Nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox vào xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt sử dụng giá thể vi sinh cố định

Bản chất của quá trình Anammox

Ưu điểm nổi bật này mở ra một cơ hội mới cho việc ứng dụng công nghệ Anammox nhằm xử lý nước thải có tỉ lệ BOD5/TN (hoặc tỉ lệ C/N) thấp.

Hoá sinh học của quá trình Anammox 1. Cơ chế hoá sinh học của quá trình Anammox

Vi sinh học của Anammox

Tuy nhiên, Egli và cộng sự [41] cũng quan sát thấy hoạt động của vi khuẩn Planctomycetes ở pH 6,5-9 trong hệ thống đĩa quay xử lý nước rỉ rác và thấy rằng giá trị pH tối ưu nhất là 8. Trong nghiên cứu [136], Yang đã nghiên cứu phản ứng của một cộng đồng vi sinh vật trong quá trình loại bỏ nitơ tự dưỡng hoàn toàn thông qua khử nitrit (CANON) bị sốc bởi độ pH 11 trong khoảng thời gian 12 giờ.

Nhiệt độ

Nồng độ cơ chất đầu vào a. Amoni

Trong nghiên cứu của Jung [62], ngưỡng gây độc nhỏ nhất của FA là 1,7 mg/L trong giai đoạn thích nghi cho thấy vi khuẩn Planctomycetes không chỉ có khả năng chịu đựng được FA mà còn có khả năng điều chỉnh FA thông qua quá trình thích nghi. Trong nghiên cứu nuôi cấy theo mẻ, Egli và cộng sự [41] quan sát thấy vi khuẩn Planctomycetes bị mất hoạt tính khi nồng độ nitrit lớn hơn 185mg/L, nhưng Dapena-Mora [39] lại thấy hoạt tính của vi khuẩn giảm 50% khi nồng độ nitrit trên 350mg/L.

Các chất hữu cơ

Nước thải được sử dụng trong thí nghiệm là nước thải nhân tạo (giai đoạn đầu), nước thải nuôi lợn sau quá trình phân huỷ UASB và nước thải nuôi lợn sau quá trình oxi hoá một phần được pha loãng với nước thải nhân tạo (giai đoạn 2 và giai đoạn 3). Cân bằng sinh khối cho thấy sự gia tăng nồng độ chất hữu cơ (từ 95 mg/L COD đến 237 mg/L COD và từ 121 mg/L COD đến 290 mg/L COD tương ứng đối với nước thải sau phân huỷ ở bể UASB và nước thải oxi hóa một phần) ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình anammox và khử nitơ dị dưỡng.

Một số yếu tố ức chế khác a. Độ mặn

• Quá trình nitrit hoá bán phần

Việc chuyển đổi NH4+ thành NO2- bao gồm hai bước với hydroxylamine (NH2OH) là sản phẩm trung gian. 3) Quá trình nitrit hoá bán phần này bị hạn chế khử amoni đến nitrit, không phải là nitrat như trong các quá trình truyền thống do đó tiết kiệm được 25% năng lượng sục khí, giảm đến 30% lượng bùn sản sinh và giảm trên 20% lượng khí CO2 phát thải ra ngoài môi trường. Có nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình nitrit hoá bán phần như nhiệt độ, pH, độ kiềm, DO, nồng độ chất hữu cơ, Các yếu tố ảnh hưởng này cũng là một trong những thông số quan trọng để kiểm soát quá trình nitrit hoá bán phần, giúp cho việc tích luỹ nitrit được ổn định và có hiệu quả.

Nhiệt độ

Tuy nhiên, nồng độ DO thích hợp để đạt được quá trình nitrit hoá bán phần dao động từ 0,16 – 5,0 mg/L tuỳ theo các điều kiện vận hành khác nhau. Bên cạnh đó, việc chuyển đột ngột từ nồng độ DO thấp sang điều kiện nồng độ DO cao có thể góp phần vào việc thực hiện quá trình nitrit hoá bán phần do cộng đồng NOB không thể thích ứng với nồng độ DO cao [26].

Nồng độ chất hữu cơ

Các loại nguồn cacbon cũng ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa một phần, do các phản ứng sinh hóa liên quan đến quá trình nitrat hóa được kiểm soát bởi các enzyme, hoạt động của chúng chủ yếu phụ thuộc vào các nguồn cacbon [88].

Một số yếu tố ức chế khác a. Độ mặn

• Cơ sở khoa học sử dụng giá thể mang trong xử lý nước thải 1. Sự hình thành màng sinh học (Biofilm) trên giá thể mang
• Động học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox 1. Cơ sở lý thuyết của động học phản ứng

Tuy nhiên, thời gian lưu thuỷ lực trong các nghiên cứu khác nhau cũng rất khác nhau do các yếu tố như cấu tạo mô hình, kỹ thuật phản ứng, đối tượng nước thải, giá thể mang sinh khối… Do đó, HRT cũng là thông số vận hành cần phải khảo sát trong từng thí nghiệm cụ thể. Trong một điều kiện nhất định và tuỳ thuộc đặc tính lý hóa, các vi khuẩn có thể di chuyển hướng đến bề mặt và hình thành mối tương tác tạm thời với bề mặt thông qua các lực tương tác yếu như lực Van de Waals, lực hút tĩnh điện, lực liên kết hydro.

Nguyên tắc hoạt động của hệ mô hình PN/AX

Do nước thải sinh hoạt thực tế có nồng độ nitrit thấp, nên để có được tỉ lệ nitrit/amoni phù hợp với quá trình Anammox cần phải bổ sung thêm mô hình PN (mô hình nitrit hoá bán phần) đặt trước mô hình AX. Nội dung thí nghiệm 3: tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến hiệu quả xử lý của quá trình Anammox và xác định các thông số động học của quá trình Anammox tương ứng với từng tỉ lệ C/N khác nhau.

Thông số vận hành mô hình

Nguyên tắc hoạt động của 3 mô hình AX1, AX2, AX3

• Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và xử lý số liệu 1. Phương pháp lấy mẫu

Mẫu giá thể mang này được gửi sang Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội để tiến hành phân tích xác định chủng vi khuẩn tồn tại trên giá thể mang. - Trình tự được lựa chọn được đưa vào phần mềm FastPCR để tính toán các thông số và lựa chọn trình tự thỏa mãn các yêu cầu: có trình tự khoảng 20-25 nucleotide, không tự bắt cặp bổ sung, không bắt cặp bổ sung hai trình tự mồi với nhau, nhiệt độ gắn mồi khoảng 55-62oC, ….

Kết quả giải trình tự gen của vi khuẩn trên giá thể mang

Với cặp mồi đặc hiệu gen 16S rDNA của chủng Candidatus Brocadia anammoxidans, tiến hành phản ứng PCR để khuếch đại đoạn gen 16S rDNA sử dụng DNA khuôn tách từ mẫu trước (gốc) và sau khi sử dụng (từ giá thể mang). Phổ điện di DNA sản phẩm PCR khuếch đại đoạn gen 16S rDNA từ DNA tổng số thu được từ mẫu gốc (đường chạy 1,2) và mẫu sau khi sử dụng để xử lý nước (đường chạy 3,4); đường chạy M, thang DNA chuẩn.

Phương trình động học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox

Từ bảng 4.3 ta thấy mô hình Stover-Kincannon có R2 cao hơn so với mô hình bậc một và bậc hai Grau, nghĩa là độ phân tán của dữ liệu thu được trong mô hình bậc 1 và bậc 2 Grau cao hơn so với mô hình Kincannon-Stover. Do đó, nghiên cứu này đã chứng minh rằng mô hình Stover-Kincannon phù hợp hơn và có thể áp dụng cho việc xây dựng mô hình động học để dự đoán nồng độ chất nền trong nước thải và thể tích tối ưu của bể phản ứng kỹ thuật tầng cố định ở các điều kiện hoạt động tương tự.

Kết quả, thảo luận và so sánh về kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình nitrit hoá bán phần và

Trong rất nhiều các nghiên cứu về động học, thành công của mô hình Stover- Kincannon đã được chứng minh khi đánh giá tốc độ loại bỏ chất nền, và kết quả đó được trình bày trong bảng 4.5. Sự khác biệt giữa các hệ số động học này cho thấy rằng tốc độ loại bỏ cơ chất chủ yếu phụ thuộc vào bản chất của cơ chất, cấu tạo bể phản ứng, kỹ thuật phản ứng và vi sinh vật trong bể phản ứng hơn là nồng độ của cơ chất đó [126].

Nội dung nghiên cứu 3. Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

Tuy nhiên, nước thải đầu ra có nồng độ amoni gần sát với giá trị giới hạn của tiêu chuẩn nên thí nghiệm dừng không nâng tỉ lệ C/N lên nữa và tỉ lệ C/N =6,0 (hoặc COD trong nước thải < 300 mg/L) được xem là giá trị giới hạn áp dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nước thải. Nghiên cứu đã xác định được trong 3 mô hình phương trình bậc 1, phương trình bậc 2 Grau và phương trình Stover Kincannon thì phương trình động Stover – Kincannon là phù hợp nhất để mô tả quá trình nitrit hoá bán phần trong bể PN và quá trình Anammox trong bể FBR.