Nghiên cứu xử lý nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến

Rất nhiều các giải pháp kỹ thuật được sử dụng để xử lý nước thải đã và đang được sử dụng trong các điều kiện khác nhau như kỹ thuật huyền phù, cố định vi sinh trên chất mang, kỹ thuật bù

ÐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ÐẠI HỌC NÔNG LÂM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Khoa học môi trường

Khoa : Môi trường

Khóa học : 2013 - 2015 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Thị Lan Khoa Môi trường - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên

Thái Nguyên, năm 2014

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Văn Chiều - Trưởng Phòng Công nghệ Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD) - người đã dìu dắt giúp đỡ em trong những bước đầu tiên tiên và tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian em làm khóa luận

Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán bộ công tác tại Phòng Công nghệ - Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD) đặc biệt là Ths Nguyễn Trường Quân, Nguyễn Việt Hà, Nguyễn Thị Trang và Võ Thị Thanh Tâm những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian em làm việc tại đây

Em xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Đỗ Thị Lan và các thầy cô trong khoa Môi trường - Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên là những người đầu tiên không chỉ mang đến cho em niềm đam mê

mà còn truyền đạt cho em rất nhiều kiến thức bổ ích, tận tình giúp đỡ cho em trong những năm học tập và rèn luyện tại trường

Cuối cùng em xin cảm ơn đến gia đình bạn bè, những người luôn tin tưởng và cổ vũ cho em trong suốt thời gian qua, để em có thể hoàn thành tốt

đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên

ĐÀO THỊ ÁNH DƯƠNG

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học 6

Bảng 2.2 Hợp chất photpho và khả năng chuyển hóa 7

Bảng 3.1 Chất lượng nước thải dự kiến đưa vào hệ pilot để khảo sát 23

Bảng 4.1 Thành phần nước thải trại lợn sau pha loãng 26

Bảng 4.2 Tổng hợp các kết quả khảo sát hệ xử lý AAO cải tiến 40

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Một số cấu trúc điển hình của màng vi sinh (dạng xếp lớp, dạng

hình nấm, dạng hợp lưu và dạng lông mao; kể từ trên xuống, từ trái sang phải) 11 Hình 2.2 Vật liệu mang xốp dạng khối lập phương hình a (sản phẩm thương

phẩm của nghiên cứu), hình b (sản phẩm của Hàn Quốc) 15 Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động 15 Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng tĩnh 15 Hình 3.1 Mô tả nguyên lý hoạt động 21 Hình 4.1 Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ 27 Hình 4.2 Diễn biến của tổng N trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ 28 Hình 4.3 Diễn biến của NH4

+

trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ 29 Hình 4.4 Diễn biến của NO3- trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ 30 Hình 4.5 Diễn biến của octophotphat và tổng P trong chế độ HRT = 24 giờ 30 Hình 4.6 Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ HRT = 24 giờ 31 Hình 4.7 Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr =

7,2 m3/h 32 Hình 4.8 Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr

= 7,2 m3/h 33 Hình 4.9 Diễn biến của NH4

+

trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h 33 Hình 4.10 Diễn biến của NO3

trong chế độ HRT: 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h 34 Hình 4.11 Diễn biến của octophotphat và P tổng trong chế độ HRT: 36 giờ,

Qr = 7,2 m3/h 35 Hình 4.12 Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ thời gian lưu

tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h 35 Hình 4.13 Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36

giờ, có vật liệu xốp PU 36 Hình 4.14 Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36

giờ, có vật liệu xốp PU 37

Hình 4.15 Diễn biến của NH4

tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU 40 Hình 4.19.Thiết lập quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lý 42

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AAO Anaerobic - anoxic - oxic Yếm khí - thiếu khí - hiếu khí BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hóa học

HRT Hydrcalic Residence time Thời gian lưu

PAO Polyphosphate Accumulatin

Organisms

Vi khuẩn tích lũy photpho

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Mục đích nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa của đề tài 2

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học 2

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất 2

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Các cơ sở nghiên cứu của đề tài 4

2.1.1 Nước thải giàu N, P 4

2.1.2 Xử lý hợp chất N 5

2.1.3 Xử lý hợp chất P 7

2.1.4 Xử lý đồng thời hợp chất vô cơ 8

2.1.5 Xử lý thành phần chứa N, P bằng công nghệ vi sinh 9

2.1.6 Công nghệ màng vi sinh 10

2.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 16

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 17

PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 20

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 20

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 20

3.2 Địa điểm và thời gian tiến hành 20

3.2.1 Địa điểm tiến hành 20

3.2.2 Thời gian tiến hành 20

3.3 Nội dung nghiên cứu 20

3.4 Phương pháp nghiên cứu 21

3.4.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 21

3.4.2 Phương pháp thực nghiệm 24

3.4.3 Các phương pháp phân tích 24

3.4.4 Các phương pháp thu thập số liệu 25

PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 26

4.1 Diễn biến thành phần nước thải 26

4.2 Đánh giá các chế độ 27

4.2.1 Chế độ thời gian lưu nước 24h, Qr = 7,2 m3/ h 27

4.2.2 Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h 31

4.2.3 Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, có vật liệu xốp PU gắn biofilm 36

4.3 Mối quan hệ giữa năng suất xử lý và tải lượng 41

PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

5.1 Kết luận 43

5.2 Kiến nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

I Tài liệu tiếng Việt 44

II Tài liệu tiếng Anh 45 PHỤ LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của xã hội, vấn đề ô nhiễm môi trường cũng

ngày càng trở nên đáng báo động, trong đó có vấn đề ô nhiễm nước

Tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận

Rất nhiều hợp chất gây ô nhiễm trong nước thải có khả năng chuyển hoá cao trong môi trường nước tự nhiên thông qua các phản ứng hoá học, sinh hoá, quang hoá và tác động đến cân bằng sinh thái của môi trường

Thành phần gây ô nhiễm trong nước thải, xét về khía cạnh tác động gây hại và giải pháp công nghệ xử lý, có thể chia thành ba nhóm chính: chất hữu

cơ có khả năng sinh hủy, thành phần dinh dưỡng và loại hợp chất hóa học cần đặc biệt quan tâm

Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thành phần dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường

Tác dụng xấu của nước thải lên môi trường được con người nhận biết

từ lâu và luôn tìm cách hạn chế Kỹ thuật hay công nghệ xử lý nước thải có thể được đặc trưng bởi trình độ phát triển qua các giai đoạn: xử lý sơ cấp, thứ cấp và bậc ba (phương pháp tiên tiến)

Rất nhiều các giải pháp kỹ thuật được sử dụng để xử lý nước thải đã và đang được sử dụng trong các điều kiện khác nhau như kỹ thuật huyền phù, cố định vi sinh trên chất mang, kỹ thuật bùn hoạt tính, đĩa quay, lọc nhỏ giọt, tầng cố định, tầng giãn nở, tầng linh động (lưu thể) hoặc tổ hợp (lai ghép) của các kỹ thuật trên Mỗi phương pháp kỹ thuật đều có những ưu, nhược điểm riêng Xử lý các thành phần gây ô nhiễm trong nước thải đòi hỏi mức độ phát triển công nghệ khác nhau Việc xử lý mức độ khó và chi phí tốn kém đối với việc xử lý các chất thải chứa thành phần chứa chất dinh dưỡng hay các hợp

chất hoá học đặc biệt nêu trên

Nhận biết được mức độ gây hại của thành phần dinh dưỡng trong nước thải, vào thập kỷ 90, một loạt các nước công nghiệp đề ra chiến lược và qui định kiểm soát các yếu tố trên

Công nghệ xử lý nước thải luôn được phát triển và hoàn thiện trên cơ

sở những thành tựu mới về khoa học, kỹ thuật nhằm hạ giá thành xây dựng và vận hành hệ thống xử lý nước thải cũng như nâng cao chất lượng nước sau khi xử lý Tuy nhiên hiện nay việc xử lý nước thải nói chung và nước thải giàu N, P nói riêng theo hướng áp dụng các kỹ thuật sinh học được chú trọng phát triển mạnh trong thời gian gần đây do chúng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện trong tự nhiên

Từ các lý do trên em lựa chọn thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu xử lý nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá các chế độ vận hành hệ xử lý phối hợp đồng thời nitơ và phốtpho hệ thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu, tải lượng đến khả năng xử lý N và P

- Thiết lập quan hệ tải lượng hữu cơ - năng suất xử lí N và P, nhằm đưa ra giá trị thông số thiết kế áp dụng cho các hệ thống qui mô lớn trong thực tiễn

1.3 Mục đích nghiên cứu

Đánh giá số liệu, hiệu chỉnh vận hành phù hợp; đề xuất hiệu chỉnh cho quy trình tổng thể hợp nhất xử lý nước thải giàu N, P Đánh giá hiệu quả kinh

tế của đề tài

1.4 Ý nghĩa của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học

+ Vận dụng kiến thức đã học

+ Nâng cao tay nghề

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất

Ý nghĩa thực tiễn của việc áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải là vô cùng quan trọng trong đời sống Vừa mang lại lợi ích cho kinh

tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội lẫn môi trường Có thể kể những ý nghĩa quan trọng như:

+ Ứng dụng sinh học như một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lý chất thải hiệu quả mà không mang lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường Chất lượng nước đầu ra sạch hơn và có tính chất như nước tự nhiên Vai trò của Công nghệ sinh học trong xử lý nước thải

+ Công nghệ sinh học là công cụ xử lý triệt để và chủ động trên thành phần và tính chất nước thải, không cần thiết có sự can thiệp trực tiếp của con người vào quá trình xử lý tự nhiên Thuận tiện trong công tác vận hành và quản lý

+ Tiết kiệm kinh phí trong việc xử lý nước thải Chi phí cho các biện pháp sinh học thường thấp hơn chi phí cho các biện pháp xử lý khác Bên cạnh đó chi phí quản lý cũng thấp do việc quản lý đơn giản hơn

+ Những chất không bị phân hủy trong nước thải công nghiệp trước giờ

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Các cơ sở nghiên cứu của đề tài

2.1.1 Nước thải giàu N, P

Nước thải giàu nitơ, photpho là những loại nước thải khá phổ biến, có

lẽ trừ công nghiệp phân bón (sản xuất phân nitơ, photpho) phần lớn các loại nước thải kiểu này đều có nguồn gốc hữu cơ, do đó chúng phổ biến ở những nước có nền nông nghiệp đang phát triển-có nền chăn nuôi đang phát triển, có nhu cầu lớn về phát triển công nghiệp chế biến các nông - hải sản như Việt Nam Chúng là nước thải chăn nuôi tập trung, nước thải từ các lò giết mổ gia súc, nước thải công nghiệp chế biến hải sản, nước thải từ các hầm cầu (tiền)

xử lí phân, từ các bể metan phân hủy bùn sinh học của các trạm hay nhà máy

xử lí nước thải mà Việt Nam bắt đầu xây dựng… Nếu sử dụng các kĩ thuật phản ứng thông dụng và xử lí độc lập từng đối tượng hệ xử lí sẽ rất phức tạp, kéo theo chi phí xây dựng cơ bản cũng như chi phí vận hành rất cao, khó chấp nhận (Lê Văn Cát, 2007) [ 1]

Nước thải được coi là giàu nitơ hay photpho về phương diện công nghệ

xử lý (vi sinh) được hiểu trong mối tương quan với chất hữu cơ, ví dụ trong

xử lý hiếu khí thì chỉ khi BOD: N: P vượt tỉ lệ 100: 5:1, trong xử lý yếm khí thì 900: 5: 1 Xét theo khía cạnh đó thì nước thải chăn nuôi tại Việt Nam (khí hậu nóng, BOD dễ phân hủy), nước thải sau xử lý yếm khí (nước rác, nước thải chuồng trại, ủ biogas, nước sau bể phốt) thuộc loại giàu nitơ và photpho Nước thải giàu nitơ và photpho còn phụ thuộc vào đặc điểm sinh hoạt: các công sở, bệnh viện, trường học, trung tâm thương mại, khách sạn có nguồn nước thải giàu N, P do nguồn thải chủ yếu từ khu vực vệ sinh (chứa ít chất hữu cơ) (Gaul T, 2002) [11]

Nước thải giàu nitơ, photpho không những được hiểu là có nồng độ cao

mà rộng hơn còn được hiểu là có thải lượng lớn Ví dụ trong ngành nuôi trồng thủy sản, nồng độ amoni chỉ khoảng 5g/m3, nhưng mỗi lần thải có thể tới 10000m3 từ một ao nuôi Riêng tại Việt Nam hiện có trên 5000 trạm nuôi giống đang hoạt động, hàng ngày thải vào môi trường nhiều chục tấn nitơ (Lê Văn Cát, 2012) (Lê Văn Cát và cs., 2006) [2,3]

Vì vậy khi nói về tính chất giàu nitơ, photpho là nói đến tải lượng của nguồn thải, nguồn đó chứa ít chất hữu cơ (so với tỷ lệ trên), là loại hình nước thải phổ biến có lưu lượng thải lớn và khó xử lý

2.1.2 Xử lý hợp chất N

Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học), vật lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước

- Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí quyển Con đường chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua các quá trình liên tiếp nitrat hóa (oxy hóa amoniac) và khử nitrat (khử nitrat với tư cách là chất oxy hóa và chất hữu cơ carbon là chất khử) Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trực tiếp giữa amoniac với nitrit và nitrat bằng phương pháp vi sinh (quá trình Anamox) Oxy hóa xúc tác trực tiếp amoniac thành khí nitơ Oxy hóa amoniac với clo hoạt động (clo hóa tại điểm đột biến) (Lê Văn Cát, 2007) [1]

- Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào của sinh khối (thực vật và vi sinh vật) Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực vật hay đồng hóa của vi sinh vật Quá trình trên tồn tại trong tự nhiên, là cơ sở của phương pháp xử lý bằng các loại thủy thực vật

- Bốc hơi amoniac vào bầu khí quyển Phương pháp này thật ra là chuyển chất ô nhiễm từ nước vào không khí, sau đó phần lớn lại được hấp thụ trở lại vào môi trường nước ở những vị trí khác Để thực hiện phương pháp trên, amoniac phải tồn tại ở dạng bay hơi (trung hòa) và do độ tan của amoniac trong nước rất lớn nên để thúc đẩy cần phải sục khí với lượng rất lớn

và ở nhiệt độ cao

- Tách amoniac ra khỏi môi trường nước có thể thực hiện bằng phương pháp trao đổi ion trên cationit Các loại nhựa cationit có độ chọn lọc trao đổi thấp đối với amoni, dung lượng trao đổi động thấp, bị cạnh tranh mạnh bởi các ion khác có mặt với nồng độ cao như canxi, magie Loại zeolit tự nhiên clinoptilolite có khả năng chọn lọc cao đối với amoni có thể được sử dụng trong một số trường hợp Nitrat cũng là cấu tử có độ chọn lọc trao đổi ion

thấp hầu hết trên các loại nhựa tổng hợp Trên thị trường có một số anionit đặc thù dành cho trao đổi nitrat (Lê Văn Cát, 2012) [ 2 ]

Sử dụng một số loại màng thích hợp: màng nanô, màng thẩm thấu ngược hay điện thẩm tích cũng tách được các hợp chất nitơ đồng thời với các hợp chất khác

Hiệu quả xử lý và giá thành của từng phương pháp rất khác nhau và khả năng sử dụng từng phương pháp còn phụ thuộc vào nồng độ của hợp chất nitơ (amoni) trong nước

Cho tới nay giải pháp xử lý sinh học được thực hiện rộng rãi hơn các giải pháp khác Bảng 2.1 ghi một số đặc trưng của các hệ thống sinh học dùng

để xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ

Bảng 2.1 Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học

Hệ xử lý Tải lượng

kgN/(ha.ngày)

Năng lượng tiêu thụ kWh/kgN

Tỉ lệ COD/N

Sinh khối kg/kg N

2) Năng lượng sử dụng cho sục khí và khuấy trộn, hiệu quả sử dụng 2

kg O2/kWh

3) Sinh khối khô

4) Đôi khi với tải lượng cao tới 112 kg N/ha (Lê Văn Chiều, 2012) [ 4]

2.1.3 Xử lý hợp chất P

Hầu như tất cả các hợp chất của photpho không tồn tại ở dạng bay hơi trong điều kiện thông thường, vì vậy để tách photpho ra khỏi nước cần phải chuyển hóa chúng về dạng không tan trước khi áp dụng các kỹ thuật tách chất lắng như: lọc, lắng hoặc tách trực tiếp qua màng thích hợp

Hợp chất photpho trong môi trường nước thải tồn tại trong các dạng: photpho hữu cơ, photphat đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước, polyphotphat hay còn gọi là photphat trùng ngưng, muối photphat và photpho trong tế bào sinh khối

Xử lý hợp chất photpho dựa trên các nguyên tắc sau:

- Kết tủa photphat (đơn và một phần loại trùng ngưng) với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tương ứng có độ tan thấp và tách chúng ra dưới dạng chất rắn (Nguyễn Thị Hoa Lý (1994) [ 6 ]

Bảng 2.2 Hợp chất photpho và khả năng chuyển hóa

Photpho hữu cơ Phân hủy thành photphat đơn và trùng ngưng

Photphat đơn Tan, phản ứng tạo muối, tham gia phản ứng sinh hóa Polyphotphat Ít tan, có khả năng tạo muối tham gia phản ứng sinh

photpho dựa trên hiện tượng trên gọi là loại bỏ photpho tăng cường Photpho được tách ra khỏi nước trực tiếp thông qua thải bùn dư (vi sinh chứa nhiều photpho) hoặc tách ra dưới dạng muối không tan sau khi xử lý yếm khí với một hệ kết tủa kèm theo (ghép hệ thống phụ)

Tách các hợp chất photpho đồng thời với các tạp chất khác qua quá trình màng thích hợp: màng nano, màng thẩm thấu ngược hoặc điện thẩm tích Về nguyên tắc hiệu quả tách lọc qua màng có hiệu suất cao nhưng do giá thành quá đắt nên hầu như chưa thấy có ứng dụng trong thực tế

2.1.4 Xử lý đồng thời hợp chất vô cơ

Một số phương pháp khi sử dụng, đồng thời xử lý cả hợp chất nitơ và photpho, có biện pháp chỉ là hệ quả kèm theo và có những biện pháp được xây dựng trên kết quả nghiên cứu công phu và chủ động áp dụng

Những phương pháp mang tính hệ quả có thể kể ra là: quá trình xử lý đơn lẻ như lắng thứ cấp, xử lý bậc hai, xử lý với thủy thực vật Các quá trình trên luôn liên quan đến các quá trình sinh hóa mà thành phần tế bào của chúng luôn chứa N, P, nguồn chất mà vi sinh vật hay thực vật lấy từ nguồn nước Quá trình lắng sơ cấp loại bỏ được một phần hợp chất nitơ, photpho ở dạng không tan, không có tác động đến dạng tan Hiệu quả loại bỏ nitơ, photpho trong các quá trình đơn lẻ trên không cao, đạt mức:

- Trong quá trình xử lý sơ cấp: 5 - 10% N, P

- Trong xử lý thứ cấp : 10 - 20% N, P

- Xử lý thứ cấp + nitrat hóa: 20 - 30% N, P (Lê Văn Cát, 2007) [1] Khả năng hấp thu nitơ và photpho của thủy thực vật phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất sinh khối thực, tức là phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh và loài thực vật cụ thể

Một hệ thống xử lý nước thải tiên tiến là một tổ hợp của các đơn vị công nghệ xử lý yếm khí, hiếu khí, thiếu khí được bố trí theo một trật tự nào

đó phụ thuộc vào mục tiêu xử lý đặt ra Trật tự bố trí tổ hợp yếm khí - thiếu khí - hiếu khí thích hợp cho phép loại bỏ đồng thời hợp chất nitơ, photpho trong quá trình xử lý Thứ tự thực hiện các giai đoạn xử lý hiếu khí - thiếu khí - yếm khí cũng có thể thực hiện được trong cùng một thiết bị phản ứng theo kỹ thuật

mẻ kế tiếp giai đoạn, tức là thực hiện phương thức vận hành theo thời gian

Đồng thời loại bỏ hợp chất nitơ và photphat bằng cách kết tủa chúng với ion magie tạo thành hợp chất có độ tan thấp là struvite, MgNH4PO4, phương pháp này thích hợp cho nước thải có nồng độ cao,ví dụ nước chiết ra

từ quá trình phân hủy bùn (vi sinh) yếm khí (Lê Văn Cát, 2007) (Lê Văn Cát, 2012) (Lê Văn Cát và cs., 2006) (Lê Văn Chiều, 2012)[ 1,2,3,4]

2.1.5 Xử lý thành phần chứa N, P bằng công nghệ vi sinh

Để xử lý nitơ, photpho bằng công nghệ vi sinh, như các nghiên cứu trên thế giới đã nêu cần thực hiện hàng loạt quá trình, nhiều khi ở những điều kiện nghịch nhau

sẽ được ôxi hóa thành NO2 − (được thực hiện bởi

Nitrosomonas), tiếp theo NO2− sẽ được ôxi hóa tiếp thành NO3− (được thực

hiện bởi Nitrobacter), đây là các quá trình được thực hiện bởi các vi khuẩn tự

dưỡng Để đơn giản hóa ta thể hiện hai quá trình này dưới dạng phương trình tổng (1)

Nitrat - sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chưa được xem là bền vững và còn gây độc cho môi trường nên cần được tiếp tục chuyển hóa về dạng khí nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hóa học, chuyển hóa trị của nitơ từ +5 (NO3

(1/5)NO3 − + (0,5/50)NH4+ + (2/50)C10H19NO3 + (0,5/50)HCO3 − + (1/5)H+

→ (8/50)CO2 + (5/50)N2 + (16,5/50)H2O + (2,5/50)C5H7NO2 (2)

Vi sinh vật nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần sử dụng cho phản ứng khử

nitrat Rất ít vi sinh vật Denitrifier thuộc loại tự dưỡng, ví dụ loại Thiobacillus

denitrificant sử dụng lưu huỳnh làm chất khử để sản xuất năng lượng và sử dụng nguồn carbon vô cơ (CO2, HCO3-) để xây dựng tế bào Như vậy, với quá trình (1) phản ứng cần một lượng nhất định Cacbon vô cơ dưới dạng CO2 và

độ kiềm (HCO3

-); ngược lại quá trình (2) lại cần Cacbon hữu cơ (C10H19NO3

là công thức trung bình của nước thải sinh hoạt, C5H7NO2 là công thức trung bình của vi khuẩn)

2.1.5.2 Xử lý P bằng công nghệ vi sinh

Quá trình vi sinh xử lý P là tập hợp của nhiều quá trình cơ bản được thực hiện ở những điều kiện rất khác nhau: kị khí và hiếu khí Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải dưới ba dạng hợp chất: photphat đơn (PO4

3-), polyphotphat (P2O7) và hợp chất hữu cơ chứa photphat, hai hợp chất sau chiếm tỉ trọng lớn Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng photpho hao hụt từ nước thải duy nhất là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào Hàm lượng photpho trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,5 - 2,5%) khối lượng khô Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu photphat cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2 - 7%), lượng photpho dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng sau Trong điều kiện yếm khí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng photphat dư lại được thải ra ngoài cơ thể

vi sinh dưới dạng photphat đơn Một vài loại tảo cũng có khả năng tích trữ một lượng photphat dư so với nhu cầu của tế bào (Mecalf & Eddy, 2005; Seabloom R.W.et al., 2003; Mulder, 2003) [12,14]

2.1.6 Công nghệ màng vi sinh

Thuật ngữ biofilm (màng sinh vật) là một tập hợp gồm nhiều tế bào vi sinh vật gắn kết với nhau trên bề mặt tạo thành Biofilm có thể gồm một hay nhiều chủng vi sinh vật khác nhau Biofilm có thể được tạo ra ở trên bề mặt của nhiều loại vật liệu khác nhau: nhựa, kim loại, kính, gỗ, dụng cụ y tế, đồ ăn… Biofilm có tác dụng bảo vệ vi sinh vật chống lại tác động của các yếu tố bất lợi của môi trường sống Biofilm được hình thành từ các loài vi sinh vật

khác nhau bao gồm cả vi khuẩn Gram dương và Gram âm như Escheriachia

coli, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholera, Streptococcus sp., Bacillus subtilis… (M Morikawa, 2006) [13] Màng sinh học (biofilm) có các tính chất, vai trò chính:

- Bảo vệ cơ thể vi sinh vật khỏi hệ thống phòng thủ của chính vật chủ hay

vi sinh vật kẻ thù Các vi sinh vật sống trên biofilm khi liên kết với nhau thường

có khả năng chống chịu cao với các chất kháng khuẩn so với tế bào sống tự do trong môi trường nuôi cấy (độ chống chịu có thể cao hơn tới 1000 lần)

- Chống lại sự mất nước

- Chống lại các chất kháng khuẩn thông qua việc tạo kiểu hình mới có tốc độ sinh trưởng giảm, hạn chế sự tiếp xúc và có khả năng bất hoạt, trung hòa với các chất kháng khuẩn

- Nồng độ các chất dinh dưỡng trong biofilm thường tăng cao hơn so với môi trường xung quanh

Trong môi trường nước, vi sinh vật tồn tại ở hai trạng thái chính là dạng huyền phù và dạng màng vi sinh Trong dạng huyền phù, vi sinh vật tập hợp lại với nhau thành các tập hợp keo tụ nhỏ có cấu trúc khá lỏng lẻo và các tập hợp keo tụ đó phân bố khá đều trong môi trường nước Màng sinh vật là một tập hợp của vi sinh vật bám trên một chất mang với cấu trúc khá đặc, có

độ dày nhất định (ví dụ 0,1 - 0,3 mm) Ngoài hai dạng chính nêu trên, trong

hệ thống xử lý sử dụng kỹ thuật màng vi sinh luôn tồn tại vi sinh ít hay nhiều

ở trạng thái huyền phù, ví dụ trong kỹ thuật màng vi sinh chuyển động thì 80 -

85 % vi sinh tồn tại trong màng, 15 - 20 % tồn tại ở trạng thái huyền phù

Hình 2.1 Một số cấu trúc điển hình của màng vi sinh (dạng xếp lớp, dạng hình nấm, dạng hợp lưu và dạng lông mao; kể từ trên xuống, từ trái sang phải)

Vi sinh vật hoạt động trong các hệ xử lý nước thải tồn tại ở hai trạng thái kết khối: tập hợp keo tụ (flocs) và dạng màng (biofilm) (S Andersson, 2009) [17]

Tập hợp keo tụ của vi sinh có cấu trúc xốp, mật độ vi sinh thấp (ít khi vượt quá 4000 kg/m3), các tập hợp đó được phân bố khá đều trong môi trường nước Kỹ thuật sử dụng vi sinh trong trạng thái tập hợp keo tụ là dạng kỹ thuật huyền phù Do mật độ vi sinh thấp nên hiệu suất xử lý của các hệ huyền phù không cao và khó tăng mật độ vi sinh vì nó liên quan đến các yếu tố vận hành khác Điển hình của kỹ thuật huyền phù là các quá trình xử lý bùn hoạt tính

Tăng mật độ vi sinh (trên một dơn vị thể tích), đồng nghĩa với tăng hiệu quả xử lý luôn là mong muốn của phát triển công nghệ xử lý nước thải Kỹ thuật màng vi sinh đáp ứng được tiêu chí đó

Màng vi sinh cũng là một dạng kết khối khác của vi sinh vật (nhờ chất kết dính do vi sinh tiết ra dưới dạng polymer ngoại bào), trong đó vi sinh vật tạo thành một lớp có chiều dày khác nhau (từ vài chục µm tới hơn 1 cm, thường thấy nằm trong khoảng 1mm) bám trên chất mang dạng rắn và có cấu trúc khá đặc Phụ thuộc vào nguồn thức ăn và lực cọ sát trong môi trường nước, cấu trúc của màng vi sinh hình thành cũng khác nhau và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý So sánh với kỹ thuật huyền phù màng vi sinh trong

hệ thống xử lý nước thải có những đặc trưng sau:

mức độ tập trung vi sinh vật rất cao so với dạng vi sinh trong trạng thái huyền phù, ví dụ cao hơn 3 - 4 ngàn lần trong các dòng suối bần dưỡng chảy trên núi cao và 200 lần cao hơn trong nhiều nguồn nước thải Trong hệ thống xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt tính, mật độ vi sinh vật được duy trì trong khoảng 700 - 2500 mg/l, trong khi mật độ vi sinh trong kỹ thuật lọc nhỏ giọt đạt 2000 - 10000 mg trong một lít của bể lọc

• Hoạt tính trao đổi chất lớn Trong nhiều trường hợp quan sát được hoạt tính vi sinh của màng vi sinh cao hơn nhiều so với vi sinh trong trạng thái huyền phù Vì trong tập đoàn vi sinh đó tỷ lệ loại vi sinh vật có hoạt tính cao chiếm số đông, cũng như mức độ tập trung dinh dưỡng cao (do hấp phụ) của các thành phần dinh dưỡng trên màng vi sinh Do tính chất nhầy của

màng nên nó có thể bắt giữ cả các thành phần thức ăn ở dạng không tan Mức

độ tập trung dinh dưỡng cao thúc đẩy sự phát triển của vi sinh và do đó có hoạt tính cao Cũng có ý kiến giải thích khả năng tăng hoạt tính nhờ quá trình biến đổi gien của vi sinh vật trong trạng thái kết khối trong màng

huyền phù, vi sinh vật trong màng có khả năng chống chịu độc tố tốt hơn Nguyên nhân của hiện tượng là nhờ sự biến đổi gen hay nhờ nồng độ chất dinh dưỡng cao là điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật sống sót khi phải tiếp xúc với độc tố

sinh có khả năng lắng tốt hơn nhiều do tính đặc của màng do mật độ vi sinh dạng sợi trong đó thấp (C.E Benjamin, S.D Schwarz, T.T Theodore, 2001;

M Morikawa, 2006; Y.X Chen, J Yin, K Wang, 2005) [10,13,18]

Tuy có nhiều lợi thế của kỹ thuật màng vi sinh đã liệt kê như trên so với dạng huyền phù, nhưng nó có những điểm bất lợi là quá trình cung cấp thức ăn cho chúng xảy ra khó khăn hơn do tính chất đặc của màng (khuếch tán khó) và mức độ tiêu thụ thức ăn cao (do mật độ cao)

So sánh với kỹ thuật huyền phù, màng vi sinh khi sử dụng trong thực tế

có những ưu điểm:

Để có được mật độ vi sinh cao yếu tố cần có đầu tiên là diện tích của chất mang phải lớn Vậy muốn có hiệu quả cần tạo chất mang có diện tích lớn

để tích lũy được lượng sinh khối lớn nhưng chiều dày của lớp vi sinh vẫn đủ mỏng Vật liệu xốp chứa các mao quản, kích thước mao quản càng nhỏ thì diện tích càng lớn, tuy nhiên kích thước mao quản nhỏ hạn chế sự phát triển của vi sinh trong đó, nhất là khi để ý đến đặc điểm tính chất đa dạng về chủng loại và kích thước của tập đoàn vi sinh trong màng Tìm kiếm loại vật liệu thích hợp cho từng quá trình (xử lý BOD, nitrat hóa, khử nitrat) phù hợp với điều kiện thực tế đòi hỏi nhiều nghiên cứu chi tiết (S Sirianuntapiboon, S Yommee, 2006) [15,16]

Thứ hai, mật độ vi sinh cao đòi hỏi nguồn cung cấp thức ăn lớn để chúng phát triển Màng vi sinh khá đặc do đó hạn chế quá trình vận chuyển (khuyếch tán) thức ăn cho vi sinh Đó là hai hiệu ứng trái chiều nhau và là một trong những điểm cốt lõi cần được giải quyết để tận dụng được các lợi thế của kỹ thuật màng sinh vật

Tăng cường quá trình chuyển khối là vấn đề cần được thúc đẩy và được giải quyết theo phương hướng:

• Giảm độ dày của lớp màng vi sinh (giảm quãng đường khuếch tán)

mà vần duy trì mật độ sinh khối cao bằng cách sử dụng chất mang có diện tích lớn

• Sử dụng loại vật liệu xốp có kích thước mao quản phù hợp để khống chế độ dày của màng vi sinh và chống quá trình bong màng

• Tạo điều kiện để chất mang chuyển động trong môi trường nước

Từ phương hướng giải quyết trên đã hình thành hai kỹ thuật cơ bản trong công nghệ xử lý nước thải: kỹ thuật tầng lưu thể (fluidized bed, FB) và màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR) Hai kỹ thuật này có tính năng chuyển khối cao hơn nhiều so với kỹ thuật lọc sử dụng tầng tĩnh (fixed bed)

Chất mang sử dụng trong kỹ thuật tầng lưu thể chủ yếu là cát thạch anh

có kích thước mịn (0,15 - 0,3 mm) với diện tích bề mặt tới 20000 m2/m3 Cát thạch anh được duy trì chuyển động rất mạnh trong nước để tăng cường quá trình chuyển khối Năng lượng duy trì chuyển động của chúng khá cao do khối lượng riêng của cát nặng (2,4 kg/l) Cát thạch anh có bề mặt nhẵn, vi sinh khó bám dính và cộng với sự cọ sát nên màng vi sinh bám trên đó dễ bị bong Vì lý do trên, rất ít các công trình ngoài thực tế sử dụng kỹ thuật tầng lưu thể do đòi hỏi cao về trình độ tự động hóa trong vận hành (Lê Văn Cát, 2007) (Lê Văn Cát và cs., 2006) [1,3]

Công nghệ màng vi sinh chuyển động tìm kiếm sự hài hòa giữa điều kiện vận hành (đơn giản) và hiệu quả xử lý bằng cách sử dụng vật liệu mang xốp (cả vật liệu không xốp, hình 2.2)

kỹ thuật tầng lưu thể Một ưu điểm của công nghệ màng vi sinh chuyển động

là quá trình vận hành đơn giản nên các cơ sở sản xuất nhỏ có điều kiện áp dụng vào thực tiễn sản xuất phù hợp với điều kiện Việt Nam Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải theo kỹ thuật màng vi sinh chuyển động và lọc qua tầng tĩnh thể hiện trong hình 2.3 và 2.4

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ theo kỹ thuật màng vi sinh tầng tĩnh

Màng vi sinh chuyển động 1

Màng vi sinh chuyển động 2

Lọc

Nguồn

thải

Nguồn thải Màng vi sinh

tầng tĩnh

2.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong quá trình xử lý các hợp chất nitơ trong nước, nếu áp dụng kỹ thuật bùn hoạt tính, cần phải có thời gian lưu bùn lâu (có thể tới 7 ngày ở

28oC), bên cạnh đó phải có bể lắng để tái sử dụng bùn Do vậy, hiệu quả xử lý không cao và thiết bị cồng kềnh Phương pháp lọc sinh học với vật liệu mang, thích hợp cho sự tạo màng vi sinh vật và sự sinh trưởng của chúng nên rất hiệu quả trong việc loại các hợp chất chứa nitơ Phương pháp này tỏ ra ưu thế tuyệt đối trong kỹ thuật lọc sinh học để xử lý nitơ trong nước ăn uống Các phương pháp sinh học thường được áp dụng như kỹ thuật lọc sinh học nhỏ giọt, kỹ thuật lọc sinh học có vật liệu lọc ngập nước Các nước châu Âu là những nước tiên phong nghiên cứu và ứng dụng thành công kỹ thuật này

Những thông báo đầu tiên trong lĩnh vực này thuộc về người Anh Họ

sử dụng bể lọc với vật liệu lọc là đá dày 2m tốc độ lọc 0,8-2,8m/h để xử lý nước sông Themes với nồng độ amoni 2-3mg/l, do vật liệu lọc thô và không

có hệ sục khí, nên hệ chỉ đạt hiệu quả 80% sau một năm hoạt động (Hoàng Phương Hà, 2010) [5]

Hệ lọc với lớp đệm mở rộng tỏ ra hiệu quả hơn Nhờ kết cấu hình chóp ngược nước đi từ dưới lên, tốc độ nước dâng sẽ giảm dần và thấp nhất ở vùng thu nước phía trên cùng Ở vùng giữa, sinh khối và vật liệu lọc sẽ lơ lửng và các quá trình sử lý vi sinh xảy ra tại đây Vùng trên cùng là vùng có thiết diện chảy cao nhất cho phép sinh khối kết bông và rơi trở lại vùng phản ứng Với kết cấu này người ta có thể nâng tốc độ lọc lên từ 6 đến 30 m/h, thời gian lưu nước chỉ có 5-10 phút Một nhà máy ở Anh (Tewkesbury) và một nhà máy ở Đức (Mulheim) hiện áp dụng kỹ thuật này (Hoàng Phương Hà, 2010) [5]

Ở Mỹ hay dùng lớp vật liệu lọc thô xốp với bề dày 4m để thay lớp cát lọc thông thường Ở Pháp nhà máy nước La Chapelle sử dụng công nghệ nitrate hóa với dây truyền ozon-lọc nhanh Hiệu suất xử lý 78% với nồng độ amoni đầu ra là 0,3mg/l (Hoàng Phương Hà, 2010) [5].Các nước Mỹ, Pháp, Úc ứng dụng lọc sinh học áp dụng từ cuối thế kỷ XX trong xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp thực phẩm Như vậy, để xử lý nước bị ô nhiễm nói

chung, ô nhiễm nitơ nói riêng, các nước trên thế giới họ thường áp dụng các công nghệ sau:

- Công nghệ phổ cập là công nghệ nitrat hóa - khử nitrat Đây là quá trình loại bỏ các hợp chất nitơ vô cơ mà sản phẩm cuối cùng tạo thành khí nitơ, khép kín chu trình nitơ Công nghệ này mang tính truyền thống và được ứng dụng ở hầu hết các nước trên thế giới

- Công nghệ SHARON: Đây là công nghệ được áp dụng đối với loại nước thải giàu amoni nhưng chứa ít các hợp chất hữu cơ, tức là tỷ lệ C/N thấp Quá trình này bỏ đi hai giai đoạn là sự oxy hóa nitrite thành nitrate (phần thứ hai của quá trình nitrate hóa) và quá trình khử nitrate thành nitrite (phần đầu của quá trình khử nitrate), do vậy tiết kiệm được tới 40% nhu cầu

về oxy và nguồn COD Quá trình này được áp dụng rộng rãi ở Hà Lan, Mỹ

- Quá trình ANAMMOX Quá trình loại bỏ amoni trong điều kiện kỵ khí với nitrite là chất nhận điện tử, sản phẩm cuối cùng là khí nitơ, quá trình này không cần oxy và nguồn COD Quá trình này được áp dụng rộng rãi ở Hà Lan, Mỹ

- Quá trình SHARON-ANAMMOX, CANON là những quá trình kết hợp phần đầu của quá trình nitrate hóa (oxy hóa amoni thành nitrite) và quá trình ANAMMOX để loại bỏ amoni với hàm lượng cao Các quá trình này có thể được thực hiện trên một hoặc hai bể phản ứng

Quá trình loại bỏ amoni kỵ khí đã và đang được các nước khác nhau trên thế giới quan tâm nghiên cứu và áp dụng, tùy thuộc vào mỗi nước mà hình thành các công nghệ với những tên gọi khác nhau như: quá trình aerobic/anoxic deamomnification ở Đức, quá trình OLAND (oxygen limited autotrophic nitrification-denitrification) ở Bỉ, quá trình CANON ở Hà Lan

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, tình trạng ô nhiễm amoni trong nước thải tại các làng nghề truyền thống sản xuất chế biến nông sản, thực phẩm trở nên trầm trọng, ảnh hưởng đến môi sinh Bên cạnh đó, ở một số nơi thuộc các thành phố lớn, nguồn nước ngầm là nguồn nước cấp chính cho các nhà máy xử lý nước ăn uống bị ô nhiễm amoni với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Các nhà khoa học Việt Nam đã và đang quan

tâm nghiên cứu tìm ra biện pháp xử lý amoni trong nước Công nghệ nitrat hóa - khử nitrat đã được áp dụng chủ yếu Bên cạnh đó, nhiều đơn vị nghiên cứu, trường học như: Đại học Quốc gia Hà Nội, đại học Bách khoa, Sở khoa học Công nghệ Việt Nam, Sở giao thông công chính Hà Nội, Trung tâm Kỹ thuật Môi trường, Viện Hóa học, Viện Vật liệu, Viện Công nghệ sinh học nhiệt đới (thành phố Hồ Chí Minh), Viện Công nghệ Sinh học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tiến hành thực hiện các đề tài nghiên cứu công nghệ khử amoni trong nước ngầm dùng cho nước sinh hoạt nhưng chủ yếu bằng công nghệ truyền thống nitrat hóa-khử nitrat

Tại Viện Công nghệ sinh học, từ năm 1999-2005 đã tiến hành nghiên cứu công nghệ loại amoni trong khuôn khổ để tài cấp viện và dự án: “ Xây dựng mô hình áp dụng kỹ thuật lọc sinh học khử nitơ liên kết trong nước ăn uống” thuộc Chương trình mục tiêu quốc gia - cung cấp nước sạch VSMT nông thôn, và dự án sản xuất thử nghiệm “Hoàn thiện công nghệ sản xuất thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nước ăn uống bằng kỹ thuật lọc sinh học” cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Viện Công nghệ sinh học (Viện Hàm lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thiết bị nitrat hóa (oxy hóa amoni thành nitrat) trong nguồn nước ngầm, phục vụ cấp nước cho sinh hoạt theo kỹ thuật màng vi sinh Vật liệu sử dụng là đất sét nung (keramsit), dạng tầng tĩnh Viện Công nghệ sinh học cũng đang tiến hành xây dựng hệ thống xử lý nước nuôi giống thủy sản (Quý Kim, Hải Phòng) tuy nhiên trạm xử lý đã không được đưa vào hoạt động

Trung tâm Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên), phối hợp với sở giao thông công chính

Hà Nội và thực hiện đề tài của Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa trong nước ngầm sử dụng vật liệu làm chất mang vi sinh là đá bazan

Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về xử lý nước thải giàu nitơ và photpho (1999 - 2002) tập trung vào nước thải chế biến thủy sản; phối hợp với Viện Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài cấp nhà

nước (2003 - 2005) về xử lý nước rác (thực chất là xử lý hợp chất giàu nitơ)

Các nghiên cứu trên sử dụng kỹ thuật huyền phù (mẻ kế tiếp giai đoạn)

Một số nghiên cứu thăm dò về quá trình oxy hóa amoni kỵ khí cũng đã bắt đầu tiến hành như trường đại học Bách Khoa Hà Nội nhưng kết quả mới chỉ dừng lại ở các nghiên cứu cơ bản sơ bộ Một số công trình khác cũng được tiến hành về quá trình ANAMMOX trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn nhưng tất cả mới đang trong giai đoạn đầu Trong những năm gần đây TS Hoàng Phương Hà, phòng Công nghệ Sinh học Môi trường, Viện Công nghệ Sinh học-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã và đang nghiên cứu thử

nghiệm với đề tài: “Nghiên cứu quá trình oxy hóa amoni kỵ khí

(ANAMMOX) để ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải ô nhiễm amoni” cấp cơ sở, kết quả nhận được có ý nghĩa khoa học và có tính khả thi

trong công nghệ xử lý nước thải bị amoni bằng quá trình ANAMMOX

PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu

+ Nước thải từ trang trại chăn nuôi dự kiến từ trại lợn xã Thụy Phương, Đông Ngạc, Hà Nội

+ Hệ thống bùn hoạt tính AAO cao tải xử lý nitơ và phốtpho với 3 giai đoạn: yếm khí, thiếu khí và hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài sẽ thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Nhà T3, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội

3.2 Địa điểm và thời gian tiến hành

3.2.1 Địa điểm tiến hành

Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Nhà T3, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội

3.2.2 Thời gian tiến hành

Từ tháng 5 đến tháng 8 năm 2014

3.3 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải khi thay đổi thời gian lưu

- Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải với tải lượng các thành phần đầu

vào khác nhau

- Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải ở chế độ tối ưu khi có vật liệu mang

xốp (PU)

- Thiết lập quan hệ tải lượng hữu cơ - năng suất xử lí

- Các chỉ tiêu phân tích các thông số theo thời gian:

(1) Các chỉ tiêu hiện trường: pH, nhiệt độ, độ kiềm, ORP, TSS

được tiến hành đo hàng ngày

(2) Các chỉ tiêu phân tích trong phòng thí nghiệm: COD lọc, COD tổng, tổng N, N-NH4, _NO3-, P tổng , PO43- trong mẫu ở các chế độ vận hành

3.4 Phương pháp nghiên cứu

3.4.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm

3.4.1.1 Mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến

a Mô tả cấu trúc hệ thống pilot nghiên cứu

Thiết bị phản ứng với thông tin như sau:

- Thể tích tổng V = 0,432 m3; LxWxH = 1,2x0,3x1,2 m

- Thể tích ngăn yếm khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m

- Thể tích ngăn thiếu khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m

- Thể tích ngăn hiếu khí V = 0,216 m3; LxWxH = 0,6x0,3x1,2 m

Thiết bị động lực gồm: 01 máy bơm chìm (Q = 6 -10m3/h; H = 6

mH2O; N = 0,25kw) đặt trong ngăn xử lý thiếu khí có chức năng bơm tuần hoàn hỗn hợp bùn nước từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí Trên đường bơm từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí có đặt thiết bị hút khí dạng Injector

và đồng hồ đo áp suất Trên đường bơm từ ngăn thiếu khí về ngăn yếm khí đặt 01 van nhằm điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn hỗn hợp bùn và nước cho cả

02 dòng trên

Với thể tích của từng ngăn như trên, tương ứng với thời gian lưu HRT

ở 3 ngăn phản ứng yếm khí - thiếu khí - hiếu khí lần lượt là 25: 25: 50 (%)

b Mô tả nguyên lý hoạt động

Hình 3.1 Mô tả nguyên lý hoạt động

• Ngăn yếm khí:

- Nhận nước thải thô; nhận bùn+nước tuần hoàn từ ngăn thiếu khí

- Thực hiện các chức năng: phân hủy hữu cơ (BOD/COD); phân hủy bùn giải phóng PO43- nuôi dưỡng vi khuẩn tạo biofilm có khả năng hấp thu P

ở các ngăn sau; khử nitrat-nitrit ở dòng tuần hoàn

- Lưu giữ/phân hủy/xả bùn dư, cho phép hoạt động tới 6 tháng/1 năm mới phải xả bùn dư; Cho phép giảm ít nhất 50% bùn thải (Lê Văn Chiều, 2012) [4]

- Có cơ cấu chống mùi

• Ngăn thiếu khí:

- Nhận nước lắng từ ngăn kị khí; hỗn hợp phản ứng từ ngăn hiếu khí

- Các chức năng: là nơi vi khuẩn thực hiện các quá trình thiếu khí khử nitrit-nitrat; trung chuyển/ tuần hoàn hỗn hợp phản ứng một phần về ngăn kị khí, tuần hoàn phần lớn về ngăn hiếu khí

- Là ngăn điều hòa lưu lượng giờ cao điểm

• Ngăn hiếu khí:

- Nhận hỗn hợp phản ứng từ ngăn thiếu khí nhờ bơm kết hợp bổ sung cung cấp khí cho quá trình, giảm chi phí thiết bị/bảo trì hệ cấp-phân tán khí;

cơ cấu cho phép giảm ~50% chi phí năng lượng

- Có cơ cấu tuần hoàn hỗn hợp bùn nước, đồng thời chống váng

- Có cơ cấu lắng/xả linh hoạt, cho phép chạy theo bất kì chế độ nào (liên tục hay gián đoạn) tùy đặc trưng nước thải

- Các chức năng xử lí chính: khuấy trộn và thực hiện các quá trình nitrat/nitrit hóa (xử lí nitơ tổng số); nuôi dưỡng phát triển vi khuẩn PAO (xử lí photpho hòa tan); lắng bùn làm trong nước

Trường hợp nghiên cứu kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán truyền thống cả

3 ngăn đều được cấp vi sinh vào và duy trì với nồng độ như nhau

Trường hợp nghiên cứu với kĩ thuật vật liệu mang vi sinh phân tán Cả

ba ngăn trong hệ thống pilot đều có vật liệu mang polyuretan kích thước như nhau; các ngăn trong hệ thống pilot đều có các chủng vi khuẩn ngoài khả năng phân hủy N, P cao còn được tối ưu hóa các điều kiện tạo biofilm để nâng cao hiệu quả xử lý để thực hiện kĩ thuật màng biofilm (vật liệu mang chuyển động)