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 q 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 quá trình Anammox
Việc áp dụng cơng nghệ xử lý nước thải bằng q 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 quá 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 quá 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)
Quá 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. Quá 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 nitrat 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 còn 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 quá 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 không tiêu thụ oxi để chuyển hố 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].
- Q 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 không 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 hồ tan… cần kiểm sốt 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 xửlý nước thải của Việt Nam và xu hướng tiếp cận công nghệ xử lý nước 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 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 cơng 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 cơng 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 cơng 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 thoát nước chung có nồng độ chất hữu cơ thấp hơn nhiều so với hệ thống thoát nước riêng (do đã được pha loãng 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, 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 q 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].
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 Hồ 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
Ngày nay, bên cạnh việc kiểm sốt ơ nhiễm mơi trường, xu thế của thế giới về công nghệ xử lý nước thải là tiến tới tiết kiệm năng lượng, phát thải ít cacbon, thân
CH4 N2
Bùn hoạt tính tỉ lệ cao
Nitrat hố/khử nitrat
Xử lý hiếu khí
PN/Anammox Tăng cường hố chất
Nước vào Nước ra
thiện với mơi 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.
Giai đoạn A Giai đoạn B
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
khơng khí so với kỹ thuật khử nitơ sinh học thơng thường (nitrat hố/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
Q 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