ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ VÀ DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI Ở GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG CỦA HỆ ANMBBR

Có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước thải giàu thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhưng với những ưu điểm tiết kiệm về kinh phí, xử lý hiệu quả nước thải mà không mang lại ảnh hư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

Nguyễn Xuân Thị Lam

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ VÀ DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI

Ở GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG CỦA HỆ ANMBBR

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành Khoa học môi trường (Chương trình đào tạo Chuẩn)

Hà Nội - 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ VÀ DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI

Ở GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG CỦA HỆ ANMBBR

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành Khoa học môi trường

(Chương trình đào tạo Chuẩn)

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hà

TS Nguyễn Trường Quân

Hà Nội - 2022

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Thị Hà – Bộ môn Công nghệ môi trường, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trường Quân – Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho em những lời khuyên, luôn quan tâm và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập Với vốn kiến thức tiếp thu được trong quá trình học là hành trang quý báu để em hoàn thiện kỹ năng thực hiện khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã khuyến khích

và hỗ trợ em trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2022

Sinh viên

Nguyễn Xuân Thị Lam

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT i

DANH MỤC BẢNG ii

DANH MỤC HÌNH iii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải 3

1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải 3

1.1.2 Đặc tính của nước thải giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng 5

1.1.3 Nguy cơ gây ô nhiễm của nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng 6

1.2 Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí 7

1.2.1 Giới thiệu công nghệ AnMBBR 7

1.2.2 Quá trình phân hủy yếm khí 8

1.2.3 Giới thiệu công nghệ màng sinh học 11

1.2.4 Một số công nghệ xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng 15

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 19

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 19

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 19

2.2 Phương pháp nghiên cứu 19

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 19

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 20

2.2.3 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 23

2.2.4 Phương pháp phân tích 25

2.2.5 Hóa chất và thiết bị 26

2.2.6 Phương pháp xử lý và đánh giá số liệu 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Kết quả tự pha nước thải nhân tạo 28

3.2 Kết quả đánh giá hiệu suất xử lý của COD, TN, N-NH 4+, TP ở tải trọng 2 gCOD/l ngày 28

3.3 Kết quả đánh giá hiệu suất xử lý của COD, TN, N-NH 4+, TP ở tải trọng 4 g COD/l.ngày 33

3.4 Nhận xét và đánh giá kết quả 38

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn 3

Bảng 2 Đặc trưng một số vật liệu mang vi sinh trong kĩ thuật yếm khí 12

Bảng 3 Lịch lấy mẫu của hệ thí nghiệm 24

Bảng 4 Giá trị các chất ô nhiễm đo được trong nước thải nhân tạo 28

Bảng 5 Giá trị đầu ra và hiệu quả xử lý ở tải trọng 2 g COD/l.ngày 39

Bảng 6 Giá trị đầu ra và hiệu quả xử lý ở tải trọng 4 g COD/l.ngày 40

Bảng 7 Tỷ lệ nồng độ đường chuẩn Nitơ 57

Bảng 8 Tỷ lệ nồng độ đường chuẩn Photpho 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí 9

Hình 2 Một số vật liệu mang vi sinh thường dùng 13

Hình 3 Hình ảnh vật liệu mang vi sinh PE sử dụng trong thí nghiệm 20

Hình 4 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm AnMBBR 21

Hình 5 Hệ thí nghiệm AnMBBR với vật liệu mang PE 22

Hình 6 Hiệu suất xử lý thành phần hữu cơ (theo COD tổng) 29

Hình 7 Hiệu suất xử lý thành phần hữu cơ (theo COD hòa tan) 29

Hình 8 Hiệu suất xử lý thành phần nitơ (theo TN) 31

Hình 9 Hiệu suất xử lý thành phần nitơ (theo N-NH4+) 32

Hình 10 Hiệu suất xử lý thành phần photpho (theo TP) 32

Hình 11 Hiệu suất xử lý thành phần hữu cơ (theo COD tổng) 34

Hình 12 Hiệu suất xử lý thành phần hữu cơ (theo COD hòa tan) 34

Hình 13 Hiệu suất xử lý thành phần nitơ (theo TN) 36

Hình 14 Hiệu suất xử lý thành phần nitơ (theo N-NH4+) 36

Hình 15 Hiệu suất xử lý thành phần photpho (theo TP) 37

Hình 16 Hiệu suất xử lý thành phần hữu cơ (theo COD tổng) 41

Hình 17 Hiệu suất xử lý thành phần hữu cơ (theo COD hòa tan) 41

Hình 18 Hiệu suất xử lý của thành phần nitơ (theo TN) 42

Hình 19 Hiệu suất xử lý của thành phần nitơ (theo N-NH4+) 42

Hình 20 Hiệu suất xử lý của thành phần photpho (theo TP) 43

Hình 21 Dung dịch chuẩn COD theo từng nồng độ 55

Hình 22 Dung dịch chuẩn photpho theo từng nồng độ 59

ô nhiễm môi trường nặng nề, sức khỏe của con người cũng bị ảnh hưởng

Nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng là loại nước thải có nhiều cặn, nitơ, phốt pho và vi sinh vật, các giá trị COD, TN, TP, SS và coliform trong loại nước thải này cũng rất cao Nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng là vấn đề ô nhiễm môi trường được quan tâm bởi tải trọng phát thải lớn và vấn đề cạn kiệt oxy trong nước khiến không chỉ làm chết các sinh vật, mất cảnh quan, mất cân bằng sinh thái mà còn tạo ra mùi hôi thối khó chịu Vì vậy, việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp và hiệu quả đối với nước thải giàu hữu cơ là rất quan trọng

và cần thiết hiện nay

Có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước thải giàu thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhưng với những ưu điểm tiết kiệm về kinh phí, xử lý hiệu quả nước thải mà không mang lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi đến môi trường thì các biện pháp xử lý sinh học đang được quan tâm hơn cả Một trong những công nghệ sinh học đã và đang được nghiên cứu và áp dụng vào xử lý nước thải hiện nay là công nghệ yếm khí vật liệu mang vi sinh chuyển động AnMBBR Công nghệ vi sinh gắn trên vật liệu mang giúp hình thành màng sinh học, cho thấy tiềm năng trong việc tận dụng được nguồn dinh dưỡng và phân giải các chất Một số nghiên cứu đã cho thấy khả năng xử lý nước thải bằng vi sinh vật đã cho hiệu quả khá cao trong quá trình xử lý

Để hiểu rõ hơn về công nghệ xử lý yếm khí MBBR và các giai đoạn vận hành, khóa luận đã nghiên cứu và đánh giá hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm

chính trong nước thải ở giai đoạn khởi động của hệ AnMBBR quy mô phòng

thí nghiệm với tên đề tài: “Đánh giá hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải ở giai đoạn khởi động của hệ AnMBBR”

Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá được hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ

(theo COD) và dinh dưỡng (theo TN, N-NH4+ và TP) trong nước thải ở giai đoạn khởi động của hệ AnMBBR làm cơ sở tối ưu điều kiện vận hành hệ thống

xử lý

Nội dung nghiên cứu:

1 Tổng quan tài liệu về hiện trạng và đặc tính của nước thải giàu thành phần hữu cơ và dinh dưỡng

2 Khảo sát và đánh giá khả năng xử lý thành phần hữu cơ (COD) và dinh dưỡng (TN, N-NH4+ và TP) trong nước thải ở giai đoạn khởi động của hệ yếm khí giá thể vi sinh chuyển động AnMBBR sử dụng vật liệu mang polyethylene

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải

1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải

Nước thải giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng được thấy ở nhiều ngành nghề khác nhau như chăn nuôi, sản xuất mía đường, tinh bột sắn, tinh bột dong riềng, chế biến thủy hải sản, … Mức độ ô nhiễm giữa các ngành nghề phát thải cũng

có sự khác nhau Trong số đó thì ngành chăn nuôi đóng góp một lượng nước thải và mức độ ô nhiễm vào môi trường rất lớn Giá trị COD trong nước thải của các ngành thường khoảng 2000 mg/l nhưng có khi cao gấp nhiều lần như trong nước thải chăn nuôi được thể hiện ở Bảng 1 dưới đây:

Bảng 1 Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn

(Nguồn: Nguyễn Trường Quân, 2021)

Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi trong nước đã có những biến động về tốc độ phát triển, phương thức sản xuất, phân bố địa bàn đồng thời xuất

hiện nhiều nhân tố gây bất ổn như ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, nhiều dịch bệnh mới và vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm, Phát triển hình thức chăn nuôi theo hướng tập trung và chuyên môn hóa cao là một trong những nội dung quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa sản xuất nông nghiệp của nước ta trong thời kì phát triển mới Theo báo cáo của Tổng cục Thống kê, sản lượng thịt trâu hơi xuất chuồng năm 2020 đạt 96,7 nghìn tấn, tăng 2,2 nghìn tấn

so với năm 2019; sản lượng thịt lợn hơi xuất chuồng đạt 3.550,1 nghìn tấn, tăng 221,3 nghìn tấn [13] Ngành chăn nuôi có những bước chuyển dịch rõ ràng, chuyển dần từ chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán sang phát triển chăn nuôi tập trung theo mô hình trang trại, gia trại xa thành phố, khu dân cư giảm thiểu tình trạng

ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, quy mô chăn nuôi nhỏ lẻ tại các hộ gia đình hiện vẫn chiếm tỷ trọng lớn khoảng 65 – 70% về số lượng và sản lượng Nhìn chung, ngành chăn nuôi Việt Nam trong những năm gần đây duy trì được sự phát triển ổn định và có những bước chuyển dịch phù hợp với xu hướng thế giới [11]

Chất thải chăn nuôi là một tập hợp bao gồm các chất ở dạng rắn, lỏng, khí phát sinh trong quá trình chăn nuôi, lưu trữ, chế biến hay sử dụng chất thải Các chất thải chăn nuôi được phát sinh chủ yếu từ:

- Chất thải của gia súc, gia cầm như phân, nước tiểu, lông, vảy da và các phủ tạng loại thải của chúng, …

- Nước thải từ quá trình tắm của gia súc, rửa chuồng hay rửa dụng cụ và thiết bị trong chăn nuôi, nước làm mát hay từ các hệ thống dịch vụ chăn nuôi, …

- Thức ăn thừa, các vật dụng chăn nuôi, thú y bị loại ra trong quá trình chăn nuôi

- Bệnh phẩm thú y, xác gia súc, gia cầm chết

- Bùn lắng từ các mương, hồ chứa, lưu trữ và chế biến hay xử lý chất thải Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp của cả nước tiểu của vật nuôi, nước rửa chuồng, nước tắm cho vật nuôi Trong nước thải chăn nuôi còn có thể chứa một phần hoặc toàn bộ phân được gia súc, gia cầm thải ra Nước thải là dạng chất thải chiếm khối lượng lớn nhất trong chăn nuôi Chỉ tính riêng với chăn nuôi

lợn, nếu trung bình lượng nước thải ra 25 lít/con lợn/ngày thì lượng nước thải

ra một năm khoảng 85 triệu m 3 [14] Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào thành phần của phân, nước tiểu, lượng thức ăn rơi vãi, nước dùng tắm gia súc và vệ sinh chuồng trại, …

1.1.2 Đặc tính của nước thải giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng

Thành phần của nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng khá phức tạp, gồm các chất rắn ở dạng lơ lửng, các chất hòa tan hữu cơ hay vô cơ, trong đó có nhiều nhất là các hợp chất chứa nitơ và photpho Trong nước thải còn chứa rất nhiều vi sinh vật, ký sinh trùng, nấm, nấm men và các yếu tố gây bệnh khác

Do ở dạng lỏng và giàu chất hữu cơ nên khả năng bị phân hủy vi sinh vật rất cao, từ đó gây ô nhiễm cho cả môi trường đất, nước và không khí [10]

 Thành phần hữu cơ chiếm 70 – 80% thành phần chất rắn của nước thải gồm các hợp chất hydrocacbon, protein, axit amin, chất béo và các dẫn xuất của chúng thường có trong phân và thức ăn thừa của gia súc trong ngành chăn nuôi

 Nitơ và photpho: hàm lượng N, P trong nước thải tương đối cao N và

P có trong nước thải như là chất dinh dưỡng cùng với BOD làm các chất

để vi sinh vật xây dựng tế bào và cũng là nguồn thức ăn thích hợp cho các loại tảo hoặc thực vật thủy sinh khác Theo thời gian và sự có mặt của oxy thì trong nước thải, hợp chất N tồn tại dưới dạng khác nhau là NH4+, NO2-, NO3- và N hữu cơ Hợp chất P tồn tại ở trong nước dưới các dạng H2PO4-, HPO42-, PO43-, P hữu cơ, polyphotphat và P trong tế bào sinh khối

 Vi sinh vật: Nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh Điển hình như vi khuẩn E coli, Streptococcus sp, polio virus, aphtovirus, … và các ký sinh trùng trong nước gồm các loại trứng và ấu trùng đều có thể dễ dàng

đi vào nguồn nước

Trong đó, nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng Đặc tính của loại nước thải này bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi sự pha loãng, lưu trữ

và cách tách loại rắn lỏng Nước thải chăn nuôi có khả năng gây ô nhiễm cao

do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ, photpho, TSS và vi sinh vật gây bệnh [3]

1.1.3 Nguy cơ gây ô nhiễm của nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng

Nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng tác động đến môi trường và sức khỏe con người trên nhiều khía cạnh: gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường không khí, môi trường đất và đóng góp vào hiệu ứng ấm lên của toàn cầu do thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính

+ Ô nhiễm nước: Nước thải giàu hữu cơ có thể gây nên hiện tượng phú dưỡng đối với nước mặt, ô nhiễm kim loại nặng và các loại kí sinh trùng,

vi trùng gây bệnh Hiện tượng phú dưỡng sẽ làm cho lượng oxy hòa tan (DO), pH của nước biến động mạnh theo các thời điểm trong ngày là tác nhân khó khăn thậm chí là môi trường không thể sống đối với các động vật sống dưới nước

+ Ô nhiễm đất: Phân bón chứa nhiều chất dinh dưỡng, đặc biệt là các hợp chất giàu nitơ và photpho, là nguồn cung cấp thức ăn phong phú cho cây trồng và làm tăng năng suất cây trồng, tăng độ màu mỡ của đất Vì vậy, trong thực tế thường dùng phân để bón cho cây trồng, vừa tận dụng được nguồn dinh dưỡng, vừa làm giảm lượng chất thải phát tán trong môi trường Tuy nhiên, khi đưa vào đất với nồng độ quá nhiều, cây không hấp thu hết sẽ tích tụ gây ngộ độc cây, ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm Khi các chất ô nhiễm thấm vào đất không những gây ảnh hưởng đến đất mà còn ảnh hưởng đến cả các sinh vật đang sống trong đất

+ Ô nhiễm không khí: Các hợp chất hữu cơ, vô cơ độc hại trong nước thải thông qua vòng tuần hoàn nước, theo hơi nước vào không khí làm cho mật độ bụi bẩn trong không khí tăng lên Mùi hôi do quá trình phân hủy

kị khí tạo ra khí N-NH3+, H2S Khí H2S có mùi trứng thối đặc trưng, gây buồn nôn, choáng, nhức đầu Khí N-NH3+ kích thích mắt và đường hô hấp trên, gây ngạt ở nồng độ cao [10]

Trong chăn nuôi, phân và nước thải của vật nuôi (bao gồm cả động vật

đã chết) có chứa các loại virus (ví dụ như H5N1, H1N1), vi khuẩn và ký sinh trùng mà có thể được truyền sang người [15] Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh nghiêm trọng về hô hấp, tiêu hóa… Tổ chức y tế thể giới WHO

đã cảnh báo: “Nếu không có biện pháp thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi một cách thỏa đáng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đặc biệt là các virus biến thể từ các dịch bệnh như lở mồm long móng, lợn tai xanh có thể lây lan nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng của rất nhiều người” [52] Việc kiểm soát chất lượng trong ngành chăn nuôi là một nội dung cấp bách cần được các cấp quản lý, các nhà sản xuất và cộng đồng dân cư bắt buộc quan tâm để hạn chế ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe của con người, cảnh quan khu dân cư cũng như không kìm hãm sự phát triển của ngành chăn nuôi

1.2 Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí

1.2.1 Giới thiệu công nghệ AnMBBR

Công nghệ màng sinh học giá thể di động (Moving Bed Biofilm Reactor

- MBBR) là một trong các công nghệ được đánh giá cao về khả năng loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải có tải trọng ô nhiễm cao Công nghệ MBBR kết hợp giữa các ưu điểm của quá trình xử lý bùn hoạt tính và màng lọc sinh học Công nghệ MBBR chia thành 3 phân vùng: yếm khí, thiếu khí và hiếu khí Trong đó, bể phản ứng yếm khí vật liệu mang vi sinh chuyển động (AnMBBR) được sử dụng khá phổ biến hiện nay AnMBBR sử dụng cấu trúc dòng chảy ngược qua lớp đệm vi sinh yếm khí, nước thải đi vào qua hệ phân phối ở đáy

bể phản ứng – nơi có lớp bùn dày và vi sinh có dạng hạt, với dòng chảy từ dưới lên kết hợp với khí biogas hình thành trong quá trình phân hủy yếm khí đóng vai trò khuấy trộn, đảm bảo tiếp xúc tốt giữa vi sinh và nước thải

AnMBBR có những ưu điểm như kết cấu của hệ xử lý đơn giản, có khả năng hoạt động tốt trong điều kiện lưu lượng và tải trọng chất ô nhiễm cao và chi phí xử lý thấp Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì bể phản ứng yếm khí AnMBBR còn gặp nhiều khó khăn như hay thất thoát vi sinh

Do tốc độ sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp và có năng suất kém hệ hiếu khí [33] Tuy nhiên yếu điểm này đã dần được khắc phục với những kĩ thuật yếm khí hiện đại Các kĩ thuật yếm khí ngày nay chấp nhận được những tải lượng cao, từ hàng chục tới trên hàng trăm kgCOD/ m3 ngày với hiệu suất

xử lý đạt 70 – 90% [32, 30] Theo nghiên cứu của Eckenfelder [24], về nguyên tắc có ba nhóm kĩ thuật yếm khí: (i) hệ phản ứng với vi sinh phân tán; (ii) hệ phản ứng với vi sinh cố định trên vật liệu mang và (iii) hệ phản ứng với lớp bùn giả lỏng hoặc giãn nở Theo Kassam Z.A, khi giá trị BOD trong nước thải vượt 1.000 mg/l thì hệ xử lý yếm khí có ý nghĩa kinh tế hơn hệ xử lý bùn hoạt tính hiếu khí cả về mặt chi phí xây dựng cơ bản lẫn phí vận hành và bảo trì [32] Quá trình yếm khí xử lý tốn ít năng lượng hơn, sinh ra ít bùn thải hơn và chi phí xử lý thấp hơn so với quá trình hiếu khí Hơn nữa hệ xử lý yếm khí còn có tiềm năng thu hồi năng lượng dưới dạng năng lượng tái tạo là biogas Tuy nhiên, các quá trình yếm khí có nhược điểm là năng suất xử lý ở mật độ vi sinh thông thường không cao

1.2.2 Quá trình phân hủy yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều phản ứng và sản phẩm trung gian Phương trình tổng quát của phản ứng yếm khí phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ là:

CxHyOzNtSu + 1/4(4x - y - 2z + 3t + 2u) H2O  1/8(4x - y + 2z + 3t + 2u) CO2 + 1/8(4x + y - 2z - 3t - 2u) CH4 + tNH3 + uH2S (1)

Các phản ứng từ axit axetic, CO2 và H2 tạo thành khí mêtan dưới dạng các phương trình [36]:

Quá trình phân hủy yếm khí trong hệ AnMBBR cũng như các xử lý hệ yếm khí khác, là tập hợp các phản ứng nối tiếp, song song và chia làm 4 giai đoạn [28]:

Hình 1 Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí

Quá trình thủy phân

Thủy phân là giai đoạn đầu tiên trong quá trình phân hủy yếm khí Giai đoạn thủy phân dưới tác dụng của các enzym thủy phân do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân – Hidratcacbon (kể cả các chất không hòa tan) phức tạp sẽ thành các đường đơn giản, protein thành albumoz, pepton, peptit, axit amin, chất béo (lipit) thành glyxerin và các axit béo Vi khuẩn thủy phân

là các vi khuẩn yếm khí Quá trình thủy phân có thể là bước quyết định tốc độ phản ứng nếu chất phản ứng là các hạt chất rắn hoặc các hạt keo [50] Trong khi đó nếu các chất phản ứng là chất dễ phân hủy thì bước quyết định tốc độ phản ứng là axetat hóa và mêtan hóa [21] Sau khi các tiền chất được thủy phân,

giai đoạn tiếp theo là chuyển chất đến tế bào và phân hủy bằng các vi khuẩn lên men trong giai đoạn axit hóa

Quá trình axit hóa

Trong giai đoạn axit hóa, các phân tử hữu cơ hòa tan sẽ được vi khuẩn lên men hoặc oxi hóa yếm khí [27] Các vi khuẩn này có thể là các vi khuẩn bắt buộc hoặc tùy nghi Trong hệ thống yếm khí, các hợp chất được tạo ra trong quá trình này là các axit béo dễ bay hơi (VFAs – Volatile Fatty Acids), rượu, axit lactic, CO2, H2, NH3 và H2S [28] Giai đoạn này có hiệu suất tạo năng lượng cao hơn cho vi khuẩn và sản phẩm của quá trình có thể được sử dụng trực tiếp bởi các vi khuẩn mêtan hóa [43] Giai đoạn axit hóa thường được coi

là giai đoạn nhanh nhất trong chuỗi các phản ứng phân hủy yếm khí các chất hữu cơ phức tạp [37]

Quá trình axetat hóa

Các chất trung gian được tạo thành trong giai đoạn axit hóa không sử dụng được trực tiếp trong metan hóa và cần tiếp tục bị oxy hóa thành acetate

và H2 trong bước axetat hóa bằng vi khuẩn khử proton kết hợp với nguồn sử dụng hiđrô Áp suất riêng phần H2 thấp là điều kiện thuận lợi cho phản ứng này [44] Các sản phẩm từ axetat hóa trở thành các cơ chất cho giai đoạn cuối cùng của quá trình yếm khí là giai đoạn mêtan hóa

Quá trình metan hóa

Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy yếm khí Tùy vào trạng thái của bùn mà có thể chia quá trình này thành quá trình xử lý yếm khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng và quá trình xử lý yếm khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám Kết quả của quá trình là các sản phẩm trung gian của giai đoạn trước sẽ được phân hủy thành CH4, H2O, CO2 Quá trình mêtan hóa hiđro tốt hơn ở áp suất riêng phần hiđro cao, trong khi quá trình mêtan hóa axit axetic không phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hiđro Ở nhiệt độ cao hơn, hướng oxi hóa axetat thuận lợi hơn [44] Sự tạo thành metan

từ bước oxi hóa axetat có thể đóng góp tới 14% tổng chuyển hóa axetat thành metan trong điều kiện nhiệt độ 60°C [42]

1.2.3 Giới thiệu công nghệ màng sinh học

a Khái niệm màng sinh học

Trong môi trường nước thải, vi sinh vật tồn tại ở hai trạng thái chính là huyền phù và dạng màng sinh học Trong dạng huyền phù, vi sinh vật tập hợp lại thành các tập hợp keo tụ nhỏ phân bố đều trong nước Trong dạng màng sinh học, những nghiên cứu gần đây cho thấy các tế bào vi sinh vật thường liên kết với nhau thành một cộng đồng và bám dính trên các bề mặt giá thể thông qua mạng lưới các hợp chất ngoại bào, hình thành nên cấu trúc gọi là màng sinh học (biofilm) Màng sinh học là tập hợp nhiều chủng vi sinh vật khác nhau Màng sinh học có thể được tạo ra ở trên bề mặt của nhiều loại vật liệu khác nhau: nhựa, kim loại, kính, gỗ, … Màng sinh học có những đặc tính thích nghi với sự thay đổi của môi trường bởi sự đa dạng của cộng đồng vi sinh vật, sự gắn kết của các tế bào, sự hình thành và phát triển cấu trúc màng sinh học… Cấu trúc màng sinh học giúp vi sinh vật tồn tại đồng thời tăng khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ, photpho trong việc xử lý [29, 38] Màng sinh học có chiều dày khác nhau (từ vài chục μm tới hơn 1 cm nhưng thường nằm trong khoảng 1mm) bám trên vật liệu mang dạng rắn và có cấu trúc khá đặc Nước thải xen kẽ trong cấu trúc của màng sinh học, trao đổi chất với môi trường xung quanh, làm tăng hiệu quả trong việc sử dụng nguồn dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm có khả năng gây độc Để có được công nghệ màng vi sinh đạt hiệu quả cao thì cần có tiền đề là chất mang vi sinh có khả năng tích lũy một lượng lớn sinh khối và tăng cường khả năng cung cấp thức ăn cho vi sinh hay diện tích chất mang lớn để có được mật độ vi sinh cao

Công nghệ màng vi sinh trong quá trình xử lý yếm khí là công nghệ MBBR sử dụng vật liệu mang vi sinh trong bể phản ứng yếm khí màng sinh học chuyển động

b Một số loại vật liệu mang vi sinh phổ biến

Trước đây, vật liệu mang vi sinh thường là các vật liệu truyền thống có nguồn gốc tự nhiên như đá sỏi, gỗ, xỉ than có diện tích nhỏ Sau này, vật liệu mang tự nhiên hầu hết được thay thế bằng vật liệu nhân tạo hay vật liệu tự nhiên

đã biến tính Vật liệu mang vi sinh đòi hỏi các tính năng như: trơ trong môi

trường làm việc, không độc đối với vi sinh, diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao,

hệ mao quản hở, độ bền cơ học cao, nhẹ và rất quan trọng là nó tạo ra được dòng chảy đều để tăng khả năng tiếp xúc giữa màng vi sinh với cơ chất [36]

Bảng 2 Đặc trưng một số vật liệu mang vi sinh trong kĩ thuật yếm khí

(Nguồn: Metcalf & Eddy/AECOM, 2014)

Về hình thái vật liệu mang có dạng rời (đổ đống) hay được tiền chế dưới dạng khối trụ hoặc hộp Về mặt bản chất vật liệu mang phổ biến được chế tạo

từ polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyvinyl clorua (PVC), có diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp > 80 % Vật liệu xốp có diện tích bề mặt riêng rất lớn là

do bề mặt của hệ mao quản đóng góp, diện tích đó chỉ có thể được vi sinh sử dụng khi hệ mao quản hở và có kích thước lớn hơn nhiều lần so với kích thước của vi sinh vật [8] Một số loại vật liệu mang phổ biến trên thị trường có dạng hình bánh xe, hình trụ, hình khối làm bằng nhựa PE, HDPE, PP hay vật liệu xốp như PU…

Hình 2 Một số vật liệu mang vi sinh thường dùng

c Ứng dụng công nghệ màng sinh học

Ứng dụng vật liệu mang sinh học là một biện pháp để cải thiện hiệu suất của hệ thống xử lý Trong quy mô phòng thí nghiệm, UAFF (Up-Flow Anaerobic Floating Filter) là tích hợp của hệ thống dòng chảy ngược kết hợp với vật liệu xốp hình khối có kích thước 1,5 x 1,5 x 1,5 cm đã được Chiemchaisri sử dụng để gắn vi sinh vật và làm sạch chất rắn lơ lửng trong điều kiện yếm khí dùng để xử lý nước thải chăn nuôi lợn, hiệu suất loại bỏ COD và

SS tương ứng của nghiên cứu đạt 89 và 90% ở tải trọng hữu cơ dao động trong khoảng 4,2 - 6,1 gCOD/l ngày [23]

Tác giả A Wilkie đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn có sử dụng hệ lọc yếm khí dòng chảy xuôi ở 25oC với tải lượng COD đầu vào là 8,4 kg/m3 ngày thì hiệu quả loại lỏ đạt 52% [53] Trong khi đó, tác giả E Foresti

đã sử dụng hệ UASB ở nhiệt độ 25oC để xử lý nước thải chăn nuôi lợn, kết quả

a Vật liệu mang vi sinh

e Vật liệu mang vi sinh dạng hình khối

c Vật liệu mang vi sinh Polyuretan dạng xốp

b Vật liệu mang vi sinh

là với tải lượng COD đầu vào 4,50 kg/m3 ngày thì hiệu quả loại bỏ COD là 87% [26]

Nhóm tác giả Ngô Vân Anh và nnk đã nghiên cứu sử dụng vật liệu mang

vi sinh dạng ống nhựa được cắt ngắn làm vật liệu vận chuyển trong bể xử lý yếm khí màng sinh học để cải thiện hiệu quả xử lý TVS (Total Volatility Solids) lên đến 25% ở thời gian lưu rất ngắn với giá trị TOC (Total Organic Carbon) đầu vào là 3 g/l để xử lý chất thải bùn hoạt tính [40]

Ở quy mô phòng thí nghiệm, nhóm tác giả Ahmadlouydarab đã ứng dụng công nghệ MBBR để xử lý nước thải công nghiệp sử dụng chất mang K3 (là một loại vật liệu mang được làm bằng HDPE có dạng hình bánh xe với đường kính và chiều cao là 25 x 10mm của Công ty Pakzist), với giá trị COD đầu vào 3.500 mg/l thì hiệu suất xử lý COD đạt trong khoảng 70 – 90% [16]

d Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo màng sinh học

 Vật liệu mang (giá thể)

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của công nghệ MBBR là vật liệu làm giá thể mang vi sinh vật và đã có nhiều vật liệu loại này được nghiên cứu và phát triển trên thế giới Một trong những đặc điểm quan trọng của giá thể mang vi sinh vật là diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao để

có thể làm không gian cho các vi sinh vật bám dính và phát triển, tạo màng biofilm Giá thể cũng cần đáp ứng yêu cầu về tỷ trọng nhẹ hơn nước (khoảng 0,98kg/l), vì vậy nó có thể lơ lửng trong nước Kích thước của giá thể nằm trong khoảng 300 đến hơn 1000 m2/m3 tùy thuộc vào hình dạng và cấu trúc bên trong Kích thước của giá thể lớn thì cấu trúc sẽ phức tạp hơn và chi phí sản xuất cao hơn Ngoài ra, khối lượng riêng càng nhẹ sẽ giúp các vi sinh vật có thể được di động nhiều, tạo thuận lợi cho quá trình tồn tại và phát triển của chúng Một số giá thể mang vi sinh vật đã có mặt trên thị trường như Hel-X Chip, Kaldnes Hiện nay, một số vật liệu được làm từ cellulose, tuy nhiên độ bền của các vật liệu này trong hệ thống xử lý rất kém [5] Tùy thuộc vào từng loại giá thể, khả năng màng bám khác nhau và là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả xử lý nước thải [55]

 pH

pH có vai trò tạo điều kiện nuôi cấy thích hợp Mỗi nhóm vi sinh vật cũng thích hợp với một pH nhất định Sự thay đổi độ pH có thể ảnh hưởng rõ rệt đến sự phát triển của vi sinh vật bởi tính thấm qua màng, sự chuyển hóa các chất trong tế bào, hoạt hóa enzim, sự hình thành ATP

Vi sinh vật phản ứng với sự thay đổi của pH bên trong và bên ngoài bằng cách điều chỉnh hoạt động và tổng hợp protein liên quan đến nhiều quá trình khác nhau [25] Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng axit tăng dần làm tăng cơ hội sống sót của vi sinh vật hơn so với khi tăng đột ngột nồng độ axit [34] Điều này cho thấy vi sinh vật có các cơ chế cho phép quần thể vi sinh vật thích nghi với những thay đổi nhỏ của môi trường về độ pH Tuy nhiên, có những quá trình vi sinh vật không thích ứng với sự dao động pH Một trong những quá trình như vậy là bài tiết các chất tạo ngoại (polysaccharide) Độ pH tối ưu để sản xuất polysaccharide phụ thuộc vào từng loài riêng lẻ, nhưng nó là khoảng

pH = 7 đối với hầu hết các vi khuẩn [41] Với pH từ 4 – 6 chúng vẫn có thể hoạt động được, có điều không phát triển mạnh

1.2.4 Một số công nghệ xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng

Việc xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng đã được nghiên cứu triển khai ở các nước phát triển từ cách đây vài chục năm Các công nghệ áp dụng cho xử lý nước thải rất đa dạng Các nghiên cứu tập trung vào 3 nhóm

phương pháp chính gồm xử lý sinh học hiếu khí, sinh học kỵ khí và biện pháp

sử dụng thực vật

Công nghệ đất ngập nước là công nghệ xử lý nước thải áp dụng các điều kiện tự nhiên, thân thiện môi trường Công nghệ đất ngập nước đạt được những kết quả tốt trong việc xử lý COD, BOD5, TSS, hiệu suất đạt được khá cao (trên 90%) [31] Tuy nhiên, các thành phần dinh dưỡng như N, P, hệ thống vẫn chưa

xử lý được triệt để và cần phải có thời gian lưu nước dài [51] Ngoài ra, công nghệ này còn có nhược điểm là đòi hỏi diện tích đất lớn, mà điều này thậm chí

là bất khả thi trong tình hình áp lực về đất đai hiện nay

Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường bằng công nghệ sinh học

kỵ khí UASB thiết lập mô hình vận hành liên tục với thời gian 440 ngày trong điều kiện ổn định nhiệt độ 37oC Hiệu quả xử lý của bể UASB đạt 80~98% tương ứng với giới hạn về tải lượng hữu cơ là 16g – TOC/l ngày đêm Lượng chất hữu cơ phân hủy tính theo TOC được chuyển hóa thành: khí sinh học với thành phần CO2 – 46%, CH4 – 49% và sinh khối – 5% Hệ số tăng sinh khối bùn được tính bằng 0,094g – VSS/g – TOC [1]

Nghiên cứu áp dụng quy trình CANON để loại bỏ nito từ hệ yếm khí nước thải chăn nuôi được lấy tại trang trại chăn nuôi ở ngoại thành Thành Phố

Hồ Chí Minh trên quy mô phòng thí nghiệm Mô hình kết hợp quy trình CANON dùng hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng là vi khuẩn amoniac và vi khuẩn anammox để thực hiện phản ứng nitrit hóa và anammox cùng với một thiết bị sục khí không liên tục cung cấp mức độ oxy hòa tan thấp (DO< 0,2 mg/l) trong thời gian lưu HRT 8 ngày cho hiệu quả loại bỏ N cao (78%) [49]

Nghiên cứu về khả năng xử lý chất ô nhiễm trong chất thải chăn nuôi bằng hệ thống biogas cho thấy nồng độ chất ô nhiễm trong chất thải chăn nuôi giảm đáng kể sau khi qua hệ thống biogas Trung bình, COD giảm 84,7%, VSS giảm 85,4%, TP giảm 7,0% Tuy nhiên, giá trị các chất ô nhiễm trong nước thải đầu ra vẫn còn khá cao, vượt tiêu chuẩn cho phép [12]

Nghiên cứu xử lý các thành phần hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng phương pháp sục khí luân phiên cho thấy, sau 10 tháng nghiên cứu thì hệ thí nghiệm có hiệu quả xử lý COD ở các chu kì sục khí

luân phiên khác nhau đạt 80 – 88%, hiệu quả xử lý N-NH4+ cao và ổn định, không bị ảnh hưởng bởi các chế độ khác nhau, xử lý xấp xỉ 100% Chế độ sục – ngừng sục luân phiên cách nhau 3 giờ cho thấy hiệu quả xử lý TN là tốt nhất, hiệu suất xử lý đạt 72 – 86 % [6]

Tháp kỵ khí UASB kết hợp với máng trồng bèo tây cũng được thử nghiệm để xử lý nước thải chăn nuôi lợn Nước thải được bơm đều đặn từ bể vào tháp UASB theo chu kì bơm 15 phút nghỉ 30 phút nhờ bộ điều khiển tự động Lượng nước qua tháp được duy trì 500 – 700 l/ngày đêm Thời gian lưu nước khoảng 8 – 14 giờ Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ TSS đạt khoảng trên dưới 90%, độ pH 6,8 – 7,1, COD giảm khoảng 70 – 80%, N-NH4+ giảm 70%, N-NO3-< 15mg/l, PO43- giảm 58 – 65%, coliform tổng số < 104 TB/ml [7]

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi sử dụng mô hình công nghệ USBF

là công nghệ cải tiến của quá trình bùn hoạt tính trong đó kết hợp 3 quá trình thiếu khí (Anoxic), hiếu khí (Aeration) và lọc (Filteration) bằng dòng ngược bùn sinh học Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý SS có thể đạt tối đa 99%, COD đạt 97%, BOD5 đạt 80%, P đạt 80%, N đạt 97% [2]

Nhìn chung mỗi mô hình đều có mức độ thành công khác nhau nhưng cũng đã góp phần giảm thiểu ô nhiễm Tại Việt Nam, các phương pháp xử lý nước thải giàu thành phần hữu cơ và dinh dưỡng được áp dụng hiện nay đều dựa trên các công nghệ đã được áp dụng thành công trên thế giới Tuy nhiên để phù hợp với thực tiễn ở nước ta thì vẫn còn nhiều khó khăn do quy mô trong ngành chăn nuôi đa dạng, vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp, trình độ và hiểu biết của người chăn nuôi chưa đáp ứng được nhu cầu

Nước thải giàu hữu cơ có tiềm năng lớn đối với việc thu hồi năng lượng,

xử lý theo biện pháp yếm khí hiện là giải pháp có tính xu hướng và lợi thế hơn

so với các biện pháp sinh học khác Xử lý yếm khí tạo ra lượng bùn thấp hơn

so với xử lý hiếu khí, do đó giúp giảm chi phí xử lý bùn thải Một trong những biện pháp yếm khí được sử dụng phổ biến là UASB

Để cải tiến công nghệ xử lý, tiến hành bổ sung vật liệu mang vi sinh có

bề mặt lớn giúp vi sinh có thể bám dính, góp phần tăng mật độ vi sinh, tăng hiệu quả xử lý Vật liệu mang vi sinh được nâng lên nhờ tốc độ dòng nước và

khí biogas đồng thời dưới tác dụng của trọng lượng giúp lơ lửng trong nước Cột phản ứng yếm khí trong nghiên cứu chính là sự kết hợp giữa UASB truyền thống và vật liệu mang vi sinh

Qua phần tổng quan có thể thấy nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng thuộc loại nước thải có nhiều hàm lượng hữu cơ, nitơ, phốt pho, cặn và vi sinh vật Trong đó các giá trị COD, TN, TP, SS và coliform có thành phần rất cao trong nước thải nên cần phải được xử lý trước khi thải ra môi trường Công nghệ xử lý yếm khí AnMBBR là một trong những phương pháp đang được sử dụng phổ biến Trong đó sử dụng vật liệu mang có vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm Chính vì vậy, nghiên cứu được thực hiện, tiến hành kết hợp công nghệ yếm khí với công nghệ sử dụng vật liệu mang

vi sinh để khảo sát hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ và dinh dưỡng có trong nước thải

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nước thải đầu vào được pha chế từ đường Saccarose, KH2PO4 và NH4Cl Nước thải nhân tạo pha theo tỷ lệ 100 : 5 : 1 bằng cách cân 21,26g đường Saccarose, 4,585g NH4Cl và 1,053g KH2PO4 hòa tan trong 24 lít nước đối với tải trọng 2 g COD/l.ngày và gấp đôi khối lượng các chất đối với tải trọng 4 g COD/l.ngày Do gặp nhiều khó khăn trong quá trình tiếp cận nguồn nước thải, bảo quản và kiểm soát các thành phần trong nước thải thực Vì vậy, trong nghiên cứu này nước thải nhân tạo đã được sử dụng thay thế cho nguồn nước thải thực

- Hệ yếm khí vật liệu mang vi sinh chuyển động AnMBBR (Hình 4)

- Vật liệu mang polyetylen (PE)

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này thiết lập thiết lập hai hệ thống thí nghiệm có cấu tạo giống nhau nhưng khác nhau về tải trọng đầu vào Thời gian tiến hành nghiên cứu chia làm 2 giai đoạn:

(1) 2/5/2022 – 14/5/2022: Khảo sát hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ (theo COD tổng và COD hòa tan) và thành phần dinh dưỡng (theo

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu

Các tài liệu có nội dung liên quan tới nội dung nghiên cứu được thu thập

từ các bài báo khoa học đã được công bố trên các tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các số liệu báo cáo thống kê, các sách liên quan tại thư viện và trên các website liên quan Trên cơ sở đó tổng hợp và lựa chọn thông tin phù hợp

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm

Các thí nghiệm được phân tích, khảo sát diễn biến các thông số trong các điều kiện khác nhau nhằm đánh giá và so sánh

a Vật liệu mang được sử dụng trong hệ thí nghiệm

Sử dụng vật liệu mang dạng hình bánh xe polyetylen (PE) Vật liệu mang

PE được chế tạo từ nhựa có cấu tạo hình học giúp cho diện tích bề mặt vật liệu lớn (Hình 3)

Hình 3 Hình ảnh vật liệu mang vi sinh PE sử dụng trong thí nghiệm

Vật liệu mang PE được sản xuất tại Công ty Cổ phần Thiết bị Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Thông số kĩ thuật như sau:

- Kích thước: chiều dài x chiều cao = 10x15 mm

- Diện tích bề mặt 800 - 1.000 m2 /m3

- Tỷ trọng 60 kg/m3

b Cấu tạo của hệ thống thí nghiệm

Hệ xử lý yếm khí AnMBBR

Hình 4 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm AnMBBR

Cấu tạo hệ AnMBBR bao gồm:

- Bể nạp nguyên liệu (bể đầu vào): thùng nhựa có thể tích 120 lít

- 01 cột phản ứng có đường kính bên ngoài D = 0,14 m (đường kính bên trong là 0,127 m); chiều cao H = 1,1 m (chiều cao hiệu dụng là 0,95 m); thể tích V = 16,9 lít (thể tích hiệu dụng là 12 lít), trong đó vật liệu mang

vi sinh chiếm 1/3 thể tích (ứng với 4 lít vật liệu mang PE, căn cứ theo tài liệu [54])

- 01 bể lắng có đường kính bên ngoài D = 0,14 m (đường kính bên trong

là 0,127 m); chiều cao H = 0,5 m (chiều cao hiệu dụng là 0,4 m); thể tích V = 7,7 lít (thể tích hiệu dụng là 5 lít)

- 01 bộ điều nhiệt được lắp bên ngoài cột phản ứng, duy trì nhiệt độ

35 ± 2oC

- 02 bơm định lượng: 01 bơm cấp nước thải và 01 bơm tuần hoàn

Thực nghiệm được mô tả như hình sau:

Hình 5 Hệ thí nghiệm AnMBBR với vật liệu mang PE

c Nguyên tắc hoạt động và quy trình thí nghiệm

 Nguyên tắc hoạt động của hệ AnMBBR là nước thải được bơm từ bể chứa nước thải đầu vào, đi qua ống phân phối ở dưới đáy cột phản ứng (nước thải từ bể chứa sẽ đi qua bộ phận điều nhiệt trước khi vào cột phản ứng) sau đó đi lên và đi sang cột lắng rồi cuối cùng là đi ra bể chứa nước thải đầu ra

 Quy trình thí nghiệm

Trước khi tiến hành thí nghiệm, vi sinh sẽ được nuôi trong khoảng 10 –

14 ngày để làm quen, thích nghi với nước thải

Hệ AnMBBR được khảo sát liên tục với lưu lượng đầu vào Q = 1 l/giờ (ứng với thời gian lưu thủy lực 17 giờ, quy mô 24 l/ngày và lưu lượng bơm

tuần hoàn Q’ = 10,4 l/giờ để có tốc độ dâng nước v = 0,9 m/giờ ở 2 chế độ tải lượng COD đầu vào là 2 gCOD/l.ngày và 4gCOD/l.ngày tương ứng với giá trị COD là 1.000 và 2.000 mg/l Phân tích, đánh giá COD tổng, COD hòa tan, TN, N-NH4+, TP trong điều kiện vận hành ở nhiệt độ 35 ± 2oC, pH nằm trong khoảng 7,1 – 7,5 và bổ sung 4 lít bùn yếm khí theo tài liệu tham khảo [45] Nước thải đầu vào được chứa trong thùng 120 lít, từ đây nước thải được bơm định lượng theo thiết kế thí nghiệm vào hệ thí nghiệm

Nguồn VSV yếm khí : sử dụng bùn yếm khí của nhà máy sản xuất Bia Sabeco của công ty Cổ phần Bia- Rượu - Nước giải khát Sài Gòn tại Từ Liêm,

Hà Nội

2.2.3 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu

Các quy trình lấy mẫu và bảo quản mẫu được áp dụng theo các Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 6663-14:2018 (ISO 5667-14:2014) và TCVN 6663-3:2016 (ISO 5667-3:2012)

Lấy mẫu:

(1) Chế độ 2 gCOD/l ngày: Nghiên cứu tiến hành lấy mẫu 7 đợt đầu vào

và đầu ra hệ thí nghiệm yếm khí sử dụng vật liệu mang PE Tần suất lấy mẫu khoảng 2 ngày/đợt

(2) Chế độ 4 gCOD/l ngày: Nghiên cứu tiến hành lấy mẫu 10 đợt đầu vào

và đầu ra hệ thí nghiệm yếm khí sử dụng vật liệu mang PE Tần suất lấy mẫu khoảng 2 ngày/đợt

Quy trình lấy mẫu: Nước thải sau khi cấp vào bồn chứa nước thải đầu vào, nước sau cột phản ứng và nước sau cột lắng được lấy vào chai đựng mẫu

và đem đi phân tích các chỉ tiêu COD, TN, TP, N-NH4+, Trong một số trường hợp không phân tích được ngay thời gian đó mẫu được lưu trữ trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4oC

Thời gian lấy mẫu theo mỗi tải trọng được thể hiện trong Bảng 3 dưới đây:

Bảng 3 Lịch lấy mẫu của hệ thí nghiệm

Xác định tổng N bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 220nm trong

môi trường axit Kali persulphat oxy hóa nitơ ở dạng hữu cơ và vô cơ thành NO3- ở 120oC trong môi trường bazo Khoảng giới hạn phát hiện 1-3 mgN/l đối với cuvet dày 1cm [18]

Xác định tổng P bằng phương pháp đo màu ở bước sóng 710nm Tổng P

bao gồm octhophotphat, polyphotphat và hầu hết các hợp chất P hữu cơ sẽ bị phân hủy thành PO4 3- ở nhiệt độ cao trong môi trường axit trung bình PO4 3-phản ứng với amoni molipđat và kali antimon tarat trong môi trường axit trung bình tạo thành axit photpho molipđic có màu xanh đậm [18]

Xác định amoni bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 640nm Phản

ứng của amoni và hypochlorite với sự có mặt của phenol tạo thành hợp chất indophenol màu xanh đậm [18]

Xác định COD bằng phương pháp đo quang (Closed Reflux,

Colorimetric Method - 5220D) với thuốc thử là K2Cr2O7 Nguyên tắc của phương pháp là thành phần hữu cơ trong mẫu bị oxi hóa bằng K2Cr2O7 và có mặt chất xúc tác Ag2SO4 trong môi trường H2SO4 đặc Ion Cr2O7 2- (Cr6+) trong dung dịch có màu vàng bị khử tạo ra ion Cr3+ có màu xanh, sản phẩm được đo quang tại bước sóng 600nm [17]

Xác định TSS bằng phương pháp sấy khô và cân khối lượng (2540D)

Nguyên tắc của phương pháp là mẫu được lọc qua giấy lọc, sau đó sấy khô ở

105oC đến khối lượng không đổi và cân để xác định hàm lượng TSS [17]

Xác định VSS bằng phương pháp nung và cân khối lượng (2540E)

Nguyên tắc của phương pháp là mẫu được lọc qua giấy lọc, đem nung ở 550oC, cân để xác định hàm lượng TSS sau đó so sánh với TSS đã sấy ở 105oC suy ra hàm lượng VSS [17]

2.2.5 Hóa chất và thiết bị

 Hóa chất

Các hóa chất (Merck, Đức) được sử dụng trong quá trình nghiên cứu gồm: Kali phtalat, kali dicromat, bạc sunphat, thủy ngân (II) sunphat, natri clorua, natri hiđrôxit, đồng sunphat (CuSO4.5H2O), magie sunphat (MgSO4.7H2O), axit sunphuric 98%, axit clohidric 37%, phenol

 Thiết bị

Các thiết bị sử dụng trong quá trình nghiên cứu:

- Thiết bị phá mẫu COD ECO16 – Velp, Italia

- Máy đo mật độ quang UV – VIS 1240 – Shimadzu, Nhật Bản

- Nồi hấp vô trùng HVE 50 – Hirayama, Nhật Bản

- Cân phân tích AUW 220 – Shimadzu, Nhật Bản

- Tủ sấy UM 500 – Memmert, Đức

- Nồi gia nhiệt, bộ lọc hút chân không

- Máy nghiền cầm tay

2.2.6 Phương pháp xử lý và đánh giá số liệu

Số liệu phân tích từng ngày được ghi chép vào sổ tay cá nhân ngay tại phòng phân tích, sau đó được nhập lại vào bảng dữ liệu excel để dễ dàng quản

lý, tính toán và theo dõi sự biến động của số liệu Qua đó có thể đánh giá và điều chỉnh các điều kiện, chế độ vận hành để đạt được kết quả mong đợi Cách tính tải trọng COD:

L COD = 𝐶𝐶𝑂𝐷 𝑣à𝑜𝑥𝑄𝑣à𝑜

𝑉×1000 (g/l ngày) (5)

Trong đó:

LCOD: Tải trọng COD (g/l ngày)

C COD: Giá trị COD đầu vào (mg/l) V: Thể tích thiết bị (l)

Q: Lưu lượng dòng vào (l/ngày)