4.1 Thí nghiệm 1: Đánh giá khả năng xử lý nitơ
4.1.1 Các thành phần nitơ
a) Nước thải căn tin: Các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra khi vận hành đối với nước thải căn tin được thể hiện như hình 4.1a và 4.1b.
Hình 4.1 Diễn biến các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra của nước thải căn tin
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nhìn chung, nồng độ các thành phần nitơ dòng vào khá ổn định với nồng độ ammonium trong khoảng 55-65 mg/l và tổng nitơ trong khoảng 65-75 mg/l, trong đó nồng độ nitrite và nitrate đầu vào xấp xỉ bằng 0. Nitrate dòng ra luôn được duy trì ổn định ở mức < 5 mg/l. Điều này chứng tỏ vi khuẩn NOB bị hạn chế tốt trong suốt quá trình vận hành nhờ kiểm soát DO bằng thổi khí gián đoạn. Mặc dù ngoại trừ nitrate thì các thành phần nitơ còn lại của dòng ra liên tục dao động mạnh, tuy nhiên tổng nitơ dòng ra có xu hướng giảm dần theo thời gian vận hành và chạm đáy ở ngày thứ 72 với chỉ 17.38 mg/l, nhỏ hơn giá trị cột A của QCVN 40:2011/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp. Thậm chí, trong 4 ngày cuối cùng của quá trình vận hành, các chỉ tiêu về Nitơ hoàn toàn đạt giá trị cho phép trong cột B của QCVN 14:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt. Điều này chứng tỏ mô hình đang dần hoạt động tốt lên.
Hiệu quả loại bỏ ammonium và tổng nitơ được thể hiện như hình 4.2 và 4.3.
Hình 4.2 Diễn biến hiệu suất xử lý nitơ đối với nước thải căn tin
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.3 Nitơ dòng vào và ra ở các tải trọng khác nhau, nước thải căn tin Nhìn chung, hiệu suất ở giai đoạn thích nghi (NLR = 0.06 kgN/m3.ngày) là kém ổn định nhất với nồng độ nitơ đầu ra dao động rất lớn. Ở các giai đoạn về sau, mô hình dần ổn định, với nồng độ nitơ đầu ra có độ lệch chuẩn nhỏ hơn hẳn so với giai đoạn thích nghi. Sau giai đoạn thích nghi, hiệu suất xử lý tổng nitơ có xu hướng tăng dần cho đến khi kết thúc quá trình vận hành, và đạt đỉnh 74% ở ngày thứ 72.
Mặc dù ở giai đoạn 2 (NLR = 0.11 kgN/m3.ngày), hiệu suất xử lý ammonium tốt nhất với trung bình 74% ammonium được loại bỏ, tuy nhiên đây cũng là giai đoạn hiệu suất xử lý tổng nitơ thấp nhất với chỉ trung bình 35% tổng nitơ được loại bỏ.
Giai đoạn 3 (NLR = 0.23 kgN/m3.ngày) và giai đoạn 4 (NLR = 0.34 kgN/m3.ngày), hiệu suất xử lý tổng Nitơ dần ổn định và đạt mức trung bình 53% ở cả 2 giai đoạn.
Mặc dù có những lúc hiệu quả xử lý ammonium đạt rất cao với hiệu suất > 90%, tuy nhiên tổng nitơ được loại bỏ khá kém, do nước thải đầu ra còn một lượng lớn nitơ ở dạng nitrite. Ta có thể thấy rõ điều này ở các ngày thứ 2, 15, 19 với nồng độ nitrite đầu ra xấp xỉ 40 mg/l, nguyên nhân là do lúc này nhóm nghiên cứu vẫn chưa vận hành được mô hình ở điều kiện phù hợp cho vi khuẩn anammox phát triển.
Bắt đầu giai đoạn thích nghi, lưu lượng của máy thổi khí là 3 lít/phút, thiết lập timer 2 phút chạy, 1 phút nghỉ, DO được khống chế ở mức 2.0 - 2.2 mg/l, thấp hơn
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
giới hạn 2.7 mg/l đối với PVA gel cố định AOB và anammox (Bae và cộng sự, 2017). Hiệu suất xử lý ammonium của 2 ngày đầu tiên khá ổn định ở mức > 65%.
Tuy nhiên, do máy thổi khí gặp sự cố hư hỏng ở ngày thứ 3, hiệu suất xử lý ammonium giảm chỉ còn 29%. Sau khi thay thế mới máy thổi khí, hiệu suất ammonium lập tức phục hồi đạt 86% ở ngày thứ 4, tuy nhiên nồng độ nitrite đầu ra có giá trị > 25 mg/l vẫn còn rất cao. Do đó, nhóm điều chỉnh lưu lượng máy thổi khí từ 3 lít/phút xuống 2 lít/phút, DO được khống chế ở mức 1.5 - 1.8 mg/l. Mặc dù vậy, kết quả không được cải thiện ở ngày thứ 5, nhóm tiếp tục điều chỉnh chế độ cấp khí từ 2 phút chạy và 1 phút nghỉ về 60s chạy và 40s nghỉ, lưu lượng khí giảm từ 2 l/phút còn 1.5 l/phút, giá trị DO đo được từ 0.9 - 1.4 mg/l. Trong ngày thứ 6 và thứ 7, hiệu suất xử lý ammonium đạt mức cao ở mức > 95%, tuy nhiên nồng độ nitrite tăng đột ngột với giá trị đầu ra > 35 mg/l. Khi nhóm tạm tắt máy thổi khí ở ngày thứ 8, nitrite đầu ra giảm mạnh còn 11.68 mg/l, đồng thời hiệu suất xử lý tổng nitơ đạt 65%, cao nhất trong suốt giai đoạn thích nghi. Các ngày tiếp theo, nhóm tiếp tục thay đổi chế độ cấp khí còn 40s chạy, 40s nghỉ với lưu lượng khí 0.7 lít/phút, giá trị DO đo được là 0.5 - 0.8 mg/l. Việc thay đổi các chế độ cấp khí là rất quan trọng trong việc cân bằng tỷ lệ giữa NH4+:NO2- trong bể. Ở giai đoạn thích nghi, tại từng thời điểm, tỷ lệ này thường nghiêng về hẳn về một yếu tố, hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ rất không ổn định. Ở ngày cuối cùng của giai đoạn này, hiệu loại bỏ ammonium và tổng nitơ lần lượt là 94% và 28%. Mặc dù hiệu suất xử lý tổng nitơ là không cao do anammox hoạt động không tốt, nhưng ta thấy vi khuẩn AOB đã thích nghi khá nhanh với mô hình này. Nhóm quyết định nâng tải trọng mô hình bằng cách điều chỉnh lưu lượng đầu vào từ 9 lít/ngày (HRT 28.8h) lên 18 lít ngày (HRT 14.4h) bắt đầu từ ngày thứ 16.
Ở tải trọng mới (NLR = 0.11 kgN/m3.ngày), trong những ngày đầu, hiệu suất loại bỏ ammonium vẫn duy trì ổn định ở mức 87 - 92%, tuy nhiên hoạt động của vi khuẩn AOB là vượt trội so với anammox, giá trị nitrite đầu ra cao ở mức > 20 mg/l.
Thậm chí, ở ngày thứ 19, nồng độ nitrite đầu ra lên tới 40.13 mg/l, hiệu suất xử lý tổng nitơ giảm chỉ còn 18%. Để tạo điều kiện tốt nhất cho hoạt động của vi khuẩn anammox, nhóm quyết định khống chế DO ở mức 0.1 - 0.6 mg/l, chế độ cấp khí 15s
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
chạy, 2 phút nghỉ. Trong những ngày tiếp theo, hiệu suất ammonium có giảm sút, nhưng hầu hết vẫn duy trì ở mức > 70%. Trong khi đó, nitrite đầu ra bắt đầu giảm dần, và đạt ổn định trong khoảng 4 -13 mg/l trong khoảng thời gian từ ngày thứ 25 đến ngày thứ 35. Cũng trong khoảng thời gian này, hiệu suất xử lý tổng nitơ tăng dần và ổn định ở mức 38 - 41%.
Ngày thứ 36, nhóm quyết định nâng tải trọng lần 2, lưu lượng nước thải đầu vào là 36 lít/ngày (HRT = 7.2h), NLR = 0.23 kgN/m3.ngày. Song song với việc nâng tải, chế độ cấp khí cũng được thay đổi từ 15s chạy, 2 phút nghỉ lên thành 25s chạy, 2 phút nghỉ. Từ ngày thứ 36 đến ngày thứ 40, hiệu suất xử lý ammonium tăng dần từ 67 lên 83 %, do khi chuyển tải hệ vi sinh cần thời gian để thích nghi với tải trọng mới. Ngày thứ 41, mô hình vận hành gặp sự cố với timer điều khiển chế độ cấp khí nên máy thổi khí phải tạm dừng, hiệu suất xử lý ammonium chỉ đạt 37 %.
Sau khi khắc phục mô hình dần ổn định trở lại, DO trong thời điểm này duy trì 0.3 - 0.8 mg/l, anammox dường như đã thích nghi với mô hình, hiệu suất xử lý tổng nitơ luôn đạt ở mức > 40%. Ngày thứ 53, mô hình đạt hiệu suất xử lý tốt nhất với 83%
ammonium và 72% tổng nitơ bị loại bỏ, chất lượng nước đầu ra khá tốt khi nồng độ đầu ra ammonium, nitrite, nitrate lần lượt là 10.64, 3.74, 2.48 mg/l.
Từ ngày thứ 56 đến ngày thứ 75, nhóm tiếp tục nâng tải trọng lần 3, NLR = 0.34 kgN/m3.ngày, lưu lượng nước thải đầu vào là 54 lít/ngày, tương ứng HRT = 4.8h, lớn hơn mức 4h theo khuyến cáo của Hoa và cộng sự (2006). Tương tự như ở tải trọng trước, do hệ vi sinh cần thời gian thích nghi với tải trọng mới, cùng với chế độ cấp khí mới 30s chạy, 100s nghỉ, hiệu suất xử lý ammonium giảm xuống còn 45%
- 55% trong những ngày đầu. Từ ngày thứ 64 trở đi, hiệu suất xử lý nitơ bắt đầu tốt và ổn định. Ngày thứ 75, mô hình kết thúc vận hành với hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ lần lượt là 90% và 65%. So với nghiên cứu của Wang và cộng sự (2017), hiệu quả xử lý ammonium đạt từ 59% - 98%, mô hình nghiên cứu của nhóm cho kết quả gần như tương đồng với hiệu suất xử lý ammonium trung bình trong khoảng từ 51% - 87%.
b) Nước thải văn phòng cho thuê: Các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra khi vận hành đối với nước thải văn phòng cho thuê được thể hiện như hình 4.4a và 4.4b.
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.4 Diễn biến các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra của nước thải văn phòng Nhìn chung, ngoại trừ giai đoạn thích nghi có nồng độ Nitơ dòng vào cao và dao động mạnh liên tục, các giai đoạn sau có nồng độ ammonium dòng vào khá ổn định trong khoảng 80 - 120 mg/l, tổng nitơ dòng vào trong khoảng 100 - 140 mg/l.
Khác với nước thải căn tin có NOx dòng vào xấp xỉ bằng không, NO2- dòng vào của nước thải văn phòng có những ngày đạt mức > 5 mg/l. Điều này là do sự tự chuyển hóa từ ammonium thành nitrit ở bồn chứa nước thải đầu vào được lưu trong hơn 1
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
tuần. Ở các giai đoạn sau, khi tải trọng tăng dần bằng cách tăng lưu lượng nước thải đầu vào, bồn chứa nước thải đầu vào lưu nước trong thời gian ngắn hơn giúp hạn chế sự tự chuyển hóa ammonium thành nitrit, kết quả là nitrit và nitrat dòng vào ở các giai đoạn sau xấp xỉ bằng 0. Nitrate dòng ra luôn được duy trì ổn định ở mức <
5 mg/l. Điều này chứng tỏ vi khuẩn NOB bị hạn chế tốt trong suốt quá trình vận hành nhờ kiểm soát DO bằng thổi khí gián đoạn. Trong khi đó, các thành phần nitơ còn lại của dòng ra có xu hướng giảm dần theo thời gian, đặc biệt là nitrit dòng ra ở giai đoạn về cuối được duy trì ở mức thấp < 10 mg/l, chứng tỏ mô hình SANR cho nước thải văn phòng đang vận hành hiệu quả. Ở giai đoạn cuối cũng có khá nhiều ngày, ammonium dòng ra < 10 mg/l, đạt giá trị cho phép trong cột B của QCVN 14:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt. Hiệu quả loại bỏ ammonium và tổng nitơ được thể hiện như hình 4.5 và 4.6.
Hình 4.5 Diễn biến hiệu suất xử lý nitơ đối với nước thải văn phòng cho thuê
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.6 Nitơ dòng vào và ra ở các tải trọng khác nhau, nước thải văn phòng
Nhìn chung, hiệu suất ở giai đoạn thích nghi (NLR = 0.15 kgN/m3.ngày) là kém ổn định nhất với nồng độ nitơ đầu ra dao động rất lớn. Ở các giai đoạn về sau, mô hình dần ổn định, với nồng độ nitơ đầu ra có độ lệch chuẩn nhỏ hơn hẳn so với giai đoạn thích nghi. Sau giai đoạn thích nghi, hiệu suất xử lý tổng nitơ có xu hướng tăng dần cho đến khi kết thúc quá trình vận hành, và đạt đỉnh 73% ở ngày thứ 109.
Ở giai đoạn cuối của quá trình vận hành, có những ngày hiệu quả xử lý ammonium đạt rất cao với hiệu suất > 90%. Trong khi đó, TNOx dòng ra có xu hướng giảm dần theo thời gian, chứng tỏ mô hình SANR cho nước thải văn phòng đang hoạt động hiệu quả.
Khi bắt đầu giai đoạn thích nghi, với NLR = 0.15 kgN/m3.ngày, cao hơn 1 chút so với giai đoạn 2 của nước thải căn tin, do đầu dò DO bị hỏng nên nhóm đã chọn thiết lập máy thổi khí tương tự giai đoạn này với lưu lượng khí 1 lít/phút, 20s chạy, 100s nghỉ. Hai ngày đầu tiên của quá trình vận hành gần như không có hiệu quả, khi hiệu suất xử lý nitơ < 10%. Từ ngày thứ 3, hiệu xuất xử lý ammonium tăng lên 36%, và tiếp tục dao động trong khoảng 30% đến tận ngày thứ thứ 15. Cũng trong thời gian này thì hiệu xử lý tổng nitơ rất thấp chỉ đạt < 15%, nitrite đầu ra luôn > 20 mg/l. Quá trình thích nghi của cả AOB và anammox trong 15 ngày đầu
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
tiên gặp rất nhiều khó khăn do PVA gel đã không được vận hành hơn 3 tháng từ sau khi kết thúc mô hình với nước thải căn tin. Mặt khác, nồng độ nitơ của nước thải đầu vào rất cao và dao động liên tục, có những ngày vượt quá 200 mg/l, vượt ngưỡng ức chế theo Strous và cộng sự (1999), do bể tự hoại của trạm xử lý nước thải gặp sự cố trong thời gian này. Từ ngày thứ 16 trở đi, nồng độ nitơ đầu vào bắt đầu ổn định hơn, tổng nitơ dao động trong khoảng 100 – 140 mg/l. Cùng lúc đó, với việc có đầu đo DO mới, nhóm thiết lập lại chế độ máy thổi khí thành 5s chạy, 60s nghỉ, DO trong cột phản ứng dao động trong khoảng 0.5 - 1.0 mg/l. Hiệu suất xử lý ammonium bắt đầu tăng lên đáng kể và đạt 75% ở ngày thứ 25, đồng thời hiệu suất tổng nitơ cũng tăng và đạt 28% mặc dù nitrite đầu ra rất cao lên tới 44.7 mg/l. Điều này chứng tỏ vi khuẩn anammox chưa kịp thích nghi và bị áp đảo bởi vi khuẩn AOB. Do đó, bắt đầu từ ngày thứ 30, nhóm thiết lập lại máy thổi khí thành 1s chạy, 60s nghỉ, khống chế DO trong khoảng 0.1 - 0.6 mg/l. Kết quả là hiệu suất xử lý tổng nitơ dần tăng lên > 30%. Nhóm kết thúc giai đoạn thích nghi ở ngày thứ 44, khi hiệu quả xử lý ammonium và tổng nitơ khá tốt và lần lượt đạt 64% và 49%.
Ngày thứ 45, nhóm tăng tải trọng lên gấp đôi (NLR = 0.25 kgN/m3.ngày) bằng cách tăng lưu lượng nước thải đầu vào từ 3 lít/ngày (HRT = 24h) lên 6 lít/ngày (HRT = 12h). Song song đó, nhóm cũng tăng lượng khí cung cấp bằng cách thiết lập máy thổi khí 2s chạy, 60s nghỉ. Từ ngày thứ 45 đến ngày thứ 49, do khi chuyển tải hệ vi sinh cần thời gian để thích nghi với tải trọng mới, hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ khá thấp, với chỉ lần lượt đạt < 30% và < 10%. Bắt đầu từ ngày thứ 50, mô hình vận hành bắt đầu ổn định hơn, hiệu suất xử lý tổng nitơ tăng lên và luôn đạt > 20%, tuy nhiên hiệu suất xử lý ammonium đạt 60% vẫn thấp hơn mong đợi. Từ ngày thứ 51 đến ngày thứ 63, hiệu suất xử lý tổng nitơ vẫn ổn định ở mức 20% - 30%, tuy nhiên hiệu suất xử lý ammonium giảm dần xuống còn 46%.
Nhóm quyết định thay đổi chế độ cấp khí từ 2s chạy và 60s nghỉ thành 2s chạy và 40s nghỉ, nhưng hiệu suất xử lý ammonium vẫn tiếp tục giảm chỉ còn 31% ở ngày thứ 66, kéo theo hiệu suất xử lý tổng nitơ giảm chỉ còn 11%. Nhận thấy nguyên nhân là do nước thải đầu vào trong thời gian này có khá nhiều dầu mỡ, đã tích tụ làm đá khuếch tán khí không hoạt động hiệu quả, nhóm đã tổng vệ sinh mô hình và
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
thay đợt nước thải đầu vào mới để khắc phục. Điều này đã giúp mô hình ổn định trở lại và đến khi kết thúc giai đoạn này, ngày thứ 72 hiệu xuất xử lý ammonium và tổng nitơ lần lượt đạt 78% và 53%.
Ngày thứ 73, nhóm tăng tải trọng lên, NLR = 0.31 kgN/m3.ngày, bằng cách tăng lưu lượng nước thải đầu vào từ 6 lít/ngày (HRT = 12h) lên 8 lít/ngày (HRT = 9h). Song song đó, nhóm cũng tăng lượng khí cung cấp bằng cách thiết lập máy thổi khí 2s chạy, 30s nghỉ, khống chế DO ở 0.3 - 0.6 mg/l. Trong 2 ngày đầu tiên, hiệu suất xử lý ammonium bị sụt giảm xuống còn 33% do còn đang thích nghi với tải trọng mới. Mặc dù vậy nitrit đầu ra vẫn ở mức thấp khoảng 15 mg/l, chứng tỏ vi khuẩn anammox vẫn đang hoạt động ổn định. Nhận thấy ammonium đầu ra vẫn lớn hơn nitrit đầu ra khá nhiều, nên từ ngày thứ 77 thì nhóm quyết định tăng lượng khí cung cấp cho bể. Nhóm thiết lập lại máy thổi khí 5s chạy, 30s nghỉ, DO trong bể đo được ở mức 0.4 - 0.9 mg/l. Điều này lập tức mang lại tác dụng, hiệu suất xử lý ammonium trong những ngày còn lại ở tải trọng luôn đạt mức cao ở 70 - 80%, đỉnh điểm đạt 93% ở ngày thứ 87. Song song đó, hiệu suất tổng nitơ cũng ổn định tốt ở mức 50 - 60 %, và đạt đỉnh 72% ở ngày thứ 88. Lượng nitrit đầu ra giảm dần và xuống mức < 10 mg/l, ammonium đầu ra và nitrit đầu ra gần bằng nhau, chứng tỏ mô hình đang được vận hành rất tốt và ổn định. Nhóm quyết định kết thúc tải trọng này ở ngày thứ 91.
Sang ngày thứ 92, nhóm tăng lưu lượng nước thải đầu vào từ 8 lít/ngày (HRT
= 9h) lên 12 lít/ngày (HRT = 6h), ứng với tải trọng nitơ NLR = 0.51 kgN/m3.ngày.
Song song đó, nhóm cũng tăng lượng khí cung cấp bằng cách thiết lập máy thổi khí 5s chạy, 20s nghỉ, khống chế DO ở 0.4 - 0.9 mg/l. Trong 5 ngày đầu tiên, hiệu suất xử lý ammonium tăng chậm và chỉ dao động ở mức 50 - 60%. Mặc dù vậy nitrit đầu ra vẫn ở mức thấp khoảng 10 mg/l, chứng tỏ vi khuẩn anammox vẫn đang hoạt động ổn định. Nhận thấy ammonium đầu ra vẫn lớn hơn nitrit đầu ra khá nhiều, nên từ ngày thứ 98 thì nhóm quyết định tăng lượng khí cung cấp cho bể. Nhóm thiết lập lại máy thổi khí 8s chạy, 20s nghỉ, DO trong bể đo được ở mức 0.6 - 1.1 mg/l. Kể từ đó, hiệu quả xử lý nitơ tăng dần và ổn định ở mức cao trong những ngày cuối. Đỉnh