MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa từng biết đến trước đó cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm được phát hiện; đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anaerobic Ammonium Oxidation, viết tắt là Anammox). Trong phản ứng này ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kỵ khí mà không cần cung cấp chất hữu cơ để tạo thành nitơ phân tử. Sự phát triển quá trình Anammox đã mở ra hướng mới trong công nghệ xử lý nitơ, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao.
Trong khoảng thời gian từ 1995 – 2004, phần lớn các nghiên cứu về quá trình Anammox đều tập trung vào việc định hướng cho các ứng dụng vào thực tế (Jetten và cộng sự, 2001) [29]. Những năm sau đó, quá trình Anammox đã được ứng dụng thành công đối với cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp tại các quốc gia như Hà Lan, Đức, Nhật Bản, Bỉ, Thụy Sĩ và Anh. Gần đây, các nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải đã được tiến hành ở Việt Nam. Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào ở nước ta được thực hiện để đánh giá các thông số động học của quá trình Anammox.
Do đó, nội dung chính của luận văn này sẽ tập trung vào nghiên cứu các thông số động học của quá trình này. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Từ những vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu đánh giá các thông số động học của quá trình Anammox” được thực hiện nhằm đạt được những mục tiêu chính sau: • Đánh giá được hiệu quả loại bỏ nitơ của quá trình Anammox đối với nước thải nhân tạo. • Nghiên cứu được các thông số động học của quá trình Anammox. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nước thải nhân tạo có nồng độ nitơ tổng cao bằng cách thêm NaNO2, NH4Cl và các hóa chất cần thiết khác.
NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Đề tài “Nghiên cứu đánh giá các thông số động học của quá trình Anammox” bao gồm những nội dung chính sau: − Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước trong lĩnh vực xử lý nước thải sử dụng quá trình Anammox cũng như các nghiên cứu về thông số động học của quá trình này. − Đánh giá khả năng xử lý nitơ của quá trình Anammox đối với nước thải nhân tạo. − Nghiên cứu các thông số động học của quá trình Anammox bằng việc ứng dụng các phương trình động học bậc nhất, bậc hai Grau, Stover – Kincannon và Monod. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, tác giả luận văn đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: − Phương pháp tổng quan, thu thập tài liệu đã nghiên cứu, ứng dụng thực tế trong và ngoài nước về công nghệ xử lý nitơ trong các loại nước thải; − Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết lập và vận hành mô hình thí nghiệm; − Phương pháp phân tích hóa học, sinh học đối với các thông số môi trường nước thải.
− Phương pháp chuyên gia; − Phương pháp so sánh; − Phương pháp thống kê, xử lý số liệu: Xử lý số liệu bằng các công thức toán học và phần mềm Excel. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 1. Tính mới Đề tài “Nghiên cứu đánh giá các thông số động học của quá trình Anammox” là một trong những công trình nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này. Tính khoa học • Kết quả nghiên cứu đóng góp vào lý thuyết chung của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học.
• Là cơ sở lý thuyết cho việc tính toán thiết kế các công nghệ xử lý nước thải có áp dụng quá trình Anammox vào thực tế. • Kết quả nghiên cứu của luận văn là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trên nước thải thật. Tính thực tiễn • Kết quả nghiên cứu góp phần xây dựng và mở rộng hướng xử lý cho các loại nước thải có chứa hàm lượng nitơ cao. • Việc đánh giá các thông số động học của quá trình Anammox là cơ sở cho việc tính toán thiết kế các hệ thống xử lý nước thải ứng dụng quá trình này.
4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2. GIỚI THIỆU CHUNG Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật và trong thành phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa. Đồng thời nó cũng tồn tại ở dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên. Ô nhiễm nitơ thường do các hoạt động của con người làm xáo trộn chu trình chuyển hóa nitơ.
Một vài loại nước thải công nghiệp chứa ammonium với nồng độ lớn như nước thải sản xuất chế biến thức ăn, đồ uống. Thêm vào đó, nước thải từ hoạt động chăn nuôi gia súc và bãi chôn lấp cũng chứa nồng độ nitơ ammonium rất cao. Sự sinh trưởng và phát triển của thực vật và tảo bị hạn chế bởi nồng độ nitơ và photpho trong nguồn nước. Khi ammonium thải vào nguồn nước không chỉ gây sự phú dưỡng hóa mà còn gây ra nhiều vấn đề tiềm tàng khác cho môi trường như: (1) thực vật nước và tảo phát triển quá mức sẽ gây ra hiện tượng bao phủ mặt nước, gây ra mất cảnh quan, (2) tảo phát triển quá mức sẽ ảnh hưởng xấu đến hô hấp của động vật dưới nước, (3) một vài loài tảo có thể tạo ra chất độc ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của cá, tôm cua, (4) tảo cũng có thể gây ra vấn đề về mùi.
Hơn nữa, sự hiện diện của ammonium cao trong nguồn nước gây ra quá trình nitrate hóa làm giảm mạnh DO trong nước (quá trình nitrate hóa tiêu thụ 4,6 mg O2/mgNH4+). Nồng độ DO bão hòa trong nước khoảng 9 mg O2/L ở 200C và nhiều loài cá không sống được nếu nồng độ DO thấp hơn 2 mg O2/L. Vì thế việc sử dụng DO do quá trình oxy hóa ammonium có thể phá hủy hệ sinh thái thủy sinh. Ngoài ra, nồng độ ammonium tự do từ 0,1- 10 mg NH3/L có thể gây độc cho các loài cá (Marina C.
Nếu trong nước có hợp chất nitơ chủ yếu là nitrate chứng tỏ quá trình phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy, nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí, nitrate bị khử thành N2O, NO và N2 tách khỏi nước bay vào không khí. Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 0,5 mg/L. Vùng bị ô nhiễm 5 do chất thải hoặc phân bón, hàm lượng nitrate trong nước trên 10 mg/L, làm cho rong tảo phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản.
Bản thân nitrate không phải là chất có độc tính, nhưng ở trong cơ thể (với điều kiện thích hợp ở đường tiêu hóa) nó bị chuyển hóa thành nitrite rồi kết hợp với một số chất khác có thể tạo thành các hợp chất Nitrozo, là chất có khả năng gây ung thư. Vì vậy, việc xử lý các hợp chất nitơ trong nước là vô cùng cần thiết. Xử lý hợp chất nitơ trong nước có thể thực hiện bằng các phương pháp hóa lý, vật lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước. • Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí quyển.
Con đường chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua các quá trình nitrate hóa và khử nitrate; quá trình oxy hóa kỵ khí ammonium và nitrite (Anammox). • Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào của sinh khối. Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực vật hay đồng hóa của vi sinh vật. Quá trình trên tồn tại trong tự nhiên, là cơ sở của các phương pháp xử lý bằng các loại thực vật.
• Bốc hơi ammonium vào bầu khí quyển. Phương pháp này là quá trình chuyển chất ô nhiễm từ nước vào không khí, sau đó phần lớn lại được hấp thụ trở lại vào môi trường nước ở những vị trí khác. Để thực hiện phương pháp trên, ammonium phải tồn tại ở dạng bay hơi (trung hòa) nên để thúc đẩy quá trình cần phải sục khí với lượng rất lớn và ở nhiệt độ cao. Tóm lại, hợp chất nitơ trong nước thải có thể được loại bỏ bởi nhiều phương pháp hóa lý và sinh học khác nhau, nhưng phương pháp sinh học được dùng để xử lý nitơ vẫn chiếm ưu thế do chi phí thấp và thân thiện với môi trường.
CÁC QUÁ TRÌNH HÓA LÝ XỬ LÝ NITƠ Một vài quá trình hóa lý đã được sử dụng để xử lý nitơ như: thổi khí kết hợp nâng pH, điện ly, thẩm thấu ngược, khử bằng Clo, kết tủa bằng hóa chất, hấp phụ bằng than hoạt tính, trao đổi ion. Mặc dù hiệu quả xử lý ổn định và khả năng thích nghi tốt với những thay đổi của tính chất nước thải nhưng các phương pháp hóa học, lý học vẫn mang một số nhược điểm như: mùi, ô nhiễm không khí, chi phí hóa chất cao, năng lượng cao, lượng bùn phát sinh lớn, đòi hỏi trình độ vận hành, bảo trì phức tạp và các mối quan tâm môi trường về việc sử dụng hóa chất gây ô nhiễm thứ cấp. Mặt khác, các quá trình hóa lý thường có công suất xử lý hay quy mô hệ thống xử lý nhỏ. Vì thế, quá trình nitrate hóa – khử nitrate sinh học truyền thống là một sự lựa chọn mang tính phổ biến do hiệu quả xử lý cao, quá trình ổn định và đáng tin cậy.
Các quá trình hóa lý xử lý nitơ và hiệu quả của chúng được trình bày trong bảng 2.1 – Các quá trình xử lý nitơ và hiệu quả của chúng Hiệu quả xử lý các hợp chất nitơ Các quá trình hóa lý Nitơ hữu cơ N –NH4+ N – NO2- TKN, % % % % Thổi khí nâng pH 0 60 – 95 0 50 – 90 Điện ly 100 30 – 50 30 – 50 40 – 50 Thẩm thấu ngược 60 – 90 60 – 90 60 – 90 80 – 90 Khử bằng Clo Ít 90 – 100 0 80 – 95 Kết tủa bằng hóa chất 50 – 70 Ít Ít 20 – 30 Hấp phụ bằng than hoạt tính 30 – 50 Ít Ít 10 – 20 Trao đổi ion Ít 80 – 97 0 70 – 95 Nguồn: Cảnh và Phương (2002) [5]. CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC XỬ LÝ NITƠ 2.