CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế xã hội và sự gia tăng dân số, hàng loạt các vấn đề môi trường nảy sinh, trong đó chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) phát sinh ngày càng tăng đã góp phần gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo “Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2016”, CTRSH tăng trung bình 12% mỗi năm từ năm 2011 - 2015. Tại Việt Nam, các công nghệ xử lý CTRSH phổ biến là chôn lấp, ủ phân hữu cơ và đốt, trong đó phương pháp chôn lấp chiếm 80% do chi phí đầu tư và vận hành thấp so với các phương pháp khác được áp dụng.
Tuy nhiên, phần lớn các bãi chôn lấp CTRSH chưa được phân loại tại nguồn, có thành phần hữu cơ cao nên tính ổn định thấp, phát sinh lượng lớn nước rỉ rác. Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp có nồng độ ammonia cao và chất hữu cơ chậm hoặc không phân huỷ sinh học. Đặc biệt, đối với các bãi chôn lấp đã hoạt động lâu năm hoặc đã đóng cửa, nước rỉ rác phát sinh có nồng độ ammonia rất cao, đạt 3. Theo Chen và cộng sự, (1996), ammonia trong nước rỉ rác có nồng độ trên 1.
So với quy chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT về nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn, nồng độ ammonia cho phép xả thải ra môi trường là 25 mg N/L. Như vậy, lượng ammonia cần xử lý là rất lớn. Tỉ lệ C:N và những chất có khả năng phân hủy sinh học thấp, chính là thách thức cho việc xử lý nước rỉ rác. Xử lý sinh học được sử dụng làm công trình chính trong hệ thống xử lý nước rỉ rác, điển hình là quá trình nitrat hóa và khử nitrat.
Tuy nhiên, nồng độ C:N thấp, cần có nguồn carbon để bổ sung cho quá trình này, do đó làm cho quá trình vận hành phức tạp hơn và tốn kém nhiều chi phí. Thay thế cho việc bổ sung nguồn carbon tốn kém nhiều chi phí, quá trình CANON (Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite) là sự kết hợp giữa quá trình nitrit hóa bán phần và anammox trong cùng một bể phản ứng (Strous M và cộng sự, 1997). Quá trình này có khả năng loại ammonia trong nước thải với tải trọng cao mà không sử dụng nguồn carbon hữu cơ (Helmer C, 2001). Vy (2017) đã thực hiện đề tài “Ứng dụng quá trình CANON để xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi sau bể biogas”, giai đoạn làm giàu bùn AOB và anammox trong mô hình CANON với nước thải nhân tạo trong 5 tháng vận hành ở tải trọng 0,2 kgN/m3.ngày 2 cho hiệu suất xử lý ammoni đạt 82-94%, giai đoạn vận hành nước thải chăn nuôi gia súc sau biogas trong 3,5 tháng ở tải trọng nitơ 0,47 ± 0,07 với thời gian lưu nước 16h cho hiệu suất xử lý tổng nitơ (TN) lần lượt đạt 72 ± 10%, cực đại 88% và ở tải trọng nitơ 0,95 ± 0,11 kg N/m3.ngày với thời gian lưu nước 8h, %TN là 78 ± 14%, cực đại 91%.
Sau khi kết thúc tải trọng 0,95, giảm thời gian lưu nước còn 4h, mô hình gặp sự cố sốc tải bùn nổi và trôi bùn. Hà (2018) đã thực hiện đề tài “Ứng dụng quá trình CANON để khử nitơ trong nước rỉ bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cũ” vận hành giai đoạn thích nghi với nước rỉ rác cũ 92 ngày ở tải trọng 0,34 kg N/m3.ngày với hiệu suất xử lý ammonia đạt cực đại 97%, giai đoạn tăng tải 61 ngày với các tải trọng nitơ (NLR) 0,25; 0,41; 0,52 kg N/m3.ngày với hiệu suất xử lý ammonia và tổng nitơ lần lượt đạt 82% và 56%; 90% và 67%; 82% và 76% tương ứng với mỗi tải trọng và 41 ngày khắc phục sự cố sốc tải ở tải trọng 0,85 kg N/m3. Từ kết quả của những nghiên cứu đó, nhận thấy ứng dụng quá trình CANON bằng bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn có nhiều nhược điểm về thiết kế thổi khí và phần lắng dẫn đến ảnh hưởng xấu đến vi sinh anammox trong quá trình vận hành ở tải trọng cao. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu làm giàu hệ bùn quá trình CANON trên nền bùn hạt kỵ khí bằng nước rỉ rác cũ” được thực hiện nhằm mở rộng đề tài nghiên cứu của Hà (2018).
Quá trình làm giàu này được thực hiện trong cột tuần hoàn nội bộ IC cho thích nghi bùn anammox và bể phản ứng tầng sôi CANON cho hỗn hợp bùn anammox và AOB. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài gồm các mục tiêu: - Nghiên cứu làm giàu hệ bùn anammox trên nền bùn hạt kỵ khí sử dụng công nghệ IC. - Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ của bể phản ứng tầng sôi CANON ở các tải trọng nitơ khác nhau để xử lý nước rỉ rác cũ. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu làm giàu bùn anammox được thực hiện bằng mô hình tuần hoàn nội bộ IC và thích nghi bùn anammox và bùn AOB trong bể phản ứng tầng sôi CANON, đặt tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường, trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh với nguồn nước thải và bùn thải được lấy từ: 3 - Nước rỉ rác cũ được lấy từ bãi chôn lấp Gò Cát đã đóng cửa từ năm 2007, nằm ở Quốc lộ 1A, phường Bình Hưng Hòa, quận Bình Tân.
- Nước rỉ rác sau quá trình nitrit hóa bán phần được lấy từ mô hình bể nitrit hóa bán phần theo mẻ luân phiên PN - SBR của Tuấn (2018). - Bùn hạt kỵ khí được lấy từ hệ thống xử lý nước thải của Công ty Cổ phần Giấy Sài Gòn, KCN Mỹ Xuân A2, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. - Bùn anammox được lấy từ mô hình tuần hoàn nội bộ IC quy mô pilot trong nghiên cứu của Toàn (2018). - Bùn AOB được lấy từ hệ thống xử lý nước thải của Công ty Cổ phần Thanh Nhân Food, 111/17 Lũy Bán Bích, Tân Thới Hoà, Tân Phú, Hồ Chí Minh.
Nội dung nghiên cứu Để đáp ứng các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu bao gồm: - Làm giàu bùn anammox trên nền bùn hạt kỵ khí bằng mô hình IC sử dụng nước rỉ rác sau quá trình nitrit hóa bán phần ở tải trọng nitơ là 2,0 kg N/m3. - Thích nghi sinh khối trong bể phản ứng tầng sôi CANON ở các tải trọng 0,94; 0,64 và 0,29 kg N/m3. - Xác định kích thước hạt, SEM, EDS, sinh khối và hoạt tính riêng của bùn anammox, AOB và NOB ở các tải trọng. Phương pháp nghiên cứu Thu thập, tham khảo tài liệu Thu thập, tổng hợp các tài liệu, các nghiên cứu về quá trình IC, quá trình anammox, quá trình CANON và các quá trình khác ứng dụng quá trình kết hợp Nitrit hóa bán phần và anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình Nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm làm giàu bùn anammox trên nền bùn hạt kỵ khí với nước rỉ rác cũ sau quá trình nitrit hóa bán phần bằng mô hình tuần hoàn nội bộ IC. Thích nghi sinh khối trong bể phản ứng tầng sôi CANON và vận hành xử lý nitơ. Phương pháp lấy mẫu Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước thải được phân tích trong suốt quá trình xử lý: pH, DO, độ kiềm, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, TKN, COD. 4 Các thông số đánh giá chất lượng bùn: MLSS, MLVSS, được xác định định kỳ trong quá trình xử lý; thí nghiệm xác định hoạt tính bùn được thực hiện ở đầu và cuối thí nghiệm.
Các thông số đánh giá cấu tạo bùn: phân bố kích thước hạt, SEM, EDS. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu Phương pháp phân tích và xử lý số liệu: toàn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu môi trường được tiến hành theo đúng các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế (Standard Methods Methods for the Examination of Water and Wastewater). Các số liệu kết quả thí nghiệm được phân tích và xử lý bằng phần mềm Excel. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.
Tính khoa học Kết quả nghiên cứu thể hiện khả năng làm giàu bùn anammox trên nền bùn hạt kỵ khí bằng mô hình IC và khả năng xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ của quá trình CANON. Xác định các yếu tố ảnh hưởng trong giai đoạn làm giàu bùn và giai đoạn thích nghi. Tính thực tiễn Kết quả của nghiên cứu cho thấy tính khả thi của việc làm giàu bùn anammox của mô hình IC và khả năng xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ của mô hình CANON. Tính mới của đề tài Nghiên cứu làm giàu hệ bùn của quá trình CANON trên nền bùn hạt kỵ khí để xử lý nước thải rỉ rác cũ là đề tài mở rộng của nghiên cứu: “Ứng dụng quá trình CANON để khử nitơ trong nước rỉ bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cũ” của Hà (2018), bằng cách thay đổi từ bể phản ứng xáo trộn hoàn toàn thành bể phản ứng tầng sôi.
Tổng quan về nước rỉ rác cũ Thành phần hoá học trong nước thải thấm ra từ bãi rác sinh hoạt (chủ yếu là rác hữu cơ) phụ thuộc vào mức độ phân huỷ của rác: điều kiện thời tiết, độ ẩm và tuổi của bãi rác. Thành phần hoá học của nước rác trước hết phụ thuộc vào mức độ phân huỷ của rác (nhiệt độ, độ ẩm, tuổi, điều kiện môi trường). Nước thải từ các bãi rác với mức độ phân huỷ thấp (mới, mùa khô, lạnh) đang trong giai đoạn axit hoá thì 80 - 90% chất hữu cơ trong đó là các axit hữu cơ dễ bay hơi có khả năng sinh huỷ cao. Ngược lại nước thải từ bãi rác có độ phân huỷ sâu (giai đoạn tạo khí metan đang và sắp kết thúc) thì các chất hữu cơ trong đó chủ yếu là các chất trơ, khó sinh huỷ như axit humic, fulvic, tannin, lignin và amoni với hàm lượng rất cao.
Theo Robinson và Gronow thì nồng độ ammonium trong nước rác nằm trong khoảng 194-3.610 mg/l khi rác phân huỷ trong giai đoạn axit hoá và 283-2.040 mg/l trong giai đoạn metan hoá. Nước rác được tách ra khỏi bãi chôn, thường được gom về các hồ chứa trước khi được xử lý và thải ra môi trường. Sự biến động về nồng độ chất hữu cơ (BOD, COD) và hợp chất nitơ trong nước thải dưới sự tương tác của vi sinh vật, điều kiện vật lý (gió, mưa, khô, hanh, nóng, lạnh) và thực vật là đối tượng đáng quan tâm khi đánh giá đặc trưng của nước rỉ rác. Nước rỉ rác tại bãi chôn lấp lâu năm đa phần chứa các hợp chất hữu cơ phức tạp và khó phân hủy sinh học.