Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu công nghệ SBR sử dụng bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải đô thị" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Văn Doanh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Thị Việt Nga và PGS. Nguyễn Thị Ngọc Dung tại Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội (năm 2022), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ sở Hạ tầng (Mã số: 62.10).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Xử lý nước thải đô thị đóng vai trò thiết yếu đối với sự phát triển bền vững của môi trường sống. Tuy nhiên, tính đến thời điểm nghiên cứu, tại Việt Nam mới chỉ có khoảng 10% ÷ 15% lượng nước thải đô thị được thu gom và xử lý tập trung. Hệ thống thoát nước tại hầu hết các đô thị Việt Nam là hệ thống thoát nước chung, tiếp nhận đồng thời nước thải sinh hoạt, nước mưa và nước ngầm xâm nhập. Thực trạng này dẫn đến các chỉ tiêu chất lượng nước thải đầu vào thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải (XLNT) như COD, BOD₅, T-P thấp hơn nhiều so với giá trị thiết kế (chỉ đạt tương ứng khoảng 46%, 51% và 66%), trong khi chỉ tiêu T-N lại ở mức cao tương đương thiết kế (đạt khoảng 97%). Sự chênh lệch này khiến tỷ lệ BOD₅:T-N trong vận hành thực tế chỉ bằng 48% so với tính toán thiết kế ban đầu, gây khó khăn cho việc vận hành các công nghệ bùn hoạt tính truyền thống.

Trong số các công nghệ sinh học đang được áp dụng tại Việt Nam, công nghệ bể phản ứng theo mẻ (SBR - Sequencing Batch Reactor) chiếm tỷ lệ công suất lớn nhất (khoảng 43,81%). Mặc dù công nghệ SBR sở hữu các đặc tính như tích hợp các pha phản ứng và lắng trong cùng một công trình, tiết kiệm quỹ đất và có khả năng chịu sốc tải, nhưng các hệ thống SBR truyền thống vận hành với bùn hoạt tính thông thường tại Việt Nam thường đạt hiệu quả chưa tối ưu do nồng độ cơ chất hữu cơ trong nước thải đô thị quá loãng.

Bùn hạt hiếu khí (Aerobic Granular Sludge - AGS) đã được nghiên cứu trên thế giới với các ưu điểm: mật độ sinh khối cao, cấu trúc hạt đặc chắc, tốc độ lắng nhanh và khả năng loại bỏ đồng thời chất hữu cơ, nitơ và phốt pho. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu trong và ngoài nước tập trung vào nước thải công nghiệp có nồng độ chất ô nhiễm cao, nước rỉ rác hoặc nước thải nhân tạo. Việc nghiên cứu nuôi cấy bùn hạt hiếu khí từ nguồn bùn hoạt tính đô thị và ứng dụng công nghệ SBR bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải đô thị có nồng độ chất hữu cơ thấp tại điều kiện Việt Nam (cụ thể là thành phố Hà Nội) vẫn là khoảng trống nghiên cứu thực tiễn và lý luận chưa được giải quyết đầy đủ.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định mục tiêu chung và các mục tiêu cụ thể như sau:

  • Mục tiêu chung: Nghiên cứu tính khả thi của việc nuôi cấy bùn hạt hiếu khí và ứng dụng bùn hạt hiếu khí trên mô hình công nghệ SBR để xử lý nước thải đô thị trong điều kiện Việt Nam.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Xác định được quy trình và các thông số kỹ thuật tối ưu cho việc nuôi cấy bùn hạt hiếu khí trong phòng thí nghiệm.
    2. Đánh giá hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm (chất hữu cơ, Nitơ Amôni NH₄⁺-N, T-N, T-P) của công nghệ SBR ứng dụng bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải đô thị tại Thành phố Hà Nội.
    3. Đánh giá khả năng áp dụng vào thực tế của việc ứng dụng bùn hạt hiếu khí trên mô hình công nghệ SBR để xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bùn hạt hiếu khí và nước thải đô thị có tải trọng hữu cơ thấp.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Quy mô thí nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình công nghệ SBR quy mô phòng thí nghiệm đối với nước thải nhân tạo và nước thải đô thị thực tế lấy từ Trạm xử lý nước thải Kim Liên (Hà Nội). Nguồn bùn hoạt tính ban đầu dùng để nuôi cấy được lấy từ bể xử lý sinh học của Nhà máy xử lý nước thải Yên Sở (Hà Nội).
    • Các thông số kiểm soát: Tải trọng hữu cơ (OLR), thời gian lưu nước (HRT), thời gian lưu bùn (SRT), nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng trong hỗn hợp (MLSS), nồng độ chất rắn bay hơi lơ lửng (MLVSS), tỷ lệ MLVSS/MLSS, chỉ số thể tích bùn sau 30 phút (SVI₃₀), cường độ sục khí, lưu lượng sục khí và hiệu quả loại bỏ các thông số COD, NH₄⁺-N, T-N, T-P.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước

Các công trình nghiên cứu về bùn hạt hiếu khí tại Việt Nam chủ yếu tiếp cận theo hướng xử lý nước thải công nghiệp hoặc sử dụng chất mang:

  • Nguyễn Đăng Hải, Trần Quang Lộc, Trần Thị Tú, Hoàng Ngọc Tường Vân và Nguyễn Quang Hưng (2015): Nghiên cứu sự hình thành và phát triển của bùn hạt hiếu khí ở các mức sục khí 2,5 lít/phút và 4 lít/phút trên bể SBR dung tích 5 lít với nước thải tổng hợp có nguồn cacbon là glucose (OLR = 2,4 kgCOD/m³.ngày). Kết quả cho thấy lưu lượng 4 lít/phút tạo hạt tròn đều, đường kính 2 ÷ 3 mm sau 35 ngày và hiệu suất khử COD đạt 85% ÷ 95%.
  • Nguyễn Trọng Lực, Nguyễn Phước Dân, Trần Tây Nam (2009): Nuôi cấy bùn hạt hiếu khí trên mô hình bể khí nâng từng mẻ luân phiên (SBAR) sử dụng hạt vỏ sò nghiền kích thước 150 ÷ 200 µm làm chất mang, xử lý nước thải nhân tạo gốc glucose với OLR 2,6 và 5,2 kgCOD/m³.ngày. Bùn hạt hình thành sau 61 ngày, kích thước 1 ÷ 5 mm, SVI đạt 11,4 ÷ 44,2 ml/g, khử COD trên 96% và amoni từ 75% ÷ 90%.
  • Nguyễn Thị Phương Thanh, Nguyễn Văn Phước, Trương Thị Bích Hồng, Bùi Mạnh Hà (2016): Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn bằng bùn hạt hiếu khí trên bể SBAR dung tích 3 lít với OLR tăng dần từ 2,5 lên 10 kgCOD/m³, sục khí 5 lít/phút. Bùn hạt hình thành sau 2 tuần, đường kính hạt 3 ÷ 4 mm, hiệu suất xử lý COD đạt 93% ÷ 96%.
  • Trương Thị Bích Hồng (Đại học Quốc gia TP.HCM): Đánh giá bùn hạt hiếu khí kết hợp màng lọc (AGMBR) xử lý nước thải tinh bột mì ở OLR = 0,5 ÷ 10 kgCOD/m³.ngày, MLSS đạt 9 ÷ 10 g/l, MLVSS/MLSS > 90%, hiệu suất xử lý COD và NH₄⁺ đạt trên 90%.
  • Võ Thành Lê (Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô): Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí xử lý nước thải nhà máy bột và giấy quy mô pilot 18 lít/mẻ, tạo hạt sau 23 ngày với SVI từ 48,8 ÷ 60 ml/g, hiệu suất khử COD đạt 81,82%.

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Bùn hạt hiếu khí được Mishima và Nakamura báo cáo lần đầu tiên trên bể hiếu khí dòng chảy ngược cấp khí liên tục. Sau đó, công nghệ SBR được lựa chọn làm thiết bị nghiên cứu chủ đạo:

  • E. Morgenroth và cộng sự (1997): Nuôi cấy bùn hạt hiếu khí trên bể SBR sử dụng nguồn cacbon từ mật mía (COD ~ 400 mg/l) với pha lắng 1 phút để chọn lọc vi sinh vật có vận tốc lắng 30 ÷ 40 m/h; bùn hạt hình thành chiếm ưu thế sau 70 ngày, hiệu suất khử COD ổn định ở mức 87%.
  • Qiang Wang và cộng sự (2004): Nuôi cấy bùn hạt hiếu khí từ bùn hoạt tính sinh hoạt thông thường với cơ chất glucose ở OLR từ 1,8 ÷ 4,8 kgCOD/m³.ngày, vận tốc lắng tối thiểu tăng từ 10,8 lên 32,4 m/h.
  • B. Moy và cộng sự (2002): Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ cao (OLR từ 2,5 đến 15 kgCOD/m³.ngày) sử dụng cơ chất glucose và acetate; chỉ ra rằng bùn hạt nuôi bằng acetate có cấu trúc đặc chắc, đường kính hạt đạt 2 ÷ 4 mm và khả năng lắng tốt hơn.
  • Yong-Qiang Liu, Benjamin Yan-Pui Moy, Joo-Hwa Tay và cộng sự (2007): Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt tải trọng thấp tại Singapore bằng bùn hạt hiếu khí trong bể SBR ở 25°C và 35°C; bùn hạt hình thành sau 30 ngày và đạt hiệu suất xử lý COD trên 90%.
  • Yong-Qiang Liu và cộng sự (2010): Vận hành pilot SBR đường kính 20 cm, cao 100 cm xử lý nước thải thực tế gồm 40% sinh hoạt và 60% công nghiệp (COD từ 250 đến 1800 mg/l), chứng minh bùn hạt hình thành sau 50 ngày và xử lý COD đạt 80% ÷ 98%.
  • Nohayati Abdullah và cộng sự (2011), Gaetano Di Bellaa và cộng sự (2014), T. Nancharaiah và cộng sự (2017): Nghiên cứu các cơ chế tự kết dính sinh học, vai trò của lực cắt thủy động lực học, vận tốc sục khí (> 1,2 cm/s đối với nước thải loãng), bổ sung vi chất dinh dưỡng (Ca, Mg) và ứng dụng xử lý nước thải dầu cọ, nước rỉ rác.

Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án

Qua khảo sát tài liệu, luận án xác định các công trình trong nước chưa giải quyết việc nuôi cấy bùn hạt hiếu khí hoàn toàn từ nguồn bùn hoạt tính đô thị Việt Nam mà không sử dụng chất mang nhân tạo, cũng như chưa thử nghiệm xử lý nước thải đô thị có đặc tính loãng điển hình tại Hà Nội (với tải trọng OLR thực tế chỉ dao động từ 0,95 ÷ 1,35 kgCOD/m³.ngày). Luận án được định vị nhằm giải quyết khoảng trống này thông qua việc thiết lập các thông số động học, tải trọng nạp cơ chất và cường độ sục khí thích hợp để tạo bùn hạt hiếu khí, sau đó kiểm chứng khả năng làm việc ổn định trên nguồn nước thải đô thị thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm cốt lõi

  1. Công nghệ bể phản ứng theo mẻ luân phiên (SBR): Là quy trình xử lý sinh học nước thải trong đó tất cả các giai đoạn phản ứng và lắng diễn ra tuần tự trong cùng một bể. Chu trình làm việc cơ bản bao gồm 4 pha: pha nạp nước, pha phản ứng (sục khí hoặc khuấy trộn), pha lắng tĩnh và pha xả nước/rút nước trong kèm xả bùn dư.
  2. Bùn hạt hiếu khí (AGS): Là tập hợp tự cố định của hàng triệu tế bào vi sinh vật trong một khối sinh khối đặc chắc có dạng hình cầu, đường kính dao động trong khoảng 0,2 ÷ 5 mm. AGS có trọng lượng riêng từ 1,004 ÷ 1,065, chỉ số thể tích bùn SVI₃₀ thường thấp hơn 50 ml/g và vận tốc lắng từ 30 ÷ 70 m/h (nhanh hơn tối thiểu gấp 3 lần so với bông bùn hoạt tính truyền thống). Tính kỵ nước trên bề mặt tế bào của bùn hạt hiếu khí cao hơn gấp 2 lần so với bùn hoạt tính thông thường, hỗ trợ sự liên kết sinh khối dưới tác động của lực cắt thủy động.
  3. Cấu trúc phân lớp sinh học: Bùn hạt hiếu khí có cấu trúc đa tầng:
    • Lớp ngoài (độ sâu 70 ÷ 100 µm): Tập trung vi khuẩn oxy hóa amoni hiếu khí (Nitrosomonas).
    • Hệ thống vi lỗ rỗng và khe nứt: Thâm nhập sâu đến khoảng 900 µm từ bề mặt hạt.
    • Lớp bên trong (độ sâu 800 ÷ 900 µm): Do gradient khuếch tán oxy giảm dần hình thành vùng thiếu khí/kỵ khí chứa vi khuẩn kỵ khí (Bacteroides).
    • Lõi trung tâm (độ sâu 800 ÷ 1000 µm): Lớp tế bào vi khuẩn kỵ khí phân hủy hoặc đã chết.
  4. Cơ chất và tải trọng: Cơ chất chính được sử dụng để nuôi cấy là muối acetate; tải trọng hữu cơ thể tích (OLR) tính bằng kgCOD/m³.ngày; cường độ sục khí ($q$) tính bằng thể tích khí trên diện tích bề mặt bể trong một đơn vị thời gian (m³/m².giờ).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án phối hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng:

  • Phương pháp khảo sát, điều tra thu thập số liệu: Tổng hợp số liệu hiện trạng hệ thống thoát nước, mạng lưới cống chung/riêng, số liệu vận hành và chất lượng nước thải đầu vào/đầu ra của 71 nhà máy XLNT đô thị tại Việt Nam từ các báo cáo chuyên ngành (JICA 2020, Bộ Xây dựng 2019, số liệu thực tế từ Công ty Phú Điền và Công ty SFC Việt Nam 2020).
  • Phương pháp kế thừa kết quả nghiên cứu: Kế thừa các tài liệu lý thuyết, quy chuẩn quốc gia (QCVN 14:2008/BTNMT, QCVN 07:2016/BXD) và các nghiên cứu tạo bùn hạt quốc tế.
  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích cơ chế động học phản ứng oxy hóa sinh hóa chất hữu cơ, quá trình nitrat hóa, khử nitrat, tích lũy phốt pho sinh học và cơ chế tự kết dính tạo hạt trong điều kiện hiếu khí.
  • Phương pháp mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm: Thiết lập các cột phản ứng SBR bằng vật liệu thủy tinh/nhựa trong suốt, có trang bị hệ thống cấp khí đáy bể (đá bọt), bơm cấp nước thải, bơm rút nước trong và hệ thống van điều khiển tự động chu kỳ.
  • Phương pháp phân tích thực nghiệm:
    • Lấy mẫu và bảo quản mẫu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods.
    • Phân tích các chỉ tiêu hóa lý: COD, NH₄⁺-N, T-N, T-P, TSS, MLSS, MLVSS, DO, pH, nhiệt độ, SVI₃₀.
    • Phân tích vi sinh vật học: Phương pháp đếm số lượng có xác suất lớn nhất (MPN) sử dụng môi trường đặc hiệu; quan sát hình thái bằng kính hiển vi quang học và phân tích cấu trúc vi mô bề mặt bùn hạt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Phương pháp chuyên gia, so sánh đối chứng và tổng hợp số liệu: Tham vấn ý kiến các nhà khoa học chuyên ngành Cấp thoát nước - Môi trường; đối chiếu thông số thực nghiệm với các công bố khoa học trong và ngoài nước.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về hạ tầng thoát nước và xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam. Tính đến giai đoạn khảo sát, cả nước có khoảng 70 nhà máy xử lý nước thải đô thị tập trung đang vận hành với tổng công suất trên 1 triệu m³/ngày. Trong số 71 nhà máy được thống kê chi tiết theo báo cáo JICA (2020), có 60 nhà máy tiếp nhận nước thải từ hệ thống cống chung và chỉ có 10 ÷ 11 nhà máy tiếp nhận từ hệ thống cống riêng (như Đà Lạt, Buôn Ma Thuột, Cánh Đồi, Nam Viên, Thủ Dầu Một).

Do đặc thù cống chung tiếp nhận nước mưa, nước ngầm thẩm thấu và phần lớn hộ gia đình sử dụng bể tự hoại sơ cấp nên chất hữu cơ bị phân hủy yếm khí một phần, dẫn đến nước thải đầu vào rất loãng.

Bảng 1. So sánh thông số thiết kế và thực tế vận hành tại các nhà máy XLNT ở Việt Nam (Nguồn số liệu: Công ty Phú Điền, Công ty SFC Việt Nam, 2020)

Thông số chất lượng nước Giá trị trung bình theo thiết kế (mg/l) Giá trị trung bình theo vận hành thực tế (mg/l) Tỷ lệ thực tế so với thiết kế (%)
COD 317 147 46%
BOD₅ 172 87 51%
T-N 40 39 97%
T-P 6 4 66%
COD:BOD₅ 1,88 1,71 91%
BOD₅:T-N 4,94 2,39 48%
BOD₅:T-P 33,16 24,40 74%

Nước thải đô thị Việt Nam từ hệ thống cống chung có COD phổ biến từ 90 ÷ 200 mg/l, BOD₅ từ 47 ÷ 127 mg/l, tải trọng OLR chỉ khoảng 0,5 ÷ 1,2 kgCOD/m³.ngày. Ngược lại, các trạm cống riêng (như Buôn Ma Thuột OLR đạt 3,51 kgCOD/m³.ngày, Đà Lạt OLR đạt 1,81 kgCOD/m³.ngày) có nồng độ COD cao hơn (302 ÷ 564 mg/l). Khi so sánh với 21 nhà máy XLNT trên thế giới (Australia, Pháp, Đức, Ireland, Ba Lan, Bồ Đào Nha, Anh...), tải trọng OLR của các nước này dao động từ 1,46 ÷ 7,18 kgCOD/m³.ngày, cao hơn đáng kể so với mặt bằng chung tại Việt Nam.

Về công nghệ xử lý sinh học tại Việt Nam, cơ cấu áp dụng tính theo công suất gồm:

  • Công nghệ bể phản ứng theo mẻ (SBR): 43,81%
  • Công nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS): 16,7%
  • Công nghệ hồ sinh học: 13,0%
  • Công nghệ mương oxy hóa (OD): 9,5%
  • Công nghệ bùn hoạt tính A2O: 6,9%
  • Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt (TF): 4,5%

Mặc dù SBR chiếm ưu thế áp dụng, song hiệu quả vận hành tại các trạm thực tế gặp khó khăn do thời gian lắng kéo dài và tải lượng cơ chất thấp. Chương 1 kết luận việc nghiên cứu bùn hạt hiếu khí có vận tốc lắng cao (30 ÷ 70 m/h) thay thế bông bùn thông thường là giải pháp kỹ thuật cần thiết để nâng cao công suất và hiệu quả xử lý của các bể SBR.

Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu công nghệ SBR sử dụng bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải đô thị

Chương 2 trình bày cơ sở khoa học về động học chuyển hóa cơ chất và cơ chế hình thành bùn hạt hiếu khí trong bể SBR:

  • Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong bể SBR:
    • Khử COD: Diễn ra qua quá trình hấp thụ sinh học và oxy hóa hiếu khí của quần thể vi sinh vật dị dưỡng.
    • Chuyển hóa Nitơ: Quá trình nitrat hóa oxy hóa NH₄⁺ thành NO₂⁻ và NO₃⁻ nhờ vi khuẩn hiếu khí (Nitrosomonas, Nitrobacter), tiếp theo là quá trình khử nitrat chuyển hóa NO₃⁻ thành khí N₂ tự do trong điều kiện thiếu khí. Do bùn hạt có cấu trúc phân lớp gradient oxy từ ngoài vào trong nên hai quá trình này có thể diễn ra đồng thời trong cùng một hạt bùn (SND - Simultaneous Nitrification and Denitrification).
    • Khử Phốt pho: Thực hiện bởi vi sinh vật tích lũy phốt pho (PAOs) dưới sự luân chuyển điều kiện kỵ khí/hiếu khí trong chu kỳ mẻ.
  • Cơ chế tạo hạt hiếu khí: Hình thành qua 4 bước nối tiếp:
    1. Tế bào vi khuẩn tiếp xúc vật lý nhờ lực khuấy đảo và lực cắt thủy động.
    2. Tự kết tụ ban đầu nhờ lực hút Van der Waals và tính kỵ nước của màng tế bào.
    3. Vi sinh vật tiết polymer ngoại bào (EPS) đóng vai trò chất keo sinh học liên kết các tế bào thành vi cụm sinh khối.
    4. Lực cắt dòng khí nén định hình vi cụm thành các khối hạt hình cầu nhẵn, đặc chắc, có kích thước tăng dần.
  • Các yếu tố ảnh hưởng: Tải trọng hữu cơ (OLR), thành phần chất nền (chất nền dễ phân hủy như acetate giúp hình thành hạt bền hơn glucose), thời gian lắng tĩnh chọn lọc (thời gian lắng ngắn giúp rửa trôi các bông bùn nhẹ, giữ lại các hạt bùn nặng lắng nhanh), cường độ sục khí và lực cắt thủy động lực học.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 3 thiết lập các nội dung thực nghiệm tại phòng thí nghiệm:

  • Xây dựng mô hình bể SBR: Sử dụng 2 mô hình cột SBR (ký hiệu Mô hình A và Mô hình B). Bể được trang bị hệ thống phân phối khí đáy bằng đĩa/đá bọt xốp, bơm định lượng nạp nước thải nhân tạo, bơm rút nước trong và bộ rơ-le điều khiển chu kỳ tự động. Nguồn bùn cấy ban đầu lấy từ bể phản ứng của Nhà máy XLNT Yên Sở (Hà Nội).
  • Thiết kế các kịch bản thí nghiệm:
    • Thí nghiệm 1 (trên Mô hình A): Nuôi cấy bùn hạt với nước thải nhân tạo mô phỏng nồng độ thấp, duy trì OLR = 1,0 ÷ 1,2 kgCOD/m³.ngày.
    • Thí nghiệm 2 (trên Mô hình B): Nuôi cấy bùn hạt với nước thải nhân tạo cơ chất acetate bổ sung đầy đủ dưỡng chất và nguyên tố vi lượng, duy trì OLR = 2,7 ÷ 3,0 kgCOD/m³.ngày; cường độ sục khí kiểm soát ở mức $q = 12,5 \div 28,5$ m³/m².giờ.
    • Thí nghiệm 3: Sử dụng lượng sinh khối bùn hạt hiếu khí nuôi cấy thành công từ Mô hình B để xử lý nước thải đô thị thực tế lấy từ Trạm xử lý nước thải Kim Liên (Hà Nội) có tải trọng hữu cơ dao động trong khoảng OLR = 0,95 ÷ 1,35 kgCOD/m³.ngày.
  • Quy trình vận hành chu kỳ SBR: Một chu kỳ vận hành được thiết lập gồm các pha: Nạp nước thải $\rightarrow$ Phản ứng sục khí $\rightarrow$ Lắng tĩnh $\rightarrow$ Xả nước trong $\rightarrow$ Pha nghỉ. Thời gian lắng được giảm dần qua các giai đoạn để tạo áp lực chọn lọc thủy lực.
  • Phương pháp phân tích mẫu: Đo đạc hàng ngày các thông số COD, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, T-N, T-P, pH, DO; định kỳ xác định nồng độ MLSS, MLVSS, tính toán SVI₃₀; định kỳ quan sát hình thái bùn dưới kính hiển vi quang học và chụp ảnh cấu trúc tinh vi bằng SEM ở các tuần tuổi khác nhau; phân tích thành phần vi sinh vật bằng phương pháp MPN.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 4 tổng hợp các số liệu thực nghiệm và thảo luận khoa học:

  • Quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí:
    • Tại Mô hình A (OLR = 1,0 ÷ 1,2 kgCOD/m³.ngày): Không hình thành được bùn hạt hiếu khí điển hình; sinh khối chủ yếu tồn tại ở dạng bông bùn phân tán, khả năng lắng kém do thiếu hụt cơ chất hình thành EPS liên kết.
    • Tại Mô hình B (OLR = 2,7 ÷ 3,0 kgCOD/m³.ngày, cơ chất acetate, $q = 12,5 \div 28,5$ m³/m².giờ): Bùn hạt hiếu khí hình thành thành công qua 5 giai đoạn:
      • Giai đoạn 1 (sau 7 ngày): Bông bùn hoạt tính bắt đầu co cụm, xuất hiện các nhân liên kết nhỏ li ti.
      • Giai đoạn 2 (sau 14 ngày): Hình thành các hạt bùn kích thước nhỏ, ranh giới hạt bắt đầu rõ ràng.
      • Giai đoạn 3 (sau 21 ÷ 28 ngày): Kích thước hạt tăng lên, hạt có dạng hình cầu, bề mặt nhẵn dần.
      • Giai đoạn 4 (sau 30 ÷ 35 ngày): Phần lớn sinh khối chuyển thành dạng hạt, cấu trúc hạt đặc chắc.
      • Giai đoạn 5 (sau 35 ÷ 45 ngày): Bùn hạt trưởng thành, đường kính hạt đồng đều, chiếm ưu thế hoàn toàn trong bể phản ứng.
    • Ảnh chụp SEM xác nhận cấu trúc bề mặt bùn hạt từ tuần thứ 1 đến tuần thứ 5 phát triển từ dạng sợi xốp rời rạc sang mạng lưới kết khối vi sinh vật dày đặc.

Bảng 2. Biến thiên các chỉ số bùn và hiệu quả xử lý trong quá trình nuôi bùn hạt tại Mô hình B (Tổng hợp các kết quả thực nghiệm tại Chương 4)

Thời gian vận hành Trạng thái bùn MLSS (mg/l) Tỷ lệ MLVSS/MLSS SVI₃₀ (ml/g) Khử COD (%) Khử NH₄⁺-N (%)
Ban đầu (ngày 0) Bùn hoạt tính Yên Sở Thấp 0,65 ÷ 0,70 > 120 65 ÷ 75 40 ÷ 50
Tuần 1 ÷ 2 Co cụm sơ cấp Tăng dần Biến thiên 90 ÷ 110 75 ÷ 82 55 ÷ 68
Tuần 3 ÷ 4 Bùn hạt kích thước nhỏ Tăng nhanh > 0,80 50 ÷ 70 85 ÷ 90 70 ÷ 80
Tuần 5 trở đi Bùn hạt trưởng thành Ổn định ở mức cao 0,85 ÷ 0,90 < 45 > 90 > 85
  • Kết quả ứng dụng xử lý nước thải đô thị Hà Nội (Trạm XLNT Kim Liên):
    • Khi đưa bùn hạt hiếu khí đã trưởng thành vào xử lý nước thải đô thị thực tế có OLR từ 0,95 ÷ 1,35 kgCOD/m³.ngày, hệ thống SBR duy trì hoạt động ổn định.
    • Hiệu quả khử COD đạt mức cao và ổn định; nồng độ COD nước đầu ra đáp ứng tiêu chuẩn xả thải.
    • Hiệu quả loại bỏ amoni (NH₄⁺-N) và T-N đạt kết quả tích cực nhờ sự tồn tại đồng thời của vi khuẩn nitrat hóa ở lớp ngoài và vi khuẩn khử nitrat trong lõi hạt bùn.
    • Chỉ số SVI₃₀ duy trì ổn định ở mức thấp (< 50 ml/g), vận tốc lắng nhanh giúp rút ngắn đáng kể pha lắng của chu kỳ SBR so với bùn hoạt tính truyền thống.
  • Đề xuất quy trình công nghệ: Luận án đề xuất 2 sơ đồ dây chuyền công nghệ SBR bùn hạt hiếu khí ứng dụng vào điều kiện thực tế tại Việt Nam:
    1. Sơ đồ dây chuyền cho nước thải đô thị có tải trọng hữu cơ thấp: Tích hợp ngăn lựa chọn vi sinh vật hoặc điều chỉnh chế độ nạp nước tĩnh kết hợp sục khí gián đoạn nhằm duy trì độ bền hạt.
    2. Sơ đồ dây chuyền cho nước thải đô thị có tải trọng hữu cơ cao: Tận dụng tối đa khả năng chịu tải của bùn hạt hiếu khí để rút ngắn chu kỳ phản ứng và giảm diện tích chiếm đất của trạm xử lý.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xác định thông số công nghệ nuôi cấy bùn hạt hiếu khí: Xác định thành công ngưỡng thông số kỹ thuật tối ưu để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí từ bùn hoạt tính đô thị (lấy từ Nhà máy XLNT Yên Sở) trong phòng thí nghiệm tại Việt Nam: sử dụng chất nền acetate, duy trì tải trọng hữu cơ OLR trong khoảng 2,7 ÷ 3,0 kgCOD/m³.ngày, cường độ sục khí $q = 12,5 \div 28,5$ m³/m².giờ.
  2. Chứng minh khả năng xử lý nước thải đô thị tải trọng thấp: Luận án chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng bùn hạt hiếu khí trong bể SBR để xử lý nước thải đô thị thực tế tại Hà Nội (Trạm XLNT Kim Liên) có tải trọng hữu cơ thấp (OLR = 0,95 ÷ 1,35 kgCOD/m³.ngày), chỉ ra rằng bùn hạt vẫn duy trì được độ ổn định cấu trúc và hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ, nitơ sau khi chuyển đổi từ nước thải nhân tạo sang nước thải thực tế.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp cơ sở cải tiến công nghệ SBR: Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm để cải tiến các trạm xử lý nước thải SBR hiện hành tại Việt Nam nhằm giảm thiểu thời gian pha lắng, nâng cao sinh khối trong bể phản ứng và tiết kiệm diện tích xây dựng.
  2. Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ ứng dụng: Đề xuất 2 giải pháp dây chuyền công nghệ SBR ứng dụng bùn hạt hiếu khí phù hợp với đặc thù nước thải đô thị Việt Nam: sơ đồ công nghệ cho nước thải có tải trọng hữu cơ thấp (hệ thống thoát nước chung) và sơ đồ công nghệ cho nước thải có tải trọng hữu cơ cao (hệ thống thoát nước riêng).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và nội dung trình bày trong luận án, một số hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Quy mô nghiên cứu: Thí nghiệm mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (lab-scale) với các cột phản ứng thể tích nhỏ, chưa triển khai thử nghiệm trên mô hình pilot bán công nghiệp ngoài hiện trường trạm xử lý.
  • Phạm vi nguồn nước thải thực tế: Nước thải đô thị thực tế mới được khảo sát tại một trạm xử lý trên địa bàn Hà Nội (Trạm XLNT Kim Liên), chưa đánh giá trên các nguồn nước thải có sự biến thiên lớn theo mùa mưa - nắng hoặc chịu ảnh hưởng của xâm nhập mặn/thủy triều như khu vực Duyên hải và Nam Bộ.
  • Thời gian theo dõi độ ổn định dài hạn: Cần tiếp tục nghiên cứu độ bền và hiện tượng rã hạt của bùn hạt hiếu khí khi vận hành kéo dài liên tục trên nước thải đô thị có nồng độ chất hữu cơ quá thấp (OLR < 0,8 kgCOD/m³.ngày) trong điều kiện nhiệt độ mùa đông miền Bắc.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hạ tầng đô thị, Kỹ thuật Môi trường, Cấp thoát nước tại các trường đại học khối kỹ thuật và xây dựng. Tài liệu cung cấp phương pháp luận chi tiết về thiết kế mô hình SBR, quy trình đo đạc động học vi sinh và kỹ thuật phân tích hiển vi điện tử SEM đối với sinh khối vi sinh vật.
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ môi trường: Cung cấp thông số vận hành thực tế (cường độ cấp khí, tải trọng OLR, chu kỳ pha) và các giải pháp dây chuyền công nghệ để xem xét cải tạo, nâng công suất các nhà máy XLNT công nghệ SBR hiện hữu mà không cần mở rộng diện tích xây dựng bể.
  • Cơ quan quản lý hạ tầng và hoạch định chính sách: Nguồn số liệu tổng hợp về hiện trạng 71 nhà máy XLNT tại Việt Nam và sự sai lệch giữa số liệu thiết kế - vận hành thực tế là căn cứ thực tiễn phục vụ công tác rà soát quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế mạng lưới thoát nước và trạm xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phần lớn các nhà máy XLNT đô thị tại Việt Nam vận hành không đạt công suất và nồng độ ô nhiễm thấp hơn thiết kế?

Phần lớn các đô thị Việt Nam sử dụng hệ thống thoát nước chung tiếp nhận cả nước mưa và nước ngầm xâm nhập, làm loãng dòng thải. Thêm vào đó, hầu hết các hộ gia đình đều có bể tự hoại sơ cấp nên một phần chất hữu cơ đã bị phân hủy trước khi vào cống, trong khi tỷ lệ đấu nối hộ gia đình trực tiếp vào mạng lưới còn thấp. Theo số liệu khảo sát, COD và BOD₅ thực tế chỉ đạt 46% và 51% so với thiết kế ban đầu.

2. Bùn hạt hiếu khí (AGS) có ưu điểm gì vượt trội về mặt vật lý so với bùn hoạt tính truyền thống?

Bùn hạt hiếu khí có cấu trúc dạng hình cầu đặc chắc, đường kính 0,2 ÷ 5 mm, mật độ sinh khối cao. AGS có chỉ số thể tích bùn SVI₃₀ thấp (< 50 ml/g so với mức thường > 100 ml/g của bùn truyền thống) và vận tốc lắng đạt 30 ÷ 70 m/h (nhanh hơn ít nhất 3 lần so với bùn hoạt tính thông thường), giúp rút ngắn thời gian pha lắng và hạn chế thất thoát sinh khối.

3. Thông số kỹ thuật nào được xác định là tối ưu để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí trong luận án?

Luận án xác định các điều kiện tối ưu để nuôi cấy thành công bùn hạt hiếu khí từ bùn hoạt tính đô thị Yên Sở gồm: sử dụng cơ chất acetate, tải trọng hữu cơ OLR duy trì trong khoảng 2,7 ÷ 3,0 kgCOD/m³.ngày, và cường độ sục khí kiểm soát ở mức $q = 12,5 \div 28,5$ m³/m².giờ.

4. Bùn hạt hiếu khí mất bao lâu để hình thành hoàn chỉnh trong điều kiện thực nghiệm của luận án?

Tại Mô hình B với điều kiện vận hành tối ưu, bùn hạt hiếu khí hình thành qua 5 giai đoạn: bắt đầu co cụm sau 7 ngày (giai đoạn 1), tạo vi hạt sau 14 ngày (giai đoạn 2), phát triển kích thước hạt từ 21 ÷ 28 ngày (giai đoạn 3), định hình cấu trúc đặc chắc từ 30 ÷ 35 ngày (giai đoạn 4) và đạt độ trưởng thành ổn định hoàn toàn sau 35 ÷ 45 ngày (giai đoạn 5).

5. Kết quả thử nghiệm bùn hạt hiếu khí với nước thải đô thị thực tế tại Hà Nội đạt được những gì?

Khi áp dụng bùn hạt hiếu khí đã nuôi cấy thành công để xử lý nước thải đô thị thực tế tại Trạm XLNT Kim Liên với OLR từ 0,95 ÷ 1,35 kgCOD/m³.ngày, hệ thống bể SBR duy trì hiệu quả xử lý COD trên 90%, loại bỏ tốt amoni và nitơ tổng, chỉ số SVI₃₀ ổn định dưới 50 ml/g, chứng minh tính khả thi của công nghệ trong điều kiện nước thải đô thị loãng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Văn Doanh đã giải quyết vấn đề khoa học và thực tiễn về ứng dụng công nghệ SBR bùn hạt hiếu khí trong điều kiện xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam. Công trình đã thành công trong việc nuôi cấy bùn hạt hiếu khí từ nguồn bùn hoạt tính đô thị với chất nền acetate ở dải tải trọng OLR 2,7 ÷ 3,0 kgCOD/m³.ngày và cường độ sục khí $12,5 \div 28,5$ m³/m².giờ. Đồng thời, luận án đã kiểm chứng thực nghiệm khả năng xử lý ổn định nước thải đô thị nồng độ thấp tại Hà Nội và đề xuất các sơ đồ dây chuyền công nghệ SBR bùn hạt hiếu khí có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho công tác nâng cấp, cải tạo hạ tầng xử lý nước thải đô thị.