Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - TRỊNH XUÂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - TRỊNH XUÂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Đức Hạ PGS.TSKH Ngô Quốc Bưu Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu thí nghiệm kết nghiên cứu luận án trung thực, chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Trịnh Xuân Đức ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Đức Hạ, PGS TSKH Ngô Quốc Bưu ln theo sát, tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến quý báu, định hướng nghiên cứu hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Công nghệ Môi trường, trường Đại học Xây dựng thầy cô giáo hội đồng chấm luận án giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Nguyễn Thị Thanh Hòa, Nguyễn Văn Hồng tập thể kỹ sư Viện khoa học Kỹ thuật hạ tầng Môi trường (SIIEE) giúp đỡ trình thu thập số liệu trạng, vận hành mơ hình phòng thí nghiệm pilot trường Chân thành cảm ơn bạn Nguyễn Thị Việt Hà, Trần Đức Khánh nhiệt tình cộng tác q trình hồn thiện báo cáo luận án Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo đồng nghiệp Công ty Cổ phần Xây dựng Môi trường Việt Nam (Vinse) tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình nghiên cứu học tập để hồn thành luận án Đặc biệt, tơi xin dành tất yêu thương lời cảm ơn tới gia đình ln bên cạnh động viên tinh thần hết lòng giúp đỡ tơi hồn thành nghiên cứu Cuối cùng, với tinh thần cầu thị mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy bạn đồng nghiệp để tiếp tục hồn thiện ứng dụng công nghệ MBBR vào thực tiễn xử lý amoni nước ngầm Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Trịnh Xuân Đức iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2.2 Nội dung nghiên cứu 3 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 3.1 Phạm vi 3.2 Đối tượng 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Phương pháp phân tích tài liệu thứ cấp 4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 4.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 4.4 Phương pháp phân tích 4.5 Phương pháp tính tốn xử lý số liệu 5 CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 5.1 Tính luận án 5.2 Tính thực tiễn luận án 5.3 Đóng góp khoa học luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG 1.1 Tổng quan trạng sử dụng nước ngầm ô nhiễm amoni vùng Hà Nội 1.1.1 Địa chất thủy văn khu vực Hà Nội 1.1.2 Nguồn gốc amoni nước ngầm 1.1.3 Tác hại amoni nước sinh hoạt 1.1.4 Hiện trạng sử dụng nước ngầm thành phố Hà Nội 10 1.1.5 Đặc trưng chất lượng nước ngầm trạng ô nhiễm amoni nước ngầm khu vực Hà Nội 13 1.2 Các phương pháp xử lý amoni 15 1.2.1 Xử lý amoni chất oxy hoá 15 1.2.2 Xử lý amoni kiềm hoá làm thoáng 17 1.2.3 Xử lý amoni trao đổi ion 18 iv 1.2.4 Xử lý amoni thực vật 18 1.2.5 Quá trình ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) 19 1.2.6 Quá trình SHARON (Single reactor High activity Ammonium Removal Over Nitrite) 20 1.2.7 Xử lý amoni phương pháp sinh học truyền thống 20 1.3 Kỹ thuật màng vi sinh 33 1.3.1 Màng vi sinh 33 1.3.2 Các loại bể sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi sinh 37 1.4 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Quốc tế 43 1.4.1 Tình hình nghiên cứu Viêt Nam 43 1.4.2.Tình hình nghiên cứu Thế giới 45 1.4.3 So sánh hiệu xử lý công nghệ MBBR 47 1.5 Kết luận chương 50 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51 2.1 Phạm vi đối tượng nghiên cứu 51 2.2 Quan trắc lấy mẫu Phương pháp phân tích 51 2.2.1 Quan trắc lấy mẫu 51 2.2.2 Phương pháp phân tích 52 2.3 Phương pháp phân tích số liệu động học 53 2.3.1 Phương pháp theo mẻ 53 2.3.2 Phương pháp liên tục khuấy trộn 54 2.3.3 Phương pháp hệ nối tiếp liên tục khuấy trộn 55 2.3.4 Xác định thông số động học 57 2.4 Vật liệu mang vi sinh DHY 62 2.4.1 Khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến, độ xốp thể tích xốp 63 2.4.2 Diện tích bề mặt 64 2.4.3 Nuôi cấy vi sinh lên vật liệu mang 65 2.5 Mơ hình phòng thí nghiệm 66 2.5.1 Nguồn nước cấp cho thí nghiệm 66 2.5.2 Sơ đồ thí nghiệm 67 2.5.3 Các yếu tố cần khảo sát 69 2.6 Mơ hình pilot MBBR thực tế 71 v 2.6.1 Vị trí lắp đặt Pilot 71 2.6.2 Vận hành pilot lấy mẫu pilot 73 2.7 Kết luận chương 74 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 76 3.1 Vật liệu mang vi sinh 76 3.2 Mơ hình pilot phòng thí nghiệm 79 3.2.1 Tốc độ nitrat hóa 79 3.2.2 Xác định thông số động học 87 3.2.3 Xác định phương trình tốc độ khử nitrat riêng (U) đồng thời hệ bể hiếu khí 93 3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nitrat hóa khử nitrat 96 3.3 Mơ hình pilot thực tế 108 3.3.1 Tính tốn thiết kế pilot 108 3.3.2 Kết vận hành Pilot 113 3.4 Bộ cơng thức tính tốn hệ thiết bị xử lý amoni nước ngầm sử dụng màng vi sinh chuyển động (MBBR) 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 129 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực Hà Nội Hình 1.2 Bản đồ phân bố amoni thành phố Hà Nội 14 Hình 1.3 Tương quan clo dư lượng clo cho vào nước để xử lý amoni 16 Hình 1.4 Tương quan ion amoni khí amoniac giá trị pH nhiệt độ 17 Hình 1.5 Sự phụ thuộc hiệu xử lý Amoni vào tỉ lê nước-khơng khí nhiệt độ nước khác 19 Hình 1.6 Quá trình ANAMMOX 19 Hình 1.7 Quá trình SHARON 20 Hình 1.8 Chu trình hình thành bong tróc màng sinh học 34 Hình 1.9 Quần thể vi sinh dính bám vật liệu mang 34 Hình 1.10 Hệ xử lý màng vi sinh chuyển động 35 Hình 1.11 Sơ đồ chế hoạt động màng sinh học giá thể chuyển động 35 Hình 1.12 Cấu trúc xốp polyuretan xốp 36 Hình 1.13 Vật liệu mang vi sinh BiOChip 37 Hình 1.14 Vật liệu mang vi sinh DHY (do VINSE sản xuất) 37 Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống lọc sinh học 38 Hình 1.16 Bộ phận cấu thành đĩa quay sinh học 39 Hình 1.17 Sơ đồ cột lọc tầng tĩnh 40 Hình 1.18 Mơ tả q trình xử lý bể MBBR 41 Hình 1.19 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ xử lý nước ô nhiễm Amoni tác giả Lều Thọ Bách thực 43 Hình 1.20 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm ô nhiêm Amoni tác giả Nguyễn Văn Khôi, Cao Thế Hà thực 44 Hình 1.21 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ xử lý amoni sử dụng giá thể dạng sợi Acrylic 45 Hình 1.22 Mơ hình bể sinh học màng vi sinh chuyển động sử dụng nghiên cứu J.D.Rouse,2005 46 Hình 1.23a Sơ đồ hệ thống MBBR phòng thí nghiệm sử dụng nghiên cứu Zafarzadeh, 2010 46 Hình 1.23b Các sơ đồ nguyên lý xử lý amoni 48 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo mẻ 67 vii Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm liên tục bình phản ứng 69 Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm bình phản ứng nối tiếp 69 Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm bình phản ứng nối tiếp 69 Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm sắt amoni 73 Hình 2.6 Thiết kế chi tiết hệ thiết bị xử lý amoni (MBBR&DHK) 74 Hình 3.1 Ảnh chụp S.E.M vật liệu DHY 76 Hình 3.2a Vật liệu ni cấy thử nghiệm phòng thí nghiệm 77 Hình 3.2b Hình ảnh vật liệu mang vi sinh dính bám vật liệu mang 78 Hình 3.2c Mặt mặt ngồi lớp màng vi sinh 79 Hình 3.3 Dây chuyền cơng nghệ thiết bị xử lý Amoni 109 Hình 3.4 Dây chuyền công nghệ trạm xử lý nước Yên Xá 109 Hình 3.5 Mặt bể MBBR 112 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hiện trạng công suất khai thác nước mặt nước ngầm 10 Bảng 1.2 Chất lượng nước trước sau xử lý NMN ngầm công ty nước Hà Nội quản lý 11 Bảng 1.3 Chất lượng nước trước sau xử lý NMN ngầm công ty nước Hà Đông Sơn Tây quản lý 12 Bảng 1.4 Tổng hợp Amoni nước ngầm Hà Nội theo năm từ 2010-2014 nhà máy 13 Bảng 1.5 Thông số động học đặc trưng vi sinh vật tự dưỡng trình nitrat hóa 22 Bảng 1.6 Sự phụ thuộc μm vào nhiệt độ theo nhiều kết nghiên cứu 23 Bảng 2.1 Thành phần nguyên liệu sản xuất vật liệu mang DHY 62 Bảng 2.2 Chất lượng nước thô trạm xử lý nước Yên Xá – Thanh trì 72 Bảng 2.3 Chất lượng nước sau bể lọc trạm xử lý nước ngầm Yên Xá 72 Bảng 3.1 Kết thí nghiệm đánh giá vật liệu mang DHY 76 Bảng 3.2 Mật độ vi sinh bình ni theo thời gian 78 Bảng 3.3 Ảnh hưởng nồng độ N-NH4+ đầu vào lên tốc độ nitrat hóa 80 Bảng 3.4 Tính tốn tốc độ nitrat hóa theo nồng độ amoni đầu vào 81 Bảng 3.5 Giá trị Chỉ số bán bão hòa (Ks) tốc độ nitrat hóa 84 Bảng 3.5a Giá trị k, n tốc độ nitrat hóa 86 Bảng 3.6 Các tính tốn thơng số từ biểu thức 2-27 88 Bảng 3.7 Hằng số Ks k tính tốn thực nghiệm 89 Bảng 3.8 Bảng tính tốn số liệu theo cơng thức 2-25 91 Bảng 3.9 Kết thực nghiệm thông số Y kp 92 Bảng 3.10 Đánh giá khả khử nitrat đồng thời hệ hiếu khí 94 Bảng 3.11 Giá trị k n từ thực nghiệm 95 Bảng 3.12 Sự suy giảm nồng độ amoni theo thời gian 96 Bảng 3.13 Ảnh hưởng mật độ vật liệu mang tới tốc độ nitrat hóa 98 Bảng 3.14 Diễn biến xử lý amoni điều kiện nồng độ oxy khác 99 Bảng 3.15 Ảnh hưởng số lượng bình phản ứng lên tốc độ oxi hóa amoni 101 Bảng 3.16 Khả khử nitrat đồng thời bể hiếu khí 103 115 chứng tỏ thời gian đầu mật độ vi sinh chưa đạt đến yêu cầu việc nitrat hóa khơng đảm bảo theo tính tốn Khi mật độ vi sinh đảm bảo theo u cầu tính tốn 1200 mg/L tính cho tồn bể hay 6000 mg/L tính theo vật liệu mang khả nitrat hóa đạt theo u cầu tính tốn thiết kế phụ lục So sánh với kết phòng thí nghiệm với nồng độ amoni khoảng 20 mgN/L thời gian lưu cho q trình nitrat hóa khoảng 1,2-1,5 để đảm bảo amoni đạt tiêu chuẩn cho phép (2,3 mgN/L), kết pilot thực tế thiết kế cho thời gian lưu hàm lượng amoni ln đạt khoảng từ 1,5-2,2 mgN/L Điều chứng tỏ thông số động học cho q trình nitrat xác định từ mơ hình phòng thí nghiệm có độ tin cậy 12.00 sử dụng thực tế 6.00 theo NO2 NO3 2.00 NO3 tiêu chuẩn nitrat < 50 mg/L) 9/6/2017 23/6/2017 26/5/2017 12/5/2017 28/4/2017 14/4/2017 Ngày QCVN01:2009 NH4+ < mg/L; nitrit < mg/L; 31/3/2017 3/3/2017 17/3/2017 0.00 nitrat đạt quy chuẩn cho phép NO2 quy chuẩn 4.00 3/2/2017 đồ 3.19 cho thấy nitrit 8.00 17/2/2017 bể MBBR kết theo biểu Nitrit, Nitrat (mgN/L) - Với thời gian lưu 10.00 Biểu đồ 3.19 Kết N-NO2- N-NO3- sau hệ thiết bị pilot tháng mà q trình nitrat hóa tiêu NH4+ không đạt tiêu chuẩn Điều chứng minh trình khử nitrat (khử nitơ) xẩy điều kiện hiếu khí Theo tính tốn phụ lục sử dụng phương trình 3-11 để tính tốn trình khử nitrat kết cần thời gian lưu nước giờ, so sánh với kết thực tế bảng 3.20 hàm lượng nitrit tương ứng với kết phòng thí nghiệm Chứng minh 150 Độ kiềm vào 100 Độ kiềm 50 23/6/2017 9/6/2017 26/5/2017 12/5/2017 28/4/2017 14/4/2017 31/3/2017 17/3/2017 đạt hiệu khoảng 30-35% 200 3/3/2017 khử nitơ bể MBBR 250 17/2/2017 (tiêu chuẩn