Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrit hóa bán phần và anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -oOo - PHAN THẾ NHẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Q TRÌNH NITRIT HĨA BÁN PHẦN VÀ ANAMMOX ĐỂ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC RỈ RÁC CŨ Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số ngành: 9520320 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Phƣớc Dân Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh Phản biện độc lập: PGS.TS Nguyễn Thị Thanh Phượng Phản biện độc lập: PGS.TS Lê Hùng Anh Phản biện: PGS.TS Lê Đức Trung Phản biện: PGS.TS Lê Thị Kim Oanh Phản biện: PGS.TS Tôn Thất Lãng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Phòng họp online qua Google Meets (https://meet.google.com/ejy-yawc-tcm) vào lúc 30 phút ngày 31 tháng 12 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT Nước rỉ từ bãi chôn lấp (nước rỉ rác) nước bẩn thấm qua lớp rác ô chôn lấp, kéo theo chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng bãi chôn lấp Do thành phần phức tạp khả gây ô nhiễm cao, nước rỉ rác từ bãi rác địi hỏi dây chuyền cơng nghệ xử lý kết hợp để đạt tiêu chuẩn thải Ngoài việc xử lý nhiễm hữu xử lý ammonia nước rỉ rác ngày trở thành nhu cầu cấp thiết thời gian gần Việt Nam, cụ thể thành phố Hồ Chí Minh, điển hình bãi rác Gị Cát Đối với loại nước thải rỉ rác cũ có nồng NH4+-N cao nồng độ nhiễm chất hữu thấp việc xử lý để loại bỏ chúng trước xả vào nguồn nước nhu cầu cấp thiết tương lai Hiện q trình nitrat hóa khử nitrat truyền thống áp dụng rộng rãi thực tế xử lý nước thải Tuy nhiên, trình loại bỏ truyền thống địi hỏi chi phí đầu tư vận hành Gần đây, trình (Anammox) loại bỏ nitơ phát chứng minh có khả loại bỏ nitơ với hiệu cao với chi phí đầu tư xây dựng vận hành cạnh tranh so với trình nitrat hóa khử nitrat truyền thống Vì vậy, luận án tập trung nghiên cứu vào ứng dụng công nghệ nitrit hóa bán phần Anammox xử lý nitơ nước rỉ rác cũ nhằm đạt hiệu kinh tế môi trường MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Từ vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng q trình nitrit hóa bán phần- Anammox để xử lý nitơ nƣớc rỉ rác cũ” khảo sát hai q trình: (1) q trình nitrit hóa bán phần SBR - PNSBR (2) trình anammox IC – AIC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Đối với trình nitrit hóa bán phần sử dụng cơng nghệ SBR (PNSBR) - Nghiên cứu chế độ vận hành ổn định lâu dài mơ hình nitrit hóa bán phần sử dụng cơng nghệ SBR (PNSBR) cách kiểm sốt pH, độ kiềm, FA nồng độ Ammonium cao (NH4+-N = 3.500 - 4.000) - Xác định thông số động học vi khuẩn AOB - Khảo sát ảnh hưởng nồng độ FA khác có nước rỉ rác lên vi khuẩn AOB - Đánh giá khả xử lý COD mơ hình PNSBR  Đối với q trình anammox dịng tuần hồn nội (IC-Internal Circulation) - Khảo sát khả xử lý mơ hình IC tải trọng khác nhau, tìm tải trọng thích hợp (Lt) để vận hành mơ hình đạt hiệu loại bỏ nitơ cao - Xác định thành phần COD (COD có khả phân hủy sinh học, COD khơng có khả phân hủy sinh học, COD phân hủy sinh học nhanh, COD phân hủy sinh học chậm, COD không phân hủy sinh học dạng tan, COD không phân hủy dạng hạt) nước rỉ rác sau mơ hình IC - Khảo sát khả xử lý COD tải trọng Lt - Xác định hoạt tính bùn Anammox (SAA- Specific Anammox Activity) - Định danh vi khuẩn Anammox kỹ thuật PCA đoạn gen 16rDNA - Khảo sát đặc tính bùn hạt Anammox (tốc độ lắng, SVI, kích thước bùn hạt, MLSS, MLVSS) ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Nước rỉ rác cũ từ bãi chôn lấp Gị Cát, huyện Bình Chánh, Tp.HCM - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực sở lý thuyết kiểm nghiệm phịng thí nghiệm khoa Môi trường Tài nguyên – Đại học Bách Khoa TP.HCM TÍNH MỚI Các nghiên cứu công nghệ xử lý nitơ nước rỉ rác cũ chủ yếu nghiên cứu ứng dụng trình nitrat hóa – khử nitrat truyền thống Các nghiên cứu ứng dụng trình sinh học mới, điển hình q trình Anammox cịn hạn chế chưa nghiên cứu rộng rãi Việt Nam Nghiên cứu ứng dụng q trình nitrit hóa bán phần- Anammox để xử lý nitơ nước rỉ rác cũ xem nghiên cứu tiên phong lĩnh vực Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu sở lý thuyết để đánh giá khả thích nghi, sinh trưởng phát triển nhóm vi khuẩn nitrit hóa AOB sử dụng mơ hình PNSBR Anammox sử dụng mơ hình AIC mơi trường nước rỉ rác cũ - Ý nghĩa thực tiễn Kết đề tài sở để triển khai ứng dụng trình Anammox xử lý nước rỉ rác có nồng độ Ammonium cao với chi phí đầu tư vận hành cạnh tranh so với q trình khử nitơ truyền thống (nitrat hóa-khử nitrat) Hơn nữa, kết đề tài làm tiền đề cho việc ứng dụng q trình Anammox sử dụng cơng nghệ IC để xử lý nitơ bãi rác cũ bãi rác CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặc tính nƣớc rỉ rác Nước rỉ rác nước thải ô nhiễm cao phức tạp Hỗn hợp chất ô nhiễm hữu vô cao tìm thấy nước rỉ rác kết q trình sinh học, hóa học vật lý diễn bãi rác mà trình kết hợp thành phần chất thải với chế độ nước bãi rác [3] Thành phần nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tuổi bãi rác, khí hậu, chất chất thải phân hủy thay đổi từ vị trí đến vị trí khác Nước rỉ rác bao gồm bốn thành phần [4] [5]: Các hợp chất hữu bao gồm: chất hữu hòa tan, axit béo dễ bay hợp chất bền nhiệt: axit fulvic, axit humic, Các chất vô cơ: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, Fe2+, Mn2+, Cl-, SO42- HCO3- Kim loại nặng: Cd2+, Cr3+, Cu2+, Pb2+, Ni2+ Zn2+ Các hợp chất hữu xenobiotic gồm: hợp chất vòng thơm, phenol, thuốc trừ sâu, Các hợp chất thường tồn hàm lượng thấp Thành phần nước rỉ rác chứa chất độc chúng xác định thử nghiệm độc học (Vibrio fischeri, Daphania similes, Artemia salina,…) Các chất độc có hại vi sinh vật [1] [5] Các thử nghiệm độc học xác nhận bệnh tiềm ẩn từ nước rỉ rác cần thiết phải xử lý Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước rỉ rác.Tuy nhiên, nhiều yếu tố, tuổi thọ bãi rác yếu tố ảnh hưởng nhiều đến thành phần nước rỉ rác [1] Kulikowska Klimiuk, 2008 [6] đưa liệu cho thấy tuổi thọ bãi rác có ảnh hưởng đáng kể đến hợp chất hữu biến thiên tham số theo thời gian đóng vai trò quan trọng việc quản lý nước rỉ rác Theo [5] phân loại chất gây ô nhiễm thành bốn loại: - Chất hữu (Organic matter – OM): chất hữu hòa tan, hợp chất chịu nhiệt axit béo dễ bay - Thành phần vô vĩ mô: natri, kali, canxi, sắt, magiê, mangan, clorua, sulfat, bicarbonate amoni - Kim loại nặng: cadimi, đồng, chì, … - Chất cộng sinh (Xenobiotics): hợp chất hữu dạng vết phenol thuốc trừ sâu Nói chung, theo mơ hình này, bãi chơn lấp tạo nước thải có diện VFA cao Do đó, nước thải từ bãi rác loại nước thải giàu amoni với phần phân hủy sinh học cao thành phần chất hữu Khi thời gian trơi qua, q trình ổn định kết gia tăng nồng độ amoni giảm phần phân hủy sinh học COD Nước thải sinh giai đoạn cuối gọi nước thải trưởng thành 1.2 Các phƣơng pháp loại bỏ nitơ nƣớc rỉ rác 1.2.1 Tuần hoàn nƣớc rỉ rác 1.2.2 Phƣơng pháp hóa – lý 1.2.3 Tách khí (air-stripping) 1.2.4 Kết tủa 1.2.5 Trao đổi ion 1.2.6 Phƣơng pháp xử lý sinh học truyền thống 1.2.7 Các phƣơng pháp sinh học loại bỏ nitơ Phản ứng trình anammox thể phương trình sau: NH4+ + 1,32 NO2– + 0,066 HCO3– + 0,13 H+  1,02 N2 + 0,26 NO3– + 2,03 H2O + 0,066 CH2O0,5N0,15 (1.7) Từ phương trình 1.7, trình anammox cần đầu vào phù hợp có tỉ lệ nitrit ammonia – 1,32 Để có tỉ lệ đầu vào cần có q trình đứng trước nhằm chuyển nửa ammonia nước thải đầu vào thành nitrit Quá trình sinh học đứng trước đặt tên q trình nitrit hóa bán phần (partial nitritation) Phân loại theo lượng bể sử dụng, ứng dụng trình nitrit hóa bán phần anammox để loại bỏ nitơ chia làm loại: - Q trình nitrit hố bán phần - anammox hai bể phản ứng riêng biệt - Q trình nitrit hố bán phần - anammox bể phản ứng 1.2.7.1 Q trình nitrit hố bán phần q trình anammox hai bể phản ứng riêng biệt 1.2.7.2 Quá trình nitrit hố bán phần q trình anammox bể phản ứng Dựa khái niệm này, số cơng nghệ kết hợp q trình nitrit hóa bán phần – Anammox bể phản ứng nghiên cứu rộng rãi giới CANON (Complete Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite), SNAP (Single- stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation), OLAND (Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification), SNAD (Simultaneous partial Nitrification, Anammox and Denitrification) 1.3 Một số nghiên cứu ứng dụng trình Anammox xử lý nƣớc thải giàu nitơ ngồi nƣớc Tóm tắt nghiên cứu xử lý nước rỉ rác q trình nitrit hóa bán phầnAnammox sau: Bảng 1.1: Các nghiên cứu ứng dụng trình Anammox xử lý nước rỉ rác Loaị bể Thể tích, m3 Ammonium, gNH4+- N/m3 BC - 1.650 RBC RBC RBC FBBR SBR SBR SBR SBR 33 40 0,014 0,036 0,003 384 0,002 0,300 0,4 0,1- 0,4 Nitrit, gNO2N/m3 5,12 - NLR, kgN/m3.ngày EC, mS/cm 1,6(1) (1) 1,5- Tham khảo [183] 11,212,3 (1) [166] 349 1.500(2) 885 1.442 634 1.011 - 5,8 0,93 0,17 0,96 0,50 [24] [144] [56] [172] [170] 80- 120 - 0,444 1,11 [184] 423,3- 618,6 437 7- 617,9 0,40 19,3 [173] Các nghiên cứu cho thấy công nghệ RBC SBR sử dụng nhiều cho trình Anammox xử lý nitơ nước rỉ rác Tuy nhiên số lượng nghiên cứu hạn chế công nghệ cho thấy tải trọng nitơ đầu vào chưa thật cao (chưa thật vượt trội so với cơng nghệ truyền thống) Chính cần nghiên cứu nhiều sâu việc ứng dụng mơ hình thiết kế sử dụng trình Anammox xử lý nitơ nhằm nâng cao tải trọng nitơ đầu vào tải trọng loại bỏ nitơ góp phần đưa q trình Anammox ứng dụng thực tế xử lý nước rỉ rác cho bãi chôn lấp CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NITRIT HĨA BÁN PHẦN – ANAMMOX 2.1 Q trình nitrit hóa bán phần So sánh với q trình loại bỏ nitơ truyền thống (nitrat hóa, khử nitrat), thuận lợi q trình nitrit hóa bán phần nhu cầu oxy thấp (ít 25%), nhu cầu cacbon hữu thấp khơng cần tùy thuộc sau trình khử nitrat Anammox [80] [134] [135] Dựa khái niệm này, trình Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite (SHARON) phát triển trường Đại học Delft, Hà Lan [17] [136] Có nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng đến phản ứng q trình nitrit hóa bán phần số chúng thơng số quan trọng để kiểm sốt q trình nitrit hóa bán phần Điểm quan trọng q trình nitrit hóa bán phần việc tích lũy nitrit ổn định hay khơng 2.2 Q trình Anammox Trên sở tính tốn nhiệt động học [37][185] dự báo tồn vi khuẩn tự dưỡng có khả oxy hóa ammonium nitrat, nitrit: NH4+ + NO2-→ N2 + NO3- + 2H2O ∆G0 = - 357kj/mol (2.1) 5NH4+ + 3NO3- → 4N2 + 2H2O + 2H+ ∆G0 = - 297kj/mol (2.2) 5NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + 2H2O ∆G0 = - 297kj/mol (2.3) Theo đó, q trình Anammox xác định q trình sinh học, ammonium oxy hóa điều kiện kị khí với nitrit yếu tố nhận điện tử để tạo thành nitơ phân tử với tham gia vi khuẩn Anammox [44] [189] Tiếp theo đó, phản ứng Anammox phát nhận dạng vi khuẩn Anammox hệ thống xử lý nước thải nhà khoa học Đức [190], Nhật Bản [191], Thụy Sĩ [192] Bỉ [193] 2.3 Động học trình Động học phương trình mơ tả mối quan hệ yếu tố trình sinh trưởng phát triển vi sinh vật dạng quan hệ tốn học thơng qua thơng số động học Từ nghiên cứu thực nghiệm xác định thơng số động học cho q trình, làm sở cho việc thiết kế hệ thống xử lý thực tế Nghiên cứu sử dụng phương trình Monod để tính tốn thơng số động học vi khuẩn CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu cụ thể luận án trình bày sau: Hình 3.1 Sơ đồ nội dung 12 nước rỉ rác thích hợp cho q trình vận hành mơ hình PNSBR, pH thí nghiệm khơng cần điều chỉnh Mơ hình vận hành dạng mẻ với chu kỳ 73h gồm pha: (1) pha nạp 10 phút, (2) pha phản ứng 72h, (3) pha lắng 40 phút (4) pha xả 10 phút Mô hình xáo trộn hồn tồn pha phản ứng với DO ≥ mg/l Với tỷ số trao đổi thể tích 0,79, thời gian lưu nước HRT 3,85 ngày suốt thí nghiệm Trong suốt q trình thí nghiệm khơng tiến hành xả bùn Vì vậy, thời gian lưu bùn tính dựa vào nồng độ SS đầu (SS = 100 ± 25 mgTSS/l) nồng độ MLSS trì bể phản ứng (MLSS = 3200 ± 70 mgTSS/l, VSS/TSS = 72%) Thời gian lưu bùn thí nghiệm 122 ngày 3.2.3 Thí nghiệm Đánh giá hiệu mơ hình AIC (anammox IC) 3.2.3.1 Mơ hình IC Mơ hình IC làm ống mica hình trụ có đường kính hiệu dụng 90mm, tổng thể tích 13,8 lít với thể tích hiệu dụng 10 lít, chia thành vùng: vùng phản ứng phía chứa nồng độ bùn đậm đặc tích lít xáo trộn dịng tuần hồn dịng xuống; vùng phía nồng độ bùn thấp tích lít Th iết kế dạng bể nhằm mục đích tăng khả tạo hạt, hạn chế tượng bùn pha loãng nồng độ chất đầu vào tránh gây sốc cho vi khuẩn anammox Nước thải bơm từ thùng chứa 450 lít vào đáy mơ hình bơm định lượng với lưu lượng Q = 0,5- l/h hãng pulselder, USA Tại nước thải đầu vào pha lỗng dịng tuần hoàn (Q=1,5 Qđầu vào) bơm định lượng từ đầu mơ hình nước thải qua tầng bùn đậm đặc giúp xáo trộn bùn, khí N2 sinh thu vào phễu thu 13 khí bố trí cuối tầng bùn đậm đặc tầng bùn lỗng Hỗn hợp khí N2, nước thải bùn tách thiết bị tách khí 3.2.3.2 Vật liệu thí nghiệm Nước thải đầu vào Nước rỉ rác sau qua q trình nitrit hóa bán phần SBR cho vào thùng chứa tích 500 lít có tính chất sau: Bảng 3.4 Thành phần nước rỉ rác sau q trình nitrit hóa bán phần Thơng số NH4+-N (mg/L) NO2 N (mg/L) Dãy giá 941-1.949 1.239 -2.168 trị Trung bình 1.479±281 1.706±230 NO3 N (mg/L) Độ kiềm mgCaCO3/L COD (mg/L) pH 441-588 800-1.700 2.237-2.864 7,0 – 7,5 20±13,5 520±58,5 953±215 2.576±178 7,2 ± 0,3 TKN (mg/L) 29-93 Bùn hoạt tính Bùn lấy từ mơ hình HGSS đặt phịng thí nghiệm khoa Mơi Trường– trường Đại học Bách Khoa, Tp Hồ Chí Minh (Mai et al., 2013) Bùn anammox ban đầu bể IC có nồng độ MLSS 13g/L MLVSS 6,5 g/L 3.2.3.3 Điều kiện vận hành Mơ hình vận hành điều kiện kỵ khí nhiệt độ phịng Dịng vào mơ hình nước rỉ rác sau q trình nitrit hóa bán phần Các thơng số cần theo dõi sau: Nồng độ oxy hòa tan DO < 0,5 mg/L, pH = 6,5 – 7,1 Bảng 3.5 Điều kiện vận hành mơ hình IC qua giai đoạn Giai đoạn Thời gian tiến hành (ngày) TNA (mg/L) I II III IV V 28 17 25 17 189 519±13 572±6 809±12 1.300 1.500 NH4+-N: NO2 N 1-1,1 1-1,3 1-1,3 1,3-1,39 1,3-1,35 Tỉ lệ pha loãng 8-10 8-10 5-8 3-5 2-3 Lƣu lƣợng (lít/ ngày) 40 70 74 62 67 HRT (h) Tải trọng (kgN/ m3/ ngày) 6,0 3,4 3,2 3,9 3,6 2,1±0,05 4,0±0,04 6,0±0,08 8,0± 10,0± 14 3.3 Vật liệu phƣơng pháp phân tích 3.3.1 Phân tích hóa học Các phương pháp phân tích sử dụng nghiên cứu để xác định thơng số nước thải phân tích theo APPHA [11] 3.3.2 Phƣơng pháp xác định thông số động học AOB Phương pháp xác định thông số động hộc AOB nghiên cứu tham khảo từ phương pháp Cuidad et al., (2006) [185] 3.3.3 Phƣơng pháp xác định hoạt tính bùn anammox (SAA) Phương pháp xác định hoạt tính bùn anammox (SAA) nghiên cứu tham khảo từ phương pháp Dapena-Mora et al., (2007) [91] 3.3.4 Phƣơng pháp xác định thành phần COD Phương pháp xác thành phần COD nghiên cứu tham khảo từ nghiên cứu Busch (1958) [186] 3.3.5 Phƣơng pháp xác định cộng đồng vi khuẩn anammox Thí nghiệm sinh học phân tử hợp tác thực với Khoa Xây dựng Môi trường, trường đại học Yonsei, Seoul, Hàn Quốc hình Mẫu bùn bể IC thu giữ, bảo quản gửi đến phịng thí nghiệm đại học Yonsei Hàn Quốc nhằm xác định chủng vi khuẩn tồn mơ hình phương pháp sinh học phân tử sau: 3.3.5.1 Kỹ thuật Metagenomics DNA 3.3.5.2 Kỹ thuật FISH CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Nội dung q trình nitrit hóa bán phần ứng dụng cơng nghệ SBR 4.1.1 Thí nghiệm Giai đoạn làm giàu bùn Thí nghiệm thí nghiệm làm giàu bùn AOB mơ hình PN-SBR, thực phần trăm nước rỉ rác thô đầu vào tăng dần từ 13; 27; 41; 53 15 100% Kết biểu diễn hình 4.1 cho thấy diễn biến nồng độ NH4+N đầu vào, tải trọng nitơ xử lý (NLR – nitrogen loading rate) Hình 4.2, 4.3 cho thấy chuyển hóa thành phần nitơ tỷ lệ NO2 N/NH4+-N đầu thí nghiệm Hình 4.1 Nồng độ NH4+-N đầu vào tải trọng nitơ xử lý NLR tỷ lệ nước rỉ rác thơ khác thí nghiệm Hình 4.2 Sự chuyển hóa thành phần nitơ đầu mơ hình PNSBR thí nghiệm Hình 4.3 Diễn biến tỷ lệ NO2-N/NH4+-N đẩu thí nghiệm Trong giai đoạn vận hành hồn tồn nước rỉ rác thơ, hiệu chuyển hóa nitrit đầu đạt 50% ổn định ngày cuối thí nghiệm (từ ngày 301) ngày mơ hình bổ sung thêm độ kiềm bicarbonate vào để đạt 17.000 mgHCO3-/L Từ đó, cho thấy tiền đề để triển khai giai đoạn đánh giá q trình nitrit hóa bán phần nước rỉ rác thô cần bổ sung kiềm để trì hiệu ổn định 16 4.1.2 Thí nghiệm Đánh giá hiệu mơ hình PN-SBR Sau làm giàu bùn thí nghiệm đạt nước rỉ rác thơ 100% đầu vào, thí nghiệm sử dụng bùn từ thí nghiệm để thực nghiên cứu này, 4.1.2.1 Hiệu chuyển hóa nitơ amonium Giai đoạn đánh giá nghiên cứu hoàn toàn nước rỉ rác thơ q trình diễn thành cơng 250 ngày nghiên cứu Mơ hình vận hành với HRT = 3,85 ngày, pH nằm khoảng 7,8 ± 0,2 Kết thấy tỷ lệ NO2 N/NH4+-N dần có xu hướng ổn định, NO2 N/NH4+-N = 1,24 0,05 Quá trình đạt tỷ lệ mong muốn phù hợp với anammox Hình 4.4: Nồng độ ammonium đầu vào tải trọng nitơ xử lý NLR (a); diễn biến thành phần nitơ đầu tỷ lệ NO2-:NH4+ đầu (b) Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình SBR thành cơng việc đạt tỷ lệ mong muốn NO2 N/NH4+-N 1- 1,32 phù hợp cho q trình anammox phía sau 4.1.2.2 Tốc độ chuyển hóa ammonia thấp nhiều so với nghiên cứu Mosquera-Corral cộng (2005) 115 mg NH4+-N/g VSS.h với nước thải nhân tạo [107], nghiên cứu vận hành nồng độ FA cao (FA = 117 mg/l) nước rỉ rác có nhiều chất độc gây ức chế AOB 17 4.1.2.3 Sự bay ammonia Giai đoạn thực nghiệm sử dụng số liệu nghiên cứu ngày có tỷ lệ chuyển hóa đạt yêu cầu (n = 45), nồng độ ammonia bay dao động từ 6,03% – 11,7%, trung bình 7% ± 1,2 thấp so với giai đoạn làm giàu bùn 10% cho thấy sau kiểm sốt chặt chẽ pH giá tỉ lệ bay ammonia thấp Vì vậy, pH nguyên nhân dẫn đến việc bay ammonia 4.1.2.4 Sự tiêu thụ kiềm Nhìn chung độ kiềm có sẵn nước rỉ rác thơ cao gần độ kiềm lý thuyết Vì vậy, giai đoạn nghiên cứu độ kiềm bổ sung vào thấp khoảng 0,6 mg CaCO3/L Lượng tiêu thụ kiềm đạt 6,27 ± 0,57 mg CaCO3/mgN thấp nghiên cứu giai đoạn làm giàu bùn với 100% nước rỉ rác thô đầu vào 8,84 ± 0,5 mg CaCO3/mg NH4+-N, cho thấy pH đầu nghiên cứu kiểm soát khoảng giá trị ổn định hầu hết lớn 7,5 làm giảm lượng chuyển hóa HCO3- sang CO2 Hình 4.5 Độ kiềm đầu vào (a); tỷ lệ HCO3-:NH4+ đầu vào (b) 4.1.2.5 Hiệu chuyển hóa ammonia PN – SBR nồng độ nitơ cao mẻ Trong 72h nồng độ kiềm có giảm dần theo thời gian Từ 0h tới 3h độ kiềm tăng FA cao dẫn đến amonium thất thốt, sau giá trị giảm từ (13.400 – 7.500 mgCaCO3/L) 31h, sau giảm nhanh từ (7.600 – 6.400 mgCaCO3/L), thời điểm 35h giá trị xuống thấp phát triển mạnh VSV AOB tiêu 18 thụ lượng kiềm nhiều, giá trị dần ổn định 2.200 mg/L 72h Trong đó, nồng độ NO3 N sinh không đáng kể giữ 10mg/L Điều chứng tỏ nhóm VSV NOB bị ức chế hồn tồn đồng thời nhóm VSV AOB bể chiếm ưu 4.1.2.6 Sự tiêu thụ độ kiềm mẻ Hình 4.6: Thể tỷ lệ NO2 N/NH4+N pH mẻ phản ứng So với nghiên cứu Huosheng công (2013) điểm dừng pH khoảng 8,17 – 8,19 trình nitrite thành công, SRT = 60 – 80 ngày, tốc độ sục khí 0,8 – 0,16 m /h Điều cho thấy q trình nitrite hóa bán phần thí nghiệm tốt mặt hiệu so với nghiên cứu khác 4.1.2.7 Biến thiên FA FNA chu trình SBR Hình 4.7: Đồ thị thể nồng độ FA FNA mẻ Nồng độ FA tăng pH bể tăng dần, pH = 8,7 ta thấy khả chuyển hóa khơng tăng nhiều điều cho thấy pH lớn FA ức chế lên vi khuẩn AOB khả thích nghi vi khuẩn AOB cao nên hoạt động sử dụng kiềm để chuyển hóa ammonia thành nitrite làm cho pH giảm dần sau Tại cuối FA giảm 89 mg/L nằm ngưỡng 10 – 150 mg/L ức chế AOB 19 4.1.2.8 Đánh giá hiệu xử lý COD Các kết cho thấy có dao động bất thường hiệu loại bỏ COD từ thứ trở thời điểm vi khuẩn xử lý COD bắt đầu bị nhóm vi khuẩn AOB ức chế Hình 4.8: Biểu nồng độ hiệu xử lý COD 4.1.2.9 Thông số động học vi khuẩn AOB nước rỉ rác Tốc độ tiêu thụ oxy riêng lớn SOURmax AOB không khác biệt so với nghiên cứu khác Ứng dụng lớn hệ số SOURmax để tính tốn lượng oxy cần thiết cung cấp cho trình Bảng 4.1 So sánh với nghiên cứu khác Hệ số [1] [2] [3] [4] [5] Ko (mgO2/L) 1,07 0,33 0,99 1,00 0,94 Ks (mgN-NH3/L) 4,93 0,20 0,30 0,68 1,41 0,75 SOURmax (mgO2/mgVSS.h-1) 0,054 0,053 0,069 4.2 Nội dung 2: Q trình anammox ứng dụng cơng nghệ IC 4.2.1 Thí nghiệm Đánh giá hiệu mơ hình AIC 4.2.1.1 Hiệu xử lý nitơ Hiệu suất q trình anammox IC mơ tả hình 4.11 bao gồm thành phần: tải trọng nitơ đầu vào (NLR, kgN/m3/ngày), tải trọng nitơ đầu (NDR, kgN/m3/ngày) hiệu loại bỏ nitơ (%, tính hiệu loại bỏ NH4-N NO2-N) trình bày sau Mặc dù trình làm giàu bùn cho thấy hiệu loại nitơ cao có khả trì ổn định tải trọng đầu vào thay đổi tăng dần từ 20 2,0 ± 0,05; 4,0 ± 0,042; 6,0 ± 0,09; 8,0 ± 0,06 10±0,04 kgN/m /ngày, cần tiến hành kiểm tra số yếu tố thấy phản ứng diễn bể phản ứng anammox Hình 4.9 Diễn biến nồng độ thành phần nitơ q trình thí nghiệm 4.2.1.2 Diễn biến nồng độ MLSS, MLVSS bể Quá trình làm giàu bùn trải qua 87 ngày với diễn biến tăng dần nồng độ MLSS, MLVSS cho thấy khả lưu trữ sinh khối bể IC tốt tầng bùn đậm đặc chịu trách nhiệm cho hiệu xử lý nitơ cao mơ hình Hình 4.10 Nồng độ MLSS (a) nồng độ MLVSS (b) theo chiều cao bể anammox IC tải trọng đầu vào khác 4.2.1.3 Các đặc tính bùn hạt anammox IC Trong mơ hình, bùn hạt khơng có kích thước định mà thay đổi từ 0,5mm đến lớn 3mm Đối với bùn hạt Anammox mơ hình IC, chia thành nhóm: hạt từ 0,5-1mm; hạt từ 1-2mm; hạt từ 2-3mm hạt lớn 3mm 21 Bảng 4.2: Đặc tính bùn hạt phân theo kích thước Đƣờng kính hạt Vận tốc lắng (m/h) Tỷ trọng (g/cm3) Calcium (mg Ca/gVSS) Phosphorus (mg P/gVSS) Tỷ lệ Ca/P Magnesium (mg Mg/ gVSS) Sắt (mg Fe/gVSS) Phân số lượng bố hạt (%) Phân bố khối lượng hạt (%) VSS:SS ratio 0,5 – mm 73 ± 1,05 - 1,06 180 ± 3,97 155 ± 0,70 1,16 9,50 ± 1,81 11,71 ± 0,62 57,59 ± 3,86 35,18 0,63 – mm 104 ± 22 1,06 - 1,07 211 ± 2,83 164 ± 0,25 1,29 24,50 ± 1,70 7,12 ± 0,58 9,48 ± 3,04 16,30 0,61 – mm 287 ± 24 1,08 - 1,09 277 ± 8,30 157 ± 0,27 1,76 41,00 ± 4,97 4,28 ± 0,46 2,23 ± 0,92 22,57 0,61 > mm 355 ± 29 1,09 - 1,10 373 ± 1,48 163 ± 0,34 2,29 58,90 ± 0,89 3,82 ± 0,11 0,84 ± 0,16 25,94 0,51 4.2.1.4 Hoạt tính bùn anammox (SAA) Giá trị SAA có biến đổi đồ thị, giá trị thu có độ tin cậy tương đối cao với kết từ bảng SAA với SAAIC = 0,543 0,034 gN- N2/gVSS/ngày (n = 32) Theo nghiên cứu cho thấy giá trị SAA bùn hạt anammox mơ hình IC cao so với loại bùn anammox nghiên cứu trước mơ hình SBR (Seaglione et al., 2012; Dapena Mora A., 2006; Lotti T., 2012) 4.2.1.5 Cộng đồng vi khuẩn bể anammox IC Sử dụng hình ảnh từ phân tích FISH phần mềm tốn học Matlab® cho thấy vi khuẩn Anammox AOB chiếm khoảng 41,6% 40% Kết gần tương tự với kết phân tích phương pháp Metagenomics DNA (37,45%) Kết phân tích cho thấy đồng tồn vi khuẩn Betaproteobacterial AOBs Điều lý giải điều kiện DO < 0,5 có tồn vi khuẩn AOB, xuất chúng bùn hạt bể IC trơi theo dịng nước rỉ rác cũ đầu bể PNSBR 4.2.1.6 Đánh giá hiệu xử lý COD Sự biến đổi thành phần COD diễn bể phản ứng anammox IC thể sau: 22 Hình 4.11: Sự biến đổi thành phần COD bể phản ứng anammox IC COD đầu q trình nitrit hóa bán phần chủ yếu nbCOD khơng phân hủy sinh học, q trình khử COD dường khơng liên quan đến q trình anammox mà liên quan đến trình khử nitrate vi khuẩn khử nitrate không trực tiếp sử dụng COD khó phân hủy sinh học mà loại vi khuẩn khác phân hủy COD khó phân hủy sinh học (Liang et al., 2008) Có hai chế để khống hóa chất hữu khó phân hủy sinh học: (1) COD khó phân hủy sinh học khống hóa trực tiếp vi khuẩn dị dưỡng; (2) COD khó phân hủy sinh học phân hủy thành COD dễ phân hủy sinh học vi khuẩn dị dưỡng, sau COD dễ phân hủy sinh học sử dụng cho trình khử nitrate (Liang et al., 2008) CHƢƠNG KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN 5.1.1 Đối với q trình nitrit hóa bán phần - Nghiên cứu xác định DO từ – mg/L pH đầu vào 7,3 – 7,5 phù hợp cho q trình nitrit hóa bán phần - Đối với nước rỉ rác cũ, nghiên cứu đạt trình nitrit hóa bán phần HRT 5,78 ngày (NLR 0,66 kg N/m3.ngày) với nồng độ trung bình ammonia đầu vào 3.864 mg/L - FA cao (lên đến 976 mg/L) gây ức chế mạnh lên NOB, làm giảm phần hoạt tính AOB Sự tích lũy NOB FA không xuất bể 23 phản ứng vận hành thời gian dài với phần trăm nồng độ nitrat đầu so với nồng độ ammonia đầu vào nhỏ % - Sự tiêu thụ độ kiềm nghiên cứu (4,01 – 8,16 mg CaCO3/mg NH4+-N) cao giá trị lý thuyết Sự tiêu thụ độ kiềm pH đầu có tương quan nghịch với mức độ tương quan chặt (R2 = 0,759) - Sự bay ammonia xuất vận hành nồng độ ammonia đầu vào cao - Tốc độ tiêu thụ ammonia giảm thời gian lưu bùn lớn 20 ngày 5.1.2 Đối với trình anammox -Để hiệu suất xử lý trình vận hành mơ hình IC tốt, việc kiểm sốt q trình nitrit hóa bán phần phải đạt tỷ lệ NO2 N/NH4+-N thích hợp (NO2 N/NH4+-N = 1-1,32) đồng thời hạn chế NO3 N sinh trước đưa nước thải qua mơ hình IC, quan trọng việc kiểm soát điều kiện pH, DO cách chặt chẽ (pH=6,5-7,2, DO