- Ứng dụng quá trình anammox
Cơng nghệ oxi hóa amoni kị khí (Anammox) là cơng nghệ có tiềm năng và hiệu quả kinh tế cao hơn việc loại bỏ amoni có trong nước thải bãi chơn lấp, nơi chứa hàm lượng cao amoni và các chất hữu cơ khó phân hủy. Để q trình Anammox xảy ra hồn toàn cần một bước nitrat bán phần trước để tạo thành tỷ lệ thích hợp giữa NO2-/NH4+.
Người ta cũng đã ứng dụng q trình Anammox vào xử lý dịng thải của cơng nghiệp cá hộp. Dịng thải này có độ mặn tương tự như nước biển, hàm lượng chất hữu cơ, protein cao. Q trình phân hủy yếm khí dịng thải này đã loại được khoảng từ 70 - 90%, dẫn đến tạo thành một lượng lớn amoni (5000 mg/L) do sự phân hủy của protein. Vì vậy, dịng thải có một tỉ lệ C/N thấp. Điều này phù hợp cho dùng phương pháp Anammox kết hợp với Sharon để xử lý [12].
Nước thải chứa hàm lượng cao của amoni và ít chất hữu cơ như dòng ra của thiết bị phân hủy bùn cũng được xử lý bằng phương pháp này. Tuy nhiên, các điều kiện về trao đổi chất nghiêm ngặt và tốc độ sinh trưởng cực chậm của vi khuẩn anammox đã hạn chế việc ứng dụng vào những thiết bị phản ứng quy mơ lớn. Mặc dù vậy, có một vài thành công trong việc ứng dụng anammox vào nước thải công nghiệp thực tế [12].
1.2.3. Xử lý nước thải chứa amoni bằng phương pháp bãi lọc trồng cây ngập nước (wetland) (wetland)
Bãi lọc trồng cây là những vùng đất trong đó có mức nước cao hơn hoặc ngang bằng so với mặt đất trong thời gian dài, đủ để duy trì tình trạng bão hịa của đất và sự phát triển của các vi sinh vật và thực vật sống trong mơi trường đó. Các vùng đất ngập nước tự nhiên cũng có thể được sử dụng để làm sạch nước thải, nhưng chúng có một số hạn chế trong quá trình vận hành do khó kiểm sốt được chế độ thủy lực và có khả năng gây ảnh hưởng xấu bởi thành phần nước thải tới môi trường sống của động vật hoang dã và hệ sinh thái trong đó.
Đất ngập nước nhân tạo hay bãi lọc trồng cây chính là cơng nghệ xử lý sinh thái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm, trong khi vẫn bảo tồn được những ưu điểm của bãi đất ngập nước tự nhiên. Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy, bãi lọc trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nước tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc trồng cây có độ dốc hợp lý và chế độ thủy lực được kiểm soát. Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc trồng cây cũng được nâng cao do thực vật và những thành phần khác trong bãi lọc trồng cây có thể quản lý được như mong muốn. Chính vì vậy, bãi lọc trồng cây rất thích hợp cho việc xử lý nước thải tại các khu vực dân sinh, khu công nghiệp, các làng nghề nơi có quỹ đất rộng. Việc phát triển bãi lọc trồng cây cũng có ý nghĩa bù đắp và phục hồi các khu vực đất ngập nước bị mất đi do nhu cầu đơ thị hóa và phát triển xây dựng.
1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
- Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Năm 1991, bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm xử lý nước thải sinh hoạt đầu tiên đã được xây dựng ở Na Uy. Ngày nay, tại những vùng nông thôn ở Na Uy và Đan Mạch, phương pháp này đã trở nên rất phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt. Mơ hình quy mơ nhỏ được áp dụng phổ biến là hệ thống bao gồm bể tự hoại, tiếp đó là bể lọc sinh học hiếu khí dịng chảy thẳng đứng và một bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang. Bể lọc sinh học hiếu khí được thiết kế trước bãi lọc ngầm để giảm BOD, COD và thực hiện q trình nitrat hóa trong điều kiện thời tiết lạnh.
Các nghiên cứu khác tại Đức, Thái Lan, Cộng hòa Séc, Thụy Sỹ, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Thổ Nhĩ Kỳ, Hoa Kỳ cho thấy bên cạnh việc xử lý có hiệu quả các chất ơ nhiễm hữu cơ và vơ cơ, bãi lọc trồng cây cịn có thể loại bỏ vi sinh vật gây bệnh trong nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị; xử lý phân bùn bể phốt và xử lý nước thải công nghiệp, nước rị rỉ bãi rác… Khơng những thế, thực vật từ bãi lọc trồng cây cịn có thể được chế biến, sử dụng làm phân bón cho đất, làm bột giấy và là nguồn năng lượng thân thiện với mơi trường. Tại Cộng Hịa Séc bãi lọc trồng cây được thiết kế lần đầu tiên vào năm 1989, đến năm 1999 đã có hơn 100 bãi lọc trồng cây đã được thiết kế, chủ yếu theo cơng nghệ dịng chảy ngang với các lồi thực vật sử dụng là sậy và cỏ mèo. Các bãi lọc này chủ yếu được dùng để xử lý nước thải sinh hoạt, với hiệu suất xử lý chất hữu cơ tính theo BOD5 lên đến hơn 80%. Các nhà khoa học tại Trung tâm nghiên cứu môi trường tại Leipzig-Halle, CHLB Đức đã nghiên cứu một cách hệ thống công nghệ bãi lọc trồng cây để xử lý các chất ô nhiễm vô cơ, hữu cơ và khả năng khử trùng bằng công nghệ này.
Một bãi lọc trồng cây áp dụng cho xử lý nước thải của khu dân cư thuộc ngoại ô Bayawan City, Philippines với 336 hộ dân và 3380 nhân khẩu được hoàn thành vào năm 2006, với sự trợ giúp của Trung tâm nghiên cứu môi trường Leizig-Halle, CHLB Đức. Diện tích tổng cộng của bãi lọc trồng cây là 2680m2, đáp ứng yêu cầu xử lý là
150m3 nước thải/ngày đêm. Loại thực vật được sử dụng trong bãi lọc là cỏ sậy. Khả năng tách loại chất hữu cơ tính theo BOD của hệ thống này đạt đến 97%.
Các nghiên cứu thử nghiệm trên thế giới cho thấy, cơng nghệ bãi lọc trồng cây có thể áp dụng cho ngành cơng nghiệp chế biến thủy sản. Nhóm các nhà khoa học Thái Lan tại King Mongkut’s University hợp tác với các nhà khoa học của Tulane University, Hoa Kỳ, tiến hành khảo sát khả năng sử dụng bãi lọc trồng cây để xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản tại Thái Lan. Với thời gian lưu thủy lực là 5 ngày hiệu suất tách loại đạt đến 91 – 99% đối với BOD, 52 - 90% đối với chất rắn lơ lửng, 72 – 92% đối với tổng nitơ, 72 – 77% đối với tổng photpho. Kết quả cũng cho thấy trong hàm lượng chất hữu cơ q cao cần phải có q trình pha lỗng hoặc tiền xử lý. - Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, phương pháp xử lý nước thải bằng các bãi lọc ngầm trồng cây đã và đang được một số trung tâm nghiên cứu và trường đại học áp dụng thử nghiệm, chủ yếu xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện. Các đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phương pháp này tại Việt Nam như: “Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam” của Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu công nghiệp Trường Đại học Xây dựng Hà Nội hợp tác với Đại học Linkoeping Thụy Điển và “Xây dựng mơ hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại xã Minh Nơng, Bến Gót, Việt Trì”. Gần đây Đại học Quốc gia Hà Nội đã kết hợp với Trường Đại học Barcelona xây dựng một pilot thí nghiệm xử lý nước thải thủy sản tại Quảng Yên (Quảng Ninh) bằng phương pháp bãi lọc trồng cây dòng chảy nằm ngang và dòng chảy thẳng đứng kết hợp với tiền xử lý hiếu khí. Kết quả đã cho thấy hồn tồn có thể áp dụng phương pháp này trong điều kiện của Việt Nam. Đây là công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trường, cho phép đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường, hệ sinh thái của địa phương. Sinh khối thực vật và bùn phân hủy sau xử lý từ bãi lọc trồng cây cịn có
giá trị sử dụng.
1.2.3.2. Các ưu - nhược điểm chính của bãi lọc trồng cây
- Ưu điểm
• Bãi lọc trồng cây có kinh phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành thấp (khơng sử dụng nhiều thiết bị và năng lượng)
• Q trình xử lý nước thải là q trình hồn tồn tự nhiên sử dụng vi sinh vật và thực vật trong q trình xử lý ơ nhiễm mơi trường (khơng sử dụng hóa chất)
• Đơn giản trong xây dựng, hồn tồn có thể sử dụng các vật liệu địa phương • Vận hành và bảo trì hồn tồn đơn giản,
• Hiệu quả xử lý tốt và quá trình hoạt động ổn định - Nhược điểm
• Yêu cầu quỹ đất cho xử lý, bãi lọc trồng cây chỉ có hiệu quả kinh tế cao nếu quỹ đất sẵn có và khơng q đắt.
• Vẫn chưa phát triển được hệ tiêu chuẩn để thiết kế bãi lọc trồng cây cho các loại nước thải khác nhau và các vùng khí hậu khác nhau.
1.3. Đánh giá các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải
Hiệu quả xử lý và giá thành của từng phương pháp rất khác nhau và khả năng sử dụng từng phương pháp còn phụ thuộc vào nồng độ của hợp chất nitơ (amoni) trong nước.
Theo Mulder [18], phụ thuộc vào nồng độ amoni trong nước thải, các phương pháp sau có thể lựa chọn dựa trên tiêu chí về giá thành:
- Nồng độ amoni trong nước thải không cao, nhỏ hơn 100 mgN/l như trong nước thải sinh hoạt thì phương pháp vi sinh là thích hợp.
- Nồng độ amoni nằm trong khoảng 100 - 5000 mg N/l như trong nước thải từ quá trình phân hủy bùn (vi sinh) thì phương pháp được cho là khả dĩ vẫn là phương pháp vi sinh. Kết luận này được đưa ra sau rất nhiều cơng trình nghiên cứu sâu sắc và
toàn diện. Phương pháp bốc hơi hoặc kết tủa dưới dạng MAP (struvite) cũng là phương án khả dĩ song giá thành không thuận lợi nếu không tận dụng được sản phẩm NH3 hoặc MAP.
- Nước thải có nồng độ amoni cao, lớn hơn 5000 mg N/l có thể xử lý theo phương pháp hóa lý sẽ thuận lợi cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Đã có hệ thống cơng nghiệp được xây dựng để xử lý nước thải chứa 1,5% NH3 bằng phương pháp sục khí nóng để bốc hơi amoni và thu hồi NH3 từ pha khí.
Cho tới nay giải pháp xử lý sinh học được thực hiện rộng rãi hơn các giải pháp khác.
1.4. Q trình chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước thải. 1.4.1. Hệ vi khuẩn của nước thải
Vi khuẩn (Bacteria) là sinh vật đơn bào, kích thước rất nhỏ từ 0,3 5m (chỉ
nhìn thấy ở kính hiển vi phóng đại 1000 lần). Vi khuẩn có hình cầu, hình que, hình sợi xoắn. Chúng đứng riêng rẽ hoặc xếp thành đôi, thành 4 tế bào hoặc thành hình khối với tế bào, xếp thành chuỗi hoặc thành chùm. Vi khuẩn sinh sản bằng cách chia đôi tế bào. Nếu các điều kiện về chất dinh dưỡng, oxy, pH và nhiệt độ mơi trường thích hợp thì thời gian thế hệ là 15 30 phút.
Vi khuẩn đóng vai trị quan trọng (có thể nói là chủ yếu) trong q trình phân hủy chất hữu cơ, làm sạch nước thải, trong vịng tuần hồn vật chất.
Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia thành 2 nhóm chính:
- Vi khuẩn dị dưỡng (heterophe): Nhóm vi khuẩn này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển...
+ Vi khuẩn hiếu khí (aerobe): cần oxy để sống, như q trình hơ hấp ở động vật bậc cao. Oxy cung cấp cho q trình oxi hố các chất hữu cơ theo phản ứng:
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + năng lượng
+ Vi khuẩn kị khí hay yếm khí (anaerobe): Chúng có thể sống và hoạt động ở điều kiện kị khí (khơng cần oxy của khơng khí), mà sử dụng oxy trong những hợp chất có oxi như nitrat, sunfat, các chất hữu cơ có oxi.
Chất hữu cơ + NO3- CO2 + N2 + năng lượng Chất hữu cơ + SO42- CO2 + H2S + năng lượng
Chất hữu cơ
+ Vi khuẩn tùy nghi (facultative): loại này có thể sống trong điều kiện có hoặc khơng có oxy tự do. Chúng ln có mặt trong nước thải.
- Vi khuẩn tự dưỡng (autotroph).
Loại vi khuẩn này có khả năng oxi hố chất vơ cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh...Các phản ứng oxi hoá như sau:
Ở Nitrosomonas: 2NH4+ + O2 2NO2- + 4H+ + 2H2O + năng lượng Ở Nitrobacter: 2NO2- + O2 2NO3- + năng lượng
Các vi khuẩn sắt oxi hoá sắt tan trong nước thành sắt không tan Fe2+
tan+ O2 Fe3+ (không tan)+ năng lượng
Các vi khuẩn lưu huỳnh có khả năng chịu được pH thấp, oxi hố H2S thành H2SO4 gây ăn mịn đường ống, các cơng trình xây dựng ngập trong nước. [7]
axit hữu cơ + CO2 + H2O + năng lượng CH4 + CO2 + năng lượng
vi khuẩn hiếu khí
tăng sinh khối NH4+
1.4.2. Q trình amoni hóa sinh học
Amoni trong tự nhiên là kết quả của quá trình vận động chuyển hóa Nitơ (chu trình Nitơ)
Khí quyển
N2, một ít N2O
Vết của NO, NO2, HNO3, NH4NO3
Thủy quyển và địa quyển
NO3,-,NH4+
Hợp chất N hữu cơ có trong sinh khối chết và nhiên liệu hóa thạch
Tríquyển
NH3, HNO3, NO, NO2 Hợp chất Nitrat vô cơ Các sản phẩm Nitơ hữu cơ
Sinh quyển
Các hợp chất Nitơ xuất hiện trong quá trình trao đổi chất
của sự sơng
NH4+ NO3-, hịa tan từkết tủa
Chu trình Ni tơtrong tựnhiên
Quá trình sinh hoạt đời sống và sản xuất của con người đã làm cho sự thay đổi nồng độ của các hợp chất nitơ từng lúc từng nơi đã vượt quá ngưỡng cho phép, đặc biệt là Amoni trong nguồn nước. Amoni có hại cho động vật và người nhưng ở một mức độ nhất định lại có lợi cho thực vật và vi sinh vật vì đó là dinh dưỡng của chúng.
4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7O2N + 5O2 (1.22) C5H7O2N là nguyên sinh chất trong tế bào vi sinh vật.
Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải thường bắt đầu bằng sự thủy phân, oxi hóa và phân hủy nitơ hữu cơ bao gồm: các hợp chất dị vòng, protein, peptit, axit