Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Ứng dụng quá trình canon xử lý nitrogen nước thải chăn nuôi

Quá trình CANON kết hợp nitrite hóa bán phần và Anammox trong một bể phản ứng để xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi.. FA Free Ammonia khí NH3 HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu

Nội dung nghiên cứu

Qua 9 tháng nghiên cứu vận hành mô hình CANON, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các nội dung: (i) Thí nghiệm 1 làm giàu sinh khối vi khuẩn AOB và Anammox trong mô hình CANON sử dụng nước thải nhân tạo với tải trọng nitơ 0,2 kgN/m 3 ngày; (ii) Thí nghiệm 2: vận hành mô hình với nước thải chăn nuôi gia súc đã xử lý kị khí, đánh giá hiệu quả khử nitrogen ở tải trọng khác nhau; (iii) Thí nghiệm 3: đánh giá hoạt tính của bùn Anammox, AOB, NOB giai đoạn vận hành nước thải chăn nuôi gia súc

Nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình có thể tích hiệu dụng 32.4L để thực hiện thí nghiệm với nước thải chăn nuôi gia súc từ trang trại chăn nuôi heo, bò của gia đình ông Trần Quang Lương (13 Trương Thị Kiện, xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi)

Trước khi thực hiện nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm ứng dụng quá trình CANON, em nghiên cứu các tài liệu về quá trình nitrite hóa bán phần, quá trình Anammox Tham khảo, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện ứng dụng quá trình CANON từ các bài báo đã được công bố Tìm hiểu các cơ chế xảy ra trong quá trình CANON, tham khảo các tài liệu về cách vận hành, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

Phương pháp thực nghiệm mô hình, nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm 1: làm giàu bùn AOB và Anammox với nước giả thải; Thí nghiệm 2: Đánh giá khả năng khử nitơ ở các tải trọng 0.47 ± 0.07, 0.95 ± 0.11 kgN/m 3 ngày; thí nghiệm 3: thí nghiệm hoạt tính bùn Anammox, AOB và NOB

Phương pháp lấy mẫu và phân tích, đánh giá các số liệu thực nghiệm của thí nghiệm 1 giai đoạn làm giàu bùn hàng ngày theo dõi các chỉ tiêu NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, độ kiềm, pH; hàng tuần theo dõi chỉ tiêu VSS; Thí nghiệm 2: Giai đoạn vận hành nước thải chăn nuôi gia súc thực hiện giám sát các chỉ tiêu NH 4 + -N, NO 2 - - N, NO 3 - -N, độ kiềm, pH; hàng tuần theo dõi các chỉ tiêu SS, VSS, COD, TKN Thí nghiệm 3 thực hiện ở mỗi tải trọng, mỗi lần thí nghiệm phân tích các chỉ tiêu NH 4 + -

N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, lấy mẫu với tần suất 30 phút, lấy mẫu liên tục từ 3 – 5h

Phương pháp phân tích và xử lý số liệu thực hiện theo các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế (Standard Methods) Các số liệu kết quả thí nghiệm được nhập vào phần mềm excel hàng ngày và xử lý dữ liệu trên ứng dụng này

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả nghiên cứu thể hiện khả năng xử lý nitrogen ở tải trọng cao khi ứng dụng quá trình CANON trong xử lý nước thải chăn nuôi gia súc

Kết quả nghiên cứu cho thấy tính khả thi trong ứng dụng quá trình CANON xử lý nước thải chăn nuôi gia súc với hiệu quả cao và chi phí vận hành thấp (tiết kiệm năng lượng và hóa chất) Giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường: hạn chế hiện tượng phú dưỡng hóa, giảm thiểu ô nhiễm đất, nước ngầm, không khí, giảm chi phí xử lý bùn so với các quá trình khác

1.7 Tính mới của đề tài Ứng dụng quá trình CANON trong đó kết hợp nitrite hóa bán phần và anammox sử dụng bùn hạt để xử lý nước thải chăn nuôi gia súc sau biogas với chế độ vận hành liên tục Trong bể phản ứng vừa duy trì vi khuẩn oxi hóa ammonia hiếu khí vừa duy trì vi khuẩn oxi hóa ammonia kị khí để xử lý nitơ Quá trình nitrite hóa bán phần diễn ra trong ngăn sục khí, vi khuẩn anammox vừa sinh trưởng lơ lửng trong ngăn sục khí, vừa sinh trưởng trong điều kiện thiếu khí ở ngăn lắng

Quá trình CANON tiết kiệm 63% oxygen và 100% nguồn carbon so với các quá trình nitrite hóa – khử nitrite truyền thống Giảm phát thải CO 2 (quá trình tiêu thụ CO 2 ), giảm nhu cầu sử dụng năng lượng để sục khí [7] Lượng bùn sinh ra thấp [8]

CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi

Qua tham khảo các tài liệu thành phần nitơ trong nước thải trang trại chăn nuôi sau xử lý kị khí vẫn khá cao thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Lượng nitơ trong nước thải trang trại/ hộ chăn nuôi

Nước thải sau biogas TN (g/m 3 ) pH Nguồn

Các hộ chăn nuôi heo tại thành phố Huế 335 - 712 [2]

Chăn nuôi bò sữa tại USA 257 [7]

Chăn nuôi heo tại Pháp 4400 [8]

Trang trại bò sữa tại New Zealand 350 - 662 8.1 – 8.6 [9]

Như vậy nồng độ nitơ còn lại sau xử lý kị khí cao nên để phù hợp với quy định của Việt Nam, cần phải xử lý nước thải chăn nuôi gia súc sau biogas đạt quy chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT đối với nước thải chăn nuôi

1.2 Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn để xử lý nitơ trong nước thải sau biogas Theo Vázquez-Padín et al, (2009) [4] đã ứng dụng quá trình Sharon – Anammox để xử lý nước thải cá đóng hộp sau tiền xử lý phân hủy kị khí

Hiệu suất loại bỏ N đạt 70% (0,34 – 0,67 gN/L.ngày), DO được duy trì trong khoảng 0.2 đến 1 mgO 2 /L; Yamamoto et al, (2008) đã ứng dụng nitrite hóa bán phần và Anammox để xử lý nước thải chăn nuôi heo sau xử lý kị khí, hiệu quả xử lý đạt 73% (0,49 kgN/m 3 ngày), DO được duy trì 5 mgO 2 /L Tuy nhiên hai ứng dụng trên cần có 2 công trình đơn vị, một công trình thực hiện nitrite hóa bán phần, công trình còn lại oxi hóa ammoni kị khí Như vậy vẫn phải tốn chi phí năng lượng để cấp khí và chưa giảm được diện tích cần thiết

Theo Figueroa et al, (2011) [10] ứng dụng bùn hạt hiếu khí để xử lý dung dịch phân lỏng từ chăn nuôi heo cho thấy hiệu quả xử lý N cao Với tải trọng xử lý nitơ đạt được 0.83 kgN/m 3 ngày tuy nhiên tốn kém chi phí cấp khí thường xuyên, DO duy trì 3 mgO 2 /L Jetten et al, (2002) [11] đã thực hiện so sánh định tính một số công nghệ ứng dụng nitrite hóa bán phần và quá trình Anammox như trong Bảng 1.2

Bảng 1.2 So sánh định tính một vài công nghệ nitrite hóa bán phần kết hợp anammox với hệ thống loại bỏ N truyền thống [11]

Hệ th ng SHARON ANAMMOX CANON

Quá trình nitrate hóa – khử nitrate hóa

Số bể phản ứng 1 1 1 2 Đầu vào Nước thải Hỗn hợp ammonium, nitrite

N 2 , NO 3 - N 2 , NO 3 - N 2 , NO 3 - , N 2 O Điều kiện Hiếu khí Thiếu khí Hạn chế oxi Hiếu khí, thiếu khí

Oxi cần thiết Thấp Không Thấp Cao

Kiểm soát pH Không Không Không có

Thời gian lưu sinh khối

Nhu cầu COD Không Không Không Có

Khả năng xử lý của bể phản ứng (kg N/m 3 ngày)

Oxi hóa NH 4 + hiếu khí

Planctomycetes Oxi hóa NH 4 + hiếu khí và Planctomycetes

Nitrite hóa và nhiều vi khuẩn dị dưỡng

Bảng 1.2 thể hiện quá trình CANON chỉ cần 1 bể phản ứng, sử dụng ít O 2 , không cần kiểm soát pH so với quá trình xử lý nitơ truyền thống, vi khuẩn tự dưỡng nên không cần bổ sung nguồn C Quá trình nitrite hóa bán phần và anammox có thể được thực hiện: hệ thống kết hợp 2 đơn nguyên khác nhau là Sharon – Anammox, hệ thống 1 đơn nguyên như OLAND (Oxygen – Limited Autotrophic Nitrification - Denitrification) hoặc CANON [4] Quá trình kết hợp SHARON (Single reactor system for High Ammonium Removal Over Nitrite) và quá trình anammox cần có 2 bể phản ứng, 1 bể thực hiện quá trình nitrite hóa bán phần, dòng ra của bể nitrite hóa bán phần là dòng vào bể tiếp theo sẽ thực hiện oxi hóa ammonium kị khí bởi vi khuẩn anammox [12]; Quá trình OLAND là quá trình loại bỏ ammonium thông qua nitrite hóa và khử nitrite hóa ở điều kiện hạn chế oxi trong cùng một bể phản ứng;

Quá trình SNAP (Single-stage nitrogen removal using anammox and partial nitritation) là quá trình kết hợp nitrite hóa bán phần và anammox trong cùng một bể phản ứng có sử dụng giá thể Khác với quá trình CANON vi sinh sinh trưởng lơ lửng, còn quá trình SNAP vi sinh sinh trưởng dính bám [6]

Hình 1.1 Các quá trình ứng dụng nitrite hóa bán phần - Anammox

Phương pháp nghiên cứu

Trước khi thực hiện nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm ứng dụng quá trình CANON, em nghiên cứu các tài liệu về quá trình nitrite hóa bán phần, quá trình Anammox Tham khảo, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện ứng dụng quá trình CANON từ các bài báo đã được công bố Tìm hiểu các cơ chế xảy ra trong quá trình CANON, tham khảo các tài liệu về cách vận hành, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

Phương pháp thực nghiệm mô hình, nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm 1: làm giàu bùn AOB và Anammox với nước giả thải; Thí nghiệm 2: Đánh giá khả năng khử nitơ ở các tải trọng 0.47 ± 0.07, 0.95 ± 0.11 kgN/m 3 ngày; thí nghiệm 3: thí nghiệm hoạt tính bùn Anammox, AOB và NOB

Phương pháp lấy mẫu và phân tích, đánh giá các số liệu thực nghiệm của thí nghiệm 1 giai đoạn làm giàu bùn hàng ngày theo dõi các chỉ tiêu NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, độ kiềm, pH; hàng tuần theo dõi chỉ tiêu VSS; Thí nghiệm 2: Giai đoạn vận hành nước thải chăn nuôi gia súc thực hiện giám sát các chỉ tiêu NH 4 + -N, NO 2 - - N, NO 3 - -N, độ kiềm, pH; hàng tuần theo dõi các chỉ tiêu SS, VSS, COD, TKN Thí nghiệm 3 thực hiện ở mỗi tải trọng, mỗi lần thí nghiệm phân tích các chỉ tiêu NH 4 + -

N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, lấy mẫu với tần suất 30 phút, lấy mẫu liên tục từ 3 – 5h

Phương pháp phân tích và xử lý số liệu thực hiện theo các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế (Standard Methods) Các số liệu kết quả thí nghiệm được nhập vào phần mềm excel hàng ngày và xử lý dữ liệu trên ứng dụng này.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu thể hiện khả năng xử lý nitrogen ở tải trọng cao khi ứng dụng quá trình CANON trong xử lý nước thải chăn nuôi gia súc.

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy tính khả thi trong ứng dụng quá trình CANON xử lý nước thải chăn nuôi gia súc với hiệu quả cao và chi phí vận hành thấp (tiết kiệm năng lượng và hóa chất) Giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường: hạn chế hiện tượng phú dưỡng hóa, giảm thiểu ô nhiễm đất, nước ngầm, không khí, giảm chi phí xử lý bùn so với các quá trình khác.

Tính mới của đề tài

Ứng dụng quá trình CANON trong đó kết hợp nitrite hóa bán phần và anammox sử dụng bùn hạt để xử lý nước thải chăn nuôi gia súc sau biogas với chế độ vận hành liên tục Trong bể phản ứng vừa duy trì vi khuẩn oxi hóa ammonia hiếu khí vừa duy trì vi khuẩn oxi hóa ammonia kị khí để xử lý nitơ Quá trình nitrite hóa bán phần diễn ra trong ngăn sục khí, vi khuẩn anammox vừa sinh trưởng lơ lửng trong ngăn sục khí, vừa sinh trưởng trong điều kiện thiếu khí ở ngăn lắng

Quá trình CANON tiết kiệm 63% oxygen và 100% nguồn carbon so với các quá trình nitrite hóa – khử nitrite truyền thống Giảm phát thải CO 2 (quá trình tiêu thụ CO 2 ), giảm nhu cầu sử dụng năng lượng để sục khí [7] Lượng bùn sinh ra thấp [8]

Tổng quan về nước thải chăn nuôi

Qua tham khảo các tài liệu thành phần nitơ trong nước thải trang trại chăn nuôi sau xử lý kị khí vẫn khá cao thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Lượng nitơ trong nước thải trang trại/ hộ chăn nuôi

Nước thải sau biogas TN (g/m 3 ) pH Nguồn

Các hộ chăn nuôi heo tại thành phố Huế 335 - 712 [2]

Chăn nuôi bò sữa tại USA 257 [7]

Chăn nuôi heo tại Pháp 4400 [8]

Trang trại bò sữa tại New Zealand 350 - 662 8.1 – 8.6 [9]

Như vậy nồng độ nitơ còn lại sau xử lý kị khí cao nên để phù hợp với quy định của Việt Nam, cần phải xử lý nước thải chăn nuôi gia súc sau biogas đạt quy chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT đối với nước thải chăn nuôi.

Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn để xử lý nitơ trong nước thải sau biogas Theo Vázquez-Padín et al, (2009) [4] đã ứng dụng quá trình Sharon – Anammox để xử lý nước thải cá đóng hộp sau tiền xử lý phân hủy kị khí

Hiệu suất loại bỏ N đạt 70% (0,34 – 0,67 gN/L.ngày), DO được duy trì trong khoảng 0.2 đến 1 mgO 2 /L; Yamamoto et al, (2008) đã ứng dụng nitrite hóa bán phần và Anammox để xử lý nước thải chăn nuôi heo sau xử lý kị khí, hiệu quả xử lý đạt 73% (0,49 kgN/m 3 ngày), DO được duy trì 5 mgO 2 /L Tuy nhiên hai ứng dụng trên cần có 2 công trình đơn vị, một công trình thực hiện nitrite hóa bán phần, công trình còn lại oxi hóa ammoni kị khí Như vậy vẫn phải tốn chi phí năng lượng để cấp khí và chưa giảm được diện tích cần thiết

Theo Figueroa et al, (2011) [10] ứng dụng bùn hạt hiếu khí để xử lý dung dịch phân lỏng từ chăn nuôi heo cho thấy hiệu quả xử lý N cao Với tải trọng xử lý nitơ đạt được 0.83 kgN/m 3 ngày tuy nhiên tốn kém chi phí cấp khí thường xuyên, DO duy trì 3 mgO 2 /L Jetten et al, (2002) [11] đã thực hiện so sánh định tính một số công nghệ ứng dụng nitrite hóa bán phần và quá trình Anammox như trong Bảng 1.2

Bảng 1.2 So sánh định tính một vài công nghệ nitrite hóa bán phần kết hợp anammox với hệ thống loại bỏ N truyền thống [11]

Hệ th ng SHARON ANAMMOX CANON

Quá trình nitrate hóa – khử nitrate hóa

Số bể phản ứng 1 1 1 2 Đầu vào Nước thải Hỗn hợp ammonium, nitrite

N 2 , NO 3 - N 2 , NO 3 - N 2 , NO 3 - , N 2 O Điều kiện Hiếu khí Thiếu khí Hạn chế oxi Hiếu khí, thiếu khí

Oxi cần thiết Thấp Không Thấp Cao

Kiểm soát pH Không Không Không có

Thời gian lưu sinh khối

Nhu cầu COD Không Không Không Có

Khả năng xử lý của bể phản ứng (kg N/m 3 ngày)

Oxi hóa NH 4 + hiếu khí

Planctomycetes Oxi hóa NH 4 + hiếu khí và Planctomycetes

Nitrite hóa và nhiều vi khuẩn dị dưỡng

Bảng 1.2 thể hiện quá trình CANON chỉ cần 1 bể phản ứng, sử dụng ít O 2 , không cần kiểm soát pH so với quá trình xử lý nitơ truyền thống, vi khuẩn tự dưỡng nên không cần bổ sung nguồn C Quá trình nitrite hóa bán phần và anammox có thể được thực hiện: hệ thống kết hợp 2 đơn nguyên khác nhau là Sharon – Anammox, hệ thống 1 đơn nguyên như OLAND (Oxygen – Limited Autotrophic Nitrification - Denitrification) hoặc CANON [4] Quá trình kết hợp SHARON (Single reactor system for High Ammonium Removal Over Nitrite) và quá trình anammox cần có 2 bể phản ứng, 1 bể thực hiện quá trình nitrite hóa bán phần, dòng ra của bể nitrite hóa bán phần là dòng vào bể tiếp theo sẽ thực hiện oxi hóa ammonium kị khí bởi vi khuẩn anammox [12]; Quá trình OLAND là quá trình loại bỏ ammonium thông qua nitrite hóa và khử nitrite hóa ở điều kiện hạn chế oxi trong cùng một bể phản ứng;

Quá trình SNAP (Single-stage nitrogen removal using anammox and partial nitritation) là quá trình kết hợp nitrite hóa bán phần và anammox trong cùng một bể phản ứng có sử dụng giá thể Khác với quá trình CANON vi sinh sinh trưởng lơ lửng, còn quá trình SNAP vi sinh sinh trưởng dính bám [6]

Hình 1.1 Các quá trình ứng dụng nitrite hóa bán phần - Anammox

Theo Young-Ho Ahn et al, (2006) quá trình CANON giảm chi phí xây dựng bể phản ứng do không cần diện tích lớn để lưu sinh khối, do đó giảm chi phí đầu tư và chi phí vận hành Ứng dụng quá trình CANON giảm nhu cầu năng lượng cấp khí, giảm diện tích công trình, lượng bùn sinh ra ít, không cần bổ sung nguồn C hữu cơ

[4] Do vậy, nhóm nghiên cứu chọn ứng dụng quá trình CANON để xử lý nước thải chăn nuôi gia súc sau xử lý kị khí.

Quá trình CANON

Hiệu quả xử lý Nitơ

K.A.Third et al, (2005) [16] đã tổng hợp thông tin các mô hình ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần và anammox về hiệu quả xử lý nitơ và tốc độ tiêu thụ NH 4 + - N được tổng hợp trong Bảng 1.5 như sau:

Bảng 1.5 Tổng quan sự chuyển hóa N và tốc độ tiêu thụ NH 4 + -N trong các mô hình ứng dụng nitrite hóa bán phần và anammox [16]

Tổng N chuyển hóa, kg N/m 3 /ngày

T c độ tiêu thụ NH 4 + , g/kg sinh kh i/h

Ghi chú:CSTR_ Continuously Stirred Tank Reactor

Trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu ứng dụng quá trình CANON sử dụng bùn hạt, cấp khí gián đoạn để xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi gia súc Khi sử dụng sinh khối dạng hạt, sự tiêu thụ oxi trong quá trình nitrite hóa hiếu khí tại lớp ngoài cùng của hạt ngăn cản khuếch tán oxi vào bên trong hạt do đó các tế bào anammox không bị ảnh hưởng bởi oxi [4] Do vậy sự oxi hóa NH 4 + - N đồng thời xảy ra ở điều kiện hiếu khí và kị khí, tốc độ gần đạt cực đại Giai đoạn ban đầu quá trình CANON vận hành với chế độ cấp khí gián đoạn làm giảm đáng kể hiệu suất của cả hai quá trình oxi hóa NH 4 + - N, khi quá trình nitrite hóa hiếu khí chiếm ưu thế thì quá trình anammox bị giảm hiệu suất và ngược lại [32].

Ứng dụng nitrite hóa bán phần và anammox để xử lý nước thải chăn nuôi gia súc

Thực tế đã có một số ứng dụng trong thực tiễn như trong Bảng 1.6

Bảng 1.6 Các ứng dụng nitrite hóa bán phần và anammox xử lý nước thải chăn nuôi gia súc trong thực tiễn

Loại nước thải Hiệu quả xử lý

Tải trọng N (kgN/m 3 ngày) Tài liệu

Nước thải chăn nuôi sau biogas 51 1.6 [39]

Nước thải chăn nuôi heo sau biogas 70 0,83 [4]

Nước thải chăn nuôi heo 87 [44]

Các thông số sinh lý học quan trọng trong quá trình oxi hóa ammonium kị khí và hiếu khí nêu trong Bảng 1.7, 1.8 phụ lục 6

Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu thể hiện ở Hình 2.1, nội dung bao gồm 3 thí nghiệm.

Thí nghiệm 1: Đánh giá khả năng xử lý nitrogen ở các tải trọng nitrogen khác

Bể phản ứng CANON

Bể phản ứng CANON bao gồm ngăn lắng và ngăn thu nước đặt bên trong bể phản ứng Đáy ngăn phản ứng đặt đĩa sục khí nhằm cấp khí và tạo điều kiện xáo trộn hoàn toàn Mô hình được làm bằng thép hình trụ Mô hình có kích thước D x H

= 300 x 700 mm, chiều cao làm việc 550 mm với tổng thể tích 49.5L, thể tích hữu ích là 38.9L Thể tích ngăn lắng d x r x h = 150 x 100 x 435 = 6.5L Vậy thể tích của ngăn phản ứng V = 38.9L – 6.5L = 32.4 L Bùn lắng từ ngăn lắng quay trở lại ngăn phản ứng (Hình 2.2) Diện tích ngăn lắng tương đương với tải trọng bề mặt theo lưu lượng dòng vào ở mỗi tải trọng thí nghiệm từ 3.24 – 8.64 m 3 /m 2 ngày

Thiết kế chi tiết mặt cắt bể phản ứng CANON trong phụ lục 1

Thí nghiệm 1: Làm giàu bùn AOB và Anammox

Thí nghiệm 2: Đánh giá khả năng xử lý nitrogen ở 3 tải trọng NLR: 0.47 ±

Thí nghiệm 3: Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và SAA ở mỗi tải trọng tương ứng trong thí nghiệm 2

Hình 2.2 Bể phản ứng CANON

Các thiết bị sử dụng trong mô hình thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Các thiết bị sử dụng trong mô hình CANON

TT Thiết bị Thông s kỹ thuật

2 Bơm nước thải Bơm định lượng nước thải, 125W/220V/50Hz, Q 4.73L/h 3 Đầu dò DO Dissolved Oxygen Transmitter DC – 5300 4 Thùng chứa nước đầu vào, bồn chứa nước thải

5 Tủ điện Điều khiển tự động

6 Thiết bị điều chỉnh lưu lượng khí

Tokyo keiso P-062-A1000-L0 7 Đĩa phân phối khí JAEGER Đức – HD270 9 inches

Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu thí nghiệm bao gồm nước giả thải, nước thải gia súc sau biogas, bùn nuôi cấy ban đầu (AOB, Anammox và bùn hạt trong bể UASB) và NaHCO 3 , HCl được sử dụng để kiểm soát pH a, Nước thải: thí nghiệm 1 và 3 thực hiện với nước giả thải; Thí nghiệm 2 thực hiện với nước thải gia súc

- Nước giả thải: theo K A Third et al, (2001) [31] thành phần nước giả thải được pha theo Bảng 2.2 khi nuôi cấy bùn AOB và Anammox

Bảng 2.2 Thành phần nước giải thải [31]

TT Thành phần hóa chất Nồng độ Ghi chú

2 KH 2 PO 4 , mg/L 25 3 CaCl 2 2H 2 O, mg/L 300 4 MgSO 4 7H 2 O, mg/L 200 5 NH 4 Cl (tính theo N), mg/L 100 – 150

8 CaCl 2 6H 2 O, mg/L 240 9 MnCl 2 4H 2 O, mg/L 990 10 CuSO 4 5H 2 O, mg/L 250 11 NaMoO 4 2H 2 O, mg/L 220 12 NiCl 2 6H 2 O, mg/L 190 13 H 3 BO 3 , mg/L 14

Trong trường hợp bị sốc tải, sử dụng nước giả thải tương tự các thành phần nêu trong Bảng 2.2, ngoại trừ NH 4 Cl để rửa bùn

- Nước thải gia súc: nước thải chăn nuôi gia súc sau biogas được bơm vào can 30L và chở về phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên, đại học Bách

Khoa tp Hồ Chí Minh Nước thải được lọc qua ray với mắt lưới < 0.3 mm để loại cặn kích thước lớn gây nghẹt bơm đầu vào Sau đó nước thải được chứa trong bồn 1 m 3 và bơm vào bồn chứa nước đầu vào Thành phần nước thải đầu vào được trình bày ở Bảng 2.3

Bảng 2.3 Thành phần nước thải chăn nuôi gia súc sử dụng ở nghiên cứu này

9 COD, mg/L 254 ± 115 18 b, Bùn nuôi cấy - Bùn anammox được lấy từ mô hình IC (Internal Circulation): 2L Bùn anammox lấy từ mô hình IC có SS = 3280 mg/L, VSS = 1900 mg/L, (SAA = 0.543 ± 0.034 gN 2 -N/gVSS.ngày) Bùn anammox có tên Anammox Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis [12] đang được duy trì trong phòng thí nghiệm khoa Môi trường và

Tài nguyên – Trường Đại Học Bách Khoa – ĐH Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh

- Bùn AOB: 7L bùn AOB nuôi cấy là bùn hoạt tính từ mô hình SBR được vận hành trong phòng thí nghiệm [12] Bùn AOB có SS = 7452 mg/L, VSS = 2456 mg/L Bùn AOB trong mô hình SBR được nuôi trong môi trường nước rỉ rác cũ với tải trọng 1.02 kg N/m 3 ngày, hiệu quả chuyển hóa ammonium thành nitrite đạt tỉ lệ NO 2 - - N : NH 4 + - N = 1.22 ± 0.18 Theo K.A Third et al, (2005) lượng bùn đưa vào bể bằng 10% v/v, như vậy lượng bùn cần thiết là 4L

- Bùn hạt từ bể UASB: 2L bùn hạt từ bể UASB của công ty TNHH Winefood, đường 8, khu chế xuất Tân Thuận, phường Tân Thuận Đông, Quận 7 Bùn hạt có SS = 6960 mg/L, VSS = 4452 mg/L.

Điều kiện vận hành

Điều kiện vận hành mô hình CANON trong thời gian làm giàu bùn và vận hành với nước thải chăn nuôi gia súc được tóm tắt trong Bảng 2.4

Bảng 2.4 Điều kiện vận hành bể phản ứng CANON

Nước thải chăn nuôi gia súc

Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn Anammox, AOB và NOB

Vật liệu thí nghiệm đánh giá hoạt tính bùn Anammox

a, Bùn thí nghiệm: bùn trong thí nghiệm là bùn được lấy từ bể phản ứng CANON đang vận hành b, Nước giả thải: nước giả thải dùng trong thí nghiệm này có thành phần như

Bảng 2.5, 2.6 Nồng độ ammonium và nitrite 40 - 80 mgN/L (tổng nồng độ nitơ 80 - 160 mg N/L) được chọn dưới ngưỡng ức chế theo Strous et al, (1999) [28] đồng thời đủ để sinh khối thực hiện quá trình chuyển hóa cơ chất Trong thí nghiệm này chọn nồng độ NO 2 - -N = NH 4 + -N = 70 mg N/L

Bảng 2.5 Thành phần nước thải nhân tạo [25, 31]

TT Thành phần Giá trị

3 CaCl 2 2H 2 O, mg/L 180 4 MgSO 4 7H 2 O, mg/L 120 5 NH 4 Cl (tính theo N), mg/L 70 6 NaNO 2 (tính theo N), mg/L 70

Thành phần NH 4 Cl trong Bảng 2.5 châm vào bể phản ứng sau 30 phút hô hấp nội bào khi thực hiện hoạt tính Anammox, AOB và NOB Thành phần NaNO 2 châm vào bể phản ứng khi thực hiện SAA NaHCO 3 , HCl được sử dụng để điều chỉnh pH trong quá trình thí nghiệm Thành phần vi lượng trình bày trong Bảng 2.6

Bảng 2.6 Thành phần vi lượng [25, 31]

TT Thành phần Nồng độ

2 ZnSO 4 7H 2 O, mg/L 430 3 MnCl 2 4H 2 O, mg/L 990 4 CuSO 4 5H 2 O, mg/L 250 5 Na 2 MoO 4 2H 2 O, mg/L 220 6 NiCl 2 6H 2 O, mg/L 190

Điều kiện thực hiện thí nghiệm đo hoạt tính bùn Anammox

Lấy 2L hỗn hợp bùn nước trong bể phản ứng CANON, để lắng gạn lấy phần bùn, dùng dung dịch rửa bùn đã pha theo thành phần đã nêu trong Bảng 2.5 và Bảng 2.6 (ngoại trừ NH 4 Cl và NaNO 2 ) để rửa sạch cơ chất trong hỗn hợp Lượng bùn sau khi rửa được đưa vào bể phản ứng, đậy kín bể phản ứng, đặt trên máy khuấy từ, thí nghiệm thực hiện trong 2h, khuấy với tốc độ 150 vòng/phút, điều kiện nhiệt độ phòng Bật máy khuấy từ và tính thời gian khuấy 30 phút sau đó châm cơ chất NH 4 + - N và NaNO 2 (70 mg/L) đã sấy ở 105 o C [15] Các bước thực hiện trình bày trên Hình 2.4

Hình 2.4 Các bước thực hiện đánh giá hoạt tính bùn Anammox (SAA)

Dựa trên đường biến thiên của NH 4 + - N theo thời gian xác định hệ số góc, tốc độ oxi hóa NH 4 + - N trên đơn vị sinh khối

B1: Điều chỉnh pH 7.5 – 8.0 trong bể phản ứng

B2: Châm NH 4 Cl và NaNO 2 sau khi bể phản ứng khuấy 30 phút

Lấy mẫu đầu tiên phân tích các chỉ tiêu NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N, VSS

B3: Các mẫu tiếp theo lấy 30p/mẫu Phân tích các chỉ tiêu NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N Điều chỉnh pH khi cần

Vật liệu thí nghiệm đánh giá hoạt tính bùn AOB

a, Bùn thí nghiệm: 2L bùn sử dụng trong thí nghiệm lấy khi mô hình ngưng sục khí b, Nước thải nhân tạo: nước thải nhân tạo dùng trong thí nghiệm này có thành phần như Bảng 2.5 và Bảng 2.6, nồng độ ammonium (tổng nồng độ nitơ 80 † 160 mg N/L) được chọn dưới ngưỡng ức chế theo Strous và cộng sự, (1999) [28] đồng thời đủ để sinh khối thực hiện quá trình chuyển hóa cơ chất Trong thí nghiệm này chọn nồng độ NH 4 + -N = 70 mg N/L.

Điều kiện vận hành đánh giá hoạt tính bùn AOB

Lấy 2L hỗn hợp bùn nước trong bể phản ứng CANON, để lắng gạn lấy phần bùn, dùng dung dịch rửa bùn đã pha theo thành phần đã nêu trong Bảng 2.5 và Bảng

2.6 (ngoại trừ NH 4 Cl) để rửa sạch cơ chất trong hỗn hợp Lượng bùn sau khi rửa được đưa vào bể phản ứng, cấp khí và duy trì DO > 4 mg/L, thí nghiệm thực hiện trong 2h Sục khí 30 phút sau đó châm cơ chất NH 4 + - N (70 mg/L) đã sấy ở 105 o C [15] Các bước thực hiện trình bày trên Hình 2.5.

Phương pháp phân tích và xử lý số liệu

Thí nghiệm 1: Giai đoạn làm giàu bùn

Trong nghiên cứu này thực hiện theo phương pháp nuôi cấy vi sinh để tạo môi trường nitrite hóa bán phần đạt được tỉ lệ NO2 -

- N/ NH 4 + - N phù hợp sau đó bổ sung anammox [21] Nước dòng vào được bơm vào mô hình từ vị trí đáy mô hình, khi nước đầu vào được bơm đầy, điều chỉnh lưu lượng bơm với thời gian lưu nước 1 ngày [4]

Tải trọng nitrogen trong giai đoạn làm giàu bùn AOB và bùn anammox 0.21 ±

0.03 kgN/m 3 ngày (Hình 3.1) Hiệu suất xử lý ammonium trung bình 84% ± 7 Giai đoạn ổn định hiệu suất đạt 75 – 94% Kết quả thể hiện trên Hình 3.1

Hình 3.1 Diễn biến các thành phần nitơ ở giai đoạn làm giàu AOB và Anammox

Hình 3.1 thể hiện giai đoạn đầu khởi động bể phản ứng nuôi cấy AOB, sau 10 ngày nuôi cấy, NH 4 + - N dòng ra trung bình 16 ± 9 mgN/L, hiệu suất loại bỏ ammonium trung bình đạt được 83 ± 7%, lượng NO 2 - - N dòng ra 38 ± 8 mgN/L

Bổ sung 0.5L bùn anammox vào ngày thứ 19 VSS trong bể phản ứng 2456 mg/L (Hình 3.2), từ ngày này trở đi lượng NO 2 - - N dòng ra giảm đến mức thấp nhất 22 mg/L (ngày thứ 22) Thời gian đầu bùn chưa thích nghi với môi trường nuôi cấy nên

VSS trong bể phản ứng giảm còn 956 mg/L vào ngày thứ 28, sau đó nồng độ bùn đã tăng trở lại vào ngày thứ 43 (VSS 1524 mg/L) Những ngày tiếp theo bị sự cố mất điện, bơm dòng vào hư nên nồng độ bùn giảm còn 1212 mg/L (vào ngày thứ 48)

Nồ ng độ NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N, m g /L

NH4 vào NH4 ra NO2 ra NO3 ra

DO = 0.1 - 1.5 mg/L DO = 0.2 - 0.5 mg/L DO = 0.1 - 0.2mg/L

Từ ngày thứ 33 đến ngày thứ 62 nitrite trong bể phản ứng lại tích lũy đến mức cao nhất 122 mg/L, do anammox chưa thích nghi với điều kiện môi trường DO (0.2 – 0.5 mgO 2 /L) nên sau một thời gian anammox đã bị kìm hãm bởi O 2 và NO 2 - - N trong mô hình [4] Vì vậy nhóm nghiên cứu giảm DO ở mức thấp 0,1 – 0,2 mgO 2 /L và bổ sung thêm 1.5L bùn anammox vào ngày thứ 62, VSS trong bể phản ứng

2160mg/L, sau 2 ngày kết quả cho thấy nitrite dòng ra đã giảm, hiệu suất duy trì ổn định 84 ± 8% từ ngày thứ 64 đến ngày thứ 80 Như vậy vi khuẩn anammox thích nghi với điều kiện DO như trên, dòng vào độ kiềm bổ sung trung bình (1000 ± 110 mg CaCO 3 /L), pH (7.72 ± 0.03) Tỉ lệ kiềm tiêu thụ trên ammonium bị tiêu thụ trung bình 4.6 ± 1.5 mgCaCO 3 /mgNH4 loại bỏ Lượng kiềm tiêu thụ trong giai đoạn làm giàu bùn cao hơn so với nghiên cứu của Ahn et al, (2006) [13]

Hình 3.2 Diễn biến SS, VSS trong bể phản ứng CANON giai đoạn thích nghi

Sau 80 ngày nuôi cấy vi khuẩn AOB và anammox, nồng độ ammonia giảm đáng kể khi bắt đầu nuôi cấy AOB đến lúc anammox thích nghi trong bể phản ứng, hiệu suất đạt được trung bình 94 ± 7%, nồng độ nitrite giai đoạn nuôi cấy AOB (38 ± 8 mg/L), giai đoạn nuôi cấy anammox trong tuần đầu tiên có giảm nhưng tuần tiếp theo nồng độ NO 2 - - N tăng, sau khi bổ sung Anammox lần 2 nồng độ nitrite đã giảm đáng kể (37 mgNO 2 - -N, ngày thứ 71), nitrate tăng nhẹ (4,7 ± 5 mgNO 3 - - N/L, so với phương trình 3 theo lý thuyết lượng nitrate sinh ra 18 mgNO 3 - - N/L) như vậy ngoài quá trình nitrite hóa bán phần – Anammox còn có sự khử nitrite như phương

Nồ ng độ SS , VSS, m g/L

27 trình 8 nêu trong mục 1.3.1 [41] Trong các nghiên cứu khác lượng nitrate sinh ra luôn thấp hơn lượng nitrate theo phương trình lý thuyết [16, 30, 32, 40] Tỉ số VSS/SS cuối giai đoạn làm giàu bùn 0.55.

Thí nghiệm 2: Đánh giá khả năng xử lý nitrogen ở các tải trọng khác nhau

Sau khi làm giàu bùn AOB và anammox với nước thải nhân tạo, vận hành bể phản ứng CANON với nước thải chăn nuôi gia súc Các kết quả được trình bày như sau: a, Các thành phần nitrogen Nhóm nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm 2 với nước thải chăn nuôi gia súc đã xử lý kị khí ở các tải trọng nitrogen khác nhau thông qua điều chỉnh lưu lượng dòng vào tương ứng với thời gian lưu nước (HRT 16h, 8h) Diễn biến loại bỏ nitrogen trong thí nghiệm này thể hiện trên Hình 3.3a, b

Hình 3.3a Diễn biến các thành phần nitrogen trong thí nghiệm 2

Hình 3.3 a thể hiện trong tuần đầu tiên hệ vi khuẩn trong mô hình chưa thích nghi với nước thải nên hiệu suất chưa cao 52 % Từ ngày thứ 8 trở đi hiệu suất khử ammonium bắt đầu tăng đến ngày thứ 12, hiệu suất xử lý ammonium đạt 86% và nitrite dòng ra 40mg/L tích lũy đến 82 mg/L (ngày thứ 14), vì vậy nhóm nghiên cứu điều chỉnh giảm lưu lượng cấp khí 2mgO 2 /L xuống 1.5 mgO 2 /L do vi khuẩn Anammox chưa thích nghi với môi trường nước thải chăn nuôi gia súc, đồng thời lưu lượng cấp khí vào bể phản ứng hiện tại gây ảnh hưởng đến hoạt tính của anammox Khi giảm lưu lượng cấp khí thì hoạt tính của anammox phục hồi thể hiện ở nồng độ nitrite giảm vào ngày thứ 18 còn 20.79 mg/L Nhưng vì giảm cấp khí ảnh

Nồ ng độ NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N, m g /L

NH4+ - N inf NH4+ - N eff NO2- - N eff

NO3- - N eff Hiệu suất Ammoni

28 hưởng đến khả năng oxi hóa của vi khuẩn AOB nên hiệu suất giảm còn 58 % (ngày thứ 18) Đến ngày thứ 20 hiệu suất xử lý ammonium đạt 97% và ổn định trong những ngày sau đó Vào ngày thứ 35 lượng nitrite tích lũy trong mô hình cao, dòng ra còn 59 mg/L, lượng kiềm tương ứng trong bể phản ứng khá cao 510 mg/L

Nguyên nhân do ngày thứ 33 thực hiện đánh giá hoạt tính bùn NOB (rút 2L bùn trong mô hình để thí nghiệm), kết thúc thí nghiệm ở HRT (16h) bùn lấy làm thí nghiệm hoạt tính được đưa vào mô hình, sau 4 ngày hiệu suất mô hình đã đạt 88%

Kết quả phân tích mẫu cho thấy hiệu suất ammonium tuần đầu tiên của giai đoạn HRT (8h) biến động do giảm thời gian lưu nước từ 16h còn 8h, tương ứng với tải trọng nitrogen tăng từ 0.47 ± 0.07 kg N/m 3 ngày lên 0.95 ± 0.11 kgN/m 3 ngày

Tuy nhiên đến ngày thứ 55 hiệu suất oxi hóa ammonium đã tăng đến 81%, sau 9 ngày tăng tải vi sinh trong bể phản ứng đã thích nghi và ổn định đến ngày thứ 70 hiệu xuất giảm còn 42% do từ ngày 61 đến ngày thứ 69 rút bùn làm hoạt tính bùn AOB và NOB Lượng bùn sau khi rút ra làm hoạt tính xong được đưa vào mô hình trở lại nên đến ngày thứ 71 hiệu suất đã tăng, đến ngày thứ 74 hiệu suất chuyển hóa ammonium đạt 83% và tiếp tục tăng đến cuối giai đoạn này Đối với nitrite dòng ra trên đồ thị thể hiện ngày thứ 62 lượng nitrite tích lũy nhiều là do ngày thứ 61 rút 2L bùn trong mô hình làm hoạt tính AOB và đổ trở lại mô hình vào cuối ngày dẫn đến kết quả lượng nitrite tích lũy nhiều (264 mg NO 2 - - N/L) [15], nồng độ nitrite ảnh hưởng đến hoạt tính Anammox, Strous et al, (1999) [28] nồng độ nitrite kìm hãm Anammox là 100mg/L), nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh giảm lưu lượng khí cấp vào mô hình để hạn chế sự tích lũy nitrite, do vậy hiệu suất chuyển hóa ammonium được duy trì ổn định trong những ngày tiếp theo

Nhóm nghiên cứu đã tăng tải bằng cách tăng lưu lượng dòng vào, HRT (4h), tuy nhiên việc tăng tải đã gây sốc tải (bùn nổi ở phần ngăn lắng và bể phản ứng) nên được sự hướng dẫn của thầy, nhóm đã giảm lưu lượng và tiến hành rửa bùn với thành phần nêu trong Bảng 2.2, ( ngoại trừ NH 4 Cl) Sau khi rửa bùn trong 4h, mô hình được vận hành với nước thải chăn nuôi gia súc với HRT (6h) Nồng độ nitrite giảm rõ rệt, hiệu suất chuyển hóa NH 4 + - N tăng từ 11 – 45%, sau 12 ngày kể từ khi

29 rửa bùn hiệu suất chuyển hóa NH 4 + - N đạt 78% (ngày thứ 102) và đến ngày 104 đạt 95% và ổn định trong những ngày tiếp theo (dữ liệu ở tải trọng 1.4 kgN/m 3 ngày quá ít nên em không thể hiện dữ liệu trên hình vẽ và trong luận văn)

Hình 3.3b Hiệu quả loại bỏ tổng nitrogen (TN) so với QCVN

Xét tổng nitrogen có trong dòng vào Hình 3.3b, TN dòng ra đạt QCVN loại B

Những điểm TN dòng vào gần 400 mg/L là thời điểm nước cuối bồn, nhiều cặn

Với các tải trọng nitrogen (NLR) 0.4 – 0.95 kgN/m 3 ngày hiệu suất xử lý TN đạt được 91 ± 15% (n = 15) Kết quả thể hiện tổng nitrogen (TN) dòng ra đạt QCVN loại B phù hợp với nguồn nước cấp cho tưới tiêu

Theo Vázquez-Padín et al, (2009) [4] tốc độ oxi hóa ammonium, nitrite và tốc độ oxi hóa nitrogen do vi khuẩn Anammox trong quá trình CANON được tính toán theo các công thức nêu trong mục 2.4.2 biểu đồ thể hiện tốc độ oxi hóa ammonium, nitrite, nitrate như Hình 3.4

H iệu su ất T N (%) , Nồ ng độ ( m g/L )

TN inf TN eff Hiệu suất TN QCVN, A QCVN, B NLR

T ải t rọ ng T N, kg /m 3 ng à y

Hình 3.4 Diễn biến tốc độ oxi hóa ammonium, nitrite, tốc độ oxi hóa nitrogen do vi khuẩn Anammox (ANR) Hình 3.4 cho thấy tốc độ oxi hóa ammonium (AOR) trong khoảng 5 đến 37 mg N/L.h, tốc độ loại bỏ nitrogen bởi vi khuẩn Anammox (ANR) từ 1 đến 34 mg N/L.h Tốc độ oxi hóa nitrite thành nitrate (NOR) 1 mgN/L.ngày Như vậy trong bể phản ứng chỉ có quá trình oxi hóa ammonium thành nitrite và quá trình chuyển hóa ammonium và nitrite thành khí N 2 như các phương trình (1) và (2) nêu ở mục 1.3.1 và một lượng nhỏ nitrate sinh ra (3) Tỉ lệ theo phương trình (3) ở mục 1.3.1 nitrate sinh ra so với ammonium loại bỏ tương ứng là 0.04 ± 0.03 thấp hơn so với tỉ lệ theo lý thuyết 0.13 Như vậy có sự đồng tồn tại của vi khuẩn dị dưỡng và tiêu thụ nguồn carbon hữu cơ có trong dòng vào để khử nitrate thành khí nitrogen Lượng nitrogen được chuyển hóa (N) phụ thuộc vào ammonium, nitrite, nitrate dòng ra Vì vậy, trong khi hiệu suất chuyển hóa ammonium cao nhưng N thấp là do lượng nitrite chưa được vi khuẩn Anammox sử dụng hết

Tương ứng với lượng nitrite tích lũy vào ngày thứ 62 sau khi thực hiện hoạt tính bùn AOB, tốc độ oxi hóa ammonium (AOR) tăng, tốc độ loại bỏ nitrogen do vi khuẩn Anammox giảm (ANR), sau khi bổ sung lượng bùn đã rút làm hoạt tính vào cuối ngày, AOR và ANR đã khôi phục vào ngày 63 Nhưng những ngày tiếp sau đó thực hiện hoạt tính NOB và SAA nên AOR, ANR giảm mạnh vào ngày thứ 70 nhưng sau đó hiệu suất oxi hóa ammonium đạt được 83% vào ngày thứ 74

T c độ chuy ển hó a am m oniu m ( AO R) , nitr it e (NO R) , o x i hó a a m m o niu m do vi k hu ẩn Ana m m ox ( ANR) , m gN/L h

31 b, pH và độ kiềm Trong quá trình thực hiện thí nghiệm 2, pH và độ kiềm được kiểm soát hàng ngày dòng vào, trong bể phản ứng và dòng ra Tuy nhiên pH và độ kiềm trong bể phản ứng và dòng ra không chênh lệch nhiều nên em không thể hiện trên hình vẽ

Hình 3.4 thể hiện diễn biến pH và độ kiềm toàn bộ thí nghiệm 2

Hình 3.5 Diễn biến pH, độ kiềm dòng vào dòng ra trong thí nghiệm 2

Kết quả pH ở HRT (16h, 8h) dòng vào và dòng ra không chênh lệch nhiều, pH trung bình dòng vào 7.84 ± 0.39 gần tương ứng với pH dòng vào trong nghiên cứu của Figueroa et al, (2011) (với pH 7.7 ± 0.2, bể phản ứng CANON vận hành theo mẻ) và dòng ra 7.53 ± 0.49 Độ kiềm dòng vào và dòng ra chênh lệch rõ ràng Ngày thứ 48 độ kiềm dòng ra (1660 mgCaCO 3 /L) cao hơn dòng vào (1504 mgCaCO3/L) nguyên nhân do tăng tải trọng nitrogen dòng vào Nhưng chỉ sau 6 ngày hệ vi sinh trong bể phản ứng đã thích nghi và tiêu thụ lượng kiềm trong dòng vào (1196 mgCaCO 3 /L) còn nồng độ kiềm dòng ra (868 mgCaCO 3 /L) và ổn định trong những ngày tiếp theo

Hiệu suất chuyển hóa ammonium được duy trì ổn định đến khi kết thúc thí nghiệm Tỉ lệ độ kiềm tiêu thụ/NH 4 + - N loại bỏ tương ứng là 4 ± 1.5 g CaCO 3 /gN (n = 48) cao hơn so với nghiên cứu của Ahn, Y H et al, (2006) (3.68g CaCO 3 /gN) [13]

Kiềm vào Kiềm ra pH vào pH ra pH

32 c, Diễn biến COD trong thí nghiệm 2 Nồng độ COD dòng vào, dòng ra sau bể phản ứng CANON trình bày trên hình 3.6

Hình 3.6 Diễn biễn COD dòng vào, dòng ra trong thí nghiệm 2

Thí nghiệm 3: Đánh giá hoạt tính bùn Anammox, AOB và NOB

Hoạt tính Anammox (SAA)

Hoạt tính Anammox được thực hiện ở mỗi tải trọng 0.47 ± 0.07 kgN/m 3 ngày, HRT(16h); 0.95 ± 0.11kgN/m 3 ngày, HRT(8h) Thí nghiệm SAA (HRT 16h) thực

37 hiện khi hiệu suất xử lý Ammonium đạt 88% Kết quả thí nghiệm thể hiện trên Hình 3.9

Hình 3.9 Nồng độ NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính vi khuẩn Anammox, HRT (16h) Từ các kết quả thí nghiệm và Hình 3.9 xác định tốc độ loại bỏ nitrogen do vi khuẩn Anammox chi tiết trong phụ lục 2 Thí nghiệm SAA (HRT 8h) thực hiện khi hiệu suất xử lý Ammonium đạt 98.8% Kết quả thí nghiệm thể hiện trên Hình 3.10

Hình 3.10 Nồng độ NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính vi khuẩn Anammox, HRT (8h) y = -10,976x + 83,44 R² = 0,9662

NH4+ - N NO2- -N NO3- - N Linear (NH4+ - N)

Nồ ng độ NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, m g /L

NH4+ - N NO2- -N Mẫu NO3- - N Linear (NH4+ - N)

Qua thí nghiệm hoạt tính bùn Anammox, cho thấy hoạt tính Anammox tăng không đáng kể khi thay đổi thời gian lưu nước và tăng tải trọng nitrogen Hoạt tính anammox 0.007 – 0.008 mgNH 4 + -N/mgVSS.ngày cao hơn so với kết quả nghiên cứu của Malamis et al, (2013) (SAA 0.0009 mgNH 4 + -N/mgVSS.ngày), thấp hơn kết quả nghiên cứu của Vázquez Padín et al, (2009) (SAA 0.28 mg mgNH 4 + - N/mgVSS.ngày) và kết quả nghiên cứu của K.A Third et al, (2005) (SAA 0.02 mg mgNH 4 + -N/mgVSS.ngày) Kết thúc thí nghiệm 2 và 3 nhóm nghiên cứu đã ghi lại hình ảnh bùn trong mô hình như Hình 3.11

Hình 3.11 Bùn hạt trong bể phản ứng CANON ngày thứ 74 (a), ngày thứ 109 (b)

Hình 3.11 cho thấy kích thước hạt tăng nhiều phù hợp với kết quả phân tích phân bố kích thước hạt ở hình 3.8a, b Ngoài ra nhóm nghiên cứu còn gửi mẫu hạt bùn chụp ảnh SEM kết quả thể hiện hình 3.12

Hình 3.12 Ảnh SEM bề mặt hạt bùn Anammox trong mô hình CANON a b

Hoạt tính AOB (SNR) và NOB (SDR)

Tương tự hoạt tính Anammox, với mỗi tải trọng nitrogen nhóm nghiên cứu đánh giá hoạt tính AOB và NOB Thí nghiệm SNR (HRT 16h) thực hiện khi hiệu suất xử lý Ammonium đạt 93% Kết quả thí nghiệm thể hiện trên Hình 3.15

Hình 3.13 Nồng độ NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính AOB, HRT (16h)

Thí nghiệm SNR (HRT 8h) thực hiện khi hiệu suất xử lý Ammonium đạt 69%

Kết quả thí nghiệm thể hiện trên Hình 3.14

Hình 3.14 Nồng độ NH 4 + - N, NO 2 - - N, NO 3 - - N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính AOB, HRT (8h) y = -57,904x + 153,55 R² = 0,9909 y = 0,7349x - 0,7498 R² = 0,933 -5

Nồ ng độ NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 - -N , m g /L

NH4+ - N NO2- - N NO3- - N Linear (NH4+ - N) Linear (NO3- - N)

Nồ ng độ NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, m g /L

Từ kết quả thí nghiệm và hệ số trong hình 3.13, 3.14 xác định hoạt tính AOB, NOB chi tiết trong phụ lục 3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm hoạt tính SAA, AOB và NOB trong 2 HRT như Bảng 3.3

Bảng 3.3 Hoạt tính SAA, AOB và NOB trong từng HRT TT

SAA AOB NOB HRT mgNH4 +

Kết quả thí nghiệm 2 cho thấy hoạt tính Anammox, AOB và NOB tăng Hoạt tính AOB ở tải trọng 0.47 ± 0.07 kgN/m 3 ngày thấp hơn hoạt tính AOB ở tải trọng 0.95 ± 0.11 kgN/m 3 ngày Hoạt tính NOB trong thí nghiệm này cao hơn trong kết quả đã công bố của Malamis et al, (2013) (0.00008 mgNO3 -

Kiến nghị

Sau khi kết thúc thí nghiệm, các kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình CANON phù hợp xử lý các nguồn nước thải chứa ammonium cao và không có hoặc chứa một phần nhỏ các thành phần hữu cơ, trong đó có nước thải chăn nuôi sau biogas Để ứng dụng quá trình này vào thực tiễn em đề xuất các nghiên cứu thêm về động

42 học quá trình, cân bằng sinh khối trong quá trình, hoạt tính sinh khối, thay đổi thiết kế phù hợp với đặc điểm sinh trưởng của hệ vi sinh, quy trình vận hành, các nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc vi sinh, tính toán chi phí đầu tư, vận hành so với các công nghệ khác, thu hồi lượng khí nitrogen sinh ra, các thí nghiệm xác định tỉ lệ tuần hoàn dòng ra để đạt hiệu suất xử lý cao Đồng thời, nghiên cứu tiền xử lý nước thải chăn nuôi gia súc kị khí, dòng ra của mô hình kị khí là dòng vào bể phản ứng CANON để xác định chất lượng dòng ra phù hợp với QCVN 62-MT:2016/BTNMT loại A, và thử nghiệm ứng dụng quá trình CANON ở quy mô pilot