Mẫu phân tích đƣợc lấy hàng ngày (5 lần/tuần), riêng bùn đƣợc phân tích sau khi kết thúc tải 1,4kgN/m3.ngày. Số liệu đƣợc phân tích từ mẫu sẽ đƣợc xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010.
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 41
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Giai đoạn thích nghi (start-up)
Giai đoạn này nhằm tạo điều kiện cho vi sinh vật bám lên trên giá thể. Giá trị pH đƣợc cài ở 7,7. Lúc đầu, nƣớc thải đƣợc cho vào bể phản ứng, sau đĩ dùng khí nitơ sục trong 24h để đẩy tồn bộ oxi trong nƣớc ra ngồi. Sau đĩ, vi khuẩn anammox đƣợc cho vào bể, khí nitơ tiếp tục đƣợc sục liên tục trong 24h để anammox khuấy trộn trong bể và bám vào giá thể. Sau đĩ, cho bùn hiếu khí vào bể và sục khí (lúc này là khơng khí, khơng dùng nitơ nhƣ trƣớc), sau 24h hầu hết các vi khuẩn đã bám lên giá thể. Tiếp tục chạy thích nghi tăng sinh khối trong 17 ngày. Bùn sau bám trên giá thể ở hình 4.1
Hình 4.1 Bùn sau khi chạy thích nghi
4.2. Giai đoạn khảo sát hiệu quả xử lý nitơ
Ở giai đoạn này, hiệu quả loại bỏ nitơ đƣợc khảo sát ở các tải trọng nitơ khác nhau (0,2 kgN/m3.ngày, 0,4 kgN/m3.ngày, 0,6 kgN/m3.ngày, 0,8 kgN/m3.ngày, 1,0 kgN/m3.ngày, 1,2 kgN/m3.ngày và 1,4 kgN/m3.ngày), thời gian giữa tải trọng 0,6 và 0,8 kgN/m3.ngày là thời gian nghỉ tết (khoảng 2 tuần), lúc này các yếu tố vận hành cho mơ hình đƣợc thiết lập nhƣ ở tải 0,6 kgN/m3.ngày.
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 42
4.2.1. Sự biến động pH, DO
pH và DO là 2 thơng số đƣợc kiểm sốt cho mơ hình SNAP, hai thơng số này kiểm sốt nhằm tại điều kiện tối ƣu cho vi khuẩn AOB và anammox phát triển, đồng thời ức chế sự phát triển của vi khuẩn NOB.
Sự biến động DO
DO là thơng số cĩ ảnh hƣởng khá lớn đến hiệu suất của mơ hình SNAP. Kiểm sốt DO ở giá trị phù hợp sẽ cho hiệu suất chuyển hĩa cũng nhƣ xử lý NH4+ đạt tối đa, đồng thời giảm nhu cầu năng lƣợng khi vận hành mơ hình. DO để quá cao sẽ cĩ khả năng gây ức chế, ảnh hƣởng xấu đến hoạt tính của anammox. Tuy nhiên, DO quá thấp lại làm giảm khả năng chuyển hĩa NH4+ của AOB. Giá trị DO kiểm sốt trong suốt thời gian thí nghiệm đƣợc trình bày ở bảng 4.1.
Bảng 4.1 Thơng số kiểm sốt DO.
Số thứ tự Tải trọng
kgN/m3.ngày Ngày DO kiểm sốt (mg/l)
1 0,2 Từ 0 – 46 1 2 0,4 47 – 56 57 – 79 80 – 94 1 1,3 1,5 3 0,6 95 – 99 100 – 111 112 – 128 129 – 134 1,5 1,8 2,0 2,3 135 – 154 Nghỉ tết 4 0,8 153 – 179 2,5 5 1,0 180 – 186 187 – 200 201 – 208 2,5 2,7 2,8 6 1,2 209 – 2011 2,8
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 43 212 – 240 3,1 7 1,4 241 – 245 246 – 270 3,1 3,3
DO ở tải 0,2 kgN/m3.ngày đƣợc kiểm sốt ở nồng độ 1mgOxi/lit, với nồng độ oxi hịa tan này sẽ đảm bảo vi khuẩn anammox khơng bị ức chế, do đây là tải đầu, vi khuẩn anammox chỉ mới thích nghi với điều kiện hoạt động, các vi khuẩn AOB vẫn chƣa phát triển mạnh, chƣa đủ bao phủ các vi khuẩn anammox bên trong, giúp tránh đƣợc ảnh hƣởng của oxi đến sự hoạt động của vi khuẩn anammox, vì vậy, oxi hịa tan trong bể đƣợc đặt ở mức thấp (1 mgOxi/lit)
Ở tải 0,4 kgN/m3.ngày DO đƣợc thay đổi với 3 mức khác nhau. Sự thay đổi này dựa vào nồng độ nitrit và nitrat đầu ra (nếu DO trong bể thấp, khơng đủ thì nồng độ nitrit đầu ra sẽ thấp, cịn nếu nồng độ nitrat cao mà hiệu quả xử lý thấp tức là DO trong bể cao). Tải 0,4 kgN/m3.ngày lúc đầu DO kiểm sốt giống nhƣ tải 0,2 kgN/m3.ngày, tuy nhiên đến ngày 56, nồng độ nitrit đầu ra khá thấp chỉ cịn 0,658 mg/lit, điều này chứng tỏ nitrit tạo thành trong bể khơng đủ cho vi khuẩn anammox sử dụng, vì vậy cần phải tăng DO, DO trong bể đƣợc tăng lên 1,3 mg/l. Tƣơng tự, đến ngày thứ 79, nitrit đầu ra lại giảm đi khá nhiều chỉ cịn 0,8 mg/lit, vì vậy DO trong bể tiếp tục tăng lên 1,5 và duy trì đến cuối tải.
Ở tải 0,6 kgN/m3.ngày, DO cũng đƣợc thay đổi 3 lần. Những ngày đầu, DO đƣợc kiểm sốt giống nhƣ DO ở cuối tải 0,4 kgN/m3.ngày. Tuy nhiên đến ngày thứ 99, nồng độ nitrit đầu ra chỉ cịn 0,85 mg/lit vì vậy DO đƣợc nâng lên một lần nữa 1,8 mg oxi/lit. Tƣơng tự đến ngày 112 và 128 DO một lần nữa đƣợc tăng lên 2,0 và 2,3 mg/l.
Sau khi nghỉ tết, mơ hình tiếp tục chạy với tải 0,8 kgN/m3.ngày, DO đƣợc nâng lên 2,5 mg oxi/lit và đƣợc duy trì hết tải. Việc nâng DO ngày lúc đầu của tải là do sau nghỉ tết phân tích nitrit đầu ra nhận thấy nồng độ nitrit khá thấp, chỉ khoảng 1,0 mg/lit. Nên chủ động tăng DO ngay những ngày đầu của tải nhằm tạo điều kiện tốt nhất cĩ vi khuẩn phát triển và hoạt động. Tuy nhiên, sau khi nâng DO, vẫn phải phân tích nitrit và nitrat đầu ra để đảm bảo DO khơng nâng quá cao.
Tƣơng tự với các tải 1, 1,2 và 1,4 kgN/m3.ngày cũng đƣợc kiểm sốt DO ở mức phù hợp nhƣ trong bảng 4.1.
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 44
Nhƣ vậy, DO trong bể đƣợc tăng theo từng tải và mỗi tải cĩ nhƣng mức độ tăng khác nhau. Kết quả cho thấy, theo thời gian, khi các vi khuẩn anammox tăng sinh khối và đã ổn định thì nitrit cần cho anammox sử dụng cũng tăng lên, chính vì vậy lƣợng nitrit sinh ra từ vi khuẩn AOB cũng cần phải tăng lên. Mặt dù theo thời gian, AOB cũng tăng sinh khối, mật độ AOB trong bể tăng, vì vậy nhu cầu oxi cho AOB cũng tăng để AOB đạt năng suất chuyển hĩa NH4+ sang NO2- ở mức tốt nhất. Việc nâng DO trong bể lên mức cao sẽ sinh ra nhiều nitrit. Tuy nhiên, nitrit sinh ra cũng khơng gây ức chế cho AOB vì chúng đã đƣợc anammox xử lý ngay sau đĩ, do đĩ nồng độ nitrit khơng đạt đến nồng độ cĩ khả năng ức chế AOB. Bên cạnh đĩ, việc tăng DO trong bể ở nơng độ cao cũng khơng gây ảnh hƣởng nhiều đến vi khuẩn anammox, do lúc này AOB đã phát triển rất mạnh, tạo một lớp dày đặt bao quanh vi khuẩn anammox, đảm bảo sử dụng hồn tồn đƣợc oxi trƣớc khi oxi xâm nhập vào bên trong. Tuy nhiên, DO trong bể đƣợc khống chế ở nồng độ phù hợp (khơng quá cao) nhằm tranh sự tạo thành nitrat trong bể, đồng thời tiết kiệm năng lƣợng khi vận hành, đặt biệt là vận hành ngồi thực tế, điều này cĩ ý nghĩa khá lớn trong tiết kiệm chi phí xử lý nƣớc thải.
Theo lý thuyết, mơ hình SNAP thƣờng kiểm sốt DO ở nồng độ 0,5 – 2,5 mg/l để tạo điều kiện cho vi khuẩn AOB phát triển và khơng gây ức chế vi khuẩn anammox. Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, DO đƣợc đƣa lên cao hơn so với lý thuyết, cụ thể là 3,3 mg/l. Sở dĩ DO đạt nồng độ cao là do mơ hình đang chạy ở tải cao (1,4 kgN/m3.ngày), và vi sinh vật đang phát triển rất tốt, hoạt tính cao, vi khuẩn AOB cần nhiều oxi để oxi hĩa amoni, và sự phát triển của AOB đảm bảo tiêu thụ hồn tồn oxi trƣớc khi nĩ xâm nhập vào bên trong, nơi vi khuẩn anammox phát triển. Bên cạnh đĩ, khi đối chiếu với nghiên cứu khác, cụ thể ở đây là nghiên cứu của tác giả Phạm Khắc Liệu, DO trong bể phản ứng của tác giả từ 2 – 3 mg/l, cao hơn so với lý thuyết [18]. Hay theo Kenji Furukawa và cộng sự thì vi khuẩn anammox vẫn cĩ thể sống trong điều kiện DO ở 5 – 6 mg/l bám trên giá thể Biofix [16] . Nhƣ vậy, việc xác lập nồng độ DO trong bể phản ứng cĩ thể khơng nằm trong giới hạn đƣa ra trên lý thuyết mà vẫn đảm bảo đƣợc hiệu quả xử lý, việc xác lập DO trong bể phụ thuộc vào từng điều kiện vận hành, đặt điểm của mơ hình, việc xác lập DO trong bể phải đảm bảo hiệu quả xử lý tốt nhất.
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 45
Kiểm sốt pH
pH trong bể duy trì nhằm tạo điều kiện cho AOB và anammox phát triển, đồng thời ức chế sự phát triển của NOB. Việc duy trong pH trong bể cĩ ý nghĩa quyết định trong sự kiềm hãm NOB, vì pH là yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến nồng độ FA và FNA, và cũng là yếu tố duy nhất ta cĩ thể kiểm sốt để kiểm sốt nồng độ FA và FNA trong bể. pH trong bể đƣợc duy trì ở 7,7 ( theo nghiên cứu của Phạm Khắc liệu thì pH thích hợp cho mơ hình SNAP từ 7,5 – 7,8) và kiểm sốt bằng controller pH, vì vậy pH trong bể thay đổi khơng nhiều so với giá trị cần kiểm sốt. Bảng 4.2 cho thấy pH thực tế trong bể và pH đƣợc kiểm sốt.
Bảng 4.2 Giá trị pH qua các tải trọng
Số thứ tự Tải trong (kgN/m3.ngày) pH kiểm sốt pH thực tế 1 0,2 7,7 7,700 ± 0,029 2 0,4 7,7 7,700 ± 0,028 3 0,6 7,7 7,690 ± 0,032 4 0.8 7,7 7,698 ± 0,031 5 1 7,7 7,694 ± 0,029 6 1,2 7,7 7,706 ± 0,024 7 1,4 7,7 7,710 ± 0,025 Nhiệt độ
Nhiệt độ khơng đƣợc kiểm sốt, phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trƣờng. Theo trung tâm dự báo khí tƣợng thủy văn nhiệt độ thành phố Hồ Chí Minh từ 26 – 36oC, nhiệt độ trung bình là 30oC. Nhiệt độ này khá thích hợp cho vận hành mơ hình SNAP. Đăc biệt từ sau tết (tháng 2) nhiệt độ cĩ nhiệt độ khá cao, nhiệt độ ban ngày thƣờng xuyên ở mức 33 – 37oC, đây là mức nhiệt độ khá tối ƣu cho mơ hình SNAP hoạt động (hiệu quả xử lý SNAP đạt hiệu suất cao khi nhiệt độ ở 35oC – theo nghiên cứu của Phạm Khắc Liệu). Bên cạnh đĩ, khi nhiệt độ cao hơn 28oC, tốc độ phát triển của AOB cao hơn NOB, đồng thời ở nhiệt độ nào ái lực với oxi của AOB cũng cao hơn NOB. Nhìn
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 46
chung, nhiệt độ trong thời gian vận hành mơ hình SNAP khá phù hợp để cho anammox và AOB phát triển.
4.2.2. Nồng độ FA và FNA trong bể
Nhƣ chúng ta biết, FA và FNA là 2 trong những thơng số ảnh hƣởng chính đến sự phân tách AOB và NOB. Vi khuẩn AOB bị ức chế khi nồng độ FA lớn hơn 10 – 150 mgN/l,và trong khi đĩ vi khuẩn NOB lại bị ức chế ở nồng độ thấp hơn, chỉ từ 0,08 – 0,82 mgN/lit. Và vi khuẩn AOB cũng chịu đƣợc nồng độ FNA cao hơn, chỉ bị ức chế ở nồng độ 0,2 – 2,8 mgN/l, trong khi đĩ NOB đã bị ức chế khi nồng độ HNO2 –N đạt 0,06 – 0,83 mg/lit. Vì vậy FA trong bể đƣợc kiểm sốt cao hơn 0,82 mg/lit và thấp hơn 10 mg/lit. Và nồng độ FNA đƣợc kiểm sốt sao cho nồng độ luơn thấp hơn 0,2 mg/l để trách ức chế vi khuẩn AOB. Hàm lƣợng FA đƣợc xác định bởi cơng thức 3.1 pH 6334 ( ) o pH 273+t 17 TAN x 10 FA = x 14 e +10 (3.1) Trong đĩ:
TAN = Nồng độ amonia trong bể phản ứng, mg/l pH = Giá trị pH trung bình trong bể phản ứng t0 = Nhiệt độ trung bình trong bể phản ứng, 300C
Nồng độ FA trong bể là thơng số để kiểm sốt NOB, vì vậy, nồng độ của FA trong bể phải đủ cao để ức chế vi khuẩn NOB và phải thấp để khơng gây ức chế vi khuẩn AOB. Nồng độ FA trong bể phải luơn lớn hơn 0,82 mg/l và thấp hơn 10 mg/lit. Theo phƣơng trình, FA phụ thuộc vào nhiệt độ, pH và nồng độ NH4+
trong bể. Nhiệt độ là thơng số khơng đƣợc kiểm sốt, luơn giao động và đƣợc lấy trung bình là 30o
C, nồng độ NH4+ trong bể phụ thuộc vào nồng độ NH4+ đầu vào và hiệu suất xử lý của vi sinh vật trong bể, NH4+ trong bể sẽ giam theo thời gian ở mỗi tại trọng vì hiệu suất xử lý tăng. Vì vậy, hàm lƣợng FA đƣợc kiểm sốt chính thơng qua pH của bể. pH của bể luơn đƣợc cài đặt là 7,7 (pH của bể sẽ đƣợc giảm nếu FA trong bể vƣợt 10mg/l).
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 47
Hình 4.2 Nồng độ FA trong bể
Bảng 4.3 Sự FA và FNA trong bể giao động ở các tải trọng
Số thứ tự Tải (kgN/m3.ngày) Giao động FA (mg/l) FA trung bình Giao động FNA (10-3 mg/l) FNA trung bình 1 0,2 1,2 - 4,9 2,256 ± 0,821 0,12 – 0,45 0,287 ± 0,106 2 0,4 2,4 – 5,84 3,778 ± 1,035 0,08 – 0,40 0,200 ± 0,073 3 0,6 2,57 – 7,73 4,734 ± 1,545 0,05 – 0,31 0,240 ± 0,059 4 0,8 2,51 – 6,67 3,477 ± 1,209 0,33 – 0,55 0,430 ± 0,066 5 1,0 1,28 – 7,9 4,076 ± 2,390 0,69 – 0,84 0,652 ± 0,159 6 1,2 2,09 – 8,11 5,016 ± 1,807 0,71 – 1,01 0,881 ± 0,136 7 1,4 2,62 – 9,76 4,752 ± 2,260 0,41 – 1,27 1,083 ± 0,206
FA trong bể tăng theo sự tăng tải, điều đĩ cĩ thể giải thích là do nồng độ NH4+ đầu vào tăng dân ở các tải mà các thơng số pH và nhiệt độ điều cố định (do nhiệt độ lấy trung bình là 30oC cho các tải). Tuy nhiên, qua 7 tải chạy trong thí nghiệm, FA trong bể luơn đạt yêu cầu (ức chế đƣợc NOB mà khơng kiềm hãm sự phát triển của AOB), chính vì vậy, mơi trƣờng thí nghiệm phân lập khá tốt chủng vi sinh trong bể, vi khuẩn AOB chiếm ƣu thế, đây là tiền đề để mơ hình SNAP đạt hiệu quả cao.
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 48
Nồng axit nitrit tự do (FNA-Free nitrious acid) (mg /l) đƣợc xác định theo cơng thức 3.2 -2300 ( ) 0 pH 273+t 2 NO -N 47 FNA = x 14 10 x e (3.2) Trong đĩ: NO2-N = Nồng độ nitrit trong bể phản ứng, mg/l pH = Giá trị pH trung bình trong bể phản ứng t0 = Nhiệt độ trung bình trong bể phản ứng, 30 0C
Nồng độ FNA trong bể rất thấp, dao động từ 0,05 – 1 .10-3 mg/lit, thấp hơn nhiều so với nồng độ bị ức chế của AOB là 0,2 – 2,8 mg/l. Nhìn chung, nồng độ FNA tăng theo sự tăng tải, nguyên nhân do NO2- đầu ra tăng. NO2- tăng do DO tăng, đồng thời sinh khối AOB trong bể cũng tăng, hoạt động ổn định hơn, nên quá trình chuyển hĩa NH4+ sang NO2- cũng xảy ra mạnh hơn. Nồng độ FNA trong bể đƣợc thể hiện ở bảng 4.3 và hình 4.3
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 49
4.2.3.Hiệu quả chuyển hĩa NH4+ và loại bỏ TN
4.3.4.1. Hiệu quả chuyển hĩa NH4+
Hiệu quả chuyển hĩa NH4+ là một trong những mục tiêu của mơ hình SNAP, vì để loại bỏ nitơ thì trƣớc tiên NH4+ phải đƣợc chuyển hĩa. Hiệu quả chuyển hĩa NH4+ đƣợc thể hình qua bảng 4.4 và hình 4.4
Hình 4.4 hiệu quả chuyển hĩa trung bình qua các tải trọng Bảng 4.4 hiệu quả chuyển hĩa NH4+ qua các tải trọng
Số thứ tự Tải (KgN/m3.ngày) Giá trị thấp nhất (%) Giá trị cao nhất (%) Giá trị trung bình (%) 1 0,2 13,333 71,111 43,217 ± 19,661 2 0,4 35,359 69,613 53,023 ± 11,653 3 0,6 41,288 76,493 59,715 ± 12,127 4 0,8 58,989 83,333 76,247 ± 8,185 5 1,0 61,798 93,304 79,244 ± 12,383 43.217 53.023 59.715 78.182 79.244 79.656 83.453 0.000 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000 80.000 90.000 100.000
Tải 0,2 Tải 0,4 Tải 0,6 Tải 0,8 Tải 1,0 Tải 1,2 Tải 1,4
Hiệu quả chuyển hĩa (%)
Hiệu quả chuyển hĩa (%)
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 50
6 1,2 69,091 91,078 79,656 ± 7,059
7 1,4 66,667 90,476 83,453 ± 7,579
Ở tải 0,2 kgN/m3.ngày hiệu quả chuyển hĩa đạt tới 71,111%. Tuy nhiên hiệu quả chuyển hĩa trung bình chỉ đạt 43,217 ± 19,661%, độ lệch chuẩn khá cao tới 19,661%, điều đĩ chứng tỏ là ở tải trọng này sự ổn định cịn thấp nguyên nhân là do vi sinh vật mới vừa chuyển từ giai đoạn thích nghi sang, vi khuẩn chƣa kịp thích nghi với