Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải chế biến mủ cao su kết hợp quá trình nitrit hóa bán phần – anammox trong hệ bùn lơ lửng và bùn giá thể

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN -oOo - NGUYỄN NHƢ HIỂN NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN MỦ CAO SU KẾT HỢP Q TRÌNH NITRIT HĨA BÁN PHẦN – ANAMMOX TRONG HỆ BÙN LƠ LỬNG VÀ BÙN GIÁ THỂ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước nước thải Mã số chuyên ngành: 62.85.06.01 TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2017 Cơng trình hồn thành tại: VIỆN MƠI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Địa chỉ: 142 Tơ Hiến Thành, Quận 10, TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 028.38651132; Fax: 028.38655670 Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Phƣớc Dân Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Đức Trung Phản biện độc lập 1: PGS.TS Trần Đức Hạ Phản biện độc lập 2: PGS.TSKH Ngô Kế Sƣơng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc .giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM - Thư viện Viện Môi trường Tài nguyên – ĐHQG.HCM MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT Việt Nam quốc gia cung cấp cao su thiên nhiên lớn giới, đứng hàng thứ xuất cao su giới [1] Nước thải phát sinh từ Nhà máy chế biến mủ cao su trung bình từ 18 – 35 m3/ sản phẩm [2], với hàm lượng ô nhiễm thành phần chất hữu Nitơ (chủ yếu ammonia) cao lượng lớn ammonia sử dụng để chống đơng mủ q trình thu hoạch mủ tươi từ đồn điền Từ năm đầu kỷ 21, vấn đề ô nhiễm Nitơ xem vấn đề toàn cầu thu hút quan tâm nhà khoa học giới Năm 1995, nhà khoa học phát phản ứng oxy hóa kỵ khí ammonium (Anaerobic ammonium oxidation, viết tắt Anammox) Trong phản ứng ammonium oxy hóa nitrit điều kiện kỵ khí tạo thành khí nitơ mà không cần cung cấp nguồn cacbon Sự phát triển trình Anammox mở hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt nước thải có hàm lượng nitơ cao Nắm bắt tình hình với hạn chế cịn tồn việc xử lý nước thải chế biến mủ cao su, luận án “Nghiên cứu xử lý nitơ nước thải chế biến mủ cao su kết hợp trình nitrit hóa bán phần – Anammox hệ bùn lơ lửng bùn giá thể” tiến hành nhằm góp phần giảm thiểu tình trạng nhiễm mơi trường phát triển bền vững ngành chế biến mủ cao su MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ứng dụng q trình kết hợp nitrit hố bán phần – Anammox điều kiện giới hạn oxy bể phản ứng (Oxygen Limited Autotrophic Nitritation/Denitrification – OLAND) gồm hệ bùn lơ lửng bùn giá thể xử lý nitơ nước thải chế biến mủ cao su tiền xử lý COD NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Luận án thực với nội dung sau: - Luận án tổng quan tài liệu thành phần, tính chất nước thải chế biến mủ cao su, công nghệ xử lý nước thải chế biến mủ cao su áp dụng Việt Nam công nghệ tiềm nghiên cứu ngồi nước - Luận án lựa chọn q trình kết hợp nitrit hoá bán phần – Anammox điều kiện giới hạn oxy bể phản ứng (Oxygen Limited Autotrophic Nitritation/Denitrification – OLAND) gồm hệ bùn lơ lửng bùn giá thể để tiến hành thí nghiệm đánh giá hiệu xử lý hiệu kinh tế trình - Luận án làm giàu bùn mơ hình OLAND nước thải nhân tạo, với bùn Anammox làm giàu từ bùn bể IC xử lý nước rỉ rác bùn AOB từ bùn bể SBR xử lý nước rỉ rác đạt phịng thí nghiệm khoa Mơi trường Tài ngun – trường Đại học Bách Khoa TP.HCM - Luận án nghiên cứu mơ hình OLAND chế độ thổi khí liên tục giá trị DO khác nhau, xác định giá trị DO thích hợp - Với giá trị DO xác định, luận án tiến hành nghiên cứu mơ hình OLAND chế độ thổi khí gián đoạn khác nhau, xác định chế độ thổi khí thích hợp, giảm thiểu lượng oxy cung cấp, tiết kiệm lượng - Luận án đánh giá hoạt tính vi khuẩn Anammox, AOB, NOB vi khuẩn khử nitrat mơ hình OLAND sau thí nghiệm vận hành ổn định cộng đồng vi sinh mô hình OLAND xác định nghiên cứu - Sau tiến hành nghiên cứu thực nghiệm mơ hình OLAND, luận án sử dụng mơ hình tốn học 1D để mơ phản ứng sinh hóa diễn q trình vận hành mơ hình OLAND ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu Nước thải chế biến mủ cao su tiền xử lý COD nhà máy xử lý nước thải mủ cao su thuộc Cơng ty Cổ phần Cao su Phước Hịa (Ấp 1B, Chánh Phú Hịa, Bến Cát, Bình Dương) - Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực sở lý thuyết kiểm nghiệm phịng thí nghiệm khoa Môi trường Tài nguyên – Đại học Bách Khoa TP.HCM TÍNH MỚI Nghiên cứu ứng dụng q trình kết hợp nitrit hoá bán phần – Anammox giới hạn oxy (OLAND) xử lý nitơ nước thải chế biến mủ cao su cơng trình thực Việt Nam Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu sở lý thuyết để đánh giá khả thích nghi, sinh trưởng phát triển nhóm vi khuẩn nitrit hóa AOB, Anammox mơi trường nước thải chế biến mủ cao su sử dụng mơ hình OLAND Giới hạn oxy hòa tan (Dissolve Oxygen – DO) tối ưu xác định cho mơ hình OLAND nước thải chế biến mủ cao su Các thông số động học mơ hình OLAND gồm hệ bùn lơ lửng bùn giá thể xác định mô mơ hình tốn học làm sở tính tốn khả áp dụng cho nước thải nhiễm nitơ Mở hướng áp dụng trình OLAND cho xử lý nước thải nhiều loại hình sản xuất khác, đặc biệt ngành sản xuất ô nhiễm nitơ cao chế biến tinh bột sắn, thủy sản, bún, thạch dừa,… - Ý nghĩa thực tiễn Mở hướng giải cho vấn đề cấp thiết ô nhiễm môi trường, chủ yếu ô nhiễm nitơ nước thải chế biến mủ cao su mà đáp ứng vấn đề kinh tế - xã hội Kết nghiên cứu sở tính tốn cho cơng trình xử lý nitơ nước thải chế biến mủ cao su ứng dụng mơ hình OLAND hệ bùn lơ lửng bùn giá thể với chi phí đầu tư vận hành cạnh tranh so với trình khử nitơ truyền thống (nitrat hóa-khử nitrat) Luận án tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học, cán môi trường chuyên gia lĩnh vực công nghệ xử lý nước thải, phục vụ công tác triển khai ứng dụng đào tạo kỹ sư, thạc sĩ ngành kỹ thuật môi trường CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nƣớc thải chế biến mủ cao su công nghệ xử lý nƣớc thải chế biến mủ cao su Theo kết nghiên cứu Viện nghiên cứu cao su Việt Nam, thành phần (vật lý, hóa học sinh học) nước thải chế biến mủ cao su cho thấy nước thải chế biến mủ cao su có pH khoảng 4,2 - 5,2 việc sử dụng axit để làm đông tụ mủ cao su Hơn 90% chất rắn nước thải chế biến mủ cao su chất rắn bay hơi, chứng tỏ chất hữu chúng Phần lớn chất rắn dạng hòa tan, dạng lơ lửng chủ yếu có hạt cao su cịn sót lại Hàm lượng nitơ hữu thường khơng cao có nguồn gốc từ protein mủ cao su, hàm lượng nitơ dạng ammonia cao, việc sử dụng ammonia để chống đơng tụ q trình thu hoạch, vận chuyển tồn trữ mủ cao su Tóm lại nước thải chế biến cao su thuộc loại có tính chất gây nhiễm nặng Những chất gây nhiễm mà chứa thuộc loại: chất ô nhiễm hữu chất dinh dưỡng (N, P) Hầu hết nhà máy chế biến mủ cao su thiên nhiên Việt Nam sử dụng phương pháp sinh học kết hợp hóa lý với sinh học để xử lý nước thải Các công nghệ xử lý nước thải chế biến mủ cao su thường ứng dụng Việt Nam q trình gạn mủ, keo tụ/tuyển nổi, kỵ khí – thiếu khí hiếu khí kết hợp 1.2 Tổng quan công nghệ Anammox ứng dụng công nghệ Anammox xử lý nitơ nƣớc thải Xử lý nước thải chế biến mủ cao su sau trình sinh học kỵ khí có tải trọng nitơ cao tỉ lệ C/N thấp phương pháp sinh học truyền thống (nitrat hóa - khử nitrat) tiêu tốn nhiều chi phí địi hỏi lượng khí oxy cacbon bổ sung lớn Điều dẫn đến phương pháp thay với tính bền vững kinh tế phát triển nghiên cứu thập kỷ qua Các phương pháp đa số dựa trình Anammox Quá trình Anammox xác định q trình sinh học, ammonia oxy hóa điều kiện kỵ khí với nitrit yếu tố nhận electron để tạo thành nitơ phân tử với tham gia vi khuẩn Anammox tạo thành nitơ phân tử nitrat Quá trình Anammox cần có q trình đứng trước nhằm chuyển nửa ammonia nước thải đầu vào thành nitrit Quá trình sinh học đứng trước đặt tên trình nitrit hóa bán phần Phân loại theo lượng bể sử dụng, ứng dụng q trình nitrit hóa bán phần Anammox để loại bỏ nitơ chia làm loại: - Q trình nitrit hố bán phần q trình Anammox hai bể phản ứng riêng biệt - Q trình nitrit hố bán phần q trình Anammox bể phản ứng 1.3 Các trình kết hợp Anammox bể phẩn ứng Dựa khái niệm này, số công nghệ kết hợp q trình nitrit hóa bán phần – Anammox bể phản ứng nghiên cứu rộng rãi giới CANON (Complete Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite), SNAP (Single- stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation), OLAND (Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification), SNAD (Simultaneous partial Nitrification, Anammox and Denitrification) 1.4 Một số nghiên cứu ứng dụng trình Anammox xử lý nƣớc thải giàu nitơ ngồi nƣớc Nhiều mơ hình khác sử dụng để nghiên cứu trình Anammox xử lý nitơ nước thải sau: Bảng 1.1 Tóm tắt q trình nghiên cứu ứng dụng nhóm vi khuẩn Anammox xử lý nước thải giàu ammonia số quốc gia giới Quốc gia Hà Lan Đức Thụy Điển Tây Ban Nha Nội dung nghiên cứu Vi sinh vật học ứng dụng trình Anammox xử lý nước thải quy mô Pilot quy mô công nghiệp; Sinh lý học vi khuẩn Anammox, phương pháp đánh dấu sinh học phát vi khuẩn Anammox Kỹ thuật loại ammonia dùng màng vi sinh di động; Vi sinh vật học ứng dụng trình Anammox; Sinh lý học vi khuẩn Anammox Kỹ thuật loại ammonia dùng màng vi sinh di động; Các nghiên cứu quy mô cơng nghiệp, quy mơ pilot quy mơ phịng thí nghiệm; trình giai đoạn giai đoạn Sinh lý học vi khuẩn Anammox Tham khảo [119], [120], [121], [122] [123], [124] [125], [126] [127], [128] Mỹ Ứng dụng trình Anammox xử lý chất thải chăn ni gia cầm [112] Nhật Q trình tạo bùn dạng hạt vi khuẩn Anammox ứng dụng; Các phương pháp sinh học phân tử nhận dạng vi khuẩn Anammox [45], [93] Hàn Quốc Ứng dụng q trình Anammox xử lý chất thải chăn ni heo [111], [129] Trung Quốc Mơ hình hóa q trình Nitrat hóa – Anammox; q trình tạo bùn hạt vi khuẩn Anammox quy mơ phịng thí nghiệm; khởi động q trình loại bỏ ammonia quy mơ phịng thí nghiệm; làm giàu nuôi cấy vi khuẩn Anammox [130] Hà Lan Ứng dụng trình SHARON – Anammox xử lý nước thải giàu ammonia [80] Thụy Sĩ Ứng dụng trình sinh học xử lý nước thải giàu ammonia trình nitrit hóa phần q trình oxy hóa ammonia kị khí (Anammox) quy mơ Pilot [117] Nghiên cứu ứng dụng vào xử lý nitơ lĩnh vực mẻ giới, vấn đề lạ Việt Nam Phương cộng sự, (2009), nghiên cứu ứng dụng nhóm vi khuẩn Anammox xử lý nước thải chăn nuôi heo Liệu cộng sự, (2008) [131], nghiên cứu phát triển trình xử lý sinh học loại bỏ nitơ nước thải sở phản ứng Anammox sử dụng trình SNAP Theo nghiên cứu Phương, (2011) sử dụng mơ hình Swim Bed nước thải chế biến mủ cao su Theo nghiên cứu Nhật, (2012) thực mơ hình PNBCR với nước thải cao su (đầu sau q trình Nitrit hóa bán phần) [132] Theo nghiên cứu Nhật cộng (2014) [133], cho thấy kết hợp hai q trình Nitrit hóa bán phần sử dụng bể SBR theo sau bể HAR Anammox hybrid reactor cho trình Anammox xử lý nước rỉ rác Từ tài liệu tổng quan kết nghiên cứu ứng dụng trình Anammox xử lý nước thải giàu nitơ nước cho thấy trình Anammox trình tiềm năng, có nhiều khả ứng dụng xử lý nước thải chế biến mủ cao su Vì vậy, luận án tiến hành nghiên cứu ứng dụng trình Anammox điều kiện kết hợp trình nitrit hóa khử nitrat để xác định thơng số điều kiện vận hành đánh giá hiệu xử lý hiệu kinh tế nhằm hoàn thiện công nghệ xử lý nước thải chế biến mủ cao su CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NITRIT HĨA BÁN PHẦN – ANAMMOX 2.1 Q trình nitrit hóa bán phần So sánh với trình loại bỏ nitơ truyền thống (nitrat hóa, khử nitrat), thuận lợi trình nitrit hóa bán phần nhu cầu oxy thấp (ít 25%), nhu cầu cacbon hữu thấp khơng cần tùy thuộc sau q trình khử nitrat Anammox [80] [134] [135] Dựa khái niệm này, trình Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite (SHARON) phát triển trường Đại học Delft, Hà Lan [17] [136] Có nhiều yếu tố mơi trường ảnh hưởng đến phản ứng q trình nitrit hóa bán phần số chúng thơng số quan trọng để kiểm sốt q trình nitrit hóa bán phần Điểm quan trọng q trình nitrit hóa bán phần việc tích lũy nitrit ổn định hay khơng 2.2 Q trình Anammox Thật ra, phản ứng Anammox dự báo từ trước phát Trên sở tính tốn nhiệt động học [37][185] dự báo tồn vi khuẩn tự dưỡng có khả oxy hóa ammonium nitrat, nitrit: NH4+ + NO2-→ N2 + NO3- + 2H2O ∆G0 = - 357kj/mol (2.1) + + 5NH4 + 3NO3 → 4N2 + 2H2O + 2H ∆G0 = - 297kj/mol (2.2) 5NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + 2H2O ∆G0 = - 297kj/mol (2.3) Qua theo dõi cân nitơ phát thấy giảm đồng thời nồng độ ammonium nồng độ nitrat, nitrit tạo thành nitơ phân tử điều kiện kị khí [38] [44][79] Theo đó, q trình Anammox xác định trình sinh học, ammonium oxy hóa điều kiện kị khí với nitrit yếu tố nhận điện tử để tạo thành nitơ phân tử với tham gia vi khuẩn Anammox [44] [189] Tiếp theo đó, phản ứng Anammox phát nhận dạng vi khuẩn Anammox hệ thống xử lý nước thải nhà khoa học Đức [190], Nhật Bản [191], Thụy Sĩ [192] Bỉ [193] Từ phát (trong nhiều hệ thống xử lý nước thải có nồng độ ammonium cao) nhà khoa học đến việc tìm kiếm vi khuẩn tham gia trình Anammox hệ sinh thái tự nhiên Thực vậy, chứng minh phản ứng Anammox giữ 50% vai trị tạo khí nitơ trầm tích biển [48] vùng nước thiếu khí đáy đại dương Costa Rica [194] Các vi khuẩn Anammox thuộc chi phát vùng nước gần đáy biển đen [194] 2.3 Động học trình Động học trình xử lý sinh học liên quan đến trình sinh trưởng tế bào trình phân hủy nội bào Các phương trình động học trình bày bảng 2.16 Bảng 2.16 Các phương trình động học [285] Mơ hình Tổng quát Phƣơng trình động học Ghi Bậc Bậc ( ) ⁄ Tương quan hiệu khử chất, thời gian phản ứng hàm lượng sinh khối Grau cộng Monod Tương quan hiệu khử chất, thời gian phản ứng hàm lượng sinh khối Phƣơng trình động học Mơ hình Contois Chen Hashimoto & Mc Carty Young & Dewall Chion & Stover Kincannon Ghi Tương quan hiệu khử chất thời gian lưu nước y: Hiệu khử COD (%) x: Thời gian lưu nước y: tải trọng hữu loại bỏ (kg COD/m2 ngày) (kg COD/m3.ngày) x: Nồng độ chất sau xử lý Tương quan tải trọng hữu (đã bị khử) nồng độ chất sau xử lý Với Tải trọng thủy lực nồng độ chất hữu tương quan với tốc độ khử chất hữu hiệu xử lý Theo phương trình: Eckenfelder (1970) | | ln ln ln C, n: số thực nghiệm, n = 0,3 0,7 Chú thích: Y: Hệ số sản lượng tế bào; µ: Tốc độ sinh trưởng riêng; µm: Tốc độ sinh trưởng riêng tối đa; : Umax Hằng số tốc độ tiêu thụ chất lớn nhất; Ks : Hằng số bán vận tốc, hàm lượng c cht tc sinh trng bng ẵ àm; KB: Hằng số bão hòa; k: Hệ số sử dụng chất tối đa; kd: Hệ số phân hủy nội bào; k2(S): Hằng số dụng chất mơ hình động học bậc hai; B: Hằng số bão hòa Contois θc : Thời gian lưu bùn; A: Diện tích mặt cắt ngang bể D: Chiều cao lớp vật liệu lọc gVSS/g BOD ngày -1 ngày g/L/ngày g/L g/L/ngày ngày -1 ngày -1 ngày -1 ngày m2 m Nhận xét: Đối với dạng mơ hình sinh học có sử dụng hệ vi sinh tăng trưởng lơ lửng tăng trưởng bám dính, việc xác định thơng số động học phân tách riêng 11 với thể tích nạp 15 L, tỷ số trao đổi thể tích 0,5 Thời gian chu kỳ 480 phút, bao gồm pha: (1) pha nạp: 10 phút, (2) pha phản ứng: 420 phút, (3) pha lắng: 40 phút, (4) pha xả: 10 phút Thời gian lưu nước 0,6 ngày Điều kiện vận hành thí nghiệm làm giàu bùn trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Điều kiện vận hành thí nghiệm nội dung Thông số Đơn vị DO pH HRT mg/L ngày Giá trị Nuối cấy Anammox < 0,5 6,8 – 7,0 0,6 Nuôi cấy AOB 0,4 – 0,8 7,3 – 7,5 0,6 3.2.2 Nội dung Đánh giá mô hình OLAND chế độ thổi khí liên tục giá trị DO khác 3.2.2.1 Mơ hình OLAND Sau làm giàu bùn, mơ hình OLAND thí nghiệm nội dung tiếp tục nghiên cứu nội dung 3.2.2.2 Vật liệu thí nghiệm (a) Nước thải chế biến mủ cao su tiền xử lý COD Nước thải chế biến mủ cao su tiền xử lý COD nhà máy xử lý nước thải mủ cao su thuộc Công ty Cổ phần Cao su Phước Hịa (Ấp 1B, Chánh Phú Hịa, Bến Cát, Bình Dương) (b) Bùn nuôi cấy Bùn nuôi cấy tiếp tục trì từ thí nghiệm nội dung mơ hình OLAND, đặc tính bùn trình bày chương 3.2.2.3 Điều kiện vận hành Sau kết thúc thí nghiệm làm giàu bùn, luận án tiếp tục nghiên cứu với nước thải chế biến mủ cao su chế độ thổi khí liên tục giá trị DO là: 0,4 – 0,8 mg/L, 0,2 – 0,4 mg/L, 0,1 – 0,2 mg/L Giá trị DO bể phản ứng trì hệ thống thổi khí đáy bể với điều chỉnh điều khiển DO Nghiên cứu thực điều kiện nhiệt độ phòng Bể phản ứng vận hành theo chế độ nạp theo mẻ với thể tích nạp 15 L, tỷ số trao đổi thể tích 0,5 Thời gian chu kỳ 480 phút, bao gồm pha: (1) pha nạp: 10 phút, (2) pha phản ứng: 420 phút, (3) pha lắng: 40 phút, (4) pha xả: 10 phút Giá trị pH trì suốt thí nghiệm 7,5 – 7,8 thời gian lưu nước HRT = 0,6 ngày 12 3.2.3 Đánh giá mơ hình OLAND chế độ thổi khí gián đoạn khác 3.2.3.1 Mơ hình OLAND Sau kết thúc thí nghiệm nội dung 2, mơ hình OLAND tiếp tục nghiên cứu nội dung 3.2.3.2 Vật liệu thí nghiệm (a) Nước thải chế biến mủ cao su Nước thải chế biến mủ cao su tiền xử lý COD nhà máy xử lý nước thải mủ cao su thuộc Công ty Cổ phần Cao su Phước Hòa (Ấp 1B, Chánh Phú Hòa, Bến Cát, Bình Dương) (b) Bùn ni cấy Bùn ni cấy tiếp tục trì từ thí nghiệm nội dung mơ hình OLAND, đặc tính bùn trình bày chương 3.2.3.3 Điều kiện vận hành Thí nghiệm thực điều kiện nhiệt độ phòng Bể phản ứng vận hành theo chế độ nạp theo mẻ với thể tích nạp 15 L, tỷ số trao đổi thể tích 0,5 Thời gian chu kỳ 480 phút, bao gồm pha: (1) pha nạp: 10 phút, (2) pha phản ứng: 420 phút, (3) pha lắng: 40 phút, (4) pha xả: 10 phút pH trì bể phản ứng từ 7,5 – 7,8 thời gian lưu nước HRT 0,6 ngày Nghiên cứu thực 02 chế độ thổi khí gián đoạn với thời gian nghỉ thổi khí thổi khí khác 20 phút nghỉ – 40 phút thổi 30 phút nghỉ – 30 phút thổi lặp lại lần pha phản ứng chu kỳ thí nghiệm biểu diễn hình 3.4 Hình 3.4 Sơ đồ vận hành chu kỳ thí nghiệm với chế độ thổi khí gián đoạn (A) 20 phút nghỉ – 40 phút thổi (B) 30 phút nghỉ – 30 phút thổi 3.2.4 Nội dung Đánh giá hoạt tính vi khuẩn mơ hình OLAND Sử dụng phương pháp đo hoạt tính theo Third, 2001 [301] thực giai đoạn hiệu xử lý tổng nitơ tốt mơ hình thí nghiệm 13 3.2.4.1 Mơ hình thí nghiệm đánh giá hoạt tính dạng mẻ Nghiên cứu tiến hành quy mơ phịng thí nghiệm đặt phịng thí nghiệm khoa Mơi trường Tài nguyên – Đại học Bách Khoa TP.HCM Mơ hình để thực thí nghiệm nội dung mơ hình thí nghiệm đánh giá hoạt tính dạng mẻ thể hình 3.5 Ghi chú: Máy khuấy từ Bình oxy nén Bình phản ứng kín Điện cực DO DurOx 325 Cá khuấy từ 4cm Van cấp khí nối với đá bọt Van xả khí dư 8.Nút cao su châm ammonia rút mẫu Hình 3.5 Mơ hình dạng mẻ Bình phản ứng bình kín hình trụ nhựa acrylic có dung tích hiệu dụng 2L, chiều cao 150 mm, đường kính 140mm, mặt bích vát nghiêng 20o để loại bỏ yếu tố oxy hòa tan vào nước từ mặt thống Mơ hình khuấy trộn liên tục cá từ tốc độ 200 vòng/phút Các thông số nhiệt độ DO đo điện cực WTW DurOx 325 Mơ hình bao gồm van xả khí dư, van cấp khí từ bình khí nén nối với hệ thống phân phối khí bình đá bọt, lỗ gắn nút cao su để thuận tiện cho việc bổ sung ammonia lấy mẫu syringe 60 ml 3.2.4.2 Vật liệu thí nghiệm  Nước thải nhân tạo Nước thải nhân tạo dùng để xác định hoạt tính vi khuẩn Anammox SAA, vi khuẩn oxy hóa ammonia AOB, vi khuẩn oxy hóa nitrit NOB vi khuẩn khử nitrat chia làm 03 nhóm: Nhóm 1: dung dịch chất phản ứng; Nhóm 2: dung dịch rửa bùn; Nhóm 3: dung dịch vi lượng  Bùn thí nghiệm Thí nghiệm thực giai đoạn hiệu xử lý tổng nitơ tốt mơ hình OLNAD thí nghiệm 1, 3, gồm bùn lơ lửng bùn giá thể Giá thể bể phản ứng cắt để đo hoạt tính bùn giá thể Bùn giá thể bùn lơ lửng sau lấy khỏi bể phản ứng rửa ba lần nước cất để loại bỏ chất Nồng độ bùn thí nghiệm mẻ 1g MLVSS/L 3.2.4.3 Điều kiện vận hành Thí nghiệm xác địng hoạt tính vi khuẩn Anammox SAA, vi khuẩn oxy hóa ammonia AOB, vi khuẩn oxy hóa nitrit NOB vi khuẩn khử nitrat Điều kiện vận hành thí nghiệm trình bày bảng 3.10 14 Bảng 3.10 Điều kiện vận hành thí nghiệm nội dung Thành phần Nhiệt độ pH DO Thời gian rửa bùn Thời gian phản ứng Đơn vị C mg/L phút/mẻ phút/mẻ SAA phòng 7,5 – 7,8 < 0,1 30 240 Giá trị AOB NOB phòng 7,5 – 7,8 4,0 – 8,0 30 120 Khử nitrat phòng 7,5 – 7,8 < 0,1 30 120 3.2.5 Nội dung Mô hình tốn học để mơ phản ứng sinh hóa diễn q trình vận hành bể OLAND 3.2.5.1 Cơ sở lý thuyết Mơ hình tốn 1D Volcke cộng (2010) [298] ; Cema cộng (2012) [299] hiệu chỉnh cho phù hợp với mơ hình thực nghiệm đề tài áp dụng để đánh giá hiệu trình xử lý nước thải bể OLAND Mơ hình tốn học bao gồm hệ phương trình đạo hàm Trong đó, phương trình đầu biểu diễn: q trình oxy hóa ammonia thành nitrit vi khuẩn AOB (phương trình 3.1), trình chuyển hóa NO2 sang NO3 vi khuẩn NOB (phương trình 3.2), vi khuẩn Anammox chuyển hóa NH4 NO2 thành khí N2 (phương trình 3.3), bên cạnh cịn có chủng vi khuẩn hiếu khí khác tham gia vào q trình oxy hóa ammonia (phương trình 3.4) Các phương trình cịn lại (phương trình 3.5 – 3.8) biểu diễn suy giảm NH4, NO2, NO3 COD gây chủng vi khuẩn AOB, NOB, Anammox chủng dị dưỡng khác Ngoài ra, để đảm bảo tính xác cho q trình tính tốn, phương trình tính lượng suy giảm (chết) chủng vi khuẩn tích hợp trình tính tốn (phương trình 3.9 -3.12) 3.2.5.2 Hiệu chỉnh mơ hình: Hiệu chỉnh mơ hình bước quan trọng tồn q trình thiết lập mơ hình Mục đích việc hiệu chỉnh mơ hình để có thơng số phù hợp Các bước tiến hành hiệu chỉnh mơ hình bao gồm: (i) Mơ với tham số mơ hình mặc định, (ii) Phân tích độ nhạy, (iii) Lựa chọn thơng số mơ hình cần điều chỉnh Các tham số hệ phương trình hiệu chỉnh dựa số liệu thí nghiệm tương ứng với điều kiện DO thuộc khoảng từ 0,4 – 0,8; 0,2 – 0,4; 0,1 – 0,2 3.2.5.3 Kiểm định mô hình Sau giá trị tham số hệ phương trình thiết lập, trình kiểm định mơ hình thực Mục tiêu việc kiểm định mơ hình để so sánh dự đốn mơ hình hiệu chỉnh với liệu 15 thực để kiểm định tương đồng sai khác kết dự đốn mơ hình kết thực đo Số liệu thí nghiệm (thí nghiệm thổi khí A B) đề tài áp dụng cho q trình kiểm định mơ hình 3.3 Vật liệu phƣơng pháp phân tích 3.3.1.1 Phân tích hóa học Các phương pháp phân tích sử dụng nghiên cứu để xác định thơng số nước thải phân tích theo APPHA [11] 3.3.1.2 Phương pháp xác định cộng đồng vi khuẩn Anammox - Kỹ thuật Metagenomics DNA Các kỹ thuật xác định cộng đồng vi khuẩn Anammox phối hợp thực Đại học – Hàn Quốc Mẫu bùn lấy từ bể OLAND Metagenomics DNA tách chiết từ sinh khối bùn sử dụng FasDNA spin kit for soil (MP Biomedicals, OH, USA) theo hướng dẫn nhà sản xuất Việc khuếch đại đoạn gene 16S rDNA thực công ty Macrogen (Hàn Quốc) sử dụng cặp mồi chuyên biệt V34 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Nội dung Làm giàu bùn mơ hình OLAND 4.1.1 Làm giàu bùn Anammox Thí nghiệm làm giàu bùn Anammox diễn 30 ngày, tải trọng nitơ đầu vào tăng dần từ 0,08 kgN/m3.ngày, 0,16 kgN/m3.ngày 0,42 kgN/m3.ngày tương ứng với nồng độ NO2 N = NH4+-N 25, 50, 125 mgN/L Hình 4.1 Diễn biến thành phần hợp chất nitơ đầu tải trọng nitơ đầu vào khác thí nghiệm làm giàu bùn Anammox 16 Các tỷ lệ NO2 N /NH4+-N ~1,21, NO3 N/NH4+-N ~0,22 TN/NH4+-N ~ 1,99 ổn định tiệm cận với giá trị lý thuyết NO2 N /NH4+N=1,32, NO3 N/NH4+-N=0,26 TN/NH4+-N =2,06 Hơn quan sát bùn bể phản ứng thấy sau ngày thí nghiệm, bùn bám giá thể Kết thúc thí nghiệm làm giàu bùn anamomx, nồng độ MLSS bùn lơ lửng trì khoảng 2.500 mgMLSS/L bùn giá thể 2.000 mgMLSS/L, tỷ lệ MLVSS/MLSS 0,62, cho thấy khả bám giữ tích lũy bùn giá thể tốt 4.1.2 Làm giàu bùn AOB Giai đoạn nuôi cấy làm giàu bùn AOB diễn 60 ngày, thực sau mơ hình OLAND hồn thành giai đoạn nuôi cấy bùn Anammox Giai đoạn mô hình OLAND tiếp tục trì tải trọng đầu vào 0,42 kgN/m3.ngày với tổng nitơ đầu vào TN = NH4+-N = 250 mgN/L Hình 4.5 Sự biến thiên nồng độ thành phần nitơ đầu thí nghiệm làm giàu bùn AOB Trong giai đoạn làm giàu bùn AOB, mơ hình OLAND vận hành DO gới hạn từ 0,4 – 0,8 mg/L hiệu xử lý tổng nitơ mơ hình OLAND trung bình đạt 83,7%, hiệu xử lý NH4+-N đạt 100% Hơn tỷ lệ sinh tổng nitơ tiêu thụ NO3 N/TN trung bình đạt 5,67 ± 3,37 %, thấp so với tỷ lệ lý thuyết trình CANON 13% Điều chứng tỏ phần nitrat sinh trình bị loại bỏ vi khuẩn khử nitrat sử dụng nguồn cacbon hữu từ trình tự phân hủy bùn bên giá thể Kết thúc thí nghiệm làm giàu bùn AOB, nồng độ MLSS bùn giá thể bùn lơ lửng trung bình khoảng 3.200 mg MLSS/L 3.498 mg MLSS/L; tương ứng nồng độ MLVSS 2.022 mg MLVSS/L 2.186 mg MLVSS/L Tỷ lệ MLVSS/MLSS bùn giá thể bùn lơ lửng 0,632 0,625 Quá trình khuấy trộn thổi khí theo dõi chặt chẽ, giúp vi khuẩn Anammox AOB phát triển tốt bùn lơ lửng bùn giá thể 17 4.2 Nội dung đánh giá mơ hình OLAND chế độ thổi khí liên tục giá trị khác 4.2.1 Hiệu chuyển hóa thành phần nitơ Sau bể OLAND kết thúc thí nghiệm làm giàu bùn nước thải nhân tạo với hiệu suất tương đối ổn định vận hành nước thải chế biến cao su tiền xử lý COD Nghiên cứu đối tượng nước thải cao su thực 75 ngày thí nghiệm giá trị DO khác 0,4 – 0,8 mg/L, 0,2 – 0,4 mg/L, 0,1 – 0,2 mg/L Hình 4.11 Sự biến thiên hợp chất nitơ giá trị DO khác thí nghiệm nội dung Ở 15 ngày (hình 4.11), DO kiểm sốt khoảng 0,40 - 0,80 mg/L, hiệu xử lý ammonia không ổn định 75 ± 25%, hiệu xử lý TN khoảng 63 ± 23% (n=15) Nồng độ ammonia nitrit đầu cao 20 ± 17 (n=15) 15,1 ± 8,0 mg N/L (n=15) Lý giải cho vấn đề có thể do: (1) thời gian lưu nước bể OLAND chưa đủ cho phản ứng Anammox; (2) nồng độ DO bể cao 0,40- 0,80 mg N/L gây ức chế hoạt tính Anammox Từ ngày 16 đến ngày 30, DO kiểm soát khoảng 0,20- 0,40 mg/L, hiệu xử lý đạt cao 80 ± 14% (n=15) tăng khoảng 10% so với kiểm soát DO 0,40- 0,80 mg/L Hiệu chuyển hoá ammonia gần đạt 100% Giá trị ammonia không phát đầu bể phản ứng nồng độ nitrit cao bể (14,2 ± 7,8 mg/L, n=14) cho thấy chất ammonia không đủ cho phản ứng Anammox nhằm loại bỏ phần nitrit lại Giá trị nitrat đầu khoảng 6,1 ± 4,6 mgN/L (n=14) thấp giai đoạn đầu (11,7 ± 10,0 mg N/L, n=14), điều chức tỏ vi khuẩn NOB tồn phát triển bể hoạt tính giảm so với giai đoạn đầu Nhằm giảm tốc độ chuyển hố ammonia, ức chế hoạt tính NOB bể, DO bể kiểm sốt trì mức 0,10- 0,20 mg/L bể 18 OLAND Từ ngày 31 đến ngày 7, hiệu xử lý ổn định ammonia tổng nitơ đạt 100 ± 0,0% 92 ± 2% (n=45), tương ứng với giá trị ammonia TN đầu thấp 0,0 ± 0,0 mgN/L 13 ± mgN/L (n=45) Kết cho thấy giá trị DO= 0,10- 0,20 mg/L phù hợp cho kiểm soát trình mơ hình OLAND xử lý nước thải chế biến mủ cao su Trong suốt thời gian thí nghiệm 2, tỷ lệ nitrat sinh tổng nitơ tiêu thụ trung bình 6,83 ± 7,86%, thấp nhiều so với DO trước thấp so với tỷ lệ lý thuyết trình CANON (11%) Anammox (13%), cho thấy diện vi khuẩn khử nitrat 4.2.2 Hiệu xử lý thành phần ô nhiễm chất hữu COD Thí nghiệm tiến hành khảo sát hiệu xử lý COD so sánh tốc độ tiêu thụ COD với tốc độ tiêu thụ COD theo lý thuyết loại bỏ nitrat chuyển hóa từ trình Anammox để đánh giá ảnh hưởng COD mơ hình OLAND Hình 4.14 Nồng độ COD đầu vào giá trị DO khác thí nghiệm nội dung Hình 4.14 biểu diễn nồng độ COD đầu vào, đầu hiệu suất xử lý COD giá trị DO khác thí nghiệm Nồng độ COD đầu vào không ổn định dao động từ 47 – 80 mg/L Việc dao động nồng độ COD đầu vào tùy vào thời điểm sản xuất mùa năm, làm cho hiệu tiền xử lý COD nhà máy xử lý nước thải không ổn định Hiệu xử lý COD trung bình đạt 49 ± 17% Hiệu xử lý COD giá trị DO từ 0,4 – 0,8 mg/L, 0,2 – 0,4 mg/L 0,1 – 0,2 mg/L ± 9%, 66 ± 11% 56 ± 7% Nồng độ COD đầu trung bình suốt thời gian thí nghiệm 30 ± 13 mg/L, 31 ± 13 mg/L DO từ 0,4 – 0,8 mg/L, 47 ± 16 mg/L DO từ 0,2 – 0,4 mg/L 25 ± mg/L DO từ 0,1 – 0,2 mg/L, thấp so với QCVN 01-MT:2015/BTNMT, cột A (COD = 75 mg/L) 19 Theo lý thuyết khử nitrat 1mg NO3 N/L bị khử cần tiêu thụ 1,74 mg COD/L Khảo sát cho thấy tốc độ tiêu thụ COD cao lý thuyết khử nitrat Anammox sinh Điều chứng tỏ mơ hình OLAND cịn có mặt vi khuẩn dị dưỡng khử COD tiêu thụ phần COD nước thải Ngoài ra, quan sát số ngày tốc độ tiêu thụ COD theo lý thuyết cao so thực nghiệm, cho thấy (1) q trình khử nitrat mơ hình OLAND tiêu thụ COD so với lý thuyết (2) sinh khối bùn diễn hô hấp phân hủy chất hủy vi khuẩn khử nitrat sử dụng chất hữu làm chất Tuy nhiên điều chưa rõ ràng 4.2.3 Điện độ kiềm tiêu thụ 4.2.3.1 Độ kiềm tiêu thụ Nồng độ kiềm tiêu thụ tương ứng với tải trọng nitơ Tải trọng cao, lượng kiềm tiêu thụ nhiều Trung bình trình lượng kiềm bị tiêu thụ 4,07 ± 0,1 g CaCO3/gN 4.2.3.2 Điện tiêu thụ Điện tiêu thụ thí nghiệm ghi nhận liên tục ngày cuối giá trị DO từ 0,1 – 0,2 mg/L có số đo trung bình 3,26 ± 0,5 kWh/kg N Giá trị điện tiêu thụ đánh giá thấp so với thực tế số nhà máy khảo sát 4.2.4 Đánh giá mơ hình OLAND xử lý nƣớc thải cao su chế thổi khí liên tục giá trị DO khác Kết nghiên cứu cho thấy DO 0,10- 0,20 cho kết xử lý hợp chất nitơ COD tốt Kết cân nitơ rằng khoảng 82±8% nitơ loại bỏ trình nitrit hố bán phần kết hợp Anammox, khoảng 6±3% nitơ xử lý trình khử nitrat 2±1% nitơ tích lũy vào sinh khối bùn Nitrat tạo phản ứng Anammox sử dụng trình khử nitrat với bCOD có nước thải chế biến mủ cao su Nghiên cứu tiến hành phân tích mối tương quan yếu tố mơ hình OLAND chế độ thổi khí liên tục: Tốc độ loại bỏ TN (mgN/L.ngày) = 0,667 x tốc độ loại bỏ NH4+-N (mgN/L.ngày) - 0,040 x tốc độ loại bỏ COD (mg/L.ngày) + 0,074 x độ kiềm tiêu thụ (gCaCO3/gN) – 1,061 x tốc độ sinh nitrat đầu (mgN/L.ngày) + 21,631 (4.1) 4.3 Nội dung Đánh giá mơ hình OLAND chế độ thổi khí gián đoạn khác 4.3.1 Hiệu chuyển hóa thành phần nitơ Thí nghiệm thực chế độ thổi khí gián đoạn A B diễn 90 ngày Trong đó, chế độ thổi khí gián đoạn A với 20 phút nghỉ - 40 20 phút thổi diễn 45 ngày chế độ thổi khí gián đoạn B với 30 phút nghỉ - 30 phút thổi diễn 45 ngày Thời gian lưu nước 0,6 ngày cho 02 chế độ thổi khí gián đoạn A B Hình 4.19 Nồng độ ammonia đầu vào biến thiên thành phần nitơ đầu ra, hiệu suất xử lý TN mơ hình OLAND thí nghiệm nội dung Trong chế độ thổi khí gián đoạn A (20 phút nghỉ - 40 phút thổi), hiệu suất xử lý TN từ 46 – 99% cao đạt 99 % ngày thứ 39 với NLR = 0,18 kgN/m3.ngày Hiệu suất chuyển hóa NH4+-N từ 48 -100%, đạt 100% ổn định từ ngày thứ 39 đến ngày thứ 45, nồng độ NO3 N đầu thấp, không phát được, thấp tỷ lệ NO3 N sinh phản ứng Anammox 13%, điều chứng tỏ có mặt vi khuẩn khử nitrat mơ hình OLAND Sau thí nghiệm chế độ thổi khí gián đoạn A, mơ hình vận hành chế độ thổi khí gián đoạn B (30 phút nghỉ - 30 phút thổi) từ ngày thứ 46 đến ngày thứ 90 Hiệu suất chuyển hóa NH4+-N dao động từ 33% - 70%, hiệu suất loại bỏ TN dao động từ 10% - 35% Nồng độ NH4+-N chưa chuyển hóa hồn tồn đầu ra, dao động từ 48 – 91 mgN/L Điều chuyển sang chế độ thổi khí gián đoạn B 30 phút nghỉ – 30 phút thổi làm mô hình OLAND vận hành chủ yếu chế độ kỵ khí, thời gian cung cấp DO khơng đủ, hoạt tính AOB bị giảm xuống, thiếu chất cho vi khuẩn Anammox hoạt động Nồng độ NO3 N đầu từ – 14 mg/L, cho thấy xuất vi khuẩn oxy hóa nitrit NOB Quan sát bùn giá thể thấy bùn đốm bùn đỏ ban đầu từ thí nghiệm Bùn giá thể chuyển sang màu đen đậm, kết dính chặt chẽ giá thể Vì vậy, thí nghiệm tiến hành rũ bỏ bùn giá thể bổ sung bùn vào ngày thứ 12 chế độ thổi khí gián đoạn B Hiệu xử lý tổng nitơ bắt đầu tăng lên rõ rệt ngày thứ 13 tăng dần đến ngày thứ 45 thấp chế độ thổi khí gián đoạn 21 A Như vậy, cần phải loại bỏ bùn già, bùn chết giá thể để đảm bảo hiệu xử lý ổn định 4.3.2 Hiệu xử lý thành phần ô nhiễm chất hữu COD Tương tự thí nghiệm 2, nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng thành phần COD thí nghiệm Hình 4.22 Nồng độ COD đầu vào mơ hình OLAND thí nghiệm nội dung Quan sát cho thấy nồng độ COD đầu vào không ổn định dao động mạnh khoảng chế độ thổi khí gián đoạn A từ 43 – 105 mg/L ổn định chế độ thổi khí gián đoạn B từ 28 – 63 mg/L Hiệu xử lý COD trung bình đạt 39 ± 16% Hiệu xử lý COD chế độ thổi khí gián đoạn A B 45% 34% Nồng độ COD đầu trung bình suốt thời gian thí nghiệm chế độ thổi khí gián đoạn A, B 33 ± 11 mg/L, 37 ± 13 mg/L 34 ± mg/L, thấp so với QCVN 01-MT:2015/BTNMT, cột A (COD = 75 mg/L) Theo lý thuyết khử nitrat 1mg NO3 N/L bị khử cần tiêu thụ 1,74 mg COD/L Khảo sát tốc độ tiêu thụ COD lý thuyết khử nitrat Anammox sinh cho thấy tốc độ tiêu thụ COD cao lý thuyết khử nitrat Anammox sinh Điều tương tự thí nghiệm 4.3.3 Điện độ kiềm tiêu thụ 4.3.3.1 Độ kiềm tiêu thụ Ở chế độ thổi khí gián đoạn A độ kiềm tiêu thụ theo NH4+-N chuyển hóa N-TN loại bỏ gần nhau, trung bình 1,82 ± 0,70 g CaCO3/g N 1,93 ± 0,73 g CaCO3/g N, cho thấy trình khử nitrat sinh độ kiềm (3,57 g CaCO3/g N), làm giảm độ kiềm tiêu thụ mơ hình OLAND Ở chế độ thổi khí gián đoạn B, độ kiềm tiêu thụ theo kiềm tiêu thụ theo NH4+-N chuyển hóa thấp nhiều so với độ kiềm tiêu thụ theo N-TN loại 22 bỏ, trung bình 3,73 ± 1,09 gCaCO3/gN 6,40 ± 1,21 gCaCO3/gN, cho thấy trình Anammox bị ức chế AOB, NOB chiếm ưu bể phản ứng 4.3.3.2 Điện tiêu thụ Điện tiêu thụ mơ hình OLAND chế độ thổi khí gián đoạn A B đo 2,68 kWh/kg N 2,59 kWh/kg N, thấp so với chế độ thổi khí liên tục 3,26 kWh/kg N 4.3.4 Đánh giá mô hình OLAND xử lý nƣớc thải cao su chế thổi khí gián đoạn khác Nghiên cứu tiến hành phân tích mối tương quan yếu tố mơ hình OLAND chế độ thổi khí gián đoạn: + Tốc độ loại bỏ TN (mgN/L.ngày) = 0,906 x tốc độ loại bỏ NH4 -N (mgN/L.ngày) + 0,239 x tốc độ loại bỏ COD (mg/L.ngày) – 0,002 x độ kiềm tiêu thụ (gCaCO3/gN) – 2,545 x tốc độ sinh nitrat đầu (mgN/L.ngày) – 0,006 (4.2) Sơ đồ cân vật chất mơ hình OLAND cho thấy có diện đồng thời q trình nitrit hóa bán phần, Anammox khử nitrat Điều làm tăng hiệu suất xử lý tổng nitơ mơ hình OLAND trung bình đạt 87 ± 12% (n = 90) Trong đó, hiệu suất xử lý nitơ từ q trình nitrit hóa bán phần, Anammox trung bình 80 ± 10% (n = 90) hiệu suất xử lý nitơ từ trình khử nitrat trung bình ± % (n = 90%) 4.4 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH VI KHUẨN CỦA MƠ HÌNH OLAND Hoạt tính vi khuẩn Anammox SAA, AOB, NOB, vi khuẩn khử nitrat bùn lơ lửng bùn giá thể mơ hình OLAND chế độ thổi khí gián đoạn tóm tắt bảng 4.14 Bảng 4.14 Hoạt tính vi khuẩn Anammox SAA, AOB, NOB, vi khuẩn khử nitrat bùn lơ lửng bùn giá thể mơ hình OLAND Thơng số Đơn vị MLSS MLVSS/MLSS Hoạt tính Anammox mgMLSS/L gN-N2 /gVSS/ngày gNH4+-N /gVSS/ngày gNO3-N/gVSS/ngày kgNO3 N /m3.ngày Hoạt tính AOB Hoạt tính NOB Hoạt tính khử nitrat Chế độ thổi khí A Bùn Bùn lơ giá lửng thể 2.115 5.900 0,64 0,57 Bùn lơ lửng 3.100 0,625 Bùn giá thể 3.498 0,632 Thổi khí liên tục Bùn Bùn lơ giá lửng thể 3.000 4.700 0,63 0,67 0,01 0,29 0,14 0,20 0,15 0,25 0,81 0,34 0,77 0,32 0,60 0,19 0,17 0,12 0,15 0,11 0,02 0,005 0,01 0,03 0,13 0,19 0,01 0,08 Làm giàu bùn 23 4.5 Xác định cộng đồng vi khuẩn bể Việc phân tích cộng đồng vi khuẩn đoạn trình tự 16S rRNA (16S ribosomal RNA) sử dụng 16S V3 V4 region sử dụng để điều tra cấu trúc cộng đồng vi khuẩn bể OLAND 10.905 trình tự 156 nhóm đại diện giải mã Chủng Anammox chiếm ưu bùn bể OLAND (chiếm 4.8%) có độ tương đồng 99% so với chủng vi khuẩn Candidatus Kuenenia sp phân lập Đức.Chủng vi khuẩn AOB chịu trách nhiệm cho trình nitrit hố (chiếm 6.6%) có độ tương đồng 98% so với chủng Nitrosomonas sp B2 Ngoài chủng vi khuẩn khử nitrat Proteobacterium E4-1 tìm thấy bể OLAND 4.6 Nội dung Mơ hình tốn học để mơ phản ứng sinh hóa diễn q trình vận hành mơ hình OLAND Kết hiệu chỉnh mơ hình cho thấy độ tương thích mơ hình số liệu cao (R2=0,94), chứng tỏ mơ hình OLAND biểu diễn hệ phương trình đạo hàm biến AOB, NOB, vi khuẩn Anammox, vi khuẩn dị dưỡng, NH4+, NO2-, NO3- COD Mơ hình tốn áp dụng để dự đoán nồng độ ammonia, nitrit nitrat COD nước thải đầu Mức độ tương thích mơ hình liệu sau tiến hành thiết lập tham số 94% (R2=0,94) Luận án tiếp tục kiểm định mơ hình với số liệu thực thí nghiệm với chế độ thổi khí gian đoạn khác nhau: chế độ thổi khí A (20 phút nghỉ - 40 phút thổi) chế độ thổi khí B (30 phút nghỉ - 30 phút thổi) Kết mơ hình tốn sau thiết lập tham số số liệu thí nghiệm tương ứng với chế độ thổi khí gián đoạn Kết cho thấy độ tương thích mơ hình số liệu cao (R2=0,89), chứng tỏ mơ hình OLAND biểu diễn hệ phương trình đạo hàm biến AOB, NOB, Anammox, dị dưỡng, NH4+-N, NO2 N, NO3 N COD Mơ hình tốn áp dụng để dự đốn nồng độ ammonia, nitrit nitrat COD nước thải KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Mô hình OLAND kết hợp bùn lơ lửng bùn giá thể giúp tăng cường nồng độ MLSS bể, kéo dài thời gian lưu bùn, mang lại lợi ích lớn cho q trình Anammox Q trình thích nghi làm giàu bùn Anammox thành công khoảng thời gian ngắn Sau 30 ngày vận hành hiệu suất loại bỏ nitơ với bùn Anammox đạt 90% Giai đoạn làm giàu sinh khối AOB nuôi cấy thành công vi khuẩn AOB dạng lơ lửng Sau 30 ngày vận hành hiệu suất chuyển hóa ammonia đạt mức 100% 24 Khi vận hành với nước thải chế biến mủ cao su tiền xử lý COD Tốc độ loại bỏ nitơ trung bình mơ hình OLAND trung bình chế độ thổi khí liên tục với DO 0,1 – 0,2 mg/L 0,26 kg N/m3.ngày tải trọng đầu vào 0,29 kg N.m3.ngày, tương ứng với hiệu loại bỏ 89,7% Mơ hình OLAND vận hành hiệu chế độ thổi khí gián đoạn A (20 phút nghỉ – 40 phút thổi) tạo điều kiện kỵ khí hồn tồn cho mơ hình OLAND thời gian phản ứng khơng thổi khí, giúp trì vi khuẩn Anammox bùn lơ lửng, hoạt tính vi khuẩn Anammox bùn lơ lửng thí nghiệm 0,19 gN-N2 /gVSS/ngày Giúp nâng cao hiệu chuyển hóa nitơ xử lý COD chế độ thổi khí này, hiệu suất xử lý TN, NH4+-N COD trung bình 87%, 93% 45%, nồng độ TN, NH4+-N COD đầu đạt QCVN 01-MT:2015/BTNMT, cột A Điện tiêu thụ 02 chế độ thổi khí gián đoạn thấp so với chế độ thổi khí liên tục 3,69 kWh/kgN Chế độ thổi khí gián đoạn A 20 phút nghỉ – 40 phút thổi 2,68 kWh/kgN chế độ thổi khí gián đoạn B 30 phút nghỉ – 30 phút thổi 2,59 kWh/kgN có ý nghĩa mặt kinh tế môi trường Độ kiềm tiêu thụ trung bình chế độ thổi khí liên tục 4,07 g CaCO3/g N cao chế độ thổi khí gián đoạn A 20 phút nghỉ – 40 phút thổi 1,93 g CaCO3/g N thấp so với chế độ thổi khí gián đoạn B 30 phút nghỉ – 30 phút thổi khí 6,40 g CaCO3/g N Kết thí nghiệm hoạt tính bùn ngồi phát triển nhóm vi khuẩn SAA, AOB, NOB cịn có phát triển nhóm vi khuẩn khử nitrat Kỹ thuật Mi-Sequencing xác định hai chủng vi khuẩn tự dưỡng: chủng vi khuẩn Anammox Candidatus Kuenenia sp AOB Nitrosomonas sp B2 chiếm ưu mơ hình, định đến hiệu xử lý nitơ nước thải cao su KIẾN NGHỊ Sử dụng kỹ thuật FISH nhằm xác định phân bố chủng vi khuẩn Anammox AOB giá thể Tiếp tục nghiên cứu tải trọng cao nhằm đánh giá hiệu xử lý mơ hình đánh giá lượng sử dụng so với cơng nghệ truyền thống nitrat hố- khử nitrat Trên thực tế cịn nhiều loại nước thải chứa nồng độ ammonia tổng Nitơ cao nước sau bể biogas, nước thải lò mổ, nước thải chế biến thủy sản Do vậy, cần mở rộng áp dụng trình OLAND để xử lý loại nước thải DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyen, H N., & Luong, T T , "Situation of wastewater treatment of natural rubber latex processing in the Southeastern region, Vietnam," Journal of Vietnamese Environment, vol 2, no 2, pp 58-64, 2012 Nguyen Nhu Hien, Truong Thi Thanh Van, Le Thanh Son, Phan The Nhat, Nguyen Phuoc Dan, “Application Of Combined Process Of Partial Nitritation- Anammox Using A Rotating Biological Contactor (OLAND) To Treat Ammonium-Rich Wastewater”, Tạp chí Phát triển khoa học cơng nghệ - Đại học Quốc gia Tp.HCM, vol 19, no M2, pp 05-15, 2016 Hien, N N., Van Tuan, D., Nhat, P T., Van, T T T., Van Tam, N., Que, V N X., & Dan, N P., “Application of Oxygen Limited Autotrophic Nitritation/Denitrification (OLAND) for anaerobic latex processing wastewater treatment”, International Biodeterioration & Biodegradation, 2017 ... nƣớc thải chế biến mủ cao su công nghệ xử lý nƣớc thải chế biến mủ cao su Theo kết nghiên cứu Viện nghiên cứu cao su Việt Nam, thành phần (vật lý, hóa học sinh học) nước thải chế biến mủ cao su. .. tính chất nước thải chế biến mủ cao su, công nghệ xử lý nước thải chế biến mủ cao su áp dụng Việt Nam công nghệ tiềm nghiên cứu nước - Luận án lựa chọn trình kết hợp nitrit hoá bán phần – Anammox. .. biến mủ cao su, luận án ? ?Nghiên cứu xử lý nitơ nước thải chế biến mủ cao su kết hợp trình nitrit hóa bán phần – Anammox hệ bùn lơ lửng bùn giá thể? ?? tiến hành nhằm góp phần giảm thiểu tình trạng nhiễm