trong đó:
Q: lưu lượng dịng (L/ngày) V: thể tích mơ hình (L)
S0: nồng độ cơ chất đầu vào (mg/L) Se: nồng độ cơ chất đầu ra (mg/L)
Khi mơ hình ở trạng thái ổn định thì tốc độ phản ứng được xác định theo công thức sau: r = � ' − � 1 (2 11) 2 4 2 Phương trình động học bậc 1
Phương trình động học được xây dựng trên cơ sở giả định phương trình động học bậc 1 trong mơ hình là chiếm ưu thế và các cơ chất trong mơ hình được khuấy trộn đều [60] Khi đó phương trình động học bậc 1 được biểu diễn:
− dS dt = ! (2 12) � − ' � 1 � = �!�1 (2 13) �' − � 1 ��� = ! 1 (2 14) trong đó:
K1: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mơ hình động học bậc một (ngày-1) Phương trình (2 12) được biểu diễn dưới phương trình tuyến tính dạng y = k x Hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất bậc một k1 được xác định bằng độ dốc k của đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa (S0-Se)/HRT (trục tung) và Se (trục hoành)
2 4 3 Phương trình động học bậc 2 Grau
Sự biến thiên nồng độ cơ chất được biểu diễn qua phương trình động học bậc 2 Grau [48]: − dS dt = k % X ) * (2 15) − dS S S' = % X dt (2 16)
Tích phân hai vế phương trình (2 16) ta có:
S ' ��� S' − S& = HRT + S' k % X (2 17) S& % S' 5 &8
trong đó:
k2: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mơ hình động học bậc hai (ngày-1) X: tổng nồng độ sinh khối trong mơ hình (mg/L)
Trong q trình Anammox, lượng sinh khối tạo thành rất ít, coi như khơng thay đổi
#
"
#!5##
#! , và đưa phương trình (2 17) về dạng phương trình tuyến tính y = a x + b với HRT là biến số x và HRT/E là hàm phụ thuộc y Khi đó phương trình tốn mơ tả động học bậc hai Grau được biểu diễn như sau:
HRT
E = a HRT + b
(2 18)
Hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mơ hình động học bậc hai được xác định theo công thức sau:
�% = a b X�' (2 19)
2 4 4 Phương trình động học Stover-Kincannon
Phương trình động học Stover-Kincannon là phương trình tốn được sử dụng phổ biến để xác định tốc độ loại bỏ cơ chất [85] và được thể hiện bằng phương trình sau: − dS dt = Q S Q S (2 20) Trong đó:
KB: hằng số bán bão hoà (mg/L/ngày)
Umax: tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất (mg/L/ngày)
Nghịch đảo phương trình (2 20), ta có thể được viết thành:
� � (�' − 1 ) = �6 � �(/0 � �' + 1 �(/0 (2 21) Ta có: 1 �(/0 = ����� �à �6 (/0 = ���� � nên 2 ! 4 = ����� Đặt giá trị � = U*+, 5 V '8 K - + 5 V '8
Phương trình 2 21 được đưa về dạng tuyến tính y = c x + d viết dưới dạng: (' − 1 ) = c � ' +d (2 22)
Khi đó, tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất Umax=1/d và hằng số bán bão hòa KB=c/d với các giá trị c, d được xác định từ đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa HRT/(S0-Se) (trục tung) và HRT/S0 (trục hoành)
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu
3 1 1 Đối tượng nghiên cứu1 Nước thải 1 Nước thải
a Nước thải nhân tạo có chứa nitơ (được sử dụng trong thí nghiệm 1): nước
thải nhân tạo được pha trong phịng thí nghiệm để mơ phỏng nước thải sinh hoạt
b Nước thải sinh hoạt thực tế (được sử dụng trong thí nghiệm 2): nước thải
sinh hoạt thực tế là nước thải được lấy sau bể tự hoại ba ngăn của ký túc xá Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (mẫu nước thải M0) Mẫu nước thải M0 là nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại, chủ yếu là nước thải từ xí và tiểu nên nồng độ chất bẩn tương đối đậm đặc Nếu sử dụng ngay nước thải đậm đặc M0 cho thí nghiệm thì có khả năng vi khuẩn chưa kịp thích nghi với nồng độ cao, do đó tiến hành pha loãng nước thải và sử dụng từng bước nước thải M1, M2 có nồng độ chất bẩn tăng dần
c Nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau (sử dụng trong thí nghiệm 3):
Tỉ lệ C/N trong nước thải sinh hoạt thường có dao động, phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn thải, hệ thống thu gom… (xem mục 1 3 4) và được xem là yếu tố khơng có lợi đối với vi khuẩn tự dưỡng Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ đến quá trình Anammox, tiến hành pha nước thải nhân tạo có nồng độ tổng nitơ ổn định trong khoảng 50 mg/L rồi từng bước bổ sung thêm chất hữu cơ dưới dạng glucose để đạt được tỉ lệ C/N khác nhau tăng dần từ 0 lên đến 7,0 (Đối với nước thải không bổ sung thêm glucose, coi như tỉ lệ C/N là 0)
2 Giá thể mang Felibendy
Vật liệu Felibendy có cấu trúc sợi dạng cứng rắn, bền vững, có đặc tính xốp, nhẹ, có diện tích bề mặt lớn, có khả năng thấm hút cao được lựa chọn và sử dụng trong mơ hình phản ứng tầng cố định để làm giá thể vi sinh cho vi khuẩn dính bám Giá thể mang Felibendy được cung cấp bởi cơng ty Kuraray, Nhật Bản có dạng tấm phẳng khổ lớn dài 1,5m, rộng 1 m và dày 8mm Trong luận án, Felibendy được sử dụng với 2 dạng: dạng tấm phẳng (150x250x8mm) với mơ hình PN (hình 3 1) và dạng hình hộp chữ nhật (10x10x0,8mm) với mơ hình AX (hình 3 2)
Hình 3 1 Giá thể mang Felibendy dạng tấm hình chữ nhật (150x250x8mm) cho
mơ hình PN
Hình 3 2 Giá thể mang Felibendy dạng hình hộp (10x10x8mm) cho
mơ hình AX
Đối với mơ hình AX, Felibendy được cắt nhỏ với mục đích làm tăng tổng diện tích bề mặt của giá thể mang trong mơ hình Trong khi đó, mơ hình PN sử dụng giá thể Felibendy dạng tấm để khả năng tiếp xúc với khơng khí tốt hơn, dễ đảm bảo điều kiện hiếu khí trong mơ hình hơn
3 1 2 Kế hoạch nghiên cứu
Kế hoạch nghiên cứu được tiến hành như sau:
- Bước 1: xác định khả năng sử dụng giá thể mang Felibendy trong mơ hình Anammox với kỹ thuật phản ứng tầng cố định khi xử lý nitơ trong nước thải nhân tạo Nếu đáp ứng được yêu cầu xử lý tiến hành bước 2
- Bước 2: tiến hành ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng hệ mơ hình PN/AX Xác định phương trình động học phù hợp của quá trình nitrit hố bán phần và q trình Anammox
- Bước 3: mở rộng nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải (thơng qua COD) đến q trình Anammox
3 1 3 Nội dung nghiên cứu
Từ kế hoạch nghiên cứu, luận án đã tiến hành thực nghiệm với các nội dung chi tiết được thể hiện trong hình 3 3
Thí nghiệm 1: Giai đoạn 1: HRT=24h
Đánh giá khả năng xử lý nitơ trong nước thải nhân tạo
bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể mang Felibendy Thí nghiệm 2: Đánh giá khả năng ứng dụng quá trình nitrit hố bán phần và Anammox để xử lý nitơ trong nước
thải sinh hoạt
Thí nghiệm 3: Đánh giá sự ảnh
hưởng của hàm lượng chất hữu cơ
đến quá trình Anammox 7/2015-2/2016 Mơ hình AX 9/2017-3/2018 Mơ hình PN/AX 9/2018-1/2019 Mơ hình AX1 (HRT= 12h) Mơ hình AX2 (HRT=9h) Mơ hình AX3 (HRT=6h) Giai đoạn 2: HRT=18h Giai đoạn 3: HRT=12h Giai đoạn 4: HRT=6h
Giai đoạn 1: NT sau BTH pha loãng (TN=40-45mg/L) Giai đoạn 2: NT sau BTH pha
loãng (TN=85-90 mg/L) Giai đoạn 3: NT sau BTH
khơng pha lỗng Giai đoạn 1: C/N = 0 Giai đoạn 2: C/N = 1,0 Giai đoạn 3: C/N = 2,0 Giai đoạn 4: C/N = 3,5 Giai đoạn 5: C/N = 5,5 Giai đoạn 6: C/N = 7,0 Giai đoạn 7: C/N = 6,0 Hình 3 3 Sơ đồ các nội dung thí nghiệm trong luận án
3 2 Chuẩn bị thí nghiệm3 2 1 Chuẩn bị mơ hình thí 3 2 1 Chuẩn bị mơ hình thí nghiệm
1 Mơ hình AX (mơ hình quá trình Anammox)
Mơ hình AX là một cột phản ứng làm bằng vật liệu nhựa trong, dạng hình trụ trịn, là sản phẩm kế thừa của Trần Thị Hiền Hoa [114] Mơ hình AX có đường kính trong là 71mm, chiều cao là 410 mm, có thể tích hữu ích là 1,62 lít Bên trong cột phản ứng dùng giá thể Felibendy dạng khối kích thước 10 x 10 x 8 (mm) đã được cấy vi khuẩn
Planctomycetes chủng Candidatus Hình 3 4 Sơ đồ mơ hình AX
Brocadia anammoxidans
Mơ hình AX được trang bị bộ ổn nhiệt, đường ống dẫn nước vào, ra bể Mơ hình sử dụng bơm nhu động để bơm nước vào bể phản ứng Mơ hình phản ứng cũng được che phủ bằng nilong đen để tránh tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, dẫn đến sự phát triển của tảo Mơ hình AX chứa các giá thể mang Felibendy dạng hình hộp chữ nhật có kích thước 10 x 10 x 8 (mm) Việc cắt nhỏ Felibendy nhằm mục đích tăng được tổng diện tích bề mặt của giá thể mang có trong mơ hình, đảm bảo mật độ thể tích của giá thể mang trong mơ hình 60-70% Mơ hình được trang bị bộ ổn nhiệt (được cắm điện, có núm vặn để điều chỉnh nhiệt độ), đường ống dẫn nước vào và ra khỏi bể Sử dụng bơm nhu động (Horiba, Nhật Bản có lưu lượng lên đến 190 mL/phút) để cấp nước vào mơ hình
Mơ hình nitrit hóa bán phần (PN) được sử dụng trong nghiên cứu này là sản phẩm kế thừa của đề tài B2015-03-15 cấp Bộ đã được nghiệm thu năm 2017 [10]
Mơ hình PN dạng hình hộp chữ nhật kích thước đáy là 105 × 200 (mm), cao 310 (mm), dung tích tổng cộng V= 6,2 L Trong đó, kích thước ngăn phản ứng là B×L×H = 100 × 170 × 220 (mm) Kích thước ngăn phân phối: B×L×H = 30 × 100 × 260 (mm) Ngăn phản ứng có bố trí 2 tấm giá thể mang Felibendy dày 8mm có kích thước 150 x 250 (mm) đã được cấy vi khuẩn Nitrosomonas Trong mô hình PN, hai tấm giá thể mang Felibendy đặt song song với nhau trong ngăn phản ứng của mơ hình PN, chia bề rộng của ngăn phản ứng thành 3 phần để đảm bảo điều kiện hiếu khí trong bể Mơ hình được trang bị bộ ổn nhiệt (có núm vặn để điều chỉnh nhiệt độ từ 15- 400C), máy sục khí (lưu lượng khí 1,5-5 L/phút), đường ống dẫn nước vào và ra khỏi bể Nước được cấp vào mơ hình bằng máy bơm nhu động (Horiba, Nhật Bản, có lưu lượng có thể lên đến 190 mL/phút) 38 55 200 20 87 Đ ầU RA 65 105 40 U Đ ầU VµO NG¡ N NGN PHả N NG Cú T VậT LIệU GI TH MANG B Bộ NHINHIệT BM SC HOà 50 150 200 Hỡnh 3 5 S m hỡnh PN 40 250 390 25 35 35 40 40 65 105 40 25 390 250 40 U VO NGN LLắNGNG NG CểPHN NGĂ NổN KHN T BƠ TUầN
3 2 2 Chuẩn bị vi sinh vật
Hình 3 6 Vi khuẩn Nitrosomonas trong chế phẩm dạng bột
Hình 3 7 Vi khuẩn Planctomycetes (Candidatus Brocadia anammoxidans) dưới
dạng bùn hạt
Hình 3 8 Vi khuẩn Nitrosomonas đã được dính bám trên giá thể mang
Hình 3 9 Vi khuẩn Planctomycetes đã được dính bám trên giá thể mang
1 Vi khuẩn Nitrosomonas
Trong q trình nitrit hố bán phần, để chuyển hố một phần amoni thành nitrit có sự đóng góp của vi khuẩn Nitrosomonas Vi khuẩn Nitrosomonas được làm giàu và bảo quản dưới dạng chế phẩm khô (khô) và được cung cấp bởi Viện Sinh học nhiệt đới, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam Một lượng vi khuẩn Nitrosomonas có khối lượng 100g (tương đương 109 CFU/g) được kích hoạt và hoà vào dung dịch nước thải nhân tạo để ngâm giá thể mang Felibendy Tiến hành sục khí để cung cấp mơi trường hiếu khí (DO trong khoảng 2-2,5 mg/L) và nước thải nhân tạo được thay hàng ngày
Sau 2 tuần lấy tấm vật liệu Felibendy đã được phân bố vi khuẩn ra và đặt vào mơ hình PN
2 Vi khuẩn Planctomycetes
Vi khuẩn Planctomycetes sử dụng trong thí nghiệm là vi khuẩn tự dưỡng thuộc chủng Candidatus Brocadia anammoxidans dưới dạng bùn hạt được cung cấp bởi công ty Meidensa, Nagoya, Nhật Bản Để cung cấp vi khuẩn Planctomycetes cho mơ hình Anammox, lấy 100 g vi khuẩn Planctomycetes dạng hạt (tương đương
109 CFU/g) hồ vào dung dịch nước thải nhân tạo có chứa amoni và nitrit Ngâm giá thể mang Felibendy trong bình chứa dung dịch có vi khuẩn Planctomycetes trong thời gian 3 tuần, sau đó lấy vật liệu Felibendy đã được vi khuẩn dính bám trên đó ra và đặt vào mơ hình AX
3 2 3 Chuẩn bị nước thải1 Nước thải cho thí nghiệm 1: 1 Nước thải cho thí nghiệm 1:
a Thành phần của nước thải nhân tạo
Thí nghiệm 1 sử dụng nước thải nhân tạo (bảng 3 1) có chứa amoni và nitrit với tỉ lệ tương đương 1:1 phù hợp để tiến hành quá trình Anammox
Bảng 3 1 Thành phần nước thải nhân tạo sử dụng trong thí nghiệm 1
b Quy trình pha nước thải nhân tạo
Nước thải nhân tạo được tiến hành pha hàng ngày với quy trình pha nước thải như sau: Thành phần Đơn vị Nồng độ (NH4)2SO4 (mgN/L) 25-120 NaNO2 (mgN/L) 25-120 KHCO3 (mg/L) 125 1 KH2PO4 (mg/L) 54 4 FeSO4 7H2O (mg/L) 9 0 EDTA (mg/L) 5 0
- Bước 1: Pha dung dịch hoá chất đậm đặc và cất giữ trong tủ lạnh để sử dụng
pha nước thải nhân tạo hàng ngày:
+ Sấy hoá chất (NH4)2SO4, NaNO2, KHCO3, KH2PO4, FeSO4 7H2O ở 1050C trong vòng 1 giờ để loại bỏ độ ẩm
+ Dùng cân điện tử để cân lượng hoá chất cần thiết
+ Dùng nước cất để pha hố chất để có được nồng độ theo u cầu như trong bảng 3 1
+ Đổ vào chai, dán nhãn và cất trong tủ lạnh (khoảng 40C) - Bước 2: Nước thải nhân tạo được pha hàng ngày:
+ Lấy một thể tích nước cần dùng trong một ngày (phụ thuộc vào HRT của giai đoạn nghiên cứu) vào can từ vịi nước của phịng thí nghiệm
+ Thêm lượng dung dịch hố chất đậm đặc (theo tính tốn) vào thể tích nước trên và khuấy đều
+ Sử dụng khí nitơ để đuổi oxi trong nước, đo nồng độ oxi hoà tan trong nước đến khi DO trong nước dưới 0,5 mg/L thì dừng lại
- Bước 3: Sử dụng nước thải nhân tạo được pha trong ngày Nước thải nhân tạo vừa pha được chứa trong can đậy kín, chỗ đường ống dẫn nước vào bơm nhu động phải được trít bằng silicon để đảm bảo khơng khí bên ngồi khơng xâm nhập vào
2 Nước thải cho thí nghiệm 2:
a Thành phần nước thải sinh hoạt thực tế theo các giai đoạn của thí nghiệm 2
Nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại của ký túc xá Đại học Xây Dựng Hà Nội là nước thải đen có nồng độ đậm đặc (nước thải M0) Để tránh sốc cho vi khuẩn trong hệ mơ hình PN/AX, đồng thời mơ phỏng được nước thải của HTTN chung, tiến hành thí nghiệm với nồng độ tăng dần theo 3 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: nước thải được pha lỗng có nồng độ tổng nitơ trung bình trong khoảng 40-45 mg/L (nước thải pha loãng M2)
- Giai đoạn 2: nước thải được pha lỗng có nồng độ tổng nitơ trung bình trong khoảng 85-90 mg/L (nước thải pha loãng M1)
Bảng 3 2 Thành phần nước thải thực tế trong thí nghiệm 2
b Quy trình pha lỗng nước thải sinh hoạt thực tế cho các giai đoạn của thí nghiệm 2
Để có được nước thải thực tế M0, M1, M2 phục vụ cho 3 giai đoạn nghiên cứu (bảng 3 3), tiến hành lấy mẫu và pha loãng nước thải sau bể tự hoại theo trình tự sau:
- Bước 1: Lấy nước thải từ bể điều hịa nước thải, phân tích các thơng số (NH4+-N, NO2--N, NO3--N, COD, pH, DO) để xác định được nồng độ các chất trong dung dịch nước thải thật M0 (nước thải khơng pha lỗng)
- Bước 2: Từ mẫu nguyên chất M0 pha loãng M0 thành M1: lấy một thể tích mẫu M0 và 1 thể tích nước máy (theo tỉ lệ 1:1) hồ với nhau thu được mẫu M1 Tiếp tục lấy 1 thể tích mẫu M1 và 1 thể tích nước máy (theo tỉ lệ 1:1) hồ với nhau thu được mẫu M2
- Bước 3: Phân tích lại các thông số chất lượng nước và ghi vào bảng số liệu
3 Nước thải cho thí nghiệm 3:
a Thành phần nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau
Trong thí nghiệm 3, để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng các hợp chất hữu cơ đến quá trình Anammox, luận án sử dụng nước thải nhân tạo có các tỉ lệ C/N tăng dần theo từng bước từ 0; 1,0; 2,0; 3,5; 5,0 và 7,0
Thông số Đơn vị Giai đoạn 1
(NT pha loãng M2) Giai đoạn 2 (NT pha loãng M1) Giai đoạn 3 (NT khơng pha lỗng M0) COD mg/L 82,1±18,6 130,6 ± 11,2 203±10,6 NH4+ -N mg/L 39,7±4,3 80,9 ± 3,8 115,4±3,5 NO2- -N mg/L 3,7 ± 0,7 5,1 ± 2,3 7,6±1,5 NO3- -N mg/L 1,0±0,9 2,8±1,9 3,6±1,0 pH 7,0-7,5 7,0-7,5 7,0-7,5 DO mg/L 2,0-2,5 1,5-2,0 0,8-1,5 Độ kiềm mg CaCO3/l 85±10,5 105±13,5 150±15,5
Bảng 3 3 Thành phần nước thải nhân tạo sử dụng trong thí nghiệm 3
b Quy trình pha nước thải có tỉ lệ C/N khác nhau trong thí nghiệm 3