4.2. Thí nghiệm 2: Thích nghi sinh khối trong bể phản ứng tầng sôi CANON
4.2.1. Các thành phần nitơ
Sau khi làm giàu bùn anammox bằng mô hình IC, chuyển 3,7 L bùn anammox, AOB cùng với nước giả thải có thành phần trong bảng 3.4 vào bể phản ứng tầng sôi CANON, sau đó vận hành với nước rỉ rác cũ không qua pha loãng ứng ở các tải trọng nitơ NLR = 0,94 kg N/m3.ngày (98 ngày), NLR = 0,64 kg N/m3.ngày (41 ngày) và NLR
= 0,29 kg N/m3.ngày (59 ngày).
Diễn biến các thành phần nitơ trong thích nghi bùn anammox và AOB trong bể phản ứng CANON (198 ngày) được thể hiện ở Hình 4.6.
a. Thành phần nitơ đầu vào và đầu ra
b. Tổng nitơ đầu vào và đầu ra
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
73 83 93 103 113 123 133 143 153 163 173 183 193 203 213 223 233 243 253 263 273
Nồng độ, mg/L
Nồng độ, mg N/L
Thời gian, ngày
NLR = 0,9 kg N/m3.ngày
NH4+ Vào NH4+ Ra NO2- Ra NO3- Ra
NLR = 0,29 kg N/m3.ngày
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
73 83 93 103 113 123 133 143 153 163 173 183 193 203 213 223 233 243 253 263 273
Nồng độ, mg N/L
Thời gian, ngày
TN Vào TN Ra
NLR = 0,94 kg N/m3.ngày NLR = 0,64 NLR = 0,29 kg N/m3.ngày kg N/m3.ngày
NLR = 0,64 kg N/m3.ngày
c. Hiệu suất xử lý nitơ
Hình 4.6. Diễn biến các thành phần nitơ và hiệu suất xử lý trong giai đoạn thích nghi bùn anammox và AOB trong bể phản ứng CANON
Từ diễn biến nồng độ của các thành phần nitơ theo Hình 4.6 cho thấy thành phần nitơ trong nước rỉ rác trong nghiên cứu này chủ yếu NH4+-N, với nồng độ ammonium đầu vào trong khoảng 2.822-4.074 mg/L và tổng nitơ đầu vào trong khoảng 3.466-4.201 mg/L khi vận hành mô hình bằng nước thải rỉ rác cũ được lấy lần 1 vào tháng 5/2019 và nồng độ ammonium đầu vào trong khoảng 945-1.400 mg/L và tổng nitơ đầu vào trong khoảng 1.121-1.460 mg/L khi vận hành mô hình bằng nước thải rỉ rác cũ được lấy lần 2 vào tháng 9/2019. Nồng độ nitrit và nitrat dòng vào xấp xỉ bằng không. Nitrat 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.
Ở giai đoạn thích nghi của tải trọng NLR = 0,94 kg N/m3.ngày, lưu lượng nước thải đầu vào là 3,5 lít/ngày, HRT = 4,1 ngày, thời gian thổi khí được thiết lập là 2 phút chạy, 1 phút nghỉ, DO được được điều chỉnh ở mức 0,1-0,5 mg/L, pH trong bể được điều chỉnh trong khoảng 7,8-8,1 bằng dung dịch HCl 7%, độ kiềm trong nước thải đầu vào dao động trong khoảng 12.400-16.300 mg CaCO3/L. Trong 4 ngày đầu tiên, hiệu suất xử lý ammonium tăng dần từ 70% lên 73%. Nguyên nhân do nước rỉ rác bơm vào bị pha loãng với nước giả thải trong bể phản ứng, do trong bể phản ứng lúc này có 14 L nước giả thải và trong nước giả thải không có thành phần nitơ và bể phản ứng có thời gian lưu nước dài HRT= 4,1 ngày, hiệu suất xử lý ammonium trong những ngày này
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
73 83 93 103 113 123 133 143 153 163 173 183 193 203 213 223 233 243 253 263 273
Tỉ lệ NO2-ra/NH4+ra
Hiệu suất xử lý, %
Thời gian, ngày
%NH4+ %TN NO2- ra/NH4+ ra
NLR = 0,64 kg N/m3.ngày
NLR = 0,19 kg N/m3.ngày NLR = 0,94 kg N/m3.ngày
không đúng với hiệu suất xử lý thực tế của hệ vi khuẩn trong bể phản ứng. Ở ngày thứ 78, tổng nitơ đầu vào đột ngột tăng cao lên đến 4.200 mg/L do ngày thứ 77 thay nước thải mới có nồng độ không ổn định làm cho hiệu suất xử lý tổng nitơ đầu ra giảm mạnh xuống còn 20%. Vì vậy, nhóm đã tiến hành thay bằng một can nước thải khác, các ngày sau đó hiệu suất loại bỏ tổng nitơ có sự cải thiện và ổn định hơn đạt 43%.
Vào ngày thứ 149, bơm tuần hoàn nước thải đầu ra của mô hình bị hỏng, mô hình dừng hoạt động 6 ngày, sau khi lắp bơm tuần hoàn mới và vận hành mô hình lại. Tiếp tục theo dõi kết quả, vào ngày thứ 157, nhận thấy nồng độ nitrit đầu ra có xu hướng tăng dần > 100 mg/L ảnh hưởng đến hoạt tính của anammox. Vì thế, nhóm thực hiện giảm lưu lượng thổi khí bằng cách điều chỉnh van cấp khí, xả bớt khí ra bên ngoài để hạn chế hoạt động của AOB. Tuy nhiên, nồng độ nitrit những ngày sau đó vẫn tăng cao lên đến 165 mg/L, nhận thấy việc điều chỉnh lưu lượng thổi khí gặp nhiều khó khăn, nhóm đã thực hiện xả nước thải trong mô hình, thay nước rỉ rác khác để rửa bùn nhằm giảm nồng độ nitrit tích lũy và điều chỉnh thời gian thổi khí xuống 1 phút chạy và 1 phút nghỉ. Kết quả là nồng độ nitrit đã giảm còn 22,9 mg/L. Hiệu suất xử lý của ammonium và tổng nitơ những ngày cuối của tải trọng này giảm liên tục còn 12% và 20%. Nhận thấy, việc thích nghi ở tải trọng NLR = 0,94 kg N/m3.ngày không phù hợp. Ở ngày thứ 171, nhóm quyết định giảm tải trọng thích nghi xuống còn NLR = 0,64 kg N/m3.ngày bằng cách điều chỉnh lưu lượng bơm đầu vào từ 3,5 lít/ngày xuống còn 2,5 lít/ngày.
Ở tải trọng NLR = 0,64 kg N/m3.ngày, lưu lượng nước thải đầu vào là 2,5 lít/ngày ứng với thời gian lưu nước là 5,7 ngày, thời gian thổi khí được thiết lập là 1 phút chạy và 1 phút nghỉ, độ kiềm trong nước thải đầu vào dao động trong khoảng 10.800-14.250 mg CaCO3/L. Trong những ngày đầu, mô hình xuất hiện một lượng bùn hạt phồng to và nổi lên gần nữa cột phản ứng, hiệu suất xử lý ammonium dao động ở mức 12-15%, pH trong bể phản ứng trong những ngày này liên tục tăng cao > 8,2, pH được điều chỉnh liên tục bằng dung dịch HCl 7%, tuy nhiên việc điều chỉnh thủ công gặp khó khăn do bình chứa dung dịch HCl 7% bị nghẹt, không nhỏ giọt vào bể phản ứng dẫn đến pH trong bể tăng cao lên đến 8,5, kéo theo nồng độ FA tăng lên đỉnh điểm 715 mg/L. Từ ngày 180 đến ngày 185, hiệu suất xử lý ammonium tăng dần từ 23% lên 36%, giá trị nitrit đầu ra tăng dần lên đến 79 mg/L tuy nhiên hiệu suất xử lý tổng nitơ lại giảm dần từ 24% xuống còn 9% do hoạt động của anammox không tốt. Do đó, nhóm điều chỉnh lưu lượng thổi khí từ 1 phút chạy và 1 phút nghỉ xuống 1 phút chạy và 2 phút nghỉ. Ở
ngày thứ 190, sau khi điều chỉnh lưu lượng thổi khí, nồng độ nitrit giảm xuống còn 42 mg/L, hiệu suất xử lý ammonium giảm xuống còn 25% nhưng hiệu suất TN tăng lên đạt 20%. Ngày thứ 199, mô hình vận hành gặp sự cố với bơm tuần hoàn, gây ảnh hưởng đến việc pha loãng nồng độ nước thải đầu vào của mô hình, hiệu suất xử lý ammonium còn 24% và tổng nitơ giảm xuống còn 14%. Tiếp tục theo dõi kết quả, hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ vẫn không cải thiện, hiệu suất xử lý ammonium dao động trong khoảng 10-25% và hiệu suất xử lý tổng nitơ giảm xuống còn 13%. Việc pH và nồng độ FA tăng lên quá cao trong nhiều ngày đã làm cho hoạt tính của vi khuẩn anammox và AOB bị yếu. Do đó, nhóm quyết định vận hành mô hình ở tải trọng thấp hơn NLR = 0,29 kg N/m3.ngày với nước rỉ rác cũ được lấy lần hai ở bãi rác Gò Cát.
Ở tải trọng NLR = 0,29 kg N/m3.ngày, lưu lượng nước thải đầu vào là 3,5 lít/ngày ứng với HRT = 4,1 ngày, nước thải đầu vào có nồng độ ammonium và độ kiềm thấp hơn so với nước thải chạy ở hai tải trọng đầu, nồng độ ammonium dao động trong khoảng 945-1.400 mg/L và độ kiềm trong khoảng 3.100-4.800 mg CaCO3/L, pH của nước thải đầu vào > 8,4. Ở những tải trước, việc kiểm soát pH trong bể gặp khó khăn, pH trong bể và đầu ra cao do tốc độ tiêu thụ kiềm thấp, ammonium đầu ra cao, nhóm quyết định điều chỉnh pH đầu vào xuống khoảng 7,5-7,8 bằng dung dịch axit HCl loãng 7% để đảm bảo pH trong bể nằm trong khoảng 7,8-8,1 nhưng vẫn đảm bảo độ kiềm > 1.000 mg/
CaCO3/L. Trong những ngày đầu, hiệu suất xử lý ammonium thấp ở mức 17%, hiệu suất xử lý tổng nitơ ở mức 25%. Vào ngày thứ 219, mô hình vận hành gặp sự cố bơm nước thải đầu vào bị nghẹt, nhóm đã vệ sinh bơm ngay sau đó, hiệu suất xử lý ammonium của ngày sau đó có tăng lên đến 56%, tuy nhiên không đúng với thực tế vận hành. Những ngày sau đó, hiệu suất xử lý ammonium cũng chưa ổn định, tăng giảm trong khoảng 10- 25%, nồng độ nitrit đầu ra thấp trong khoảng 1-10 mg/L, nên chế độ thổi khí được tăng lên 2 phút chạy và 1 phút nghỉ. Vào ngày 241, nhóm bổ sung thêm 500 ml bùn hạt từ mô hình IC vào bể phản ứng. Tiếp tục theo dõi kết quả, đến ngày thứ 170, hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ đầu ra đều thấp, chỉ còn 8,5% và 11%. Thí nghiệm đánh giá hoạt tính sinh khối được thực hiện, kết thúc thời gian vận hành.
Việc vận hành mô hình ở tải trọng thấp để phục hồi hiệu quả xử lý của bể phản ứng CANON không đạt được kết quả là do một số nguyên nhân sau:
- Nồng độ sinh khối bị suy giảm, giảm dần sau khi gặp sự cố, đặc biệt khi vận hành ở tải trọng NLR = 0,94 kg N/m3.ngày MLSS trung bình khoảng 30.895 mg/L, đến
tải trọng NLR = 0,64 kg N/m3.ngày, MLSS trung bình giảm còn 14.616 mg/L. Điều này có thể do vi khuẩn sau khi bị ức chế thì suy giảm hoạt tính và đi vào chu kỳ phân rã.
- Thí nghiệm đánh giá hoạt tính ở cuối giai đoạn cho thấy hoạt tính của vi khuẩn anammox giảm thấp hơn ở giai đoạn đầu của tải trọng NLR = 0,94 kg N/m3.ngày từ 1,21 giảm còn 0,46 mg N2-N/mg VSS.giờ.
Hiệu quả xử lý trung bình của ammonium và tổng nitơ ở mỗi tải trọng được thể hiện như Hình 4.7.
Hình 4.7. Hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ trung bình ở mỗi tải trọng trong bể phản ứng tầng sôi CANON
Từ kết quả Hình 4.7 cho thấy, trong quá trình vận hành bể phản ứng tầng sôi CANON, ở tải trọng NLR = 0,94 kg N/m3.ngày đạt hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ cao nhất lần lượt là 47,4% và 43,9% so với hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ các tải trọng còn lại. Nguyên nhân do mô hình vận hành ở tải trọng NLR = 0,94 kg N/m3.ngày sau khi gặp sự cố FA cao >123 mg/L theo Gabarró và cộng sự (2012) và nồng độ nitrit trong bể tích lũy cao trên 100 mg/L đã gây ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn anammox và AOB, do đó khi vận hành ở các tải trọng thấp hơn hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ cũng không được cải thiện.
Hiệu suất xử lý ammonium và tổng nitơ ở tải trọng 0,64 và 0,29 kg N/m3.ngày lần lượt 22,6% và 17,6%; 17,3% và 17,5% đều thấp hơn khi so sánh với nghiên cứu của Hà (2018) ở tải trọng tương đương là 0,52 và 0,25 kg N/m3.ngày với hiệu quả xử lý
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
NLR = 0.94 kg N/m3.ngày NLR = 0.64 kg N/m3.ngày NLR = 0.29 kg N/m3.ngày
Hiệu suất xữ lý, %
Tải trọng, kg N/m3.ngày
%NH4+ %TN
47,4 ± 12,4
43,9 ± 13,8
22,6 ± 7,6
17,3 ± 11,0 17,5 ± 14,8 17,6 ± 6,2
ammonium và tổng nitơ lần lượt là 82% và 76%; 82% và 56%. Điều này chứng tỏ việc thích nghi trong bể phản ứng tầng sôi CANON gặp khó khăn đối với nước thải rỉ rác có nồng độ ammonium và pH cao so với bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn CANON trong nghiên cứu của Hà.