Đặt vấn đề Mặc dù nitơ là một nguyên tố quan trọng của sự sống nhƣng nếu nitơ tồn tại một lƣợng lớn trong nguồn nƣớc sẽ gây ra các vấn đề môi trƣờng, cũng nhƣ vấn đề sức khỏe con ngƣời nhƣ: hiện tƣợng phú nhƣỡng hóa gây độc cho các hệ sinh thái thủy sinh, làm mất mỹ quang sông hồ, con ngƣời khi sử dụng nguồn nƣớc nhiễm nitơ này có thể mắc bệnh Methemoglobin, ung thƣ. Cho nên bên cạnh các quy định về thông số chất rắn lơ lửng (SS), chất thải hữu cơ (COD, BOD5) thì hiện nay các tiêu chuẩn quy định của các cơ quan quản lý đã quan tâm nhiều với các nguồn thải có chứa hàm lƣợng nitơ cao. Theo QCVN40:2011 thì lƣợng NH4+-N không lớn hơn 5mg/L với nguồn loại A. Các công nghệ sinh học xử lý nitơ truyền thống chủ yếu dựa trên nguyên lý nitrat hóa - khử nitrat, tuy nhiên hiệu quả của quá trình này không ổn định và chi phí vận hành tốn kém (tiêu thụ nhiều năng lƣợng, cần bổ sung cơ chất cho quá trình) nên cũng chƣa phải là tối ƣu đối với con đƣờng tìm kiếm giải pháp xử lý nitơ.
Năm 1995, các nhà khoa học đã khám phá ra một quá trình sinh học với sự chuyển hóa nitơ mới, đó là quá trình oxy hóa kị khí amoni, viết tắt là ANAMMOX, (ANaerobic AMMonium OXidation). Sự phát hiện quá trình ANAMMOX đã mở ra các kỹ thuật mới xử lý nitơ, đặc biệt là đối với các nƣớc thải có hàm lƣợng nitơ cao và chất hữu cơ thấp (nhƣ là nƣớc rỉ rác lâu năm, nƣớc thải sau bể biogas…). Và kết quả là trong vòng 2 thập niên qua, đã bùng nổ các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến quá trình này. Có thể kể đến sự kết hợp quá trình nitrit hóa/nitrit hóa bán phần với quá trình anammox trong hai hệ thống, nhƣ SHARON (Single Reactor system for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite), ANAMMOX, SHARON-ANAMMOX, hay sự kết hợp trong cùng một hệ thống, nhƣ OLAND (Oxygen Limited Autotrophic Nitrification- Denitrification), CANON (Completely Autotrophic N-removal Over Nitrite), SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation), DEMON” (DEnitrifying AMmonium Oxidation) hoặc kết hợp quá trình khử nitrat với quá trình anammox, nhƣ DENAMMOX…Các kỹ thuật mới này có 1 Luận văn thạc sĩ Trần Hoàng Duy hiệu quả cao và giải quyết đƣợc các nhƣợc điểm của công nghệ sinh học xử lý nitơ truyền thống.
Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu và ứng dụng quá trình Anammox ở Việt Nam hiện nay còn hạn chế hoặc chỉ dừng ở quá trình Anammox riêng lẻ. Bên cạnh đó, việc đánh giá hiệu quả của các loại giá thể cũng chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Chính vì thế, nhằm tìm hiểu và đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ SNAP để xử lý nƣớc thải có hàm lƣợng amoni cao, chúng tôi thực hiện đề tài “ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG MÔ HÌNH SNAP SỬ DỤNG GIÁ THỂ ACRYLIC FIBER ”.2 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ nồng độ cao trong nƣớc thải của mô hình SNAP sử dụng giá thể bám dính Acrylic Fiber (Nhật Bản). Khắc phục những nhƣợc điểm của các nghiên cứu SNAP khác đã thực hiện với hiệu suất xử lý nittơ không cao.3 Đối tƣợng nghiên cứu - Nƣớc thải nhân tạo có nồng độ Amoni cao nhƣng lại có nồng độ thấp về COD, BOD - Giá thể sinh học Arcylic Fiber (Nhật Bản).4 Nội dung nghiên cứu Để thực hiện đƣợc mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài bao gồm những nội dung sau: - Thiết kế mô hình SNAP quy mô phòng thí nghiệm (lab-scale) - Tạo điều kiện thích hợp (DO, pH) cho giai đoạn nitrat hóa bán phần và anammox để đạt đƣợc quá trình khử nitơ trong cùng một bể phản ứng.
- Tăng tải trọng nitơ theo thời gian và đánh giá hiệu quả xử lý mô hình.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp tổng quan, kế thừa: Tổng hợp, thu thập có chọn lọc, tham khảo các tài liệu trong và ngoài nƣớc có liên quan đến đề tài. - Phƣơng pháp mô hình thực nghiệm: Thiết kế mô hình thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm để thực hiện nghiên cứu. 2 Luận văn thạc sĩ Trần Hoàng Duy - Phƣơng pháp lấy mẫu, phân tích mẫu: Sử dụng các phƣơng pháp phân tích mẫu hay lấy mẫu cho nghiên cứu theo các quy định của phòng thí nghiệm. - Phƣơng pháp thống kê, phân tích, so sánh: Sử dụng trong phân tích số liệu của nghiên cứu, tài liệu thu thập đƣợc để so sánh với các quy định của cơ quan quản lý.6 Ý nghĩa khoa học & thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của mô hình là cơ sở lý thuyết để đánh giá khả năng thích nghi, sinh trƣởng và phát triển của nhóm vi khuẩn Nitrit hóa và Anammox trong môi trƣờng nƣớc thải nhân tạo, tạo cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn các yếu tố, thành phần ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý nitơ nhằm tạo tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ SNAP để loại bỏ nitơ trong các loại nƣớc thải khác nhau.
- Ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nƣớc thải chứa hàm lƣợng Ammoni nồng độ cao đã và đang đƣợc nghiên cứu nhiều trên thế giới. Tuy nhiên, tại Việt Nam các nghiên cứu liên quan đến quá trình này còn rất hạn chế, do đó kết quả của nghiên cứu này sẽ cung cấp một phần thông tin về khả năng thích nghi và hiệu quả xử lý của nhóm vi khuẩn anammox cùng với nhóm vi khuẩn nitrit hóa bán phần trong cùng một bể phản ứng. Bên cạnh đó, nghiên cứu là cơ sở ban đầu có thể ứng dụng trong thực tế nhằm xử lý một số loại nƣớc thải chứa nồng độ Ammoni cao nhƣ nƣớc rỉ rác đã qua xử lý chất hữu cơ hoặc nƣớc rỉ rác lâu năm, nƣớc thải lò mổ gia súc & gia cầm, nƣớc thải ngành chăn nuôi, nƣớc thải các xí nghiệp chế biến thủy sản, nƣớc thải nhà máy chế biến tinh bột sắn… 1.7 Tính mới của đề tài Mặc dù các nghiên cứu và ứng dụng quá trình này trên thế giới khá nhiều. Tuy nhiên, tại Việt Nam việc nghiên cứu vể nó vẫn còn hạn chế và nên tiếp tục đƣợc nghiên cứu.
Mô hình nghiên cứu có khả năng tạo đƣợc bùn hạt với kích thƣớc hạt lớn. 3 Luận văn thạc sĩ Trần Hoàng Duy CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Nguyên tố nitơ 2. Chu trình nitơ trong tự nhiên Nguyên tố nitơ là thành phần có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong thành phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa. Đồng thời nó cũng tồn tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên [1].
Nguyên tố nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N-3) là amoni đến dạng oxy hóa sâu (N+5) là nitrat.1 trình bày các trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ và hợp chất hóa học đại diện cho trạng thái hóa trị đó.1: Trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ trong hợp chất hóa học [1] Hợp chất Công thức hóa học Hóa trị Amoni/Amoniac NH4+/NH3 -3 Khí Nitơ N2 0 Dinitơ oxyt N2 O +1 Nitơ oxyt NO +2 Nitrit NO2--N +3 Nitơ dioxyt NO2 +4 Nitrat NO3--N +5 Trong môi trƣờng nƣớc tự nhiên, các hợp chất amoni, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, khí nitơ, nitrat, nitrit có nồng độ không đáng kể, tuy vậy chúng là nguồn nitơ cho phần lớn sinh vật. Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hóa năng lƣợng. Trong các quá trình đó, hợp chất nitơ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác, quá trình đó đƣợc gọi là chu trình nitơ. 4 Luận văn thạc sĩ Trần Hoàng Duy Chu trình nitơ là một quá trình mà nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học của nó.
Việc biến đổi này đƣợc tiến hành bởi cả hai quá trình sinh học và phi sinh học. Quá trình quan trọng trong chu trình nitơ bao gồm sự cố định nitơ (đạm), đồng hóa, khoáng hóa, nitrat hóa, khử nitrat và oxy hóa kỵ khí amoni (Hình 2.1: Chu trình nitơ trong tự nhiên [20] Quá trình cố định nitơ/đạm (Nitrogen fixation): Là sự chuyển đổi dạng N2 thành dạng hữu cơ mà sinh vật sử dụng đƣợc. Một lƣợng nhỏ đƣợc cố định nhờ sấm chớp, cháy rừng hay các hoạt động của con ngƣời (bón phân chứa nhiều đạm, đốt các nhiên liệu hóa thạch…) [20]. Quá trình amoni hóa hay khoáng hóa (Ammonification): Khi thực vật hoặc động vật chết đi thì dạng ban đầu của nitơ là chất hữu cơ.
Vi khuẩn 5 Luận văn thạc sĩ Trần Hoàng Duy hoặc nấm, trong một số trƣờng hợp, chuyển đổi nitơ trong xác của chúng thành amoni [20]. Quá trình nitrat hóa (Nitrification): Quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat đƣợc tiến hành bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác (Nitrosomonas và Nitrobacter) [20]. Quá trình khử nitrat (Denitrification): Là sự khử nitrat thành khí nitơ (N2), hoàn tất chu trình nitơ. Quá trình này xảy ra nhờ các loại vi khuẩn nhƣ Pseudomonas và Clostridium trong môi trƣờng kỵ khí [25].
Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox): Là quá trình mới đƣợc phát hiện từ năm 1995. Trong quá trình này, nitrit và amoni bị biến đổi trực tiếp thành khí nitơ nhờ vi khuẩn anammox trong điều kiện không có mặt oxy [20]. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nƣớc thải Tƣơng tự nhƣ trong môi trƣờng tự nhiên trong nƣớc thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dƣới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat). Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành phần phân huỷ protein nhƣ là các peptid, axit amin, urê.
Amoniac (NH3) chính là lƣợng nitơ amôn (NH4+) trong nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nƣớc thải khác có thể rất cao. Nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của quá trình ôxy hoá amoniac hoặc nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrit hình thành tiếp tục đƣợc vi khuẩn Nitrobacter ôxy hoá thành nitrat. Các quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I: (2.1) Trong đó: kn và km là các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá.
6 Luận văn thạc sĩ Trần Hoàng Duy Các phƣơng trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá đƣợc biểu diễn nhƣ sau: (2.4) Quá trình nitrat hoá cần 4,57g ôxy cho 1g nitơ amôn. Các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện nhiệt độ từ 2030oC.
