9. Cấu trúc luận án
1.3. Tổng quan một số công nghệ xửlý nitơtrong nước thải sinh hoạt
1.4.2. Tổng quan về một số giá thể mang sử dụng trong quá trình Anammo
Việc áp dụng giá thể mang trong mơ hình phản ứng cũng có thể nâng cao tổng diện tích bề mặt để lưu giữ sinh khối, tăng cường sự chuyển khối cơ chất vào màng sinh học và do đó nâng cao NRR trong mơ hình [121]. Do đó trong cơng nghệ xử lý nước đã có nhiều nghiên cứu sử dụng các loại giá thể mang khác nhau để tăng cường cho q trình dính bám của vi khuẩn nhằm đạt đến hiệu quả xử lý cao hơn. Một số các giá thể mang đã được đưa vào nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox như hạt gel PVA (polyvinyl alcohol) [96]; hạt MC (malt ceramics) [114], vật liệu than sinh học BC [32]; vật liệu xốp PE [117]; vật liệu vải không dệt [55], [128],....
Việc sử dụng giá thể mang đối với quá trình Anammox rất quan trọng vì nó cung cấp bề mặt cho vi khuẩn dính bám tránh bị rửa trơi đặc biệt là đối với vi khuẩn sinh trưởng chậm như vi khuẩn Anammox [34]. Giá thể mang có ảnh hưởng đến thời gian khởi động của mơ hình phản ứng [74], [22].
Dưới đây là một số giá thể mang đã được sử dụng trong một số nghiên cứu về quá trình Anammox.
38
1. Giá thể mang PVA gel
Hạt PVA có đường kính 4mm với hàm lượng chất rắn khoảng 10% và tỉ trọng là 1,025. Chúng có bản chất ưa nước và có cấu trúc xốp khiến chúng dễ dàng lơ lửng trong nước. Các thí nghiệm dịng chảy liên tục trong thí nghiệm của Rouse [96] được thực hiện bằng cách sử dụng hạt PVA-gel làm chất mang sinh khối trong mơ hình phản ứng kỵ khí. Vật liệu này cũng đã được sử dụng trong nghiên cứu của Tran [115] với mơ hình phản ứng tầng lưu động. Hiệu quả loại bỏ amoni trong mơ hình là 77% với tốc độ loại bỏ TN đạt 3,0 kgN/m3/ngày. Nghiên cứu của Phan [89] khảo sát hiệu quả loại bỏ amoni trong nước thải giết mổ bằng công nghệ UASB kết hợp lớp bùn dạng hạt mở rộng (EGSB) ứng dụng quá trình Anammox với PVA gel làm chất mang sinh khối. Kết quả cho thấy, khi bổ sung PVA gel là giá thể mang, hiệu quả loại bỏ amoni trong hệ thống tăng so với khi khơng có giá thể mang (68% so với 64%).
2. Vật liệu than sinh học (than tre BC, hạt MC)
Than sinh học, được tạo ra bởi sự phân hủy nhiệt của vật liệu hữu cơ, như gỗ, tre, lá, dưới nguồn cung cấp oxi hạn chế ở nhiệt độ tương đối thấp (<700°C), có thể là chất mang thích hợp cho khởi động q trình Anammox do nó diện tích bề mặt cao, khả năng trao đổi cation lớn, mật độ điện tích âm cao. Vật liệu than tre BC (bamboo charcoal) cũng đã được dùng trong nghiên cứu của Chen [32] và Jin [61]. Trong nghiên cứu của Chen [32], thời gian khởi động được rút ngắn từ 117 ngày (không sử dụng giá thể mang) xuống chỉ còn 85 ngày khi sử dụng giá thể mang BC. Nghiên cứu của Jin [61] cho thấy liều lượng bùn anammox đã giảm hơn 50% khi sử dụng BC làm giá thể mang.
Hạt MC (malt ceramics) là vật liệu than hoạt tính được chế tạo từ việc đốt bã bia, có cấu trúc vi lỗ rỗng với đường kính mỗi lỗ là 21.7Å. Nghiên cứu của Tran [116] sử dụng hạt MC có kích thước 3-5mm và 10-15mm đạt tốc độ loại bỏ TN lần lượt là 3,3 và 3,2 kgN/m3/ngày. Nghiên cứu cũng cho thấy, hiệu quả loại bỏ amoni khi sử dụng các hạt MC có kích thước 10-15mm thấp hơn khơng đáng kể khi sử dụng hạt MC có kích thước 3-5mm.
39
3. Giá thể mang PE (Polyethylene)
Vật liệu PE có độ dày 10mm, trọng lượng riêng 0,995 g/cm3, có tổng diện tích bề mặt lớn do tỉ lệ lỗ rỗng là 96% (đường kính lỗ rỗng là 1060µm). Với đặc tính này, vật liệu PE có thể được sử dụng làm giá thể mang để tăng cường hiệu suất dính bám bùn anammox như trong thí nghiệm của Li Zhang [142].
Cũng trong nghiên cứu của Tran [117], giá thể mang sinh khối là tấm polyetylen (PE) được đánh giá trong cột Anammox. Kết quả này cho thấy chỉ trong một thời gian ngắn khoảng 140 ngày, NRR trong mơ hình đã đạt 2 kgN/m3.ngày. Điều đó chứng tỏ, vật liệu PE rất phù hợp để mang sinh khối, làm gia tăng hiệu quả loại bỏ amoni khỏi nước thải.
4. Vật liệu vải không dệt
Vải không dệt xốp và chứa nhiều vùng rỗng nhỏ; nó hỗ trợ việc gắn sinh khối để ngăn chặn sự rửa trơi, do đó nâng cao hiệu suất của lị phản ứng anammox. Khả năng lưu giữ sinh khối cũng được thực hiện thông qua sự phát triển màng sinh học trên bề mặt bên trong của vật liệu không dệt thông qua sự hình thành các bơng trong mơ hình phản ứng. Trong nghiên cứu của Tao Wang [128], một loại vòng làm bằng vải không dệt mới được sử dụng để cải thiện hiệu quả xử lý của mơ hình phản ứng tầng cố định do có đến 78% tổng số vi khuẩn là vi khuẩn Anammox được lưu giữ trên giá thể mang. Nghiên cứu của Ibrahim [55] sử dụng vật liệu vải không dệt cũng thu được NRR rất lớn 26 kgN/m3/ngày. Kết quả thu được là do độ xốp rỗng của vật liệu vải không dệt đã hỗ trợ việc lưu giữ các tế bào tự do và ngăn chặn hiện tượng tắc nghẽn màng khi hoạt động trong thời gian dài [22].
5. Giá thể mang Zeolit
Zeolit là khoáng chất tự nhiên, gồm rất nhiều các vi hạt tích điện âm. Chúng có đặc trưng là diện tích bề mặt lớn và có độ xốp bên trong rộng [49]. Zeolit có khả năng trao đổi ion cao và có khả năng hấp phụ các ion amoni tích điện dương lên bề mặt zeolit. Do đó, zeolit có thể được sử dụng để tăng tốc độ khởi động của quá trình Anammox và hệ thống đó được gọi là zeolit-anammox. Fernández và cộng sự [43]
40
đã kết luận, khi sử dụng hạt Zeolit khả năng lưu giữ sinh khối trong mơ hình tăng lên đáng kể làm giảm được lượng sinh khối bị rửa trôi.
6. Giá thể mang Felibendy
Felibendy là sản phẩm được sản xuất bởi công ty Kuraray (Nhật Bản) bằng cơng nghệ Steam-Jet với thành phần chính là nhựa EVOH (lớp vỏ bọc) và nhựa PET (cốt lõi) (hình 1.12).
Hình 1.12. Giá thể mang Felibendy [149]
Nhựa EVOH (Ethylene Vinyl Alcohol) thường được sử dụng rộng rãi làm vỏ bọc sản phẩm do đặc tính bền cơ học cao, độ đàn hồi, độ cứng bề mặt, khả năng chống ăn mòn cao. Phần cốt lõi của Felibendy là hạt nhựa PET (Polyethylene terephthalate). PET có khả năng chống mài mịn và độ ổn định rất cao, là loại nhựa nhiệt dẻo có độ đàn hồi tương đối ổn định có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm yêu cầu đột phá về độ bền và có độ ổn định kích thước cao.
Quá trình Steam-jet là quá trình ép nhựa dưới áp lực và nhiệt độ cao kết hợp với phun hơi nước làm tan chảy nhựa EVOH và nhựa PET làm gia tăng số lượng các điểm gắn kết và phát triển cấu trúc cứng với vô số khoảng không, bề mặt xốp nhiều
41
lỗ rỗng. Felibendy có một cấu trúc sợi dạng cứng rắn, bền vững, với các đặc tính nhẹ, diện tích bề mặt lớn, cách nhiệt và thấm khí tốt
Bảng 1.6. Đặc tính của Felibendy [149]
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Định lượng g/m2 800 2 Độ dày mm 8 3 Trọng lượng riêng g/cm3 0,1 4 Độ thấm khí g/cm3/cm2/s 26,2 5 Độ dẫn nhiệt W/m.K 0,034 6 Độ rỗng xốp % 90-95 7 Diện tích bề mặt m2/m3 4500-5000
Với các đặc tính được trình bày trong bảng 1.6, Felibendy có thể đáp ứng được các yêu cầu của giá thể mang và được lựa chọn làm giá thể vi sinh cố định nhằm hỗ trợ q trình Anammox trong mơ hình phản ứng tầng cố định. Giá thể mang Felibendy cũng đã được sử dụng trong nghiên cứu của Trần Thị Hiền Hoa với mơ hình phản ứng tầng lưu động [10]. Trong quá trình vận hành 262 ngày, hiệu suất loại bỏ TN tăng dần từ 50,69% đến 79,88% với nồng độ TN đầu vào tăng từ 55 đến 235 mgN/L.
1.4.3. Tổng quan về các nghiên cứu về phương trình động học mơ tả q trình Anammox
Nhằm mơ tả q trình động học diễn ra trong các cơng trình xử lý, rất nhiều các nghiên cứu đã xây dựng các mơ hình động học. Động học của quá trình xử lý sinh học liên quan đến quá trình sinh trưởng tế bào và quá trình phân huỷ nội bào. Một số mơ hình động học cơ bản như mơ hình bậc 1, mơ hình Monod, mơ hình động học bậc hai Grau, mơ hình Contois, mơ hình Stover Kincannon… được trình bày trong bảng 1.7.
42 Bảng 1.7. Tổng hợp một số phương trình động học cơ bản Mơ hình động học Phương trình động học Chú thích TLTK Bậc 1 −dS dt = K!. S "#
"$: tốc độ loại bỏ cơ chất (mg/L/ngày)
K1: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất bậc một (ngày-1) S: nồng độ cơ chất (mg/L) [60] Bậc 2 Grau −dS dt = K%. X. ) S& S'* % "#
"$: tốc độ loại bỏ cơ chất (mg/L/ngày)
K2: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mô hình động học bậc 2 (ngày-1) X: nồng độ sinh khối trong mơ hình (mgVSS/l)
S0: nồng độ cơ chất đầu vào (mg/L) Se: nồng độ cơ chất đầu ra (mg/L)
[48] Monod −dS dt = 𝜇(. 𝑋. 𝑆 𝑌(𝐾)+ 𝑆) "#
"$: tốc độ loại bỏ cơ chất (mg/L/ngày)
𝜇(: tốc độ sinh trưởng riêng tối đa (ngày-1)
KS: hằng số bán bão hoà (mg/L) S: nồng độ cơ chất (mg/L)
X: nồng độ sinh khối trong mơ hình (mg VSS/L)
Y: hệ số năng suất tăng trưởng sinh khối (mgVSS/g cơ chất)
43
Bảng 1.7. Tổng hợp một số phương trình động học cơ bản (tiếp)
Mơ hình động học Phương trình động học Chú thích TLTK Contois −dS dt = 𝜇(. 𝑋. 𝑆 𝐵. 𝑋 + 𝑆 "#
"$: tốc độ loại bỏ cơ chất (mg/L/ngày)
X: nồng độ sinh khối trong mơ hình (mgVSS/L)
B: Hằng số bán bão hoà Contois S: nồng độ cơ chất (mg/L) [37] Stover- Kincannon −dS dt = U*+,5Q. S' V 8 K- + 5Q. S' V 8 "#
"$: tốc độ loại bỏ cơ chất (mg/L/ngày)
Q: tốc độ dòng (L/ngày)
S0: nồng độ cơ chất đầu vào (mg/L) Se: nồng độ cơ chất đầu ra (mg/L) V: thể tích của bể phản ứng (L) KB: hằng số bán bão hoà (mg/L/ngày) Umax: tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất (mg/L/ngày)
[85]
Năm 2012, Ni và cộng sự [84] đã áp dụng 5 dạng mơ hình động học gồm mơ hình Monod, mơ hình Contois, mơ hình động học bậc 1, mơ hình động học bậc 2 Grau và mơ hình Stover Kincanon đối với mơ hình UASB sử dụng bùn hạt. Kết quả cho thấy, mơ hình Monod và mơ hình Contois có hệ số xác định R2 thấp. Chỉ có mơ hình động học bậc 1, mơ hình Grau và mơ hình Stover Kincannon là phù hợp để mô tả động học của q trình Anammox vì có hệ số xác định R2 cao (trên 80%). Kết quả này cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu của Abbas và cộng sự [20] khi mơ hình phản ứng được vận hành với NLR là 420 ±30 kg/m3/ngày và thời gian lưu thủy lực từ 0,066 đến 1,0 ngày.
Trong nghiên cứu của Niu và cộng sự [85], hiệu quả loại bỏ tổng nitơ của mơ hình UASB được mơ phỏng và dự đốn bằng mơ hình Stover-Kincannon, mơ hình
44
Monod, mơ hình bậc nhất và mơ hình loại bỏ chất nền bậc hai Grau. Kết quả mô phỏng đã chứng minh rằng mơ hình Stover-Kincannon và mơ hình bậc hai Grau là những mơ hình thích hợp nhất với tốc độ loại bỏ TN tối đa được mong đợi là Umax và hằng số giá trị bão hòa KB lần lượt là 3,33 và 4,03 gN/L/ngày.
Theo nghiên cứu của Abyar và cộng sự [21], trong bốn mơ hình động học là mơ hình bậc nhất, bậc hai Grau, mơ hình Stover – Kincannon và Monod thì mơ hình Stover – Kincannon được cho là tốt nhất để mơ tả q trình xử lý với hằng số tiêu thụ cơ chất lớn nhất Umax và hằng số bán bão hoà KB lần lượt là 0,314 và 0,334.
Các nghiên cứu trên cho thấy, ba dạng mơ hình động học phù hợp nhất để mơ tả động học của q trình Anammox là mơ hình động học bậc một, mơ hình động học bậc hai Grau và mơ hình Stover-Kincannon. Tuy nhiên, các thơng số động học của các q trình này là khác nhau đối với các loại nước thải, nồng độ cơ chất và điều kiện vận hành khác nhau của từng mơ hình [20], [91].
1.5. Một số vấn đề còn tồn tại khi xử lý nước thải bằng quá trình Anammox và hướng nghiên cứu của luận án hướng nghiên cứu của luận án
Sau khi tổng quan các nghiên cứu về quá trình Anammox trên thế giới và thực trạng nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam, nhận thấy rằng:
- Ở Việt Nam, các nghiên cứu về q trình Anammox cịn chưa đa dạng về đối tượng nước thải, các nghiên cứu sử dụng nước thải sinh hoạt thực tế cịn ít. Cần phải có những thử nghiệm về hiệu suất lâu dài cũng như đánh giá được khả năng ứng dụng vào thực tiễn.
- Các nghiên cứu về yếu tố ảnh hưởng hoặc ức chế đến hoạt động của vi khuẩn Anammox chưa đầy đủ. Cần có các nghiên cứu, biện pháp nâng cao hiệu quả, rút ngắn thời gian khởi động của quá trình Anammox.
- Các nghiên cứu về nuôi cấy và làm giàu vi khuẩn Anammox còn hạn chế. Cơ chế của anammox và sự kết hợp của anammox với các vi khuẩn khác cần được khám phá thêm.
45
- Cần bổ sung các nghiên cứu về các giá thể mang hỗ trợ cho q trình dính bám của vi sinh vật nhằm đảm bảo màng vi sinh không bị rửa trôi trong quá trình hoạt động của mơ hình xử lý.
- Cần xác định được các thông số vận hành phù hợp với quá trình Anammox tương ứng với các mơ hình phản ứng khác nhau.
- Cần nghiên cứu động học của quá trình Anammox, xác định được mơ hình động học phù hợp và dự đốn được chất lượng nước thải đầu ra.
Các vấn đề nêu trên không thể cùng lúc được giải quyết cho một nghiên cứu mà cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu cũng như cần nghiên cứu từng bước một. Do đó, trong phạm vi luận án này, tác giả sẽ tập trung vào giải quyết một số vấn đề sau:
- Bổ sung nước thải sinh hoạt thực tế (nước thải sau bể tự hoại) vào đối tượng nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox (do 90% nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình đều được xử lý sơ bộ trước khi xả vào hệ thống thoát nước chung) - Bổ sung nghiên cứu về việc ứng dụng giá thể vi sinh cố định (Felibendy) để
đánh giá khả năng xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng q trình nitrit hố bán phần và Anammox.
- Nghiên cứu xác định thời gian lưu thuỷ lực phù hợp cho mơ hình nitrit hố bán phần và mơ hình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy. - Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ trong nước thải đến
quá trình Anammox.
- Xác định phương trình động học phù hợp để mơ tả q trình xử lý nitơ trong nước thải. Đồng thời xác định các thông số động học tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải sinh hoạt.
46
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ ỨNG DỤNG Q TRÌNH NITRIT HỐ BÁN PHẦN - ANAMMOX 2.1. Quá trình Anammox
2.1.1. Bản chất của quá trình Anammox
Quá trình Anammox (Anaerobic ammonium oxidation) hay q trình oxi hóa kỵ khí amoni là một q trình vi sinh quan trọng diễn ra trong mơi trường tự nhiên tồn cầu. Q trình Anammox được định nghĩa là quá trình amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N2 dưới điều kiện yếm khí với amoni là chất cho điện tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo thành khí N2.
Hình 2.1. Chu trình nitơ bổ sung q trình Anammox [10]
Sau đó, amoni và nitrit sẽ được oxi hố trực tiếp, sản phẩm chính của q trình là khí nitơ và chỉ có 10% được chuyển hố thành nitrat. Dựa trên cân bằng sinh khối qua q trình ni cấy làm giàu Anammox, phương trình của quá trình Anammox được Strous và cộng sự đưa ra như sau [101]:
NH4+ + 1,32 NO2-+ 0,066 HCO3- + 0,13 H+
→ 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0.066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O
(2. 1)
Quá trình Anammox này đã khắc phục được những nhược điểm của phương pháp xử lý nitrat hóa-khử nitrat truyền thống và đó cũng chính là ưu điểm nổi bật của q trình: địi hỏi nhu cầu về oxi ít hơn và khơng cần nguồn cacbon hữu cơ từ bên
47
ngoài. 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.
2.1.2. Hố sinh học của q trình Anammox 1. Cơ chế hố sinh học của quá trình Anammox
Cơ chế chuyển hóa nội bào của phản ứng Anammox (hình 2.2) được thiết lập