Tổng quan nghiên cứu

Nước rỉ rác phát sinh từ các bãi chôn lấp lâu năm là một trong những loại nước thải phức tạp và khó xử lý nhất trong ngành công nghệ môi trường. Điển hình tại bãi chôn lấp Gò Cát (Thành phố Hồ Chí Minh) sau 6 năm đóng cửa, nguồn nước rỉ rác có nồng độ ammonia (NH4+-N) dao động ở mức rất cao, từ khoảng 2.000 mg/L đến gần 4.000 mg/L, trong khi hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học lại cực kỳ thấp với tỷ lệ BOD5/COD dưới 0,1.

Thực trạng này khiến các quy trình xử lý sinh học truyền thống dựa trên chu trình nitrat hóa và khử nitrat hóa hoàn toàn bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng. Hệ thống truyền thống không chỉ tiêu tốn lượng oxy sục khí khổng lồ (khoảng 4,57 mg O2 cho mỗi mg N được oxy hóa) mà còn đòi hỏi chi phí bổ sung nguồn cacbon hữu cơ ngoại sinh vô cùng đắt đỏ, dẫn đến tổng chi phí xử lý thực tế có thể vượt quá 70.000 đồng/m3 nước thải mà chất lượng đầu ra vẫn không ổn định.

Trước thách thức trên, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ bể phản ứng sinh học theo mẻ (SBR) để thực hiện quá trình nitrit hóa bán phần (partial nitritation). Mục tiêu trọng tâm là kiểm soát quá trình oxy hóa sinh học dừng lại ở mức chuyển hóa 50% ammonia thành nitrit (NO2--N), tạo ra dòng nước thải đầu ra có tỷ lệ NO2--N:NH4+-N ổn định trong khoảng 1,0 đến 1,3. Tỷ lệ tối ưu này đóng vai trò là bước tiền xử lý quyết định để cấp cơ chất cho quá trình oxy hóa ammonia kỵ khí (Anammox) ở phía sau.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm liên tục trong hơn 340 ngày tại phòng thí nghiệm chuyên ngành môi trường với nguồn nước rỉ rác thực tế lấy từ bãi rác Gò Cát. Giải pháp công nghệ này mang ý nghĩa đột phá khi giúp tiết kiệm 25% nhu cầu oxy hòa tan, cắt giảm 100% lượng cacbon hữu cơ bổ sung và giảm 30% lượng bùn thải sinh học so với công nghệ truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Quá trình nitrit hóa bán phần được xây dựng trên nền tảng động học sinh hóa của hai nhóm vi sinh vật tự dưỡng hiếu khí: nhóm vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB - Ammonia Oxidizing Bacteria, chủ yếu là chi Nitrosomonas) và nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB - Nitrite Oxidizing Bacteria, chủ yếu là chi Nitrobacter và Nitrospira). Phản ứng sinh hóa diễn ra theo hai bước nối tiếp:

Bước 1: NH4+ + 1,5 O2 -> NO2- + H2O + 2 H+ (thực hiện bởi AOB) Bước 2: NO2- + 0,5 O2 -> NO3- (thực hiện bởi NOB)

Để đạt được trạng thái nitrit hóa bán phần, nguyên lý cốt lõi là thúc đẩy tối đa tốc độ sinh trưởng của AOB và ức chế hoàn toàn hoạt tính của NOB. Đề tài vận dụng lý thuyết ức chế của ammonia tự do (FA) và axit nitrit tự do (FNA) theo phương trình động học Anthonisen. Theo lý thuyết này, vi khuẩn NOB rất nhạy cảm và bị ức chế ở nồng độ FA từ 0,1 đến 10 mg/L hoặc FNA từ 0,2 đến 2,8 mg/L. Trong khi đó, vi khuẩn AOB có khả năng chịu đựng cao hơn nhiều, chỉ bị ức chế khi FA đạt ngưỡng 10 đến 150 mg/L.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp các khái niệm cơ bản về công nghệ Anammox (chuyển hóa trực tiếp NH4+ và NO2- thành khí N2 mà không cần chất hữu cơ), bể phản ứng sinh học theo mẻ SBR với chu kỳ nạp - sục khí - lắng - rút nước linh hoạt, cùng các thông số kiểm soát như thời gian lưu nước (HRT), thời gian lưu bùn (SRT) và tỷ lệ trao đổi thể tích (VER).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình thí nghiệm SBR quy mô phòng thí nghiệm dạng hình trụ với thể tích làm việc 66,5 L, đường kính trong 42 cm và chiều cao 60 cm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng trăm mẻ phản ứng nối tiếp nhau, sử dụng nguồn bùn hoạt tính nuôi cấy ban đầu lấy từ bể Aerotank của Trạm xử lý nước rỉ rác Gò Cát với nồng độ chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng (MLSS) đạt 8.000 mg/L và chỉ số thể tích bùn SVI30 là 50 mL/g. Phương pháp chọn mẫu nước thải là lấy mẫu tổ hợp định kỳ trực tiếp từ bãi rác Gò Cát để đảm bảo tính đại diện cho các điều kiện thời tiết mùa khô và mùa mưa.

Các chỉ tiêu ô nhiễm được phân tích nghiêm ngặt theo Tiêu chuẩn Việt Nam và Standard Methods: nồng độ NH4+-N xác định bằng phương pháp so màu Phenate hoặc chưng cất Kjeldahl; NO2--N đo bằng phương pháp so màu NED dihydrochloride; NO3--N xác định qua phương pháp trắc quang khử Cadmium; COD phân tích bằng phương pháp hoàn lưu kín Dicromat; các chỉ tiêu DO và pH được giám sát liên tục bằng các đầu dò điện cực online. Việc lựa chọn phương pháp đo quang phổ và điện cực tự động là do nền nước rỉ rác chứa hàm lượng muối hòa tan cao (TDS đạt khoảng 918,6 mg/L) và độ màu phức tạp, đòi hỏi độ nhạy cao và khả năng hạn chế tối đa sai số do can nhiễu quang học.

Quá trình vận hành kéo dài qua hai giai đoạn chính:

  • Giai đoạn I (45 ngày đầu): Làm giàu bùn AOB ở nồng độ ammonia đầu vào 506 ± 13 mg/L, duy trì nồng độ oxy hòa tan DO > 4 mg/L, pH đầu vào 7,3 - 7,5 và HRT từ 0,5 đến 0,86 ngày.
  • Giai đoạn II (từ ngày 46 đến ngày 341 trở đi): Khảo sát ảnh hưởng của FA, FNA và tối ưu hóa HRT qua 5 dải nồng độ ammonia tăng dần: 1.038 ± 34 mg/L (HRT 0,79 - 0,86 ngày), 1.561 ± 63 mg/L (HRT 1,21 ngày), 2.007 ± 10 mg/L (HRT 1,5 - 2,0 ngày) và nồng độ nguyên chất 3.830 ± 107 mg/L (HRT 3,93 - 5,78 ngày).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình làm giàu sinh khối vi khuẩn oxy hóa ammonia AOB đã diễn ra thành công sau 45 ngày vận hành ban đầu. Dưới các điều kiện kiểm soát nồng độ DO > 4 mg/L và pH đầu vào 7,3 - 7,5, nồng độ MLVSS tăng trưởng ổn định, hoạt tính của AOB được kích hoạt mạnh mẽ trong khi vi khuẩn NOB bị loại bỏ hoàn toàn khỏi hệ thống, thể hiện qua việc nitrat trong nước đầu ra chỉ chiếm dưới 5% tổng lượng nitơ chuyển hóa.

Khi tăng dần nồng độ ammonia nước rỉ rác đầu vào, bể SBR đã thiết lập trạng thái nitrit hóa bán phần ổn định vượt bậc. Đặc biệt từ ngày vận hành thứ 341, với nồng độ ammonia đầu vào rất cao đạt mức 3.830 ± 107 mg/L (nước rỉ rác thô không pha loãng), nồng độ ammonia và nitrit trung bình ở đầu ra thu được tương đương nhau ở mức 1.874 mg/L. Kết quả này tạo ra tỷ lệ NO2--N:NH4+-N nằm hoàn hảo trong khoảng mục tiêu 1,0 đến 1,3 với thời gian lưu nước tối ưu từ 3,93 đến 5,78 ngày.

Nghiên cứu phát hiện nồng độ ammonia tự do (FA) duy trì ở mức cao trong bể không hề gây ức chế tuyệt đối lên vi khuẩn AOB mà chỉ làm suy giảm một phần hoạt tính oxy hóa, đồng thời tạo ra áp lực chọn lọc triệt để ức chế NOB. Tốc độ tiêu thụ ammonia riêng trung bình của bùn đạt 9,14 mg NH4+-N/g VSS.h khi thời gian lưu bùn (SRT) được kiểm soát trên 20 ngày.

Lượng tiêu thụ độ kiềm thực tế đo được trong toàn bộ quá trình dao động từ 4,01 đến 8,16 mg CaCO3 cho mỗi mg NH4+-N bị oxy hóa, cao hơn đáng kể so với hệ số tính toán lý thuyết thông thường (khoảng 3,57 mg CaCO3/mg N đối với nitrit hóa bán phần).

Thảo luận kết quả

Hiện tượng tiêu thụ độ kiềm thực tế cao hơn lý thuyết được giải thích bởi hai cơ chế chính: sự tích lũy của axit nitrit tự do trong dung dịch làm biến đổi cân bằng hệ đệm cacbonat và hiện tượng bay hơi ammonia tự nhiên (ammonia stripping). Khi vận hành ở nồng độ ammonia đầu vào vượt quá 1.500 mg/L kết hợp cường độ sục khí liên tục, một lượng ammonia dạng khí đã thoát ra ngoài theo pha khí, kéo theo sự tiêu hao thêm độ kiềm của hệ thống.

Mối quan hệ giữa sự tiêu thụ độ kiềm và giá trị pH đầu ra thể hiện sự tương quan nghịch rất chặt chẽ với hệ số tương quan R² = 0,759. Dữ liệu động học này có thể được mô tả trực quan thông qua biểu đồ phân tán tuyến tính và đồ thị hộp (Boxplot), làm nổi bật xu hướng giảm pH khi lượng kiềm bị tiêu thụ tối đa ở cuối pha sục khí.

Về khả năng xử lý chất hữu cơ, hiệu quả loại bỏ COD của hệ thống duy trì ở mức rất thấp (dưới 20%) và có xu hướng suy giảm mạnh khi nồng độ nitrit tích lũy trong bể vượt quá 500 mg/L. Điều này chứng minh nồng độ nitrit cao đã gây ức chế rõ rệt lên hoạt tính của quần thể vi sinh vật dị dưỡng. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với bản chất nước rỉ rác cũ chứa chủ yếu các hợp chất hữu cơ trơ khó phân hủy như axit humic và axit fulvic.

So với các công bố quốc tế trước đây của các nhóm nghiên cứu như Ganigué (vận hành ở tải trọng nitơ 1,0 - 1,5 kg N/m3.ngày) hay Huosheng Li (tỷ lệ NO2--N:NH4+-N đạt 1,16), nghiên cứu này đã khẳng định khả năng làm chủ công nghệ SBR trên nền nước rỉ rác thực tế có độ biến động cao của Việt Nam với nồng độ ammonia lên tới 4.000 mg/L mà không cần bổ sung hóa chất đắt tiền.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tiễn xử lý môi trường, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất:

  1. Triển khai thiết kế và lắp đặt hệ thống tích hợp hai giai đoạn SBR - Anammox tại các khu liên hợp xử lý chất thải rắn đô thị, đặt mục tiêu đạt hiệu suất loại bỏ tổng nitơ trên 90%, tiết kiệm 25% năng lượng điện sục khí và cắt giảm 100% chi phí mua hóa chất cacbon hữu cơ, hoàn thành giai đoạn thử nghiệm pilot quy mô 5 đến 10 m3/ngày trong vòng 12 tháng do Ban Quản lý các Khu xử lý chất thải phối hợp cùng các viện nghiên cứu thực hiện.

  2. Chuẩn hóa quy trình vận hành tự động kiểm soát pH đầu vào trong khoảng 7,3 đến 7,5 và duy trì nồng độ DO trên 4 mg/L thông qua hệ thống van điều khiển khí nén tự động kết nối đầu dò online, nhằm duy trì chuẩn xác tỷ lệ NO2--N:NH4+-N đầu ra từ 1,0 đến 1,3 trong thời hạn 6 tháng do đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy thực hiện.

  3. Lắp đặt tháp hấp thụ khí ammonia bay hơi bằng dung dịch axit sunfuric loãng (H2SO4) tuần hoàn phía trên bể SBR đối với các mẻ xử lý nước rỉ rác có nồng độ ammonia trên 1.500 mg/L, hướng tới mục tiêu thu hồi trên 95% lượng khí NH3 phát thải và tận dụng tạo ra phân bón amoni sunfat thương phẩm trong lộ trình 9 tháng do doanh nghiệp xử lý môi trường chủ trì.

  4. Tận dụng nguồn nước thải công nghiệp có tính kiềm cao hoặc phối trộn bicarbonate natri (NaHCO3) với liều lượng tương đương 4,01 đến 8,16 mg CaCO3/mg NH4+-N để bổ sung hệ đệm, đảm bảo quá trình nitrit hóa bán phần không bị đình trệ do tụt giảm pH, áp dụng thử nghiệm ngay trong 3 tháng đầu vận hành hệ thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu thực nghiệm trong công trình là nguồn tài liệu hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Kỹ sư thiết kế và vận hành công trình xử lý nước thải: Nắm bắt các thông số công nghệ chuẩn xác như HRT từ 3,93 đến 5,78 ngày, SRT trên 20 ngày và chế độ điều khiển sục khí để cải tạo, nâng cấp các trạm xử lý nước rỉ rác đang bị quá tải ammonia hoặc thiết kế mới các trạm xử lý nước thải công nghiệp nồng độ cao.

  2. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Công nghệ Môi trường: Khai thác các dữ liệu thực nghiệm về động học vi sinh AOB/NOB, cơ chế ức chế của FA và FNA làm cơ sở lý thuyết cho các đề tài phát triển mô hình mô phỏng sinh học và các công nghệ sinh học tiên tiến.

  3. Ban quản lý bãi chôn lấp và cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Tham khảo cơ sở khoa học và tính khả thi kinh tế để lựa chọn phương án công nghệ thay thế các giải pháp hóa lý tốn kém, đảm bảo nước thải sau xử lý đáp ứng quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT với chi phí vận hành tối ưu.

  4. Doanh nghiệp trong các ngành công nghiệp phát sinh nước thải đậm đặc nitơ (chế biến cao su, sản xuất phân bón, thuộc da, chế biến thủy hải sản, giết mổ gia súc): Áp dụng nguyên lý làm giàu bùn AOB và mô hình SBR để xử lý triệt để dòng thải ammonia trên 1.000 mg/L mà không cần tốn diện tích pha loãng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao quá trình nitrit hóa bán phần lại là bước đệm bắt buộc trước bể phản ứng Anammox? Quá trình Anammox đòi hỏi dòng nước nạp phải có tỷ lệ mol giữa nitrit và ammonia nằm trong khoảng tối ưu từ 1,0 đến 1,3 để phản ứng oxy hóa kỵ khí diễn ra hoàn toàn thành khí N2. Do nước rỉ rác cũ hầu như chỉ chứa ammonia mà không có sẵn nitrit, công đoạn nitrit hóa bán phần trong bể SBR giúp chuyển hóa đúng 50% ammonia thành nitrit, tiết kiệm 25% lượng oxy cấp và loại bỏ hoàn toàn nhu cầu cấp chất hữu cơ.

Làm thế nào để ức chế bền vững vi khuẩn oxy hóa nitrit NOB trong bể SBR? Hệ thống duy trì nồng độ ammonia tự do FA ở mức cao (từ 20 đến 60 mg/L) kết hợp kiểm soát chặt chẽ giá trị pH đầu vào từ 7,3 đến 7,5 và thời gian lưu nước HRT thích hợp. Do ngưỡng chịu đựng FA của NOB thấp hơn nhiều so với AOB, hoạt tính chuyển hóa nitrit thành nitrat bị triệt tiêu hoàn toàn, giúp tích lũy nitrit bền vững trong suốt hơn 340 ngày vận hành.

Thời gian lưu nước HRT bao nhiêu là tối ưu khi xử lý nước rỉ rác có nồng độ ammonia 3.830 mg/L? Kết quả thực nghiệm khẳng định khoảng HRT từ 3,93 đến 5,78 ngày là điều kiện tối ưu nhất cho nước rỉ rác thô có nồng độ ammonia 3.830 ± 107 mg/L. Tại dải HRT này, hệ thống đạt trạng thái cân bằng động học lý tưởng, tạo ra nồng độ ammonia và nitrit đầu ra đồng đều ở mức xấp xỉ 1.874 mg/L.

Nồng độ chất hữu cơ COD có bị loại bỏ đáng kể trong bể nitrit hóa bán phần không? Hiệu quả loại bỏ COD trong bể SBR nitrit hóa bán phần rất thấp, thường dưới 20% và suy giảm mạnh khi nồng độ nitrit đầu ra vượt quá 500 mg/L do nitrit ức chế vi sinh vật dị dưỡng. Do đó, phần COD khó phân hủy còn lại trong nước rỉ rác cần được xử lý bằng các công đoạn hóa lý chuyên sâu như keo tụ hoặc oxy hóa bậc cao fenton ở các bước tiếp theo.

Tại sao mức tiêu thụ độ kiềm thực tế lại cao hơn giá trị lý thuyết? Lượng kiềm tiêu thụ thực tế đạt từ 4,01 đến 8,16 mg CaCO3/mg NH4+-N, vượt mức lý thuyết 3,57 mg CaCO3/mg N. Nguyên nhân chính là do sự phát sinh axit nitrit tự do làm suy giảm hệ đệm và hiện tượng sục khí kéo dài ở nồng độ ammonia cao trên 1.500 mg/L gây ra sự bay hơi một phần ammonia khí thoát ra ngoài môi trường.

Kết luận

  • Làm giàu thành công bùn hoạt tính chứa vi khuẩn oxy hóa ammonia AOB sau 45 ngày vận hành trong điều kiện DO > 4 mg/L và pH đầu vào 7,3 - 7,5.
  • Đạt hiệu quả nitrit hóa bán phần xuất sắc trên nền nước rỉ rác thực tế có nồng độ ammonia cực cao lên tới 3.830 ± 107 mg/L với tỷ lệ NO2--N:NH4+-N ổn định từ 1,0 đến 1,3.
  • Xác định dải thời gian lưu nước tối ưu từ 3,93 đến 5,78 ngày và ghi nhận tốc độ tiêu thụ ammonia riêng của bùn đạt 9,14 mg NH4+-N/g VSS.h khi tuổi bùn SRT trên 20 ngày.
  • Làm sáng tỏ cơ chế chịu đựng FA của AOB, sự ức chế chọn lọc NOB và thiết lập mối tương quan nghịch chặt chẽ giữa tiêu thụ độ kiềm với pH đầu ra với R² = 0,759.
  • Cung cấp giải pháp công nghệ mang tính đột phá giúp cắt giảm 25% nhu cầu sục khí oxy và loại bỏ 100% chi phí bổ sung nguồn cacbon hữu cơ trong xử lý nước rỉ rác cũ.

Lộ trình phát triển tiếp theo là ghép nối hệ thống SBR này với mô hình Anammox quy mô pilot 50 L để hoàn thiện dây chuyền công nghệ khép kín trong vòng 6 tháng tới. Quý cơ quan quản lý, doanh nghiệp và các nhà khoa học quan tâm hãy chủ động kết nối với nhóm nghiên cứu để cùng triển khai thử nghiệm và chuyển giao công nghệ xử lý nitơ tiên tiến này vào các dự án thực tế.