nước thải bằng sinh học
Khi nghiên cứu về đề tài này, luận văn đã tìm hiểu các nghiên cứu thơng qua các tài liệu, qua internet … để xác định hướng nghiên cứu của mình. Các nghiên cứu đĩ cĩ thể được tĩm tắt như sau:
Các hệ thống xử lý nitơ thời kì đầu dựa trên sự kết hợp 2 giai đọan nitrat hĩa (nitrification) và phản nitrat hĩa (denitrification) .
Ở giai đọan nitrat hĩa, amơni trong nước thải được oxy hĩa đến nitrat qua 2 bước nitrit thành nitrat. Đây là giai đọan xảy ra trong điều kiện hiếu khí. Các phản ứng được mơ tả như sau:
2 NH4+ + 3O2 → 2NO2 -+ 4H+ +2H2O (1) 2NO2 -+ O2 → 2NO3 - (2)
NH4+ + 2O2 → NO3 - + 2H+ + H2O (3)
Nếu tính đến sự đồng hĩa nitơ vi khuẩn sinh trưởng thì tổng thể của giai đọan nitrat hĩa được viết như sau (Gujer and Jenkins,1974) :
NH4+ + 1.83 O2 +1.98 HCO 3- → 0.021C5H7NO2 + 0.98 NO3 - + 1.041 H2O +1.88 H2CO3 (4)
Vi sinh vật tham gia phản ứng (1) thường gọi là các vi khuẩn oxy hĩa ammonium (Ammonium Oxidizing Bacteria –AOB), chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas và một số chi khác như Nitrosococcus, Nitrosospria, Nitrosolobus, Nitrosovibrio….Tương tự, các vi khuẩn NOB (Nitrit Oxidizing Bacteria) tham gia phản ứng (2) chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter và một số chi khác như Nitrosospina, Nitrosococcus, va øNitrosospria mới được phát hiện gần đây (Suwa et al ., 1994; Schramm et al ., 1998).
Giữa các AOB và NOB cĩ những khác biệt về điều kiệân tưng trưởng, do đĩ cĩ thể sử dụng sự khác biệt này chọn lọc theo ưu thế cạnh tranh. Ví dụ, tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của AOB nhỏ hơn của NOB ở nhiệt độ thấp, nhưng hệ số nhiệt van’t Hoff lại lớn hơn, nên ở nhiệt độ cao (trên 280C),AOB cĩ ái lực oxy thấp hơn các NOB (0.63mg O2/lit so với 1.32 mg O2/lit) nên ở điều kiệân oxy hạn chế,AOB sẽ chiếm ưu thế (Jayamohan et al ., 1988).
Ở giai đọan denitrat hĩa, nitrat được khử thành nitrit rồi thành khí nitơ (N2) qua một số sản phẩm trung gian. Giai đọan này xảy ra trong điều kiệân kỵ khí. Quá trình khử cần sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ như là nguồn cho điện tử. Các chất hữu cơ thương sử dụng methanol, etanol, acetate, glucose,.. (nguồn carbon bổ sung từ ngồi) hay chính các chất hữu cơ trong chất thải (nguồn carbon nội).
Các phản ứng chuyển hĩa trong trường hợp nguồn carbon là methanol : 6NO3 - + 2CH3OH → 6 NO2 - + 2 CO2 - + 4H2O (5)
6 NO2 - + 3 CH3OH → 3N2 + 3 CO2 + 3H2O + 6HO- (6) 6NO3 - + 5CH3OH → 3N2 + 5 CO2 + 7H2O + 6HO- (7)
Phản ứng tổng thể của giai đọan denitrat hĩa kèm theo sự dồng hĩa nitơ để tế bào vi khuẩn sinh trưởng cĩ dạng sau (McCarty et al ., 1969) :
NO3 - + 1.08CH3OH + H+→ 0.065 C5H7NO2 + 0.47N2 + 0.76 CO2 + 2.44 H2O (8) Giữ vai trị denitrat hĩa trong quá trình này là các vi khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter, Bacillus,…
Về mặt kỹ thuật, các hệ thống xử lý nitơ truyền thống cĩ thể được thiết kế theo trình tự nitrat hĩa - denitrat hĩa (post- denitrification) hay ngược lại (pre- denitrification). Trong trường hợp thứ nhất, nguồn carbon bên ngịai phải được cung cấp cho bể denitrat hĩa; cịn trong trường hợp thứ hai, phải cần một dịng hồi lưu lớn từ bể nitrat hĩa.
Mặc dù được phát triển từ lâu và hiện vẫn cịn ứng dụng rộng rãi, các hệ thống nitrat hĩa và denitrat hĩa (N/DN) bộc lộ nhiều hạn chế, nhất là việc xử lý nước thải cĩ hàm lượng nitơ cao và carbon thấp như nước rỉ rác, nước lắng bể phân hủy bùn, bể biogas, … vì:
- Nhu cầu oxy cao ở giai đọan nitrat hĩa. Theo phản ứng (4) thì nhu cầu oxy là 4.2g O2 để 1g NH4 cĩ thể được oxy hĩa đến nitrat. Như trong trường hợp xử lý nước thải sinh họat chẳng hạn thì khi kết hợp nitrat hĩa với oxy hĩa khử BOD trong cùng bể họat tính thì đương nhiên phải tăng gấp đơi lượng oxy cung cấp so với lượng oxy cần cung cấp riêng cho quá trình khử carbon hữu cơ.
- Theo phản ứng (8) thì nhu cầu bổ sung nguồn carbon hữu cơ để denitrat hĩa được 1g NO3-N sẽ là 2.47 g metanol. Nhu cầu này thường làm cho giá thành xử lý tăng cao, nhất là với nước thải cĩ hàm lựơng nitơ cao.
- Giai đọan nitrat hĩa xảy ra trong điều kiện mơi trường kiềm hĩa cao, do đĩ để nitrat hĩa được 1g NH4-N cần tiêu thụ khỏang 7.14g CaCO3.
- Hai giai đọan nitrat hĩa và denitrat hĩa xảy ra với hai điều kiện ngược nhau: hiếu khí – kỵ khí, tự dưỡng – dị dưỡng. Do vậy hai giai đọan phải tiến hành trong các bể phản ứng riêng biệt và sự vận hành, kiểm sĩat quá trình của hệ thống xử lý nitơ truyền thống trở nên phức tạp. Ví dụ, trong khi giai đọan nitrat hĩa cần duy trì DO tối thiểu là 2 mg/lit thì ở giai đọan denitrat hĩa phải khống chế DO dưới 0.3 mg/lit.
Trong nhiều năm qua, đã cĩ những nghiên cứu nhằm cải tiến kỹ thuật N/DN truyền thống, chủ yếu là làm tăng hiệu quả xử lý ở các giai đọan nitrat hĩa và denitrat hĩa như sử dụng vật liệu bám cho vi sinh vật, bố trí nhiều tầng hiếu khí / kỵ khí, cấp nước thải vào ở nhiều vị trí cọc theo bể,tối ưu hĩa thiết kế v.v…
Một hướng cải tiến khác nhằm vào sự thay đổi con đường chuyển hĩa Nitơ. Ví dụ điển hình là lọai nitơ bằng cách “đi tắt” sinh học (SNBR= shortcut biological nitrogen removal), tức là denitrit hĩa (khử nitrit thành nitơ phân tử) thay cho denitrat hĩa nhằm giảm bớt nhu cầu oxy để đưa nitrit trở về Nitrat và nhu cầu carbon hữu cơ để khử nitrat thành nitrit. Hệ thống SNBR cho phép giảm 25% nhu cầu oxy và khỏang 40% nhu cầu carbon hữu cơ (Turk và Mavinic, 1986; Abeiling và Sayfried, 1992; Chung et al., 2004).
Tuy nhiên, về văn bản các phương án cải tiến trên đều vẫn dựa trên sự kế hợp 2 giai đọan tự dưỡng và dị dưỡng, nghĩa là vẫn cung cấp nguồn carbon hữu cơ.
Từ những năm 1990, sự phát hiện ra phản ứng oxy hĩa kỵ khí ammononium (anammox) đã cho phép phát triển các hệ thống xử lý nitơ hịan tịan theo con đừơng tự dưỡng. Bàng 2.7 : So sánh một số hệ thống xử lý nitơ bằng sinh học Hệ thống Tảilượng (kgN/ha.d) Năng lượng (kWh/kg-N)
COD/N Tạosinh khối
(kgkhơ/kg- N) Hiệu suất loại tổng N ( %) Nitrat hố / khử nitrat 200-700 2.3 3-6 1-1.2 >75 SNBR bùn họat tính 200-700 1.7 2-4 0.8-0.9 > 75 Bùn họat tính hịan tịan tự dưỡng > 200-700 0.9 0 < 0.1 > 75 Ao nuơi tảo 15-30 0.1-1 6-7 10-15 23-78 Ao nuơi bèo 3-4 < 0.1 28 20-26 74-77 Cánh đồng ngập nhân tạo 3-26 < 0.1 2-7 - 30-70
Chỉ tính điện năng tiêu thụ cho thơng khí với hiệu suất 2 kg O2/kWh (Mulder,2003)
2.5.1 Các cơng trình nghiên cứu ở nước ngồi
Các tác giả Chaio-Fuei Ouyang, Shun-Hsing Chuang và Jau-
hoạt tính và RBC trong xử lý dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt(1998). Với nước thải cĩ nồng độ nitơ hữu cơ đầu vào là 40mg/l, qua hệ thống xử lý kết hợp bùn hoạt tính và đĩa quay sinh học tiếp xúc, thời gian lưu nước HRT=10h, thời gian lưu bùn SRT=10-15 ngày, hiệu suất khử nitơ tổng của hệ thống là 70% và 96,7% đối với nitơ hữu cơ.
Hình 2.16 : Mơ hình nghiên cứu và kết quả nghiên cứu
Tác giả Sheng Ping và cộng sự [2] ở Đại học Zhejiang, Trung
quốc đã nghiên cứu ứng dụng nuơi cấy, chuyển hĩa Anammox từ hệ vi sinh khử nitrate với cơng nghệ lọc sinh học kị khí dịng chảy ngược. Kết quả cho thấy khi thời gian lưu nước HRT ≥ 12h, tải lượng theo thể tích 0,609 kgN/m3.ngày, nồng độ nitơ tổng cộng là 70mg/l thì hiệu quả xử lý của hệ thống cĩ thể đạt nồng độ ammonium và nitrite là 8,5mg/l và 2,5mg/l sau 80 ngày thích nghi đến pha ổn định:
Tác giả SWH Van Hulle và các cơng sự [7,8] ở Đại học Ghent, Bỉ đã nghiên cứu cơng nghệ xử lý nitơ nồng độ cao trong nước thải với cơng nghệ là SHARON (Single Reactor High Activity Ammonia Removal Over Nitrite) với nước thải đầu vào cĩ nồng độ tổng nitơ ammonia (TAN) dao động từ 1000mg/l đến 3000mg/l, kết quả cho thấy khả năng khử nitơ của mơ hình là rất cao và phụ thuộc khơng nhiều vào tỉ lệ giữa nồng độ nitơ và nồng độ carbon vơ cơ (TIC = CO3
2-
+ HCO3
-+ H2CO3)
Hình 2.18 : Mơ hình b SHARON ể
Hình 2.19 : Kết quả khử nitơ của quá trình SHARON – Anammox Cơng nghệ SHARON-Anamox:
Bể phản ứng SHARON cĩ thể tiếp nhận dịng vào với nước thải cĩ nồng độ nitơ cao và dịng ra cĩ tỷ lệ tổng amonium và nitrite là 1:1 (TAN:TNO2), tùy thuộc vào tỷ lệ giữa tổng ammonium và tổng carbon vơ cơ (TAN:TIC) trong dịng vào của bể phản ứng SHARON (Van Hulle et al., 2003b). Dịng ra của bể phản ứng SHARON tiếp heo được chuyển đến bể phản ứng Anammox Anammox tại đây những thành phần cịn lại của TAN trong nước thải sẽ bị oxy hĩa thiếu khí với chất nhận electron là TNO2 (Jetten et al., 1999) và sản phẩm là N2 tự do.
Với sựï kết hợp 2 quá trình SHARON-Anammox, dịng nitơ trong nước thải sau xử lý cĩ thể được giảm thiểu trong khi năng lượng dùng cho thổi khí giảm đáng kể khơng cần nguồn bổ sung carbon và lượng bùn tạo ra rất ít (Jetten et al., 1997). Tuy nhiên cũng như các quá trình Anammox khác, quá trình SHARON-Anamox gặp khĩ khăn trong việc làm giàu vi khuẩn Anammox và vận hành để bể phản ứng SHARON cho tỉ lệ tương đồng giữa TAN và TNO2
Một quá trình khử ammonium diễn ra trong bể lọc sinh học
bám dính hiếu khí diễn ra đồng thời 2 quá trình nitrification and ANAMMOX (hình 2.20), đã được phát hiện, nghiên cứu (Strous et al., 1997; Dijkman and Strous, 1999) và nghiên cứu ứng dụng (Hippen, 1997; Siegrist, 1998; Helmer và Kunst, 1998; Helmer, 1999). Quá trình này được đặt tên là “CANON” (completely autotrophic N-removal over nitrite, Strous, 2000).
Theo nghiên cứu của X.-D. Hao và cộng sự [5] ở Centre for Sustainable Environmental Biotechnology, Đại học Bắc Kinh Trung Quốc bể phản ứng CANON cĩ thể khử 90% lượng nitơ trong nước thải với độ dày của màng sinh học là 1-mm với tải lượng ammonium bề mặt là 1.5 g NH4+–N/m2.ngày với nồng độ DO là 1gO2/m3. Nếu diện tích bề mặt riêng của bể biofilm CANON là 250m2
biofilm/m3bể thì thể tích bể cần là 265 m3 cho tải lượng nitơ là 99,2kgN/ngày.
Ứng dụng cơng nghệ MBR để xử lý nitơ trong nước thải,
Ying Wang, Xia Huang và Qipeng Yuan ở Department of Environmental Science and Engineering [4], Đại học Tsinghua, Beijing Trung Quốc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ xử lý nitơ và COD trong nước thải chế biến thực phẩm trong phịng thí nghiệm bằng cách cho nước thải qua một bể thiếu khí anoxic sau đĩ cho nước thải đi qua bể sinh học hiếu khí ứng dụng màng MBR. Bể MBR sử dụng màng nhúng chìm (pore size: 0,22µm; vật liệu: PVDF; diện tích bề mặt lọc: 0,2m2), DO trong bể duy trì từ 2-3mg/l. Nồng độ MLSS của hệ duy trì trong khoảng 13000-17000mg/l.
Hình 2.21 : Mơ hình nghiên cứu ứng dụng MBR để khử nitơ
Với nước thải cĩ COD là 1500-200mg/l, TN là 350-500mg/l, N-NH4+ là 300- 450mg/l, kết quả cho thấy COD, NH4+–N và tổng nitơ TN bị khử lần lượt là trên 94, 91 và 74%. Tải lượng tối đa COD và TN của mơ hình này cĩ thể đạt đến 3,4 kgCOD/m3.ngày và 1,26kgN/m3.ngày.
Hình 2.22 : Kết quả sau xử lý
T. K. Chen và cộâng sự [6] ở Đại học Chiao Tung Trung Quốc
Nghiên cứu ứng dụng MBR với mơ hình pilot để khử nitơ trong nước thải. Hệ thống gồm 2 bậc anoxic/aerobic,với thể tích bể anoxic là 3 m3 và thể tích bể hiếu khí là 10 m3 dùng để khử carbon và nitơ trong nứơc thải của quá trình sản xuất màn hình LCD với COD là 500-2000mg/l, TKN là 100-200mg/l, NH3-N 2mg/l, NOx-N 0,2mg/l. Màng sử dụn trong bể MBR được sản xuất bởi hãng Zenon (Model ZW- 500, diện tích bề mặt 46m2, pore size 0,4 µm).
Sau xử lý COD của nước thải giảm 94%, cịn 10-50mg/l. tổng nitơ T-N và TKN giảm 75% và 90% cịn 30-40mg/l
Hình 2.24 : Kết qủa nghiên cứu 2.5.2 Các nghiên cứu trong nước
Đối với cơng nghệ truyền thống nitrate hĩa/khử nitrate, cơng nghệ này đã phổ biến và được ứng dụng ở Việt Nam. Cơng nghệ mương oxy hĩa ứng dụng khử nitơ đã được sử dụng ở Khu cơng nghệ cao Tp HCM, nhà máy chế biến mủ cao su Xuân Lập cơng ty cao su Đồng Nai, …
Tuy nhiên hiện tại chưa ghi nhận được nghiên cứu nào về ứng dụng MBR trong xử lý nước thải cĩ hàm lượng nitơ cao, đặc biệt là nước rỉ rác. Cơng nghệ ứng dụng Anammox mới chỉ bước đầu cĩ nghiên cứu tại Việt Nam.
Tác giả Lê Cơng Nhất Phương và các cộng sự [1] đã tiếp cận cơng nghệ khử nitơ Anammox và ứng dụng với đề tài “Nghiên cứu làm giàu nhĩm vi khuẩn Anammox từ hệ UASB xử lý nước thải chăn nuơi heo”. Kết quả cho thấy vi khuẩn anammox đã được nhân giống và làm giàu thành cơng cho hiệu quả xử nitơ từ 30- 40%.
2.6 So sánh các quá trình xử lý Nitơ
Trong lĩnh vực mơi trường hiện nay, cĩ rất nhiều biện pháp và cơng nghệ để xử lý Nitơ. Sau đây là bảng so sánh các phương pháp xứ lý Nitơ phổ biến hiện nay:
Bảng 2.11: So sánh các quá trình xử lý nitơ cĩ nồng độ cao trong nước thải bằng biện pháp sinh học (Luiza Gut, 2006)
Quá trình/ Yếu tố Nitrification/ Denitrification Nitrate hĩa bán
phần ANAMMOX CANON OLAND
Đáp ứng yêu cầu cơng nghệ
bền vững Rất thấp Cao Cao Cao
Trung bình
Tác động đến mơi trường trong quá trình
khởi động
Cao Trung bình Rất thấp Thấp Thấp
Nhu cầu năng
lượng Cao Thấp Rất thấp Thấp Thấp Lương bùn sinh ra Cao Thấp Rất thấp Rất thấp Rất thấp Diện tích xây dựng Cao Thấp Thấp Rất thấp Rất thấp Tiêu thụ cơ
chất bổ sung Trung bình Khơng Khơng Khơng Khơng
Phát thải
CO2 và N2O Cao Cĩ thể cĩ Khơng Cĩ thể cĩ Cĩ thể cĩ
Độ tin cậy Cao Cao Thấp Thấp Rất thấp
Sự chấp nhận
của cộng đồng Cao Rất thấp Rất thấp Rất thấp Rất thấp
Sự đồng thuận của các nhà
nghiên cứu
Cao Cao Cao Trung bình Thấp
Áp dụng vào các hệ thống
xử lý cĩ sẵn Thấp
Trung
bình Cao Cao Cao
Bảng 2.12: So sánh các quá trình khử nitơ trong nước thải (Luiza Gut, 2006;
Mulder, 2003; Schmidt, 2003) Quá trình / Yếu tố QT truyền thống nitrification / denitrification
SHARON Anammox CANON OLAND Số bể phản ứng
cần 2 1 1 1 1
Phát thải NO3-,N2O,N2 NH4+,NO2, N2 N2, NO3- N2, NO3- N2
Điều kiệnvận
hành Oxic; anoxic Oxic / anoxic Anaerobic Oxygen – hạn chế Oxygen – hạn chế
Lượng oxy cần thiết (kg O2 kg -1 N)
Cao
(4,6) Thấp(3,4) Khơng (1,5 - 2)Thấp (1,5 - 2)Thấp
Kiểm sốt pH Cĩ Khơng Khơng Khơng Khơng
Bảng 2.12: So sánh các quá trình khử nitơtrong nước thải (tiếp theo)
Quá trình / Yếu tố QT truyền thống nitrification / denitrification
SHARON Anammox CANON OLAND Bổ sung COD Cĩ Cĩ Khơng Khơng Khơng
tạo thành (kgTLkhơ.kg-1 N) (1- 1,2) (0,8 – 0,9) (< 0,1) Hiệu quả khử Nitơ (%) 95 90 90 90 85 Vi sinh vật phát
triển Biofilm /lơ lửng lửng/biofilmLơ Lơ lửng /biofilm / dạng hạt Biofilm Biofilm
Loại vi sinh vật NH4+ và NO2- oxidizers, Various heterotrophs Aerobic NH4+ oxidizers, N .eutropha, heterotrophs Planctomycetales: Brocadia anammoxidans, Kuenenia stuttgartiensis, Scalindua brodae, S .wagneri, S. sorokinii Aerobic NH4+ oxidizers, Planctomyce – tales Autotrophic Nitrifiers Mức độ phức tạp của quá trình Nhập chung 2 quá trình oxic và anoxic hoặc tách riệng từng giai đoạn, cần bổ sung methanol Nhập chung 2 quá trình oxic và anoxic hoặc tách riệng từng giai đoạn, cần bổ sung methanol Cần nitrate hĩa bán phần trước