Đặt vấn đề Mặc dù nitơ là một nguyên tố quan trọng của sự sống nhưng nếu có một lượng lớn trong nguồn nước sẽ gây ra các vấn đề môi trường như hiện tượng phú nhưỡng hóa và dẫn tới gây độc cho các hệ sinh thái thủy sinh cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu sử dụng nguồn nước nhiễm nitơ này (bệnh Methemoglobin, ung thư). 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 lượng nitơ cao. Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế xã hội (các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ,.) đã phát sinh ra nhiều nguồn thải có chứa hàm lượng nitơ cao như các ngành công nghiệp chế biến thủy sản, nước thải chăn nuôi, nước rỉ rác, nước thải sau bể phân hủy bùn, thậm chí có những nguồn nước thải sinh hoạt đôi khi cũng chứa một hàm lượng nitơ không nhỏ. Bên cạnh đó, công nghệ sinh học xử lý nitơ truyền thống (Nitrate hóa – Khử nitrate) đã không cho thấy hết các ưu điểm, ngược lại còn bộc lộ nhiều khuyết điểm như: xử lý tốt đối với nước thải có hàm lượng nitơ thấp, đối với nước có hàm lượng nitơ cao thì chưa hiệu quả; cần bổ sung thêm nguồn cacbon, gây tốn kém chi phí, sinh khí độc.
Do đó, cần phải có công nghệ thỏa mãn cả hai vấn đề trên vừa xử lý được nước thải có hàm lượng nitơ cao vừa không cần bổ sung cacbon khi nước thải có COD thấp, tiết kiệm chi phí vận hành,. Điều đó rất phù hợp với lý thuyết kết hợp 2 quá trình nitrite hóa bán phần và quá trình anammox, rất ý nghĩa về mặc khoa học cũng như quan điểm phát triển bền vững đi đôi với bảo vệ môi trường (tạo khí nitơ – vô hại đối với môi trường) Nhưng trên thực tế thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu việc kết hợp này, ví dụ: Nhà máy xử lý nước thải Hattingen (Đức) có quy mô hoàn chỉnh (full-scale) đầu tiên ứng dụng quá trình Deammonification (tháng 4 năm 2001), sử dụng một bể phản ứng có giá thể di động (MBBR) cho hiệu quả xử lý Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong 2 HVTH: Võ Thanh Tùng lên đến 70-80% [1], một số nhà máy khác cũng đang vận hành như Strass (Áo), Glarnerland-Zurich (Thụy Sỹ), Rotterdam Dokhaven (Hà Lan), Himmerfjärden Grödinge (Thụy Điển) [1]. Vì vậy, tác giả tiếp tục nghiên cứu kết hợp 2 quá trình trên trong cùng 1 bể phản ứng, với hy vọng nó sẽ góp phần đưa lý thuyết của quá trình vào thực tiễn với công nghệ SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation) sử dụng các giá thể Biofix, nhằm giải quyết vấn đề xử lý nitơ nồng độ cao. Mặc khác, biện pháp xử lý chất thải rắn ở nước ta hiện nay chủ yếu là chôn lấp, cùng với điều kiện khí hậu nóng ẩm thuận lợi cho hoạt động vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ, đã sản sinh một lượng lớn nước rỉ rác (do phân hủy hữu cơ hoặc có thể do nước mưa xâm nhập) làm cho vấn đề xử lý nước rỉ rác khó khăn hơn về lưu lượng cũng như tính phức tạp của nó (đặc biệt là ammonia và các kim loại nặng).
Do đó cần có một công nghệ mới phù hợp hơn nhằm đảm bảo các yêu cầu kinh tế lẫn kỹ thuật cho vấn đề xử lý nước rỉ rác nói chung và xử lý nitơ nói riêng. Vì lẽ đó, đề tài “Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng mô hình SNAP với giá thể Biofix” được tiến hành, nhằm mang lại một giải pháp mới cho vấn đề xử lý nitơ trong nước rỉ rác. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng công nghệ SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation) sử dụng giá thể Biofix trong điều kiện ở Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào: Nước rỉ rác cũ bãi chôn lấp Gò Cát với nồng độ nitơ cao.
Mô hình SNAP được thiết kế phù hợp để tạo điều kiện cho quá trình xử lý. Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong 3 HVTH: Võ Thanh Tùng Sử dụng giá thể Biofix cho vi khuẩn nitrite hóa (AOB) và vi khuẩn Anammox dính bám phát triển. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm: Thích nghi hai nhóm vi khuẩn Anammox và AOB lên giá thể trong bể SNAP. Kiểm soát các yếu tố pH, DO, HRT nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho hiệu quả xử lý ở từng giai đoạn vận hành.
Tăng tải trọng nitơ để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ của mô hình. Ảnh hưởng HRT đối với mô hình SNAP. Phân tích vi sinh: xác định sự cùng tồn tại của hai nhóm vi khuẩn nuôi cấy ban đầu. Phương pháp nghiên cứu Tổng quan các tài liệu nghiên cứu về công nghệ xử lý nitơ ứng dụng quá trình SNAP ở trong và ngoài nước.
Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu (trình bày trong 3. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu (trình bày trong 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ở Việt Nam, việc ứng dụng quá trình Anammox vào xử lý nước thải có nồng độ nitơ cao còn rất hạn chế. Do đó kết quả nghiên cứu sẽ góp phần hiểu rõ hơn về khả năng thích nghi và hiệu quả xử lý nitơ của 2 nhóm vi khuẩn AOB và Anammox trong công nghệ SNAP đối với nước rỉ rác cũ có nồng độ nitơ cao trong điều kiện ở nước ta.
Từ đó tìm ra các điều kiện tốt nhất cho việc thiết kế, vận hành hệ thống xử lý nước rỉ rác cũ nói riêng và hệ thống xử lý nước thải có nồng độ nitơ cao nói chung (nước thải lò mổ gia súc – gia cầm, nước thải ngành chăn nuôi, nước thải các xí nghiệp chế biến thủy sản, nước thải nhà máy chế biến tinh bột sắn…) bằng công nghệ SNAP. Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong 4 HVTH: Võ Thanh Tùng 1. Tính mới của đề tài Xác định được khả năng ứng dụng của công nghệ SNAP cho việc xử lý nước rỉ rác cũ ở Việt Nam nói chung và ở Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, bước đầu cho việc nghiên cứu quy mô pilot – full scale. Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ ứng dụng quá trình Anammox này vẫn còn nghiên cứu một cách hạn chế và chưa được ứng dụng vào thực tế.
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong 5 HVTH: Võ Thanh Tùng Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Tổng quan về nguyên tố nitơ 2. Các trạng thái tồn tại của nitơ trong nước thải Sông, suối, nước mưa, nước thải có chứa nitrate và ammoniac Cố định đạm NO2 N2O N2 Khử nitrate hóa NO3 Thực vật phù du Vi khuẩn chức năng NO2 Động vật phù du Nitrate hóa Bài tiết Cá N2O NH4 Mảnh vụn yếm khí Bùn đáy Hình 2. Chu trình nitơ trong nước Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong 6 HVTH: Võ Thanh Tùng Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ hòa tan hay không hòa tan.
Các hợp chất vô cơ quan trọng của nitơ là N-NH3, N- , N- , N-. Chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá. Nitơ dạng khí có được chủ yếu là sự khuếch tán từ ngoài không khí vào hay còn có thể được hình thành trong quá trình phản nitrate hóa. Các dạng hợp chất vô cơ hòa tan có được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng albumine và dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ tiếp tục phân hủy thành ammoniac (N-NH3) và sau đó ammoniac sẽ hòa tan vào nước tạo ra ammonium N-.
Nitrite (N- ) là sản phẩm trung gian của quá trình oxy hoá amoniac hoặc nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrite hình thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter oxy hoá thành nitrate. Nitrite là hợp chất không bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử nitrate trong điều kiện yếm khí. Ngoài ra, nitrite còn có nguồn gốc từ nước thải quá trình công nghiệp điện hoá.
Trong trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nồng độ nitrite, nitrate thường rất thấp, nó thường nhỏ hơn 0,02 mg/L. Nếu nồng độ ammonium, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao, quá trình nitrite hoá diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn. Trong quá trình xử lý nước, nitrite trong nước sẽ tăng lên đột ngột. Nitrate (N- ) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá chất,.
chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrate hoá, tạo thành nitrate. Mặt khác, quá trình nitrate hoá còn tạo nên sự tích lũy oxy trong hợp chất nitơ để cho các quá trình oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hoà tan trong nước rất ít hoặc bị hết. Khi thiếu oxy và tồn tại nitrate sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách oxy khỏi nitrate và nitrite để sử dụng lại trong các quá trình oxy hoá các chất Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong 7 HVTH: Võ Thanh Tùng hữu cơ khác.
Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrate hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện). Trong điều kiện không có oxy tự do mà môi trường vẫn còn cacbon hữu cơ, một số loại vi khuẩn sẽ khử nitrate hoặc nitrite để lấy oxy cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình khử nitrate được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây: 4 + 4H+ + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O (2.1) Trong quá trình phản nitrate hoá, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O2 (khử nitrite) và 2,85g O2 (khử nitrate). Hầu hết đạm N- được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đó bị lắng tụ ở bùn đáy.
Đạm chứa trong tảo bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác. Hai quá trình yếm khí là cố định nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đó quá trình phản nitrate hầu như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sông hay đất ngập nước. Các chất đạm hữu cơ trong môi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật, động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hòa tan.
