Luận án tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần và anammox để xử lý nitơvtrong nước rỉ rác cũ

ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Nghiên cứu ứng dụng quá trình Nitrite hóa bán phần và Anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ với các thí nghiệm bao gồm: thí nghiệm làm giàu bùn mô hình PNSBR, t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-oOo -

PHAN THẾ NHẬT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NITRIT

HÓA BÁN PHẦN VÀ ANAMMOX ĐỂ XỬ LÝ NITƠ

TRONG NƯỚC RỈ RÁC CŨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số chuyên ngành: 9520320

Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Thị Thanh Phượng

Phản biện độc lập 2: PGS.TS Lê Hùng Anh

Phản biện 1: PGS.TS Lê Đức Trung

Phản biện 2: PGS.TS Lê Thị Kim Oanh

Phản biện 3: PGS.TS Tôn Thất Lãng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

1 PGS.TS Nguyễn Phước Dân

2 PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu mà tôi đã trực tiếp tiến hành và tổ chức thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Phước Dân và PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh, tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên, Đại học Bách Khoa – ĐHQG HCM Công trình được tiến hành với sự cộng tác thực hiện của các nhóm sinh viên của bộ môn Kỹ thuật Môi trường thuộc khoa Môi trường và Tài nguyên, Đại học Bách Khoa – ĐHQG HCM Các số liệu trong luận án là trung thực, do tôi thực hiện và đúc kết được

Tác giả

Phan Thế Nhật

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Nghiên cứu ứng dụng quá trình Nitrite hóa bán phần và Anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ với các thí nghiệm bao gồm: thí nghiệm làm giàu bùn mô hình PNSBR, thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình PNSBR và thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình AIC Nghiên cứu cũng xác định thông số động học AOB, hoạt tính vi khuẩn Anammox, cũng như xác định cộng đồng vi sinh trong mô hình AIC

Thí nghiệm làm giàu bùn mô hình PNSBR được thực trong mô hình thí nghiệm thể tích bể SBR 66,5l với nồng độ nước rỉ rác được pha loãng với nước cấp lần lượt theo các tỷ lệ 13%, 27%, 41%, 53% và 100% Ở giai đoạn vận hành ổn định với 100% nước rỉ rác thô của thí nghiệm đạt được tỷ lệ NO2

N/NH4

+-N = 1,0 trong đầu ra và thấp hơn so với tỷ lệ lý thuyết NO2

N:NH4

+-N = 1,32

Thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình PNSBR được thực trong mô hình thí nghiệm thể tích bể SBR 190l với nước rỉ rác thô hoàn toàn Ở giai đoạn vận hành ổn định, tỷ lệ

+-N/L và 0,26 mgVSS/mg NH4

+-N

Thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình AIC với nước rỉ rác đã được tiền xử lý bằng

mô hình PNSBR ở các thí nghiệm trước, tải trọng xử lý từ 2-10 kgN/m3/ngày Nồng

độ tổng nitơ đầu vào cao nhất đạt 1500 mgN/L Hoạt tính bùn Anammox đạt 0,598 ± 0,.026 gN2-N/gVSS Kết quả đánh giá bùn đặc tính bùn hạt anammox cho thấy các hạt

có kích thước 0,5–1,0 mm chiếm ưu thế trong bể Kết quả phân tích DNA cho thấy vi khuẩn Candidatus Kueneniastuttgartiensis chiếm (37,45%) trong bể AIC, ngoài ra vi khuẩn Bacteroidetes cũng chiếm 5,37% trong bể Vì vậy, thành phần COD khó phân hủy sinh cũng được xử lý một phần nhờ các vi khuẩn này

iii

ABSTRACT

In this research, semi-nitriteation – Anammox proccess was used to treat nitrogen in old landfill leachate with experiment include: a lab-scale concentrated sludge experiment by sequencing batch reactor model (PN-SBR), a effective evaluation test for PN-SBR model and a effective evaluation test for AIC model This study also determine dynamic parameter AOB, actived organism Anammox, and the population

of organism in AIC model

A lab-scale concentrated sludge experiment by PN-SBR was conducted in a SBR tank with volume of 66,5 L and leachate concentration diluted with water in ratios of 13%, 27%, 41%, 53% and 100%, respectively In the stable practice period with 100% raw landfill leachate, the ratio of NO2

-N/NH4

-+-N was achieved 1.0 in flux, which was small than the stochiometric ratio of NO2

-N/NH4

-+-N of 1.32

A effective evaluation test for PN-SBR model was conducted in a SBR tank with volume of 190,0 L containing the raw landfill leachate absolutely As the rusult, the ratio NO2

N/NH4

+-N was range of 1.0-1.32 in flux The output NO₃⁻-N concentration was always below 20 mgN/L The highest FA concentration is of 506 mg NH3-N/L in 26th of hour of the cycle of 73 hour/batch Even though old land fill leachate mainly contained refractory COD, COD removal efficiency achieved about 11% The OUR tests show that the maximum growth rate mmax, Ko, Ks and yield coefficient YX/N of AOB were 0.12/day, 1.35 mg O2/L, 53 mgNH4

+-N/L and 0.26 mgVSS/mg NH4

+-N, respectively

A effective evaluation test for AIC model with landfill leachate was operated with treated leachate from PNSBR reactor using a high nitrogen loading rate ranging from 2

pre-to 10 kgN/m3/day High rate removal of nitrogen (9.52 ± 1.11 kgN/m3/day) was observed at an influent nitrogen concentration of 1500 mgN/L The specific ANAMMOX activity was found to be 0.598 ± 0.026gN2-N/gVSS Analysis of ANAMMOX granules suggested that 0.5–1.0 mm size granular sludge was the dominant group The results of DNA analysis revealed that Candidatus Kueneniastuttgartiensis was the dominant species (37.45%) in the IC reactor, whereas other species like uncultured Bacteroidetes bacterium only constituted 5.37% in the system, but they were still responsible for removing recalcitrant organic matter

iv

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cám ơn sự huớng dẫn tận tâm của PGS.TS Nguyễn Phước Dân và PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh Cám ơn thầy cô về kiến thức đã đ ược truyền đạt từ phương pháp suy luận thông minh, khả năng tư duy sâu sắc cũng như cách giải quyết công việc khoa học Cám ơn thời gian được học tập và làm việc cùng thầy cô

Tôi xin trân trọng cám ơn Ban Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM, phòng Đào tạo, Khoa Môi trường và Tài nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Cám ơn ba mẹ, gia đình luôn hỗ trợ, động viên tôi trong những lúc khó khăn để cố gắng vuợt qua những trở ngại, hoàn thành luận án tốt nghiệp

Cám ơn các đồng nghiệp, các bạn sinh viên thân thương đã luôn sát cánh cùng tôi trong suốt những năm nghiên cứu

Cuối cùng luận án cũng đã hoàn thành, đối với chúng tôi – những nghiên cứu sinh trong nuớc – thật sự phải vuợt qua nhiều trở ngại từ tài liệu nghiên cứu, kinh phí, thời gian và thiết bị phân tích Những nỗ lực trong thời gian qua là tiền đề để chúng tôi tiếp tục phấn đấu theo con đuờng khoa học đã lựa chọn

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TÓM TẮT LUẬN ÁN ii

ABSTRACT iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐẶC TÍNH NƯỚC RỈ RÁC 7

1.1 Nguồn gốc phát sinh nước rỉ rác 7

1.1.1 Thành phần và tính chất nước rỉ rác 7

1.1.2 Thành phần và tính chất nước rỉ rác cũ phát sinh từ bãi rác Gò Cát 9

1.1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 11

1.2 Ngoài nước 11

1.2.1 Trong nước 18

1.2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1.3 LUẬN ÁN 21

Quá trình nitrite hóa bán phần, Sharon 22

1.3.1 Quá trình Anammox 31

1.3.2 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH 56

1.4 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 58

CHƯƠNG 2 NHỮNG TỒN TẠI TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC TẠI VIỆT NAM 58

2.1 NHỮNG TỒN TẠI TRONG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC TẠI VIỆT 2.2 NAM 59 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 60 2.3

Phân tích hóa học 723.3.1.

Phương pháp xác định thông số động học của AOB 733.3.2

Phương pháp xác định hoạt tính bùn anammox (SAA) 733.3.3

Phương pháp xác định các thành phần COD 733.3.4

Phương pháp xác định cộng đồng vi khuẩn Anammox 743.3.5

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 743.4

Tải trọng nitơ (NLR) (kg N/m3.ngày) 743.4.1

Thời gian lưu nước (HRT) (ngày) 743.4.2

Thời gian lưu bùn (SRT) (ngày ) [188] 753.4.3

Nồng độ ammonia tự do (FA) (mg/L) [27] 753.4.4

Nồng độ axit nitrous tự do (FNA) (mg/L) [27] 753.4.5

Tính SS và VSS (mg/L) 763.4.6

Xử lý số liệu 763.4.7

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 77CHƯƠNG 4

NỘI DUNG 1 QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN ỨNG DỤNG CÔNG 4.1

NGHỆ SBR 77 Thí nghiệm 1 Giai đoạn làm giàu bùn 774.1.1

Thí nghiệm 2 Đánh giá hiệu quả mô hình PN-SBR 834.1.2

NỘI DUNG 2 QUÁ TRÌNH ANAMMOX ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IC 964.2

vii

Thí nghiệm 3 Đánh giá hiệu quả mô hình AIC 96

4.2.1 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 120

4.3 Sơ đồ công nghệ đề xuất 120

4.3.1 Tính toán cân bằng vật chất của hệ thống 123

4.3.2 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 126

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 126

5.1 Đối với quá trình nitrite hóa bán phần 126

5.1.1 Đối với quá trình Anammox 126

5.1.2 KIẾN NGHỊ 128

5.2 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

PHỤ LỤC 153

PHỤ LỤC I PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 153

PHỤ LỤC II SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM 176

PHỤ LỤC III HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM 203

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Sự thay đổi của đặc tính nước rỉ rác theo thời gian [6] 8

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Buckden South [10] 12

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 (USEPA) [10] 12

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 (USEPA) [10] 13

Hình 1.5 Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và hóa học [10] 13

Hình 1.6 Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và hóa lý [10] 14

Hình 1.7 Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và thẩm thấu ngược [10] 15

Hình 1.8 Công nghệ xử lý nước rác của BCL Sudokwon - Hàn Quốc [10] 16

Hình 1.9 Công nghệ xử lý nước rỉ rác của Nhật [10] 17

Hình 1.10 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 1 18

Hình 1.11 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 2 19

Hình 1.12 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 3 19

Hình 1.13 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 1 20

Hình 1.14 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 2 20

Hình 1.15 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 3 21

Hình 1.16: Quá trình Anammox thông qua các con đường chuyển hóa [74] 33

Hình 1.17 Cơ chế hình thành bùn hạt Anammox [154] 49

Hình 3.1 Sơ đồ nội dung 1 61

Hình 3.2 Sơ đồ nội dung 2 62

Hình 3.3 Hệ thống của 02 giai đoạn thí nghiệm loại bỏ nitơ 63

Hình 3.4 Mô hình thí nghiệm PNSBR 64

Hình 3.5 Mô hình IC 69

Hình 4.1 Nồng độ NH4 + -N đầu vào và tải trọng nitơ xử lý NLR ở các tỷ lệ nước rỉ rác thô khác nhau trong thí nghiệm 1 77

Hình 4.2 Sự chuyển hóa các thành phần nitơ đầu ra mô hình PNSBR ở thí nghiệm 1 78 Hình 4.3 Diễn biến tỷ lệ NO2 N/NH4 + -N đẩu ra trong thí nghiệm 1 78

ix

Hình 4.4 Nồng độ ammonium đầu vào và tải trọng nitơ xử lý NLR (a); diễn biến các thành phần nitơ đầu ra và tỷ lệ NO2

-:NH4 +

đầu ra (b) 85

Hình 4.5 Độ kiềm đầu vào và ra (a); tỷ lệ HCO3 -:NH4 + đầu vào (b) 87

Hình 4.6 Tỷ lệ NO2 N/NH4 + -N và pH trong một mẻ phản ứng ngày thứ 195 – 198 88

Hình 4.7 Nồng độ các hợp chất nitơ trong mẻ phản ứng ngày 195 – 198 88

Hình 4.8 Nồng độ của FA và FNA trong một mẻ phản ứng ngày thứ 195 – 198 89

Hình 4.9 Biểu hiện nồng độ và hiệu quả xử lý COD 90

Hình 4.10 Hoạt tính của AOB trong hai môi trường 93

Hình 4.11 Diễn biến nồng độ các thành phần nitơ trong quá trình thí nghiệm 96

Hình 4.12 (a) Thành phần Nitơ đầu vào; (b) Thành phần Nitơ đầu ra 101

Hình 4.13 Tốc độ loại bỏ Nitơ của vi khuẩn Anammox 102

Hình 4.14 Nồng độ MLSS (a) và nồng độ MLVSS (b) theo từng chiều cao trong bể Anammox IC ở các tải trọng đầu vào khác nhau 104

Hình 4.15 Phần trăm số lượng hạt phân theo kích thước 106

Hình 4.16 Bùn hạt Anammox trong bể IC tải trọng10,0 kgN/m3.ngày 107

Hình 4.17 Hàm lượng Sắt tổng tích lũy trong bùn hạt Anammox 108

Hình 4.18 Tốc độ lắng của bùn hạt theo từng kích thước 109

Hình 4.19 Tỷ lệ VSS/SS theo các kích cỡ bùn hạt 109

Hình 4.20 Thành phần phần trăm các nguyên tố có trong 1gSS theo kích cỡ hạt 112

Hình 4.21 Giá trị SAA bùn từ bể IC 113

Hình 4.22 Các hình ảnh từ mẩu bùn hạt bể IC: màu xanhtổng các vi khuẩn, màu đỏAOB, màu hồngAnammox, hình bên góc phải bên dưới  phủ các màu lên nhau (vị trí của các chủng vi khuẩn) 116

Hình 4.23 Tỷ lệ phần trăm các các chất hữu cơ của nước rỉ rác cũ sau quá trình Anammox 117

Hình 4.24 Sự biến đổi các thành phần COD bể phản ứng Anammox IC 118

Hình 4.25 Quy trình công nghệ hệ thống xử lý nước rỉ rác cũ 121

Hình I.1 Mô hình hô hấp kế 153

Hình I.2 Quá trình thí nghiệm đo tốc độ hô hấp 157

x

Hình I.3 Mô hình AHSGMS 161

Hình I.4 Diễn biến 1 mẻ trong thí nghiệm SAA 164

Hình I.5 Cửa sổ phần mềm DAQMaster hiển thị dữ liệu từ thí nghiệm 165

Hình I.6 Thí nghiệm TbOD [13] 170

Hình I.7 Sơ đồ quy trình thí nghiệm xác định các thành phần COD 172

Hình III.1 Mô hình PNSBR 203

Hình III.2 Mô hình AIC 203

Hình III.3 Hình ảnh lấy nước rỉ rác cũ tại bãi rát Gò Cát 203

Hình III.4 Hình ảnh lấy nước rỉ rác cũ tại bãi rát Gò Cát 203

Hình III.5 Bể Aerotak tại Gò Cát 204

Hình III.6 Tháp tách khí tại Gò Cát 204

Hình III.7 Bùn từ Gò Cát 204

Hình III.8 Bùn sau khi làm giàu AOB ở thí nghiệm 1 204

Hình III.9 Bùn Anammox tải 10 kgN/m3.ngày 205

Hình III.10 Bùn Anammox 8 kgN/m3.ngày 205

Hình III.11 Bùn hạt Anammox 4 cm 205

Hình III.12 Bùn hạt Anammox 3 cm 205

Hình III.13 Bùn hạt Anammox 2 cm 205

Hình III.14 Bùn hạt Anammox 1 cm 205

Hình III.15 Mô hình hô hấp kế 206

Hình III.16 Màn hình ghi nhận thí nghiệm hô hấp kế 206

Hình III.17 Kết quả thí nghiệm hô hấp kế từ phần mềm Sigma Plot 207

Hình III.18 Mô hình xác định các thành phần COD 207

Hình III.19 Mô hình xác định các thành phần COD đang hoạt động 207

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, ammonia tự do và acid nitrous lên quá trình

nitrite hóa 23

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của nồng độ DO lên quá trình nitrite hóa [28] 26

Bảng 1.3 Mô hình thí nghiệm quá trình nitrite hóa bán phần, SHARON 28

Bảng 1.4 Các nhà máy ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần, SHARON 29

Bảng 1.5 Các thông số vận hành tối ưu cho quá trình Anammox 44

Bảng 1.6 Các thiết bị phản ứng Anammox quy mô phòng thí nghiệm 52

Bảng 1.7 Những hệ thống Anammox quy mô thực tế 53

Bảng 1.8 Các nghiên cứu chính ứng dụng quá trình Anammox xử lý nước rỉ rác 55

Bảng 3.1 Thành phần tính chất nước rỉ rác bãi rác Gò Cát (n = 120) 65

Bảng 3.2 Điều kiện vận hành bể PNSBR 66

Bảng 3.3 Thành phần tính chất nước rỉ rác bãi rác Gò Cát (n = 76) 67

Bảng 3.4 Thành phần nước rỉ rác trong thí nghiệm 3 70

Bảng 3.5 Điều kiện vận hành mô hình IC qua các giai đoạn 71

Bảng 3.6 Các phương pháp phân tích 72

Bảng 4.1 Tổng hợp nồng độ MLSS, MLVSS, tỷ lệ MLSS/MLVSS trong suốt quá trình thí nghiệm 1 (n=3) 82

Bảng 4.2 Các thành phần OUR trong thí nghiệm 91

Bảng 4.3 Phần trăm các thành phần OUR trong thí nghiệm 92

Bảng 4.4 Kết quả thông số động học vi khuẩn AOB trong mô hình thí nghiệm 92

Bảng 4.5 So sánh với các nghiên cứu khác 94

Bảng 4.6 Thông số thiết kế và vận hành bể PNSBR 95

Bảng 4.7 Tổng hợp tỷ lệ TN RR, NO2-N CR và NO3-N PR so với NH4-N CR ở các tải trọng xử lý 98

Bảng 4.8 Nồng độ MLSS và MLVSS qua các tải trọng 102

Bảng 4.9 So sánh bùn nổi với bùn lắng tốt 110

Bảng 4.10 Đặc tính bùn hạt phân theo kích thước 112

xii

Bảng 4.11 Kết quả SAA từ bùn Anammox của mô hình IC 114

Bảng 4.12 Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới về SAA 114

Bảng 4.13 Cộng đồng vi khuẩn chính trong bùn hạt bể Anammox IC 115

Bảng 4.14 Kết quả thí nghiệm các thành phần COD trong nước rỉ rác sau quá trình Anammox 117

Bảng 4.15 Thông số thiết kế và vận hành bể AIC 120

Bảng 4.16 Kết quả tính toán nồng độ các thông số ô nhiễm qua từng công đoạn xử lý 125

Bảng I.1 Thông số vận hành của mô hình SBR nitritee hóa bán phần 154

Bảng I.2 Thành phần nước nhân tạo 155

Bảng I.3 Thành phần nước thải nhân tạo (Van de Graaf và cộng sự, 1996) 162

Bảng I.4 Thành phần vi lượng (Van de Graaf và cộng sự, 1996) 163

Bảng I.5 Thành phần phản ứng PCR 174

Bảng I.6 Đầu dò 16S rRNA oligonucleotide được sử dụng cho FISH 175

xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ABF Anaerobic biological filter Bể lọc sinh học kỵ khí

AHSGMS Automatic High Sensitivity Gas

Metering Systems

Hệ thống đo độ sinh khí tự động với độ nhạy cao

AIC Anammox Internal Circulation Bể Anammox dòng tuần hoàn

nội bộ Anammox Anaerobic Amoni Oxidation Oxy hóa amoni kỵ khí

AOB Ammonium Oxidation Bacteria Vi khuẩn oxy hóa amoni thành

nitrite AOX Adsorbable organic halogens Halogen hữu cơ dễ bị hấp thụ

BOD5 Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học cho 5

ngày

Nitrogen Removal Over Nitrire

Sự kết hợp giữa Nitrite hóa bán phần và Anammox trong cùng một thiết bị xử lý nitơ

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

Reactor

Bể xáo trộn dòng liên tục

xiv

FBBR Fixed-bed Biofilm Reactor Bể màng sinh học cố định

Hybridization

HGSS Hybrid gas solid separator Thiết bị phân tách rắn khí kết

hợp

HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu nước

HSBR hybrid sequencing batch reactor bể phản ứng theo mẻ lai hợp

IC Internal Circulation Bể dòng tuần hoàn nội bộ ILR The Influent Loading Rate Tải trọng đầu vào

MLE Modified Ludzack Ettinger

MLSS Mixed Liquor Suspended Solids Nồng độ chất rắn lơ lửng hòa

tan

Suspended Solid

Nồng độ chất rắn lơ lửng bay hơi

xv

Reactor

Bể phản ứng dạng mẻ kết hợp màng

NLRmax Maximum Nitrogen Loading

N Nitrate Nitrogen Nitrate tính theo nitơ

NOB Nitrite Oxidation Bacteria Vi khuẩn oxy hóa nitrite thành

nitrate

NR

-

Enzym khử Nitrite thành sản phẩm giả thiết là hydroxylamine

NLR Nitrogen Loading Rate Tải trọng nitơ đầu vào

NRR Nitrogen Removal Rate Tải trọng nitơ loại bỏ

NRRmax Maximum Nitrogen Removal

Rate

Tốc độ loại bỏ nitơ lớn nhất

NH4

+

-N Ammonium Nitrogen Amoni tính theo nitơ

OLAND Oxygen Limitted Nitrification

Autotrophic Denitrification

Kết hợp quá trình nitrite hóa, khử nitrite tự dƣỡng giới hạn oxy

ORP Oxidation Reduction Potential Điện thế oxy hóa khử

PNSBR Partial Nitriteation Sequencing

batch reactor

Quá trình nitrite hóa bán phần trong bể sinh học theo mẻ

RBC Rotating Biological Contactor Đĩa quay sinh học

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

về nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn

SAA Specific Activity Anammox Hoạt tính riêng của bùn

Anammox SBR Sequence Batch Reactor Bể phản ứng dạng mẻ

SHARON Single reactor system for High

activity Amoni Removal Over Nitrite

Nitrite hóa bán phần trong một

bể phản ứng

Nitrification, Anammox and Denitrification

Quá trình kết hợp Nitrite hóa bán phần, Anmmox và Khử nitrate Quá trình kết hợp Nitrite hóa bán phần, Anmmox

và Khử nitrate SNAP Single Stage Nitrogen Removal

using Anammox and Partial Nitriteation

Quá trình loại bỏ nitơ kết hợp Nitrite hóa bán phần- Anmmox trong một bể

SO4

SRT Sludge Retention Time Thời gian lưu bùn

Demand

Tổng nhu cầu oxy sinh học

TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hoà tan

TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng Nitơ Kjeldahl

xvii

TNRR Total Nitrogen Removal Rate Tốc độ lọai bỏ nitơ tổng

TSS Total Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng

sludge bed

Bể bùn hạt Anammox dòng hướng ngược

blanket

Bể dạng tầng bùn kỵ khí dòng hướng ngược

VER Volume Exchange Ratio Tỷ lệ giữa thể tích nạp vào với

thể tích hoạt động của bể

WAS Waste Activated Sludge Tốc độ sản sinh bùn dư

Nước rỉ từ bãi chôn lấp (còn gọi là nước rỉ rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng dưới của bãi chôn lấp có khả năng làm nhiễm bẩn nguồn nước ngầm và nước mặt nếu không được thu gom và xử lý triệt để Nước rỉ rác sản sinh ra ngay từ khi bãi rác mới vận hành cho đến nhiều thập niên tiếp theo thậm chí khi bãi rác đã đóng cửa Nước rỉ rác sản sinh ra chủ yếu từ độ

ẩm của rác, các dòng thấm chảy qua lớp chất thải được chôn lấp và hòa tan các chất có trong chất thải vào dòng lỏng

Ở các nước có khí hậu nóng ẩm như Việt Nam, một yếu tố bất lợi của phương pháp này là sự sinh ra một lượng nước rỉ rác rất lớn và tăng nhanh trong quá trình vận hành bãi chôn lấp do các yếu tố bất lợi từ khí hậu đem lại.Cùng với sự phát triển, thành phần và nồng độ các loại chất thải ngày càng gia tăng phức tạp dẫn đến sự tích lũy ngày càng nhiều các thành phần độc hại trong các bãi chôn lấp Nước rỉ rác là nguy

cơ đe dọa ô nhiễm môi trường đất và môi trường nước, đặc biệt là ammonia và các kim loại nặng

Do thành phần rất phức tạp và khả năng gây ô nhiễm cao, nước rỉ rác từ bãi rác đòi hỏi một dây chuyền công nghệ xử lý kết hợp, bao gồm nhiều khâu xử lý như xử lý sơ bộ,

xử lý bậc hai, xử lý bậc ba để đạt tiêu chuẩn thải Ngoài việc xử lý ô nhiễm hữu cơ thì

xử lý ammonia trong nước rỉ rác đang ngày càng trở thành một nhu cầu cấp thiết trong thời gian gần đây tại Việt Nam, cụ thể tại thành phố Hồ Chí Minh với yêu cầu xử lý nước rỉ rác cho 2 bãi rác điển hình Gò Cát và Đông Thạnh Việc tìm ra các giải pháp

xử lý ô nhiễm hữu cơ nói chung và xử lý ô nhiễm nitơ nói riêng cho nước rỉ rác của

2

các bãi chôn lấp, thỏa mãn các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và điều kiện khí hậu tại nước

ta là một bài toán đang được đặt ra trong thời gian gần đây

Đối với loại nước thải rỉ rác cũ có nồng NH4

+-N cao và nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ thấp thì việc xử lý để loại bỏ chúng trước khi xả vào nguồn nước đang là nhu cầu cấp thiết hiện tại và tương lai Hiện tại quá trình nitrate hóa và khử nitrate truyền thống đang được áp dụng rộng rãi trong thực tế xử lý nước thải Tuy nhiên, quá trình loại bỏ truyền thống này đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành Gần đây, một quá trình mới (Anammox) loại bỏ nitơ đã được phát hiện và chứng minh có khả năng loại bỏ nitơ với hiệu quả rất cao với chi phí đầu tư xây dựng và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình nitrate hóa và khử nitrate truyền thống

Năm 1995, các nhà khoa học đã phát hiện được một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa từng biết đến trước đó cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, đó là phản ứng oxy hóa kị

khí Ammonium (Anaerobic Ammonium oxidation, viết tắt là Anammox) Trong phản

ứng này Ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kị khí tạo thành khí nitơ

mà không cần cung cấp nguồn cacbon Sự phát triển quá trình Anammox đã mở ra hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao và chất ô nhiễm hữu cơ thấp Trong vòng hai thập niên vừa qua đã bùng nổ các nghiên cứu về quá trình Anammox và ứng dụng của nó

Quá trình Anammox đã được ứng dụng thành công đối với cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp thuộc da ở Hà Lan Tuy nhiên chưa có một nghiên cứu nào ở Việt Nam về việc ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ với nồng độ cao trong nước thải rỉ rác cũ

Vì vậy, luận án này tập trung nghiên cứu vào ứng dụng công nghệ nitrite hóa bán phần

và Anammox nhằm xử lý hiệu quả về kinh tế và môi trường cho nước rỉ rác cũ chứa

NH4

+

-N nồng độ cao

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Từ những vấn đề nêu trên, đề tài ―Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrite hóa bán

phần- Anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ‖ khảo sát hai quá trình: (1) quá

xử lý COD của quá trình bằng phương pháp TbOD

- Nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ ở nồng

độ và tải trọng cao sử dụng mô hình dòng tuần hoàn nội bộ (IC- Internal Circulation)

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nước rỉ rác cũ từ bãi chôn lấp Gò cát, huyện Bình Chánh, Tp.HCM

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở lý thuyết và kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên – Đại học Bách Khoa TP.HCM

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Đối với quá trình nitrite hóa bán phần sử dụng công nghệ SBR (PNSBR)

- Nghiên cứu chế độ vận hành ổn định lâu dài mô hình nitrite hóa bán phần sử dụng công nghệ SBR (PNSBR) bằng cách kiểm soát pH, độ kiềm, FA ở nồng độ ammonium cao (NH4

+

-N = 3.500 - 4.000)

- Xác định các thông số động học của vi khuẩn AOB: hệ số sử dụng oxy (YO2), tốc độ

sử dụng oxy (K‘), tốc độ tiêu thụ oxy lớn nhất (OURmax), tốc độ sử dụng cơ chất (Ks) trên đối tượng nước thải nhân tạo sử dụng mô hình hô hấp kế

4

- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ FA khác nhau có trong nước rỉ rác lên vi khuẩn AOB

- Đánh giá khả năng xử lý COD của mô hình PNSBR

 Đối với quá trình Anammox dòng tuần hoàn nội bộ (IC- Internal

- Khảo sát khả năng xử lý COD ở tải trọng 10 kgN/m3.ngày

- Xác định hoạt tính bùn Anammox (SAA- Specific Anammox Activity) thông qua mô hình thí nghiệm dạng mẻ dựa vào lượng khí sinh ra (AHSGMS- Automatic High Sensitivity Gas Metering Systems)

- Sử dụng mô hình AHSGMS khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NO2

-N lên SAA

Định danh vi khuẩn Anammox bằng kỹ thuật PCA đoạn gen 16rDNA

- Khảo sát đặc tính bùn hạt Anammox (tốc độ lắng, SVI, kích thước bùn hạt, MLSS, MLVSS)

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu được áp dụng bao gồm:

Phương pháp tổng quan thu thập dữ liệu: thu thập tài liệu tổng quan về nước rỉ rác cũ, hiện trạng phát sinh và công nghệ xử lý nước rỉ rác cũ trong và ngoài nước Sau đó xử

lý phù hợp với mục đích và nội dung nghiên cứu của luận án

5

Phương pháp kế thừa: kế thừa những nghiên cứu về xử lý nước rỉ rác cũ của nhiều tác giả trong và ngoài nước Từ đó chọn lọc những điểm nghiên cứu có tính hữu ích cho nghiên cứu của luận án

Phương pháp mô hình hóa: xây dựng mô hình trong phòng thí nghiệm để xác định những tác nhân ảnh hưởng đến quá trình xử lý, sau đó tối ưu những tác nhân này và xác định hiệu quả xử lý Đây cũng là phương pháp nghiên cứu chủ yếu xuyên suốt các tiến trình của luận án

Phương pháp thống kê, xử lý số liệu: sử dụng phần mềm Excel và các phần mềm xử

lý số liệu và vẽ đồ thị khác để xác định khuynh hướng kết quả nghiên cứu

Phương pháp phân tích: các thông số được đo đạc và phân tích trong luận án gồm có

pH, SS, COD, BOD5, NO3

-N , NO2

-N, TKN, NH4

-+-N , độ kiềm, MLSS, MLVSS, SVI, Kỹ thuật Metagenomics DNA, FISH định danh chủng vi khuẩn

Phương pháp so sánh: so sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước trên cùng dạng

mô hình cũng như trên nước rỉ rác cũ

Phương pháp chuyên gia: lĩnh hội các ý kiến, định hướng nội dung và phương pháp

nghiên cứu, đánh giá độ tin cậy

6 TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN

Các nghiên cứu về công nghệ xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ chủ yếu là nghiên cứu ứng dụng các quá trình nitrate hóa – khử nitrate truyền thống Các nghiên cứu ứng dụng các quá trình sinh học mới, điển hình là quá trình Anammox còn rất hạn chế và chưa được nghiên cứu rộng rãi ở Việt Nam Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần- Anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ được xem như là một trong những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN

7.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai ứng dụng quá trình Anammox trong xử

lý nước rỉ rác có nồng độ Ammonium cao với chi phí đầu tư cơ bản và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình khử nitơ truyền thống (nitrate hóa-khử nitrate)

Hơn nữa, kết quả đề tài cũng làm tiền đề cho việc ứng dụng quá trình Anammox sử dụng công nghệ IC để xử lý nitơ ở các bãi rác cũ và các bãi rác mới

7

TỔNG QUAN CHƯƠNG 1.

Trong đó:

Qw: lượng nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp

Sw: lượng nước ngấm vào từ phía trên

Ww: lượng nước do thay đổi độ ẩm của rác và vật liệu phủ bề mặt

Pw: lượng nước tiêu thụ cho các phản ứng

Ew: lượng nước bốc hơi

Thành phần và tính chất nước rỉ rác

1.1.2.

Nước rỉ rác là nước thải ô nhiễm rất cao và phức tạp Hỗn hợp các chất ô nhiễm hữu

cơ và vô cơ cao được tìm thấy trong nước rỉ rác là kết quả của quá trình sinh học, hóa học và vật lý diễn ra trong bãi rác mà các quá trình này là sự kết hợp giữa các thành phần chất thải với chế độ nước của bãi rác [2] Thành phần nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tuổi bãi rác, khí hậu, bản chất của chất thải phân hủy và cũng thay đổi từ vị trí này đến vị trí khác Nước rỉ rác bao gồm bốn thành phần chính [3] [4]:

và HCO3

Kim loại nặng: Cd2+, Cr3+, Cu2+, Pb2+, Ni2+ và Zn2+

-Các hợp chất hữu cơ xenobiotic gồm: các hợp chất vòng thơm, phenol, thuốc trừ sâu, Các hợp chất này thường tồn tại ở hàm lượng thấp

Thành phần nước rỉ rác cũng chứa các chất độc và chúng được xác định bằng các thử nghiệm độc học (Vibrio fischeri, Daphania similes, Artemia salina,…) Các chất độc này có hại đối với các vi sinh vật [5] [4] Các thử nghiệm độc học xác nhận các căn bệnh tiềm ẩn từ nước rỉ rác và sự cần thiết phải xử lý nó

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước rỉ rác.Tuy nhiên, trong nhiều yếu tố, tuổi thọ bãi rác là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến thành phần nước rỉ rác [5] EPA (2000) đã báo cáo một đặc tính thay đổi của thành phần nước rỉ rác với độ tuổi của các bãi chôn lấp như sau:

Hình 1.1 Sự thay đổi của đặc tính nước rỉ rác theo thời gian [6]

9

Nước rỉ rác được chia thành năm giai đoạn thay đổi phụ thuộc vào sự có mặt của các điều kiện thích hợp (hiếu khí, thủy phân và lên men, sự sản sinh acetate, sự sản sinh metan và giai đoạn hiếu khí) Theo mô hình này, các bãi chôn lấp mới sẽ tạo ra nước thải có sự hiện diện VFA cao Do đó, nước thải từ bãi rác mới là loại nước thải giàu amoni với một phần phân hủy sinh học cao trong thành phần các chất hữu cơ Amoni được sinh ra bởi sự phân hủy các chất hữu cơ và đạt nồng độ tối đa trong giai đoạn đầu tiên của quá trình phân hủy chất thải Khi thời gian trôi qua, quá trình ổn định là kết quả của sự gia tăng của nồng độ amoni và giảm của các phần phân hủy sinh học của COD Nước thải sinh ra ở giai đoạn cuối cùng được gọi là nước rỉ rác cũ Trong trường hợp này, các chất hữu cơ là các chất cơ bản như humic và fulvic và nồng độ amoni vẫn còn cao nhưng có thể giảm theo thời gian [7]

Đặc tính nước rỉ rác theo số năm được trình bày như sau:

Bảng 1.3 Đặc tính nước rỉ rác phân loại theo số năm của Renou (2008) [5]

Axit humic và axit fulvic

Thành phần kim loại

Khả năng phân hủy

Thành phần và tính chất nước rỉ rác cũ phát sinh từ bãi rác Gò Cát

1.1.3.

Bãi rác Gò Cát có tổng diện tích 25 ha tại Khu phố 9, phường Bình Hưng Hòa, quận Bình Tân, TP.HCM, trong đó diện tích khu vực hố chôn chất thải là 17,5 ha, chiếm

10

85% bao gồm 5 ô, mỗi ô có diện tích bề mặt 3,5 ha, sức chứa trung bình 73.000 tấn Tổng công suất 3.650.000 tấn Khả năng xử lý 4.000 – 5.000 tấn/ngày Tuy nhiên, theo thống kê của Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM, tổng lượng chất thải đã chôn lấp tại bãi rác Gò Cát là 5.383.498,85 tấn, vượt hơn công suất thiết kế 1.733.498,85 tấn Thời gian tiếp nhận rác từ tháng đầu năm 2001 đến cuối tháng 07/2007

Với điều kiện khí hậu đặc trưng của thành phố Hồ Chí Minh, nóng ẩm, mưa nhiều làm cho chất thải chôn lấp ở bãi rác Gò Cát có độ ẩm cao, lượng nước rỉ rác phát sinh nhiều, ước tính khoảng 400 m3/ngày

Thành phần nước rỉ bãi rác Gò Cát được trình bày như sau:

11

Khả năng phân hủy của nước rác thay đổi theo thời gian Khả năng phân hủy sinh học

có thể xét thông qua tỷ lệ BOD5/COD Khi mới chôn lấp tỷ lệ này thường khoảng 0,5 hoặc lớn hơn Khi tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4-0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu cơ trong nước rỉ rác dễ phân hủy sinh học Trong các bãi rác lâu năm, tỷ lệ BOD5/COD rất thấp, khoảng 0,005 – 0,2 Khi đó nước rỉ rác chứa nhiều humic acid và fulvic acid

có khả năng phân hủy sinh học thấp

Khi thành phần và tính chất nước rỉ rác thay đổi theo thời gian thì việc thiết kế hệ thống xử lý cũng rất phức tạp Chẳng hạn như, hệ thống xử lý nước rác cho bãi chôn lấp mới sẽ khác so với hệ thống xử lý các bãi rác lâu năm Đồng thời, việc phân tích tính chất nước rỉ rác cũng rất phức tạp bởi nước rỉ rác có thể là hỗn hợp của nước ở các thời điểm khác nhau Từ đó, việc tìm ra công nghệ xử lý thích hợp cũng gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải nghiên cứu thực tế mới có thể tìm ra công nghệ xử lý hiệu quả

Bãi chôn lấp Buckden South ở Anh

1.2.1.1.

Bãi chôn lấp Buckden South miền Đông nước Anh nằm trong vùng chịu ảnh hưởng thuỷ triều của sông Great Ouse Hệ thống xử lý nước rỉ rác của bãi chôn lấp này gồm hai bể SBR hoạt động song song nhằm khử BOD và nitrate hoá Nước sau xử lý sinh học tiếp tục xử lý bổ sung bằng bãi lau sậy 1 (reed constructed wetland) có diện tích

2000 m2 tiếp theo là oxy hoá mạnh bằng ozone nhằm phá vỡ dư lượng thuốc bảo vệ thực vật thành các chất hữu cơ phân tử nhỏ hơn Các chất hữu cơ này phân huỷ sinh học ở bãi sậy thứ 2 (500 m2) trước khi xả vào sông Ouse

12

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Buckden South [10] Kết quả hoạt động hơn 8 năm cho thấy mặc dù nước rỉ rác sau xử lý có hàm lượng COD (350 mg/L) vượt quá giới hạn cho phép (200 mg/L), nhưng thật sự không ảnh hưởng đến cá hồi sống trong sông Ouse Điều này cho thấy chất hữu cơ còn lại sau xử

lý chủ yếu là các sản phẩm vô hại đối với thuỷ sinh, như axit fulvic và axit humic

Hệ thống xử lý nước rỉ rác của hai BCL rác sinh hoạt ở Mỹ

1.2.1.2.

Công nghệ xử lý ở bãi chôn lấp 1 bao gồm kết tủa hydroxyde, xử lý sinh học (tháp sinh học kị khí và hiếu khí) và cuối cùng xử lý bằng lọc nhiều lớp Xử lý sinh học được sử dụng ở đây chủ yếu để khử N-ammonia (99%) và COD (91%) Hàm lượng COD và NH4

+-N còn lại trước khi xả ra sông là 159 mgCOD/L và 1,2 mg N/L

Các hàm lượng chất hữu cơ độc và kim loại nặng giảm đáng kể Hệ thống xử lý ở bãi chôn lấp 2 gồm bể keo tụ vôi, sinh học từng mẻ (SBR), lọc cát, cột than hoạt tính và tiếp xúc chlorine Sơ đồ công nghệ thể hiện ở hình 1.3 COD đầu ra vẫn khoảng 160-

250 mg/L Kết quả trên cho thấy với công nghệ xử lý bậc cao (sau xử lý sinh học) như trên (lọc, than hoạt tính) để đạt COD<100 mg/L là không thể

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 (USEPA) [10]

13

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 (USEPA) [10]

Công nghệ xử lý ở bãi chôn lấp 1 bao gồm kết tủa hydroxyde, xử lý sinh học (tháp sinh học kị khí và hiếu khí) và cuối cùng xử lý bằng lọc nhiều lớp Xử lý sinh học được sử dụng ở đây chủ yếu để khử N-ammonia (99%) và COD (91%) Hàm lượng COD và NH4

+-N còn lại trước khi xả ra sông là 159 mgCOD/L và 1,2 mg N/L

Các hàm lượng chất hữu cơ độc và kim loại nặng giảm đáng kể Hệ thống xử lý ở bãi chôn lấp 2 gồm bể keo tụ vôi, sinh học từng mẻ (SBR), lọc cát, cột than hoạt tính và tiếp xúc chlorine Sơ đồ công nghệ thể hiện ở hình 1.3 COD đầu ra vẫn khoảng 160-

250 mg/L Kết quả trên cho thấy với công nghệ xử lý bậc cao (sau xử lý sinh học) như trên (lọc, than hoạt tính) để đạt COD<100 mg/L là không thể

Công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Đức

1.2.1.3.

Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và hóa học

Hình 1.5 Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và hóa học [10]

14

Với thành phần nước rỉ rác đầu vào có nồng độ COD thấp, AOX, NH4

+ cao, dây chuyền công nghệ kết hợp giữa sinh học, hóa học và cơ học là hợp lý Sau bước nitrate hóa và khử nitrate, hiệu quả xử lý khử nitơ đạt cao nhất 99,9%, hiệu quả khử COD đạt 65%, và AOX đạt hiệu quả 40% Mục đích chính của quá trình oxy hóa là oxy hóa các hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học, hai thành phần được khử chính trong quá trình oxy hóa là COD và AOX với hiệu quả là 85% và 91%, kết quả cho thấy trong bước oxy hóa các hợp chất AOX được xử lý triệt để hơn Đối với công đoạn xử lý sinh học bằng bể sinh học lọc tiếp xúc hiệu quả xử lý không cao, COD chỉ đạt 46% và AOX đạt 43% số liệu phù hợp với tính chất của nước rỉ rác là khó phân hủy Tuy nhiên, công nghệ được áp dụng có chi phí vận hành cao do sử dụng ozone và công đoạn nitrate hóa và khử nitrate đòi hỏi năng lượng cao

Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và hóa lý

Hình 1.6 Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và hóa lý [10]

Một công nghệ khác cũng được áp dụng tại miền Bắc nước Đức để xử lý nước rỉ rác của BCL đã được vận hành trong thời gian dài (từ năm 1993), công nghệ áp dụng xử

lý nước rỉ rác bao gồm công đoạn khử ammonium bằng phương pháp sinh hóa truyền thống với hai quá trình nitrate hóa và khử nitrate, ammonium sẽ được nhóm vi sinh vật nitrosomonas oxy hóa thành nitritee và nitritee tiếp tục được nhóm vi sinh vật nitrobacter oxy hóa thành nitriteate và khí nitơ tự do, hiệu quả khử nitơ đạt 99.9% và COD đạt 45% trong giai đọan này Bể lắng được ứng dụng để tách các bông bùn từ bể sinh học, các chất hữu cơ còn lại sau quá trình khử nitơ chỉ là các chất khó/không có khả năng phân hủy sinh học, do đó phương pháp hóa lý, cụ thể là quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính được áp dụng, tạo bông và kết tủa là bước tiếp theo sau công đoạn hấp phụ, trong giai đoạn này hiệu quả xử lý COD đạt 86% và AOX đạt 87% Trung

15

hòa là công đoạn cuối của dây chuyền xử lý nước rỉ rác tại BCL Với dây chuyền công nghệ kết hợp các quá trình sinh học, hấp phụ và keo tụ nồng độ của các chất ô nhiễm chính sau xử lý đều đạt nồng độ giới hạn cho phép

Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và thẩm thấu ngược

Hình 1.7 Công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp sinh học và thẩm thấu ngược [10] Cũng như hầu hết các công nghệ xử lý nước rỉ rác khác trên thế giới, trong công nghệ

xử lý nước rỉ rác tại miền bắc nước Đức cũng không thể thiếu quá trình bùn hoạt tính sinh học, quá trình này như là một bước thiết yếu đối với xử lý nước rỉ rác, trong bước này các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học được loại bỏ và đây cũng là công đoạn chính để xử lý ammonium, hiệu quả khử nitơ đạt 99% Tiếp theo công đoạn sinh học là quá trình cơ học với thiết kế bể lắng để tách bông bùn ra khỏi hỗn hợp, và bể lọc được sử dụng để tách triệt để cặn lơ lửng từ bể lắng tạo điều kiện thuận lợi cho công đoạn tiếp theo là RO Cuối công nghệ quá trình thẩm thấu ngược (RO) được đưa vào để tiếp tục xử lý các chất hữu cơ khó/không phân hủy sinh học, trong công đoạn này hiệu quả xử lý AOX đạt 98%, và COD đạt 93%, đạt tiêu chuẩn xả vào nguồn tiếp nhận Một đặc điểm cần lưu ý là thành phần nước rỉ rác đầu vào hệ thống xử lý có có nồng độ COD, và NH4

+ rất thấp lần lượt là 668mg/L, và 180mg/L Công nghệ này cũng có chi phí vận hành và đầu tư rất cao do sử dụng công nghệ tiên tiến là RO

16

Công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Hàn Quốc

1.2.1.4.

Hình 1.8 Công nghệ xử lý nước rác của BCL Sudokwon - Hàn Quốc [10]

Công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Hàn Quốc bao gồm hai công trình chính: quá trình xử lý sinh học (quá trình phân hủy sinh học kị khí và quá trình khử nitơ) và quá trình hóa lý Trong giai đoạn đầu vận hành BCL (1992) quá trình phân hủy kị khí là một công đoạn cần thiết để xử lý các chất hữu cơ có nồng độ cao như nước rỉ rác phát sinh trong giai đoạn đầu vận hành bãi chôn lấp, đến năm 2004, do sự giảm tải trọng chất hữu cơ sau

12 năm hoạt động (1992-2004) nên hiện tại quá trình phân hủy kị khí được thay thế bằng quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng

Quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng được áp dụng trong công nghệ này là MLE (Modified Ludzack Ettinger), công nghệ MLE chủ yếu để xử lý nitơ trong nước rỉ rác

và gồm hai quá trình chính: quá trình nitrate hóa và quá trình khử nitrate, theo công nghệ MLE nước được tuần hoàn trong bể anoxic với tỷ lệ tuần hoàn là 600% (100% tuần hoàn trong bể khử nitrate và 500% tuần hoàn từ bể lắng) Đối với quá trình nitrate hóa (oxy hóa ammonia) nước rỉ rác được lưu trong bể 6,3 ngày, vi khuẩn chuyển hóa ammonia thành nitritee và nitrate Sau giai đoạn nitrate hóa, nước rỉ rác được chuyển sang giai đoạn khử nitrate, khi đó vi khuẩn chuyển hóa nitrate chuyển nitrate thành nitơ tự do, trong giai đoạn này nước rỉ rác được lưu trong 2,5 ngày

Quá trình hóa lý là bước thứ hai được thực hiện tiếp theo sau quá trình sinh học để được xử lý triệt để các thành phần ô nhiễm trong nước rỉ rác, quá trình xử lý hóa lý bao gồm hai bậc với sử dụng hóa chất keo tụ là FeSO4 Thành phần chất ô nhiễm trong nước rỉ rác tại BCL Sudokwon Hàn Quốc cho thấy nồng độ COD đầu vào trạm xử lý không cao dao động từ 2.200 - 3.600 mg/L (sau 12 năm hoạt động) giảm rất nhiều so

185 – 374 mg/L Quá trình xử lí hoá lý dùng để loại bỏ SS, kim loại nặng, COD và màu bằng keo tụ, lắng, oxi hoá Fenton và hấp thụ than hoạt tính Hiệu quả của quá trình hoá lí khử trên 94%BOD và khử trên 96%COD Đặc tính của vật liệu: nhẹ hơn nước 44 – 55 kg/m3

Hình 1.10 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 1

Do thiếu đồng bộ trong giải phóng mặt bằng và xây dựng nên đến tháng 7/2000 trạm mới chính thức được vận hành, nhưng sau 2 tháng vận hành với hiệu quả thấp trạm đã ngừng hoạt động cho đến nay để chờ hoàn thiện công nghệ Nguyên nhân chủ yếu là

do hồ sinh học chưa xây dựng (chưa giải phóng mặt bằng) Trước tình hình đó, Liên hiệp Khoa học và Sản xuất hóa học đã xây dựng trạm xử lý nước rỉ rác khẩn cấp công nghệ hóa học/hóa lý để oxy hóa/keo tụ Tuy nhiên, giải pháp này không thành công và trạm đã được tháo dỡ Năm 2002, Xí nghiệp Điện lạnh và Môi trường, Công ty Cơ khí Thủy sản (CTCKTS) xây dựng hệ thống xử lý theo quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 2, tận dụng hệ thống hồ sinh học của quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 1 trước đây để xử lý nitơ, nhưng không giải quyết được chỉ tiêu COD Năm 2006 cho đến nay, công ty SEEN xây dựng hệ thống xử lý công suất 500

m3/ngày, bao gồm các công đoạn xử lý nitơ (phương pháp thổi ngược) và COD (phương pháp sinh học SBR và hóa lý: fenton và hấp phụ) nước rỉ rác đã qua hệ thống

hồ sinh học theo quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 3 Tuy nhiên, chất

Trạm bơm

19

lượng sau xử lý không ổn định và chỉ tiêu ammonia đôi khi vượt tiêu chuẩn xả thải và cần thời gian ổn định 3 - 5 ngày trước khi xả ra ngoài môi trường

Hình 1.11 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 2

Hình 1.12 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Nam Sơn 3

Xử lý nước rỉ rác BCL Gò Cát (Tp Hồ Chí Minh) (Nguyễn Hồng Khánh, 1.2.2.2.

2009) [11]

BCL Gò Cát với diện tích 25 ha là một trong những BCL hợp vệ sinh đầu tiên của Việt Nam, được thiết kế và xây dựng hoàn chỉnh bằng kỹ thuật và công nghệ hiện đại của

Hà Lan Theo số liệu thống kê thì từ khi bắt đầu vận hành BCL năm 2001 đến nay, đã

có 03 loại hình công nghệ xử lý nước rỉ rác khác nhau được áp dụng do: (1) các công ty/trung tâm thực hiện như Công ty VerMeer, Hà Lan: phương pháp xử lý bằng màng lọc; (2) Trung tâm Môi trường CENTEMA: phương pháp xử lý sinh học; (3) Trung tâm Môi trường ECO: phương pháp sinh học kết hợp màng

Trạm xử lý bằng màng lọc của VerMeer, Hà Lan là một công nghệ của Hà Lan khá hiện đại với công nghệ chủ yếu được áp dụng là công nghệ màng vi lọc UF được trình bày theo quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 1 Tuy nhiên, sau một thời gian ngắn vận hành hiệu quả thì trạm xử lý nước rỉ rác này phải ngừng hoạt động Nguyên nhân là do ảnh hưởng của VFA quá cao (chiếm 50 % COD) mà lọc màng lại có hiệu quả rất kém khi xử lý VFA; bên cạnh đó, bể kỵ khí lên men chỉ hoạt động như bể điều hòa, hiệu quả xử lý không đáng kể và cán bộ vận hành không có kinh nghiệm

Trạm bơm

Hồ sinh học

Hệ thống keo tụ

Hệ thống bể hiếu khí và thiếu khí Hồ Xả ra ngoài Nước rỉ rác

Song chắn rác

2 hệ thống stripping

Bể lắng 2 Fenton và Hấp phụ

hồ sinh học xử lý triệt để các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và xử lý nitơ Tuy nhiên, sau một thời gian vận hành thì hiệu quả xử lý giảm dần Nguyên nhân chính là độ cứng, nồng độ nitơ và chất hữu cơ khó phân hủy sinh học cao dẫn đến sự quá tải cho hệ thống

Hình 1.13 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 1

Hình 1.14 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 2 Khắc phục những nhược điểm và ưu điểm của 2 công nghệ ban đầu, đầu năm 2003 Trung tâm Môi trường ECO đã xây dựng và đưa vào hoạt động hệ thống kết hợp phương pháp sinh học (bùn hoạt tính có kết hợp nitrate hóa và khử nitrate hóa) và hóa

lý (keo tụ/tạo bông/hấp phụ) theo quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 3

Trạm bơm Bể kỵ khí lên men Bể lọc áp lực Thiết bị lọc màng (UF) Bể bùn hoạt tính Xả ra ngoài Nước rỉ rác

Nước rỉ rác

Xả ra ngoài

21

Hình 1.15 Quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác Gò Cát 3 Mặc dù cho đến nay, hệ thống này vẫn đang hoạt động tốt nhưng vẫn còn một số vấn

đề cần quan tâm như nồng độ ammonia chưa đạt chuẩn, sự lắng cặn canxi gây nghẽn đường ống thường xuyên xảy ra, chi phí xử lý cao (70.000 đồng/m3

), hệ thống khá phức tạp đòi hỏi cán bộ vận hành phải có chuyên môn tốt

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1.3.

LUẬN ÁN

Xử lý nước thải có tải trọng nitơ cao và tỉ lệ C/N thấp bằng phương pháp sinh học truyền thống (nitrate hóa-khử nitrate) tiêu tốn nhiều chi phí vì đòi hỏi một lượng khí oxy và cacbon bổ sung lớn Điều này dẫn đến các phương pháp thay thế mới với tính bền vững hơn và kinh tế hơn đã được phát triển và nghiên cứu trong hơn một thập kỷ qua Các phương pháp này đa số dựa trên quá trình anammox

Vào những năm cuối thế kỷ 17, Broda (1997) đã chứng minh tính khả thi của con đường chuyển hóa dựa trên sự oxy hóa ammonia trong điều kiện kỵ khí/thiếu khí bằng các phương trình tính toán về nhiệt động học Nhưng mãi đến năm 1995, con đường chuyển hóa này mới được phát hiện ở công trình xử lý nước thải Gist-Brocades, và ở

Hà Lan [12] Quá trình chuyển hóa này được đặt tên là Anammox Nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Kỹ thuật Delft sau đó đã tiến hành các mô tả và xác nhận ban đầu quá trình Anammox Theo đó, quá trình Anammox được xác định là một quá trình sinh học, trong đó ammonia được oxy hóa trong điều kiện kỵ khí với nitrite là yếu tố nhận electron để tạo thành nitơ phân tử với sự tham gia của vi khuẩn Anammox Phản ứng của quá trình này như sau:

Bể khuấy trộn Bể khử canxi Bể UASB