9. Cấu trúc luận án
1.3. Tổng quan một số công nghệ xửlý nitơtrong nước thải sinh hoạt
1.3.4. Đánh giá các công nghệ xửlý nước thải đang áp dụng tại các nhà máy
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
27
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 không 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 cơng 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,
28
Đà Lạt, Buôn 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 quá trình sinh học, làm gia tăng chi phí cho q 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 hoàn 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.
29
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].
Số TT Nhà máy XLNT Công suất (m3/ngđ) Công nghệ BOD (mg/l) COD (mg/l) TSS (mg/l) TN (mg/l) Tỉ lệ C/N(*)
1 Kim Liên 3.700 AAO 94 189 86 44 4,29
2 Trúc Bạch 2.500 AAO 94 191 91 39 4,89
3 Bắc Thăng Long 42.000 AAO 60 115 57 44 2,61
4 Bảy Mẫu 13.300 CAST 79 141 - 48 2,93
5 Hồ Tây 22.800 SBR 78 98 - 32 3,06
6 Yên Sở 200.000 SBR cải tiến 45 132 51 34 3,88 7 Bình Hưng 141.000 CAST 42 135 103 11 12,27 8 Bình Hưng Hồ 30.000 Hồ sục khí 78 203 49 - 9 Hoà Cường 36.418 Hồ kỵ khí có bạt phủ 67 123 61 24 5,13 10 Ngũ Hành Sơn 11.629 Hồ kỵ khí có bạt phủ 34 64 28 16 4,0 11 Sơn Trà 15.900 Bể SBR(*) 39 70 40 18 3,88 12 Phú Lộc 36.430 Bể SBR(*) 101 178 73 28 6,35 13 Bãi Cháy 3.500 SBR 36 80 196 - - 14 Hà Khánh 7.000 SBR 45 68 41 - - 15 Bắc Ninh 17.500 SBR 66 98 - 39 2,51 16 Từ Sơn 20.000 SBR 76 170 - 42 4,04 17 Vinh 25.000 SBR 83 165 - 48 3,44
18 Nam Nha Trang 40.000 OD 132 239 - 27 8,85 19 Đà Lạt 7.400 Lọc sinh học
nhỏ giọt 380 604 792 93 6,49 20 Buôn Ma Thuột 8.500 Hồ sinh học +
MBBR (gđ 2) 336 564 286 93,7 6,01
(*) Theo tính tốn của tác giả
30
thiện với môi trường [139]. Với sự quan tâm ngày càng tăng đến biến đổi khí hậu tồn cầu và các mối quan tâm về tính bền vững, việc nỗ lực hiện thực hóa các nhà máy xử lý nước thải tiết kiệm năng lượng ngày càng trở nên cấp thiết hơn.
Việc xử lý nước thải theo quy trình A-B (hình 1.11) bao gồm hai giai đoạn: xử lý nhằm loại bỏ cacbon trong nước thải (giai đoạn A) và xử lý bậc ba nhằm loại bỏ nitơ (giai đoạn B). Trong quy trình A-B (hình 1.11), giai đoạn A được thiết kế để loại bỏ chất hữu cơ và thu hồi năng lượng (CH4) và giai đoạn B chủ yếu dành cho việc loại bỏ hoặc thu hồi chất dinh dưỡng.
Hình 1.11. Khả năng kết hợp các quy trình A-B để xử lý nước thải sinh hoạt theo xu thế tiết kiệm năng lượng [139]
Giai đoạn A có thể được tiến hành bằng các biện pháp: (i) sử dụng bùn hoạt tính tỉ lệ cao (ví dụ nhà máy xử lý nước thải Strass (Úc), loại bỏ 60% COD); (ii) xử lý sơ cấp tăng cường hóa chất (có thể loại bỏ khoảng 80 đến 90% đối với TSS và 50 đến 70% đối với loại bỏ COD); và (iii) bể phản ứng UASB nhằm tối đa hóa việc thu hồi năng lượng [29]. Giai đoạn B khi đó có thể tiến hành thơng qua q trình nitrat hố/khử nitrat truyền thống hoặc q trình PN/Anammox (Q trình Anammox có thể làm tăng khí mêtan tạo thành lên 47% và làm giảm 50% năng lượng cung cấp
CH4 Bùn hoạt tính tỉ lệ cao Xử lý hiếu khí Tăng cường hố chất N2 Nitrat hố/khử nitrat PN/Anammox
Nước vào Nước ra
31
khơng khí so với kỹ thuật khử nitơ sinh học thông thường (nitrat hoá/khử nitrat) [139]).
Việc lựa chọn kết hợp các giải pháp trong quy trình A-B được tiến hành đánh giá nhằm xác định được hiệu quả và khả năng thu hồi năng lượng từ các quá trình xử lý [119].
1.4. Tổng quan về một số nghiên cứu xử lý nitơ ứng dụng quá trình Anammox 1.4.1. Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trên thế giới
và Việt Nam
1. Một số nghiên cứu trên thế giới
Quá trình oxi hố amoni trong điều kiện kỵ khí (Anammox) được phát hiện đầu tiên trong cơng trình xử lý nước thải Gist Brocades ở Hà Lan vào năm 1995. Cơng nghệ ứng dụng q trình Anammox được xem là giải pháp đầy triển vọng để xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt; nước thải đô thị và nước thải công nghiệp [47].
Nghiên cứu của Augusto [25] đã khởi động q trình SNAP trong mơ hình phản ứng màng sinh học có sục khí ở tải lượng nitơ là 50gN/m3/ngày và 100gN/m3/ngày. Hoạt động của vi khuẩn Anammox quan sát được sau 48 ngày và quá trình SNAP đạt được trạng thái ổn định sau 80 ngày.
Nghiên cứu của Wu [131] đã áp dụng mơ hình phản ứng sinh học màng để khởi động quá trình Anammox ở nhiệt độ thấp (130C) đạt hiệu quả loại bỏ tổng nitơ trên 90% sau tối thiểu là 45 ngày với bùn hạt kỵ khí và 90 ngày đối với bơng bùn khử nitơ. Nghiên cứu đã xác định lồi Ca. Brocadia sinica có tốc độ sinh trưởng lớn, góp phần khởi động nhanh quá trình Anammox ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Kết quả của nghiên cứu của Li [70] đã chứng minh rằng mơ hình phản ứng tầng lưu động FB có khả năng xử lý nước thải với nồng độ amoni cao đến 400 mg NH4+ - N / L ở tải lượng nitơ là 0,8 kgN/m3/ngày mà không cần bổ sung nguồn cacbon. Bằng cách kiểm sốt oxi hịa tan 1,31 mg/L trong hệ thống, nitrat hóa một phần đã được quan sát khi HRT là 18 giờ. Nước thải sau q trình nitrit hố bán phần đạt tỷ lệ nitrit/amoni là 1,27, phù hợp với quá trình Anammox.
32
Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả một số nghiên cứu về quá trình Anammox trên thế giới
Q trình/ Mơ hình
Loại nước thải /VL mang Nhiệt độ (0C) HRT (h) NLR (kg/m3/ngày) NRR (kg/m3/ngày) NRE (%) TLTK SNAP/ MBR NT tổng hợp/ màng silicone 30±1 24 50 43 78±6 [25] 100 73 61±5 Anammox/ MBR NTTXL/ bùn hạt 13±2 24 0,32 >0,29 >90 [131] Anammox/ UASB NT TXL 11 - - 1,2±0,5 - [92] NT tổng hợp/ bùn hạt 13 - - 2,0±0,3 - 11 - - 1,8±0,1 82±4 PN-AX/ MBBR NT TXL/ K5 Kaldnes 15 14 - 0,02-0,04 >70 [67] Anammox/ FBR MC 3-5 mm 33-35 3-12 0,2-0,45 3,2 78 [116] MC10-15mm 33-35 3-12 0,2-0,45 3,3 79 Anammox/ FB NT tổng hợp/ PVA gel 33-35 9-12 0,1-0,3 1.35 83 [115] 33-35 3-9 0,1-0,3 3,0 77 Anammox/ Ống trụ NT tổng hợp/ PE 33-35 3 0,42 2,8 75 [117] OLAND NT tổng hợp 15-25 36-48 - 0,167 >90 [143] CANON NT tổng hợp 35±1 24 0,5 0,18 86,44 [136] 0,82 0,45 72 1 0,8 83,28 PN/AX NT tổng hợp 35 12 0,8 - 44,1 [70] 35 18 0,53 - 57,1
Nghiên cứu của Chen [36] đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng quá trình xử lý amoni bằng q trình PN-AX trong mơ hình airlift với các vi hạt. Hiệu quả loại bỏ nitơ đạt 71,8± 9,9% ổn định trong thời gian lưu thuỷ lực tương đối ngắn
33
là 2 giờ. Phân tích vi sinh vật cho thấy vi khuẩn Ca. Kuenenia stuttgartiensis và vi khuẩn Nitrosomonas là hai vi khuẩn chiếm ưu thế nhất.
Các tác động ngắn hạn và dài hạn của nhiệt độ lên hoạt động của vi khuẩn Anammox được tiến hành trong thí nghiệm của Reino [92]. Trên thực tế, NRR cao tới 1,8±0,1 gN/L/ngày với 82±4% nitơ được loại bỏ ở 110C. Vi sinh vật chiếm ưu thế trong mô hình là lồi Ca. Brocadia anammoxidans. Cũng trong nghiên cứu của
Laureni [67], nhiệt độ đột ngột giảm xuống 110C đã dẫn đến sự ức chế đáng kể hoạt động của vi khuẩn Anammox, mặc dù điều này nhanh chóng được phục hồi sau khi nhiệt độ tăng trở lại 150C.
Mơ hình phản ứng tầng cố định với q trình OLAND ở điều kiện nhiệt độ phịng (15-250C) [143] đã được khởi động thành công và đạt hiệu quả loại bỏ amoni và nitrit cao hơn 90%. Tốc độ loại bỏ amoni trung bình của mơ hình có thể đạt tới 167g/m3/ngày trong giai đoạn hoạt động ổn định (từ ngày 103 đến ngày 111).
Nghiên cứu của Kowalski [64] chứng minh rằng mơ hình MBBR có thể được khởi động dễ dàng và nhanh chóng với bùn dạng hạt. Mơ hình khởi động thành cơng trong vịng ít nhất là 50 ngày và khả năng loại bỏ TN tăng lên hơn 80%. Độ dày màng sinh học đạt 1269 ± 444μm với hoạt tính riêng của Anammox là 22,0 ± 2,1mgN/gVSS/h.
Tran đã tiến hành một loạt các nghiên cứu về quá trình Anammox sử dụng các loại giá thể mang khác nhau như PVA gel [115], vật liệu MC [116] và vật liệu PE [117]. Với cùng điều kiện vận hành như nhiệt độ, pH, DO…, hiệu quả loại bỏ TN của các mơ hình thí nghiệm đều đạt từ 70-83%. Tốc độ loại bỏ TN đối với mơ hình sử dụng giá thể mang MC 3-5mm và MC 10-15mm đạt được 3,1 kgN/m3/ngày lần lượt sau 315 ngày và 230 ngày. Trong khi đó, mơ hình sử dụng PVA gel phải cần 564 ngày mới đạt được tốc độ loại bỏ là 3 kgN/m3/ngày. Mơ hình sử dụng tấm PE thậm chí chỉ cần một khoảng thời gian ngắn 140 ngày đã đạt được NRR là 2 kgN/m3/ngày. Các nghiên cứu về ứng dụng q trình Anammox khơng chỉ được tiến hành trong các phịng thí nghiệm mà cịn được mở rộng ở các quy mơ lớn (bảng 1.4).
34
Bảng 1.4. Tổng hợp một số trạm xử lý nước thải quy mơ lớn ứng dụng q trình Anammox trên thế giới [82]
Dạng bể Thể tích
bể (m3) Q trình Vị trí Năm vận hành (kg/mNRR 3/ngày)
UASB 70 SHARON/Anammox Rotterdam, Hà Lan 2002 -
SBR 500 DEMON Strass, Úc 2004 0,6
SBR 606 DEMON Thun, Thuỵ Sĩ 2008 0,67
UASB 5400 Anammox Wulumuq, Trung Quốc 2011 2,0
MBBR 300 CANON Malmo, Thuỵ Điển 2011 1,0
RBC 6 OLAND Sneek, Hà Lan 2012 0,9
SBR 3000 DEMON Alexandria, Mỹ 2013 0,42
MBBR 140 CANON Grindsted, Đan Mạch 2013 0,7
Năm 2002, hệ thống Anammox quy mô lớn đầu tiên được thiết kế và khởi động tại Rotterdam, Hà Lan, với sự hợp tác của Paques, TU Delft và nhóm Waterboard của Hà Lan. Mơ hình phản ứng quy mơ lớn 70 m3 đầu tiên đã được mở rộng trực tiếp lên gấp 7000 lần từ thí nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm 10L. Ngay cả khi bổ sung bùn anammox, việc khởi động cũng mất 3,5 năm, lâu hơn 1,5 năm so với thiết kế. Vào tháng 9 năm 2006, hệ thống đã hoạt động hoàn chỉnh và tốc độ gia tải có thể đạt tới mức 750 kgN/ngày, cao hơn 50% so với tải lượng NLR thiết kế [82]. Tiếp sau đó, việc nghiên cứu ứng dụng q trình Anammox với quy mô lớn cũng đã được triển khai rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới như Trung Quốc, Đức, Hà Lan, Thụy Sĩ, Áo, Hoa Kỳ, v.v. [65].
2. Một số nghiên cứu ở Việt Nam
Năm 2008, Phạm Khắc Liệu và cộng sự [12] đã tiến hành nghiên cứu loại bỏ nitơ trong nước thải dựa trên cơ sở phản ứng Anammox sử dụng quá trình SNAP.
35
Nghiên cứu cho thấy nước thải nhân tạo chứa hàm lượng amoni với nồng độ 240 mgN/L ở tải lượng 0,6 kgN/m3/ngày có hiệu quả xử lý amoni trong khoảng 85-90% và hiệu quả loại bỏ nitơ là 75-80%. Kết quả tương tự đạt được trong một bể phản ứng khác với nồng độ amoni là 500 mgN/L, tải lượng đầu vào 1kgN/m3/ngày, hiệu suất loại bỏ nitơ là 80%. Q trình SNAP sinh ra rất ít bùn với hiệu suất sinh bùn là 0,045 mg VSS/mgN.
Bảng 1.5. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox ở Việt Nam
Quá trình Loại nước thải/VL mang
NLR
(kgN/m3/ngày) NRE (%) TLTK
SNAP NT rỉ rác/ Sợi acrylic 0,58 78,5
[12]
1,0 56,3
Anammox NT chăn nuôi 0,18-0,21 80-95 [16]
PN - AX NT chăn nuôi 0,35 95,3 ± 3,5 [18]
PN - AX NT thuộc da/ sợi polyacrilic 0,3 95 [17] 0,45 74 0,6 68.6 Anammox NT tổng hợp 0,33 90 [9] CANON NT giết mổ 0,04 92 [15] 0,14 87,8 PN – AX NT giết mổ 0,1-0,25 91,1 [118]
OLAND NT chế biến mủ cao
su 0,42 99,8 [8]
Anammox NT nhân tạo 89,3 > 90 [11]
PN-AX NT giết mổ 0,5 64 [89]
NT giết mổ/ PVA gel 0,5 68