NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ N/COD đến quá trình hình thành và đặc tính của bùn hạt hiếu khí Đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ và khả năng nitrate hóa v
GIỚI THIỆU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Các công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính thông thường đang dần trở nên hạn chế ở khả năng lắng, tải trọng thấp và khả năng khử nitơ kém Bùn hạt hiếu khí là công nghệ được đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong xử lý nước thải trong thời gian gần đây Bùn hạt có nhiều ƣu điểm hơn so với bùn hoạt tính thông thường: ổn định và duy trì nồng độ sinh khối cao, có khả năng chịu được tải trọng hữu cơ cao 15 kg COD/m 3 ngày (Moy và cộng sự, 2002) trong khi bùn hoạt tính thông thường là 0.5 – 2 kg COD/m 3 ngày, khả năng lắng tốt (SVI < 30 mL/g, vận tốc lắng rất cao v > 10 m/h) (Linlin và cộng sự, 2005), chịu sốc tải và đồng thời xử lý nitrogen, photpho hiệu quả cao Khả năng xử lý ammonia nồng độ cao 1000 – 1400 mg/L, hiệu quả xử lý lớn hơn 80% (Tsuneda và cộng sự, 2005) Khả năng lắng tốt của bùn hạt làm cho quá trình tách sinh khối từ nước thải nhanh và hiệu quả hơn dẫn đến tiết kiệm diện tích xây dựng công trình
Bùn hạt cung cấp mật độ vi khuẩn ổn định, hỗ trợ sinh khối và loại bỏ dưỡng chất Kích thước hạt tạo môi trường thuận lợi cho nitrate hóa và khử nitơ (SND), khiến loại bỏ nitơ trở thành mối quan tâm Tốc độ tăng trưởng vi sinh vật và tỷ lệ N/COD ảnh hưởng đến hoạt động nitrate và khử nitơ Tăng cường nguồn carbon hỗ trợ cả hai quá trình, với khử nitơ là yếu tố kiểm soát chính Do đó, bùn hạt hiếu khí là giải pháp thay thế tiềm năng cho xử lý bùn hoạt tính truyền thống.
Vì thế đề tài “Ảnh hưởng của các loại cơ chất khác nhau đến đặc tính của bùn hạt hiếu khí” được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ cơ chất
N/COD, tải trọng nitơ (NLR) đến sự hình thành bùn hạt và đặc tính của bùn hạt
Sau khi bùn hạt hình thành, tiếp tục đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ đối với nước thải tổng hợp
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu gồm hai mục tiêu:
Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ N/COD đến quá trình hình thành và đặc tính bùn hạt hiếu khí
Đánh giá khả năng khử COD và nitơ của bùn hạt hiếu khí ở các điều kiện cơ chất khác nhau.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu đƣợc tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm nên phạm vi nghiên cứu giới hạn trong một số vấn đề sau:
Nghiên cứu sử dụng bể phản ứng khí nâng từng mẻ SBAR để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí, theo dõi sự phát triển của hạt trong bốn mô hình phản ứng với tỷ lệ N/COD khác nhau Mô hình R1 có tỷ lệ N/COD là 5/150, mô hình R2 là 10/150, mô hình R3 là 30/150 và mô hình R4 là vô hạn (chỉ chứa nguồn cơ chất ở dạng ammonia) Tất cả các mô hình đều được vận hành với OLR cố định là 3 kgCOD/m³ ngày, trong khi NLR tăng dần theo giá trị 0,1, 0,2, 0,6 và 0,9 kgN/m³.ngày.
Đề tài chỉ khảo sát các đặc tính cơ bản của bùn hạt hiếu khí như: kích thước hạt, chỉ số thể tích bùn SVI, vận tốc lắng, nồng độ sinh khối trong bể Từ đó đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ, khả năng nitrate hóa và khử nitrate đồng thời (SND) của bùn hạt hiếu khí được hình thành ở các nguồn nước thải tổng hợp có tỷ lệ N/COD khác nhau.
Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA NGHIÊN CỨU
Công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hạt hiếu khí rất có triển vọng trong tương lai Với các ưu điểm của hệ thống xử lý như diện tích mặt bằng nhỏ, thể tích công trình nhỏ, thời gian xử lý nhanh và hiệu quả xử lý cao hơn bùn hoạt tính thì việc áp dụng công nghệ này giúp giảm phần nào chi phí xử lý nước thải và giảm được nồng độ chất ô nhiễm thải ra môi trường Kết quả của đề tài mang tính thực tiễn cao, là tiền đề nghiên cứu áp dụng vào thực tế đối với các nước thải có tải trọng nitơ cao và không ổn định.
TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU
Bùn hạt là quá trình tập hợp nhiều vi sinh vật kết lại dày đặc với hình dáng bên ngoài là hình cầu Mỗi bùn hạt là hàng triệu vi sinh vật khác nhau với lƣợng sinh khối lớn Bùn hạt đã được phát triển thành công cả môi trường kỵ khí và hiếu khí Đối với bùn hạt hiếu khí, tùy thuộc vào môi trường và điều kiện nuôi cấy mà thành phần vi sinh trong bùn hạt cũng khác nhau, bao gồm các nhóm sinh vật dị dƣỡng, nitrate hóa, khử nitrate Quá trình hình thành bùn hạt là kết quả sự kết hợp các tế bào vi sinh tiếp xúc nhau tương đối ổn định dưới các điều kiện lý - hóa - sinh Bùn hạt cũng có thể được xem như là trường hợp đặc biệt của sự phát triển màng sinh học biofilm (Liu và cộng sự, 2002; Yang và cộng sự, 2004).
TỔNG QUAN VỀ BÙN HẠT
Nhiều nghiên cứu cho rằng quá trình hình thành bùn hạt là quá trình tự cố định các tế bào vi sinh dưới các điều kiện lý - hóa - sinh tương đối ổn định Liu và Tay (2002) đưa ra mô hình quá trình hình thành bao gồm các bước sau:
Bước đầu tiên của quá trình hình thành màng sinh học là sự bám dính và tương tác giữa các vi sinh vật với bề mặt chất rắn Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm thủy động lực học, sự khuếch tán, trọng lực, nhiệt động lực học và sự chuyển động của tế bào.
Bước 2: Lực hấp dẫn ban đầu giúp ổn định sự tác động giữa các tế bào bám dính lẫn nhau và ổn định trên bề mặt rắn Những lực hấp dẫn bao gồm:
Vật lý: Van der waals, lực tĩnh điện, nhiệt động học, tính kỵ nước và cầu nối giữa các tế bào
Hóa học: liên kết hydro, liên kết đôi, liên kết ba, cầu nối giữa các hạt
Sinh hóa: sự khử nước trên bề mặt tế bào, liên kết màng tế bào
Bước 3: các tế bào tập hợp lại với nhau đạt trạng thái ổn định thông qua polymer ngoại bào (EPS), sự phát triển cụm tế bào, sự trao đổi chất và ảnh hưởng môi trường làm thuận lợi tác động qua lại giữa các tế bào và kết quả cấu trúc tế bào dày hơn và dính chặt hơn
Bước 4: dưới tác động của lực cắt, cấu trúc ba chiều của bùn hạt ổn định Bề mặt và kích thước của bùn hạt được quyết định nhờ ảnh hưởng giữa tập hợp vi sinh vật, lực cắt, chủng loại vi sinh và nồng độ cơ chất (Yu và cộng sự, 2002)
4 Theo nghiên cứu của Wang và cộng sự (2004); Beun và cộng sự (1999) thì quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí nhƣ sau:
Bùn hoạt tính ban đầu nuôi cấy trong bể SBR có cấu trúc mềm, khó lắng
Giai đoạn chạy thích nghi vận hành trong 25 ngày ở tải trọng 1,8 kg COD/m 3 ngày
Bùn khó lắng đƣợc loại bỏ ra khỏi hệ thống và chỉ giữ lại bùn có đặc tính dễ lắng Ở giai đoạn tạo hạt tải trọng đƣợc tăng lên 3,2 kg COD/m 3 ngày, bùn hạt ban đầu được hình thành dưới dạng những viên bùn sợi và tốc độ phát triển chậm hơn bông bùn Ở giai đoạn này bông bùn vẫn chiếm ƣu thế Khi tăng tải trọng lên 4,8 kg
Sau 3 ngày, hạt bùn ban đầu phát triển thành bùn hạt có kích thước ổn định từ 6-7mm Dưới kính hiển vi, vi khuẩn dạng sợi đóng vai trò giá thể cho các vi sinh dạng cầu và vi khuẩn hình que bám vào, góp phần hình thành và phát triển của bùn hạt.
Theo nghiên cứu của Beun và cộng sự (1998) cho thấy sau giai đoạn thích nghi nấm xuất hiện chủ yếu trong bông bùn Các nấm này dễ hình thành các viên nhỏ, có khả năng lắng nhanh và đƣợc giữ lại trong hệ thống Trong giai đoạn chạy thích nghi, các viên sợi có chứa vi khuẩn dạng sợi chiếm ưu thế Dưới tác động của lực cắt các vi khuẩn dạng sợi tách ta khỏi bề mặt các viên này và viên này trở nên dày đặc hơn Các viên này phát triển nhanh thành các hạt có kích thước 5-6mm
Bên trong các hạt này bị giới hạn oxy khuếch tán vào nên các hạt này bị tách ra
Các viên dạng sợi này đƣợc xem nhƣ là giá thể để các loại vi khuẩn cố định vào
Khi tách hạt, các dòng vi khuẩn lớn đủ và lắng tốt được lưu lại trong bể Các dòng vi khuẩn này tiếp tục phát triển thành hạt bùn.
Hình 2.1 Sơ đồ quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí từ bùn hoạt tính
2.2.2 Đặc tính của bùn hạt hiếu khí
Cấu trúc của bùn hạt
Sự hình thành bùn hạt do một số vi sinh vật tự cố định gắn kết với nhau Cấu trúc bùn hạt sẽ phụ thuộc vào thành phần các vi sinh vật này Tùy thành phần cơ chất ban đầu, OLR, NLR và điều kiện môi trường mà sẽ hình thành những loại vi khuẩn khác nhau và hình thành bùn hạt với cấu trúc và đặc tính khác nhau
Tùy thuộc vào sự phát triển của nhóm vi sinh vật, bề mặt của hạt bùn có thể nhẵn hoặc nhám Khi mô hình có sự hiện diện quá mức của sản phẩm polysaccharides và lực cắt mạnh thì bùn hạt có một lớp vỏ bao bọc bên trên Lớp này sẽ làm giảm sự tách tế bào và hạn chế sự trao đổi chất của bùn hạt (Tay và cộng sự, 2003).
Bựn hạt cú chứa nhiều rónh và lổ rỗng cú thể xõm nhập ở độ sõu 900 àm từ bề mặt bựn hạt Độ xốp tồn tại ở độ sõu 300 – 500 àm tớnh từ bề mặt Những rónh và lổ rỗng này sẽ thuận lợi cho việc vận chuyển oxy và chất dinh dƣỡng vào bên trong bùn hạt và sản phẩm trao đổi chất ra bên ngoài Vi khuẩn Nitrosomonas spp cũng tồn tại trong bựn hạt ở độ sõu 70 – 100 àm tớnh từ bề mặt bựn hạt và vi khuẩn kỵ khớ Bacteroides spp tồn tại ở độ sõu 800 – 1000 àm
Thành phần vi sinh trong bùn hạt
Các vi khuẩn acid hóa, nitrate hóa, khử nitrate, vi khuẩn dị dƣỡng, vi khuẩn tích lũy phosphose và vi khuẩn tích lũy glycogen cùng tồn tại trong bùn hạt (Jang và cộng sự, 2003; Yang và cộng sự, 2003) Thành phần và chủng loại số vi sinh vật thay đổi tùy thuộc vào từng loại cơ chất, tải trọng hữu cơ, tỷ lệ N/C trong nước thải và điều kiện môi trường nuôi cấy
Với cơ chất glucose sự hình thành bùn hạt chủ yếu là vi khuẩn filamentous, trong khi đó cơ chất là acetate thì vi khuẩn hình que chiếm ƣu thế Khi tỷ lệ N/C tăng cao thì vi khuẩn dị dƣỡng giảm, vi khuẩn nitrate hóa và khử nitrate gia tăng
(Yang và cộng sự, 2003) Điều này cho thấy khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong bùn hạt
Đặc tính lắng của bùn Đặc tính lắng của bùn là thông số vận hành quyết định đến hiệu quả của tách pha giữa rắn và lỏng, điều này thể hiện chức năng của hệ thống xử lý nước thải
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA VÀ KHỬ NITRATE
Quá trình nitrate hóa là quá trình oxy hóa hợp chất chứa nitơ, đầu tiên là ammonia đƣợc chuyển hóa thành nitrite và sau đó nitrite đƣợc chuyển thành nitrate Quá trình nitrate hóa được diễn ra theo hai bước do hai chủng vi sinh vật tự dƣỡng Nitrosomonas và Nitrobacter thực hiện kế tiếp nhau:
Phản ứng một và hai đƣợc thực hiện do chủng vi sinh vật Nitrosomonas và
Vi khuẩn nitrit hóa Nitrobacter tạo ra năng lượng thông qua quá trình oxy hóa amoni thành nitrit (57 kcal/mol) và nitrit thành nitrat (19 kcal/mol) Tuy nhiên, năng lượng thu được từ quá trình này thấp hơn đáng kể so với quá trình oxy hóa chất hữu cơ của vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng (ví dụ, 207 kcal/mol đối với quá trình oxy hóa axit axetic) Sự khác biệt này dẫn đến hiệu suất sinh khối thấp hơn của vi khuẩn nitrit hóa.
17 Từ phản ứng thứ ba cho thấy để oxy hóa 1 mol NH 4 + cần 1 mol oxy, tương ứng với 4.57 g oxy/g nitơ trong hợp chất ammonia Phản ứng oxy hóa tạo thành nitrite sinh ra H + (oxy hóa 1 mol ammonia tạo ra 2 mol H + ) Trong môi trường nước thải, pH thấp hơn 8.2 thì độ kiềm của nước chính là do sự có mặt của ion bicarbonat (HCO 3 - ) Ion bicarbonat phản ứng với H + sinh ra từ phản ứng, tạo ra acid carbonic có tác dụng kìm hãm một phần mức độ suy giảm pH của môi trường, nói cách khác bicarbonat có vai trò chất đệm của hệ Lƣợng bicarbonat tiêu hao là 122 mg/ 2 mol H + , tương ứng với 8.6g HCO 3 - /g NH 4 + -N hoặc nếu độ kiềm tính theo CaCO 3 thì giá trị trên sẽ là 7.14 g CaCO 3 /g NH 4 + -N
Phản ứng hóa học một và hai chỉ mô tả phản ứng tỷ lƣợng của ammonia với oxy do vi sinh vật thực hiện nhằm sản xuất năng lƣợng để duy trì sự sống và phát triển Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi sinh vật tự dƣỡng, chúng sử dụng nguồn carbon vô cơ (chủ yếu là HCO 3 - và CO 2 ) cùng với các chất dinh dƣỡng (N, P, vi lƣợng ) để phát triển tế bào Thành phần nitơ đƣợc ƣa chuộng nhất để xây dựng tế bào là ammonia Thành phần oxy trong tế bào (C 5 H 7 NO 2 ) đƣợc lấy từ CO 2 hoặc HCO 3 - nếu lấy hiệu suất sinh khối của cả 2 loại vi sinh trên là 0.17 g/g NO 3 -N tạo thành thì phản ứng tổng thể của quá trình oxy hóa ammonia thành nitrate sẽ là:
Tỷ lệ tiêu hao oxy và độ kiềm trong phản ứng trên không khác nhiều lắm so với phản ứng ba do hiệu suất sinh khối của vi sinh tự dƣỡng thấp
Oxy hóa ammonia gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của cả quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn so với loại Nitrobacter và vì vậy nồng độ nitrite thường rất thấp trong giai đoạn ổn định, chứng tỏ rằng giai đoạn oxy hóa từ ammonia thành nitrite là bước quyết định tốc độ phản ứng oxy hóa đối với một hệ xử lý hoạt động bình thường Vì lý do đó, trong khi tính toán theo mô hình động học người ta chỉ sử dụng các thông số liên quan đến loài
Nitrosomonas đặc trƣng của quá trình oxy hóa ammonia (2 loại vi sinh tự dƣỡng trên có tên là Nitrifier)
2.3.1.2 Động học của quá trình:
Tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dƣỡng tuân theo quy luật động học Monod đối với từng yếu tố ảnh hưởng hay đối với từng loại cơ chất cho vi sinh vật
Hai yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh tự dƣỡng là nồng độ ammonia và oxy hòa tan:
+ μ,μ m : Hằng số phát triển riêng và cực đại của vi sinh tự dƣỡng, S N là nồng độ ammonia, DO là nồng độ oxy hòa tan, K N , K DO là hằng số bán bão hòa của ammonia và oxy
Nồng độ oxy hòa tan (DO) ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ nitrate hóa trong bùn hoạt tính Nồng độ DO tối ưu nằm trong khoảng 4 - 7 mg/L, mang lại tốc độ nitrat hóa nhanh chóng Tuy nhiên, nếu DO giảm xuống 1 mg/L, tốc độ nitrat hóa sẽ giảm 10% so với nồng độ DO cao hơn Khi nồng độ DO tăng từ 1-3 mg/L, tốc độ nitrat hóa trong bùn hoạt tính tăng gấp đôi Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc duy trì nồng độ DO thích hợp để đảm bảo hiệu quả xử lý nitrate trong hệ thống bùn hoạt tính.
Sự khác nhau của những nghiên cứu ảnh hưởng DO lên động học phản ứng đƣợc giải thích là dựa trên cơ chế vận chuyển và tiêu thụ oxy của các bông bùn hoạt tính
pH pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển và lựa chọn chủng loại vi sinh vật Kết quả nghiên cứu của Yang và cộng sự (2008) cho thấy bùn hạt đƣợc tạo ở điều kiện pH thấp (pH=3) nhanh hơn bùn hạt đƣợc tạo ra ở pH bằng 8 Ở pH
=3, bùn hạt được hình thành sau 1 tuần nuôi cấy với nấm chiếm chủ yếu, đường kính hạt 7mm với cấu trúc mềm Ở pH = 8 bùn hạt đƣợc hình thành sau 4 tuần nuôi cấy, các vi khuẩn chiếm ưu thế, đường kính hạt 4.8mm với cấu trúc bùn rắn chắc và dày đặc
Quá trình nitrate hóa đạt giá trị tối ƣu ở pH 7.5 – 8.5 Mối quan hệ giữa pH và quá trình nitrate hóa
Bảng 2.4 Ảnh hưởng của pH đến quá trình nitrate hóa
Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của các vi sinh tự dưỡng, tăng khi nhiệt độ tăng Từ thực nghiệm đã xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa μ m và nhiệt pH Quá trình nitrate hóa
4.0 – 4.9 Có sự hiện diện của nhóm vi khuẩn nitrate 5.0 – 6.7 Có quá trình nitrate hóa nhƣng tỷ lệ nitrate hóa chậm 6.7 – 7.2 Có quá trình nitrate hóa, tỷ lệ nitrate hóa tăng
7.2 – 8.0 Có quá trình nitrate hóa, tỷ lệ nitrate hóa không đổi 7.5 – 8.5 Quá trình nitrate hóa đạt giá trị tối ƣu
19 độ theo các loại tương quan định lượng khác nhau và vì vậy sẽ thu được các giá trị khác nhau
Bảng 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ tăng trưởng đặc trưng tối đa của quá trình nitrate hóa
Nguồn μm theo nhiệt độ μm, max
Hệ số bán bão hòa K n cũng đƣợc chứng minh là một hàm phụ thuộc nhiệt độ (Nguyễn Văn Phước, 2008)
Theo các nghiên cứu gần đây, nồng độ ammonia tự do (FA) là một yếu tố gây ức chế đến quá trình nitrate hóa (Hawkins và cộng sự, 2010) Ngƣỡng gây ức chế của FA đối với Nitrosomonas là 10 – 150 mg/L và Nitrobacter là 0.1 – 4.0 mg/L
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Trong những thập kỷ gần đây, công nghệ tạo bùn hạt đã được phát triển và mở rộng nghiên cứu Đặc biệt, bùn hạt hiếu khí đã thu hút sự quan tâm đáng kể do tính ưu việt so với bùn hoạt tính thông thường Các nghiên cứu tập trung vào cơ chế hình thành hạt và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này, đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý các thành phần hữu cơ và dinh dưỡng của bùn hạt hiếu khí.
Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt hiếu khí trên mô hình SABR, Beun và cộng sự (2002)
Bùn hạt hiếu khí đƣợc nuôi cấy trong bể SBAR Nguồn carbon đƣợc sử dụng dưới dạng acetate và bùn nuôi cấy ban đầu là bùn hoạt tính được lấy từ hệ thống xử lý nước thải thông thường Mô hình được vận hành ở tải trọng 2.5 kg COD/m 3 ngày tương ứng với COD đầu vào là 580mg/L Kết quả nghiên cứu cho thấy sau thời gian thích nghi 1 tuần, bùn hạt bắt đầu hình thành Bùn hạt ổn định có đường kính trung bình là 2.5mm, với nồng độ sinh khối 60gVSS/L bùn hạt và vận tốc lắng lớn hơn 10m/h Sinh khối trong bùn hạt bao gồm cả vi khuẩn dị dƣỡng và nitrate hóa Nghiên cứu cũng so sánh bể phản ứng theo mẻ SBAR với hệ thống phản ứng liên tục BASR (biofilm airlift suspension reactor) và cho thấy sự khác biệt giữa 2 hệ thống này là mật độ bùn hạt trong bể SBAR cao hơn mật độ trong bể BASR
Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt hiếu khí trên mô hình SBR, Beun và cộng sự (1998)
Trong nghiên cứu này bùn hạt hiếu khí đƣợc nuôi cấy trong bể SBR Kết quả nghiên cứu cho thấy ở thời gian lưu nước ngắn và lực cắt cao sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo hạt Ở tải trọng 7.5 kg COD/m 3 với điều kiện vận hành tối ưu Bùn hạt đạt kích thước ổn định 3.3mm và hàm lượng sinh khối của bùn hạt là 11.9gVSS/L bùn hạt Quan sát bùn hạt dưới kính hiển vi từ lúc bắt đầu hình thành cho đến khi phát triển ổn định Nghiên cứu cũng đã đƣa ra đƣợc cơ chế của quá trình tạo bùn hạt hiếu khí trong bể SBR cũng giống với cơ chế tạo bùn hạt trong bể BAS
Ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến tính chất của bùn hạt hiếu khí trong bể SBAR Wang và cộng sự (2005)
Quá trình hình thành và tính chất của bùn hạt hiếu khí đƣợc nghiên cứu trong 2 bể SBAR Nước thải tổng hợp được sử dụng trong 2 bể có nồng độ COD ban đầu rất khác nhau (400mg/L trong bể R1 và 1600mg/L trong bể R 2 ) Thời gian lưu nước trong bể R1 và R 2 tương ứng là 3h và 12h Quá trình tạo hạt của bùn được theo dõi bởi kính hiển vi và cho thấy tính chất của bùn hạt trong 2 bể phản ứng rất khác nhau là do 2 bể có thời gian lưu nước khác nhau Với thời gian lưu nước là 3h, kích thước của bùn hạt khoảng 1 – 2mm, tỷ lệ VSS/SS là 92.08% và nồng độ hạt cao Với thời gian lưu nước là 12h, kích thước bùn hạt khoảng 0.5 – 1mm, tỷ lệ VSS/SS là 83.92% và nồng độ bùn hạt thấp hơn Hơn nữa hình dạng và chủng loại vi sinh vật trong bùn hạt cũng khác nhau theo thời gian lưu nước Wang cũng kết luận là thời gian lưu nước đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và tính chất của bùn hạt
Nghiên cứu ảnh hưởng của lực cắt đến quá trình hình thành cấu trúc và quá trình trao đổi chất của bùn hạt hiếu khí Tay và cộng sự (2001)
Thí nghiệm nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trên 4 bể phản ứng với các tốc độ thổi khí khác nhau từ 0.3 – 3.6 cm/s Sau 7 ngày vận hành kích thước bùn hạt trong 3 bể phản ứng có tốc độ thổi khí lớn (R 2 , R 3 , R 4 ) tăng từ 0.12mm lên 0.28 – 0.37mm còn bùn hạt trong bể phản ứng có tốc độ thổi khí nhỏ nhất (R 1 ) không có sự gia tăng về kích thước Kết quả nghiên cứu cho thấy vận tốc khí cao sẽ tạo ra lực cắt lớn thúc đẩy quá trình tạo hạt và hình thành các hạt bùn mịn và đặc chắc hơn
Khả năng xử lý đồng thời COD, nitơ, photpho của bùn hạt hiếu khí, De Kreuk Mket và cộng sự (2005):
Nghiên cứu chỉ ra rằng bùn hạt hiếu khí có khả năng xử lý thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhờ nhóm vi khuẩn tự dưỡng bên trong Hiệu quả xử lý cao nhất ở độ oxy bảo hòa thấp 20%, đạt 100% COD, 94% photphat và 94% nitơ tổng trong đó 100% NH₄⁺-N Đường kính bùn hạt lớn cũng góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nitơ.
Lý thuyết về bùn hạt trong việc khử chất hữu cơ và nitơ trong nước thải, Liu và cộng sự (2003):
Sự phát triển của mật độ vi sinh bùn hạt trong bể SBR có sự thay đổi theo tỷ lệ N/COD khác nhau Kết quả cho thấy tỷ lệ N/COD có ý nghĩa trong việc phát triển mật độ vi sinh bùn hạt, quá trình nitrate và khử nitrate bởi các vi sinh vật Tuy nhiên, mật độ vi sinh dị dƣỡng trong bùn hạt tăng lên theo tỷ lệ N/COD Điều này cho thấy nồng độ DO hòa tan có ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử nitrate của vi sinh bùn hạt Kết quả chỉ ra rằng một chế độ khuấy trộn nhất định sẽ đảm bảo sự chuyển hóa trong quá trình khử nitrate
Sau 20 ngày vận hành, bùn hạt hiếu khí có kích thước trung bình trong 4 thiết bị phản ứng lần lượt là 1,9 mm (R1), 1,5 mm (R2), 0,5 mm (R3) và 0,4 mm (R4) Nồng độ sinh khối đạt mức ổn định trên 10 gSS/lít Tỷ lệ VSS/SS giảm từ 0,94 xuống 0,79, trong khi tỷ lệ chất nền N/COD tăng từ 5/100 lên 30/100 Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy bùn hạt phát triển trong cả 4 thiết bị có cấu trúc nhỏ gọn, hình cầu rõ ràng hơn so với bùn giống dùng làm giống ban đầu.
Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ oxygen hòa tan đến quá trình nitrate hóa bằng bùn hạt hiếu khí:
Mosquera – Corral và cộng sự (2005) nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ DO đến hiệu quả xử lý nitơ cho thấy nồng độ oxy giảm từ 100% xuống 50%, quá trình oxy hóa ammonia giảm 47% Điều này có nghĩa là quá trình nitrate hóa bị giảm, nồng độ DO giảm, hạn chế sự khuếch tán oxy vào phía trong bùn hạt và làm tăng vùng thiếu khí trong bùn hạt, dẫn đến làm tăng quá trình khử nitrate Trong nghiên cứu này, giảm nồng độ DO dẫn đến ảnh hưởng cấu trúc của hạt bùn Ở nồng độ DO thấp làm vỡ hạt bùn
Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ N/COD lên quá trình nitrate hóa:
Nghiên cứu của Yang và cộng sự (2004) cho thấy khi tỷ lệ N/COD tăng sự phát triển nhóm vi khuẩn dị dƣỡng lại giảm Quá trình nitrate hóa không xảy ra khi tỷ lệ N/COD lớn hơn 0.1 Tại tỷ lệ này nồng độ COD 1000 mg/l, N-NH 4 + 100mg/l, khí ammonia 9.2mg/l và kích thước hạt bùn là 0.32 mm Khi đó có 31% ammonia đầu vào đƣợc chuyển thành nitrite thay vì nitrate
Hình 2.5 Quá trình nitrate hóa của bùn hạt ở tỷ lệ N/COD 0,05 (R1); 0,1(R2); 0,2
(R3); 0,3(R4) trong nghiên cứu của Wang
27 Nghiên cứu của Yang và cộng sự (2005) cho thấy sự phát triển của nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrite, vi khuẩn oxy hóa ammonia gia tăng trong khi đó vi khuẩn dị dƣỡng lại giảm Trong nghiên cứu này, nồng độ N-NH 4 + tăng dần từ 25 đến 150mg/l khi đó tỷ lệ N/COD tương ứng 0.05; 0.1; 0.2; 0.3 và đường kính hạt tương ứng 1.9; 1.5; 0.5; 0.4mm Kết quả cho thấy tại tỷ lệ N/COD bằng 0.05 thì quá trình nitrate hóa không xảy ra Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra tại tỷ lệ N/COD 0.1 đến 0.3 Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra sau khi oxy hóa hết các chất hữu cơ và chỉ xảy ra sau thời gian 1 giờ
Nghiên cứu ảnh hưởng ammonia lên quá trình nitrate hóa:
Quá trình nitrate hóa đƣợc thực hiện chủ yếu bởi 2 loại vi khuẩn
Nitrosomonas và Nitrobacter Nồng độ NH 3 10 -150 mg/l hạn chế sự phát triển của vi khuẩn Nitrosomonas và 0.1 – 0.4 mg/l hạn chế vi khuẩn Nitrobacter, các nghiên cứu Yang và cộng sự (2003) và nghiên cứu khác của Yang và cộng sự (2004) cho thấy nồng độ ammonia 9.2 mg/l, tương ứng nồng độ NH 4 + - N 100mg/l, chỉ có 31% ammonia đầu vào đƣợc chuyển thành nitrite và nồng độ ammonia lớn hơn 10mg/l không xảy ra quá trình nitrate hóa
Amoni ảnh hưởng đến hoạt động của nhóm vi khuẩn nitrat Hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa có thể được đánh giá thông qua tỷ lệ tiêu thụ oxy riêng của quá trình nitrat hóa.
(SNOUR) khi ammonia cao thì SNOUR giảm Điều này chứng tỏ khi nồng độ ammonia tăng hạn chế hoạt động của nhóm vi khuẩn nitrate hóa (Yang và cộng sự, 2003)
Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải có nồng độ ammonia cao:
Nghiên cứu của Jin và cộng sự (2008) dùng bùn hạt để xử lý nitơ trong bể phản ứng khí nâng liên tục Bùn hạt có kích thước 1.54 mm có thể chịu đựng được nồng độ NH 4 + - N đén 1100 mg/l, tương ứng tải trọng 1.11 kgN/m 3 ngày và HRT
24h Hiệu quả xử lý đạt 100%, nồng độ N-NO 2 đầu ra nhỏ hơn 12.6 mg/l Khi hoạt động với nồng độ NH4 +
-N 546 mg/l, tương ứng với NLR 2.37 kg N/m 3 ngày và HRT 5.4 h, thì hiệu quả xử lý đạt trên 94.4%
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu này tập trung vào hai nội dung chính: (1) khảo sát đặc tính bùn hạt hiếu khí ở 4 tỷ lệ N/COD khác nhau: R1 - N/COD = 5/150; R2 - N/COD 10/150; R3 - N/COD = 30/150 và R4 - N/COD →∞ (nước thải tổng hợp không có COD đầu vào); (2) đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ và khả năng nitrate hóa và khử nitrate đồng thời của bùn hạt hiếu khí Các nội dung nghiên cứu cụ thể đƣợc thể hiện trong hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ nội dung thí nghiệm
Khảo sát đặc tính của bùn hạt ở các tỷ lệ N/COD khác nhau
Tạo hạt hiếu khí ở các tỷ lệ N/COD khác nhau ở bốn bể phản ứng lần lƣợt là R1 - N/COD = 5/150; R2 - N/COD
Kích thước hạt, Chỉ số SVI, Vận tốc lắng của bùn hạt,
Nội dung 2 Đánh giá hiệu quả xử lý COD, Nitơ và khả năng của bùn hạt đến nitrate hóa và khử nitrate đồng thời
Hiệu quả xử lý COD và nitơ Ảnh hưởng của tải trọng NRL đến quá trình nitrate hóa của bùn hạt hiếu khí
Khả năng của bùn hạt đến nitrate hóa và khử nitrate đồng thời (SND)
NƯỚC THẢI ĐẦU VÀO
Cả 4 mô hình cùng sử dụng nước thải tổng hợp có các thành phần được lấy theo môi trường nuôi cấy trong nghiên cứu của Thành và cộng sự (2009) Thành phần nước thải của bốn bể được trình bày Bảng 3.1
Bảng 3.1 Thành phần nước thải tổng hợp
Với các thành trên, nồng độ COD đầu vào của ba bể R1, R2, R3 của nước thải tổng hợp là 1000 mg/L và R4 (COD =0), nồng độ NH4 +
-N của 4 bể lần lƣợt là 33; 33; 200; 300, nồng độ NO 3 - - N của R2 là 33mg/L.
BÙN NUÔI CẤY
Bùn hoạt tính đƣợc lấy từ khu công nghiệp Tân Bình, có hàm lƣợng MLSS 7000 mg/L.Khi đƣa vào mô hình có hàm lƣợng MLSS là 3000 mg/L và SVI là 124 mL/g.
MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
Mô hình đƣợc thiết kế hoạt động theo nguyên tắc bể SBAR (Sequencing
Mô hình lò phản ứng sục khí từng mẻ là hệ thống lò phản ứng gồm hai ngăn thông đáy, gồm 2 ngăn phản ứng thứ nhất (4.8 lít H2O) và thứ 2 (3.2 lít H2O), có kích thước bên trong (L x B x H) = 10,3 x 10 x 100 cm (thể tích chứa nước 8 lít) Dòng chảy trong bể di chuyển theo quỹ đạo hình elip nhờ tấm hướng dòng được làm bằng vật liệu aclyric.
Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm
Hình 3.3 Chi tiết cấu tạo mô hình nghiên cứu
QUY TRÌNH VẬN HÀNH
Thể tích làm việc của mô hình là 8L trong đó thể tích nước rút ra khỏi mô hình là 4L tương đương với 50% Mô hình được sục khí bởi máy thổi khí thông qua đá khuếch tán khí đặt cách đáy 50mm Nước thải được bơm từ thùng chứa đầu vào bằng bơm chìm, cuối mỗi chu kỳ nước được rút ra khỏi mô hình bởi van điện để xả nước ở vị trí giữa mô hình Bơm chìm, máy thổi khí và van điện có thể
36 thiết lập đƣợc chế độ vận hành tự động (auto) hoặc bằng tay (man) Trong quá trình nghiên cứu, toàn hệ thống đƣợc cho chạy 6 chu kỳ/ngày Mỗi chu kỳ đƣợc chia thành 4 giai đoạn chính bao gồm: cấp nước, sục khí, lắng và xả Thời gian lưu nước ở mỗi mẻ 4h:
Giai đoạn làm đầy (5 phút): nước thải tổng được bơm vào mô hình theo thời gian cài đặt là 5 phút và mực nước trong cột phản ứng được kiểm soát bởi thiết bị đầu dò mực nước Khi nước đầy đến mực nước cần thiết thì thiết bị báo mức sẽ truyền tín hiệu về tủ điện để ngừng bơm Trong hai chế độ điều khiển bơm thì tín hiệu ở đầu dò mực nước được thiết lập ƣu tiên
Giai đoạn sục khí (225 phút): Sau khi đƣợc làm đầy, mô hình đƣợc sục khí liên tục trong khoảng 225 phút Hỗn hợp bùn và nước thải di chuyển theo quỹ đạo hình elip nhờ dòng khí đẩy từ dưới đáy mô hình đi lên và tấm ngăn lửng theo chiều cao của mô hình
Giai đoạn lắng (3 phút): Khi thời gian sục khí vừa hết, mực nước trong mô hình đƣợc giữ ở trạng thái tĩnh để thực hiện quá trình tách pha giữa pha lỏng và pha rắn, các bông bùn nặng có xu hướng lắng xuống trước còn những bùn bông và bùn sợi nhẹ lắng chậm hơn
Giai đoạn xả (7 phút): Van điện đƣợc cài đặt hoạt động theo thời gian, sau khi hết thời gian lắng, van điện sẽ đƣợc mở tự động để tháo phần nước trong ở nửa cột trên của mô hình Các bông bùn nhẹ sẽ bị rút ra khỏi mô hình, những bông/hạt nặng đƣợc giữ lại và tiếp tục tham gia vào chu kỳ kế tiếp
Thông số vận hành chính của mô hình SBAR được tóm tắt trong Bảng 3.2 Chế độ vận hành của mô hình cũng có sự thay đổi theo từng giai đoạn cụ thể, được trình bày chi tiết trong Bảng 3.3 và 3.4.
Bảng 3.2 Thông số vận hành của 4 mô hình
37 4 VER (tỷ lệ trao đổi thể tích, %) 50 50 50 50 5 Vận tốc thổi khí bề mặt (cm/s) 1.67 1.67 1.67 1.67
Bảng 3.3 Chế độ vận hành của bốn bể phản ứng trong giai đoạn thích nghi
Bảng 3.4 Chế độ vận hành của bốn mô hình trong giai đoạn ổn định
Nạp liệu Sục khí Lắng Xả
CHỈ TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
- Mẫu nước: nước thải đầu vào được lấy trực tiếp trong thùng chứa nước thải, nước sau xử lý được lấy trực tiếp từ van xả ở chính giữa mô hình
- Mẫu bùn: đƣợc lấy trực tiếp ngay trong mỗi mô hình
Thời điểm lấy mẫu: mẫu đầu vào đƣợc lấy lúc mô hình bắt đầu chạy chu kỳ mới Nước sau xử lý được lấy trong khi mô hình đang chạy ở giai đoạn tháo nước
Chỉ tiêu nhƣ pH sẽ đƣợc đo trực tiếp tại mô hình tại thời điểm trong ngày
3.6.2 Các chỉ tiêu phân tích
Các chỉ tiêu phân tích: pH, COD, ammonia, nitrate, nitrite, MLSS, MLVSS, SVI Việc phân tích mẫu được thực hiện theo các phương pháp phân tích của
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA 1998)
Bảng 3.5 Các chỉ tiêu phân tích đối với mẫu nước đầu vào, đầu ra
STT Thông số Đơn vị Thiết bị phân tích Sai số Tần suất lấy mẫu
1 COD mg/L Tủ nung COD – Binder 3 lần/tuần
5 pH - Máy Eutech pH 5+ ±0.01 1 lần/ngày
Bảng 3.6 Các chỉ tiêu phân tích đối với mẫu bùn
STT Thông số Đơn vị
Thiết bị phân tích Sai số Tần suất lấy mẫu
1 SVI mL/g Ống đong 500ml ±0.5 1 lần/tuần
2 MLSS mg/L Tủ nung 105 0 C - Memmert bình hút ẩm cân phân tích Sartorius-BL 210 ±0.1 1 lần/tuần
3 MLVSS mg/L Tủ nung 550 0 C Lenton –
Furnaces bình hút ẩm cân phân tích Sartorius-BL 210 ±0.1 1 lần/tuần
4 Quan sát bùn dưới kính hiển vi
CX21 máy chụp ảnh Canon 1 lần/tuần
3.6.3 Phương pháp cân bằng Nitơ
Theo lý thuyết về cân bằng nitơ trong tế bào vi sinh vật, nguồn nitơ đi vào vi sinh vật được dùng để tổng hợp tế bào và nitrate hóa/khử nitrate Do đó, lượng nitơ còn lại trong nước thải sau xử lý được coi là lượng nitơ đã được loại bỏ khỏi hệ thống.
TN vào = TNtích lũy trong tế bào + TN ra + TNkhử nitrate hóa
Theo Metcaft & Eddy (2003) ƣớc tính đƣợc lƣợng nitơ tích lũy trong tế bào vi sinh vật chiếm 12% so với tổng khối lƣợng vi sinh vật Vì vậy ta có thể tính đƣợc TNtích lũy trong tế bào bằng phép tính: 12% x Tổng vi sinh vật sinh ra trong bể SBAR
Thông số TN vào TN ra đƣợc xác định bằng việc phân tích nồng độ các hợp chất chứa Nitơ trong nước thải (NO 2 - - N NO 3 - - N NH 4 + - N) TNtích lũy trong tế bào đã đƣợc xác định theo cách trên Từ các kết quả đó ta tính đƣợc lƣợng và phần trăm Nitơ bị khử do khử nitrate hóa trong hệ thống
TNkhử nitrate hóa = TN vào – (TNtích lũy trong tế bào + TN ra )
