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.

i 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 nước thải Mã số: 9520320-2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN THỊ HIỀN HOA Hà Nội, năm 2022 MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cám ơn… ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt ix Một số khái niệm thuật ngữ sử dụng luận án xi Danh mục bảng xiii Danh mục hình xiv MỞ ĐẦU… 1 Tính cấp thiết luận án……………………………………………………… Mục tiêu luận án…………………………………………………………… Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án .3 Cơ sở khoa học luận án………………………………………………………3 Nội dung nghiên cứu……………………………………………………………… Phương pháp nghiên cứu… Những đóng góp luận án………………………………………………… Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT… .8 1.1 Nguồn gốc đặc tính nước thải sinh hoạt yêu càu nguồn tiếp nhận… 1.1.1 Nguồn gốc đặc tính nước thải sinh hoạt 1.1.2 Các dạng tồn hợp chất chứa nitơ nước thải sinh hoạt 1.1.3 Tác động nitơ đến sức khoẻ cộng đồng môi trường… .12 1.1.4 Quy định nguồn tiếp nhận tiêu nitơ nước thải sinh hoạt…… 13 1.2 Tổng quan phương pháp xử lý nitơ nước thải 14 1.2.1 Phương pháp hoá lý… 14 1.2.2 Phương pháp hoá học… 15 1.2.3 Phương pháp sinh học… 16 1.3 Tổng quan số công nghệ xử lý nitơ nước thải sinh hoạt… 19 1.3.1 Các công nghệ ứng dụng q trình nitrat hố/khử nitrat .19 1.3.2 Công nghệ xử lý nitơ ứng dụng trình Anammox… 24 1.3.3 Đánh giá hiệu công nghệ xử lý nitơ q trình nitrat hố /khử nitrat cơng nghệ ứng dụng trình Anammox… 25 1.3.4 Đánh giá công nghệ xử lý nước thải áp dụng nhà máy xử lý nước thải Việt Nam xu hướng tiếp cận công nghệ xử lý nước thải giới… … 26 1.4 Tổng quan số công nghệ xử lý nitơ nước thải sinh hoạt 31 1.4.1 Tổng quan số nghiên cứu ứng dụng trình Anammox giới Việt Nam 31 1.4.2 Tổng quan số giá thể mang sử dụng trình Anammox… 37 1.4.3 Tổng quan nghiên cứu phương trình động học trình Anammox…… 41 1.5 Một số vấn đề tồn xử lý nước thải trình Anammox hướng nghiên cứu luận án… 44 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ ỨNG DỤNG Q TRÌNH NITRIT HỐ BÁN PHẦN – ANAMMOX 46 2.1 Quá trình Anammox… 46 2.1.1 Bản chất trình Anammox… 46 2.1.2 Hoá sinh học trình Anammox 47 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình Anammox 49 2.1.4 Các thơng số vận hành nhằm kiểm sốt q trình Anammox .57 2.2 Q trình nitrit hố bán phần… 58 2.2.1 Bản chất q trình nitrit hố bán 58 2.2.2 Hoá sinh học q trình nitrit hố bán phần 59 2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nitrit hố bán phần 60 2.2.4 Các thông số vận hành nhằm kiểm sốt q trình nitrit hố bán phần 62 2.3 Cơ sở khoa học việc sử dụng giá thể mang xử lý nước thải .63 2.3.1 Sự hình thành màng sinh học (Biofilm) giá thể mang 63 2.3.2 Cơ sở lựa chọn giá thể mang (giá thể vi sinh)… 65 2.4 Động học trình nitrit hố bán phần q trình Anammox 66 2.4.1 Cơ sở lý thuyết động học phản ứng… 66 2.4.2 Phương trình động học bậc 1… 68 2.4.3 Phương trình động học bậc Grau 68 2.4.4 Phương trình động học Stover-Kincannon 69 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 71 3.1 Đối tượng nội dung nghiên cứu 71 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 71 3.1.2 Kế hoạch nghiên cứu 72 3.1.3 Nội dung nghiên cứu 73 3.2 Chuẩn bị thí nghiệm 74 3.2.1 Chuẩn bị mơ hình thí nghiệm 74 3.2.2 Chuẩn bị vi sinh vật 76 3.2.3 Chuẩn bị nước thải 77 3.2.4 Lựa chọn kiểm sốt thơng số vận hành 81 3.3 Trình tự tiến hành nghiên cứu thực nghiệm 82 3.3.1 Thí nghiệm 82 3.3.2 Thí nghiệm 2… 84 3.3.3 Thí nghiệm 3… 87 3.4 Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu xử lý số liệu 91 3.4.1 Phương pháp lấy mẫu… 91 3.4.2 Phương pháp phân tích 91 3.4.3 Phương pháp xử lý số liệu… 92 3.4.4 Phương pháp xác định chủng vi khuẩn… 94 3.4.5 Phương pháp xây dựng phương trình ốn để xác định thơng số động học q trình nitrit hố bán phần q trình Anammox… 95 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 98 4.1 Nội dung nghiên cứu 1: Đánh giá hiệu loại bỏ hợp chất chứa nitơ mơ hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy… .98 4.1.1 Hiệu loại bỏ amoni, nitrit tổng nitơ mơ hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy… 98 4.1.2 Mối tương quan thành phần chứa nitơ trình Anammox 101 4.1.3 Kết quả, thảo luận so sánh kết nghiên cứu đánh giá hiệu loại bỏ nitơ mơ hình AX với giá thể mang Felibendy với số nghiên cứu khác 103 4.2 Nội dung nghiên cứu 2: Đánh giá hiệu loại bỏ nitơ nước thải sinh hoạt q trình nitrit hố bán phần trình 105 4.2.1 Sự chuyển hố amoni thành nitrit mơ hình PN 105 4.2.2 Sự biến thiên nồng độ amoni, nitrit tổng nitơ mơ hình AX…….… 107 4.2.3 Hiệu xử lý nitơ hệ mơ hình PN/AX 110 4.2.4 Kết giải trình tự gen vi khuẩn giá thể mang 112 4.2.5 Phương trình động học q trình nitrit hố bán phần trình Anammox 113 4.2.6 Kết quả, thảo luận so sánh kết nghiên cứu đánh giá hiệu loại bỏ nitơ nước thải sinh hoạt q trình nitrit hố bán phần Anammox với nghiên cứu khác .117 4.3 Nội dung nghiên cứu 3: Đánh giá ảnh hưởng hàm lượng chất hữu đến trình Anammox để xử lý nitơ nước thải sinh hoạt .119 4.3.1 Sự biến thiên nồng độ hiệu xử lý hợp chất chứa nitơ qua giai đoạn nghiên cứu 119 4.3.2 Phương trình động học Stover Kincannon thông số động học trình Anammox tỉ lệ C/N khác 123 4.3.3 Kết quả, thảo luận so sánh kết nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hàm lượng chất hữu đến trình Anammox với số nghiên cứu khác 127 KẾT LUẬN 129 KẾT LUẬN… .129 KIẾN NGHỊ 130 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO Đà ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .131 TÀI LIỆU THAM KHẢO… 132 i PHỤ LỤC PL1 Phụ lục Kết phân tích thí nghiệm (mơ hình AX)… .PL1 Phụ lục Kết phân tích thí nghiệm (mơ hình PN+AX)PL4 Phụ lục Kết phân tích thí nghiệm (mơ hình AX1, AX2, AX3)PL7 Phụ lục Số liệu mơ hình PN để xây dựng phương trình động học q trình nitrit hố bán phần q trình Anammox PL11 Phụ lục Số liệu để xây dựng phương trình động học q trình Anammox nước thải có tỉ lệ C/N khác .PL17 Phụ lục hình ảnh… PL23 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Hà nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Thị Mỹ Hạnh iii LỜI CÁM ƠN Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Thị Hiền Hoa tận tình hướng dẫn, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án nâng cao lực khoa học cho tác giả Tác giả chân thành cám ơn thầy, mơn Cấp nước, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Khoa Sau đại học, Trường Đại học Xây dựng giúp đỡ có nhiều góp ý xác đáng, quý báu cho tác giả trình học tập thực luận án Tác giả trân trọng cám ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật hạ tầng Môi trường Đô Thị, Bộ môn Công nghệ nước, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội tạo điều kiện cho tác giả học tập nghiên cứu nâng cao trình độ Tác giả cám ơn sâu sắc phịng Thí nghiệm mơn Cấp nước, Khoa Kỹ thuật Mơi trường tạo điều kiện cho tác giả triển khai thí nghiệm Tác giả chân thành cám ơn TS Lê Công Nhất Phương (Viện Sinh học Nhiệt đới, thành phố Hồ Chí Minh), cơng ty Meidensa (Nagoya, Nhật Bản), cơng ty Kuraray (Nhật Bản) hỗ trợ cung cấp vi khuẩn vật liệu Felibendy phục vụ cho nghiên cứu Tác giả chân thành cám ơn PGS.TS Trương Quốc Phong (Trung tâm Nghiên cứu Phát triển Công nghệ Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa, Hà Nội) giúp đỡ tác giả tiến hành kỹ thuật khuếch đại gen PCR Tác giả trân trọng cám ơn Quỹ Nghiên cứu khoa học Nước Môi trường Kurita, đề tài NCKH Bộ Giáo dục Đào tạo (B2015-03-15), đề tài NCKH Trường Đại học Xây dựng (200-2018/KHXD-TĐ) hỗ trợ kinh phí để tác giả thực nghiên cứu Tác giả xin chân thành cám ơn quý thầy, cô giáo, nhà khoa học, chuyên gia, đồng nghiệp tận tình góp ý, bảo, đồng hành thời gian học tập nghiên cứu iv Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới người thân gia đình động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn với tác giả trình thực luận án Tác giả luận án Nguyễn Thị Mỹ Hạnh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Cùng với phát triển xã hội, lượng nước thải xả hàng ngày đô thị gia tăng đặt thách thức mơi trường Với mức độ thị hóa nay, tới năm 2035 Việt Nam có khoảng 106,3 triệu dân có 47,87 triệu dân thị (44,87% dân số) [123], ước tính lượng nước thải đô thị cần xử lý 7,63 triệu m3/ngày đêm [5] Tính đến nay, có khoảng 70 nhà máy xử lý nước thải tập trung đô thị, đa phần xử lý nước thải hệ thống nước chung, có nhà máy xử lý nước thải hệ thống thoát nước riêng Bể tự hoại với 90% số hộ gia đình sử dụng tiếp tục đóng vai trị quan trọng xử lý sơ nước thải sinh hoạt thị có đấu nối với hệ thống nước chung Nước thải sinh hoạt hình thành trình sinh hoạt người, chứa chất bẩn trạng thái lơ lửng, chất hữu cơ, vi sinh vật chất dinh dưỡng cần xử lý đạt yêu cầu trước xả vào nguồn tiếp nhận Bên cạnh việc loại bỏ chất hữu hợp chất nitơ xem chất dinh dưỡng giới hạn kiểm soát nguồn nước tự nhiên, nguồn tiếp nhận nước xả thải Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT, nồng độ amoni nitrat nước thải sinh hoạt trước xả vào nguồn tiếp nhận loại A 5mg/L 30mg/L, nguồn loại B 10mg/L 50mg/L Với công nghệ xử lý nước thải áp dụng Việt Nam, số công nghệ xử lý nitơ bể lọc sinh học nhỏ giọt hay cơng nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS) Một số công nghệ khác AO, A2O, SBR dựa sở q trình nitrat hố/khử nitrat lại yêu cầu phải tuần hoàn bùn nội tại, cần cấp lượng khí lớn phải bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngồi… Nói cách khác, công nghệ xử lý nitơ nước thải áp dụng tiêu thụ nhiều lượng đồng thời tạo lượng lớn bùn Trong đó, xu thế giới công nghệ xử lý nước thải tiến tới tiết kiệm lượng, phát thải cacbon, thân thiện với mơi trường Do đó, cần nghiên cứu áp dụng cơng nghệ xử lý nitơ khác khắc phục nhược điểm công nghệ truyền thống (dựa sở trình nitrat hoá/khử nitrat) cần thiết Dựa sở lý thuyết xử lý nitơ phương pháp oxi hố kỵ khí, thấy q trình Anammox có ưu điểm không cần phải bổ sung nguồn cacbon bên ngoài, tiết kiệm lượng cho việc sục khí, lượng bùn sinh ít, giảm thiểu phát sinh khí nhà kính, tiết kiệm diện tích cơng trình xây dựng Do đó, cơng nghệ xử lý nitơ q trình Anammox xem cơng nghệ thân thiện với môi trường phù hợp để đưa công nghệ xử lý nước thải Việt Nam tiếp cận với xu thế giới, “xu phát triển bền vững” bối cảnh “nước thải kinh tế tuần hồn” Để ứng dụng q trình Anammox vào thực tiễn xử lý nước thải sinh hoạt cần tiến hành nghiên cứu thông số vận hành hệ thống xử lý, kỹ thuật phản ứng, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu trình xử lý Giá thể vi sinh cố định đóng vai trị quan trọng việc hỗ trợ q trình dính bám vi sinh vật 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 thấm hút cao, đáp ứng yêu cầu cho vi khuẩn dính bám nên lựa chọn làm giá thể vi sinh cố định mơ hình thí nghiệm Luận án “Nghiên cứu xử lý nitơ nước thải sinh hoạt trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định” cần thiết để bước đưa trình Anammox ứng dụng vào thực tiễn xử lý nitơ nước thải sinh hoạt Việt Nam Mục tiêu luận án - Đánh giá khả sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy thông qua đánh giá hiệu loại bỏ nitơ trình Anammox mơ hình Anammox (AX) với kỹ thuật phản ứng tầng cố định - Đánh giá khả loại bỏ nitơ nước thải sinh hoạt thực tế q trình nitrit hố bán phần q trình Anammox với giá thể vi sinh cố định Felibendy PL 20 Phụ lục 5.4 Số liệu để xây dựng phương trình động học trình Anammox nước thải có tỉ lệ C/N = 3,5 C/N HRT (h) NH4+-N vào NH4+N 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 22,3 22,0 22,4 22,3 22,2 22,4 22,3 21,9 22,3 22,2 22,3 22,0 22,4 22,3 22,2 22,4 22,3 21,9 22,3 22,2 22,3 22,0 22,4 22,3 22,2 22,4 22,3 21,9 22,3 22,2 8,2 8,0 7,9 7,8 7,9 8,1 7,9 8,1 8,0 8,0 7,5 7,6 7,4 7,2 7,3 7,6 7,4 7,2 7,7 7,3 7,2 7,1 7,0 6,9 7,0 7,1 7,0 6,8 7,0 6,9 �� � �� 11,21 11,36 11,17 11,21 11,26 11,16 11,22 11,42 11,22 11,26 16,81 17,05 16,76 16,82 16,89 16,74 16,82 17,12 16,83 16,88 22,41 22,73 22,34 22,42 22,52 22,32 22,43 22,83 22,44 22,51 ��� �� − �� TINN vào TIN-N 17,72 17,86 17,27 17,24 17,48 17,48 17,37 18,12 17,51 17,59 25,32 26,04 25,03 24,83 25,17 25,34 25,18 25,51 25,72 25,15 33,09 33,56 32,51 32,47 32,89 32,68 32,70 33,11 32,72 32,66 49,6 48,5 49,5 49,2 49,5 49,9 49,5 49,2 49,2 49,4 49,6 48,5 49,5 49,2 49,5 49,9 49,5 49,2 49,2 49,4 49,6 48,5 49,5 49,2 49,5 49,9 49,5 49,2 49,2 49,4 22,4 22,0 22,2 22,1 22,4 22,6 22,1 22,5 22,4 22,2 21,5 21,3 21,3 21,0 21,3 21,5 21,1 20,9 21,8 21,0 20,3 20,0 20,2 20,1 20,3 20,4 20,1 19,9 20,2 20,1 �� � �� 5,05 5,16 5,05 5,09 5,05 5,01 5,05 5,09 5,08 5,06 7,57 7,74 7,57 7,63 7,58 7,51 7,57 7,63 7,62 7,59 10,09 10,32 10,10 10,17 10,10 10,01 10,09 10,17 10,16 10,13 ��� �� − �� 9,19 9,44 9,14 9,23 9,23 9,14 9,12 9,36 9,31 9,20 13,35 13,81 13,27 13,31 13,28 13,17 13,19 13,26 13,66 13,23 17,06 17,56 17,05 17,18 17,10 16,91 16,99 17,09 17,23 17,05 PL 21 Phụ lục 5.5 Số liệu để xây dựng phương trình động học trình Anammox nước thải có tỉ lệ C/N = 5,0 C/N HRT (h) NH4+-N vào NH4+N 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 22,5 22,0 22,2 22,5 21,6 22,2 21,9 22,1 22,3 22,0 22,5 22,0 22,2 22,5 21,6 22,2 21,9 22,1 22,3 22,0 22,5 22,0 22,2 22,5 21,6 22,2 21,9 22,1 22,3 22,0 9,6 9,5 9,6 9,8 9,5 9,6 9,4 9,6 9,7 9,7 9,2 9,3 9,2 9,4 9,1 9,2 9,3 9,2 9,4 9,1 8,7 8,5 8,6 8,7 8,5 8,5 8,7 8,8 8,9 8,7 �� � �� 11,11 11,36 11,29 11,11 11,57 11,29 11,42 11,31 11,24 11,36 16,67 17,05 16,93 16,67 17,36 16,93 17,12 16,97 16,85 17,05 22,22 22,73 22,57 22,22 23,15 22,57 22,83 22,62 22,47 22,73 ��� �� − �� TINN vào TINN 19,38 20,00 19,92 19,69 20,66 19,92 20,00 20,00 19,92 20,33 28,20 29,53 28,96 28,63 30,00 28,96 29,76 29,07 29,18 29,07 36,23 37,04 36,90 36,23 38,17 36,63 37,88 37,59 37,45 37,59 49,6 49,2 49,3 49,9 49,0 49,2 48,8 49,5 49,3 49,3 49,6 49,2 49,3 49,9 49,0 49,2 48,8 49,5 49,3 49,3 49,6 49,2 49,3 49,9 49,0 49,2 48,8 49,5 49,3 49,3 24,0 24,1 24,6 24,7 24,0 24,0 24,0 24,5 24,1 24,2 23,4 23,5 23,3 23,4 23,5 22,9 22,7 23,5 23,2 23,1 22,2 21,9 22,2 22,4 21,8 21,9 21,7 22,5 22,4 22,3 �� � �� 5,04 5,08 5,07 5,01 5,11 5,09 5,13 5,05 5,08 5,07 7,56 7,62 7,60 7,52 7,66 7,63 7,69 7,58 7,61 7,61 10,08 10,16 10,13 10,03 10,21 10,17 10,25 10,10 10,15 10,14 ��� �� − �� 9,77 9,98 10,10 9,92 10,00 9,92 10,07 9,98 9,95 9,96 14,29 14,60 14,40 14,18 14,71 14,26 14,38 14,40 14,40 14,31 18,25 18,32 18,40 18,21 18,41 18,38 18,50 18,54 18,59 18,48 PL 22 Phụ lục 5.6 Số liệu để xây dựng phương trình động học trình Anammox nước thải có tỉ lệ C/N = 6,0 C/N HRT (h) NH4+-N vào NH4+N 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6 6 6 6 6 9 9 9 9 9 12 12 21,5 22,3 22,5 22,2 22,0 22,1 21,9 21,7 21,8 22,2 21,5 22,3 22,5 22,2 22,0 22,1 21,9 21,7 21,8 22,2 21,5 22,3 6,0 12 6,0 ��� �� − �� TINN vào TINN 10,1 10,3 10,4 10,3 10,2 10,0 10,1 10,0 10,1 10,3 9,6 9,7 9,8 9,6 9,7 9,8 9,5 9,6 9,7 9,9 9,2 9,2 �� � �� 11,63 11,24 11,11 11,26 11,36 11,31 11,42 11,52 11,47 11,26 17,44 16,85 16,67 16,89 17,05 16,97 17,12 17,28 17,20 16,88 23,26 22,47 ��� �� − �� 24,4 24,8 25,1 24,7 24,8 24,4 24,6 24,5 24,8 24,8 23,8 23,8 23,9 24,2 24,0 23,8 23,8 23,8 23,9 24,0 22,6 22,6 �� � �� 5,20 5,09 5,04 5,10 5,09 5,13 5,10 5,13 5,10 5,05 7,80 7,64 7,56 7,64 7,64 7,70 7,65 7,69 7,65 7,58 10,40 10,18 21,93 20,92 20,66 21,01 21,19 20,66 21,11 21,37 21,37 20,99 31,51 29,88 29,53 29,76 30,49 30,49 30,24 30,99 30,99 30,46 40,65 38,31 48,1 49,1 49,6 49,1 49,1 48,7 49,1 48,8 49,0 49,5 48,1 49,1 49,6 49,1 49,1 48,7 49,1 48,8 49,0 49,5 48,1 49,1 22,5 9,3 22,22 37,88 49,6 22,2 10,08 18,24 12 22,2 9,2 22,52 38,46 49,1 22,8 10,19 19,00 6,0 12 22,0 9,1 22,73 38,76 49,1 22,6 10,18 18,87 6,0 12 22,1 9,3 22,62 39,06 48,7 22,3 10,27 18,92 6,0 12 21,9 9,4 22,83 40,00 49,1 23,0 10,19 19,17 6,0 12 21,7 9,2 23,04 40,00 48,8 22,7 10,26 19,19 6,0 12 21,8 9,0 22,94 39,06 49,0 22,7 10,20 19,00 6,0 12 22,2 9,4 22,51 39,03 49,5 23,1 10,11 18,96 10,54 10,26 10,19 10,26 10,28 10,27 10,23 10,29 10,31 10,15 15,41 14,83 14,61 15,07 14,91 15,05 14,82 15,05 14,96 14,70 19,57 18,88 PL 23 PHỤ LỤC HÌNH ẢNH Thiết bị đo mật độ quang Thiết bị đo COD Thiết bị đo pH Thiết bị đo DO Máy bơm nhu động Nhật Bản Thiết bị ổn nhiệt PL 24 Khu vực bố trí bể tự hoại KTX ĐHXD Lắp đặt mơ hình Phân tích mẫu thí nghiệm PL 25 Hình ảnh thí nghiệm (mơ hình AX) Hình ảnh thí nghiệm (mơ hình AX1, AX2, AX3) Hình ảnh thí nghiệm (hệ mơ hình PN + AX) PL 26 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AO Anoxic Oxic Thiếu khí - hiếu khí AAO Anaerobic Anoxic Oxic Kỵ khí - thiếu khí – hiếu khí AOB Ammonium Oxidizing Bacteria Vi khuẩn ơxi hóa amoni ABF Anaerobic biological filtration Bể lọc sinh học kỵ khí Anammox Anaerobic Ammonium Oxi hóa kỵ khí amoni Oxidation AX Mơ hình Anammox BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu ơxi sinh hóa BC Bamboo Charcoal Than tre BTH Bể tự hoại BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường CANON Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite Loại bỏ nitơ tự dưỡng hồn tồn thơng qua khử nitrit CAS Conventional Activated Sluge Bùn hoạt tính truyền thống COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hóa học CSTR Continuous stirred-tank reactor Thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục DO Dissolved Oxygen Ơxy hịa tan EGSB Expanded granular sludge bed Bể kỵ khí có lớp bùn hạt mở rộng FA Free Ammonia Amoniac tự FBR Fixed Bed Reactor Bể phản ứng tầng cố định FNA Free Nitrous Acid Axit nitrit tự HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu thủy lực MBR Membrane Bio Reactor Bể sinh học màng MBBR Moving Bed Biofilm Reactor Bể màng sinh học di động MC Malt Ceramic Hạt MC NOB Nitrite Oxidizing Bacteria Vi khuẩn oxi hóa nitrit NLR Nitrogen Loading Rate Tải lượng nitơ đầu vào NRE Nitrogen Removal Efficiency Hiệu loại bỏ nitơ NRR Nitrogen Removal Rate Tốc độ loại bỏ nitơ NT OLAND Nước thải Oxygen Limited Autotrophic Loại bỏ nitơ thơng qua q trình removal via nitrification – nitrat hóa-khử nitrat tự dưỡng denitrification điều kiện ôxi hạn chế OD Oxidation Ditch Mương oxy hoá PCR Polymerase chain reaction Kỹ thuật phản ứng khuếch đại gen PN/AX Partial nitritation-Anammox Nitrit hoá bán phần/Anammox PVA Polivinyl Acohol Giá thể mang PVA QCVN Quy chuẩn Việt Nam QT Quá trình SBR Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng hoạt động gián đoạn theo mẻ SHARON Single reactor system for High Ammonium Removal Over Nitrite SNAP Hệ thống phản ứng đơn để loại bỏ amoni thông qua trình nitrit hố (Nitrit hóa bán phần) Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial Nitritation Q trình nitrit hóa bán phần Anammox kết hợp giai đoạn để loại bỏ nitơ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Total Nitrogen Tổng nitơ TIN Total Inorganic Nitrogen Tổng nitơ vô UASB Upflow Anaerobic Blanket UBF Upflow Biofilm Sludge Bể xử lý sinh học tầng bùn kỵ khí dịng hướng lên Bể màng sinh học dòng hướng lên MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Nước thải sinh hoạt: Nước thải sinh hoạt nước thải từ hoạt động sinh hoạt hàng ngày người dân đô thị Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải đen (nước thải xí, tiểu) nước thải xám (nước thải tắm rửa, giặt giũ, nhà bếp…) Quá trình Anammox: trình sinh học thực việc oxi hoá amoni điều kiện kỵ khí với đóng góp nhóm vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes Giá thể vi sinh cố định: loại vật liệu đặt cố định mô hình thí nghiệm để vi sinh vật có khả dính bám, tăng diện dích tiếp xúc vi sinh nước thải, tăng cường khả lưu giữ vi khuẩn mơ hình thí nghiệm Trong luận án, giá thể vi sinh cố định sử dụng Felibendy, vật liệu hệ công ty Kuraray (Nhật Bản) có thành phần PET (Polyethylene terephthalate) sản xuất công nghệ Steam-jet Nitơ nước thải sinh hoạt: Trong nước thải, dạng tồn nitơ gồm nitơ hữu TKN nitơ vô TIN (amoni, nitrit nitrat) Tổng Nitơ (TN) xác định tổng nitơ hữu nitơ vô nước thải Dưới tác dụng vi khuẩn, hợp chất chứa nitơ, đặc biệt protein urê bị thủy phân nhanh tạo thành amoni/amoniac [7] Do đó, coi nitơ hữu nước thải bị thuỷ phân chuyển hố hồn tồn sang dạng nitơ vơ tổng nitơ (TN) tổng nitơ vơ (TIN) Bên cạnh đó, q trình Anammox sử dụng vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes tiến hành oxi hóa kỵ khí amoni sử dụng nitơ vơ (amoni nitrit) Do luận án tập trung nghiên cứu trình Anammox, tổng nitơ nước thải xác định tổng nitơ vô (bao gồm amoni, nitrit nitrat) nước thải sinh hoạt Tỉ lệ C/N: tỉ lệ nồng độ hợp chất hữu nồng độ hợp chất chứa nitơ nước thải Trong luận án, nồng độ hợp chất hữu được xác định mg/L COD nồng độ hợp chất nitơ nước thải xác định mgN/L tổng amoni, nitrit nitrat (TIN) nước thải Tải lượng nitơ đầu vào (NLR): lượng tổng nitơ đầu vào mơ hình phản ứng đơn vị thể tích (m3) nước thải ngày đêm, đơn vị: kg/m3/ngđ Tốc độ loại bỏ nitơ (NRR): khả loại bỏ tổng nitơ mơ hình phản ứng tính theo lượng tổng nitơ loại bỏ đơn vị thể tích (m 3) nước thải ngày đêm, đơn vị: kg/m3/ngđ Hiệu loại bỏ nitơ (NRE): tỉ lệ phần trăm hàm lượng tổng nitơ loại bỏ so với hàm lượng tổng nitơ đầu vào mơ hình, đơn vị: % DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Chất lượng nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại số đô thị .9 Bảng 1.2 Công nghệ giá trị thông số ô nhiễm số nhà máy xử lý nước thải vận hành 28 Bảng 1.3 Tổng hợp kết số nghiên cứu trình Anammox giới 32 Bảng 1.4 Tổng hợp số trạm xử lý nước thải quy mơ lớn ứng dụng q trình Anammox giới 34 Bảng 1.5 Tổng hợp số kết nghiên cứu ứng dụng trình Anammox Việt Nam 35 Bảng 1.6 Đặc tính vật liệu Felibendy .41 Bảng 1.7 Tổng hợp số phương trình động học 42 Bảng 2.1 Một số kết nghiên cứu ảnh hưởng amoni FA 51 Bảng 2.2 Một số nghiên cứu ảnh hưởng nitrit đến trình Anammox 52 Bảng 2.3 Một số kết nghiên cứu ảnh hưởng chất hữu đến trình Anammox 54 Bảng Thành phần nước thải nhân tạo sử dụng thí nghiệm 77 Bảng Thành phần nước thải thực tế 79 Bảng 3 Thành phần nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác .80 Bảng 3.4 Thơng số vận hành mơ hình thí nghiệm 83 Bảng 3.5 Thơng số vận hành hệ thống PN/AX .86 Bảng 3.6 Các thơng số kiểm sốt vận hành hệ thống PN/AX .87 Bảng 3.7 Thơng số vận hành hệ mơ hình AX1, AX2, AX3 90 Bảng 3.8 Thông số mồi xuôi, mồi ngược 95 Bảng So sánh kết nghiên cứu với số nghiên cứu trình Anammox với giá thể mang khác 104 Bảng 4.2 Tổng hợp chất lượng nước thải qua hệ mơ hình PN/AX .111 Bảng 4.3 Các thông số động học theo phương trình động học xác định nghiên cứu 116 Bảng 4 So sánh kết vận hành thí nghiệm với số nghiên cứu khác .117 Bảng 4.5 So sánh thông số động học phương trình Stover-Kincannon theo số nghiên cứu giới 118 Bảng 4.6 Hệ số Umax, KB theo phương trình động học Stover-Kincannon tương ứng với tỉ lệ C/N khác 126 Bảng 4.7 So sánh ảnh hưởng hàm lượng chất hữu đến trình Anammox với số nghiên cứu khác 127 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình M1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu luận án Hình 1.1 Chu trình chuyển hố hợp chất nitơ vi sinh vật 10 Hình 1.2 Chu trình chuyển hóa nitơ với q trình nitrat hố/khử nitrat truyền thống (trái) q trình Anammox (phải) 18 Hình 1.3 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ oxi hóa tuần hồn 19 Hình 1.4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO 20 Hình 1.5 Sơ đồ dây chuyền công nghệ SBR 20 Hình 1.6 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ AAO 21 Hình 1.7 Sơ đồ dây chuyền công nghệ MBR 22 Hình 1.8 Sơ đồ dây chuyền công nghệ MBBR .23 Hình 1.9 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ FAST .23 Hình 1.10 Sơ đồ q trình nitrit hóa bán phần kết hợp với trình Anammox 24 Hình 1.11 Khả kết hợp quy trình A-B để xử lý nước thải sinh hoạt theo xu tiết kiệm lượng 30 Hình 1.12 Giá thể mang Felibendy .40 Hình 2.1 Chu trình nitơ bổ sung trình Anammox 46 Hình 2.2 Cơ chế sinh hóa q trình Anammox 47 Hình 2.3 Cây phát sinh loài vi khuẩn Planctomycetes 48 Hình Cơ chế chuyển hố amoni vi khuẩn Nitrosomonas e 59 Hình 3.1 Giá thể mang Felibendy dạng hình chữ nhật (150x250x8mm) cho mơ hình PN 72 Hình Giá thể mang Felibendy dạng hình hộp (10x10x8mm) cho mơ hình AX 72 Hình 3.3 Sơ đồ nội dung thí nghiệm luận án 73 Hình 3.4 Sơ đồ mơ hình AX 74 Hình 3.5 Sơ đồ mơ hình PN 75 Hình 3.6 Vi khuẩn Nitrosomonas chế phẩm dạng bột 76 Hình 3.7 Vi khuẩn Planctomycetes (Candidatus Brocadia anammoxidans) dạng bùn hạt 76 Hình 3.8 Vi khuẩn Nitrosomonas dính bám giá thể mang 76 Hình Vi khuẩn Planctomycetes dính bám giá thể mang 76 Hình 10 Nội dung thí nghiệm 82 Hình 11 Hình ảnh thí nghiệm 1: (a) Sơ đồ mơ hình AX; (b) Mơ hình AX vận hành thí nghiệm 83 Hình 12 Nội dung thí nghiệm 84 Hình 13 Sơ đồ mơ hình thí nghiệm (hệ mơ hình PN/AX) 85 Hình 14 Hình ảnh thí nghiệm (hệ mơ hình PN/AX) 86 Hình 3.15 Nội dung thí nghiệm 88 Hình 3.16 Sơ đồ mơ hình thí nghiệm 89 Hình 3.17 Hình ảnh mơ hình thí nghiệm phịng thí nghiệm .89 Hình 4.1 Sự biến thiên nồng độ NH4+-N mơ hình AX qua giai đoạn 98 Hình 4.2 Sự biến thiên nồng độ NO2 N mơ hình AX qua giai đoạn 99 Hình 4.3 Sự biến thiên nồng độ tổng nitơ mơ hình AX .100 Hình 4.4 Sự thay đổi tốc độ loại bỏ tổng nitơ qua giai đoạn nghiên cứu 101 Hình 4.5 Mối tương quan tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ nitrit tốc độ tạo thành nitrat với tốc độ loại bỏ amoni giai đoạn vận hành 102 Hình 4.6 Sự biến thiên nồng độ hợp chất chứa nitơ mô hình PN .106 Hình 4.7 Sự biến thiên nồng độ hợp chất chứa nitơ mơ hình AX 109 Hình 4.8 Sự biến thiên nồng độ tổng nitơ hiệu loại bỏ tổng nitơ mơ hình AX 110 Hình 4.9 Sự biến thiên nồng độ amoni tổng nitơ hệ mô hình PN/AX 110 Hình 4.10 Phổ điện di DNA sản phẩm PCR khuếch đại đoạn gen 16S rDNA từ DNA tổng số thu từ mẫu gốc (đường chạy 1,2) mẫu sau sử dụng để xử lý nước (đường chạy 3,4); đường chạy M, thang DNA chuẩn 112 Hình 4.11 Phương trình động học trình loại bỏ amoni tạo thành nitrit q trình nitrit hố bán phần: Phương trình động học bậc 1(a); Phương trình động học Grau (b); Phương trình động học Stover-Kincannon (c) 114 Hình 12 Phương trình động học trình loại bỏ amoni tổng nitơ trình Anammox: Phương trình động học bậc 1(a); Phương trình động học Grau (b); Phương trình động học Stover-Kincannon (c) .115 Hình 4.13 Diễn biến nồng độ hợp chất chứa nitơ theo HRT tỉ lệ C/N .120 Hình 4.14 Diễn biến hiệu loại bỏ hợp chất chứa nitơ theo HRT tỉ lệ C/N 122 Hình 4.15 Phương trình động học Stover Kincannon trình loại bỏ amoni trường hợp (a): C/N =0; (b): C/N=1,0; (c): C/N = 2,0; (d): C/N=3,5; (e): C/N = 5,0; (f): C/N = 6,0; .124 Hình 4.16 Phương trình động học Stover Kincannon trình loại bỏ tổng nitơ trường hợp (a): C/N =0; (b): C/N=1,0; (c): C/N = 2,0; (d): C/N=3,5; (e): C/N = 5,0; (f): C/N = 6,0; 125 PL 26 ... yêu cầu cho vi khuẩn dính bám nên lựa chọn làm giá thể vi sinh cố định mơ hình thí nghiệm Luận án ? ?Nghiên cứu xử lý nitơ nước thải sinh hoạt trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định? ?? cần thiết... đưa trình Anammox ứng dụng vào thực tiễn xử lý nitơ nước thải sinh hoạt Vi? ??t Nam Mục tiêu luận án - Đánh giá khả sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy thông qua đánh giá hiệu loại bỏ nitơ trình. .. tính nước thải sinh hoạt, cơng nghệ xử lý nitơ nước thải sinh hoạt áp dụng Vi? ??t Nam giới, đánh giá nhận xét vấn đề tồn Tổng quan nghiên cứu ứng dụng trình Anammox tiến hành nước, tổng quan giá thể