NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC BẰNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP CÔNG NGHỆ BÙN HẠT MỞ RỘNG (EGSB) SỬ DỤNG VI KHUẨN ANAMMOX VÀ GIÁ THỂ POLYVINYL ALCOHOL (PVA GEL)

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC BẰNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP CÔNG NGHỆ BÙN HẠT MỞ RỘNG (EGSB) SỬ DỤNG VI KHUẨN ANAMMOX VÀ GIÁ THỂ POLYVINYL ALCOHOL (PVA GEL) ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong SVTH: Hoàng Lê Thùy Dương 1510588 Nguyễn Thị Phương Hằng 1510969 AMMONIUM REMOVAL OF SLAUGHTER WASTEWATER BY PARTIAL NITRITEOXIDATION PROCESS COMBINED WITH ANAMMOX PROCESS AND POLYVINYL ALCOHOL GEL IN AN EXPANDEDNGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC BẰNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP CÔNG NGHỆ BÙN HẠT MỞ RỘNG (EGSB) SỬ DỤNG VI KHUẨN ANAMMOX VÀ GIÁ THỂ POLYVINYL ALCOHOL (PVA GEL) ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong SVTH: Hoàng Lê Thùy Dương 1510588 Nguyễn Thị Phương Hằng 1510969 AMMONIUM REMOVAL OF SLAUGHTER WASTEWATER BY PARTIAL NITRITEOXIDATION PROCESS COMBINED WITH ANAMMOX PROCESS AND POLYVINYL ALCOHOL GEL IN AN EXPANDEDNGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC BẰNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP CÔNG NGHỆ BÙN HẠT MỞ RỘNG (EGSB) SỬ DỤNG VI KHUẨN ANAMMOX VÀ GIÁ THỂ POLYVINYL ALCOHOL (PVA GEL) ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong SVTH: Hoàng Lê Thùy Dương 1510588 Nguyễn Thị Phương Hằng 1510969 AMMONIUM REMOVAL OF SLAUGHTER WASTEWATER BY PARTIAL NITRITEOXIDATION PROCESS COMBINED WITH ANAMMOX PROCESS AND POLYVINYL ALCOHOL GEL IN AN EXPANDEDNGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC BẰNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP CÔNG NGHỆ BÙN HẠT MỞ RỘNG (EGSB) SỬ DỤNG VI KHUẨN ANAMMOX VÀ GIÁ THỂ POLYVINYL ALCOHOL (PVA GEL) ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong SVTH: Hoàng Lê Thùy Dương 1510588 Nguyễn Thị Phương Hằng 1510969 AMMONIUM REMOVAL OF SLAUGHTER WASTEWATER BY PARTIAL NITRITEOXIDATION PROCESS COMBINED WITH ANAMMOX PROCESS AND POLYVINYL ALCOHOL GEL IN AN EXPANDED

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Tp HCM, Tháng 06/2019

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ

AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ

VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC BẰNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP CÔNG NGHỆ BÙN HẠT MỞ RỘNG (EGSB) SỬ DỤNG VI KHUẨN ANAMMOX VÀ GIÁ THỂ POLYVINYL ALCOHOL (PVA GEL)

AMMONIUM REMOVAL OF SLAUGHTER WASTEWATER

BY PARTIAL NITRITE-OXIDATION PROCESS

COMBINED WITH ANAMMOX PROCESS AND

POLYVINYL ALCOHOL GEL IN AN EXPANDED

GRANULAR SLUDGE BED (EGSB) REACTOR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ

AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ

VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC BẰNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN KẾT HỢP CÔNG NGHỆ BÙN HẠT MỞ RỘNG (EGSB) SỬ DỤNG VI KHUẨN ANAMMOX VÀ GIÁ THỂ POLYVINYL ALCOHOL (PVA GEL)

AMMONIUM REMOVAL OF SLAUGHTER WASTEWATER

BY PARTIAL NITRITE-OXIDATION PROCESS

COMBINED WITH ANAMMOX PROCESS AND

POLYVINYL ALCOHOL GEL IN AN EXPANDED

GRANULAR SLUDGE BED (EGSB) REACTOR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA: MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CHÚ Ý: Sinh viên phải dán tờ này vào bản thuyết minh

HỌ VÀ TÊN: HOÀNG LÊ THÙY DƯƠNG MSSV: 1510588

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HẰNG 1510969

NGÀNH: Kỹ thuật môi trường LỚP: MO15KMT

1 Tên Luận Văn: Nghiên cứu hiệu quả xử lý nitơ ammonia trong nước thải giết mổ và chếbiến thịt gia súc bằng quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp công nghệ bùn hạt mở rộng

(EGSB) sử dụng vi khuẩn anammox và giá thể polyvinyl alcohol gel (PVA gel) (Ammonium removal of slaughter wastewater by partial nitrite-oxidation process combined with anammox process and PVA gel in an expanded granular sludge bed (EGSB) reactor).

3 Ngày giao luận văn: 15/08/2018

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/06/2019

5 Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua bộ môn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TP.HCM, ngày………tháng……năm

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:

Người duyệt: ……… Ngày bảo vệ: ……… Điểm tổng kết: ………

Nơi lưu trữ luận văn: ………

Bên cạnh đó, học viên cao học Nguyễn đã hướng dẫn tận tình chúng tôi vềchuyên môn cũng như phân tích các chỉ tiêu thí nghiệm Xin chân thành cảm ơn anh;chúc anh thật nhiều sức khỏe và thành công trong công việc

Chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô trong Khoa Môi trường vàTài nguyên cũng như quý Thầy, Cô khác của Trường Đại học Bách Khoa – Đại họcQuốc gia thành phố Hồ Chí Minh Những kiến thức quý báu mà quý Thầy, Cô truyềnđạt là nền tảng vững chắc để chúng tôi hoàn thành luận văn này

Về phía quý Công ty TNHH Một Thành Viên Việt Nam Kỹ Nghệ Súc SảnVISSAN, xin chân thành cảm ơn đến Ban lãnh đạo, tập thể công, nhân viên quý công

ty đã tạo điều kiện tốt nhất để nhóm được thu thập mẫu nước thải cho mô hình nghiêncứu

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn đến các Thầy, Cô, anh, chị, bạn bè, các emsinh viên tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Môi trường Nâng cao đã hỗ trợ nhiệt tìnhtrong suốt thời gian thực hiên luận văn này

Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình và những người bạnthân thiết đã động viên, ủng hộ để chúng tôi cố gắng học tập, rèn luyện trong suốt thờigian qua và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Mặc dù đã cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng luận văn không thể tránhđược những thiếu sót Hi vọng được quý thầy cô đóng góp ý kiến và sửa chữa để luậnvăn này được hoàn thiện hơn

Trân trọng!

TP HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2019

Hoàng Lê Thùy Dương

Nguyễn Thị Phương Hằng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mô hình nghiên cứu gồm bể Nitrite hóa bán phần và bể EGSB sử dụng bùnanammox với giá thể PVA Bể EGSB đều là hình trụ và có thể tích phản ứng là 6L; bểNitrite hóa bán phần có thể tích 12L Nước thải trong nghiên cứu này được lấy từ bểđiều hòa của hệ thống xử lý nước thải thuộc Công ty TNHH Một Thành Viên ViệtNam Kỹ Nghệ Súc Sản VISSAN

Giai đoạn không cho giá thể PVA vào bể EGSB, giai đoan đầu làm thích nghi

Giai đoạn cho giá thể PVA vào bể EGSB, giai đoan đầu làm thích nghi quá

-N ở

Ở giai đoạn có giá thể PVA trong bể EGSB, quá trình Nitrite hóa bán phần diễn

-N trung bình khoảng 56,67% ngày thứ 32 có tỷ lệgần với tỷ lệ lý thuyết nhất là 1,32 ở điều kiện: thời gian lưu nước 6h; DO khoảng 0,8 -1,0 mg/L; pH khoảng 7,9 – 8

-N ở các tải trọng

54,95%, 68% và 60,2%

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung luận văn 2

1.5 Các chỉ tiêu phân tích 3

1.6 Phương pháp xử lý số liệu và nhận xét 3

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

1.8 Tính mới của đề tài 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về ngành công nghiệp giết mổ và chế biến thịt gia súc 4

2.1.1 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu 4

2.1.2 Công suất và quy trình giết mổ heo 4

2.1.3 Công suất và quy trình giết mổ trâu, bò 6

2.1.4 Quy trình sản xuất xúc xích tiệt trùng 6

2.1.5 Quy trình sản xuất thịt nguội 7

2.1.6 Quy trình sản xuất đồ hộp 8

2.1.7 Đặc tính nước thải giết mổ và chế biến thịt 9

2.1.8 Phương pháp xử lý nước thải 13

2.1.9 Công nghệ xử lý nước thải giết mổ 15

2.2 Tổng quan các quá trình sinh học để xử lý nitơ trong nước thải 16

2.2.1 Quá trình nitrate hóa và khử nitrate 16

2.2.2 Quá trình nitrite hóa bán phần 19

2.2.3 Quá trình Anammox 24

2.2.4 Tổng quan về quá trình sinh học kỵ khí, UASB và EGSB 32

2.2.5 Tổng quan về giá thể PVA 34

2.2.6 Các nghiên cứu liên quan 36

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

3.1 Sơ đồ nghiên cứu 41

3.2 Vật lệu nghiên cứu 41

3.2.1 Nước thải 41

3.2.2 Bùn nuôi cấy 43

3.2.3 Giá thể PVA gel 43

3.3 Mô hình nghiên cứu 44

3.3.1 Mô hình Nitrite hóa bán phần 45

3.3.2 Mô hình EGSB 46

3.3.3 Thiết bị 47

3.3.4 Nguyên lý vận hành: 47

3.4 Phương pháp nghiên cứu 48

3.4.1 Phương pháp lấy mẫu 48

3.4.2 Phương pháp phân tích 48

3.4.3 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 49

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52

4.1 Giai đoạn thích nghi quá trình nitrite hóa bán phần 52

4.2 Giai đoạn khảo sát chính 53

4.2.1 Đánh giá khả năng chuyển hóa nitơ quá trình nitrite hóa bán phần 54

4.2.2 Kiểm soát và ức chế nhóm vi khuần Nitrite – Oxidizing Bacteria (NOB) 55

4.2.3 Hiệu quả loại bỏ nitơ của bể EGSB sử dụng bùn anammox 57

4.2.4 Tỷ lệ nitơ loại bỏ, nitrite tiêu thụ và nitrate sinh ra so với ammonium tiêu thụ .59

4.2.5 Đánh giá sự thay đổi pH 60

4.2.6 Đánh giá sự thay đổi Nitơ hữu cơ 61

4.2.7 Đánh giá khả năng xử lý COD 63

4.3 Giai đoạn thích nghi quá trình nitrat hóa bán phần và bể EGSB khi có giá thể PVA 64

4.4 Giai đoạn khảo sát chính khi có PVA 66

4.4.1 Đánh giá khả năng chuyển hóa nitơ quá trình nitrite hóa bán phần 67

4.4.2 Kiểm soát và ức chế nhóm vi khuần Nitrite – Oxidizing Bacteria (NOB) 69

4.4.3 Hiệu quả loại bỏ nitơ của bể EGSB sử dụng bùn anammox 70

4.4.4 Tỷ lệ nitơ loại bỏ, nitrite tiêu thụ và nitrate sinh ra so với ammonium tiêu thụ .72

4.4.5 Đánh giá sự thay đổi pH 72

4.4.6 Đánh giá sự thay đổi Nitơ hữu cơ 74

4.4.7 Đánh giá khả năng xử lý COD 75

4.4.8 Sinh khối trong quá trình khảo sát 76

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

5.1 Kết luận 78

5.2 Kiến nghị 78

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Quy trình giết mổ heo

Hình 2.2 Quy trình giết mổ trâu, bò

Hình 2.3 Quy trình sản xuất xúc xích tiệt trùng

Hình 2.4 Quy trình sản xuất thịt nguội

Hình 2.5 Quy trình sản xuất đồ hộp

15

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải tại cơ sở giết mổ Châu Thành – Long An

Hình 2.8 Chu trình chuyển hóa nitơ

Hình 2.9 Cơ chế sinh hóa của quá trình và sơ đồ phân khoang tế bào Anammox

Hình 2.10 Mô hình EGSB

Hình 2.11 PVA gel dạng hạt

Hình 2.12 Cấu trúc lỗ rỗng hạt PVA gel

Hình 2.13 Cấu trúc phân tử PVA gel

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu đề tài

Hình 3.2 Bể điều hòa hệ thống xử lý nước thải công ty Vissan

Hình 3.3 Bùn được sử dụng trong khảo sát

Hình 3.5 Phối cảnh mô hình nghiên cứu

Hình 3.6 Chi tiết mô hình nghiên cứu

Hình 3.7 Mô hình Nitrite hóa bán phần (PN) trong nghiên cứu

Hình 3.8 Mô hình EGSB trong nghiên cứu

Hình 4.1 Khả năng chuyển hóa nitơ giai đoạn thích nghi quá trình nitrite hóa bán phần Hình 4.2 Khả năng xử lý COD giai đoạn thích nghi quá trình nitrite hóa bán phần

Hình 4.3 Sự chuyển hóa nitơ ở bể PN

Hình 4.6 Sự thay đổi nhiệt độ và tỉ lệ NO3-/( NO2-+NO3-) trong bể PN

Hình 4.7 Nồng độ các hợp chất nitơ đầu vào và đầu ra bể EGSB

Hình 4.8 Sự thay đổi pH trong quá trình nghiên cứu

Hình 4.9 Sự thay đổi độ kiềm trong quá trình nghiên cứu

Hình 4.10 Sự thay đổi nồng độ trung bình của Nitơ

Hình 4.11 Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất loại bỏ tổng nitơ

Hình 4.12 Khả năng xử lý COD của mô hình

Hình 4.13 Khả năng xử lý COD giai đoạn thích nghi giá thể PVA qua bể nitrat hóa bán phần và và bể EGSB

Hình 4.14 Hiệu suất xử lý COD qua PN, EGSB và hiệu suất của mô hình

Hình 4.15 Khả năng chuyển hóa nitơ giai đoạn thích nghi giá thể PVA của quá trình nitrite hóa bán phần và EGSB

Hình 4.16 Sự chuyển hóa nitơ ở bể PN và bể EGSB

Hình 4.20 Nồng độ các hợp chất nitơ đầu vào bể PN và đầu ra bể EGSB

Hình 4.21 Sự thay đổi pH trong quá trình nghiên cứu

Hình 4.22 Sự thay đổi độ kiềm trong quá trình nghiên cứu

Hình 4.23 Sự thay đổi nồng độ trung bình của nito

Hình 4.24 Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất loại bỏ tổng nitơ

Hình 4.25 Khả năng xử lý COD của mô hình

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tải lượng BOD thải ra trong quá trình giết mổ

Bảng 2.2 Tính chất nước thải của công ty VISSAN

Bảng 2.3 Ảnh hưởng của nồng độ DO đến quá trình nitrate hóa bán phần

Bảng 2.4 Một số vi khuẩn tham gia vào quá trình anammox

Bảng 2.5 Tóm tắt các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình Anammox [1]

Bảng 3.1 Thành phần nước thải trong qua trình nghiên cứu

Bảng 3.2 Các thiết bị của mô hình nghiên cứu

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích

Bảng 4.1 Các thông số trong quá trình khảo sát chính

Bảng 4.2 Tỷ lệ tổng nitơ loại bỏ, nitrite tiêu thụ và nitrate sinh ra so với ammonium tiêu thụ

Bảng 4.3 Các thông số trong quá trình khảo sát chính

Bảng 4.4 Tỷ lệ tổng nitơ loại bỏ, nitrite tiêu thụ và nitrate sinh ra so với ammonium tiêu thụ

Bảng 4.5 Giá trị MLSS trong quá trình khảo sát 77

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

thành nitrite

sinh

nitrate

SHARON-Anammox

Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite

Quá trình Nitrite hóa bán phần kết hợp Anammox

using Anammox and Partial

Nitrification Anammox and

Denitrification

Kết hợp 3 quá trình: nitrite hóa bán phần, oxy hóa kỵ khí ammonium và khử nitrate xảy ra trong cùng một bể phản ứng

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Khi xã hội phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng lên, việc cungứng lương thực thực phẩm ngày càng nhiều và đa dạng về số lượng và chất lượng.Ngành giết mổ và chế biến thịt gia súc trong những năm gần đây có số lượng cơ sở sảnxuất tăng lên, đồng nghĩa với việc số lượng gia súc được giết mổ tăng lên để đáp ứngcho nhu cẩu trên Song song với lượng gia súc được giết mổ thì lượng nước thải màngành này thải ra ngoài môi trường là cực kỳ lớn, với thành phần các chất ô nhiễm cao

đã gây ảnh hưởng lớn tới môi trường và con người

Hầu hết chất lượng nước thải sau hệ thống xử lý tồn tại hàm lượng nitơ khá cao.Bên cạnh đó, chi phí vận hành cho các công nghệ xử lý nitơ trong nước thải hiện tạikhá tốn kém, chủ yếu liên quan đến nhu cầu cung cấp các thành phần hữu cơ Khôngnhững vậy, đa số các công nghệ xử lý hiện nay đều tạo ra lượng bùn khá lớn khi vậnhành và không lưu giữ bùn tốt Vì vậy, việc tìm kiếm một giải pháp thích hợp để xử lýhiệu quả nitơ trong nước thải cũng như khả năng lưu giữ bùn tốt là việc đáng quantâm

Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa từng được biết đến trước

đó, về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm, đã được công bố, đó là phản ứng oxy hóa kỵ khíAmmonium (Anaerobic Ammonium Oxidation, viết tắt là Anammox) Trong đó,ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất

hữu cơ để tạo thành nitơ phân tử (Van de Graaf et al.,1996) Sự phát triển quá trình

anammox đã mở ra hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới đối với nước thải hàmlượng nitơ cao

Để cho quá trình Anammox diễn ra hoàn toàn cần một bước nitrite hóa bán

thuyết là 1,32 : 1) Có thể nói sự kết hợp của quá trình nitrite hóa bán phần vàAnammox được xem như là một phương pháp hiệu quả để xử lý nitơ trong nước thải

Hệ thống xử lý kết hợp PN – ANAMMOX ở quy mô pilot đã được Fux và cộng sự(2002) và Van Dongen và cộng sự (2001) nghiên cứu thành công với hiệu quả xử lýnitơ đạt trên 80%

Công nghệ kỵ khí Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) là công nghệ cải tiếncủa Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), được giáo sư Lettinga va cộng sự pháttriển vào năm 1983 tai Hà Lan Công nghệ bùn hạt mở rộng (EGSB) với dòng tuầnhoàn vừa có tác dụng tăng cường sự tiếp xúc giữa nước thải và bùn, vận tốc dòng chảy

ngược cao nên khả năng chịu đươc nồng độ chất rắn lơ lửng cao Tuy nhiên, vận tốcdòng nước trong bể EGSB lớn có thể rửa trôi bùn ra khỏi bể phản ứng, khó duy trì

trúc lỗ rỗng được sử dụng làm hạt nhân để các vi sinh vật dính bám phát triển trên đó

và có trọng lượng riêng nặng hơn nước làm tăng khả năng lắng của bùn hạt

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu hiệu quả xử lý nitơ ammonia trong nước thải giết

mổ và chế biến thịt gia súc bằng quá trình nitrite hóa bán phần kết hợp công nghệ bùn

hiệu quả xử lý công nghệ EGSB sử dụng bùn anammox và giá thể PVA góp phần tạotiền đề cho việc triển khai áp dụng thực tế trong thời gian tới

1.2 Mục tiêu của đề tài

Đánh giá hiệu quả quá trình chuyển hóa nitơ của mô hình nitrite hóa bán phần.Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ ammonium của mô hình EGSB sử dụng vi khuẩnAnammox với giá thể PVA so với mô hình EGSB thông thường bằng việc vận hành ở

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng

- Nước thải giết mổ và chế biến thịt gia súc, nước thải lấy từ bể điều hòa của hệ thống

xử lý nước thải thuộc Công ty TNHH Một Thành Viên Việt Nam Kỹ Nghệ Súc SảnVISSAN

- Vật liệu làm bể PN và EGSB là Acrylic glass ở quy mô phòng thí nghiệm

- Bùn hạt kỵ khí hình thành trên giá thể polyvinyl alcohol (PVA) trong bể EGSB

 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của mô hình PN/EGSB trong việc xử lý nitơammonium đối với nước thải giết mổ và chế biến thịt gia súc

- Mô hình nghiên cứu đặt tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Môi trường Nâng cao

1.4 Nội dung luận văn

 Thiết lập mô hình PN/EGSB-Anammox

 Thích nghi nhóm vi khuẩn Anammox

 Kiểm soát các yếu tố pH, DO, HRT nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho hiệu quả xử lý

ở từng giai đoạn vận hành

 Tiến hành khảo sát với các tải trọng Nitơ khác nhau để đánh giá hiệu quả xử lý nitơcủa mô hình

 Nghiên cứu khả năng chuyển hóa Nitơ quá trình PN

 Đánh giá và so sánh khả năng xử lý Nitơ ammonium của quá trình Anammox trong

bể EGSB khi không và có giá thể mang PVA

1.5 Các chỉ tiêu phân tích

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước thải được nghiên cứu trong suốt quá trình

1.6 Phương pháp xử lý số liệu và nhận xét

Từ số liệu thô tính toán hiệu suất xử lý, hiệu suất chuyển hóa của các quá trình

vẽ đồ thị, đưa ra những phân tích, nhận xét đánh giá và kết luận

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học: Kết quả của đề tài sẽ đóng góp cho khoa học thêm cơ sở lý thuyết và các thông số vận hành mô hình PN/EGSB-Anammox

 Ý nghĩa thực tiễn:

Từ kết quả của đề tài cung cấp thêm giải pháp xử lý nước thải giúp cải tạo, nângcao công suất của hệ thống cũ và giảm diện tích nếu xây dựng mới cho xử lý nước thảingành sản xuất giết mổ

Kết quả nghiên cứu của đề tài cũng là cơ sở để triển khai ứng dụng rộng rãitrong xử lý nước thải có nồng độ amoni rất cao từ một số lĩnh vực công nghiệp nhưnước thải các lò giết mổ, nước thải các nhà máy chế biến thực phẩm, nước rỉ rác,…

1.8 Tính mới của đề tài

Sự kết hợp quá trình nitrite hóa bán phần (PN) với công nghệ bùn hạt mở rộng(EGSB) sử dụng vi khuẩn anammox và giá thể PVA để tằng cường quá trình hìnhthành bùn hạt, nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và ngăn quá trình rửa trôi bùn

so với quá trình bùn lơ lửng thong thường

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về ngành công nghiệp giết mổ và chế biến thịt gia súc

2.1.1 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu

Công ty TNHH Một Thành Viên Việt Nam Kỹ Nghệ Súc Sản (VISSAN) địa

chỉ 420 Nơ Trang Long, phường 13, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh, là mộtdoanh nghiệp thành viên của Tổng Công ty Thương Mại Sài Gòn, được thành lập từnhững ngày đầu giải phóng miền Nam thống nhất đất nước Công ty TNHH MộtThành Viên Việt Nam Kỹ Nghệ Súc Sản (VISSAN) hoạt động trong lĩnh vực côngnghệ giết mổ gia súc, đảm bảo các tiêu chuẩn vệ sinh, cung cấp thịt tươi sống cho nhucầu của nhân dân Thành phố trong thời kỳ nền kinh tế cìn theo cơ chế bao cấp Sau đó,công ty đã tham gia xuất khẩu thịt đông lạnh sang thị trường Liên Xô và các nướcĐông Âu chủ yếu là dưới hình thức Nghị định thư

h/ca)

Heo sau khi được đưa về chuồng trại sẽ được chăm sóc, nhịn ăn trong khoảng

24 giờ và thường xuyên theo dõi sức khỏe trước khi đem giết mổ Sau đó, các gia súc

sẽ được chuyển từ khu tiếp nhận đến khu giết mổ Tại đây, các gia súc sẽ bị ngây ngấtbằng điện trước khi mổ, sau khi giết mổ và được làm sạch, thịt sẽ được đưa vào phònglạnh để trữ, khi cần sẽ đem ra chế biến hoặc đưa ra thị trường nội địa tiêu thụ thịt tươi

Nước thải chứahuyết rơi vãiNước thải

Lông, móngHuyết dưNước thải

LôngNước thải,

phân,

bao tử…

Gây choángHeo

Thọc huyếtRửaTrụng nước nóngCạo lôngCắt đầuRửaCạo

Mổ bụngLàm lòng

Cắt đôiKhám nghiệmXuất

Nước thải

Hình 2.1 Quy trình giết mổ heo

2.1.3 Công suất và quy trình giết mổ trâu, bò

300 con/ca (6h/ca)

Nước thải

Mỡ vụnNước thải, phân,

Mổ bụngLàm lòng

Khám nghiệmRửa

Hình 2.2 Quy trình giết mổ trâu, bò

Trâu, bò sau khi quá trình gây choáng sẽ được đưa sang khâu chọc huyết, cắtđầu, lột da, mổ bụng và cắt đôi Sau đó chúng được đưa qua quá trình kiểm tra, rửa,chế biến và tiêu thụ

2.1.4 Quy trình sản xuất xúc xích tiệt trùng

Hình 2.3 Quy trình sản xuất xúc xích tiệt trùngNguyên liệu sau khi qua quá trình kiểm tra tiếp tục đến quá trình cắt, xay vànhồi định hình theo kích thước nhất định Sau khi sản phẩm được định hình sẽ đượcqua quá trình thanh trùng, sau đó được đưa qua khâu đóng gói

Nguyên liệuCắt thịtXay nhuyễnNhồi định hìnhThanh trùngĐóng góiLưu kho

2.1.5 Quy trình sản xuất thịt nguội

Nguyên liệuXâm muốiMassageXay nhuyễnĐịnh hìnhNấu hấpXắc látĐóng gói chânkhông

Hình 2.4 Quy trình sản xuất thịt nguội

Nguyên liệu sau khi qua qua trình kiểm tra tiếp tục đến quá trình xâm muối,massage, xay nhuyễn và định hình theo kích thước nhất định Sau khi sản phẩm đượcđịnh hình sẽ qua quá trình nấu hấp, cắt lát, đóng gói và hút chân không

2.1.6 Quy trình sản xuất đồ hộp

Nguyên liệuXay thôXay nhuyễnĐịnh hìnhNấu hấpXắc látĐóng lonThanh trùngĐóng thùng

Hình 2.5 Quy trình sản xuất đồ hộp

Nguyên liệu sau khi được kiểm tra tiếp tục đi đến quá trình xay và định hìnhtheo kích thước nhất định, sau đó sản phẩm tiếp tục đi qua quá trình nấu hấp, cắt lát,đóng lon Sau cùng là được đưa đi thanh trùng và đóng thùng

2.1.7 Đặc tính nước thải giết mổ và chế biến thịt

 Các thành phần chính đóng góp vào tải lượng nước thải

Lượng máu trong nước thải: trong tất cả các loại nước thải, thì nước thải từ máu

có giá trị ô nhiễm cao nhất Bản thân máu có nồng độ BOD cao từ 150 000 – 200 000mg/l, có thể đạt 405 000 mg/l Trong khi nước thải sinh hoạt có BOD khoảng 300mg/l Trong các giai đoạn giết, chọc tiết và lột da, máu được sinh ra hoàn toàn, điềunày dẫn tới tổng tải lượng thải là 10kg BOD/tấn thịt gia súc Một tải lượng chất thảilên tới 3.0 kgBOD/tấn trọng lượng hơi trong nước thải ra xung quanh khu vực giết mổ

Để giảm tải lượng thải, các biện pháp đã được thực hiện để thu hồi và xử lýmáu (làm đông máu) Quá trình làm khô máu có thể được thực hiện trực tiếp bằngnhiệt áp dụng cho lượng lớn nước chứa máu (tương ứng với tải lượng thải bằng 1,3 kgBOD/tấn gia súc hơi, nhưng tốt nhất là nó được thực hiện bằng cách gia nhiệt gián tiếp(bên ngoài) tương ứng xấp xỉ 0,3 kg BOD/tấn thịt hơi

Dạ dày: phân trong dạ dày là nguồn thải quan trọng thứ hai Nó có thể góp phầnđáng kể vào tổng tải lượng nếu không được xử lý đúng cách Việc thải bỏ toàn bộtrong dạ dày làm BOD đạt 2,5 kg/tấn thịt hơi

 Các yếu tố phụ đóng góp vào tải lượng nước thải

Chuồng trại: chất thải tạo ra từ phân và nước tiểu, thức ăn, phân gia súc, chấttẩy rửa và làm sạch Chất thải sẽ đi vào cống thải do nước chảy tràn từ máng ăn, domưa và nước rửa chuồng trại Chất thải ở cống, giả sử trừ chất rắn, ước tính BOD lênkhoảng 0,25 kg/tấn LWK

Quá trình giết mổ: trong quá trình giết mổ, các chất thải sau được tạo ra:

+ Máu và mô được tạo ra trong quá trình lọc da rớt xuống sàn Sự ô nhiễm do

da cùng với bụi và phân là nguồn ô nhiễm thứ hai Tải lượng chất thải cũng tăng doviệc dọn vệ sinh khu vực này

Lưu kho

+ Nước thải được tạo ra do sự nước tràn từ bể nước sôi chứa máu, chất bẩn,phân và long (BOD khoảng 0,15 kg/tấn LWK) Máng dẫn nước thải từ quá trình làmsạch long chứa lông, máu và chất bẩn sau khi thu hồi lông (0,4 kg BOD/ tấn LWK).Lông dài được thu hồi có thể được chôn như chất thải rắn, rửa sạch và đóng kiện đểbán (0,7 kg BOD/ tấn LWK) hay nó có thể thủy phân bằng nồi áp suất (1 kg BOD/ tấnLWK).

+ Chất nhầy và lớp vỏ ngoài ruột: quá trình làm sạch và rửa đóng góp 0,6 kgBOD/ tấn LWK

+ Các thành phần không ăn được như lông, đầu, phổi, dạ dày cũng có mặt trongnước thải

Đóng gói: công đoạn cắt và lóc xương tạo ra các mảnh vụn, máu, xương vàxương vụn Tổng tải lượng thải thô đối với nhà máy chế biến ước tính 5,7 – 6,7 kgBOD/tấn sản phẩm Quá trình chế biến thịt tạo ra chất thải từ:

+ Máu, mô và chất béo đi vào cống thải trong quá trình vệ sinh

+ Gia vị để chế biến chứa đường, chất béo Quá trình ngâm có thể tạo ra chấtthải clorua cao, chỉ 25% của dịch ngâm được giữ lại trong sản phẩm

+ Khói và năng lượng tiêu thụ (góp phần vào ô nhiễm không khí)

Quá trình tách các phần ăn được: cả quá trình tách ước lẫn tách liên tục ở nhiệt

độ thấp cũng tạo ra nước thải chứa chất béo và protein còn sót lại (2 kg BOD/tấnLWK)

Bảng 2.1 Tải lượng BOD thải ra trong quá trình giết mổ

1,5 – 2

0,20,6 - 1

Nước mưa chảy tràn

Các hạng mục công trình đã được xây dựng hoàn chỉnh Cho nên, nước mưa sẽ

bị hạn chế thấm xuống đất, đồng thời làm hạn chế khả năng gây xói mòn mặt đất

Nếu hạn chế tối đa các nguồn thải có thể gây ô nhiễm nước mưa (nước thải, rácthải, dầu mỡ…) nước mưa tương đối sạch sẽ được thu gom tách riêng và thải ra môitrường tiếp nhận

Nước thải sinh hoạt

Nước thải phát sinh trong quá trình sinh hoạt của công nhân, nhân viên trongcông ty Nước thải này chứa chủ yếu các chất cặn bã, các chất dinh dưỡng (N, P), cácchất rắn lơ lửng (SS), các chất hữu cơ (BOD, COD và các vi khuẩn), khi thải ra ngoàimôi trường nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm nặng với môi trường

Dựa vào số lượng nhân viên trong công ty trung bình khoảng 1790 người/ ngày

và nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt

Vì vậy, công ty có biện pháp xử lý nước thải trước khi xả trực tiếp ra nguồn tiếpnhận và hiện nay nước thải sinh hoạt tập trung vào hệ thống thu gom chung của nướcthải sản xuất đưa về hệ thống xử lý nước thải tập trung để đạt tiêu chuẩn trước khi thải

ra nguồn tiếp nhận

Nước thải sản xuất

Chủ yếu là các chất hữu cơ phát sinh từ quá trình lưu giữ, giết mổ gia súc, từcác thực phẩm hư hỏng… nên chỉ tiêu SS, BOD, COD cao nên cần phải được ưu tiên

xử lý trước khi đưa ra trực tiếp nguồn tiếp nhận

Do hệ thống xử lý nước thải là hệ thống chung nên sẽ gom tất cả các loại nướcthải nêu trên và xử lý nên có sự pha loãng nồng độ giữa nước thải sinh hoạt, sản xuấttính chất nước thải có phần thay đổi.

 Tính chất nước thải giết mổ và chế biến thịt động vật VISSAN

Tính chất nước thải của công ty VISSAN có kết quả phân tích nẫu nước nghiêncứu có kết quả như sau:

Bảng 2.2 Tính chất nước thải của công ty VISSAN

Xử lý nước thải bằng Phương pháp hiếu khí có thể trong điều kiện nhân tạohoặc tự nhiên, tại đó người ta tạo ra các điều kiện tối ửu cho quá trình xử lý có tốc độcao và hiệu suất xử lý cao hơn.

Phương pháp hiếu khí bao gồm các quá trình:

+ Qúa trình bùn hoạt tính (activated sludge)

+ Phân hủy sinh học vật liệu đệm cố định (fixed bed bioreactor)

+ Phân hủy sinh học lớp vật liệu đệm lơ lửng (moving bed bioreactor)

+ Lọc sinh học (trickling filter)

Ngoài ra còn có các quá trình sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên (oxyđược cung cấp từ không khí tự nhiện do quang hợp của tảo và thực vật nước) với cáccông trình tương ứng như: cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, hồ sinh học…

Phương pháp kỵ khí (anaerobic)

Xử lý sinh học nước thải mà không cần sử dụng không khí hay oxy nguyên tử

Xử lý kỵ khí đượ đặc trưng bởi sự biến đổi sinh học của các hợp chất hữu cơ của visinh vật kỵ khí thành khí sinh học, có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu Trong bốicảnh nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, xử lý nước thải theo phươngpháp kỵ khí sẽ giúp có thêm nguồn cung cấp nhiên liệu

Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất là chất ô nhiễm hiện diện trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng, xây dựng tếbào vi sinh vật, giúp vi sinh vật sinh trưởng và sản sinh vi sinh vật kỵ khí mới nên sinhkhối của chúng tăng lên, từ đó chúng tham gia tiếp tục chu trình nêu trên góp phần làmgiảm COD, BOD trong nước thải

Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơngiản như sau:

Các phương pháp kỵ khí thường sử dụng:

+ Kỵ khí kiểu tiếp xúc (Anaerobic Contact)

+ Kỵ khí bùn dòng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

2.1.9 Công nghệ xử lý nước thải giết mổ

Ở Việt Nam các cơ ở giết mổ có quy mô vừa và nhỏ nên việc đầu tư xay dựngmột hệ thống xử lý hoàn chỉnh rất khó thực hiện Do đó hầu hết các cơ sở giết mổkhông có hệ thống xử lý nước thải Toàn bộ nước thải được thu gom vào hầm lắng cặn

để lắng bớt một phần chất thải rắn như lông, huyết đông tụ, phân…trước khi thải ra hệthống cống thoát nước trong khu vực hoặc trong nhiều trường hợp,thải trực tiếp ra môitrường Chính vì vậy mà tình trạng ô nhiễm nặng do nước thải của ngành giết mổ làphổ biến ở tất cả các địa phương Để đối phó với yêu cầu của cơ quan quản lý, một số

cơ sở cũng đầu tư hệ thống xử lý, tuy nhiên không thiết kế theo kỹ thuật và mục tiêu

xử lý rõ ràng Mặt khác, do phần lớn các cơ sở nằm trong khu dân cư, mặt bằng chậthẹp nên các hệ thống xử lý thường có quy mô nhỏ hơn nhiều lần so với lưu lượngnước thải phát sinh Một số ví dụ về kỹ thuật xử lý nước thải hiện đang áp dụng tạimột vài cơ sở giết mổ:

Hình 2.6 Sơ đồ xử lý nước thải tại hợp tác xã giết mổ gia súc Thạnh Phú – Bình Dương

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải tại cơ sở giết mổ Châu Thành – Long An

2.2 Tổng quan các quá trình sinh học để xử lý nitơ trong nước thải

2.2.1 Quá trình nitrate hóa và khử nitrate

a/ Quá trình nitrate hóa

Nitrate hóa lần lượt bao gồm 2 bước, đầu tiên ammonium chuyển thành nitrite,sau đó nitrite được oxy hoá thành nitrate Quá trình diễn ra nhờ vào 2 chủng vi khuẩn

tự dưỡng: Vi khuẩn oxy hóa ammonium (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB)

Trong bước oxy hoá ammonium, Nitrosomonas là loại được tìm thấy nhiều nhất trong nhóm AOB và các loại khác bao gồm: Nitrosococcus và Nitrosospira, Nitrosolobus và

Nitrosorobrio (Watson và cộng sự, 1981) Trong bước tiếp theo, oxy hoá nitrite thành

nitrate, Nitrobacter là loại được tìm thấy nhiều nhất trong nhóm NOB và các loại khác bao gồm: Nitrospina, Nitrococcus và Nitrospira và Nitroeystis (Watson và cộng sự,

1981) Quá trình thông thường được chỉ ra trong các phản ứng năng lượng (phản ứng

2.1 và 2.2):

Bước oxy hóa ammonium (Van de Graaf và cộng sự, 1995):

NH4+¿+ 1,5O2AOB

Bước oxy hóa nitrite:

tế bào vi khuẩn được mô tả ở phản ứng 2.4 (Tchobanoglous và cộng sự, 1991):

1991)

acid nitrous Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hóa,nhưng việc định lượng ảnh hưởng của nó thì rất khó khăn Nhiệt độ phù hợp cho vi

sự, 1991) pH cũng ảnh hưởng lớn đến vi khuẩn này và pH tốt nhất cho vi khuẩn này

hoạt động là 7,5- 8,6 Nồng độ DO = 4 -7 mg/L, tốc độ nitrat hóa diễn ra tốt, nếu DO

là 1 mg/L thì tốc độ này chỉ bằng 90% tốc độ ở nồng độ DO cao hơn Nitrat hóa cũng

nhiệt độ và pH

b/ Quá trình khử nitrate

Khử nitrate là quá trình chuyển nitrate thành nitơ tự do thông qua nitrite và cácchất trung gian khác dưới điều kiện thiếu khí Việc chuyển hóa này có thể đạt được do

một vài loại vi khuẩn như: Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, Micrococcus,

Proteus, v.v… (Tchobanoglous và cộng sự, 1991) Quá trình này đòi hỏi nguồn

cacbon (ví dụ methanol, etanol, acetate và glucose) cho sự phát triển của vi khuẩn dochúng là vi khuẩn dị dưỡng Do đó giá thành xử lý sẽ tăng cao, nhất là khi nước thải cóhàm lượng nitơ cao và nguồn cacbon hữu cơ dễ phân hủy sinh học có trong nước thải

chính: nitrate chuyển thành nitrite và nitrite chuyển thành một số sản phẩm trung giankhác trước khi được khử thành khí nitơ.

Nếu sử dụng methanol như nguồn cung cấp carbon cho tế bào thì phương trình

mô tả quá trình khử nitrate như sau:

6 NO−3¿+5C H3OH→ 3N2+5CO2+7H2O+6OH− ¿¿ ¿ (2.8)

Theo McCarty và công sự (1969), 25% đến 30% lượng methanol cần thiết cho

nhu cầu năng lượng tổng hợp tế bào Trong một nghiên cứu qua mô phòng thí nghiệm,

McCarty và công sự (1969) đã đưa ra phương trình mô tả phản ứng khử nitrate như

sau:

NO−3¿+1,08C H3OH+ H+ ¿→0,065 C5H7NO2+0,47 N2+2,44 H2O +0,76 CO2 ¿ ¿ (2.9)

Giống như quá trình nitrate hóa, có một vài yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khửnitrate Sự hiện diện của oxy tự do sẽ cản trở sự hoạt động hệ thống enzym cần choquá trình khử nitrate Thông thường thì giá trị pH tăng lên trong suốt quá trình khửnitrate thành khí nitơ do tạo ra độ kiềm pH thích hợp cho quá trình này dao động từ 7đến 8 tùy thuộc vào vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrate Tốc độ loại bỏ nitrate

và tốc độ sinh trưởng của vi sinh cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, và nhiệt độ thích hợp

(Tchobanoglous và cộng sự, 1991).

c/ Hạn chế của quá trình nitrate hóa – khử nitrate hóa

- Hiệu quả xử lý nitơ thấp, khoảng 40 – 70%, không thích hợp xử lý nước thải cónồng độ nitơ cao

- Lượng bùn sinh ra lớn, do đó tốn chi phí cho việc xử lý bùn

- Phải bổ sung các chất hữu cơ làm nguồn ung cấp carbon

- Đòi hỏi diện tích lớn

- Tốn nhiều năng lượng

- Giá thành xử lý cao.

Do vậy, yêu cầu cải tiến công nghệ nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phíđược đặt ra Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ được phát hiện ra trong tựnhiên, đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonia (Anaerobic Ammonia Oxydation –Anammox) Trong đó, Ammonia được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, khôngcần cung cấp carbon hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử

Hình 2.6 chỉ ra nguyên lý các quá trình chuyển hóa nitơ, bao gồm qui trình

nitrate hóa và khử nitrate truyền thống và các quá trình mới (Furukawa và cộng sự,

2000).

Hình 2.8 Chu trình chuyển hóa nitơ

(Nguồn: Furukawa và cộng sự, 2000)

2.2.2 Quá trình nitrite hóa bán phần

a/ Giới thiệu

Quá trình nitrite hóa bán phần thực chất là một phần trong chuỗi phản ứngchuyển hóa từ Ammonium đến sản phầm cuối cùng là nitơ tự do Vậy nitrite hóa bánphần (Partial Nitriteation) là quá trình oxy hóa một phần Ammonium thành nitrite

NH4+¿+ HCO3

− ¿+0,75O2→0,5 NH¿¿¿

¿ (2.10)Trong quá trình nitrite hóa bán phần có sự tham gia chính nhóm vi khuẩn AOB

(Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosorobrio…) và một phần nhỏ nhóm vi khuẩn NOB (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira, Nitrospina,

Nitroeystis…) theo phản ứng (2.11) và (2.12) sau:

NO−2¿+0,5O2→ NO3 ¿ (2.12)

cho hoạt động của vi sinh vật Hầu hết vi khuẩn trong quá trình nitrite hóa bán phần là

cho quátrình tổng hợp tế bào Nếu đại diện cho sinh khối của vi khuẩn nitrite hóa bán phần là

13 NH+4¿+15 CO2→ 10 NO−2¿+3 C5H7NO2+ 23 H2

+ 4H O¿¿

Theo Szatkowska (2002) mô tả quá trình nitrite hóa bán phần có sự tổng hợp

sinh khối được mô tả theo phương trình (2.14) sau:

2,34 NH4+ ¿+1,85O2+2,66 HCO3−¿→1,32 NO2

− ¿+0,024 C5H7 NO2+2,54 CO2+3,94H2O¿

¿ ¿

(2.14)

c/ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrite hóa bán phần

Theo Nghiên cứu của Anthonise (1976), pH ảnh hưởng đến sự cân bằng giữa

(Free Ammonium-FA) Những dạng không bị ion hóa của ammonium và nitrite như

Nitrobacter Dòng Nitrosomonas sps và dòng Nitrobacter sps đều nhạy cảm với

chính cơ chất của chúng và nhạy hơn đối với cơ chất của dòng còn lại Nitrobacter

nghiên cứu tiến hành với nồng độ FA khác nhau cho thấy pH ảnh hưởng đến nồng độ

FA và thông qua đó gây ra sự ức chế vi khuẩn oxy hóa nitrite Theo Surmacs-Gorska

(1997) nhận thấy, pH của nước thải là thông số quyết định cho cho sự ức chế hoạt

động của NOB Tương tự, cho thấy có sự tích tụ nitrite đạt được tại pH cao Suthersan

và Ganczarccyk (1986) và đưa ra dự đoán có thể tích trữ nitrite khi kiểm soát pH tại 8.

Hầu hết các tài liệu đều đưa ra sự liên quan giữa tích trữ nitrite bằng sử dụng pH trongkhoảng 7,5-8,5 làm yếu tố quyết định phù hợp cho ức chế vi khuẩn oxy hóa nitrite

Tương tự, Balmelle và cộng sự (1992), trong nghiên cứu của ông cũng cho thấy pH tối

ưu khoảng 8.5 tương tự như báo cáo của Wild (1971) và Jones và cộng sự (1983).

Jenicek và cộng sự (2004) cũng nhấn mạnh sự quan trọng của giá trị pH lên quá trình nitriteation và theo Tokutumi (2004) đó là điều cốt yếu Tokutumi (2004) đã

vận hành ở chế độ không điều chỉnh pH và thay đổi trong khoảng 6,6 - 8,0 theo chu kỳhoạt động của bể nitriteation là 6 giờ Khi pH được điều chỉnh bằng NaOH lên 8,5 thì

hiệu quả của quá trình tăng Villaverde và cộng sự (1997) đánh giá ảnh hưởng của pH

lên hoạt động lớp biofilm của vi khuẩn nitrite hóa dưới điều kiện ổn định, kết quả chothấy sự tạo ra nitrite là do vi khuẩn oxy hóa nitrite rất nhạy cảm đến các yếu tố nhưnhiệt độ, pH, DO và gây ra sự ức chế chúng Sự tích trữ nitrite bắt đầu khi pH trên 7,5

và gia tăng tiệm cận đến 85% cho giá trị pH 8,5 Sự tích trữ nitrite là do sự ức chế cólựa chọn lên vi khuẩn oxy hóa nitrite bởi nồng độ FA gia tăng theo số mũ khi pH trên

(1992) cho thấy giá trị pH trên 7,5 nên được duy trì làm ức chế lựa chọn cho vi khuẩn

oxy hóa nitrite và tạo sự tích trữ nitrite trong hệ thống Trong nghiên cứu nitrite hóa

của Glass và Silverstein (1998) cũng cho thấy có sự gia tăng rõ rệt tích trữ nitrite (250,

bể trong suốt quá trình nitrite hóa Ammonium tự do (FA) được hiểu là dạng khôngliên kết hay ammonium không ion hóa

Tốc độ nitrate hóa cực đại khi pH nằm trong khoảng 7,2 – 9,0 và giảm tuyến

tính khi pH < 7,2 Bằng cách xác định tốc độ quá trình nitrate hóa, Meyerhof (1916)

tìm thấy pH tối ưu cho hoạt động của Nitrosomonas là khoảng 8,5 – 8,8 và choNitrobacter là 8,3 – 9,3 Trong điều kiện pH < 7,0 hoặc > 8,9 tốc độ quá trình nitratechỉ bằng 50% tốc độ cực đại, dừng hẳn khi pH trong khoảng 5,0 – 5,5 Các kết quảtrên xác định trong trường hợp quá trình nitrate hóa được tiến hành riêng Trongtrường hợp kết hợp quá trình nitrate hóa và phản nitrate hóa thì pH tối ưu là khoảng 7-8

DO được sử dụng cho phản ứng oxy hóa của vi khuẩn nitrite hóa Lượng oxy

nồng độ DO là thông số quan trọng cho cả AOB cũng như NOB Nồng độ DO thấp

và cộng sự, 1980) Tuy nhiên, AOB có thể chịu được nồng độ DO thấp hơn NOB Sự

tích trữ của nitrite tại nồng độ DO thấp có thể được giải thích bởi sự khác biệt trong

Sự tích trữ nitrite có thể đạt được bằng cách kiểm soát nồng độ DO thấp bởi hệ số bãohòa oxy của động học Monod cho nitriteation và nitriteation là 0,3 và 1,1 mg/L

(Wiesmann, 1994)

Nói cách khác, nồng độ DO thấp ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động của NOB hơn

AOB (Leu và cộng sự, 1998), Hanaki và cộng sự (1990) Khi bể được vận hành ở

nồng độ DO thấp (<1,0 mg/L), tốc độ sinh trưởng quan sát của AOB nhanh gấp 2,56

lần so với NOB (Tokutomi, 2004) Nồng độ DO < 1 mg/L được dự đoán là đủ để AOB

chiếm ưu thế Giới hạn DO được xem là thông số cho ức chế sự sinh trưởng của NOB

và vì thế có thể đạt được quá trình nitriteation Trong nghiên cứu bởi Hanaki và cộng

sự (1990) cho bể sinh trưởng lơ lửng ở nhiệt độ 250C, sự oxy hóa nitrite bị ức chếmạnh bởi nồng độ DO thấp (<0,5 mg/L) Theo nghiên cứu này, nồng độ DO thấpkhông ảnh hưởng đến sự oxy hóa ammonium, sự sinh trưởng của vi khuẩn oxy hóaammonium tăng gấp đôi ở nồng độ DO thấp tạo ra thuận lợi bù lại cho tốc độ oxy hóaammonium giảm trên một đơn vị tế bào sinh khối

Sự oxy hóa nitrite bị ức chế mạnh bởi nồng độ DO thấp và sự sinh trưởng củaNOB không thay đổi Chính vì thế, tại nồng độ DO thấp dẫn đến sự sinh trưởng củaAOB gấp đôi trong khi sinh trưởng NOB là không thay đổi, sẽ làm gia tăng nồng độnitrite tạo ra Cùng với sự oxy hóa ammonium không bị ảnh hưởng sẽ dẫn đến sự tích

trữ nitrite tới 60 mgN/L tại HRT là 2,0 - 3,8 L/ngày (Hanaki và cộng sự, 1990).

Stenstrom và Poduska (1980) nhận thấy nồng độ DO cho nitrite hóa tối ưu là không

xác định rõ Ở MCRT cao hơn, quá trình nitrite hóa có thể đạt được ở DO trongkhoảng từ 0,5 - 1,0 mg/L Ở MCRT thấp nồng độ DO cần cao hơn Dựa trên phân tích

của nghiên cứu bởi Stenstrom và Poduska (1980), nồng độ DO thấp nhất mà quá trình nitrite hóa xảy ra là khoảng 0,3 mg/L, trong khi của Pollice và cộng sự (2002) nghiên

cứu ảnh hưởng của tuổi bùn và cấp khí cho sự oxy hóa ammonium thành nitrite Kếtquả cho thấy, tại nhiệt độ và pH đã cho, tuổi bùn là thông số then chốt cho nitrite hóabán phần trong khi nguồn cấp oxy không giới hạn Dưới điều kiện nguồn oxy giới hạn,

sự chuyển hóa hoàn toàn và ổn định của ammonium thành nitrite đạt được không phụthuộc vào tuổi bùn Thông số tuổi bùn chỉ cho thấy vài ảnh hưởng lên động học oxyhóa ammonium dưới điều kiện giới hạn Oxy

Có thể nói DO là một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trìnhnitrite hóa bán phần Quá trình tích lũy nitrite, oxy hóa Ammonium, loại bỏ nitơ đều

phụ thuộc vào nồng độ oxy hòa tan Lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóaAmmonium và oxy hóa nitrite theo phương trình (2.11) và (2.12) lần lượt là 3,43

rất cao

Mặc dù DO là tác nhân cần thiết để nâng cao hoạt tính của nhóm vi khuẩnnitrite hóa và nitrate hóa Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây về nồng độ DO cho thấy

vi khuần AOB thích hợp ở DO thấp so với vi khuẩn NOB Ngoài ra NOB còn bị ức

chế khi DO xuống quá thấp Nghiên cứu của Ma và cộng sự (2009) thiết lập mô hình

xử lý nitơ bằng hệ thống dòng chảy liên tục (V=300L) đối với nước thải đô thị bằngviệc kiểm soát nồng độ DO tại 0,4-0,7 mg/L Nghiên cứu cho thấy đã oxy hóa đượctrên 95% hợp chất nitơ tại thời điểm kết thúc thổi khí khi sử dụng phương pháp Nitritehóa bán phần Ngoài ra, hiệu quả loại bỏ nitơ cao hơn 20% so với phương pháp khửnitơ truyền thống và giảm được 24% chi phí năng lượng cho quá trình cấp khí Tổng

hợp đánh giá ảnh hưởng của DO đến quá trình nitrite hóa bán phần được Parades và

cộng sự (2007) trình bày ở bảng 2.4 sau:

Bảng 2.3 Ảnh hưởng của nồng độ DO đến quá trình nitrate hóa bán phần

Sinh trưởng lơ

lửng

Bể

Biofilm-Airlift

đều thấp

>2,5 Nitrate hóa toàn phần, quá trình oxy hóa NH4+ ¿¿

phụ thuộc vào tải trọng Ammonium

Khi tăng nồng độ DO sẽ làm tăng nitrate ở dòng

ra Quá trình tích lũy nitrite sẽ bị giảm

(Nguồn: Paredes và cộng sự, 2007)

nitrite cao hơn trong hệ thống xử lý nước thải không có khử nitrite trong mùa hè

Độ kiềm là yếu tố quan trọng đối với quá trình Nitrite hóa bán phần Quá trìnhchuyển hóa một phần hay toàn bộ Ammonium thành nitrite phụ thuộc vào độ kiềm

cho quá trình chuyển hóa Chính vì vậy nếu pH xuống thấp hơn 6,5 tương ứng với độkiềm thấp, quá trình nitrite hóa bán phần có thể bị ức chế hoàn toàn

Độ kiềm trong nước thải có 2 vai trò chính: (1) cung cấp nguồn carbon cho quá

phản ứng tạo môi trường cho vi khuẩn phát triển

Phillips và cộng sự (2000) đã đưa ra hàng chục chất thử nghiệm bởi Tomlinson

và cộng sự (1966), chỉ có chlorate, cyanate, azide và hydrazine gây ức chế quá trình

oxy hóa nitrite hơn so với quá trình oxy hóa ammonium Azide (50% tại 0,3 mM vivo)

cho thấy có sự ức chế lựa chọn mạnh lên oxy hóa nitrite (Ginestet và cộng sự, 1998).

Chlorate (20 mM) được sử dụng để ngừng oxy hóa nitrite trong hệ thống bùn hoạt tính

(Surmacz-Gorska và cộng sự, 1996) Thí nghiệm được tiến hành với NaClO (sodium

2.2.3 Quá trình Anammox

a/ Giới thiệu

Năm 1995, phản ứng chuyển hóa nitơ mới đã được phát hiện (Van de Graaf vàcộng sự, 1995) đó là phản ứng oxy hóa ammonium trong điều kiện kỵ khí, trong đó

Sự phát hiện này đã mở ra các hướng phát triển kỹ thuật mới để xử lý nitơ trong nướcthải, đặc biệt là các loại nước thải có hàm lượng nitơ cao Trong vòng 2 thập niên qua,

đã bùng nổ các nghiên cứu liên quan đến anammox và ứng dụng của nó Trên bình diện

lý thuyết, chu trình nitơ trong tự nhiên đã được bổ sung thêm một mắt xích mới, còn trênbình diện công nghệ, đã có các nhà máy xử lý nitơ bằng quá trình Anammox được xâydựng và vận hành ở Hà Lan, Đức, Áo (Gut, 2006), (Szatkowska, 2007)

Thật ra, phản ứng Anammox đã được dự báo từ trước khi phát hiện ra nó Trên

cơ sở tính toán nhiệt động học (Broda, 1977), (Van de Graaf và cộng sự, 1995) đã dựbáo về sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng có khả năng oxy hóa ammonium bởiNitrate, nitrite:

Mãi 17 năm sau minh chứng đầu tiên về phản ứng Anammox mới được phát hiện

ở một bể lắng sau bể khử Nitrate trong hệ thống xử lý và bể phân hủy bùn tại 19 brocades (Delft, Hà Lan) Qua theo dõi sự cân bằng nitơ, các tác giả đã phát hiện thấy sự

Gist-giảm đồng thời nồng độ ammonium và nồng độ nitrate, nitrite cùng sự tạo thành nitơphân tử ở điều kiện kỵ khí (Strous và cộng sự, 1997), (Strous và cộng sự, 1998), (VandeGraaf và cộng sự, 1996).

Nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Kỹ thuật Delft sau đó đã tiến hành các mô

tả và xác nhận ban đầu quá trình Anammox (Jetten và cộng sự, 2001), (Strous và cộng

sự, 1999) Theo đó, quá trình Anammox được xác định là một quá trình sinh học, trong

đó ammonium được oxy hóa trong điều kiện kỵ khí với nitrite là yếu tố nhận điện tử đểtạo thành nitơ phân tử với sự tham gia của vi khuẩn Anammox

Tiếp theo đó phản ứng Anammox cũng đã lần lượt được phát hiện và nhận dạng

vi khuẩn Anammox tại các hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà khoa học Đức (Egli vàcộng sự, 2001), Nhật Bản (Furukawa và cộng sự, 2000), Thụy Sĩ (Pynaert và cộng sự,2002) và Bỉ (Schimid và cộng sự, 2000)

Từ sự phát hiện trên (trong nhiều hệ thống xử lý nước thải có nồng độammonium cao) các nhà khoa học đi đến việc tìm kiếm các vi khuẩn tham gia quá trìnhAnammox trong các hệ sinh thái tự nhiên Thực vậy, đã chứng minh được rằng phảnứng Anammox giữ 50% vai trò tạo khí nitơ trong trầm tích biển (Bess và cộng sự,2003), (Kuypers và cộng sự, 2003) tại vùng nước thiếu khí dưới đáy đại dương ở CostaRica (Dalsgaard và cộng sự, 2002) Các vi khuẩn Anammox thuộc một chi mới cũngphát hiện được trong vùng nước gần đáy biển đen (Dalsgaard và cộng sự, 2002)

Trên cơ sở phát hiện mới về phản ứng Anammox và các vi khuẩn này tham gia

mà chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên ghi nhận trong sách giáo khoa trước nay đã được

bổ sung thêm một mắt xích mới là quá trình Anammox

Như đã nói ở trên, Anammox là quá trình oxy hóa ammonium bởi nitrite bằng

khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu với kỹ thuật mẻ liên tục (SBR) có tính đến

sự tăng trưởng sinh khối, phản ứng trong quá trình Anammox được xác định với các hệ

số tỉ lượng như sau (Furukawa và cộng sự, 2000), (Schimid và cộng sự, 2000):

Cơ chế sinh hóa

trình Anammox (Schmid và cộng sự, 2003)

Theo đó, quá trình đi qua sản phẩm trung gian là hydrazine (N2H4) với sự thamgia của enzyme HZO tương tự enzyme HAO tham gia oxi hóa hiếu khí ammonium,

-46kj/mol) Chu trình được các enzyme xúc tác cứ như thế sẽ được lặp lại liên tục

Một điểm khá thú vị liên quan đến enzyme HZO của vi khuẩn Anammox là cócấu trúc tương tự như enzyme HAO của vi khuẩn nitrosomonas, tức là chứa cáccytochrome C (cyt C) với nhân Haem C hấp thu ánh sáng ở bước sóng λ = 468nm(tương tự P460 của HAO (Lindsay và cộng sự, 2001) Vì nhân của các Haem này là ionsắt (FeII và FeIII), nên vi khuẩn Anammox có màu đỏ đặc trưng khi quần tụ ở mật độlớn, xuất hiện màu đỏ trong bùn hoạt tính là một chỉ thị tốt về sự hiện diện của vi khuẩnAnammox

Các nghiên cứu ban đầu về nhóm vi khuẩn Anammox cho thấy phản ứng kết hợpammonium với hydroxylamine và oxy hóa hydrazine xảy ra bên trong một “thể” gọi làAnammoxosome Anammoxosome nằm trong tế bào, bao bọc bởi màng lipid ladderane,

và có thể tách nguyên vẹn từ tế bào Anammox (Van Niftrik và cộng sự, 2004) Tínhchất và chức năng của Anammosome vẫn đang được nghiên cứu và được là một trongnhững vấn đề thú vị của sinh học tế bào (Schmid và cộng sự, 2005) Hình 2.9 cho thấy

sự phân khoang ở tế bào Anammox, trong đó thấy rỏ vị trí của Anammoxosome

Hình 2.9 Cơ chế sinh hóa của quá trình và sơ đồ phân khoang tế bào Anammox

Ghi chú:

- NR: Enzyme khử nitrite sản phẩm là NH 2 OH

- HH: Hydrazine (xúc tác tạp hydrazine từ ammonimun và hydroxylamine)

- HZO: Enzyme oxy hóa hydrazine