Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni trong môi trường nước.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Văn Tuyến NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP VỚI SINH KHỐI DẠNG HẠT ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 9440112.05 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Quang Trung TS Trần Hùng Thuận Phản biện: GS.TS Trịnh Văn Tuyên Viện Công nghệ Môi trường - Viện HLKH&CNVN Phản biện: PGS.TS Lê Minh Cầm Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Phản biện: PGS.TS Đoàn Thị Thái Yên Trường Hóa Khoa học sống - ĐHBKHN Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ họp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vào hồi 14 00 ngày 24 tháng 08 năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thư viện Tri thức số, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Amoni chất ô nhiễm phổ biến dòng thải với nguồn gốc phát sinh đa dạng từ nước thải công nghiệp, nông nghiệp tới nước thải sinh hoạt Tuy nhiên, hầu hết hệ thống xử lý sinh học gặp phải vấn đề hiệu xử lý tổng nitơ số loại nước thải có nồng độ amoni (NH4+) cao hàm lượng chất hữu dễ phân hủy sinh học thấp dẫn Khả trì sinh khối vi sinh vật quan trọng tham gia q trình xử lý amoni cơng nghệ thấp Ngồi ra, quy trình cơng nghệ bị hạn chế không ngăn rửa trôi vi khuẩn tự dưỡng (sinh trưởng chậm) nguồn vi sinh cho trình chuyển hóa NH4+-N nhóm vi sinh vật oxy hóa amoni thành nitrit (AOB) oxy hóa nitrit thành nitrat (NOB) Vì vậy, hầu hết cơng nghệ sinh học thông thường phù hợp xử lý nước thải chứa amoni nồng độ thấp Q trình nitrat hóa bán phần (PN) gần qua tâm phù hợp để xử lý nước thải có nồng độ amoni cao có tỷ lệ cacbon/nitơ (C/N) thấp Cơng nghệ giúp giảm 25% lượng cần cho q trình sục khí, giảm 20% lượng CO2 mơi trường khơng khí đem lại hiệu xử lý amoni cao ổn định Công nghệ sử dụng sinh khối dạng hạt chế tạo sở vật liệu polyvinyl alcohol/sodium alginate được ý nhờ có số ưu điểm bật so với trình sinh trưởng lơ lửng như: i) hạn chế rửa trôi sinh khối vi sinh vật tham gia xử lý; ii) vi sinh vật bảo vệ khỏi yếu tố bất lợi từ môi trường nước thải pH, nhiệt độ, chất gây ngộ độc tế bào, iii) tái sử dụng tương đối dễ dàng tách pha lỏng rắn, … từ trì tính ổn định q trình xử lý Gần đây, phương thức bổ sung vật liệu nano graphen oxit vào hỗn hợp chế tạo sinh khối dạng hạt quan tâm nghiên cứu nhằm tăng cường độ bền tính ổn định cho sinh khối dạng hạt Vì vậy, hướng nghiên cứu luận án là: “Nghiên cứu q trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt ứng dụng để xử lý amoni môi trường nước” Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng thông số vận hành nhằm tối ưu hóa hoạt động q trình nitrat hóa bán phần Đồng thời, nghiên cứu khảo sát phát triển sinh khối dạng hạt sở hỗn hợp vật liệu polyvinyl alcohol/natri alginate (PVA/SA) sử dụng GO làm chất gia cường Sinh khối dạng hạt ứng dụng kết hợp với trình PN giúp nâng cao hiệu ứng dụng q trình Đây giải pháp cơng nghệ mới, nhiều tiềm ứng dụng linh hoạt nhiều trình xử lý nước thải điều kiện Việt Nam Mục tiêu Luận án Nghiên cứu q trình nitrat hóa bán phần kết hợp với sinh khối dạng hạt polyvinyl alcohol/natri alginate/graphen oxit (PVA/SA/GO) định hướng ứng dụng cho trình xử lý nước thải có nồng độ amoni cao tỉ lệ carbon/nitơ thấp Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu hoàn thiện quy trình vận hành q trình nitrat hóa bán phần có hiệu xử lý cao ổn định - Nghiên cứu chế tạo sinh khối dạng hạt sở hỗn hợp gel PVA/SA/GO đánh giá đặc trưng tính chất sinh khối dạng hạt - Khảo sát khả xử lý amoni môi trường nước q trình nitrat hóa bán phần kết hợp sinh khối dạng hạt gel PVA/SA/GO Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu chứng minh ưu điểm trình nitrat hóa bán phần so với q trình xử lý sinh học truyền thống xử lý amoni, đặc biệt loại nước thải có nồng độ amoni cao tỉ lệ carbon/nitơ thấp Đồng thời, bổ sung thêm sở khoa học ảnh hưởng thơng số với hành tới q trình nitrat hóa bán phần, góp phần vào việc hồn thiện nâng cao hiệu q trình - Góp phần hồn thiện quy trình chế tạo sinh khối dạng hạt từ PVA/SA/GO với độ bền học tăng cường hỗ trợ tốt cho phát triển vi sinh vật Từ đó, sinh khối dạng hạt ứng dụng việc nâng cao hiệu tính ổn định cho hệ thống xử lý nước thải trình xử lý sinh học - Kết nghiên cứu chứng minh tiềm công nghệ xử lý nước thải có mức độ nhiễm amoni cao tỉ lệ C/N thấp Các thông số khảo sát sử dụng làm sở tham khảo cho nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống xử lý cho đối tượng nước thải nêu Đóng góp luận án - Đã cải tiến quy trình vận hành q trình PN dựa việc kiểm sốt linh hoạt DO, nhiệt độ bể xử lý kết hợp với điều chỉnh nồng độ amoni, độ kiềm nước thải Đồng thời, xây dựng phương trình hồi quy phương pháp RSM nhằm mô tả ảnh hưởng yếu tố (K/A, C/N độ mặn) đến hiệu trình PN xác định điều kiện tối ưu cho trình - Đã chế tạo sinh khối hoạt tính dạng từ hỗn hợp polyvinyl alcohol/natri alginate/graphen oxit (PVA/SA/GO), đánh giá chất chất hóa lý sinh khối hoạt động vi sinh vật cố định sinh khối Sinh khối dạng hạt có hàm lượng GO 100 mg/L đạt độ bền học tốt nhất, thúc đẩy phát triển vi sinh vật cố định Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Q TRÌNH NITRAT HĨA BÁN PHẦN Q trình xử lý sinh học phổ biến ứng dụng để xử lý nitơ amoni nước thải kết hợp q trình nitrat hóa khử nitrat hóa Việc ứng dụng kết hợp hai trình xử lý có số nhược điểm định bao gồm: (1) số chủng vi khuẩn tham gia q trình có tốc độ sinh trưởng chậm, (2) nhu cầu oxy AOB chi phí vận hành chủ yếu chi phí lượng để sục khí, (3) tùy thuộc vào cách bố trí hệ thống phải cần bổ sung nguồn carbon Và để khắc phục vấn đề q trình nitrat hóa bán phần quan tâm Trong q trình oxy hóa amoni dừng lại sản phẩm nitrit nitrit khử trực tiếp vi sinh vật tham gia q trình khử nitrat hóa Nhờ vậy, q trình PN giúp giảm 60% chi phí lượng cho sục khí, giảm 20% lượng CO2 sinh ra, giảm nhu cầu bổ sung carbon hữu cho trình khử nitrat hóa Để q trình nitrat hóa bán phần diễn ra, quan trọng cần phải ngăn bước oxy hóa nitrit thành nitrat, ức chế vi sinh vật NOB, đồng thời không gây ảnh hưởng tới sinh trưởng phát triển vi sinh vật AOB Một số thơng số vận hành ảnh hưởng trực tiếp tới q trình cần kiểm sốt tốt bao gồm: pH, nhiệt độ, nồng độ oxy hóa tan (DO), độ kiềm, nồng độ amoni tự (NH3 FA), nồng độ acid nitrit tự (HNO2 FNA), thời gian lưu thủy lực (HRT) 1.2 SINH KHỐI DẠNG HẠT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI So với công nghệ vi sinh phát triển lơ lửng, sinh khối dạng hạt có ưu điểm sau ứng dụng công nghệ môi trường: - Sinh khối dạng hạt giúp cố định nồng độ vi sinh vật cao với khả hoạt động mạnh chúng bể phản ứng từ làm tăng hiệu xử lý chất ô nhiễm - Lượng bùn sinh thấp giảm chi phí hóa chất cho xử lý bùn - Giúp trình tách pha rắn lỏng hiệu - Có thể lựa chọn cố định loại vi khuẩn thích hợp để xử lý cho loại nước thải công nghiệp cụ thể - Các vi sinh vật bảo vệ khỏi điều kiện khắc nghiệt môi trường pH, nhiệt độ, chất hữu cơ, hợp chất gây độc, vi sinh vật cạnh tranh Lựa chọn vật liệu phù hợp bước quan trọng để chế tạo thành công sinh khối dạng hạt Trong loại vật liệu hữu vô khác nhau, polyvinyl alcohol (PVA) vật liệu hứa hẹn độ độc thấp, tương thích sinh học, hấp thụ chất chi phí sản xuất thấp Tuy nhiên, gel PVA nguyên chất có đặc tính học Do đó, ứng dụng phát triển chúng bị giới hạn cho ứng dụng thời gian dài Gần đây, phương thức bổ sung chất độn kích thước nano vào hỗn hợp thành phần hạt gel cố định sinh học coi cách hiệu để cải thiện độ bền học hạt gel Trong đó, graphen vật liệu tiềm để làm chất độn tỉ trọng thấp tính chất học tốt, tương thích sinh học, độc khơng độc số loài vi khuẩn định 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ NITRAT HĨA BÁN PHẦN KẾT HỢP VỚI SINH KHỐI DẠNG HẠT Quá trình nitrat hóa bán phần nghiên cứu để ứng dụng điều kiện Việt Nam có nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ xử lý nước rỉ rác nước thải chăn ni Cả loại nước thải có số đặc điểm tương đồng nồng độ chất hữu amoni cao, đặc điểm khiến cho việc nghiên cứu ứng dụng q trình nitrat hóa bán phần trở nên phù hợp Trong đó, nghiên cứu công nghệ cố định vi sinh vật tập trung chủ yếu vào sử dụng số loại giá thể chuyển động thương mại có sẵn thị trường Việc chế tạo sinh khối dạng hạt gần bắt đầu quan tâm nghiên cứu Việt Nam, kết bước đầu cho thấy cơng nghệ phù hợp để nghiên cứu ứng dụng điều kiện Việt Nam Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 ĐỐI TƯỢNG Đối tượng nghiên cứu Luận án bao gồm amoni mơi trường nước thải, q trình PN sinh khối dạng hạt chế tạo từ PVA/SA/GO 2.2 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 2.2.1 Hóa chất thí nghiệm Các hóa chất sử dụng cho q trình ni cấy vận hành bể xử lý sinh học bao gồm: glucozo; NH4Cl; NaHCO3 (99,5%) Các hóa chất sử dụng cho trình chế tạo hạt gel cố định sinh khối vi sinh vật bao gồm: Polyvinyl alcohol (Kuraray Co.,ltd Ấn Độ, 98%-100%) Natri alginate (Shanghai Zhanyun Chemical Co., Ltd), boric axit, natri sulfat, canxi clorua (Sigma-Aldrich) 2.2.2 Thiết bị thí nghiệm Máy đo quang phổ UV-Vis đa tiêu DR6000-Hach, máy đo DO YSI5000-230V Daihan, thiết bị quang phổ hồng ngoại biến đổi FTIR-Thermo Nicolet iS20, thiết bị đo diện tích bề mặt BET NOVAtouch LX4 analyzer (Quantachrome Instruments, Mỹ), kính hiển vi điện tử quét – SEM, Hitachi TM – 4000 (Nhật) 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu Hình 2.1 Các bước nghiên cứu luận án 2.3.2 Nghiên cứu hồn thiện quy trình vận hành q trình PN 2.3.2.1 Bùn hoạt tính Bùn hoạt tính lấy từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt quy mơ phịng thí nghiệm trung tâm Cơng nghệ Vật liệu - Viện Ứng dụng Cơng nghệ Bùn có màu nâu sáng, khả lắng tốt với số thể tích bùn (SVI) 135 Nồng độ chất rắn lơ lửng bùn hoạt tính (MLSS) sau làm 6400 mg/L, với nồng độ chất rắn lơ lửng bay (MLVSS) tương ứng 5600 mg/L, tương đương với tỉ lệ MLVSS/MLSS 87,5% 2.3.2.2 Nước thải giả lập Nước thải giả lập chuẩn bị sẵn với nồng độ tiêu chính phụ thuộc vào thí nghiệm NH4Cl, glucose, NaHCO3 hóa chất sử dụng để đạt giá trị NH4+-N, COD độ kiềm Bên cạnh nước thải bổ sung số chất dinh dưỡng vi lượng 2.3.2.3 Mơ hình hệ thống xử lý quy mơ phịng thí nghiệm Hình 2.2 Bể xử lý sinh học quy mơ phịng thí nghiệm Bể xử lý quy mơ phịng thí nghiệm thiết kế với dung tích làm việc 5L Bể bố trí thiết bị khuấy trộn, hệ thống đĩa sục khí thiết bị bơm nước vào bơm nước khỏi bể xử lý, 2.3.2.6 Quy hoạch thực nghiệm xác định chế độ tối ưu để vận hành q trình nitrat hóa bán phần Luận án tiến hành tối ưu hóa trình PN với biến độc lập C/N, K/A độ mặn Để xác định giá trị tối ưu yếu tố, phương pháp Box – Behnken (BBD – RSM) áp dụng Lượng sinh khối sử dụng bể xử lý tương tự vận hành đồng thời tương ứng với thông số vận hành theo kế hoạch thực nghiệm gồm 17 thí nghiệm 2.3.3 Nghiên cứu chế tạo sinh khối dạng hạt sở hỗn hợp gel polyvinyl alcohol/natri alginate/graphen oxit 2.3.3.1 Phương pháp chế tạo sinh khối dạng hạt sở PVA/SA/GO Hạt gel chế tạo trực tiếp phịng thí nghiệm phương pháp boric axit Một dung dịch polyme gồm 13% PVA 2% SA pha nước hấp 121oC 20 phút Thể tích khác dung dịch GO gốc (1,5 g/L) đưa vào hỗn hợp PVA-SA trộn với bùn hoạt tính Hỗn hợp đồng nhỏ giọt vào dung dịch B(OH)3 CaCl2 2% khuấy trộn liên tục máy khuấy từ tốc độ 200 vòng/phút để tạo thành hạt hình cầu ngâm kết hợp khuấy nhẹ nhàng 100 vịng/phút Sau đó, hạt chuyển sang dung dịch natri sunfat 0,5M ngâm Cuối cùng, hạt gel làm bảo quản 4oC nước cất 2.3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng GO tới tính chất hóa lý sinh khối dạng hạt PVA/SA Các thể tích khác GO sử dụng để thu hỗn hợp gel có hàm lượng GO mg/L (GO1); 0,01 mg/L (GO2); 0,1 mg/L (GO3); mg/L (GO4); 10 mg/L (GO5); 100 mg/L (GO6) mg/L 11 Các tiêu sử dụng để khảo sát đánh giá tính chất hóa lý sinh khối dạng hạt bao gồm: hình thái hạt gel (SF), tỉ lệ trương nở (SR), độ bền học, độ bền nén, FTIR, SEM, BET 2.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng GO tới hoạt động vi sinh vật cố định sinh khối dạng hạt Các loại hạt gel từ GO1 đến GO6 tiếp tục đánh giá thông qua tốc độ hấp thu oxy - oxygen uptake rate (OUR), hiệu giảm COD amoni bể xử lý sinh học bể xử lý dung tích 5L sử dụng 15 ngày 2.3.4 Khảo sát khả xử lý amoni mơi trường nước q trình nitrat hóa bán phần kết hợp sinh khối dạng hạt gel PVA/SA/GO 2.3.4.1 Đánh giá hiệu trình PN sau vi sinh vật cố định sinh khối dạng hạt gel PVA/SA/GO Quy trình chế tạo sinh khối dạng hạt GO1 GO6 sử dụng để cố định sinh khối vi sinh vật PN làm giàu từ thí nghiệm trước Các hạt sinh khối sau thử nghiệm bể xử lý dung tích 5L (Hình 2.2) Thí nghiệm diễn thời gian 60 ngày Các bể xử lý vận hành theo mẻ, thời gian mẻ Thành phần nước thải tương tự mô tả Bảng 2.3 (giai đoạn 3) điều kiện tối ưu khảo sát Nước thải trước sau xử lý thu thập hàng ngày để phân tích tiêu 2.3.4.2 Nghiên cứu ứng dụng sinh khối dạng hạt gel chế tạo để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas Nguồn nước thải sử dụng nghiên cứu lấy từ nước thải sau hầm biogas hộ chăn nuôi có quy mơ 200 huyện Thanh Trì, Hà Nội Thơng số nước thải bao gồm: COD 12 973±211 mg/L, NH4+-N 379,59±65,66 mg/L, độ kiềm 2768±580 mgCaCO3/L 2.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 2.4.1 Phương pháp phân tích chất lượng nước Các tiêu ô nhiễm nước thải phân tích theo phương pháp tiêu chuẩn công bố Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, Eaton DA, and AWWA) phương pháp theo TCVN hành 2.4.2 Phương pháp đánh giá tính chất hóa lý sinh khối dạng hạt Độ trịn hạt gel Tính tốn độ trịn hạt (sphericity factor (SF)) theo công thức (1) 𝑆𝐹 = 𝑑𝑚𝑎𝑥 − 𝑑𝑚𝑖𝑛 𝑑𝑚𝑎𝑥 + 𝑑𝑚𝑖𝑛 [1] Trong dmax đường kính tối đa hạt dmin đường kính tối thiểu Tỷ lệ trương nở Tỷ lệ trương nở (Swelling ratio-SR) hạt tính theo phương trình sau [78]: 𝑆𝑅 = 𝑉𝑡 − 𝑉𝑜 100% 𝑉𝑜 [2] Trong V0 Vt thể tích hạt vào ngày ngâm nước ngày cuối ngâm Độ bền học Một cốc 500 ml, chứa 100 hạt sinh khối 100 ml nước cất khuấy tốc độ 1000 vòng/phút thời gian 10 phút ml dung dịch sau khuấy thu thập để phân tích COD theo phương 13 pháp tiêu chuẩn làm sở để đánh giá độ bền sinh khối dạng hạt Độ bền nén Các hạt sinh khối khác tương ứng với hàm lượng GO kiểm tra độ bền nén máy thử nghiệm đa Instron (serie 6900) Thiết bị thử nghiệm trang bị cảm biến tải trọng giúp ghi nhận thay đổi lực nén hạt sinh khối bị phá vỡ lực nén Tồn q trình điều khiển thiết bị thực qua phần mềm Instron - Bluehill®2 Phần mềm giúp ghi nhận liệu lực nén thay đổi kích thước sinh khối dạng hạt từ tự động tính tốn suất đàn hồi (mơ đun Young) sinh khối Phân tích hình thái, cấu trúc hóa học, diện tích bề mặt riêng phân bố kích thước lỗ rỗng Hình thái bề mặt hình ảnh mặt cắt hạt gel quan sát kính hiển vi điện tử quét TM-4000 (SEM) 15kV Các nhóm chức PVA tinh khiết, SA tinh khiết hỗn hợp PVA/SA/GO xác nhận máy quang phổ hồng ngoại biến đổi FTIR Diện tích bề mặt riêng phân kích thước lỗ hạt gel phân tích quy trình Brunauer – Emmett – Teller (BET) Tốc độ hấp thu oxy - oxygen uptake rate (OUR)Sự biến thiên DO theo dõi liên tục theo thời gian thực biểu diễn dạng đường cong DO-t Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 HOÀN THIỆN QUY TRÌNH VẬN HÀNH Q TRÌNH NITRAT HĨA BÁN PHẦN 3.1.1 Các thông số vận hành ảnh hưởng tới giai đoạn thích nghi q trình PN 14 Ở nồng độ amoni từ 50-150 mgN/L, nhiệt độ 32oC giúp cho vi sinh vật AOB phát triển ổn định so với nhiệt độ trung bình 26oC Ở giá trị amoni 200 mgN/L, nhiệt độ vận hành cao hạn chế q trình PN Trong đó, K/A mức 2,5 đến 1,68 cho kết tốt với việc trì đồng thời giá trị NAR ARE cao 3.1.2 Ảnh hưởng thông số vận hành khác tới trình PN Quy trình vận hành theo giai đoạn giới thiệu nghiên cứu thành cơng việc đẩy mạnh thích nghi thúc đẩy trình PN nhờ việc kiểm sốt đồng thời nhiều thơng số vận hành chủ yếu nhiệt độ, DO, tỉ lệ K/A HRT Tỉ lệ NAR cao đạt 93,27% Hình 3.12 Kết theo dõi tỉ lệ tiêu thụ kiềm hiệu suất xử lý amoni 3.1.3 Tối ưu hóa thơng số vận hành cho q trình PN Dựa kết thí nghiệm với ma trận thực nghiệm thiết kế mối liên hệ yếu tố (C/N, độ mặn, K/A) với hàm mục tiêu ARE NAR xây dựng mô hình hồi quy bậc sau: 15 ARE = -16.63699 + 84,00678*K/A + 14,25014*C/N + 4,67779*Độ mặn - 1,69259*K/A*C/N – 0,724667*K/A*Độ mặn + 0,365926*C/N*Độ mặn – 16,23600*K/A2 – 5,13388*C/N2 – 0,378604*Độ mặn2 NAR = -116.77938 + 199,36833*K/A + 6,18940*C/N – 0,555463*Độ mặn – 4,07778*K/A*C/N + 1,09533*K/A*Độ mặn – 0,047901*C/N*Độ mặn – 47,56000*K/A2 + 0,278464*C/N2 – 0,118444*Độ mặn2 Điểm tối ưu lựa chọn từ phương trình tương ứng với giá trị vận hành cụ thể sau: tỉ lệ C/N 0,84; tỉ lệ K/A 2; độ mặn 5,5 g/L Với thông số trên, mơ hình dự báo giá trị ARE NAR đạt 99,931% 95,452% Kết kiểm chứng điều kiện vận hành phù hợp với kết dự đoán RSM, điều xác minh tính hợp lệ mơ hình 3.2 CHẾ TẠO SINH KHỐI DẠNG HẠT BẰNG HỖN HỢP GEL POLYVINYL ALCOHOL/NATRI ALGINATE/GRAPHEN OXIT 3.2.1 Ảnh hưởng GO tới tính chất lý sinh khối dạng hạt 3.2.1.1 Ảnh hưởng hàm lượng GO tới hình thái sinh khối Khơng có chứng rõ ràng ảnh hưởng hàm lượng GO tới hình dáng sinh khối dạng hạt chế tạo 3.2.1.2 Ảnh hưởng hàm lượng GO tới độ trương nở sinh khối dạng hạt Giá trị SR hạt GO3 lớn với giá trị 324,67±3,3% Tuy nhiên, giá trị SR bắt đầu giảm hàm lượng GO tăng từ 0,1 đến 100mg/L SR hạt gel GO6 thấp tương 231±2,16%, thấp 1,35 lần so với GO1 (313±2,94) Như vậy, GO có khả ảnh hưởng tới độ trương nở hạt gel môi trường nước Độ 16 trương nở cao, độ bền học sinh khối mơi trường nước thấp Hình 3.20 SF loại sinh khối dạng hạt có hàm lượng GO khác Hình 3.22 SR loại sinh khối dạng hạt có nồng độ GO khác 17 3.2.1.3 Ảnh hưởng hàm lượng GO độ bền học Độ bền học tăng hàm lượng GO tăng từ lên 100 mg/L Độ bền học cao đo sinh khối dạng hạt GO6 tương ứng với giá trị COD thấp đo sau khuấy trộn 34,33±1,7 mg/L Hình 3.23 Độ bền học sinh khối dạng hạt nồng độ GO khác 3.2.1.4 Ảnh hưởng hàm lượng GO tới độ bền nén hạt gel Lực nén tối đa hạt gel tăng hàm lượng GO hạt gel tăng lên Hạt gel GO6 đạt lực nén tối đa cao (8,01 N) so với 2,1 N hạt gel GO1 Hình 3.24 Độ bền học sinh khối dạng hạt nồng độ GO khác 18 Ngược lại, tỉ lệ biến dạng hạt gel bị giảm hàm lượng GO tăng Sự biến dạng GO6 (80%) thấp đáng kể so với GO1 (90%) Các hạt bổ sung GO cứng độ đàn hồi thấp so với hạt gel khơng có GO (GO1) Như vậy, việc sử dụng GO làm chất gia cường giúp hạn chế trương nở sinh khối môi trường nước, từ độ bền học độ bền nén cải thiện đáng kể GO có chứa nhiều nhóm -COOH -OH hình thành liên kết hydro với đại phân tử PVA Chính tương tác hạn chế hấp thụ nước sinh khối dạng hạt môi trường nước thải giúp cho hạt GO6 có giá trị SR thấp so với GO1 đạt độ bền học cao quan sát nghiên cứu số nghiên cứu cơng bố khác Sự tương thích PVA nano GO cịn lý giúp cho độ bền học hạt PVA/SA/GO cao với hạt PVA/SA không GO nhờ khả phân tán lực tốt PVA nano GO 3.2.2 Ảnh hưởng GO tới hoạt tính sinh học sinh khối dạng hạt 3.2.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng GO tới tốc độ tiêu thụ oxy sinh khối dạng hạt Hình 3.30 Đường cong DO-t hạt gel từ GO1 đến GO6 19 Giá trị OUR sinh khối dạng hạt GO6 cao so với hạt GO1 cho thấy vi sinh vật cố định GO6 hoạt động mạnh Đồng thời, hàm lượng GO 100 mg/L không gây ảnh hưởng tới hoạt động vi sinh vật cố định 3.2.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng GO tới khả xử lý COD NH4+-N Các bể sử dụng sinh khối dạng hạt GO5 GO6 lại đạt hiệu xử lý tốt so với bể lại Hiệu qủa làm giảm COD amoni cao hạt GO5 với giá trị 93,55% 88,61% Kết cho thấy, hoạt động vi sinh vật cố định sinh khối dạng hạt gel GO5 GO6 mạnh so với loại gel cịn lại Điều giải thích khả kích thích hoạt động vi sinh vật khả cung cấp nhiều diện tích để vi sinh vật bám dính, sinh trưởng dễ dàng tiếp xúc với nguồn chất Bên cạnh đó, với gia tăng hàm lượng GO, giá trị độ dẫn điện sinh khối dạng tăng lên hiệu ứng vận chuyển nhóm oxy ion GO làm rút ngắn đáng kể đường vận chuyển ion làm giảm điện trở bên sinh khối dạng hạt Hình 3.31 Hiệu xử lý sinh khối dạng hạt từ GO1 đến GO6 20 Như vậy, hàm lượng GO 100 mg/L sinh khối dạng hạt GO6 lựa chọn nồng độ phù hợp Với nồng độ này, sinh khối dạng hạt vừa đạt độ bền học tốt, vừa hỗ trợ cho phát triển vi sinh vật 3.3 KHẢ NĂNG XỬ LÝ AMONI CỦA Q TRÌNH NITRAT HĨA BÁN PHẦN BẰNG SINH KHỐI DẠNG HẠT GEL POLYVINYL ALCOHOL/NATRI ALGINATE/GRAPHEN OXIT 3.3.1 Hiệu xử lý với mẫu nước thải giả lập Ở bể sử dụng sinh khối dạng hạt GO1, giá trị NAR tăng từ 85.58% ngày thứ lên mức 96,93% ngày thí nghiệm cuối Bể sử dụng gel GO6 cho thấy khả thích nghi nhanh vi sinh vật với tỉ lệ NAR 84,33% ngày đầu thí nghiệm đạt 97,7% ngày cuối thí nghiệm Nhìn chung, bể xử lý cho thấy xu tăng NAR q trình thí nghiệm cho thấy q trình PN diễn tốt thời gian thí nghiệm Tuy nhiên, hạt gel GO6 cho thấy khả trì vận hành ổn định so với GO1 nhờ ổn định tính chất hạt GO6 Sau 60 ngày, hạt GO6 giữ cấu trúc ổn định, hạt gel có màu nâu đậm số lượng hạt gel bị phá vỡ khơng đáng kể Hình 3.33 Kết theo dõi ARE NAR bể GO1 GO6 21 3.3.2 Hiệu xử lý với mẫu nước thải chăn nuôi lợn sau biogas Giá trị ARE ngày đầu thí nghiệm với mẫu nước thải chăn nuôi lợn sau biogas đạt 55,68% tăng lên mức 73,31% sau ngày vận hành tương ứng nồng độ amoni nước sau xử lý giảm từ 316,98 mgN/L xuống 190,52 mgN/L Với nồng độ amoni đầu vào dao động khoảng từ 267,47 mgN/L đến 481,16 mgN/L giai đoạn lại, giá trị ARE cao đạt 94,53% tỉ lệ NAR đạt mức cao 96,08% Với thời gian vận hành 36 ngày, hạt gel giữ hình dáng tính chất ngun vẹn, số lượng hạt gel bị vỡ trình vận hành khơng đáng kể Như vậy, q trình PN kết hợp với cố định sinh khối dạng hạt gel hoàn toàn có tiềm để ứng dụng việc xử lý nước thải chăn ni Hình 3.38 Kết theo dõi ARE NAR bể GO1 GO6 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua trình nghiên cứu, luận án thu số kết sau: 22 - Đã hồn thiện quy trình vận hành q trình PN dựa việc kiểm sốt điều chỉnh đồng thời thông số vận hành bao gồm: DO (0,5 - mg/L), nhiệt độ xung quanh, pH (7-8), FA, FNA, nồng độ NH4+-N đầu vào (50 - 1000 mgN/), K/A (2) HRT (8 -16 giờ) Việc kiểm soát chia thành giai đoạn với vai trò khác gồm tạo điều kiện thích nghi thúc đẩy phát triển vi sinh vật AOB Quá trình PN quan sát sau 17 ngày vận hành với giá trị NAR ban đầu 16,87% đạt cao 93,27% nồng độ NH4+-N đầu vào 1000 mgN/L giai đoạn Giá trị ARE cao đạt 98,94% - Đã ứng dụng phương pháp BBD-RSM để lựa chọn thông số vận hành tối ưu cho trình PN bao gồm tỷ lệ K/A 2, C/N 0,84, độ mặn 5,5 mg/L Kết chạy kiểm tra thu ARE tối đa 99,93% NAR 95,42%, cao so với kết thu trình vận hành thông thường Những kết cho thấy phù hợp mơ hình dự báo với q trình vận hành thực tế - Đã chế tạo sinh khối dạng hạt sở PVA/SA/GO Sinh khối có hàm lượng GO 100 mg/L đạt độ bền học độ bền nén tốt ứng với độ trương nở thấp (231±2,16) Việc bổ sung GO giúp cải thiện hiệu xử lý ô COD amoni vi sinh vật sinh khối dạng hạt - Bước đầu ứng dụng trình PN sinh khối dạng hạt ứng dụng xử lý amoni Quá trình PN đạt giá trị ARE NAR cao ổn định, 99,51% 97,7% thử nghiệm với nước thải giả lập Với mẫu nước thải chăn nuôi lợn sau biogas, giá trị ARE NAR đạt 87,48±4,5% 91,65±3,9% Trong hai trường hợp, sinh khối dạng hạt trì cấu trúc ổn định giúp hệ thống vận hành tốt điều kiện nước thải đầu vào 23 có tính chất biến động Kiến nghị Q trình PN kết hợp với sinh khối dạng hạt chế tạo PVA/SA/GO có tiềm ứng dụng nhiều loại nước thải khác có nồng độ amoni cao tỉ lệ C/N thấp nước rỉ rác, nước thải giết mổ,… Vì vậy, nghiên cứu thử nghiệm, khảo sát việc thích nghi vận hành trình PN đối tượng nước thải nhằm nâng cao hiệu trình Đồng thời, mở rộng phạm vi áp dụng cơng nghệ, góp phần vào việc bảo vệ mơi trường tự nhiên 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Tuyen-Nguyen Van, JaeHoon Ryu, Huyngu Kim, Daehee Ahn (2020), “Anammox bacteria immobilization using polyvinyl alcohol/natri alginate crosslinked with natri sulfate”, Journal of Environmental Engineering 146(4), 04020020 Nguyễn Văn Tuyến, Đỗ Quang trung, Hà Hải Nam, Nguyễn Thị Huệ, Trần Hùng Thuận, Chu Xuân Quang (2021), “Nghiên cứu khởi động đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ tới trình nitrat hóa bán phần xử lý nồng độ amoni cao nước thải”, Tạp chí phân tích hóa, lý sinh học 26, 160-169 Nguyễn Văn Tuyến, Trần Hùng Thuận, Đỗ Quang Trung (2022), “Nghiên cứu cải thiện tính giá thể polyvinyl alcohol/natri alginate ứng dụng để cố định sinh khối vi sinh vật”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân 78, 93-100 Nguyen Van Tuyen, Tran Hung Thuan, Do Quang Trung (2022), “An integrated partial nitrification-denitrification process for swine wastewater treatment” International conference: Towards net zero emissions: Policy and practice ISBN: 978-604-357-082-3, 225-236 Tuyen-Nguyen Van, Trung-Do Quang, Quang-Chu Xuan, Hyungu Kim, Daehee Ahn, Tuong Manh Nguyen, Myoung-Jin Um, D Duc Nguyen, Duong Duc La, Thuan-Tran Hung (2022), “Applying response surface methodology to optimize partial nitrification in sequence batch reactor treating salinity wastewater”, Science of the Total Environment 862, 160802 Tuyen-Nguyen Van, Trung-Do Quang, Thuan-Tran Hung, Quang-Chu Xuan, Tuan-Hoang Van, Huyngu Kim, Daehee Ahn (2023), “Enhancing mechanical properties of polyvinyl alcohol/natri alginate gel beads by graphene oxide for the aerobic sludge immobilization in wastewater treatment”, Environmental engineering research 28(5), 220403 25