4.2. Giai đoạn chạy các tải trọng khác nhau
4.2.2. Hiệu quả loại bỏ nitơ
4.2.2.1.Nồng độ các hợp chất của nitơ
Nitơ tổng trong nước thải bao gồm amoni, nitrit, nitrat và nitơ hữu cơ. Trong quá trình chuyển hóa, nitơ hữu được phân hủy thành amonia. Amonia một phần sẽ đi vào trong tế bào vi sinh vật để tham gia vào quá trình xây dựng tế bào, một phần lớn sẽ được chuyển hóa thành nitrit và nitrat trong điều kiện có oxi (bể phân hủy hiếu khí), nitrit và nitrat cũng được sử dụng để xây dựng tế bào, tuy nhiên, phần lớn nitrit và nitrat bị vi khuẩn tùy nghi sống trong điều kiện thiếu khí sử dụng là chất nhận điện tử trong phản ứng thu năng lượng của chúng, đồng thời giải phóng nitơ về dạng phân tử và thoát ra khỏi môi trường nước. Chính vì vậy, trong nước thải sau xử lý luôn tồn tại một lượng các dạng nitơ này. Nồng độ của amonia, nitrit và nitrat dòng ra ở giai đoạn ổn định của các tải được thể hiện ở bảng 4.3.
Bảng 4.3 Nồng độ amoni, nitrit, nitrat và nitơ tổng của đầu ra
Amoni (mg/l) Nitrit (mg/l) Nitrat (mg/l) Tổng nitơ (mg/l)
Tải 1,0
kgCOD/m3.ngày
4,6 11,5 14,1 92,1
Tải 1,5
kgCOD/m3.ngày
7,2 12,2 16,0 96,4
Tải 2,0
kgCOD/m3.ngày
11,6 13,7 15,9 101,5
Tải 2,5
kgCOD/m3.ngày
16,0 13,8 16,8 111,4
Amoni được loại bỏ của mô hình được thực hiện thông qua quá trình nitrat hóa ở bể hiếu khí và khử nitrat ở bể thiếu khí. Ở bể hiếu khí, những vi khuẩn tự
dưỡng sẽ oxi hóa amoni để thu năng lượng cho sự sinh trưởng và phát triễn của chúng. Amoni đầu tiên sẽ được vi khuẩn tự dưỡng như Nitrosomonas chuyển hóa thành nitrit, sau đó nitrit sẽ được vi khuẩn tự dưỡng khác như Nitrobacter chuyển hóa thành nitrat. Nitrat ở bể hiếu khí sẽ được tuần hoàn về bể thiếu khí để thực hiện quá trình loại bỏ nitơ ra khỏi nước thải. Ở bể thiếu khí, nitrat sẽ được những vi sinh vật dĩ dưỡng sống trong điều kiện thiếu khí sử dụng như một chất nhận điện tử để oxi hóa các hợp chất hữu cơ, thu năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triễn của chúng. Amoni sẽ được loại bỏ chủ yếu qua con đường này, tuy nhiên, một lượng nhỏ nitrat sẽ được khử thành amoni để sử dụng cho quá trình tổng hợp tế bào nếu môi trường không có amoni. Amoni được loại bỏ ở mô hình sẽ xảy ra đồng thời với việc tạo amoni thông qua quá trình phân hũy chất hữu cơ. Quá trình phân hũy các chất hữu cơ sẽ giải phóng nitơ hữu cơ thành amoni, chính vì vậy, bên cạnh việc loại bỏ amoni có sẵn trong nước thải, hệ thống còn phải loại bỏ amoni được sinh ra từ nitơ hữu cơ. Chính vì vậy để đánh giá khả năng loại bỏ nitơ của mô hình cần phải đánh giá hiệu quả loại bỏ TKN (bao gồm nitơ hữu cơ và amoni). Nồng độ amoni và TKN dòng vào và dòng ra ở giai đoạn ổn định của các tải được trình bày ở bảng 4.4
Bảng 4.4. Nồng độ Amoni và TKN dòng vào và dòng ra
Nồng độ TKN đầu vào (mg/l)
Amoni đầu vào (mg/l)
Nồng độ TKN đầu ra (mg/l)
Amoni đầu ra (mg/l)
Tải 1,0
kgCOD/m3.ngày
275,9 107,4 68,1 4,6
Tải 1,5
kgCOD/m3.ngày
269,1 125,1 67,2 7,2
Tải 2,0
kgCOD/m3.ngày
279,8 130,2 70,1 11,6
Tải 2,5
kgCOD/m3.ngày
287,7 121,2 78,7 16,0
Nhìn vào bảng 4.4 ta thấy nồng độ amoni dòng ra đạt khá thấp. Tuy nhiên, chỉ ở tải 1,0 và 1,5 kgCOD/m3.ngày, nồng độ amoni đầu ra đạt cột B - QCVN 40:2011/BTNMT, còn nồng độ đầu ra của tải 2,0 kgCOD/m3.ngày vượt so với qui chuẩn, nồng độ đầu ra đạt 11,60 mg/l trong khi qui chuẩn chỉ ở mức 10 mg/l. Trong khi đó nồng độ amoni đầu ra của tải 2,5 kgCOD/m3.ngày lại vượt so với QCVN 40:2011/BTNMT, cột B là 6,01 mg/l (nồng độ đầu ra thấp nhất của tải 2,0 kgCOD/m3.ngày là 16,01 mg/l). Bên cạnh đó, nồng độ TKN đầu ra thấp nhất của các tải cũng tăng dần, tăng từ 68,12 mg/l ở tải 1,0 kgCOD/m3.ngày lên đến 78,73 mg/l ở tải 2,5 kgCOD/m3.ngày. Nguyên nhân của nồng độ amoni và TKN tăng theo sự tăng tải có thể là do thời gian lưu ở các được rút ngắn, từ 24h ở tải 1,0 kgCOD/m3.ngày xuống còn 9,6h ở tải 2,5 kgCOD/m3.ngày đã làm rút ngắn thời gian tiếp xúc của vi sinh vật với cơ chất, từ đó là giảm hiệu quả chuyển chuyển hóa TKN.
TKN bao gồm nitơ hữu cơ và amoni, trong điều kiện kị khí, một phần amoni được vi sinh vật sử dụng để xây dựng tế bào còn lại vẫn tồn tại trong nước thải. Như vậy, TKN sau bể kị khí sẽ giảm, tuy nhiên, trong điều kiện kị khi, nitơ hữu cơ sẽ bị phân hủy và chuyển hóa thành amoni, chính vì vậy, TKN dòng ra sau bể kị khí giảm nhưng lượng amoni không thay đỗi nhiều so với dòng vào. Hiệu quả loại bỏ TKN của toàn hệ thống thông qua quá trình chuyển hóa của amoni. Hiệu quả loại bỏ TKN giảm dần theo sự giảm thời gian lưu của mô hình. Hiệu quả loại bỏ TKN của mô hình được trình bày ở bảng 4.5
Hình 4.5 Hiệu quả loại bỏ và nồng độ TKN dòng vào và ra của giai đoạn ổn định
Nồng độ TKN đầu vào (mg/l)
Nồng độ TKN đầu ra (mg/l)
Hiệu quả (%)
Tải 1,0
kgCOD/m3.ngày
280,8 68,1 75,7
Tải 1,5
kgCOD/m3.ngày
257,2 67,2 73,8
Tải 2,0 kgCOD/m3.ngày
251,6 70,1 72,1
Tải 2,5
kgCOD/m3.ngày
269,1 80,7 70,0
Nồng độ nitrat và nitrit trong nước đầu vào hầu như không đáng kể, tuy nhiên, nước thải đầu ra lại chứa một lượng khá cao 2 chất này, nguyên nhân là do sự chuyển hóa amoni trong bể hiếu khí, amoni sẽ được chuyển hóa thành nitrit và nitrat, nitrit và nitrat sẽ được tuần hoàn về bể thiếu khí để vi khuẩn khử nitrat sử dụng. Tuy nhiên, vi khuẩn khử nitrat không thể chuyển hóa hoàn toàn hết lượng nitrit và nitrat sinh ra, đồng thời nitrat và nitrat được sinh ra không được tuần hoàn hoàn toàn về bể thiếu khí mà vẫn còn một lượng lớn theo dòng ra ra ngoài. Nồng độ nitrat và nitrit ở giai đoạn ổn định của mô hình ở các tải thí nghiệm được trình bày ở bảng 4.6
Bảng 4.6 Nồng độ nitrat và nitrit ở giai đoạn ổn định
Nồng độ nitrit (mg/l) Nồng độ nitrat (mg/l)
Đầu vào Đầu ra Đầu vào Đầu ra
Tải 1,0
kgCOD/m3.ngày
0,8 11,5 1,2 14,1
Tải 1,5
kgCOD/m3.ngày
0,9 12,2 0,6 16,0
Tải 2,0
kgCOD/m3.ngày
0,9 13,7 0,8 15,9
Tải 2,5
kgCOD/m3.ngày
0,9 13,8 1,0 16,8
4.2.2.2.Hiệu quả loại bỏ nitơ
Hiệu quả loại bỏ nitơ chủ yếu thông qua quá trình khử nitrat của bể thiếu khí, một phần được vi sinh vật sử dụng để xây dựng tế bào. Nitơ ở dạng hữu cơ phải được phân hủy, chuyển hóa về dạng vô cơ (mà ở đây là amoni) trước khi được vi sinh vật loại bỏ ra khỏi nước thải thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Nước thải sau bể biogas vẫn còn một lượng lớn nitơ ở dạng hợp chất hữu cơ này, chính vì vậy, hiệu quả loại bỏ nitơ còn phụ thuộc khá nhiều vào hiệu quả chuyển hóa nitơ hữu cơ thành nitơ vô cơ (dạng anomi). Hình 4.5 cho ta thấy hiệu quả loại bỏ nitơ tổng cũng như nồng độ nitơ tổng đầu vào và ra của toàn mô hình trong suốt thời gian vận hành.
Hình 4.5 Nồng độ TN và hiệu quả loại bỏ
Nồng độ TN đầu vào giao động khá lớn, từ 250 – 300 mg/l. Hiệu quả loại bỏ nitơ tổng không cao, chỉ đạt khoảng 60% ở giai đoạn ổn định của các tải thí nghiệm.
Hiệu quả loại bỏ TN giảm dần từ tải 1,0 kgCOD/m3.ngày đến tải 2,5 kgCOD/m3.ngày.
Hiệu quả loại bỏ ở tải 1,0 kgCOD/m3.ngày là cao nhất với hiệu suất 67,41%, nồng độ đầu ra đạt 92,10 mg/l. Ở tải 1,0 kgCOD/m3.ngày, nồng độ đầu ra đã cao hơn khá nhiều so với cột B - QCVN 40:2011/BTNMT, cao hơn 2,3 lần so với qui chuẩn.
Hiệu quả loại bỏ ở tải 1,5 kgCOD/m3.ngày là cao nhất với hiệu suất 62,73%, nồng độ đầu ra đạt 96,42 mg/l. Ở tải 1,5 kgCOD/m3.ngày, nồng độ đầu ra cao hơn so với cột B - QCVN 40:2011/BTNMT, cao hơn 2,41 lần so với qui chuẩn.
Hiệu quả loại bỏ ở tải 2,0 kgCOD/m3.ngày là cao nhất với hiệu suất 62,73%, nồng độ đầu ra đạt 99,50 mg/l. Ở tải 2,0 kgCOD/m3.ngày, nồng độ đầu ra cao hơn so với cột B - QCVN 40:2011/BTNMT, cao hơn 2,49 lần so với qui chuẩn.
Hiệu quả loại bỏ ở tải 2,5 kgCOD/m3.ngày là cao nhất với hiệu suất 59,42%, nồng độ đầu ra đạt 111,40 mg/l. Ở tải 2,5 kgCOD/m3.ngày, nồng độ đầu ra cao hơn so với cột B - QCVN 40:2011/BTNMT, cao hơn 2,79 lần so với qui chuẩn.
Hình 4.6 Hiệu quả loại bỏ nitơ trung bình ở các tải trọng khác nhau
Hiệu quả loại bỏ nitơ tổng trung bình của các tải khá đồng điều ở tải 1,5; 2,0 và 2,5 kgCOD/m3.ngày. Hiệu quả loại bỏ nitơ trung bình ở các tải này đạt khoảng 56%, trong khi đó, hiệu quả loại bỏ nitơ của tải 1,0 kgCOD/m3.ngày chỉ đạt 46%
mặt dù hiệu quả loại bỏ nitơ của tải 1,0 kgCOD/m3.ngày ở giai đoạn ổn định cao hơn nhiều so với các tải còn lại, đạt 67%. Nguyên nhân là do ở tải 1,0 kgCOD/m3.ngày, những ngày thí nghiệm đầu của tải, quả quả loại bỏ khá thấp chỉ đạt 27%, trong khi đó hiệu quả loại bỏ nitơ ở những ngày đầu của các tải còn lại đạt tới 50%. Hiệu quả loại bỏ nitơ ở những ngày đầu của tải 1,0 kgCOD/m3.ngày thấp
là do mô hình mới chuyển từ giai đoạn thích nghi sang, nồng độ COD bị tăng đột ngột, tăng từ 500 mgCOD/l lên đến 1000mgCOD/l, và nồng độ nitơ cũng tăng gấo đôi, làm cho vi sinh vật chưa thích ứng kịp. Việc tăng tải của các tải sau chỉ là sự tăng lưu lượng, giảm thời gian lưu nước, không làm thay đổi nhiều điều kiện vận hành nên vi sinh vật nhanh chóng thích nghi và không bị giảm hiệu quả loại bỏ nhiều so với tải trước. Hình 4.6 thể hiện hiệu quả loại bỏ nitơ trung bình của các tải trong thí nghiệm. Cũng chính nguyên nhân thay đổi nồng độ đầu vào ở tải đầu tiên đã làm cho độ lệch chuẩn của hiệu quả loại bỏ ở tải đầu tiên cao hơn các tải còn lại khá nhiều. Bảng 4.7 thể hiện nồng độ và hiệu quả loại bỏ từng tải.
Bảng 4.7 Hiệu quả loại bỏ TN và nồng độ dòng ra ở các tải
Tải Tải 1,0
kgCOD/m3.ngày
Tải 1,5
kgCOD/m3.ngày
Tải 2,0
kgCOD/m3.ngày
Tải 2,5
kgCOD/m3.ngày Hiệu quả loại
bỏ cực đại (%)
67,4 62,7 62,7 59,4
Hiệu quả loại bỏ cực tiểu (%)
27,3 49,2 48,0 50,0
Hiệu quả loại bỏ trung bình (%)
46,4 ± 14,1 57,8 ± 5,3 56,3 ± 6,1 56,6 ± 3,6
Nồng độ đầu ra cực đại (mg/l)
217,3 138,9 146,9 151,5
Nồng độ đầu ra cực tiêu (mg/l)
92,1 96,4 99,5 111,4
Nitơ dòng ra bao gồm nitrit, nitrat, amoni và nitơ hữu cơ. Nhìn vào hình 4.7 ta thấy dòng ra nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng TKN (amoni và nitơ hữu cơ). Tuy nhiên, nồng độ amoni dòng ra không cao, vì vậy, nitơ hữu cơ vẫn còn khá nhiều trong nước thải dòng ra.