Ở Việt Nam, tình trạng ô nhiễm amoni trong nước thải tại các làng nghề truyền thống sản xuất chế biến nông sản, thực phẩm trở nên trầm trọng, ảnh hưởng đến môi sinh. Bên cạnh đó, ở một số nơi thuộc các thành phố lớn, nguồn nước ngầm là nguồn nước cấp chính cho các nhà máy xử lý nước ăn uống bị ô nhiễm amoni với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Các nhà khoa học Việt Nam đã và đang quan
tâm nghiên cứu tìm ra biện pháp xử lý amoni trong nước. Công nghệ nitrat hóa - khử nitrat đã được áp dụng chủ yếu. Bên cạnh đó, nhiều đơn vị nghiên cứu, trường học như: Đại học Quốc gia Hà Nội, đại học Bách khoa, Sở khoa học Công nghệ Việt Nam, Sở giao thông công chính Hà Nội, Trung tâm Kỹ thuật Môi trường, Viện Hóa học, Viện Vật liệu, Viện Công nghệ sinh học nhiệt đới (thành phố Hồ Chí Minh), Viện Công nghệ Sinh học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tiến hành thực hiện các đề tài nghiên cứu công nghệ khử amoni trong nước ngầm dùng cho nước sinh hoạt nhưng chủ yếu bằng công nghệ truyền thống nitrat hóa-khử nitrat.
Tại Viện Công nghệ sinh học, từ năm 1999-2005 đã tiến hành nghiên cứu công nghệ loại amoni trong khuôn khổ để tài cấp viện và dự án: “ Xây dựng mô hình áp dụng kỹ thuật lọc sinh học khử nitơ liên kết trong nước ăn uống” thuộc Chương trình mục tiêu quốc gia - cung cấp nước sạch VSMT nông thôn, và dự án sản xuất thử nghiệm “Hoàn thiện công nghệ sản xuất thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nước ăn uống bằng kỹ thuật lọc sinh học” cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Viện Công nghệ sinh học (Viện Hàm lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thiết bị nitrat hóa (oxy hóa amoni thành nitrat) trong nguồn nước ngầm, phục vụ cấp nước cho sinh hoạt theo kỹ thuật màng vi sinh. Vật liệu sử dụng là đất sét nung (keramsit), dạng tầng tĩnh. Viện Công nghệ sinh học cũng đang tiến hành xây dựng hệ thống xử lý nước nuôi giống thủy sản (Quý Kim, Hải Phòng) tuy nhiên trạm xử lý đã không được đưa vào hoạt động.
Trung tâm Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên), phối hợp với sở giao thông công chính Hà Nội và thực hiện đề tài của Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa trong nước ngầm sử dụng vật liệu làm chất mang vi sinh là đá bazan.
Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về xử lý nước thải giàu nitơ và photpho (1999 - 2002) tập trung vào nước thải chế biến thủy sản; phối hợp với Viện Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài cấp nhà
nước (2003 - 2005) về xử lý nước rác (thực chất là xử lý hợp chất giàu nitơ). Các nghiên cứu trên sử dụng kỹ thuật huyền phù (mẻ kế tiếp giai đoạn).
Một số nghiên cứu thăm dò về quá trình oxy hóa amoni kỵ khí cũng đã bắt đầu tiến hành như trường đại học Bách Khoa Hà Nội nhưng kết quả mới chỉ dừng lại ở các nghiên cứu cơ bản sơ bộ. Một số công trình khác cũng được tiến hành về quá trình ANAMMOX trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn nhưng tất cả mới đang trong giai đoạn đầu. Trong những năm gần đây TS. Hoàng Phương Hà, phòng Công nghệ Sinh học Môi trường, Viện Công nghệ Sinh học-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã và đang nghiên cứu thử nghiệm với đề tài: “Nghiên cứu quá trình oxy hóa amoni kỵ khí
(ANAMMOX) để ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải ô nhiễm
amoni” cấp cơ sở, kết quả nhận được có ý nghĩa khoa học và có tính khả thi
PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
+ Nước thải từ trang trại chăn nuôi dự kiến từ trại lợn xã Thụy Phương, Đông Ngạc, Hà Nội.
+ Hệ thống bùn hoạt tính AAO cao tải xử lý nitơ và phốtpho với 3 giai đoạn: yếm khí, thiếu khí và hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài sẽ thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Nhà T3, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội
3.2. Địa điểm và thời gian tiến hành
3.2.1. Địa điểm tiến hành
Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Nhà T3, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội.
3.2.2. Thời gian tiến hành
Từ tháng 5 đến tháng 8 năm 2014.
3.3. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải khi thay đổi thời gian lưu.
- Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải với tải lượng các thành phần đầu
vào khác nhau.
- Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải ở chế độ tối ưu khi có vật liệu mang xốp (PU).
- Thiết lập quan hệ tải lượng hữu cơ - năng suất xử lí. - Các chỉ tiêu phân tích các thông số theo thời gian:
(1) Các chỉ tiêu hiện trường: pH, nhiệt độ, độ kiềm, ORP, TSS được tiến hành đo hàng ngày.
(2) Các chỉ tiêu phân tích trong phòng thí nghiệm: COD lọc, COD tổng, tổng N, N-NH4, _NO3-, P tổng , PO43- trong mẫu ở các chế độ vận hành.
3.4. Phương pháp nghiên cứu
3.4.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm
3.4.1.1. Mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ bùn hoạt tính AAO cải tiến
a. Mô tả cấu trúc hệ thống pilot nghiên cứu
Thiết bị phản ứng với thông tin như sau:
- Thể tích tổng V = 0,432 m3; LxWxH = 1,2x0,3x1,2 m
- Thể tích ngăn yếm khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m - Thể tích ngăn thiếu khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m - Thể tích ngăn hiếu khí V = 0,216 m3; LxWxH = 0,6x0,3x1,2 m
Thiết bị động lực gồm: 01 máy bơm chìm (Q = 6 -10m3/h; H = 6 mH2O; N = 0,25kw) đặt trong ngăn xử lý thiếu khí có chức năng bơm tuần hoàn hỗn hợp bùn nước từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí. Trên đường bơm từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí có đặt thiết bị hút khí dạng Injector và đồng hồ đo áp suất. Trên đường bơm từ ngăn thiếu khí về ngăn yếm khí đặt 01 van nhằm điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn hỗn hợp bùn và nước cho cả 02 dòng trên.
Với thể tích của từng ngăn như trên, tương ứng với thời gian lưu HRT ở 3 ngăn phản ứng yếm khí - thiếu khí - hiếu khí lần lượt là 25: 25: 50 (%).
b. Mô tả nguyên lý hoạt động
Hình 3.1. Mô tả nguyên lý hoạt động
• Ngăn yếm khí:
- Thực hiện các chức năng: phân hủy hữu cơ (BOD/COD); phân hủy bùn giải phóng PO43- nuôi dưỡng vi khuẩn tạo biofilm có khả năng hấp thu P ở các ngăn sau; khử nitrat-nitrit ở dòng tuần hoàn.
- Lưu giữ/phân hủy/xả bùn dư, cho phép hoạt động tới 6 tháng/1 năm mới phải xả bùn dư; Cho phép giảm ít nhất 50% bùn thải (Lê Văn Chiều, 2012) [4].
- Có cơ cấu chống mùi.
• Ngăn thiếu khí:
- Nhận nước lắng từ ngăn kị khí; hỗn hợp phản ứng từ ngăn hiếu khí. - Các chức năng: là nơi vi khuẩn thực hiện các quá trình thiếu khí khử nitrit-nitrat; trung chuyển/ tuần hoàn hỗn hợp phản ứng một phần về ngăn kị khí, tuần hoàn phần lớn về ngăn hiếu khí.
- Là ngăn điều hòa lưu lượng giờ cao điểm.
• Ngăn hiếu khí:
- Nhận hỗn hợp phản ứng từ ngăn thiếu khí nhờ bơm kết hợp bổ sung cung cấp khí cho quá trình, giảm chi phí thiết bị/bảo trì hệ cấp-phân tán khí; cơ cấu cho phép giảm ~50% chi phí năng lượng.
- Có cơ cấu tuần hoàn hỗn hợp bùn nước, đồng thời chống váng.
- Có cơ cấu lắng/xả linh hoạt, cho phép chạy theo bất kì chế độ nào (liên tục hay gián đoạn) tùy đặc trưng nước thải.
- Các chức năng xử lí chính: khuấy trộn và thực hiện các quá trình nitrat/nitrit hóa (xử lí nitơ tổng số); nuôi dưỡng phát triển vi khuẩn PAO (xử lí photpho hòa tan); lắng bùn làm trong nước.
Trường hợp nghiên cứu kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán truyền thống cả 3 ngăn đều được cấp vi sinh vào và duy trì với nồng độ như nhau.
Trường hợp nghiên cứu với kĩ thuật vật liệu mang vi sinh phân tán. Cả ba ngăn trong hệ thống pilot đều có vật liệu mang polyuretan kích thước như nhau; các ngăn trong hệ thống pilot đều có các chủng vi khuẩn ngoài khả năng phân hủy N, P cao còn được tối ưu hóa các điều kiện tạo biofilm để nâng cao hiệu quả xử lý để thực hiện kĩ thuật màng biofilm (vật liệu mang chuyển động).
3.4.1.2. Mô tả vận hành hệ pilot bùn hoạt tính AAO cải tiến
a. Mô tả quá trình khởi động
Nước thải chứa N, P cao được chuẩn bị với nồng độ ở bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1. Chất lượng nước thải dự kiến đưa vào hệ pilot để khảo sát
Stt Thông số Đơn vị Giá trị Giai đoạn 1 (10 ngày) Giai đoạn 2 (10 ngày) Giai đoạn 3 (10 ngày) 1 BOD mg/L 500 1.000 1.500 2 Tổng N mg/L 50 100 200 3 Tổng P mg/L 10 10 10 4 Độ kiềm mg/L 200 300 400
Nước thải được bơm tuần hoàn theo chế độ chạy của bơm cấp nước thải đầu vào và phụ thuộc vào thời gian đặt lắng vi sinh trong ngăn thiếu khí. Trong quá trình khởi động các thông số nghiên cứu xử lý chính như BOD, N, P được lấy tại các điểm đầu vào và đầu ra sau công đoạn lắng trong ngăn hiếu khí với tần suất trung bình 1 lần/ ngày. Hàm lượng vi sinh phân tích trung bình trong 03 ngăn xác định với tần suất 1 lần/ 7 ngày. Thời gian chạy khởi động dao động từ 10 - 30 ngày với nồng độ cơ chất đầu vào nâng dần lên như bảng 3.1. Trong quá trình khởi động cần kiểm soát các thông số cơ học khác như lưu lượng tuần hoàn bùn - nước từ ngăn khử nitrat về ngăn hiếu khí và ngăn yếm khí. Kiểm soát và ghi chép đầy đủ thông tin giá trị áp suất đo được trên đồng hồ đặt trước thiết bị Injector, đông thời quan sát khẳ năng khuấy trộn trong ngăn hiếu khí và khả năng tuần hoàn từ ngăn hiếu khí về ngăn khử nitrat.
b. Mô tả quá trình vận hành
Sau thời gian vận hành khởi động hệ thống nước thải sẽ được nâng cao hàm lượng các chất ô nhiễm nhằm khảo sát đánh giá khả năng xử lý N, P của từng quá trình và của cả hệ thống. Các thông số nghiên cứu xử lý chính như BOD, N, P được lấy tại các điểm đầu vào và đầu ra sau công đoạn lắng trong
ngăn hiếu khí với tần suất trung bình 1 lần/ngày. Hàm lượng vi sinh phân tích trung bình trong 03 ngăn xác định với tần suất 3-4 lần/1 tuần.
Sau thời gian nghiên cứu hệ thống với kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán thu thập đầy đủ số liệu thực hiện tiếp bước nghiên cứu tiếp theo dùng vật liệu mang vi sinh phân tán Polyerutan (dạng đệm mút kích thước LxWxH = 2x2x2cm).
3.4.2. Phương pháp thực nghiệm
Tiến hành các thí nghiệm xử lý đồng thời nitơ và phốtpho trong nước thải ô nhiễm cao bằng hệ thống bùn hoạt tính cải tiến khi thay đổi các yếu tố đầu vào và chế độ vận hành.
3.4.3. Các phương pháp phân tích
Quy trình và các phương pháp phân tích CODt, CODht, tổng N, amôni, nitrat, nitrit, tổng P, PO43- sẽ được đính kèm ở phần Phụ lục của khóa luận.
Nước thải sau khi cấp vào bồn chứa nước thải đầu vào được khuấy đều và nước sau bồn lắng được lấy vào chai đựng mẫu và đem đi phân tích. Trong một số trường hợp không phân tích được ngay thời gian đó mẫu được lưu trữ trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4oC. Để đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý, chúng tôi kiểm soát các thông số: COD, ∑N, N-NH4+, NO3-, N-NO2-, pH, ∑P, P- PO4
3-, và độ kiềm tiêu thụ theo thời gian, do đó cần có các hoá chất và các thiết bị như sau:
a. Hóa chất
- Hóa chất bổ sung cơ chất (nếu thiếu): đường hoặc etanol công nghiệp - Hoá chất bổ sung độ kiềm (nếu thiếu): NaHCO3 (loại công nghiệp) - Hóa chất phân tích các chỉ tiêu: COD, ∑N, N-NH4+
, NO3-, N-NO2-, pH, ∑P, P-PO43-.
b. Thiết bị và dụng cụ
- Máy đo quang UV-VIS của hãng Shimazu. - Cân phân tích 4 số của hãng Shimazu.
- Bếp nung COD ECO 16 (VELP SCIENTIFICA - Italy). - Cốc thủy tinh, bình định mức, bình nón, pipet các loại. - Ống phá mẫu COD.
- Một số các dụng cụ và thiết bị khác.
3.4.4. Các phương pháp thu thập số liệu
Thống kê và phân tích số liệu: được sử dụng để thống kê và phân tích các số liệu phân tích nước thải trong các công đoạn xử lý tại các chế độ vận hành khác nhau và từ đó làm rõ mối quan hệ giữa các điều kiện khảo sát và đánh gái điều kiện vận hành tối ưu.
PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1. Diễn biến thành phần nước thải
Bảng 4.1. Thành phần nước thải trại lợn sau pha loãng
Đầu vào tổng số Đầu vào hòa tan
Số lần lấy mẫu TS (mg/l) pH Alk, ht (mg/l) COD, t (mg/l) T-N, t (mgN/l) T-P, t (mgP/l) COD, ht (mg/l) T-N, ht (mgN/l) NH4, ht (mg/l) T-P, ht (mgP/l) PO4, ht (mgP/l) Lần 1 302 7,0 740 1010 247 22,8 816 172 155 16,2 9,8 Lần 2 735 6,8 768 1080 231 23,2 804 176 153 15,8 8,2 Lần 3 219 6,9 789 1046 243 24,0 778 184 149 15,4 11 Lần 4 315 7,1 810 1040 230 23,8 810 195 154 17,2 9,4 Lần 5 279 6,5 747 992 250 21,8 778 178 136 15,6 10,6 Lần 6 234 6,8 723 1099 242 22,4 908 163 163 15,4 9,4 Lần 7 264 6,7 690 1080 239 22,4 852 181 153 17 8,4 Lần 8 312 6,9 720 1000 248 24,0 890 175 167 18,8 11,8 Lần 9 297 6,5 705 1040 227 18,3 800 195 154 16,8 8,4 Lần 10 264 6,5 675 980 235 23,6 806 171 154 14,8 8,6 Lần 11 234 6,7 710 1064 254 20,0 872 174 165 16,4 9,6 Trung bình 314 6,8 734 1039 240 22,4 829 179 155 16,3 9,6
Xét giá trị trung bình từ các kết quả trong bảng 4.1 tỉ lệ COD: N: P = 46: 4,3:1 không được thuận lợi cho các quá trình xử lý sinh học. Nồng độ BOD5 theo lý thuyết cần thiết để xử lý N và P xuống đến tiêu chuẩn xả thải (loại QCVN 40/2011 loại B, COD: 150mg/l, amoni: 10 mg/l). Tỉ lệ độ kiềm: amoni bằng 6 là thuận lợi cho quá trình nitrat hóa, tỉ lệ COD: N: P tối ưu trong nước thải là 100: 5: 1 theo Metcalf và Edd.
4.2. Đánh giá các chế độ
4.2.1. Chế độ thời gian lưu nước 24h, Qr = 7,2 m3/ h
Trong chế độ này, dòng tuần hoàn từ thiếu khí sang hiếu khí được duy trì ở lưu lượng 7,2 m3/h. Nước thải sau khi lấy về được tiến hành phân tích và sau đó pha loãng duy trì giá trị nồng độ COD khoảng 1.000 mg/l, N tổng 250 mgN/l và P tổng khoảng 20 mgP/l (bảng 4.1).
Hình 4.1. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ
Giá trị COD tổng số trong đầu vào nằm trong khoảng 980-1100 mg/l, đạt giá trị trung bình 1039 mg/l, COD hòa tan có giá trị từ 778-908 mg/l, đạt giá trị trung bình 829 mg/l (chiếm 82% COD tổng).Sau khi đi qua ngăn yếm khí giảm 30% do quá trình phân hủy yếm khí. Tại ngăn thiếu khí COD giảm