NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

  BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO  TẠO  VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC  HỌC  VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM  NAM  HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ  NGHỆ  - TRỊNH XUÂN ĐỨC  ĐỨC  NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG  DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ  BỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG  ĐỘNG  LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT  THUẬT MÔI TRƯỜNG  TRƯỜNG  HÀ NỘI –  2018  2018   BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO  TẠO  VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC  HỌC  VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM  NAM  HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ  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  ĐỘNG  Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường  trường  Mã số: 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT  THUẬT MÔI TRƯỜNG  TRƯỜNG  Người hướng dẫn khoa học:  học:  PGS.TS Trần Đức Hạ  PGS.TSKH Ngô Quốc Bưu  Bưu  Hà Nội –  2018  2018     LỜI CAM ĐOAN  ĐOAN  Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu thí nghiệm kết nghiên cứu luận án trung thực, chưa công  bố cơng trình khác  Hà Nội, ngày tháng năm 2018  Tác giả luận án  Trịnh Xuân Đức  Đức    ii   LỜI CẢM ƠN  ƠN  Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Đức Hạ, PGS TSKH Ngô Quốc Bưu theo sát, tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến q báu, định hướng nghiên cứu hoàn thành luận án   Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Công nghệ Môi trường, trường Đại học Xây dựng thầy cô giáo hội đồng chấm luận án giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận án này.  Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Nguyễn Thị Thanh Hịa, Nguyễn Văn Hồng tập thể kỹ sư Viện khoa học Kỹ thuật hạ tầng Môi trường (SIIEE) giúp đỡ trình thu thập số liệu trạng, vận hành mơ hình phịng thí nghiệm  pilot trường.  Chân thành cảm ơn bạn Nguyễn Thị Việt Hà, Trần Đức Khánh nhiệt tình cộng tác trình hồn thiện báo cáo luận án.  Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo đồng nghiệp Công ty Cổ phần Xây dựng Môi trường Việt Nam (Vinse) tạo điều kiện thuận lợi cho q trình nghiên cứu học tập để hồn thành luận án.  Đặc biệt, xin dành tất yêu thương lời cảm ơn tới gia đình ln bên cạnh động viên tinh thần hết lòng giúp đỡ tơi hồn thành nghiên cứu   Cuối cùng, với tinh thần cầu thị mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy bạn đồng nghiệp để tiếp tục hoàn thiện ứng dụng công nghệ MBBR vào thực tiễn xử lý amoni nước ngầm    Hà N ội, ội, ngày tháng năm 2018  Tác giả  Trịnh Xuân Đức  Đức    iii   MỤC LỤC  LỤC  MỞ ĐẦU  ĐẦU  1  SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI  TÀI  1  MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN  ÁN  3  2.1 Mục tiêu nghiên cứu  cứu  3  3  2.2 Nội dung nghiên cứu  cứu  PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN  ÁN  4  3.1 Phạm vi  vi  4  3.2 Đối tượng  tượng  4  PHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGH NGHIÊN IÊN CỨU  CỨU  4  4.1 Phương pháp phân tích tài liệu thứ cấp  cấp  4  4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm  nghiệm  4  4.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết thu yết   5  5  4.4 Phương pháp phân tích  tích  4.5 Phương pháp tính tốn xử lý số liệu  liệu  5  CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN  ÁN  6  5.1 Tính luận án  án  6  5.2 Tính thực tiễn luận án  án  6  5.3 Đóng góp khoa học luận án  án  6  CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI  VI SINH CHUYỂN ĐỘNG  ĐỘNG  7  1.1 Tổng quan trạng sử dụng nước ngầm ô nhiễm amoni vùng Hà Nội  Nội  7  1.1.1 Địa chất thủy văn khu  vực Hà Nội  1.1.2 Nguồn gốc amoni nước ngầm  1.1.3 Tác hại amoni nước sinh hoạt  1.1.4 Hiện trạng sử dụng nước nư ớc ngầm thành phố Hà Nội   10 1.1.5 Đặc trưng chất lượng nước ngầm trạng ô nhiễm amoni nước ngầm khu vực Hà Nội  13 1.2 Các phương pháp xử lý amoni  amoni  15  1.2.1 Xử lý amoni chất oxy hoá   15 .17 1.2.2 Xử lý amoni kiềm hoá làm thoáng   1.2.3 Xử lý amoni trao đổi ion  .18   iv   1.2.4 Xử lý amoni thực vật   .18 1.2.5 Quá trình ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) .19 1.2.6 Quá trình SHARON (Single reactor High activity a ctivity Ammonium Removal Over  Nitrite) 20 1.2.7 Xử lý amoni phương pháp sinh học truyền thống  20 33  1.3 Kỹ thuật màng vi sinh sinh 1.3.1 Màng vi sinh .33 1.3.2 Các loại bể sinh học sử dụng d ụng kỹ thuật màng vi sinh   37 1.4 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Quốc tế  tế  43 43  1.4.1 Tình hình nghiên cứu Viêt Nam  43 1.4.2.Tình hình nghiên cứu Thế giới 45 1.4.3 So sánh hiệu xử lý công nghệ MBBR   47 1.5 Kết luận chương 1  1  50  50  CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  CỨU  51  2.1 Phạm vi đối tượng nghiên cứu  cứu  51  2.2 Quan trắc lấy mẫu v Phương pháp phân tích  tích  51 51  2.2.1 Quan trắc lấy mẫu  51 2.2.2 Phương pháp phân tích 52 2.3 Phương pháp phân tích số liệu động học  học  53 53  2.3.1 Phương pháp theo mẻ 53 2.3.2 Phương pháp liên tục khuấy trộn đều  54 2.3.3 Phương pháp hệ nối tiếp liên tục khuấy trộn đều  55 57 2.3.4 Xác định thông số động học  2.4 Vật liệu mang vi sinh DHY  62  2.4.1 Khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến, độ xốp thể tích xốp  63 2.4.2 Diện tích bề mặt  64 2.4.3 Nuôi cấy vi sinh lên vật liệu mang  65 2.5 Mơ hình phịng thí nghiệm  nghiệm  66  2.5.1 Nguồn nước cấp cho thí nghiệm  66 2.5.2 Sơ đồ thí nghiệm  67 69 2.5.3 Các yếu tố cần khảo sát   2.6 Mơ hình pilot MBBR thực tế  tế  71    v   2.6.1 Vị trí lắp đặt Pilot 71 2.6.2 Vận hành pilot lấy lấ y mẫu pilot  73 2.7 Kết luận  luận chương 2  2  74  CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN  LUẬN  76  3.1 Vật liệu mang vi sinh  sinh  76  79  3.2 Mơ hình pilot phịng thí nghiệm  nghiệm  3.2.1 Tốc độ nitrat hóa   79 3.2.2 Xác định thông số động học 87 3.2.3 Xác định phương trình tốc độ khử nitrat riêng (U) đồng thời hệ bể hiếu khí 93 3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nitrat hóa khử nitrat  96 3.3 Mơ hình pilot thực tế  108  3.3.1 Tính tốn thiết kế pilot  .108 3.3.2 Kết vận hành Pilot   113 3.4 Bộ cơng thức tính tốn hệ thiết bị xử lý amoni nước ngầm sử dụng màng vi vi sinh chuyển động (MBBR)  (MBBR)  118  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  NGHỊ  122  TÀI LIỆU THAM KHẢO  KHẢO  124  CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN  ÁN  129    vi   DANH MỤC HÌNH VẼ  VẼ  Hình 1.1 Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực Hà Nội  Hình 1.2 Bản đồ phân bố amoni thành phố Hà Nội  14 Hình 1.3 Tương quan clo dư lượng clo cho vào nước để xử lý amoni  16 Hình 1.4 Tương quan ion amoni khí amoniac giá trị pH và nhiệt độ 17 Hình 1.5 Sự phụ thuộc hiệu xử lý l ý Amoni vào tỉ lê nước -khơng khí nhiệt độ nước khác nhau  19 Hình 1.6 Q Quá uá trì trình nh AN ANAMMOX AMMOX 19 Hình 1.7 Quá trình SHARON 20 Hình 1.8 Chu trình hình thành bong tróc t róc màng sinh học  34 Hình 1.9 Quần thể vi sinh dính bám vật liệu mang    34 Hình 1.10 Hệ xử lý màng vi sinh chuyển động  35 Hình 1.11 Sơ đồ chế hoạt động màng sinh s inh học giá thể chuyển động  35 36 Hình 1.12 Cấu trúc xốp polyuretan xốp  Hình 1.13 Vật liệu mang vi sinh BiOChip  37 Hình 1.14 Vật liệu mang vi sinh DHY (do VINSE sản xuất)  37 37 Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống lọc sinh học  38 Hình 1.16 Bộ phận cấu thành đĩa quay sinh học  39 Hình 1.17 Sơ đồ cột lọc tầng tĩnh   40 Hình 1.18 Mơ tả q trình xử lý bể MBBR   41 Hình 1.19 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ô nhiễm Amoni tác giả 43 Lều Thọ Bách thực Hình 1.20 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm ô nhiêm Amoni tác giả Nguyễn Văn Khôi, Cao Thế Hà thực 44 44 Hình 1.21 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý amoni sử dụng giá thể dạng sợi Acrylic 45 Hình 1.22 Mơ hình bể sinh học màng vi sinh chuyển động sử dụng nghiên cứu của J.D.Rous J.D.Rouse,2005 e,2005 46 Hình 1.23a Sơ đồ hệ thống MBBR phịng thí nghiệm sử dụng nghiên cứu Zafarzadeh, 2010  46 Hình 1.23b Các sơ đồ nguyên lý xử lý amoni  48 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo mẻ  67   vii   Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm liên tục bình phản ứng    69 69 Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm bình phản ứng nối tiếp  69 Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm bình phản ứng nối tiếp  69 Hình 2.5 Sơ đồ cơng nghệ xử lý l ý nước ngầm nhiễm sắt amoni  73 Hình 2.6 Thiết kế chi tiết hệ thiết bị xử lý amoni (MBBR&DHK)  74 76 Hình 3.1 Ảnh chụp S.E.M vật liệu DHY  Hình 3.2a Vật liệu ni cấy thử nghiệm phịng thí nghiệm  77 Hình 3.2b Hình ảnh vật liệu mang vi sinh dính bám vật liệu mang    78 Hình 3.2c Mặt mặt lớp màng vi sinh  79 Hình 3.3 Dây chuyền công nghệ thiết bị xử lý Amoni  10 109 Hình 3.4 Dây chuyền cơng nghệ trạm xử lý nước Yên Xá   109 Hình 3.5 Mặt bể MBBR   112 112   viii   DANH MỤC BẢNG  BẢNG  Bảng 1.1 Hiện trạng công suất khai thác nước mặt nước ngầm   10  10  Bảng 1.2 Chất lượng nước trước sau xử lý NMN ngầm công ttyy nước Hà Nội quản lý  11  11  Bảng 1.3 Chất lượng nước trước sau xử lý NMN ngầm công ty nước Hà Đông Sơn Tây quản lý  12  12  Bảng 1.4 Tổng hợp Amoni nước ngầm Hà Nội theo năm từ 2010-2014 nhà máy 13 Bảng 1.5 Thông số động học đặc trưng vi sinh vật tự dưỡng q trình  nitrat hóa 22 Bảng 1.6 Sự phụ thuộc μm vào nhiệt độ theo t heo nhiều kết nghiên cứu 23  23  Bảng 2.1 Thành phần nguyên liệu sản xuất vật liệu mang DHY  62  62  Bảng 2.2 Chất lượng nước thô trạm xử lý nước Yên Xá –  Thanh  Thanh trì 72  72  72  Bảng 2.3 Chất lượng nước sau bể lọc trạm xử lý nước ngầm Yên Xá  72  Bảng 3.1 Kết thí nghiệm đánh giá vật liệu mang DHY  76  76  Bảng 3.2 Mật độ vi sinh bình ni theo thời gian    78 78  Bảng 3.3 Ảnh hưởng nồng độ N - NH4+  NH4+ đđầu ầu vào lên tốc độ nitrat nitrat hóa  80  80  Bảng 3.4 Tính tốn tốc độ nitrat hóa theo nồng nồ ng độ amoni đầu vào 81 81   Bảng 3.5 Giá trị Chỉ số bán bão hòa (Ks) tốc độ nitrat hóa  84  84  Bảng 3.5a Giá trị k, n tốc độ nitrat hóa 86  86  Bảng 3.6 Các tính tốn thơng số từ biểu thức 2-27 88  88  89  89  Bảng 3.7 Hằng số Ks k tính tốn tốn thực nghiệm  Bảng 3.8 Bảng tính tốn số liệu theo cơng thức 2-25 91 1  Bảng 3.9 Kết thực nghiệm thông số Y kp  92  92  Bảng 3.10 Đánh giá khả khử nitrat đồng thời t hời hệ hiếu khí   94  94  Bảng 3.11 Giá trị k n từ thực nghiệm  95  95  Bảng 3.12 Sự suy giảm nồng độ amoni theo thời gian  96  96  Bảng 3.13 Ảnh hưởng mật độ vật liệu mang tới tốc độ nitrat hóa  98  98  Bảng 3.14 Diễn biến xử lý amoni điều kiện nồng độ oxy khác nhau  99  99  Bảng 3.15 Ảnh hưởng số lượng bình phản ứng lên tốc độ oxi hóa amoni  101  101  Bảng 3.16 Khả khử nitrat đồng thời bể hiếu khí  10 103 3  hệ thiết bị MBBR   115   chứng tỏ thời gian đầu mật độ vi sinh chưa đạt đến yêu cầu việc nitrat hóa khơng đảm bảo theo tính tốn Khi mật độ vi sinh đảm bảo theo yêu cầu tính tốn 1200 mg/L tính cho tồn bể hay 6000  mg/L tính theo vật liệu mang khả nitrat hóa đạt theo u cầu tính tốn thiết kế phụ lục So sánh với kết phòng thí nghiệm với nồng độ amoni khoảng 20   mgN/L thời gian lưu cho q trình nitrat hóa khoảng 1,2-1,5 để đảm bảo amoni đạt tiêu chuẩn cho phép (2,3 mgN/L), kết pilot thực tế thiết kế cho thời gian lưu hàm lượng amoni ln đạt khoảng từ 1,5 -2,2 mgN/L Điều chứng tỏ thông số động học cho q trình nitrat xác định từ mơ hình  phịng thí nghiệm có độ tin cậy sử dụng thực tế - Với thời gian lưu bể MBBR kết theo biểu đồ 3.19 cho thấy nitrit 12.00 10.00    )    L     /    N 8.00    g    m    (    t    a    r 6.00    t    i    N  ,    t    i    r 4.00    t    i    N theo NO2 NO3 2.00 NO3 tiêu chuẩn 0.00        7        1        0        2         /        2         /        3 nitrat đạt quy chuẩn cho  phép NO2 quy chuẩn        7        1        0        2         /        2         /        7        1        7        1        0        2         /        3         /        3        7        1        0        2         /        3         /        7        1 nitrat < 50 mg/L)        7        1        0        2         /        4         /        4        1        7        1        0        2         /        4         /        8        2        7        1        0        2         /        5         /        2        1        7        1        0        2         /        5         /        6        2        7        1        0        2         /        6         /        9        7        1        0        2         /        6         /        3        2 Ngày QCVN01:2009  NH4+ < mg/L; nitrit < mg/L;        7        1        0        2         /        3         /        1        3   B i ểu ểu đồ 3.19. K ết quả N-NO2  và N-NO3  sau hệ thiết bị pilot - - tháng mà q trình nitrat hóa tiêu NH4+  không đạt tiêu chuẩn Điều chứng minh trình khử nitrat (khử nitơ) xẩy điều kiện hiếu khí Theo tính tốn  phụ lục sử dụng phương trình -11 để tính tốn q trình khử nitrat kết cần thời gian lưu nước giờ, so sánh với  kết thực tế bảng 3.20 hàm lượng nitrit 0,54-0,95 (tiêu chuẩn