Luận văn thạc sĩ công nghệ môi trường đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng mô hình snap với giá thể biofix

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ môi trường đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng mô hình snap với giá, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Võ Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường
• Đề tài: Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng mô hình SNAP với giá thể Biofix
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.6. Tính mới của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Tổng quan về nguyên tố nitơ
• 2.1.1. Các trạng thái tồn tại của nitơ trong nước thải
• 2.1.2. Nguồn phát sinh nitơ
• 2.1.2.1. Nguồn nước thải sinh hoạt
• 2.1.2.2. Nguồn nước thải công nghiệp
• 2.1.2.3. Nguồn thải từ nông nghiệp và chăn nuôi
• 2.1.3. Tác hại của nitơ đối với con người và môi trường
• 2.2. Các phương pháp sinh học xử lý nitơ
• 2.2.1. Phương pháp sinh học xử lý nitơ truyền thống
• 2.2.2. Công nghệ dựa trên quá trình nitrite hóa – khử nitrite
• 2.2.3. Công nghệ dựa trên quá trình anammox
• 2.3. Tổng quan về nước rỉ rác
• 2.3.1. Quá trình hình thành nước rỉ rác
• 2.3.2. Thành phần và tính chất nước rỉ rác
• 2.3.3. Phương pháp xử lý nước rỉ rác
• 2.3.4. Hiện trạng xử lý nước rỉ rác tại Việt Nam
• 2.3.4.1. Xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp (BCL) Nam Sơn (Hà Nội)
• 2.3.4.2. Xử lý nước rỉ rác BCL Gò Cát (Tp. Hồ Chí Minh)
• 2.4. Công nghệ SNAP
• 2.4.1. Cơ chế phản ứng
• 2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ SNAP
• 2.4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 2.4.2.2. Ảnh hưởng của pH
• 2.4.2.3. Ảnh hưởng của DO
• 2.4.2.4. Ảnh hưởng của COD
• 2.4.2.5. Ảnh hưởng tỷ lệ N-NH4/N-NO2
• 2.4.2.6. Chỉ số FA, FNA
• 2.4.2.7. Các yếu tố khác
• 2.4.3. Các giá thể sử dụng cho mô hình SNAP
• 2.4.4. Một số nghiên cứu về SNAP trên thế giới và Việt Nam
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Mô hình thí nghiệm
• 3.1.1. Nguyên tắc hoạt động
• 3.1.2. Các thông số mô hình
• 3.2. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2.1. Giá thể sinh học
• 3.2.2. Vi khuẩn/ bùn nuôi cấy ban đầu
• 3.3. Điều kiện vận hành
• 3.3.1. Giai đoạn khởi động mô hình
• 3.3.2. Giai đoạn khảo sát chính
• 3.3.2.1. Giai đoạn khảo sát hiệu quả xử lý của mô hình qua các tải trọng
• 3.3.2.2. Khảo sát thông số vận hành HRT đến hiệu quả xử lý của mô hình SNAP
• 3.4. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
• 3.5. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 4.1. Giai đoạn khởi động mô hình
• 4.2. Giai đoạn khảo sát chính
• 4.2.1. Các thông số cần kiểm soát trong bể phản ứng SNAP
• 4.2.2. Hiệu suất chuyển hoá nitơ ammonium (ACE) và loại bỏ nitơ (NRE)
• 4.2.3. Các hợp chất nitơ trong dòng ra
• 4.2.4. Hiệu quả xử lý COD
• 4.2.5. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước (HRT)
• 4.3. Đánh giá sinh khối (bùn) tạo thành
• 4.3.1. Hình thái bùn
• 4.3.2. Xác định sinh khối bùn
• 4.4. Phân tích vi sinh học
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1 - KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PCR – ANAMMOX
• PHỤ LỤC 2 - KẾT QUẢ PHÂN TÍCH
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị là một nguồn ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt với hàm lượng nitơ ammonium cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng mô hình SNAP kết hợp với giá thể Biofix. Công nghệ SNAP, với khả năng loại bỏ nitơ hiệu quả thông qua quá trình nitrite hóa và anammox, được xem là giải pháp tiềm năng cho vấn đề này. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm việc thiết kế mô hình xử lý nitơ và khảo sát khả năng loại bỏ nitơ ở các tải trọng khác nhau.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng công nghệ xử lý nitơ truyền thống thường không hiệu quả với nước thải có hàm lượng nitơ cao. Công nghệ SNAP được phát triển để khắc phục những hạn chế này. Nghiên cứu này sẽ khảo sát khả năng loại bỏ nitơ từ nước rỉ rác cũ, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho việc ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thiết kế mô hình thí nghiệm với các thông số vận hành được kiểm soát chặt chẽ. Mô hình SNAP sử dụng giá thể Biofix để tạo điều kiện cho sự phát triển của vi khuẩn nitrite hóa và anammox. Các yếu tố như pH, DO, và HRT được điều chỉnh nhằm tối ưu hóa hiệu suất xử lý nitơ. Nghiên cứu cũng sẽ thực hiện phân tích vi sinh học để xác định sự hiện diện của các chủng vi khuẩn có khả năng xử lý nitơ.

2.1. Thiết lập mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm được thiết lập với 7 tải trọng nitơ khác nhau, từ 0,2 đến 1,4 kg-N/m3.ngày. Các thông số vận hành như DO, HRT và pH được kiểm soát để đảm bảo điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý. Việc sử dụng giá thể Biofix có vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng bám dính của vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nitơ.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả loại bỏ nitơ đạt tối đa 98% ở tải trọng 1. Các thông số sinh khối cũng được đánh giá, cho thấy lượng sinh khối tạo ra là 17,93 g-SS/L thể tích bể. Sự xuất hiện của nhóm vi khuẩn khử nitrate và quá trình khử nitrate thông qua sự hụt giảm nitrate trong dòng ra cũng được ghi nhận. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ SNAP có khả năng xử lý nitơ hiệu quả trong điều kiện nước rỉ rác cũ.

3.1. Hiệu suất xử lý

Hiệu suất loại bỏ nitơ ổn định ở giai đoạn cuối cho thấy tiềm năng ứng dụng công nghệ SNAP trong thực tiễn. Các chỉ số như tỉ số tạo bùn và hiệu suất chuyển hóa ammonium cũng được phân tích, cho thấy sự hiệu quả trong việc xử lý nước rỉ rác cũ. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải tại Việt Nam.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng công nghệ SNAP sử dụng giá thể Biofix có khả năng xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ một cách hiệu quả. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quy trình và đánh giá khả năng áp dụng công nghệ này trong các điều kiện thực tế khác nhau. Việc phát triển và ứng dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu về sự tương tác giữa các loại vi khuẩn trong mô hình SNAP và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu suất xử lý. Bên cạnh đó, việc mở rộng quy mô nghiên cứu và thử nghiệm trong thực tế cũng là điều cần thiết để đánh giá tính khả thi của công nghệ này trong xử lý nước rỉ rác tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị lâu năm đang là một trong những nguồn ô nhiễm phức tạp nhất đối với môi trường nước mặt và nước ngầm tại Việt Nam. Tại bãi chôn lấp Gò Cát (Thành phố Hồ Chí Minh), nồng độ nitơ ammonium ($N-NH_4^+$) ghi nhận ở mức rất cao, trung bình đạt 3.449 ± 233 mg/L, trong khi tỷ lệ $BOD_5/COD$ chỉ xấp xỉ 0,018 và tỷ lệ $BOD_5/TKN$ đạt 0,013. Nguồn thải này đặc trưng bởi hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cực thấp nhưng tải lượng nitơ vô cơ lại vượt chuẩn xả thải hàng trăm lần.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự kém hiệu quả và chi phí tốn kém của quy trình nitrate hóa – khử nitrate truyền thống. Công nghệ cũ đòi hỏi chi phí sục khí lớn và bắt buộc phải bổ sung nguồn carbon hữu cơ ngoại sinh đắt đỏ như methanol với định mức khoảng 3,7 g-COD/g-N. Để giải quyết triệt để bài toán này, đề tài tập trung vào mục tiêu thiết kế và đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng công nghệ SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation) kết hợp giá thể Biofix làm từ sợi acrylic.

Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành liên tục trong 10 tháng tại Thành phố Hồ Chí Minh, khảo sát trên 7 dải tải trọng nitơ tăng dần từ 0,2 đến 1,4 kg-N/$m^3$.ngày, tương ứng nồng độ ammonium đầu vào từ 100 đến 700 mg-N/L. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, công nghệ SNAP mở ra giải pháp đột phá giúp giảm đến 57,5% nhu cầu tiêu thụ oxy hòa tan và cắt giảm hoàn toàn 100% nhu cầu bổ sung nguồn carbon bên ngoài, hỗ trợ các đô thị tối ưu hóa chi phí vận hành trạm xử lý nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết kết hợp giữa hai quá trình sinh hóa tự dưỡng: quá trình nitrite hóa bán phần (Partial Nitritation) và quá trình oxy hóa ammonium kỵ khí (Anammox) cùng diễn ra trong một bể phản ứng đơn công đoạn.

Cơ chế sinh học được thiết lập dựa trên sự cộng sinh phân tầng trong lớp màng sinh học (biofilm):

• Ở lớp ngoài giàu oxy, vi khuẩn oxy hóa ammonium hiếu khí (Ammonia Oxidizing Bacteria - AOB, điển hình là Nitrosomonas) chuyển hóa khoảng 50% lượng $N-NH_4^+$ thành $N-NO_2^-$ theo phản ứng: $$NH_4^+ + 1,5 O_2 \rightarrow NO_2^- + H_2O + 2H^+$$
• Lớp vi khuẩn bên ngoài tiêu thụ oxy hòa tan, tạo môi trường yếm khí ở lớp màng bên trong cho vi khuẩn Anammox (Planctomycetales) chuyển hóa lượng $NH_4^+$ còn lại cùng $NO_2^-$ vừa sinh ra thành khí nitơ ($N_2$) tự do: $$NH_4^+ + 1,32 NO_2^- + 0,066 HCO_3^- + 0,13 H^+ \rightarrow 1,02 N_2 + 0,26 NO_3^- + 0,066 CH_2O_{0,5}N_{0,15} + 2,03 H_2O$$

Bốn khái niệm then chốt chi phối hệ thống bao gồm:

1. Hiệu suất chuyển hóa ammonium (ACE - Ammonium Conversion Efficiency).
2. Hiệu suất khử nitơ tổng (NRE - Nitrogen Removal Efficiency).
3. Nồng độ ammonia tự do (FA - Free Ammonia), duy trì ngưỡng 10 – 150 mg/L để ức chế chọn lọc vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB).
4. Nồng độ axit nitrous tự do (FNA - Free Nitrous Acid), kiểm soát dưới ngưỡng 0,2 mg/L nhằm bảo vệ hoạt tính của vi khuẩn Anammox.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ nguồn nước rỉ rác lưu cữu tại bãi chôn lấp Gò Cát. Cỡ mẫu nghiên cứu được thực hiện với 3 mẫu lặp lại (n=3) cho mỗi đợt phân tích tính chất hóa lý đầu vào và lấy mẫu phân tích định kỳ 2 ngày/lần trong suốt chu kỳ vận hành 300 ngày qua 7 giai đoạn tải trọng.

Phương pháp chọn mẫu là phương pháp lấy mẫu tổ hợp ngẫu nhiên theo các mốc thời gian đại diện cho mùa khô và mùa mưa để phản ánh đúng biến động chất lượng nước rỉ rác thực tế.

Các chỉ tiêu hóa lý như $NH_4^+$, $NO_2^-$, $NO_3^-$, COD, SS và VSS được xác định theo phương pháp tiêu chuẩn Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA). Lý do lựa chọn hệ thống phân tích hóa lý tiêu chuẩn kết hợp đo quang phổ là nhằm đảm bảo độ chính xác cao đối với các mẫu nước nền có độ màu và độ cứng cao (độ cứng tổng đạt 15.567 ± 25 mg-$CaCO_3$/L).

Đặc biệt, phương pháp sinh học phân tử PCR (Polymerase Chain Reaction) khuếch đại vùng gen 16S rDNA được lựa chọn để định danh chính xác sự hiện diện và mức độ thích nghi của các chủng vi khuẩn Anammox chuyên biệt bám dính trên bề mặt giá thể Biofix.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình vận hành mô hình SNAP với giá thể Biofix ghi nhận các kết quả nổi bật qua 7 giai đoạn tải trọng:

1. Hiệu suất chuyển hóa và loại bỏ nitơ ấn tượng: Hiệu suất chuyển hóa ammonium (ACE) đạt cực đại 98% và hiệu suất khử nitơ tổng (NRE) đạt đỉnh 87% ở tải trọng nitơ 1,0 kg-N/$m^3$.ngày. Khi nâng tải trọng lên mức tối đa 1,4 kg-N/$m^3$.ngày, hệ thống vẫn duy trì khả năng loại bỏ nitơ ổn định ở mức 756,13 mg-N/g-SS.ngày.
2. Sự hình thành và tích lũy sinh khối vượt trội trên giá thể Biofix: Lượng sinh khối vi sinh bám dính trên sợi acrylic đạt 1,747 g-SS/g-giá thể (tương đương 1,715 g-VSS/g-giá thể). Tổng lượng bùn sinh khối trong bể đạt mức 17,93 g-SS/L thể tích bể (16,20 g-VSS/L), chứng minh giá thể Biofix có khả năng lưu giữ sinh khối tự dưỡng tốc độ sinh trưởng chậm rất hiệu quả.
3. Tỷ số tạo bùn cực thấp: Tỷ lệ sản sinh bùn dư của hệ thống chỉ đạt 0,198 g-SS/g-$NH_4^+$ bị loại bỏ, tương đương tốc độ phát sinh 358,6 mg-SS/ngày (291,7 mg-VSS/ngày). Lượng bùn này thấp hơn khoảng 70% – 80% so với quy trình bùn hoạt tính hiếu khí thông thường.
4. Khả năng xử lý COD đồng thời và nhận diện chủng vi sinh: Mặc dù là hệ thống tự dưỡng, hiệu suất khử COD vẫn đạt xấp xỉ 30% ở giai đoạn tải cao nhất nhờ sự tham gia của vi khuẩn khử nitrate dị dưỡng tồn tại cộng sinh. Phân tích PCR xác nhận sự hiện diện vững chắc của các chủng vi khuẩn Anammox có độ tương đồng cao với các chủng KOLL2a, KU1 và KU2.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý nitơ vượt trội của mô hình SNAP được giải thích thông qua cấu trúc phân tầng vi sinh trên sợi giá thể Biofix. Cấu trúc sợi mịn tạo diện tích tiếp xúc lớn, giúp vi khuẩn AOB tạo thành lớp màng chắn tiêu thụ oxy ở bề mặt ngoài, duy trì nồng độ oxy hòa tan (DO) trong khoảng 1,0 – 5,4 mg/L ở pha lỏng nhưng hình thành vùng kỵ khí cục bộ sâu bên trong giá thể. Điều này cho phép vi khuẩn Anammox phát triển thuận lợi mà không bị ức chế bởi DO.

Khi thảo luận về diễn biến các thông số công nghệ, toàn bộ chuỗi dữ liệu vận hành nên được biểu diễn thông qua biểu đồ đường đa trục để làm rõ mối tương quan giữa nồng độ DO, pH (dao động từ 7,5 đến 7,8) với biến thiên hiệu suất ACE và NRE qua 7 mốc tải trọng. Biểu đồ cột phân tầng cũng là công cụ trực quan hiệu quả để minh họa tỷ lệ chuyển hóa các hợp chất nitơ trong dòng ra, làm rõ sự sụt giảm nồng độ $NO_3^-$ phát sinh so với lý thuyết (chỉ chiếm khoảng 10% nitơ đầu vào).

So với nghiên cứu của các tác giả quốc tế trên mô hình Sharon-Anammox hai bể hoặc mô hình MBBR, công nghệ SNAP một bể đơn giúp rút ngắn thời gian lưu thủy lực (HRT = 12 giờ), tiết kiệm 57,5% năng lượng sục khí và giảm 100% chi phí hóa chất bổ sung carbon hữu cơ, mang lại tiềm năng ứng dụng rất cao cho các bãi rác đô thị.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao và ứng dụng công nghệ SNAP vào thực tế:

1. Thiết lập hệ thống kiểm soát oxy hòa tan tự động: Tích hợp đầu dò DO online kết hợp biến tần điều khiển máy thổi khí để duy trì dải DO ổn định từ 1,0 đến 1,5 mg/L tại vùng nước ráo, nhằm giữ hiệu suất NRE ổn định trên 85%. Thời gian triển khai tối ưu hóa trong vòng 3 tháng đầu vận hành. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư công nghệ môi trường tại các trạm xử lý nước thải.
2. Quy chuẩn hóa mật độ lắp đặt giá thể Biofix: Thiết kế mật độ lắp đặt khung giá thể Biofix sợi acrylic đạt tỷ lệ thể tích chiếm chỗ 30% – 40% thể tích bể để đảm bảo mật độ vi sinh bám dính đạt trên 1,7 g-VSS/g-giá thể trong vòng 6 tháng nuôi cấy thích nghi. Chủ thể thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế và chế tạo thiết bị môi trường.
3. Mở rộng mô hình thử nghiệm quy mô pilot liên tục: Xây dựng trạm pilot công suất 5 – 10 $m^3$/ngày với thời gian lưu nước HRT 12 giờ trực tiếp tại bãi rác Gò Cát hoặc Nam Sơn trong lộ trình 12 tháng để đánh giá độ bền của màng sinh học trước biến động tải lượng mùa mưa. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý các Khu liên hợp Xử lý Chất thải phối hợp cùng các viện nghiên cứu.
4. Kiểm soát các chỉ số ức chế FA và FNA: Định kỳ giám sát pH trong ngưỡng 7,5 – 7,8 nhằm khống chế nồng độ FA dưới 150 mg/L và FNA dưới 0,2 mg/L, ngăn ngừa hiện tượng sốc tải làm suy giảm mật độ vi khuẩn Anammox trong suốt chu kỳ 365 ngày vận hành. Chủ thể thực hiện: Kỹ thuật viên phân tích phòng thí nghiệm tại nhà máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế công nghệ xử lý nước thải: Tiếp cận bộ thông số vận hành chi tiết bao gồm tải trọng nitơ (0,2 – 1,4 kg-N/$m^3$.ngày), nồng độ DO, pH và định mức giá thể Biofix để ứng dụng tính toán thiết kế các công trình xử lý nước rỉ rác cũ, nước thải chế biến mủ cao su hoặc nước thải chăn nuôi heo quy mô lớn.
• Đơn vị quản lý và vận hành bãi chôn lấp chất thải rắn: Nắm bắt giải pháp cải tạo các hệ sinh thái xử lý nước rỉ rác hiện hữu, cắt giảm 100% chi phí mua hóa chất carbon bổ sung cho các dòng thải có tỷ lệ $BOD_5/COD$ dưới 0,02.
• Học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật và Quản lý Môi trường: Tham khảo quy trình nuôi cấy thích nghi bùn vi sinh, phương pháp đánh giá động học sinh khối bám dính và ứng dụng kỹ thuật PCR khuếch đại gen 16S rDNA trong nghiên cứu vi sinh vật tự dưỡng.
• Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm làm cơ sở khoa học để ban hành các hướng dẫn kỹ thuật áp dụng công nghệ xử lý nitơ tiên tiến, ít phát thải khí nhà kính (giảm thiểu khí $N_2O$ và giảm 90% lượng $CO_2$ phát sinh) hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ SNAP vượt trội hơn phương pháp nitrate hóa truyền thống ở điểm nào? Công nghệ SNAP kết hợp quá trình nitrite hóa bán phần và Anammox trong cùng 1 bể phản ứng, giúp tiết kiệm 57,5% lượng oxy hòa tan cần cấp và không cần bổ sung nguồn carbon hữu cơ ngoại sinh. Trong khi đó, phương pháp truyền thống tiêu tốn 4,57 g-$O_2$/g-N và cần 3,7 g-COD/g-N để khử nitrate hóa hoàn toàn.

2. Giá thể Biofix dạng sợi acrylic đóng vai trò gì trong hệ thống? Giá thể Biofix đóng vai trò làm giá đỡ cho sinh khối bám dính, giúp giữ lại vi khuẩn Anammox có tốc độ nhân đôi chậm (khoảng 10,6 ngày). Lớp màng sinh học bám dính đạt mật độ 1,747 g-SS/g-giá thể, tạo cấu trúc phân tầng vi sinh giúp bảo vệ vi khuẩn kỵ khí bên trong khỏi tác động của nồng độ DO bên ngoài.

3. Tại sao cần kiểm soát nồng độ oxy hòa tan (DO) trong dải 1,0 – 5,4 mg/L? Việc duy trì nồng độ DO phù hợp nhằm cung cấp đủ oxy cho vi khuẩn AOB (Nitrosomonas) oxy hóa 50% ammonium thành nitrite ở lớp ngoài màng sinh học, đồng thời không để lượng oxy dư thừa khuếch tán sâu vào bên trong gây ức chế hoạt tính khử nitơ của vi khuẩn Anammox kỵ khí.

4. Tỷ lệ phát sinh bùn thải của mô hình SNAP thấp như thế nào? Tỷ số tạo bùn của mô hình SNAP chỉ đạt 0,198 g-SS/g-$NH_4^+$ bị loại bỏ, tương ứng lượng bùn sinh ra khoảng 358,6 mg-SS/ngày ở giai đoạn tải cao nhất. Tỷ lệ này thấp hơn từ 3 đến 4 lần so với các hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí thông thường, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí xử lý bùn thải.

5. Các chủng vi khuẩn Anammox nào đã được định danh trong nghiên cứu? Thông qua kỹ thuật sinh học phân tử PCR phân tích vùng gen 16S rDNA, nghiên cứu đã xác định sự tồn tại và phát triển ổn định của các chủng vi khuẩn Anammox thuộc bộ Planctomycetales, có độ tương đồng di truyền cao với các chủng chuẩn quốc tế gồm KOLL2a, KU1 và KU2 trên màng sinh học Biofix.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả cao của công nghệ SNAP kết hợp giá thể Biofix trong xử lý nitơ nồng độ cao đối với nước rỉ rác cũ bãi rác Gò Cát.
• Hiệu suất chuyển hóa ammonium (ACE) đạt cực đại 98% và hiệu suất khử nitơ tổng (NRE) đạt 87% tại tải trọng 1,0 kg-N/$m^3$.ngày, giữ ổn định khả năng khử nitơ 756,13 mg-N/g-SS.ngày ở tải 1,4 kg-N/$m^3$.ngày.
• Đạt được khả năng tích lũy sinh khối cao trên giá thể sợi acrylic với 1,747 g-SS/g-giá thể, đồng thời giảm hệ số phát sinh bùn dư xuống mức chỉ 0,198 g-SS/g-$NH_4^+$ loại bỏ.
• Cắt giảm 57,5% nhu cầu cấp khí và 100% nhu cầu bổ sung cơ chất carbon, giải quyết triệt để rào cản chi phí vận hành cho các trạm xử lý nước rỉ rác có tỷ lệ $BOD_5/COD$ thấp (0,018).
• Lộ trình 12 – 24 tháng tới cần tiếp tục mở rộng thử nghiệm mô hình pilot liên tục tại các bãi chôn lấp thực tế nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ và thúc đẩy chuyển giao kỹ thuật xử lý nước thải tiên tiến tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.