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

Để thiết lập được công nghệ xử lý có khả năng hoạt động ổn định với hiệusuất cao, phù hợp với đặc điểm sản xuất tại các vùng miền ở Việt Nam, việc nghiêncứu quá trình động học nitrat hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOAHỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOAHỌC

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Trần ĐứcHạ

2 PGS.TSKH Ngô QuốcBưu

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu thí nghiệm và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng công

bố trong bất kỳ công trình nàokhác

HàNội,ngày tháng năm 2018

Tác giả luậnán

Trịnh Xuân Đức

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Đức

Hạ, PGS TSKH Ngô Quốc Bưu đã luôn theo sát, tận tình hướng dẫn, đóng gópnhững ý kiến quý báu, định hướng nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Học viện Khoa học vàCông nghệ, Viện Công nghệ Môi trường, trường Đại học Xây dựng và các thầy côgiáo trong hội đồng chấm luận án đã giúp đỡ, và tạo điều kiện thuận lợi cho tôitrong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Nguyễn Thị Thanh Hòa, Nguyễn Văn Hoàng

và tập thể kỹ sư Viện khoa học Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường (SIIEE) đã giúp đỡtrong quá trình thu thập số liệu hiện trạng, vận hành mô hình phòng thí nghiệm vàpilot tại hiện trường

Chân thành cảm ơn các bạn Nguyễn Thị Việt Hà, Trần Đức Khánh đã nhiệttình cộng tác trong quá trình hoàn thiện báo cáo luận án

Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và đồng nghiệp Công ty Cổ phần Xâydựng và Môi trường Việt Nam (Vinse) đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trongquá trình nghiên cứu học tập để hoàn thành luận án

Đặc biệt, tôi xin dành tất cả sự yêu thương và lời cảm ơn tới gia đình đã luôn

ở bên cạnh động viên tinh thần và hết lòng giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu này

Cuối cùng, với tinh thần cầu thị tôi rất mong nhận được đóng góp ý kiến từthầy cô và các bạn đồng nghiệp để tiếp tục hoàn thiện và ứng dụng công nghệMBBR vào thực tiễn xử lý amoni trong nước ngầm

HàNội,ngày tháng năm2018

Tác giả

Trịnh Xuân Đức

MỤC LỤC

MỞĐẦU 1

1 SỰCẦN THIẾT NGHIÍNCỨUCỦAĐỀTĂI 1

2 MỤCTIÍUVĂNỘIDUNGNGHIÍNCỨUCỦALUẬNÂN 3

2.1 Mục tiíunghiíncứu 3

2.2 Nội dungnghiíncứu 3

3 PHẠMVIVĂĐỐITƯỢNGNGHIÍNCỨUCỦALUẬNÂN 4

3.1 Phạmvi 4

3.2 Đốitượng 4

4 PHƯƠNGPHÂPNGHIÍNCỨU 4

4.1 Phươngphâpphđntíchtăiliệuthứcấp 4

4.2 Phương phâp nghiíncứuthựcnghiệm 4

4.3 Phương phâp nghiíncứulýthuyết 5

4.4 Phương phâpphđntích 5

4.5 Phươngphâptínhtoânvăxửlýsốliệu 5

5 CÂCĐÓNGGÓP CỦALUẬNÂN 6

5.1 Tính mớicủaluậnân 6

5.2 Tính thực tiễncủaluậnân 6

5.3 Đóng góp khoa họccủaluậnân 6

CHƯƠNG1.TỔNG QUANVỀ XỬ LÝAMONI TRONG NƯỚC NGẦMSỬDỤNGCÔNGNGHỆMĂNGVISINHCHUYỂNĐỘNG 7

1.1 TổngquanvềhiệntrạngsửdụngnướcngầmvẵnhiễmamonivùngHăNội7 1.1.1 Địa chất thủy văn khu vựcHăNội 7

1.1.2 Nguồn gốc amoni trongnướcngầm 7

1.1.3 Tâc hại của amoni trong nướcsinhhoạt 8

1.1.4 Hiện trạng sử dụng nước ngầm thănh phốHăNội 10

1.1.5 Đặc trưng chất lượng nước ngầm vă hiện trạng ô nhiễm amoni trong nướcngầm khu vựcHă Nội 13

1.2 Câc phương phâpxửlýamoni 15

1.2.1 Xử lý amoni bằng chấtoxyhoâ 15

1.2.2 Xử lý amoni bằng kiềm hoâ vălămthoâng 17

1.2.3 Xử lý amoni bằng traođổiion 18

1.2.4 Xử lý amoni bằngthựcvật 18

1.2.5 Quá trình ANAMMOX (AnaerobicAmmoniumOxidation) 19

1.2.6 Quá trình SHARON (Single reactor High activity Ammonium Removal OverNitrite) 20

1.2.7 Xử lý amoni bằng phương pháp sinh họctruyềnthống 20

1.3 Kỹthuật màngvisinh 33

1.3.1 Màngvisinh 33

1.3.2 Các loại bể sinh học sử dụng kỹ thuật màngvisinh 37

1.4 TìnhhìnhnghiêncứutạiViệtNamvàQuốctế 43

1.4.1 Tình hình nghiên cứu tạiViêtNam 43

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trênThếgiới 45

1.4.3 So sánh hiệu quả xử lý của côngnghệ MBBR 47

1.5 Kết luậnchương1 50

CHƯƠNG2.ĐỐI TƯỢNGVÀPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 51

2.1 Phạmvi vàđối tượngnghiêncứu 51

2.2 QuantrắclấymẫuvàPhươngphápphântích 51

2.2.1 Quan trắclấymẫu 51

2.2.2 Phương phápphântích 52

2.3 Phươngphápphântíchcácsốliệuđộnghọc 53

2.3.1 Phương pháptheo mẻ 53

2.3.2 Phương pháp liên tục khuấytrộnđều 54

2.3.3 Phương pháp hệ nối tiếp liên tục khuấytrộnđều 55

2.3.4 Xác định các thông sốđộnghọc 57

2.4 Vật liệu mangvisinhDHY 62

2.4.1 Khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến, độ xốp và thể tích xốp 632.4.2 Diện tíchbề mặt 64

2.4.3 Nuôi cấy vi sinh lên vậtliệumang 65

2.5 Môhình trong phòngthínghiệm 66

2.5.1 Nguồn nước cấp chothínghiệm 66

2.5.2 Sơ đồthí nghiệm 67

2.5.3 Các yếu tố cầnkhảosát 69

2.6 Môhình pilotMBBRthựctế 71

2.6.1 Vị trí lắpđặt Pilot 71

2.6.2 Vận hành pilot và lấymẫupilot 73

2.7 Kết luậnchương2 74

CHƯƠNG3.KẾT QUẢVÀTHẢOLUẬN 76

3.1 Vậtliệu mangvisinh 76

3.2 Môhình pilot trong phòngthínghiệm 79

3.2.1 Tốc độnitrat hóa 79

3.2.2 Xác định các thông sốđộnghọc 87

3.2.3 Xác định phương trình tốc độ khử nitrat riêng (U) đồng thời trong hệ bể hiếukhí 93

3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa vàkhửnitrat 96

3.3 Môhình pilotthựctế 108

3.3.1 Tính toán và thiếtkếpilot 108

3.3.2 Kết quả vậnhànhPilot 113

3.4.Bộcông thức tính toánhệthiếtbị xửlýamoni nước ngầmsửdụng màngvisinhchuyểnđộng(MBBR)

118 KẾT LUẬNVÀKIẾNNGHỊ 122

TÀI LIỆUTHAMKHẢO 124

CÁC CÔNG TRÌNHNGHIÊNCỨU ĐÃCÔNGBỐCỦA TÁC GIẢCÓLIÊNQUANĐẾNLUẬNÁN 129

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình1.1.MặtcắtđịachấtthủyvănkhuvựcHàNội 7

Hình1.2.BảnđồphânbốamonithànhphốHàNội 14

Hình1.3.Tươngquangiữaclodưvàlượngclochovàonướcđểxửlýamoni 16

Hình1.4.TươngquangiữaionamonivàkhíamoniactạicácgiátrịpHvànhiệtđộ 17

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của hiệu quả xử lý Amoni vào tỉ lê nước-không khí tại các nhiệtđộnướckhácnhau 19

Hình 1.6 QuátrìnhANAMMOX 19

Hình 1.7 QuátrìnhSHARON 20

Hình1.8.Chutrìnhhìnhthànhvàbongtróccủamàngsinhhọc 34

Hình1.9.Quầnthểvisinhdínhbámtrênvậtliệumang 34

Hình1.10.Hệxửlýbằngmàngvisinhchuyểnđộng 35

Hình1.11.Sơđồcơchếhoạtđộngcủamàngsinhhọctrêngiáthểchuyểnđộng 35

Hình1.12.Cấu trúcxốp củapolyuretanxốp 36

Hình1.13.Vật liệu mangvisinhBiOChip 37

Hình1.14.VậtliệumangvisinhDHY(doVINSEsảnxuất) 37

Hình1.15.Sơ đồhệthốnglọc sinhhọc 38

Hình1.16.Bộphậncấuthànhđĩaquaysinhhọc 39

Hình1.17.Sơđồcộtlọctầngtĩnh 40

Hình1.18.MôtảquátrìnhxửlýcủabểMBBR 41

Hình 1.19 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ô nhiễm Amoni do tác giả LềuThọBáchthựchiện 43

Hình 1.20 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm ô nhiêm Amoni do tácgiảNguyễnVănKhôi,CaoThếHàthựchiện 44

Hình1.21.SơđồdâychuyềncôngnghệxửlýamonisửdụnggiáthểdạngsợiAcrylic.45Hình1.2 2.Môhìnhbểsinhhọcmàngvisinhchuyểnđộngsửdụngtrong nghiêncứucủaJ.D.Rouse,2005 46

Hình 1.23a Sơ đồ hệ thống MBBR trong phòng thí nghiệm được sử dụng trong nghiêncứucủaZafarzadeh,2010 46

Hình1.23b.Cácsơđồnguyênlýxửlýamoni 48

Hình2.1.Sơđồbốtríthínghiệmtheomẻ 67

Hình2.3.Sơđồthínghiệm2bìnhphảnứngnốitiếp 69

Hình2.4.Sơđồthínghiệm3bìnhphảnứngnốitiếp 69

Hình2.5.Sơđồcôngnghệxửlýnướcngầmnhiễmsắtvàamoni 73

Hình2.6.Thiếtkếchitiếthệthiếtbịxửlýamoni(MBBR&DHK) 74

Hình3.1.ẢnhchụpS.E.MvậtliệuDHY 76

Hình3.2a.Vậtliệuđượcnuôicấythửnghiệmtrongphòngthínghiệm 77

Hình3.2b.Hìnhảnhvậtliệumangvàvisinhdínhbámtrongvậtliệumang 78

Hình3.2c.Mặttrongvàmặtngoàilớpmàngvisinh 79

Hình3.3.DâychuyềncôngnghệcủathiếtbịxửlýAmoni 109

Hình3.4.DâychuyềncôngnghệtrạmxửlýnướcYênXá 109

Hình 3.5.MặtbằngbểMBBR 112

DANH MỤC BẢNG

Bảng1.1.Hiệntrạngcôngsuấtkhaithácnướcmặtvànướcngầm 10

Bảng1.2.ChấtlượngnướctrướcvàsauxửlýcủacácNMNngầmdocôngtynướcsạchHàNộiqu ảnlý

11 Bảng1.3.ChấtlượngnướctrướcvàsauxửlýcủacácNMNngầmdocôngtynướcsạchHàĐôngv àSơnTâyquảnlý

12 Bảng 1.4 Tổng hợp Amoni trong nước ngầm Hà Nội theo năm từ 2010-2014 cácnhàmáy 13

Bảng 1.5 Thông số động học đặc trưng của vi sinh vật tự dưỡng trong quá trình nitrathóa 22

Bảng1.6.Sựphụthuộccủaμmmvàonhiệtđộtheonhiềukếtquảnghiêncứu 23

Bảng2.1.ThànhphầnnguyênliệusảnxuấtvậtliệumangDHY 62

Bảng2.2.ChấtlượngnướcthôtrạmxửlýnướcYênXá–Thanhtrì 72

Bảng2.3.ChấtlượngnướcsaubểlọctạitrạmxửlýnướcngầmYênXá 72

Bảng3.1.KếtquảthínghiệmđánhgiávềvậtliệumangDHY 76

Bảng3.2.Mậtđộvisinhtrongbìnhnuôitheothờigian 78

Bảng3.3.ẢnhhưởngcủanồngđộN-NH4+đầuvàolêntốcđộnitrathóa 80

Bảng3.4.Tínhtoántốcđộnitrathóatheonồngđộamoniđầuvào 81

Bảng3.5.GiátrịChỉsốbánbãohòa(Ks)vàtốcđộnitrathóa 84

Bảng3.5a.Giátrịk,nvàtốcđộnitrathóa 86

Bảng3.6.Cáctínhtoáncácthôngsốtừbiểuthức2-27 88

Bảng3.7.HằngsốKsvàktínhtoánthựcnghiệm 89

Bảng3.8.Bảngtínhtoánsốliệutheocôngthức2-25 91

Bảng3.9.KếtquảthựcnghiệmcácthôngsốYvàkp 92

Bảng3.10.Đánhgiákhảnăngkhửnitratđồngthờitronghệhiếukhí 94

Bảng3.11.Giátrịkvàntừthựcnghiệm 95

Bảng3.12.Sựsuygiảmnồngđộamonitheothờigian 96

Bảng3.13.Ảnhhưởngcủamậtđộvậtliệumangtớitốcđộnitrathóa 98

Bảng3.14.Diễnbiếnxửlýamonitrongđiềukiệncácnồngđộoxykhácnhau 99

Bảng3.15.Ảnhhưởngcủasốlượngbìnhphảnứnglêntốcđộoxihóaamoni 101

Bảng3.16.Khảnăngkhửnitratđồngthờitrongbểhiếukhí 103

Bảng3.17.ẢnhhưởngcủanồngđộN-NH4+đầuvàotớihiệusuấtkhửnitrat 105

Bảng3.18.SuygiảmnồngđộNtheothờigian 105

Bảng3.19.Kếtquảxửlýamomivàkhửnitratkhicóbổsungcơchất 106

Bảng3.20.Ảnhhưởngcủasốlượngngănphảnứng 112

Bảng3.21a.Ảnhhưởngcủamậtđộvậtliệumang 113

Bảng3.21b.Bảngthôngsốkỹthuậtcủathiếtbịxửlýamoni 113

Bảng3.22.KếtquảvậnhànhthựctếbểsinhhọcMBBRtạitrạmYênXá 114

Bảng3.23.Kếtquảvậnhànhthựctếvớitỷlệgiónướckhácnhau 116

Bảng3.24.Thôngsốđộnghọcđặctrưngquátrìnhnitrathóa 118

Bảng3.25.Hệsốđộnghọcđặctrưngquátrìnhkhửnitratriêng 118

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểuđồ3.1.Pháttriểnmậtđộvisinh 78

Biểuđồ3.2.Biểuđồbiểudiễnsựphụthuộcgiữa 1 rvà 1 S 83

Biểuđồ3.2a.BiểuđồbiểudiễnsựphụthuộcgiữarvàSra 85

Biểuđồ3.3.Biểuđồbiểudiễnsựphụthuộctuyếntínhgiữa .xS 0Sr 1 vàS 89

Biểuđồ3.4.MốiquanhệgiữanồngđộN-NH4+đầuvàovớikvàKs 90

Biểuđồ3.5.Phụthuộctuyếntínhgiữa 1 cvà vsu X 92

Biểuđồ3.6.BiểuđồhiệusuấtsinhkhốiYvàhằngsốphânhủynộikp 93

Biểuđồ3.7.Đánhgiá khảnăngkhử nitrat đồng thờitronghệhiếukhí 95

Biểuđồ3.8.Biểuđồhồiquysốliệu 96

Biểuđồ3.9.Ảnhhưởngcủathờigianlưutớitốcđộnitrathóa 97

Biểuđồ3.10.Ảnhhưởngcủamậtđộvậtliệumangtớiquátrìnhnitrathóa 98

Biểuđồ3.11.Sựbiếnthiênamoni,nitrattheocácnồngđộoxykhácnhau 99

Biểuđồ3.12 Ảnh hưởng củasốlượng bình phảnứngđếnhiệu suấtcủaquá trình nitrat hóaSo=10-50mgN/L

102 Biểuđồ3.13.Khửnitratđồngthờitrongbểhiếukhí 104

Biểuđồ3.14.SựsuygiảmNtronghệphảnứngtheothờigian 106

Biểuđồ3.15.TốcđộvàhiệusuấtkhửNtheonồngđộamoniđầuvào 106

Biểuđồ3.16.Tốcđộkhửnitratkhibổsungcơchất 108

Biểuđồ3.17.Hiệusuấtxửlýamonivàkhửnitratkhibổsungcơchất 108

Biểuđồ3.18.KếtquảN-NH4+sauhệthiếtbịMBBR 114

Biểuđồ3.19.KếtquảN-NO2-vàN-NO3-sauhệthiếtbịpilot 115

Biểuđồ3.20.Kếtquảthayđổiđộkiềmtronghệthiếtbịpilot 115

DANH MỤC KÝ HIỆU/CHỮ VIẾT TẮT

Anamox Anaerobic Ammonium Oxidation Quá trình oxy hóa amoni yếm khíAOB Ammonia oxidizing bacteria Vi khuẩn oxy hóa amoniBOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

DHK Automatic gravity sand filter Bể lọc cát tự rửa

DHY Biofilm spongy Carier Vật liệu mang vi sinh dạng xốp

HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu nước

MAC Maximum Acceptable Concentration Nồng đội tối đa chấp nhận đượcMBBR Moving bed biofilm reactor Kỹ thuật màng vi sinh chuyểnMCL Maximum Contaminant Levels Nồng độ cho phép tối đaMLSS Mixed Liquid Suspended Solids Chất rắn lơ lửng dạng lỏng hỗn

Sharon Single reactor High activity Bể đơn xử lý amoni hoạt tính cao

THM Trihalogenmethane Hợp chất hữu cơ nhóm

halogen-metan

TSS Turbidity Suspendid Solids Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửngWHO World Health Organisation Tổ chức y tế thế giới

MỞ ĐẦU

1 SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀTÀI

Nhu cầu về nước sạch, đảm bảo vệ sinh luôn là mối quan tâm hàng đầu và

đã trở thành chiến lược của nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam Hiện nay, ở nước

ta mức sống của người dân đang từng ngày được cải thiện, ý thức về bảo vệ sứckhỏe ngày càng cao, đặc biệt tại các đô thị lớn như thủ đô Hà Nội Đây là khu vực

có mức độ tập trung dân cư cao thứ hai cả nước với dân số khoảng 7 triệu ngườinăm 2014 [1] Tuy nhiên cùng với sự phát triển nhiều mặt của thủ đô, thì vấn đềcấp nước sạch vẫn chưa thể đáp ứng được cả về mặt số lượng và chấtlượng

Tổng công suất cấp nước thương phẩm cho toàn thành phố Hà nội hiện nay

là 994.637 m3/ngđ trong đó 230.000 m3/ngđ (23%) được cấp nước nhà máy nướcmặt Sông Đà và còn lại 764.637 m3/ngđ (77%) sử dụng nước ngầm Hiện nay,thành phố Hà Nội mới cấp được khoảng 4,2 triệu người (60%), trong đó 3,2 triệungười (45,7%) sử dụng nước ngầm và 1 triệu người (14,2%) sử dụng nướcmặt[6].Tuy nhiên 17% lượng nước ngầm đang khai thác bị ô nhiễm amoni ở nhiềumức độ khác nhau tập trung chủ yếu khu vực phía Nam và Tây Nam HàNội

Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống (QCVN01:2009/BYT), hàm lượng amoni trong nước sạch cần đạt ở mức3 mg/L(2,3mgN/L); nitrit3 mg/L(0,91 mgN/L); nitrat50 mg/L(11,3mgN/L) Kết quả khảosát của Liên đoàn địa chất thủy văn - Địa chất công trình miền Bắc cho thấy hàmlượng amoni trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, cónhững nơi cao gấp 10 lần [19] Đặc biệt khu vực phía Nam và Tây Nam thànhphốHà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với hàm lượng rất cao, từ 5-25 mg/l (3,8-20mgN/l) cụ thể là các nhà máy nước trong khu vực nội thành như Pháp Vân, HạĐình, Tương Mai, Hà Đông cơ sở 1 và cơ sở 2, Kim Liên; Nam Dư và khu vựcngoại thành bao gồm các huyện Thanh trì, Phú Xuyên, Thanh Oai, Ứng Hòa,Thường Tín và Từ Liêm

Sự lo ngại lớn nhất về vấn đề amoni là các sản phẩm trung gian như hợpchất nitrit và nitrat được hình thành từ amoni trong quá trình xử lý và sử dụng nướccấpchoănuốngvàsinhhoạttheocơchếsau:Trongquátrìnhxửlýnước,trong

các bể lọc luôn luôn được hình thành một cách tự nhiên các vi khuẩnNitrosomonas.

Các vi khuẩnnàychuyển hoá một phần amoni trong nước ngầm thành các sản phẩmtrung gian là nitrit Nếu có đủ điều kiện, dưới tác dụng của một loại vi khuẩn khác

cũng được hình thành một cách tự nhiên trong bể lọc làNitrobacter, các sản phẩm

trung gian nitrit tiếp tục được chuyển hoá thành nitrat Trong khi chưa đủ cơ sở đểđánh giá mức độ và hướng tác hại của amoni lên cơ thểcon người thì tác hại của sảnphẩm có nguồn gốc từ amoni là nitrit NO2-, nitrat NO3-lại được biết rõ Các chấtnitrit NO2-và nitrat NO3-là các tác nhân gây nên sựphá hoại hồng cầu ở trẻ em và cóthể là tác nhân gây bệnh ungthư

Để thiết lập được công nghệ xử lý có khả năng hoạt động ổn định với hiệusuất cao, phù hợp với đặc điểm sản xuất tại các vùng miền ở Việt Nam, việc nghiêncứu quá trình động học nitrat hóa và khử nitrat (hai quá trình cơ bản của công nghệtách loại amoni trong nước xử lý ngầm) sẽ cung cấp những dữ kiện nền tảng chomục đích trên

Công nghệ xử lý amoni trong nước ngầm thích hợp cho hoàn cảnh kinh tế vàđặc thù sản xuất nước sạch trong điều kiện của Việt Nam đòi hỏi các tiêu chí:

Hiệu quả xử lý cao (lưu lượng xử lý lớn trên một đơn vị công suất thiết bị).Vận hành đơn giản và chi phí thấp

Dễ nhân rộng và triển khai ngoài thực tế

Một trong những công nghệ hiếm hoi có thể đáp ứng các tiêu chí đòi hỏi trên

là công nghệ màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR)

Đó là công nghệ sử dụng màng vi sinh bám trên chất mang, chất mang chuyểnđộng trong nước khi hoạt động Hiệu quả xử lý của nó chỉ thấp hơn dạng kỹ thuậtlưu thể (fluidized bed reactor), cao hơn nhiều so với các kỹ thuật khác, bù lại vậnhành nó đơn giản hơn nhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể (đòi hỏi trình độ tự độnghóa cao) và không cần thiết phải có thêm công đoạnlắng

Phần lớn vật liệu và thiết bị liên quan đến công nghệ tầng vi sinh chuyểnđộng đều dễ tìm kiếm, sản xuất trong nước

Từ thực tiễn nêu trên, Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nướcngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động”được lựa

chọn

cho luận án tiến sĩ này.

2 MỤCTIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬNÁN

2.1 Mụctiêu nghiêncứu

- Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà Nội với hàm lượng nhỏhơn 25mg/L (20mgN/L) bằng quá trình Nitrat hóa (Nitrification) và khử Nitrat(Denitrification) đồng thời trong thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động(MBBR) với vật liệu mang dạng xốp (DHY) có diện tích bề mặt cao khoảng 6.000-8.000 m2/m3, độ xốp lớn và trọng lượng nhẹ dễ chuyển động trong nước, trong điều kiện không bổ sung cơ chất

- Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu mang vi sinh DHY dướidạng tích hợp bao gồm bể MBBR và bể lọc tự rửa DHK để xử lý amoni trong nướcngầm đảm bảo tiêu chuẩn nước sạch cấp cho sinh hoạt và ăn uống với hiệu quả cao,phù hợp với khả năng đầu tư và điều kiện vận hành ở Việt Nam

2.2 Nội dung nghiêncứu

(1) Thu thập số liệu và khảo sát hiện trạng khai thác, dây chuyền công nghệ

xử lý của các nhà máy nước (NMN) trong vùng Hà Nội để đánh giá tổng quan vềchất lượng nước ngầm, về ô nhiễm amoni và các yếu tố ảnh hưởng như: pH, nhiệt

độ, độ kiềm, chất hữu cơ, phốt pho và đánh giá hiệu quả xử lý amoni củacácdâychuyền hiện nay

(2) Nghiên cứu tổng quan các phương pháp xử lý amoni trong nước và thếgiới phân tích ưu nhược điểm và đưa ra các vấn đề còn tồntại

(3) Nghiên cứu tổng quan về xử lý amoni bằng phương pháp vi sinh để hiểuđược cơ chế xử lý, các loại vi sinh vật, yếu tố ảnh hưởng và các mô hình động họcphản ứng làm cơ sở lựa chọn mô hình thí nghiệm, phân tích đánh giá các kết quảthu được trên mô hình thí nghiệm và mô hình thử nghiệm hiệntrường

(4) Nghiên cứu tổng quan về màng vi sinh và các công trình sử dụngkỹthuậtmàng vi sinh, đánh giá ưu nhược điểm của từng loại màng, từng loại công trình từ

đó đề xuất vật liệu mang di động sử dụng cho thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni trongnước ngầm HàNội

(5) Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm: Thí nghiệmtheo mẻ và thí nghiệm liên tục để xác định các thông số động học như hệ sốphânhủynộisinhkp(d-1),hiệusuấtsinhkhốiY(gSK/gN-

NH4+),chỉsốbánbãohòa

amoni Ks(mgN/L), hệ số tiêu thụ cơ chất k (µ/Y) Đánh giá các yếu tố ảnhhưởngđến quá trình nitrat hóa: amoni đầu vào, nồng độ ô xy (DO), mật độ vật liệumang, số ngăn bể phản ứng Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khửnitrat đồng thời trong môi trường hiếu khí, ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và xâydựng phương trình thực nghiệm cho tốc độ khử nitrat riêng(U)

(6) Nghiên cứu thiết kế và xây dựng mô hình tích hợp dạng modul cho hệthiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động với vật liệu dạng xốp DHY tạihiện trường, chạy thử để kiểm chứng các thông số động học và xây dựng bộ số liệucho việc tính toán thiết kế

3 PHẠMVI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬNÁN

3.1 Phạmvi

Nước ngầm vùng Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với nồng độ nhỏ hơn25mg/L (20 mgN/L), bao gồm cả khu vực đô thị và nông thôn Ngoài ra cũng cóthể áp dụng cho các NMN ở các vùng khác có nguồn nước bị ô nhiễm amoni baogồm cả nước mặt

4.1 Phương pháp phân tích tài liệu thứcấp

- Thu thập các số liệu về hàm lượng amoni có trong nướcngầm

- Đánh giá về chất lượng nước sau xử lý cho chỉ tiêu amoni, nitrit,nitrat

- Tình hình nghiên cứu kỹ thuật mang vi sinh chuyển động (MBBR) xử lýamoni trong nước và trên thếgiới

4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Tiến hành xây dựng 2 loại mô hình thí nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ và thínghiệm liên tục xử lý nitơ amoni với mẫu nước được mô phỏng từ chất lượng nướcngầm thực tế với giới hạn nghiên cứu và biến động nhưsau:

+ Hàm lượng NH4+< 50mgN/L

+ Nhiệt độ giao động từ 25-30oC

+ Chất hữu cơ không đáng kể

+ Hàm lượng phốt pho giao động từ 0,5-1,5 mg/L

+ pH: 7,2-8,0

+ Độ kiềm trong khoảng từ 200-300 mg(CaCO3)/L

- Thí nghiệm theo mẻ: Đánh giá các ảnh hưởng của thời gian lưu, mật độ củavật liệu mang, nồng độ ô xi, cơ chất và số lượng ngăn phản ứng từ đó đưa ra đượccác thông số tối ưu cho quá trình nitrat hóa và khửnitrat

- Thí nghiệm liên tục: Mô hình được thiết kế trên cơ sở các thông số đã tìmđược từ thí nghiệm theo mẻ để xác định các thông số động học cho quá trình nitrathóa và khử nitrat đối với vật liệu mang dạng xốpDHY

- Thiết kế tích hợp bể MBBR và bể lọc tự rửa (DHK) với công suất 5m3/hvận hành xử lý amoni để kiểm chứng các thông số động học tìm được trong phòngthí nghiệm tại địa điểm nghiên cứu hiện trường là NMN Yên Xá huyện ThanhTrì

4.3 Phương pháp nghiên cứu lýthuyết

- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết quá trình xử lý amoni bằng các phương phápsinhhọc

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xử lý sinh học bằng phương pháp màng vi sinhchuyển động (MBBR) với các loại vật liệu mang khácnhau

4.4 Phương pháp phân tích

- Phân tích định lượng các thông số chất lượng nước: amoni, độ pH, độkiềm, COD, DO, photpho, chất hữu cơ đầu vào, đầu ra theo tiêu chuẩn TCVN vàISO

- Đánh giá chất lượng vật liệu mang vi sinh thông qua các chỉ tiêu như: Độbền cơ học, ảnh chụp mao quản, xác định diện tích bềmặt

4.5 Phương pháp tính toán và xử lý sốliệu

- Số liệu thu được từ các lần thí nghiệm (3 lần cho 1 thí nghiệm) sẽ đượctổng hợp so sánh để tìm ra giá trị đặc trưng mang tính đại diện cao nhất của kết quảthínghiệm

- Giải các phương trình động học để xác định các biến số và phương trìnhtuyến tính phùhợp

- Sử dụng phương pháp tuyến tính hóa vẽ đồ thị để xác định các hằng số, hệ

số hoặc các giá trị để tính toán các thông số độnghọc

- Tính toán, tổng hợp các số liệu thu được một cách có hệthống.

- Kết quả thu được từ mô hình pilot trong phòng thí nghiệm áp dụng tínhtoán thiết kế pilot thực tế và tiến hành chạy thử Kết quả thu được sẽ được so sánhkiểm chứng và xây dựng các công thức tính toán thiết bị xử lý sử dụng màng visinh chuyểnđộng

5 CÁCĐÓNG GÓP CỦA LUẬNÁN

5.1 Tínhmới của luậnán

- Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY có tiết diện bề mặt cao, tích hợp quátrình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng một bể xử lý trong điều kiện hiếukhí

- Quá trình khử nitrat không cần bổ sung cơ chất bên ngoài, sử dụng cơ chất

từ phân hủy nộisinh

- Thiết kế thiết bị xử lý tích hợp bể MBBR với bể DHK dưới dạng modul đểloại bỏ amoni trong nước ngầm HàNội

5.2 Tínhthực tiễn của luậnán

Thành phố Hà Nội có khoảng gần 1,2 triệu người đang phải sử dụng nguồnnước ngầm bị ô nhiễm amoni chiếm khoảng 17% [8] Tình trạng ô nhiễm amonitrong nước ăn uống và sinh hoạt tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây bệnh tật cho người

5.3 Đóng góp khoa học của luậnán

- Xác định các thông số động học cho hệ MBBR với vật liệu mangdạngxốpDHY có tiết diện bề mặt cao cho việc xử lý amoni trong nướcngầm

- Khẳng định khả năng tích hợp các quá trình nitrat hóa và khử nitrat trongcùng một bể phản ứng, tại điều kiện hiếu khí hoàntoàn

- Xây dựng được bộ thông số thiết kế cho hệ thiết bị xử lý amoni sử dụng kỹthuật màng vi sinh chuyển động (MBBR) với vật liệu mang dạng xốp DHY có tiếtdiện bề mặtcao

- Kết quả nghiên cứu của luận án còn làm phong phú thêm công nghệ xử lýnước cấp tại ViệtNam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG

1.1 Tổngquan về hiện trạng sử dụng nước ngầm và ô nhiễm amoni vùng HàNội

1.1.1 Địa chất thủy văn khu vực HàNội

Hà Nội nằm trên dải đứt gẫy của sông Hồng chạy dài theo hướng Tây Bắc Đông Nam, thuộc vùng trũng trong Châu thổ Sông Hồng Khu vực Hà Nội có 4thành tạo đất đá chứa nước là Halocen (qh), Pleistocen (qp), Neogen (N) và Trias(T) Tầng chứa nước chủ yếu mà có thể khai thác công nghiệp là Pleistocen (qp)với thành phần chủ yếu là cuội sỏi Độ sâu tầng từ 22,5-54 m, trung bình là 38,5 m.Chiều dày tầng chứa nước thay đổi từ 8-75 m, trung bình là 28 m.Lưu lượng khaithác tại mỗi mỗi giếng khoan từ 80 m3/h (2000 m3/ngđ) đến 250 m3/h (6000

-m3/ngđ)

Mặt cắt địa chất công trình dọc tuyến đê Hà Nội gồm 17 lớp đất khác nhau

về nguồn gốc, thành phần và có đặc tính địa chất công trình biến đổi phức tạp Đặcbiệt là hệ tầng Thái Bình và hệ tầng Vĩnh Phúc, có đầy đủ các lớp trầm tích từ hạtmịn đến thô, nằm đan xen không liên tục theo chiều dài tuyến đê[2]

Hình 1.1.Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực Hà Nội [2]

1.1.2 Nguồn gốc amoni trong nướcngầm

Thông qua việc đánh giá hiện trạng nhiễm bẩn nguồn nước ngầm, từ đóxácđịnh nguồn gốc và nguyên nhân nhiễm bẩn các chất hữu cơ chứa amoni(NH4+)xuất phát từ các yếu tốsau:

Amoni (NH4+) có nguồn gốc từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ tựnhiêntrong đất và trong phân gia súc Amoni trong nước cũng có thể có nguồn gốc

từ quá trình rơi lắng khô trong khí quyển, từ quá trình amoni hóa phân bón vô cơ,

từ các

3

nguồn nước thải từ hệ thống vệ sinh không qua xử lý, chủ yếu là N-NH4+ Ngoàira,nó còn có thể có nguồn gốc tự sinh, tức là sẵn có ngay tại nguồn mà không do từnơi khác xâm nhập vào (Ví dụ: khu vực Văn Điển có tầng trên sạch, tầng dướilạitồn tại NH4+) Có nghĩa là không phải do ngấm từ trên xuống hoặc nơi khácmangđến vì nếu ngấm từ trên xuống thì bản thân tầng trên phải bị nhiễm bẩn trước

mà do từ quá trình trầm tích nguyên thủy đã có sự phân hủy hợp chất hữu cơ tạichỗ[3]

Nguồn nước ngầm được khai thác để cung cấp nước khu vực Hà Nội chủyếu là nguồn nước trong tầng trầm tích bở rời thuộc hai tầng chứa nước lỗ hổngHolocen (qh) và tầng Pleistocen (qp), hai tầng chứa này có đặc điểm về địa chất làtầng trầm tích có cấu tạo bở rời, đặc điểm về ĐCTV là chúng có quan hệ thủy lựcchặt chẽ với nước mặt (Sông ngòi, ao hồ) và thông qua các cửa sổ ĐCTV Từ đặcđiểm về địa chất và ĐCTV của tầng chứa chúng ta có thể thấy những yếu tố bất lợi,tạo điều kiện cho sự xâm nhập của các chất ô nhiễm vào tầng chứanước

1.1.3 Táchại của amoni trong nước sinhhoạt

Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với con người

- Các hợp chất chứa nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, nitrit,nitrat và amoni Amoni thực ra không quá độc đối với con người Ở trong nướcngầm,amonikhôngthểchuyểnhóađượcdothiếuoxi.Nhưngkhikhaitháclên,visinh vật trong nước nhờ oxi trong không khí chuyển amoni thành các nitrit (NO),vànitrat (NO3-) tích tụ trong nước ăn Các hợp chất chứa nitơ trong nước có thểgâynên một số bệnh nguy hiểm cho cơ thể người sử dụng nước

Trong những thập niên gần đây, nồng độ NO3-trong nước uống tăng lênđáng kể Nguyên nhân là do việc sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rò rỉ

NOxuống nước ngầm Hàm lượng NO3-trong nước uống tăng gây ra nguy cơ về sứckhỏe đối với cộng đồng Bản thân NO3-không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiênNO3-chuyển thành NO2-và gây độc NO2-ảnh hưởng đến sức khỏe với hai khảnăngsau: chứng máu Methaemo-globin và bệnh ungthư

- Chứng máu Methaemo-globinaemia: Đây là hội chứng xanh xao trẻ emMethemo-globin hình thành là do sắt hoá trị 2 của hemoglobin (trong hồng cầu

bình thường) bị ô xi hoá thành sắt hoá trị 3 tạo thành methemo-globin không cònkhảnăngvậnchuyểnoxynữadẫnđếnhiệntượngthiếuôxitrongmáuvàgâyra

tình trạng tím tái.

Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ hoặc qua nước dùng

để pha sữa Sau khi đi vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vikhuẩn đường ruột, ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏeconngười.Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạothành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Các nitrit tác động lên huyết sắc tốHemoglobin (Hb) có nhiệm vụ vận chuyển oxy, biến nó thành Methamoglobin(Met-Hb) không có khả năng chuyển được oxy Nhờ hệ men đặc biệt Met-Hb cóthể chuyển thành Oxy-Hemoglobin (Oxy-Hb) Ở trẻ nhỏ, Met-Hb không thểchuyển thành Oxy-Hb vì ở trẻ sơ sinh hệ men cần thiết chưa phát triển đầy đủ Ởtrẻ sơ sinh, nước dạ dày ít, các khuẩn tạo ra nhiều nitrit Mặt khác, dạ dày trẻ em sơsinh kém axit nên không ngăn cản được nitrat chuyển hóa thành nitrit Kết quả làmột lượng lớn nitrit chiếm lấy huyết sắc tố và biến thành Met-Hb, mất khả năngvận chuyển oxy đến mô, làm trẻ xanh xao, bệnh tật, ốm yếu, thiếu máu, khó thở dothiếu oxy tổng máu (bệnh Blue Babay) Đến một giai đoạn nào đó khi nhiễm amoninặng sẽ gây ngộp thở và tử vong nếu không cấp cứu kịp thời[55]

Tổ chức Y tế thế giới (WHO) cũng như các tiêu chuẩn của Bộ Y tế ViệtNam đã đề ra mức giới hạn 3 và 50mg/L đối với nitrit và nitrat tương ứng nhằmngăn ngừa bệnh mất sắc tố máu (methaemoglobinaemia) đặc biệt đối với trẻ sơ sinhdưới 3 tháng tuổi[58]

- Bệnh ung thư: Đối với người lớn, NO2-kết hợp với các amin và axitamintrong thực phẩm làm thành một họ chất Nitrosamin hay Nitrosamit Các hợpchất này có thế gây tổn thương di truyền tế bào, đột biến gien là nguyên nhân gâybệnhung thư Những thí nghiệm cho NO2-vào thức ăn, nước uống của chuột thỏvớihàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau một thời gian thấy những khối u sinh

ra trong gan, phổi, vòm họng và dạdầycủachúng

Tác hại của các hợp chất chứa Nito đối với sản xuất

Amoni có mặt trong nước ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng bằngclo, do nó phản ứng với clo để tạo thành các cloramin, có tác dụng sát khuẩn yếuhơn nhiều so với clo (khoảng 1000 lần) Ngoài ra, nó còn làm giảm khả năng xử lýsắt, mangan bằng công nghệ truyền thống [11]

Amoni là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho các vi sinh vật nước, kể cả

tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thương phẩm, đặc biệt là

độ trong, mùi, vị trong nước

1.1.4 Hiện trạng sử dụng nước ngầm thành phố HàNội

Hiện nay tổng công suất cấp nước tập trung của hệ thống cấp nước đô thị HàNội năm 2014 đạt trung bình khoảng trên 994.637 m3/ngđ, trong đó công suất khaithác nước ngầm chiếm khoảng 77% còn lại là nguồn nước mặt [6]

Bảng 1.1.Hiện trạng công suất khai thác nước mặt và nước ngầm [6]

3 /ngđ) Công suất thiết kế Công suất khai thác

- Toàn bộ thành phố Hà nội với dân số khoảng trên 7 triệu người [1] baogồm cả dân số đô thị và nông thôn Tỷ lệ được cấp nước sạch đến năm 2014 đạt60% với khoảng 4,2 triệu người được sử dụng nướcsạch

- Tổng cộng hiện nay đang cấp nước cho Thành phố Hà nội 994.637 m3/ngđtrong đó nước ngầm là 764.637 m3/ngđ chiếm khoảng 77% Riêng sản lượng khaithác nước ngầm cung cấp cho khoảng 3,2 triệu người dân chủ yếu cho khu vực nộithànhcũ

- Khu vực phía Nam thành phố là nơi tập trung khai thác nước ngầm lớnnhất chiếm đến 77% sản lượng khai thác, khu vực phía Bắc chiếm 15,3%, trong khi

cả khu vực nông thôn rộng lớn chỉ khai thác có 5,2%, còn lại các riếng nhỏ lẻ là2,5%

Ngoại trừ nhà máy nước sông Đà sử dụng nguồn nước mặt, còn lại các nhàmáy và trạm cấp nước của Hà Nội đều sử dụng nguồn nước ngầm Nước thô khaithác từ các giếng khoan và được bơm tập trung về các nhà máy xử lý làm sạch Các

nhà máy xử lý nước ngầm ở Hà Nội có dây chuyền công nghệ xử lýcơbản như sau:

Nước thô giếng khoanLàm thoáng Lắng tiếp xúcLọc nhanh

Khử trùng bằng CloBể chứaTrạm bơm tăng ápMạng lưới tiêu thụ

Cơ bản các nhà máy xử lý nước đã xử lý triệt để sắt, mangan đảm bảo đạttiêu chuẩn nước sử dụng cho ăn uống và sinh hoạt, ngoại trừ chỉ tiêu amoni cònmột số nhà máy chưa đạt tiêuchuẩn

Bảng 1.2.Chất lượng nước trước và sau xử lý của các NMN ngầm do công ty nước

Long 6.7-6,8 7,05-7,2 6,5-8,5 0,18 0,2-4,0 0,05QCVN

Bảng 1.2 tổng hợp số liệu từ các nhà máy nước khu vực nội thành Hà Nội,các chỉ tiêu đánh giá là các chỉ tiêu khá phổ biến và tiêu biểu có mặt trong nước.Hầu như chất lượng nước ngầm sau xử lý của các NMN tại Hà Nội đảm bảo chấtlượng, tuy nhiên cũng có một vài trạm có hàm lượng amoni khá cao như Pháp Vân(20,16-25,60); Tương Mai (3,70-10,08); Hạ Đình (7,21-13,65)

Tính đến thời điểm năm 2014, tình trạng ô nhiễm này vẫn chưa được khắcphục, mặc dù đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu và thử nghiệm của các

chuyên gia tại các nhà máy nước nhưng chưa có một đề xuất hữu hiệu và phù hợp cho vấn đề này, và khu vực này đã trở thành những điểm nóng về amoni.

Do sử dụng dây chuyền xử lý thông thường được áp dụng với cả Hà Nội,không có hạng mục xử lý amoni nên hàm lượng amoni sau xử lý chỉ giảm khoảng10-20% Với tổng công suất của 3 NMN nêu trên đang khai thác 69.000 m3/ngđ thì

có khoảng 460.000 người đang sử dụng nước có nhiễm amoni vượt quátiêu chuẩn chophép

Bảng 1.3 Chất lượng nước trước và sau xử lý của các NMN ngầm do công ty nước

sạch Hà Đông và Sơn Tây quản lý [10]

Như vậy, tại các NMN Hà Đông cơ sở 1 và cơ sở 2, chất lượng nước đầu rasau quá trình xử lý nước ngầm cũng chưa đạt tiêu chuẩn, có những thời điểm lượngamoni trong nước cấp lớn hơn 10 mg/L

Tổng công suất từ NMN Hà Đông cơ sở 1, cơ sở 2 là 52.000 m3/ngđ và tổngcông suất NMN Sơn Tây là 18.000 m3/ngđ thì có khoảng 460.000 số người sử dụngnước bị nhiễm amoni

Tổng hợp chất lượng nước sau xử lý của các trạm cấp nước nông thôn chothấy trong số 73 trạm hoạt động thì có đến 43 trạm có chỉ tiêu amoni không đạt yêucầu, 47 trạm có chỉ số độ ô xy hóa vượt quá triêu chuẩn cho phép do các trạm nàyđược xây dựng theo công nghệ cũ nên công trình cũng chỉ xử lý được sắt, mangan

Cụ thể, chỉ tiêu amoni các trạm ở các khu vực như: Thanh Trì (29 trạm); PhúXuyên (2 trạm); Thanh Oai (2 trạm); Ứng Hòa(6trạm) và một vài khu vực khác[10]

1.1.5 Đặc trưng chất lượng nước ngầm và hiện trạng ô nhiễm amoni

trongnước ngầm khu vực HàNội

pH:Kết quả khảo sát thực tế cho thấy, pH nước ngầm ở Hà Nội đều có giá

trị từ 6,6-6,8 giá trị này sẽ tăng lên dao động từ 7,3-7,6 sau khi qua dây chuyền xử

lý nước sắt đây là điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn nitrifier phát triển[23]

Nhiệt độ:Nhiệt độ nước ngầm ở Hà Nội, trong 17 năm gần đây nhiệt độ tăng

từ 27,43ºC lên 27,83ºC (tăng 0,4ºC) Khoảng nhiệt độ này là tương đối tối ưu choquá trình xử lýamoni

n g đ ộ

3 <amoni < 10 mg/L, phải thêm quá trình khử nitrat khi nồng độ > 10 mg/L Theo kết quả tổng hợp trong bảng 1.4 có thể chia làm 3 vùng như sau:

- Vùng 1: Trong hình 1.2 thể

hiện mầu trắng, nồng độ amoni < 3 mg/

L và bao gồm các NMN cụ thể sau:

Mai Dịch, Ngô Sĩ Liên, Đông Anh,

Ngọc Hà, Bắc Thăng Long, Yên Phụ,

Cáo Đỉnh, Lương Yên, Gia Lâm, Thụy

- Bảng 1.4 thể hiện được sự ổn định của amoni nước ngầm theo vùng số liệu

5 năm gần đây cho thấy hầu như không có sự biến động tăng hay giảm đáng kể nào

và cũng cho thấy có sự biến động về nồng độ amoni trong năm, nồng độ amonităng lên trong các tháng mùa khô từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm saukhoảng 15-20%, và nồng độ amoni giảm vào các tháng mùa mưa từ tháng 5 đếntháng 10 Điều này chứng tỏ khi mùa mưa lượng nước bổ cập cho nước ngầm nhiềuhơn đã làm giảm nồng độ amoni trong tầng chứa nước ngầm Đây là vấn đề cầnquan tâm cho các nhà thiết kế khi cần phải lấy được mẫu nước tại các thời điểm bấtlợi nhất làm số liệu đầu vào tính toán công trình bể xửlý

Độ oxy hóa:Kết quả khảo sát cho thấy độ oxi hóa có sự quan hệ với nồng độ

ô nhiễm amoni có nghĩa là khi ô nhiễm amoni tăng thì độ ô xi hóa cũng tăng Giátrị độ ô xi hóa đo được trong nước ngầm Hà Nội dao động trong khoảng từ 2-12mgO2/L

Độ kiềm:Độ kiềm là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong quá trình xử

lý amoni vì vi khuẩn tự dưỡng nitrifier (NitrosomonasvàNitrobacter)s ử d ụ n g

nguồn cacbon vô cơ (HCO-3 và CO2) để xây dựng tế bào theo tỉ lệ khoảng 1:7 (Muốn xử lý 1 mg amoni thì cần phải có 7,14 mg kiềm làm cơ chất) [26].

Độ kiềm ở các vùng của Hà Nội có chỉ số cao và ổn định tạo điều kiện thuậnlợi cho quá trình xử lý nitrat hóa Giá trị của độ kiềm dao động từ 100 đến300mg(CaCO3)/L và có xu thế tăng theo nồng độ ô nhiễm amoni.

Hàm lượng Phốt pho:Phốt pho trong nước ngầm mang ý nghĩa hài hòa khi

xây dựng tế bào của các vi sinh trong quá trình xử lý amoni Giá trị của hàm lượngphốt pho trong nước ngầm Hà Nội dao động từ 0,5-1,5 mg/L

1.2 Các phương pháp xử lýamoni

Amoni có công thức hóa học là NH4+là chất không độc tồn tại trongnướcngầm Khi được khai thác lên, tiếp xúc với oxychuyển hóa thành nitrit vànitrat là những chất có thể gây nguy hại cho sức khỏe con người vì vậy cần phải cócác biện pháp tách loại amoni ra khỏi nước ngầm

Phương pháp xử lý amoni bằng clo có phạm vi ứng dụng rất hẹp Do liềulượng clo dùng để oxy hoá amoni rất cao, gấp 10 lần, nên liều lượng clo cho vàonước để xử lý amoni thường rất lớn, dễ gây nên các quá trình ăn mòn công trình, ônhiễm môi trường, gây độc hại cho công nhân vận hành Phương pháp này thườngchỉápdụngđểxửlýcácnguồn

nước có hàm lượng amoni thấp từ

nên một lượng clo dư thừan g u y

hiểm Việc định lượng clo vào nước

đòi hỏi độ chính xác cao và được

giám sát nghiêm ngặt

Hình 1.3.Tương quan giữa clo dư và lượng

clo cho vào nước để xử lý amoni

Saunier (1976) [41] đã nghiên cứu động học của phản ứng giữa clo và amonithấy rằng hiệu quả xử lý amoni của phương pháp này phụ thuộc rất lớn vào pH,nhiệt độ và dạng tồn tại của amoni trong nguồn nước

Phương pháp này ngoài việc không thích hợp với nguồn nước có hàm lượngamoni cao, còn không thích hợp đối với nguồn nước có độ nhiễm bẩn hữu cơ cao.Tại các nguồn nước có độ nhiễm bẩn hữu cơ cao, clo dư sẽ tác dụng với các hợpchất hữu cơ để tạo thành các hợp chất clo hữu cơ mới (halogen metan) có tính độchại hơn rất nhiều so với amoni [33,35].Một số các chấtôxyhoá mạnh khác nhưôzonO3, clodioxyt ClO2, kali permanganat KMnO4không có hiệu quả trong việcxử lýamoni[42,43]

1.2.2 Xửlý amoni bằng kiềm hoá và làmthoáng

Trong môi trường nước, amoni thường tồn tại dưới dạng ion NH4+hoà tandonguồn nước phần nhiều có môi truờng pH trung tính Khi thay đổi nâng môi trưòng

pH lên cao hơn 10,amoni

chuyển từ thể dạng ion hoà tan

NH4+thành khí hoà tan trong nước

NH3.Quá trình xử lý amoni có thể

thực hiện bằng phương pháp kiềm

hoá nâng pH lên trên 10, rồi làm

thoángđể đuổi khí NH3hoà tan ra

Hình 1.4.Tương quan giữa ion amoni và

khí amoniac tại các giá trị pH vànhiệt độ[35]

Phương pháp xử lý amoni bằng kiềm hoá và làm thoáng có nhiều nhược điểm Trước hết phải dùngmột

lượng lớn vôi hoặc xút để nâng pH,

sau đó lại phải dùng axít để hạ pH

xuống môi trường trung tính Đặc

biệt, khi nguồn nước có độ cứng cao,

trước hết phải thực hiện quá trình

khử độ cứng cacbonat Hiệu quả xử

lý amonicủa phương pháp nàyphụ

thuộc rất lớn vào nhiệt độ nước và tỷ

lệ giữa lưu lượng không khí làm

thoáng và nước Lượng không khí

Hình 1.5.Sự phụ thuộc của hiệu quả xử lý

amoniac vào tỷ lệ nước - không khí tại cácnhiệt độ nước khác nhau

dùng để làm thoáng rất cao, tới 2000-3700 m3không khí cho 1 m3nước cần xử lý ởnhiệt độ 200C [42, 43, 45] Hình 1.5 thể hiện sự phụ thuộc giữa hiệu quả xử lýamoni vào nhiệt độ nước cũng như vào tỷ lệ giữa nước và lưu lượng không khídùng để đuổi khí amoniăc ra khỏi nước Trên quan điểm môi truờng thì đây là mộtquá trình chuyển sự nhiễm bẩn amoni trong nước vào khôngkhí

1.2.3 Xửlý amoni bằng trao đổiion

Phương pháp xử lý amoni và các hợp chất khác của nitơ bằng trao đổi ion đã

được nhiều tác giả nghiên cứu [6, 30, 31, 32] Quá trình xử lý amoni có thể thực

hiện được bằng phương pháp trao đổi ion với các chất trao đổi ion mạnh Các

cation trao đổi chọn lọc theo thứ tựsau:

Fe+++, Al+++, Ba++, Cr++, Ca++, Cu++, Zn++, Mg++, Mn++, NH4+, Na+, H+

Từ dãy trao đổi chọn lọc trên, có thể thấy NH4+chỉ có thể khử được

bằngphương pháp trao đổi ion khi các cation đứng trước nó đã được khử hết

Phương pháp này đặc biệt không kinh tế khi độ cứng trong nước cao Phương pháp

xử lý amoni bằng trao đổi ion nhìn chung rất tốn kém và ít được áp dụng để xử lý

nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt với công suất khai thác công nghiệp

Với phương pháp này cho hiệu quả xử lý rất cao (có thể lên tới 99%) và ổn

định, cơ chế xử lý rất đơn giản Tuy nhiên, chu kỳ hoạt động lại phụ thuộc vào hàm

lượng amoni đầu vào, hàm lượng càng lớn thì chu kỳ hoạt động ngắn Công ty Cổ

phần Xây dựng và Môi trường Việt Nam (VINSE) đã thực hiện một mô hình thực

nghiệm xử lý amoni cho nước ngầm (địa điểm: xã Tam Hưng, huyện Thanh Oai

-Hà Nội) với hàm lượng amoni đầu vào là 12 mg/L bằng vật liệu hấp phụ Zeolit,

cho kết quả amoni đầu ra rất tốt, đạt 0,12 mg/L; chu kỳ hoạt động sau hoàn nguyên

là 36 giờ (hiệu quả hoàn nguyên đạt 70 – 80%), lượng muối cần thiết là 360 kg/

m3vật liệu zeolit/lần Như vậy chi phí cho 1 lần hoàn nguyên rất lớn, khoảng 1,5

triệu đồng/m3vật liệu Giá thành xử lý nước lên tới 15.000 đồng cho một mét khối,

cao hơn gần 2 lần so với giá nước sạch tại Hà Nội bình quân 8.300 đồng/m3 Với

chi phí này hoàn toàn không phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta[20]

1.2.4 Xửlý amoni bằng thựcvật

Là quá trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ thành các thành phần 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

Các loại thực vật thường được sử dụng để xử lý amoni như: cây thủy trúc,

bèo tấm, dương xỉ, Tuy nhiên, phương pháp này cần có thời gian dài, diện tích sử

dụng đất lớn và chỉ phù hợp với quy mô xử lý cho các lưu vực bị ô nhiễm [11]

Anammox [37, 40] là quá trình

oxy hóa amoni yếm khí trong đó amoni

và nitrit được oxy hóa một cách trực

tiếpthành khí N2, với amoni là chất cho

điệntử, còn nitrit là chất nhận điện tử để

tạothành khí N2theo phương trình

Anammox là một công nghệ mới được phát triển trong những nămgầnđây.N ó k h ô n g c ầ n b ấ t c ứ m ộ t n g u ồ n c a c b o n h ữ u c ơ

Tuy nhiên quá trình anammox khó áp dụng cho việc xử lý nước trong thực tế.Một trở ngại chính để ứng dụng quá trình anammox là đòi hỏi một giai đoạn bắtđầulâudài,chủyếu làdotốcđộsinhtrưởngchậmcủavikhuẩnanammox(thời

gian nhân đôi là khoảng 11 ngày) Thêm vào đó, vi khuẩn anammox là vi khuẩnyếm khí và tự dưỡng hoàn toàn nên chúng khó nuôi cấy Vì vậy chúng chưa đượcphân lập trong môi trường nuôi cấy sạch Do đó, việc am hiểu về sinh lý học vàđộng lực học của vi khuẩn anammox đem lại một ý nghĩa lớn.

1.2.6 Quátrình SHARON(Single

reactor High activity Ammonium

Removal OverNitrite)

Quá trình SHARON [36, 37] liên

quan đến quá trình nitrat hóa một phần,

sản phẩm chính của quá trình là nitrit, và

được kiểm soát trong một điều kiện khắc Hình 1.7.Quá trình SHARONnghiệt Quá trình này giúp giảm chi phí cho quá trình hiếu khí, quá trình SHARONthích hợp cho nguồn nước có nồng độ nitơ amoni cao, và đó đạt được những thànhcông bước đầu trong việc nitrat hóa/khử nitrat, với nitrit đóng vai trò là chất trunggian trong điều kiện ổn định Quá trình SHARON được thực hiện mà không có bất

kỳ một sự lưu trữ sinh khối nào Điều này có nghĩa là thời gian lưu bùn (SRT) cânbằng với thời gian lưu thủy lực (HRT) Trong quá trình SHARON, amoni đượcchuyển hóa thành nitrit bởi các vi khuẩn oxy hóa amoni trong điều kiện không lưutrữ bùn, với nhiệt độ 30 - 400C và pH = 7-8 Bể phản ứng được vận hành theo chu

kỳ 2 giờ là 80 phút hiếu khí (nitrit hóa) và 40 phút kị khí (khử nitrit)

1.2.7 Xửlý amoni bằng phương pháp sinh học truyềnthống

Khác với các phương pháp trên ít được áp dụng trong thực tế, xử lý amonibằng sinh học truyền thống là phương pháp thông dụng, được áp dụng để xử lý hầuhết các nguồn nước nhiễm amoni

Quá trình Nitrat hóa

Thuật ngữ “quá trình nitrat hóa” thường được áp dụng cho quá trình oxy hóasinh học của amoni (amoni được đề cập ở đây bao gồm cả dạng phân ly và khôngphân ly) thành nitrit và quá trình oxy hóa hơn nữa của nitrit thành nitrat

Các vi khuẩn tự dưỡng (autotrophic) hoạt động trong môi trường hiếu khí.Các chất cần thiết cho sự phát triển của vi khuẩn xử lý amoni là nguồn cacbon cótừcác ion bicacbonat HCO3-trong nước, oxy hoà tan và phốt pho

Vi khuẩn nitrat hóa được chia thành hai nhóm vi khuẩn có chức năng khácnhau không phụ thuộc vào môi trường nuôi cấy Trong tự nhiên, chúng sống trongmột quần thể, trong môi trường nuôi cấy, chúng có xu hướng định cư trên bề mặt

và phát triển thành cụm Nhóm đầu tiênoxyhóa amoni thành nitrit là nhóm vi khuẩnnitrit hóa, nhóm thứ hai là nhóm oxy hóa nitrit thành nitrat là nhóm vi khuẩnnitrathóa

Trong số các loài được phân lập từ nhóm vi khuẩn nitrit hóa

thìNitrosomonaslà phổ biến nhất, tương tự nhóm vi khuẩn nitrat được phân lập thìNitrobacterlà phổ biến nhất Cả hai đều là vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng tức là

chúngtự tổng hợp tế bào bằng cacbon từ hợp chất vô cơ (như CO2, HCO3 -)

Phản ứng xử lý amoni bằng sinh học (nitrification) được chia làm hai giaiđoạn:

Giai đoạn nitrit hoá: Trong giai đoạn này amoni được oxy hóa thành

nitritNO2-bởi vi khuẩn có tên làNitrosomonas:

55 NH4++ 5 CO2+ 76 O2C5H7O2N + 54 NO2-+ 52 H2O +109H+ (1-10)

Giai đoạn nitrat hoá: Đây là giai đoạn oxy hoá nitrit NO2-thành nitrat NO3

-bởi loại vi khuẩnNitrobacter.

NH4++ 400 NO2-+ 5 CO2+ 195 O2+ 2H2OC5H7O2N + 400 NO3-+ H+(1-11)

Quá trình nitrification bởi các vi khuẩnNitrosomonasvàNitrobactercó thể

viết viết dạng công thức tổng quát sau:

NH4++1,98HCO3-+1,83O20,021C5H7O2N + 0,98NO3-+1,041H2O +1,88H2CO3

(1-12)(Trong đó C5H7O2N là công thức hoá học của tế bào vi khuẩn)

Từ hai phương trình trên, cho thấy oxy là một thông số quyết định quá trình

xử lý amoni bằng sinh học và qua quá trình xử lý sinh học, nguồn nước bị axíthoálàm pH giảm Lượng ô xy cần thiết là 4,57g O2cho 1g N-NH4 +được nitrat hóa

Trong quá trình nitrat hóa, một phần năng lượng (80%) được giải phóngbởiquá trình oxy hóa amoni thành nitrit sử dụng để cố định CO2, một phần khácđược

sử dụng để tổng hợp tế bào (2 - 11% cho vi sinh vậtNitrobacter) [11, 14, 34] và

phần còn lại là một dạng của lưu trữ lại Điều này giải thích lý do vì sao hiệu suấtsinh khối của quá trình nitrat hóa nhỏ Tuy hàm lượng nitơ trong tế bào cao tớikhoảng 12% của khối lượng khô (tính theo protein thô là khoảng 72%) nhưng domật độ của vi sinh thấp, tốc độ sinh sản chậm nên sự suy giảm amoni trong nước dohình thành tế bào không đáng kể Hiệu suất sinh khối tối đa của vi khuẩn nitrathóacho tổng quá trình nitrat hóa là 0,1 - 0,15 g SK/ gN-NH4+so với giá trị 0,6 - 0,7đốivới vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng [26]

Bảng 1.5.Thông số động học đặc trưng của vi sinh vật tự dưỡng trong quá trình

Quá trình xử lýamoni bằng phương pháp sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như lượng oxy hoà tan, pH, độ kiềm, cấu tạo các thông số kỹ thuật của côngtrình, nhiệt độnước

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Mặc dù có thể phát triển trong vùng nhiệt độ 4 - 500C, nhưng khoảng nhiệt

độ tối ưu cho vi sinh Nitrifier phát triển là vùng 30 - 360C Tốc độ phát triển riêngcực đại của Nitrifier phụ thuộc vào nhiệt độ theo nhiều nghiên cứu được thống kêtrong bảng 1.6

Bảng 1.6.Sự phụ thuộc của μmmvào nhiệt độ theo nhiều kết quả nghiên cứu [23,24]

μ m và nhiệt độ.

Giá trị μ m tại nhiệt độ (d-1)

Downing (1964) 0,47e0,098 T15 0,29 0,47 0,77Downing & Hopwood(1964) 0,18e0,116 T15 0,10 0,28 0,32Hulman (1971) 0,50.100,033 T20 0,23 0,34 0,50

Painter &Loveless (1983) 0,18.e0,0729 T15 0,12 0,18 0,26

Ảnh hưởng của pH

Sự phụ thuộc của tốc độ sinh trưởng vào pH của môi trường đã được nhiềutác giả nghiên cứu rất kỹ, quá trình nitrat hóa xảy ra trong môi trường kiềm nhẹ(pH 7,2 – 9,0), pH tối ưu nằm trong một khoảng khá rộng xung quanh (pH 7,6 –8,6) Dưới giá trị tối ưu, tốc độ nitrat hóa giảm nhanh và dừng hẳn ở pH < 5 hoặc

pH > 10 Tốc độ nitrat hóa tại pH = 7 chỉ bằng 50% so với nó tại pH =8 Có nghiêncứu cho thấy trong khoảng pH 7,2 – 8,0, tác động của pH lên tốc độ nitrat hóakhông nhiều, dưới pH 7,2 thì tốc độ giảm tuyến tính cùng với pH Cũng có kết quảnghiên cứu cho biết, quá trình nitrat hóa xảy ra thuận lợi trong vùng pH 7,0 – 9,4,dừng hẳn tại pH =6,3

Oxy

Về hình thức thì các yếu tố ức chế có tác động làm giảm tốc độ pháttriểnriêng của vi sinh (μm) hoặc làm tăng Chỉ số bán bão hòa (KN) trong phươngtrình (1-13) So sánh với vi sinh dị dưỡng, tốc độ phát triển riêng của vi sinh tựdưỡng thấp hơn vài lần, Chỉ số bán bão hòa cũng nhỏ hơn rất nhiều Hai đặc trưngtrên chứng tỏ “sự yếu thế” của vi sinh tự dưỡng khi phải cùng tồn tại trong một môitrường với vi sinh dị dưỡng Nguồn cơ chất mà cả hai loại vi sinh sử dụng làoxy

Giá trị KDOcủa vi sinh tự dưỡng cao hơn so với của vi sinh dị dưỡng mang ýnghĩa là khi nồng độ oxy giảm thì thành phần DOD

OK DO trong phương trình (1-13)

sẽ giảm nhanh hơn cho trường hợp của vi sinh tự dưỡng, đồng nghĩa với mức độchịu tác động tiêu cực mạnh hơn của vi sinh tự dưỡng khi nồng độ oxy giảm Kếtquả nghiên cứu cho thấy, nồng độ oxy hòa tan cao hơn 2 mg/L không có tác dụngthúc đẩy thêm sự phát triển của vi sinh tự dưỡng, nhưng nếu thấp hơn 0,5 mg/L thìgây ra mức độ sụt giảm rất mạnh Ảnh hưởng của nồng độ oxy tan lên sự phát triểncủa vi sinh còn phụ thuộc vào nhiệt độ: với mức 1,0 mg/L, tốc độ phát triển của visinh thấp hơn so với tốc độ phát triển ở mức bão hòa oxy; cũng tại 1,0 mg/L tốc độphát triển của vi sinh chỉ đạt 79, 80, 70 và 58% tại các nhiệt độ 20, 23,7, 29 và

350C so với tại mức bão hòa[23]

Nhìn chung, ảnh hưởng của oxy lên tốc độ phát triển của vi sinh tuântheomối tương quan (1-13), giá trị KDOtheo khuyến cáo của nhóm mô hình hóa củatổchức hiệp hội quốc tế nghiên cứu và kiểm soát ô nhiễm nước là 1,0 mg/L Các kếtquả nghiên cứu khác đưa ra những giá trị khác nhau khá lớn, nằm trong khoảng0,15 – 2,0 mg/L và tăng theo nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự phát triển của

vi khuẩn oxy hóa amoni (Nitrosomonas) và oxy hóa nitrit (Nitrobacter) cũng

khácnhau thể hiện ở giá trị KDO Giá trị KDOđối vớiNitrosomonasnằm trong

khoảng0,3 – 0,5 mg/L, trong khi đối vớiNitrobacter0,72 – 0,84 mg/L, đối với bùn

hoạt tính (cả hai loại trên) thì có tác giả đề nghị 0,45 – 0,56 và tác giả khác đề nghị2,0 mg/L [23,24]

So vớiNitrosomonas,Nitrobacterdễ nhạy cảm với oxy hơn: ngừng hoạt động

với mức 0,5 mg/L và cũng bị ức chế trong trường hợp nồng độ oxy cao[48]

Thời gian lưu tế bào dài là điều kiện cho quá trình nitrat hóa xảy ra trongđiều kiện hoạt động với nồng độ oxy thấp Trong kỹ thuật bùn hoạt tính, nồng độoxy tan trong vận hành được duy trì trong khoảng 0,5 - 2,5 mg/L để thực hiện nitrathóa, phụ thuộc vào thời gian lưu tế bào, tải lượng hữu cơ và đặc trưngc ủ a

t ậ p h ợ p k e o tụ

Động học quá trình nitrat hóa

Oxy hóa amoni gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của cảquá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn Tuy hiệu suất sinh khối

củaNitrosomonascao hơn so với củaNitrobacternhưng tốc độ phát triển củaNitrosomonaschậm hơn so vớiNitrobactervà vì vậy nồng độ nitrit thường rất

thấp

tronggiaiđoạnổnđịnh,chứngtỏgiaiđoạnoxyhóatừamonithànhnitritlàbước