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 phát triển đô thị tại Việt Nam đang dẫn đến sự gia tăng đáng kể lượng nước thải, đặt ra thách thức lớn cho môi trường Dự báo đến năm 2035, dân số đô thị sẽ đạt khoảng 47,87 triệu người, kéo theo nhu cầu xử lý nước thải 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 đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt cho hơn 90% hộ gia đình tại các đô thị kết nối với 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 dinh dưỡng cần được xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi xả vào nguồn tiếp nhận Đặc biệt, hợp chất nitơ là chất dinh dưỡng giới hạn quan trọng cần kiểm soát ở mọi nguồn nước tự nhiên 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.
Nhiều công nghệ xử lý nước thải tại Việt Nam, 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 như AO, A2O và SBR, mặc dù có khả năng xử lý nitơ, lại yêu cầu tuần hoàn bùn nội tại, cung cấp lượng khí lớn, hoặc bổ sung cacbon từ bên ngoài, dẫn đến tiêu tốn nhiều năng lượng và sản sinh lượng lớn bùn Trong bối cảnh xu hướng toàn cầu hướng tới công nghệ xử lý nước thải tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải cacbon và thân thiện với môi trường, cần nghiên cứu và áp dụng các công nghệ xử lý nitơ mới, hiệu quả hơn.
Quá trình Anammox trong xử lý nitơ bằng phương pháp oxi hoá kỵ khí mang lại nhiều lợi ích như không cần bổ sung cacbon bên ngoài, tiết kiệm năng lượng sục khí, giảm lượng bùn sinh ra và khí nhà kính, đồng thời 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 lĩnh vực xử lý nước thải Để áp dụng Anammox vào thực tiễn, 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, đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ vi sinh vật dính bám 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" đóng vai trò quan trọng trong việc ứng dụng hiệu quả công nghệ Anammox vào 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 Mô hình Anammox (AX) kết hợp với kỹ thuật phản ứng tầng cố định đã chứng minh được tính khả thi và hiệu suất trong việc xử lý nitơ, mở ra hướng đi mới cho các công nghệ xử lý nước thải.
Đánh giá khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế thông qua quá trình nitrit hoá bán phần kết hợp với quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy Phương pháp này hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng nguồn nước.
Anammox Xác định được thông số động học của quá trình Anammox với các tỉ 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, quá trình Anammox diễn ra trong điều kiện kỵ khí, trong đó amoni được oxy hóa với nitrit làm 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.
Bài viết này tập trung vào việc nghiên cứu các mô hình động học cơ bản liên quan đến quá trình xử lý nước thải sinh hoạt, bao gồm mô hình động học bậc 1, bậc 2 Grau và Stover Kincannon, nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển hóa sinh học các chất trong nước thải Đầu tiên, tổng quan về đặc tính nước thải sinh hoạt và các công nghệ xử lý nitơ hiện đang được áp dụng tại Việt Nam và trên thế giới sẽ được trình bày, cùng với những vấn đề tồn tại trong lĩnh vực này Tiếp theo, sẽ có cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong và ngoài nước, đặc biệt là các giá thể vi sinh được sử dụng trong quá trình này Nghiên cứu cũng sẽ đi sâu vào cơ sở khoa học của quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox, từ đó phân tích các yếu tố ảnh hưởng và xây dựng phương pháp nghiên cứu Cuối cùng, nghiên cứu thực nghiệm sẽ được thực hiện trên mô hình phòng thí nghiệm 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 và khả năng ứng dụng của giá thể này trong quá trình Anammox, cũng như trên hệ mô hình PN/AX để xác định hiệu quả loại bỏ hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế và thời gian lưu nước phù hợp.
Nghiên cứu Planctomycetes trên giá thể Felibendy trong mô hình xử lý nước thải sinh hoạt thực tế thông qua kỹ thuật PCR đã lựa chọn phương trình động học phù hợp cho quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox, dựa trên ba phương trình động học bậc 1, bậc 2 Grau và Stover Kincannon Đồng thời, nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến hiệu quả của quá trình Anammox và xác định các thông số của phương trình Stover Kincannon mô phỏng quá trình này tương ứng với các tỉ lệ C/N trong nước thải đô thị Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở lý thuyết về quá trình xử lý amoni trong nước thải, nitrit hoá bán phần và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.
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 và pH.
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 này tập trung vào việc phân tích các chỉ tiêu của nước thải như NH4+-N, NO2 N, NO3 N và COD trong 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 để 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 dữ liệu và tạo đồ thị minh họa diễn biến của quá trình thí nghiệm theo thời gian và tỷ lệ C/N.
Phương pháp so sánh và đối chiếu là một kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu, giúp phân tích và đánh giá các kết quả nghiên cứu bằng cách so sánh chúng với những nghiên cứu khác có liên quan Việc này không chỉ làm nổi bật sự khác biệt và điểm tương đồng mà còn cho phép đối chiếu các kết quả thực nghiệm với lý thuyết hiện có, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về vấn đề nghiên cứu.
Phương pháp chuyên gia là cách tiếp cận hiệu quả nhằm thu thập ý kiến từ các chuyên gia trong ngành thông qua các buổi hội thảo chuyên đề và hội thảo mở rộng Phương pháp này giúp định hướng nghiên cứu và đánh giá độ tin cậy của các kết quả thu được.
7 Những đóng góp mới 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 đã 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.
K 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 của quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy, đồng thời xác định được các thông số động học Umax và KB của mô hình này với các tỉ lệ C/N khác nhau Điều này mang lại ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình Anammox.
- 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 quy trình nitrit hóa bán phần và Anammox.
Các 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 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
Thí nghiệm 3: Mô hình AX1, AX2, AX3 Đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox.
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 Mục tiêu 2
Hình M.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án Đặt vấn đề nghiên cứu
Kết luận và kiến nghị
Nghiên cứu cơ sở khoa học xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox
Thí nghiệm 2: Hệ mô hình PN/AX Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox
Mô hình AX Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ của mô hình
AX với giá thể vi sinh cố định
Hiệu quả và Hiệu quả khả năng sử loại bỏ nitơ dụng giá thể trong nước vi sinh cố thải sinh định hoạt bằng
Felibendy quá trình để xử lý nitrit hoá nitơ trong bán phần mô hình AX và
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/N khác nhau
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
Nước thải sinh hoạt, phát sinh từ hoạt động hàng ngày của con người, được phân thành hai loại chính: nước đen và nước xám Nước thải đen bao gồm nước từ nhà vệ sinh, trong khi nước xám là nước từ các hoạt động rửa, giặt và tắm Nước thải đen chứa phần lớn các chất ô nhiễm, với khoảng 58% là chất hữu cơ, 42% là chất vô cơ, cùng với nhiều vi sinh vật gây bệnh, theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008.
Trong bài viết "Thoát nước - Mạng lưới bên ngoài và công trình - Tiêu chuẩn thiết kế", mỗi người trung bình thải ra hệ thống thoát nước một lượng khoảng 60-65 g cặn lơ lửng và 30-35 g chất hữu cơ (tính theo BOD) mỗi ngày, cùng với 8 g NH4+.