox còn hạn chế.

Cơ chế của anammox và sự kết hợp của anammox với các vi khuẩn khác cần được khám phá thêm.

Cần thực hiện thêm các nghiên cứu về các giá thể mang nhằm hỗ trợ hiệu quả cho quá trình dính bám của vi sinh vật Điều này sẽ giúp đảm bảo rằng màng vi sinh không bị rửa trôi trong suốt quá trình hoạt động của mô hình xử lý.

- Cần xác định được các thông số vận hành phù hợp với quá trình Anammox tương ứng với các mô hình phản ứng khác nhau.

- Cần nghiên cứu động học của quá trình Anammox, xác định được mô hình động học phù hợp và dự đoán được chất lượng nước thải đầu ra.

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, cần thực hiện nhiều nghiên cứu và tiến hành từng bước một.

Do đó, trong phạm vi luận án này, tác giả sẽ tập trung vào giải quyết một số vấn đề sau:

Nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong việc xử lý nước thải sinh hoạt thực tế, đặc biệt là nước thải sau bể tự hoại, là rất cần thiết Bởi lẽ, khoảng 90% nước thải từ các hộ gia đình thường được xử lý sơ bộ trước khi được xả vào hệ thống thoát nước chung Việc bổ sung loại nước thải này vào nghiên cứu sẽ giúp tối ưu hóa quy trình xử lý và nâng cao hiệu quả trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt thông qua quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox Kết quả cho thấy Felibendy có khả năng tối ưu hóa quá trình xử lý, góp phần giảm thiểu ô nhiễm nitơ trong môi trường nước Việc áp dụng công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu suất xử lý mà còn mang lại lợi ích bền vững cho hệ thống quản lý nước thải.

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định thời gian lưu thủy lực tối ưu cho mô hình nitrit hóa bán phần và mô hình Anammox, sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng để cải thiện hiệu suất xử lý nước thải, đồng thời nâng cao hiệu quả của các quá trình sinh học trong hệ thống xử lý nước Việc tối ưu hóa thời gian lưu thủy lực không chỉ giúp tăng cường khả năng loại bỏ nitơ mà còn góp phần vào sự bền vững của công nghệ xử lý nước thải hiện đại.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ trong nước thải đến quá trình Anammox.

Để mô tả quá trình xử lý nitơ trong nước thải, cần xác định phương trình động học phù hợp Bên cạnh đó, việc xác định các thông số động học tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải sinh hoạt cũng là điều cần thiết.

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NITRIT HOÁ BÁN PHẦN – ANAMMOX

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU