2. Cơng nghệ thiếu khí- hiếu khí AO (Anoxic-Oxic)
AO là cơng trình xử lý sinh học dựa trên quá trình bùn hoạt tính, gồm 2 ngăn thiếu khí và hiếu khí. Nước thải được xáo trộn với các vi sinh vật hiếu khí nhờ hệ thống cấp khơng khí. Trong q trình tiếp xúc đó, vi sinh vật hiếu khí sử dụng các chất ơ nhiễm có trong nước thải làm thức ăn của chúng, thực hiện đồng thời q trình 2 mặt là dị hóa (oxy hóa các cơ chất là chất hữu cơ và amoni) và đồng hóa (tạo sinh khối mới). Q trình oxi hóa NH4+ thành NO3- diễn ra tại ngăn hiếu khí cịn trong ngăn thiếu khí vi khuẩn Nitrobacter giúp chuyển hóa nitrat thành khí nitơ tự do.
Thơng thường bể thiếu khí được đặt trước bể hiếu khí để tận dụng nguồn cacbon từ nước thải và bùn hoạt tính cần được tuần hồn từ bể lắng về bể thiếu khí. Nước thải ngăn cuối ngăn hiếu khí cần được hồi lưu (tuần hồn nội tại) về ngăn thiếu khí để tiến hành khử nitrat.
Hình 1.4. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ AO [14]
3. Cơng nghệ SBR (Sequency Batch Reactor)
Hình 1.5. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ SBR [14]
Hệ thống SBR (Sequency Batch Reactor) là hệ thống hoạt động gián đoạn có chu kỳ dùng để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ và nitơ cao. Hệ thống bao gồm 5 pha diễn ra liên tục và lần lượt theo thứ tự: làm đầy nước thải, phản ứng (thổi khí, khuấy trộn), lắng tĩnh, rút nước và ngưng (pha nghỉ). Hệ thống SBR có thể khử được tổng nitơ và photpho sinh hóa do có thể điều chỉnh được q trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp oxi.
4. Cơng nghệ kỵ khí-thiếu khí-hiếu khí AAO (Anerobic-Anoxic-Oxic)
Cơng nghệ AAO là viết tắt của cụm từ Anerobic (kỵ khí) – Anoxic (thiếu khí) – Oxic (hiếu khí). Cơng nghệ AAO là q trình xử lý sinh học liên tục, kết hợp 3 hệ vi sinh: kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí để xử lý nước thải.
Hình 1.6. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ AAO [14]
Trong các bể kỵ khí xảy ra q trình phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và các chất dạng keo trong nước thải với sự tham gia của hệ vi sinh vật kỵ khí.
Tại bể thiếu khí diễn ra q trình nitrat hóa để xử lý nitơ. Trong mơi trường thiếu oxi, các loại vi khuẩn này sẽ khử nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) theo chuỗi chuyển hóa: NO3- → NO2- → N2O → N2↑. Khí nitơ phân tử N2 tạo thành sẽ thốt khỏi nước và ra ngồi.
Cuối cùng là q trình hiếu khí (Oxic) bao gồm q trình oxi hố, phân huỷ chất hữu cơ; quá trình tổng hợp tế bào mới và quá trình phân huỷ nội sinh.
5. Cơng nghệ màng lọc sinh học MBR (Membrane Bio Reactor)
Cơng nghệ MBR là sự kết hợp giữa q trình vi sinh trong bể bùn hoạt tính lơ lửng và cơng nghệ màng lọc sợi rỗng trong xử lý nước thải. Chất lượng nước sau khi xử lý rất tốt và ổn định, với hàm lượng SS < 1mg/L, độ đục < 0.2NTU. Cơng nghệ MBR có thể duy trì nồng độ bùn hoạt tính ở mức cao, thời gian lưu bùn kéo dài đạt hiệu quả tối ưu trong việc khử tổng nitơ và amoni. Hệ thống bể sinh học MBR có hai kiểu: kiểu đặt ngập màng MBR vào trong bể và kiểu đặt ngoài. Với kiểu đặt ngập, màng MBR hoạt động bằng cách hút hoặc dùng áp lực; với kiểu đặt ngoài, màng MBR hoạt động theo nguyên tắc tuần hoàn lại bể phản ứng ở áp suất cao... Việc khử nitơ trong bể MBR được thực hiện qua 2 quá trình gồm quá trình nitrit hố bán phần
và q trình khử tổng nitơ thơng qua hệ thống màng vi lọc. Hiệu suất loại bỏ TN và amoni lên đến 90 – 95% và đặc biệt hiệu suất loại bỏ vi khuẩn và virút rất cao.
Hình 1.7. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ MBR [14]
6. Công nghệ màng sinh học giá thể chuyển động MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)
Cơng nghệ MBBR là q trình xử lý sinh học hiệu quả thông qua sự kết hợp giữa q trình bùn hoạt tính và màng sinh học. Màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá thể di chuyển tự do trong bể phản ứng nhờ hệ thống sục khí cấp oxi, do đó mật độ vi sinh (MLVSS) trong bể xử lý cao hơn so với kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán. Cơng nghệ MBBR có thể xử lý đồng thời chất hữu cơ, chất dinh dưỡng nitơ, phốt pho với chất lượng và hiệu quả cao, thời gian xử lý ngắn và tạo ra ít chất thải thứ cấp. Hiệu quả xử lý nitơ có thể đạt đến 90%.
Hình 1.8. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ MBBR [14]
7. Công nghệ FAST (Fixed Activated Sludge Treatment)
Công nghệ FAST là công nghệ mới cải tiến chức năng bể tự hoại bằng cách xây dựng thêm ngăn hiếu khí. FAST là cơng nghệ sử dụng kết hợp q trình sinh học lơ lửng và dính bám, có khả năng nitrat hố và khử nitrat trong cùng một bể. Khả năng khử nitơ có thể đạt trên 70%.
Hình 1.9. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ FAST [14]
Hệ thống FAST cung cấp một lượng lớn vi sinh vật cho ngăn hiếu khí ở bên trong trung tâm của bể để phân huỷ nước thải. Tính mới của việc kết hợp hai quá trình này bao gồm sự ổn định của màng sinh học cố định với hiệu quả xử lý bùn hoạt tính.
Q trình sinh trưởng dính bám làm cho một lượng vi sinh vật được giữ lại trong hệ thống mà khơng bị trơi theo dịng nước ngay cả khi lưu lượng nước thải lớn.
1.3.2. Công nghệ xử lý nitơ ứng dụng q trình Anammox
Việc áp dụng cơng nghệ xử lý nước thải bằng quá trình Anammox là sự kết hợp của 2 q trình nitrit hố bán phần và q trình Anammox. Giai đoạn nitrit hố bán phần khơng chuyển hố hoàn toàn amoni thành nitrat mà chỉ dừng lại ở giai đoạn tạo nitrit, là cơ sở cho việc tạo thành chất nhận điện tử để tiến hành q trình oxi hố kỵ khí amoni. Hai giai đoạn này có thể được tiến hành trong hai thiết bị phản ứng riêng biệt hoặc trong cùng một thiết bị phản ứng. Các cơ chế kết hợp giữa hai q trình nitrit hóa bán phần và Anammox được thể hiện tóm tắt trong Hình 1.10. 100%NH4+ 50%NH4+ 50%/NO2- 90%N2 10%NO3- 100%NH4+ 90%N2 10%NO3-
Hình 1.10. Sơ đồ q trình nitrit hóa bán phần kết hợp với q trình Anammox [16]
1. Quá trình SHARON - Anammox
Quá trình SHARON – Anammox được tiến hành thực hiện trong hai bể phản ứng độc lập, gồm hai bước do hai nhóm vi khuẩn khác nhau thực hiện. Bước thứ nhất là q trình tự dưỡng hiếu khí do nhóm vi khuẩn AOB xúc tác, oxi hóa amoni thành nitrit với oxi là chất nhận điện tử. Bước thứ hai là q trình tự dưỡng kỵ khí do nhóm vi khuẩn Planctomycetes thực hiện trong đó nitrit là chất nhận điện tử.
2. Quá trình OLAND (Oxygen Limited Autotrophic removal via nitrification
denitrification)
Quá trình OLAND là quá trình xử lý nitơ trong cùng một thiết bị và sử dụng các nhóm vi khuẩn hồn tồn tự dưỡng trong điều kiện thiếu ôxi [28]. Cơ chế loại bỏ
SHARON (AOB) Anammox
(Planctomycetes)
CANON, OLAND, SNAP
nitơ được giả thiết do sự oxi hóa NH4+ thành N2 bằng NO2- do enzym tương tự hydroxylamine oxidoreductase (HAO) ở vi khuẩn nitrit hóa thơng thường. Thành phần vi sinh của lớp màng sinh học OLAND gồm các vi khuẩn AOB thuộc chi
Nitrosomonas và các vi khuẩn Planctomycetes gần với Candidatus Kuenenia Sttugartiensis. Quá trình tự dưỡng này tiết kiệm được 63% nhu cầu ôxi và 100%
nhu cầu cacbon hữu cơ so với hệ xử lý truyền thống [98].
3. Quá trình CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal over Nitrite)
Q trình CANON sử dụng đồng thời hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí và kỵ khí với lượng oxi được cung cấp có giới hạn để thực hiện q trình nitrit hóa bán phần và q trình Anammox [101]. Điều kiện oxi có hạn là bắt buộc để có được sự tồn tại đồng thời cả vi khuẩn hiếu khí và vi khuẩn kỵ khí. Trong ni cấy màng vi sinh, có thể thu được đồng thời sự tích lũy nitrit ở lớp hiếu khí bên ngồi của màng và phản ứng Anammox ở lớp yếm khí bên trong màng.
4. Q trình SNAP (Single stage Nitrogen Removal using Anammox and Partial
Nitritation)
Quá trình SNAP là quá trình xử lý nitơ trên cơ sở kết hợp q trình nitrit hóa bán phần và Anammox trong một bể phản ứng sử dụng vật liệu sợi tổng hợp acrylic làm giá thể mang. Vi khuẩn Planctomycetes sinh trưởng và kết hợp với vi khuẩn
AOB cùng bám trên giá thể mang sẽ chuyển hóa phần lớn amoni ban đầu thành khí
nitơ.
1.3.3. Đánh giá về hiệu quả của cơng nghệ xử lý nitơ bằng q trình nitrathố/khử nitrat và cơng nghệ ứng dụng quá trình Anammox hố/khử nitrat và cơng nghệ ứng dụng quá trình Anammox
Mặc dù các cơng nghệ xử lý ứng dụng q trình nitrat hố/khử nitrat truyền thống có tính ổn định và khả thi cao, nhưng vẫn cịn những tồn tại sau:
- Chi phí cao do yêu cầu năng lượng lớn để tiến hành q trình nitrat hố; - Cần phải có nguồn cacbon để tiến hành q trình khử nitrat. Trong trường hợp nước thải có tỉ lệ C/N thấp thì phải bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài;
- Lượng bùn sinh ra lớn.
So với q trình nitrat hố/khử nitrat truyền thống, q trình Anammox đã được chứng minh có những ưu điểm nổi bật sau:
- Giảm thiểu được việc sử dụng nguồn cacbon hữu cơ do quá trình Anammox sử dụng vi khuẩn tự dưỡng hố năng nên khơng cần sử dụng đến nguồn cacbon hữu cơ. Điều này hứa hẹn cho việc ứng dụng q trình Anammox để xử lý nước thải có tỉ lệ C/N thấp [36].
- Lượng bùn sinh ra thấp do tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn thấp, nên tốc độ tăng sinh khối cũng thấp. Điều này sẽ dẫn đến chi phí vận hành thấp đặc biệt thích hợp với những nơi khó khăn trong việc xả bùn thải [50].
- Q trình Anammox sẽ giảm được lượng khí nhà kính do khơng tiêu thụ oxi để chuyển hoá các hợp chất nitơ nên khơng sinh ra các khí N2O hay NO là những chất khí đóng góp vào việc trái đất nóng lên hay suy giảm tầng ozon [90], [127].
- Quá trình Anammox tiết kiệm được chi phí về mặt năng lượng để cung cấp khí oxi. Q trình nitrit hố bán phần và q trình Anammox khi kết hợp với nhau có ưu điểm nổi trội là nhu cầu oxi và độ kiềm thấp, lượng nitrat sinh ra nhỏ dẫn đến những sản phẩm khơng mong muốn như các khí N2O và H2S cũng rất ít và chi phí
vận hành giảm được đến 90% [36], [127].
Mặc dù có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với phương pháp truyền thống, xử lý nitơ trong nước thải ứng dụng quá trình Anammox chưa được triển khai rộng rãi trong thực tế là do một số khó khăn sau:
- Việc ni cấy và làm giàu vi khuẩn không đơn giản. - Thời gian để khởi động và thích nghi của vi khuẩn dài.
- Vi khuẩn rất nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, pH, độ kiềm, độ oxi hoà tan… cần kiểm soát chặt chẽ các chế độ vận hành.
1.3.4. Đánh giá các công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các nhà máy xử lý nước thải của Việt Nam và xu hướng tiếp cận công nghệ xử lý nước thải trên thế giới
Đồng hành với sự phát triển của đô thị, lượng nước thải phát sinh hàng ngày cũng gia tăng. Với mức độ đơ thị hóa hiện nay tới năm 2035 Việt Nam sẽ có khoảng 106,3 triệu dân trong đó có 47,87 triệu dân đơ thị (44,87% dân số) [123], ước tính lượng nước thải đơ thị cần xử lý là 7,63 triệu m3/ngày đêm [5]. Trong khi đó hiện
nay cả nước mới có khoảng 70 nhà máy xử lý nước thải tập trung ở đô thị với tổng công suất xử lý nước thải ước đạt hơn 1 triệu m3/ngđ [2]. Lượng nước thải đô thị được xử lý chỉ chiếm khoảng 12-13%, phần lớn lượng nước còn lại chỉ được xử lý sơ bộ qua bể tự hoại hoặc chảy thẳng ra nguồn nước gần đó [4]. Bể tự hoại được coi như một hợp phần khơng thể tách rời của hệ thống thốt nước, sẽ cịn tiếp tục đóng vai trị quan trọng xử lý sơ bộ nước thải hộ gia đình ở các khu đơ thị hiện có với hệ thống thốt nước chung.
Các công nghệ xử lý nước thải đô thị ở Việt Nam đa dạng, chủ yếu là các hình thức khác nhau của công nghệ xử lý thứ cấp bằng bùn hoạt tính. Cơng nghệ bùn hoạt tính truyền thống CAS có 6 nhà máy như Bảy Mẫu (Hà Nội), Vĩnh Niệm (Hải Phòng), Vĩnh Yên (Vĩnh Phúc), Vinh (Nghệ An), Cam Ranh (Khánh Hịa) và Bình Hưng (TP Hồ Chí Minh). Cơng nghệ xử lý sinh học theo mẻ SBR là công nghệ được sử dụng nhiều nhất gồm có 14 nhà máy, trong đó có 4 nhà máy là Cầu Ngà (Hà Nội), Hồ Tây (Hà Nội), Cao Lãnh (Đồng Tháp) và Bắc Ninh (Bắc Ninh) sử dụng công nghệ SBR cải tiến. Ngồi ra, cịn có thể kể đến một số cơng nghệ khác như thiếu khí – hiếu khí AO (3 nhà máy), kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí (AAO) (có 6 nhà máy), mương oxi hóa (OD) (7 nhà máy)… Bên cạnh đó, cịn có một số nhà máy xử lý áp dụng công nghệ đơn giản hơn như hệ thống hồ kỵ khí có bạt phủ như trạm Ngũ Hành Sơn và trạm Hòa Cường (Đà Nẵng); hồ sinh học như trạm Thanh Hóa; hồ sục khí như trạm Bình Hưng Hồ (TP Hồ Chí Minh), lọc sinh học nhỏ giọt như trạm Đà Lạt, trạm Nhơn Bình (Bình Định).
Các nhà máy xử lý tiếp nhận nước thải từ hệ thống thốt nước riêng có nồng độ chất hữu cơ từ 338-380 mg/L (BOD) và 564-604 mg/L (COD). Nước thải của hệ thống thốt nước chung có nồng độ chất hữu cơ thấp hơn nhiều so với hệ thống thốt nước riêng (do đã được pha lỗng với nước mưa), chỉ từ 31 – 135mg/l (BOD) và 64- 191 mg/L (COD). Nước thải đầu vào từ hệ thống thốt nước chung có nồng độ amoni và tổng nitơ (1-28mg/l và 11-44mg/l) thấp hơn nhiều so với nước thải từ hệ thống thoát nước riêng (93-95mg/L). Đa phần nước thải của HTTN chung đều có tỉ lệ C/N trong khoảng từ 2,5 đến 5,0. Một số nhà máy có tỉ lệ lớn hơn từ 6,0 đến 8,0 (Phú Lộc,
Đà Lạt, Bn Ma Thuột...) và đặc biệt nhà máy Bình Hưng (TP Hồ Chí Minh) có tỉ lệ C/N lên đến 12,27. Với nồng độ các chất hữu cơ thấp như trên thì các cơng nghệ xử lý của Việt Nam đang áp dụng thì nước thải sau xử lý đảm bảo yêu cầu của nguồn tiếp nhận. Tuy nhiên, đối với các chỉ tiêu về nitơ thì khơng phải cơng nghệ nào cũng có đảm bảo được yêu cầu. Thực tế cho thấy rằng, nhà máy XLNT Buôn Ma Thuột khi sử dụng công nghệ đơn giản là chuỗi hồ sinh học đã phải bổ sung thêm bãi lọc ngập nước trồng cây để xử lý nước thải có nồng độ amoni đầu vào 36 mg/L. Trạm xử lý nước thải Yên Sở cũng đã từng phải bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài vào để đảm bảo tỉ lệ C/N theo yêu cầu của q trình sinh học, làm gia tăng chi phí cho quá trình xử lý [13].
Để phát triển hiệu quả lĩnh vực vệ sinh môi trường ở Việt Nam, cần quan tâm hơn nữa đến công tác lựa chọn công nghệ xử lý, cần phù hợp với đặc tính nước thải đầu vào, các quá trình xử lý cần thiết để đạt tiêu chuẩn xả thải, điều kiện cụ thể của khu vực xử lý và nguồn tiếp nhận nước. Với công nghệ của các trạm xử lý đang áp dụng, việc xử lý nitơ đều được thực hiện thơng qua q trình nitrat hố/khử nitrat. Nhược điểm chính của q trình này là tiêu tốn năng lượng đáng kể để sục khí phục vụ cho q trình oxi hố amoni thành nitrat đồng thời cần phải tuần hồn bùn nội tại. Do đó để đảm bảo các cơng nghệ được lựa chọn và cơng trình được thiết kế thành cơng, mang lại lợi ích về mặt kinh tế - tài chính, với chi phí phù hợp với khả năng chi trả của địa phương, các cơng trình có mức tiêu thụ năng lượng thấp, có khả năng thu hồi tài nguyên từ bùn hoặc tái sử dụng nước thải sau xử lý cần được chú trọng.
Bảng 1.2. Công nghệ và giá trị các thông số ô nhiễm của một số nhà máy xử lý nước thải đang vận hành [2].