Tóm tắt Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà Nội với hàm lượng nhỏ hơn 2a5mg/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. Mời các bạn tham khảo!

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - TRỊNH XUÂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 52 03 20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2018 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Đức Hạ Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TSKH Ngô Quốc Bưu Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … , ngày … tháng … năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nhu cầu nước sạch, đảm bảo vệ sinh mối quan tâm hàng đầu trở thành chiến lược nhiều quốc gia có Việt Nam Hiện nay, nước ta mức sống người dân ngày cải thiện, ý thức bảo vệ sức khỏe ngày cao, đặc biệt đô thị lớn thủ đô Hà Nội Đây khu vực có mức độ tập trung dân cư cao thứ hai nước với dân số khoảng triệu người năm 2014 Tuy nhiên với phát triển nhiều mặt thủ đơ, vấn đề cấp nước chưa thể đáp ứng mặt số lượng chất lượng Kết khảo sát Liên đồn địa chất thủy văn - Địa chất cơng trình miền Bắc lại cho thấy hàm lượng nhiễm amoni nước ngầm Hà Nội vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, có nơi cao gấp 10 - 20 lần Sự lo ngại lớn vấn đề amoni sản phẩm trung gian hợp chất nitrit nitrat hình thành từ amoni trình xử lý sử dụng nước cấp cho ăn uống sinh hoạt theo chế sau: Trong trình xử lý nước, bể lọc ln ln hình thành cách tự nhiên vi khuẩn Nitrosomonas Các vi khuẩn chuyển hoá phần amoni nước ngầm thành sản phẩm trung gian nitrit Nếu có đủ điều kiện, tác dụng loại vi khuẩn khác hình thành cách tự nhiên bể lọc Nitrobacter, sản phẩm trung gian nitrit tiếp tục chuyển hoá thành nitrat Trong chưa đủ sở để đánh giá mức độ hướng tác hại amoni lên thể người tác hại sản phẩm có nguồn gốc từ amoni nitrit NO2-, nitrat NO3- lại biết rõ Các chất nitrit NO2- nitrat NO3- tác nhân gây nên phá hoại hồng cầu trẻ em tác nhân gây bệnh ung thư Một cơng nghệ hoi đáp ứng tiêu chí địi hỏi cơng nghệ màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR) Đó công nghệ sử dụng màng vi sinh bám chất mang, chất mang chuyển động nước hoạt động Hiệu xử lý thấp dạng kỹ thuật lưu thể (fluidized bed reactor), cao nhiều so với kỹ thuật khác, bù lại vận hành đơn giản nhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể (địi hỏi trình độ tự động hóa cao) Từ thực tiễn nêu trên, Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni nước ngầm hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động” lựa chọn cho luận án tiến sĩ MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2.1 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu xử lý amoni nước ngầm vùng Hà Nội với hàm lượng nhỏ 25mg/L (20mgN/L) q trình Nitrat hóa (Nitrification) khử Nitrat (Denitrification) đồng thời 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 trọng lượng nhẹ dễ chuyển động nước, điều kiện không bổ sung chất - Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu mang vi sinh DHY dạng tích hợp bao gồm bể MBBR bể lọc tự rửa để xử lý amoni nước ngầm đảm bảo tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt ăn uống với hiệu cao, phù hợp với khả đầu tư điều kiện vận hành Việt Nam 2.2 Nội dung nghiên cứu (1) Thu thập số liệu khảo sát trạng khai thác, dây chuyền công nghệ xử lý nhà máy nước (NMN) vùng Hà Nội để đánh giá tổng quan chất lượng nước ngầm, ô nhiễm amoni yếu tố ảnh hưởng như: pH, nhiệt độ, độ kiềm, chất hữu cơ, phốt đánh giá hiệu xử lý amoni dây chuyền (2) Nghiên cứu tổng quan phương pháp xử lý amoni nước giới phân tích ưu nhược điểm đưa vấn đề tồn (3) Nghiên cứu tổng quan xử lý amoni phương pháp vi sinh để hiểu chế xử lý, loại vi sinh vật, yếu tố ảnh hưởng mơ hình động học phản ứng làm sở lựa chọn mơ hình thí nghiệm, phân tích đánh giá kết thu mơ hình thí nghiệm mơ hình thử nghiệm trường (4) Nghiên cứu tổng quan màng vi sinh cơng trình sử dụng kỹ thuật màng vi sinh, đánh giá ưu nhược điểm loại màng, loại cơng trình từ đề xuất vật liệu mang di động sử dụng cho thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni nước ngầm Hà Nội (5) Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình phịng thí nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ thí nghiệm liên tục để xác định thông số động học hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1), hiệu suất sinh khối Y (g SK/g N-NH4+), số bán bão hòa amoni Ks (mgN/L), hệ số tiêu thụ chất k (µ/Y) Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến trình nitrat hóa: amoni đầu vào, nồng độ xy (DO), mật độ vật liệu mang, số ngăn bể phản ứng Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến trình khử nitrat đồng thời mơi trường hiếu khí, ảnh hưởng nồng độ chất xây dựng phương trình thực nghiệm cho tốc độ khử nitrat riêng (U) (6) Nghiên cứu thiết kế xây dựng mô hình tích hợp dạng modul cho hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động với vật liệu dạng xốp DHY trường, chạy thử để kiểm chứng thông số động học xây dựng số liệu cho việc tính tốn thiết kế 2.3 Phạm vi Nước ngầm vùng Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với nồng độ nhỏ 25 mg/L (20 mgN/L), bao gồm khu vực đô thị nông thơn Ngồi áp dụng cho NMN vùng khác có nguồn nước bị nhiễm amoni bao gồm nước mặt 2.4 Đối tượng - Vật liệu mang DHY với tiết diện bề mặt cao 60008000 m /m3 với q trình nitrat hóa khử nitrat đồng thời điều kiện hiếu khí - Hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) tích hợp bể lọc tự rửa (DHK) 2.5 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Tiến hành xây dựng loại mơ hình thí nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ thí nghiệm liên tục xử lý nitơ amoni với mẫu nước mô từ chất lượng nước ngầm thực tế với giới hạn nghiên cứu biến động sau: Hàm lượng NH4+< 50mgN/L, Nhiệt độ giao động từ 25-30oC, Chất hữu không đáng kể, Hàm lượng phốt giao động từ 0,5-1,5 mg/L, pH: 7,2-8,0, Độ kiềm khoảng từ 200-300 mg(CaCO3)/L - Thí nghiệm theo mẻ: Đánh giá ảnh hưởng thời gian lưu, mật độ vật liệu mang, nồng độ ô xi, chất số lượng ngăn phản ứng từ đưa thơng số tối ưu cho q trình nitrat hóa khử nitrat - Thí nghiệm liên tục: Mơ hình thiết kế sở thơng số tìm từ thí nghiệm theo mẻ để xác định thơng số động học cho q trình nitrat hóa khử nitrat vật liệu mang dạng xốp DHY - Thiết kế tích hợp bể MBBR bể lọc tự rửa (DHK) với công suất 5m3/h vận hành xử lý amoni để kiểm chứng thơng số động học tìm phịng thí nghiệm địa điểm nghiên cứu huyện Thanh Trì trường NMN Yên Xá, CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG 1.1 Tổng quan trạng ô nhiễm amoni vùng Hà Nội Hầu ngầm Hà nội có hàm lượng sắt khoảng 3-20 mg/L cao nhiều lần so với tiêu chuẩn nước 0,3 mg/L Ngoài số khu vực cịn có hàm lượng mangan chất hữu cao tiêu chuẩn khoảng từ 1-5 lần so với tiêu chuẩn nước mangan 0,3 mg/L chất hữu mg/L Đặc biệt khu vực phía Nam Tây Nam thành phố Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với hàm lượng cao từ 5-25 mg/l (3,8-20 mgN/L) so với tiêu chuẩn nước mg/L (2,3 mgN/L) Với công nghệ xử lý nước Hà Nội chủ yếu hướng tới việc loại bỏ sắt, mangan nước ngầm với dây chuyền làm thoáng, lắng tiếp xúc lọc nhanh trọng lực Chất lượng nước sau xử lý đảm bảo quy chuẩn quốc gia QCVN 01:2009/BYT ngoại trừ tiêu amoni không xử lý Theo kết khảo sát qua dây chuyền xử lý nước hàm lượng amoni giảm xuống so với đầu vào khoảng 10-20% nước cấp vào thành phố hàm lượng amoni khoảng 5-20 mg/L (4-18 mgN/L) cao so với tiêu chuẩn mg/L (2,3 mgN/L) 1.2 Xử lý amoni phương pháp sinh học Quá trình xử lý amoni sinh học thực theo q trình chính: (1) truyền thồng thực thơng qua nitrat hóa (nitrification) khử nitrat (denitrification); (2) Anammox q trình oxy hóa amoni yếm khí amoni nitrit oxy hóa khử cách trực tiếp thành khí nitơ; (3) Sharon q trình nitrat hóa phần, sản phẩm q trình nitrit sau khử nitrit dạng khí nitơ nguyên tắc xử lý “đi tắt” trình Đối với việc xử lý theo trình Anammox Sharon tiết kiệm khoảng 25% lượng oxy 40% chất hữu cơ, nhiên trình địi hỏi kiểm sốt khắt khe tương đối phức tạp trình vận hành Vì luận văn tập trung nghiên cứu xử lý amoni theo q trình truyền thống nitrat hóa khử nitrat dạng khí nitơ 1.3 Kỹ thuật màng vi sinh 1.3.1 Vật liệu mang vi sinh Vật liệu mang DHY làm từ Polyurethan công ty sản xuất, diện tích bề mặt vật liệu mang tính tốn dựa kích thước hình học giá thể cấu trúc xốp nó, lỗ nhỏ li ti bên giá thể tạo bề mặt cho sinh trưởng phát triển vi sinh vật; chế khuếch tán trao đổi chất tương tự màng sinh học cố định Do đó, q trình chuyển khối hệ mang chuyển động cao so với hệ mang cố định Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY làm từ nhựa polyurethan (PU) có độ rỗng xốp cao từ 92 - 96%, diện tích bề mặt lớn đạt tới 15.000 m2/m3 vật liệu (thông thường từ 6.000 – 8.000 m2/m3) Do cấu trúc xốp vật liệu mang nên có trọng lượng riêng nhỏ khoảng 33 kg/m3, tính linh động giá thể cao, hạn chế di chuyển dịng khí O2 khỏi bể, theo giảm áp lực, thể tích khí u cầu cấp vào bể, tiết kiệm lượng, giảm chi phí vận hành Tỷ lệ vật liệu mang bể khoảng 20-30% 1.3.2 Bể sinh học sử dụng màng vi sinh chuyển động (MBBR) Công nghệ màng sinh học giải pháp áp dụng phổ biến nhiều nhà máy xử lý nước, bể lọc sinh học nhỏ giọt (BF), đĩa quay sinh học (RBC), màng sinh học ngập nước với loại vật liệu lọc đa dạng Tỷ lệ vật liệu mang bể cao thường từ 40-100%, hiệu xử lý amoni chúng không cao (chỉ đạt khoảng 60-70%), cơng trình lớn dễ bị tắc Kỹ thuật màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor - MBBR) Với cơng nghệ giải vấn đề tồn bể sinh học sử dụng màng cố định giảm khối tích cơng trình, giảm chi phí lượng đặc biệt tăng hiệu xử lý amoni cách đáng kể khoảng 90-95% 1.4 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Quốc tế Những vấn đề tồn công nghệ xử lý amoni phải xây dựng nhiều bể để tách trình xử lý, vật liệu mang sử dụng có tiết diện bề mặt thấp, tỷ trọng lớn, phải bổ sung chất để khử nitrat tuần hồn nước, kiểm sốt nồng độ ô xi chặt chẽ, tiêu tốn lượng quản lý vận hành phức tạp Phương pháp lọc sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi sinh cho phép tăng mật độ vi sinh đơn vị thể tích với mức độ cao tới mười lần so với kỹ thuật bùn hoạt 10 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phạm vi đối tượng nghiên cứu Với phạm vi nghiên cứu nước ngầm Hà Nội Với đối tượng nghiên cứu hệ thiết bị xử lý amoni sử dụng vật liệu mang di động DHY, tích hợp với bể lọc tự rửa Thiết bị lắp đặt phía sau bể lọc nhanh có nhà máy nước Yên Xá (nước sau lọc chưa khử trùng clo hoạt tính) Cơng suất pilot trường 5m3/h Các q trình nitrat hóa khử nitrat bên vật liệu mang điều kiện hiếu khí, xác định thơng số động học, thơng số tính tốn thơng hệ thí nghiệm theo mẻ liên tục điều kiện phịng thí nghiệm Triển khai thiết kế chạy thử pilot trường để kiểm chứng kết đề xuất thơng số tính tốn, thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni cho nước ngầm Thiết kế chạy thử pilot trường để kiểm chứng kết đề xuất thơng số tính tốn, thiết kế bể sinh học MBBR xử lý amoni dạng modul 2.2 Xác định thông số động học 2.2.1 Quá trình nitrat hóa Để thiết kế hệ thống xử lý nước theo mơ hình động học phải biết giá trị số động học Các giá trị đặc trưng cho trình động học gồm hệ số tiêu thụ chất k (µ/Y), số bán bão hòa Ks, số phân hủy nội sinh kp xác định từ thực nghiệm hệ thí nghiệm cụ thể Hệ thí nghiệm bình phản ứng chứa nồng độ vi 11 sinh X, khuấy trộn hoạt động liên tục (trong tốc độ dịng vào dịng Nồng độ chất dòng vào S0, đầu S Nồng độ vi sinh đầu vào X0 (g/l) , đầu Xe (g/l) Cơ chất vi sinh vật sử dụng để tổng hợp tế bào, phần tham gia phản ứng sinh hóa để tạo lượng, số lượng tế bào vi sinh tạo thành tương ứng với hao hụt chất hệ Khi tốc độ sinh trưởng tế bào Vg(g/l.d) định nghĩa có dạng: dX Vg   .X dt (2-16) Trong µ (1/d) hệ số tương quan đặc trưng cho chủng loại vi sinh vật số phát triển riêng Gọi vsu tốc độ suy giảm chất đó: vg = -Y.vsu (2-17) Trong Y hiệu suất sinh khối mang ý nghĩa tiêu hao lượng chất sinh lượng sinh khối (g/g), dấu (-) hai trình ngược Tuy nhiên nhu cầu vật chất để vi sinh vật phát triển phù hợp với biểu thức (2-17) thỏa mãn Khi nhu cầu khơng đáp ứng tốc độ sinh trưởng giảm Mức độ suy giảm quy cho biên đổi giá trị số phát triển riêng, theo động học Monod, µ tính tốn sau:    max S KS  S (2-18) Kết hợp phương trình (2-16), (2-17) (2-18) ta có: 12 Vsu    m X.S Y  K S  S (2-19) Hay tốc độ suy giảm chất định nghĩa: S S Q (2-20) Vsu   So  S   o V  Sử dụng hệ thí nghiệm liên tục khuấy trộn, thời gian lưu tế bào định nghĩa: V.X c  Q w X r  Qe X e (2-21) Trong đó: Qw: Lưu lượng dịng hỗn hợp nước-bùn bể bùn Qe: Lượng thoát khỏi bể phản ứng V: Thể tích bể phản ứng X, Xe, Xr: Mật độ vi sinh bể phản ứng, dòng ra, dịng thải Khi phương trình cân chất mô tả biến động mật độ sinh khối nồng độ chất viết sau: dX (2-22)  Q.Xo   Qw Xr  Qe Xe   V.vg' dt Trong đó: Q: Lưu lượng đầu vào Qe X0: Nồng độ vi sinh dòng vào v,g: Tốc độ tăng trưởng sinh khối thực v,g = vg + vp = -Yvsu – kp.X (2-23) V: Thể tích khối phản ứng Trong trạng thái vận hành ổn định với mật độ vi sinh X, mật độ vi sinh không thay đổi theo thời gian dX/dt =0 Nồng độ X0 dòng vào thường nhỏ nên X0=0 13 Từ phương trình (2-22) (2-23) ta có: Qw X r  Qe Xe  Yvsu  k p X V Chia vế cho X ta có: Qw X r  Qe Xe Yv   su  k p V.X X (2-24) (2-25) Vế trái phương trình đại lượng nghịch đảo tuổi bùn (2-24) viết lại: Yv   su  k p c X (2-26) Kết hợp phương trình (2-18) (2-19) ta có: S S  m X.S (2-27) Vsu    O Y  KS  S  Trong hệ số tiêu thụ chất riêng k mang ý nghĩa khả tiêu thụ chất đơn vị sinh khối hình thành  k m Y Kết hợp 2-27 2-28 ta được: S S k.X.S Vsu    KS  S  Chia vế cho X ta có S S k.S  o KS  S .X (2-29) (2-30) Tuyến tính hóa (2-30) cách nghịch đảo: K .X (2-31)  S So  S k.S k Nếu coi vế trái (2-31) hàm số, 1/S biến số thu phương trình đường thẳng có độ dốc ( Ks/S đoạn cắt 14 trục tung 1/k) từ tính k, Ks Giá trị kp Y xác định sau: Sử dụng mối quan hệ biểu thức (2-26) đặt 1/ hàm số, vsu/X biến số, từ xác định Y kp 2.2.2 Quá trình khử nitrat Do trình khử nitrat q trình thiếu khí dị dưỡng, thực nghiệm để tính tốn thơng số động học sử dụng cho trình tiêu hao chất hữu cơ, yếu tố khống chế q trình khử nitrat Mơ hình động học xây dựng để mơ tả khử nitrat bao gồm mơ hình Monod mơ hình kinh nghiệm Tốc độ phản ứng khử nitrat thể sau: U= k (2-32) U = k.X (2-33) Trong k số tốc độ phản ứng, X nồng độ vi sinh Với kỹ thuật phản ứng dòng liên tục, hiệu suất khử nitrat tốc độ phản ứng tính từ thực nghiệm theo công thức: H r SO  S SO SO  S SO H.Q   V r  k.Snra (2-34) (2-35) (2-36) Khi tốc độ tiêu thụ chất riêng nitrat tính theo cơng thức: U r X (2-37) 15 r/X mang ý nghĩa tốc độ tiêu thụ chất tính theo đơn vị khối lượng (nồng độ) vi sinh gọi tốc độ khử nitrat riêng U Khi phương trình (2-37) viết sau: r S  S Q So  S (2-38) U  o  X .X V X Trong thời gian lưu tế bào tính theo cơng thức (2-21), Xe phương trình (2-21) viết lại sau: c  V.X X   Q w X r Xr (2-39) Khi thời lưu thủy lực viết sau:  X (2-40)  c r X Kết hợp phương trình (2-38) (2-40) tốc độ khử nitrat riêng viết lại theo công thức sau: S  S So  S (2-41) U o  c X r X r c Có thể thấy mối quan hệ ràng buộc hoạt tính vi sinh tốc độ suy giảm chất riêng: vi sinh có tốc độ phát triển nhanh khả xử lý chất ô nhiễm tốt Trên sở mối quan hệ sử dụng đại lượng thời gian lưu tế bào ( ) để kiểm soát q trình xử lý mà khơng cần xác định nồng độ sinh khối hữu hiệu lượng chất sử dụng vi sinh vật Nếu biểu diễn phương trình U = f(c) phương trình tính tốn theo bậc, biểu diễn phương trình U = f(c) thành U = k.c-n, vẽ phương trình theo số liệu thực nghiệm với 16 y = U, x = c từ xác định hệ số tốc độ phản ứng k bậc phản ứng n 2.3 Vật liệu mang vi sinh DHY Vật liệu mang vi sinh DHY Công ty Cổ phần Xây dựng Môi trường Việt Nam (VINSE) sản xuất lựa chọn để tiến thành thí nghiệm DHY có kích thước 1cm x 1cm x 1cm tiến hành thí nghiệm xác định thông số kỹ thuật DHY vật liệu mang chưa có vi sinh gồm: Khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến, độ xốp, thể tích xốp, diện tích bề mặt 2.4 Mơ hình phịng thí nghiệm 2.4.1 Sơ đồ thí nghiệm theo mẻ Thí nghiệm lắp đặt theo kỹ thuật phản ứng theo mẻ với bình phản ứng hình hộp chữ nhật thể tích 36 lít Vật liệu mang cho vào bình phản ứng nuôi cấy vi sinh với mật độ ổn định Hệ thống cấp khí Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo mẻ đặt bên thành bình gần đáy với sục đá, khí cấp vào nhờ máy nén khí để trì chuyển động vật liệu mang cung cấp oxy cho q trình nitrat hóa Mục đích thí nghiệm theo mẻ gồm ảnh hưởng nồng độ amoni đầu vào lên tốc độ phản ứng, khảo sát mật độ vật liệu mang tới tốc độ nitrat hóa, khảo sát ảnh hưởng nồng độ ô xi, khảo sát ảnh hưởng chất 17 Sơ đồ thí nghiệm bố trí hình 2.1, tùy mục đích thí nghiệm thay đổi mật độ vật liệu mang chứa vi sinh từ 5%-30% nồng độ N-NH4+ đầu vào khác từ 10 mgN/L đến 50 mgN/L 2.4.2 Sơ đồ thí nghiệm liên tục Khi ghép nhiều bể phản ứng liên tục khuấy trộn với tổ hợp chúng tiệm cận tính dịng đẩy lý tưởng Thí nghiệm dịng liên tục với mục đích xác định thông số động học hệ thống xử lý nước Các thí nghiệm với dịng liên tục bố trí với mơ hình gồm: bình phản ứng, bình phản ứng bình phản ứng nối tiếp Các thông số động học Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm tính tốn qua thí nghiệm liên tục bình phản ứng Các bình phản ứng hình trụ tích lít, bổ sung vật liệu mang vi sinh tương đương 20% dung tích bể Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm ghép nối tiếp Sơ bình nối tiếp đồ thí nghiệm bố trí hình từ 2.2 đến 2.4 thí nghiệm với nồng độ amoni đầu vào thay giao động Hình 2.4.Sơ đồ thí nghiệm từ 10-50 mgN/L độ kiềm, bình nối tiếp phốt đảm bảo 18 2.5 Mơ hình pilot MBBR thực tế 2.5.1 Vị trí lắp đặt Pilot Căn vào kết thông số động học xác định từ mơ hình phịng thí nghiệm để tính tốn thiết kế pilot MBBR công suất m3/h Nhà máy nước Yên Xá – Huyện Thanh Trì với cơng suất thiết kế 6.000 m3/ngđ cung cấp nhu cầu nước cho nhân dân Yên Xá với giếng khai thác nước ngầm Pilot lắp đặt sau dây chuyền xử lý sắt có Nước sau bể lọc dẫn vào hệ thiết bị xử lý amoni trước khử trùng 2.5.2 Vận hành pilot lấy mẫu pilot Sau lắp đặt pilot, kiểm tra thiết bị cho tiến hành chạy thử pilot điều kiện vận hành liên tục 24/24 giờ, cấp khí đảm bảo khuấy trộn hồn tồn ngăn hiếu khí Điều chỉnh lưu lượng tăng dần từ 1-5m3/h thời gian tháng, sau cho vận hành liên tục tháng với lưu lượng thiết kế lấy mẫu sau xử lý hàng ngày để kiểm tra số amoni, nitrit, nitrat, độ kiềm 19 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Vật liệu mang vi sinh Thông số sở VLM Vật liệu mang dạng xốp DHY sản xuất từ nhựa polyuretan với mẫu lựa chọm M1, M2, M3, M4, M5 có tỷ lệ chất phụ gia CaCO3 0%, 5%, 10%, 15%, 20% kết khối lượng riêng biểu kiến 0.021-0.027 g/mL; khối lượng riêng thực 0.203-0.283 g/mL, độ xốp 92,7-93,8%; diện tích bề mặt 6000-8000 m2/m3 3.2 Xác định thơng số động học 3.2.1 Q trình nitrat hóa Tốc độ nitrat hóa Kết k n tìm bảng 3.5a thay vào phương trình 2-6: r  k.Snra với giá trị amoni đầu theo QCVN 3mg/L (2,3mgN/L) xác định giá trị tốc độ nitrat hóa trung bình 16,25 mgN/L.h quy đổi tải lượng xử lý amoni theo 20% vật liệu mang vi sinh trung bình 1950,00 gN/m3.VLM.ngày Tính tốn hệ số tiêu thụ chất k số bán bão hòa Ks từ thực nghiệm Từ bảng 3.7 kết tính tốn k Ks thấy, hệ số tiêu thụ chất tăng nồng độ N-NH4+ đầu vào giảm, giá trị k từ 0,4-0,6 Với số bán bão hòa Ks dao động ổn định quanh giá trị trung bình Chỉ số bán bão hòa Ks khoảng từ 0,92-1,13 phù hợp với nghiên cứu Xác định hiệu suất sinh khối Y hệ số phân hủy nội sinh kp 20 Từ biểu đồ tính tốn hiệu suất sinh khối Y hệ số phân hủy nội kp, có vài nhận xét hình thành sinh khối sau: nồng độ amoni tăng hiệu suất sinh khối có su giảm nhiên giá trị dao động khoảng hẹp 0.1-0.38 Giá trị kp thấp thể khả trì hoạt tính cao vi sinh vật hệ xử lý dao động khoảng 0.01-0.04 3.2.2 Xác định phương trình tốc độ khử nitrat riêng (U) đồng thời hệ bể hiếu khí Từ bảng 3.11 lựa chọn k n giá trị trung bình theo biểu đồ hồi quy số liệu cho phương trình thực nghiệm tính tốn tốc độ khử nitrat riêng U = k.c-n Giá trị k khoảng 0,04-0,48 n khoảng 0,6-1,08 3.3 Mơ hình pilot MBBR thực tế - Thiết kế pilot MBBR chạy thử Yên Xá để kiểm chứng lại thông số động học đại diện chọn kết cho thấy có tương đồng kết mơ hình phịng thí nghiệm pilot thực tế Các thông số động học lựa chọn cụ thể sau: - Thông số động học q trình nitrat hóa Bảng 3.24 Thơng số động học đặc trưng q trình nitrat hóa Giá trị Thơng số Khoảng Hiệu suất sinh khối Y (gSK/gNH4+-N) Hệ số tiêu thụ chất riêng k (d-1) Chỉ số bán bão hòa Ks, NH4+ (gN/m3) Hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1) 0.1 – 0.38 0.41 – 0.61 0.92 – 1.13 0.01 – 0.04 Đại diện 0.25 0.55 1.00 0.035 21 - Phương trình thực nghiệm tốc độ khử nitrat riêng điều kiện hiếu khí sử dụng chất từ phân hủy nội sinh Bảng 3.25 Hệ số động học đặc trưng trình khử nitrat riêng Giá trị Thông số Khoảng Đại diện Hệ số k 0,04 - 0,48 0,4 Hệ số n 0,6-1,08 0,6 Công thức tính tốn tốc độ khử nitrat riêng: U=0,4.c-0,6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Một nghiên cứu cơng nghệ MBBR với vật liệu mang vi sinh có độ xốp diện tích bề mặt cao ứng dụng cho xử lý amoni nước ngầm vùng Hà Nội khẳng định q trình nitrat hóa khử nitrat mơi trường hiếu khí đạt hiệu cao xử amoni cho thấy hiệu ứng dụng thực tế để giải vấn đề ô nhiễm amoni nước cấp cho ăn uống sinh hoạt nhân dân thủ đô đảm bảo quy chuẩn cho phép (QCVN01:2009/BYT) Luận án chứng minh trình khử nitrat thực màng vi sinh với chất trình phân hủy nội sinh đảm bảo hiệu suất khử nitrat khoảng 30% mà khơng cần bổ sung chất từ bên ngồi Kết chạy thử pilot hệ thiết bị xử lý amoni với 22 công suất thiết kế 5m3/h thiết kế tích hợp bể MBBR với bể lọc tự rửa DHK sử dụng vật liệu lọc cát thạnh anh cỡ hạt 0,7-1,2 mm, nồng độ amoni đầu vào 20 mgN/L, thời gian lưu thủy lực điều kiện hiếu khí khơng cần bổ sung chất mà đảm bảo việc xử lý amoni tiêu chuẩn cho phép Luận án đưa thơng số tính tốn thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni cho việc tách loại amoni nước ngầm Hà Nội cơng nghệ màng vi sinh chuyển động với giá thể DHY có diện tích bề mặt cao khoảng 6.000- 8.000 m /m , trọng lượng khoảng 20-50 kg/m , mật độ 3 vật liệu mang 20% theo thể tích bể Với thiết kế tích hợp bể MBBR với bể lọc tự rửa DHK làm cho cơng trình xử lý amoni cịn khối cơng trình thay khối cơng trình cơng nghệ truyền thống (bể nitrat hóa, bể khử nitrat, bể sục khí tăng cường bể lọc) KIẾN NGHỊ Giới hạn nghiên cứu luận án xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni với nồng độ nhỏ 25mg/L (20 mgN/L) điều kiện khơng bổ sung chất cho q trình khử nitrat Vì cần tiếp tục nghiên cứu bổ sung chất tuần hoàn nước để tăng tốc độ khử nitrat nhằm xử lý nước ô nhiễm amoni với nồng độ cao Tiếp tục nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni với việc sử dụng quy trình Anammox Sharon để tăng hiệu xử lý tiếp kiệm lượng 23 Tiếp tục nghiên cứu phát triển vật liệu mang dạng xốp để tăng độ bền học tăng khả ngậm nước Kiến nghị sử dụng kết nghiên cứu luận án làm tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng xử lý ô nhiễm amoni nước ngầm Hà Nội đảm bảo tiêu chuẩn QCVN01:2009/BYT tiêu amoni, nitrit nitrat cấp nước cho nhân dân thủ đô mở rộng cho địa phương khác Việt Nam ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY có tiết diện bề mặt cao cho phép tích hợp q trình nitrat hóa khử nitrat bể xử lý, ngăn hiếu khí bể - Q trình khử nitrat mà khơng cần bổ sung chất bên ngoài, sử dụng chất từ phân hủy nội sinh - Thiết kế tích hợp bể MBBR với bể lọc tự rửa dạng modul để loại bỏ amoni nước ngầm Hà Nội 24 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Trịnh Xuân Đức, Lê Anh Tuấn, Đoàn Mạnh Hùng, Trần Việt Dũng Công nghệ xử lý nước thải phương pháp màng vi sinh chuyển động - Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR).Tạp chí cấp nước Việt Nam, số (87) T10/2012 Trịnh Xuân Đức, Trần Việt Dũng Xử lý nước thải sinh hoạt công nghệ xử lý sinh học ngắt qng Tạp chí cấp nước Việt Nam, số (86) T82012 Trịnh Xuân Đức, Lê Anh Tuấn, Đoàn Mạnh Hùng, Đào Như Ý, Nguyễn Thị Thanh Hịa, Phan Thị Phương Thảo, Nguyễn Văn Hồng Xử lý đồng thời chất hữu (BOD5) amoni-nitơ (NH4+-N) nước thải sinh hoạt nghiên cứu cho thành phố Đà Lạt sử dụng công nghệ màng vi sinh chuyển động.Tạp chí Cấp nước Việt Nam, số 1+2 (99+100), T1+3/2015 D.X Trinh, A.T Le, H.M Doan Manh, H.T.T Nguyen, H D Pham & B.V La (Vietnam), 2014 Study on NNH4+ removal from Undergroundwater by MBBR case study in Bach Khoa Ward - Hanoi, Vietnam Sustainable water and sanitation services for all in a fast changing world, Construction Publishing House HaNoi, 2014,pp:855 – 860 Trinh Xuan Duc, Tran Duc Ha, Le Anh Tuan, Nguyen Thi Thanh Hoa and Nguyen Thi Viet Ha (VietNam), 2016.Application of the simultaneous process of Nitrification and Denitrification by using Moving Bed Biofilm Reactor for groundwater treatment in Ha Noi The 12th International Symposium on Southeast Asian Water Environment (SEAWE2016) Hanoi, Vietnam, November 28-30, 2016 ... nêu trên, Đề tài ? ?Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni nước ngầm hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động? ?? lựa chọn cho luận án tiến sĩ MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2.1... màng vi sinh cơng trình sử dụng kỹ thuật màng vi sinh, đánh giá ưu nhược điểm loại màng, loại cơng trình từ đề xuất vật liệu mang di động sử dụng cho thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni nước ngầm. .. sung chất - Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu mang vi sinh DHY dạng tích hợp bao gồm bể MBBR bể lọc tự rửa để xử lý amoni nước ngầm đảm bảo tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt ăn