MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Hiện nay, chôn lấp là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất về mặt quản lý chất thải rắn (Kurniawan và cộng sự, 2006). Một trong những mối quan tâm chính về mặt môi trường xuất hiện từ sự quản lý các bãi chôn lấp này là nước rỉ rác. Đáng chú ý, nước rỉ rác phát sinh từ các bãi chôn lấp cũ thường chứa hàm lượng ammonia cao và các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học thấp.
Xử lý nước rỉ rác cũ áp dụng công nghệ sinh học truyền thống dựa trên nguyên lý nitrat hóa - khử nitrat thường có hiệu quả không ổn định và chi phí vận hành cao. Sự oxy hóa kỵ khí ammonia (anaerobic ammonia oxidation, viết tắt là anammox) là một công nghệ mới đã được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Quá trình anammox không cần cung cấp chất hữu cơ cho quá trình loại bỏ nitơ, vì thế nó có tiềm năng về mặt kỹ thuật và đem lại lợi ích kinh tế cao đối với xử lý nước rỉ rác cũ so với quá trình loại bỏ nitơ bằng con đường sinh học truyền thống. Trong phản ứng anammox, ammonia được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí tạo thành khí nitơ và tỉ lệ nitrit chia cho ammonia trong phản ứng này khoảng 1 - 1,3 (van de Graaf và cộng sự, 1996).
Vì nồng độ nitrit tương đối thấp trong nước rỉ rác, do đó, giai đoạn nitrit hóa bán phần phía trước thì đòi hỏi nhằm chuyển hóa một nửa ammonia thành nitrit làm đầu vào cho quá trình anammox. Điều quan trọng nhất của quá trình nitrit hóa bán phần là nâng cao sự sinh trưởng của vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và ức chế vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) (Liang và Liu, 2006). Quá trình nitrit hóa bán phần thực hiện trong bể phản ứng khuấy trộn liên tục có thể làm hạn chế tốc độ sinh trưởng của AOB khi tải trọng nitơ đầu vào tăng (Wyffels và cộng sự, 2004). Để nâng cao tốc độ sinh trưởng của AOB, các công nghệ khác đã được nghiên cứu như: MBR, bể phản ứng sinh học có giá thể và SBR.
Tuy nhiên, ở công nghệ MBR và bể phản ứng sinh học có giá thể gặp khó khăn để kiểm soát tuổi bùn dẫn đến sự ức chế NOB bị hạn chế (Fux và cộng sự, 2004). Công nghệ SBR có thể khắc phục được nhược điểm này (R. Ganigué và cộng sự, 2009). Các nghiên cứu về quá trình nitrit hóa bán phần trong nước rỉ rác đã được tiến hành nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới như: Pháp, Trung Quốc, Hà HVTH: Hà Như Biếc 2 Lan, v.v… Các kết quả trong các nghiên cứu này cho thấy quá trình nitrit hóa bán phần có thể đạt được hiệu quả cao ở nồng độ ammonia đầu vào lên đến 5.000 mg/L và tải trọng nitơ 1,5 kg N/m3.ngày (Liang và Liu, 2006; R.
Ganigué và cộng sự, 2007, 2009, 2012; Huosheng Li và cộng sự, 2013; v. Tuy nhiên, ở Việt Nam, nghiên cứu về quá trình nitrit hóa bán phần mới chỉ được nghiên cứu đối với nước thải chăn nuôi heo và nước rỉ rác (Phạm Khắc Liệu và cộng sự, 2005, 2011; Lê Công Nhất Phương và cộng sự, 2007, 2011). Quá trình đạt hiệu quả ở nồng độ ammonia thấp 500 mg/L và tải trọng nitơ dưới 0,5 kg N/m3. Từ các cơ sở trên, nghiên cứu tiến hành sử dụng SBR và quá trình nitrit hóa bán phần cho xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ (có nồng độ NH4+-N cao) tại nước ta.
Mục tiêu Mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ammonia cao lên quá trình nitrit hóa bán phần xử lý nước rỉ rác cũ bằng mô hình SBR như là bước tiền xử lý cho quá trình anammox phía sau. Đối tƣợng nghiên cứu Nước thải thực nghiệm là nước rỉ rác lấy từ bãi rác Gò Cát, xã Bình Hưng Hòa, huyện Bình Chánh, Tp. HCM đã đóng cửa được 6 năm với nồng độ chất hữu cơ (BOD5, COD) thấp và nồng độ ammonia cao. Nghiên cứu này sử dụng mô hình SBR.
Nội dung nghiên cứu Để đáp ứng mục tiêu trên, nghiên cứu gồm các nội dung sau: (1) Xác định các thông số vận hành thích hợp để làm giàu bùn AOB. Các thông số này là: DO và pH đầu vào. (2) Khảo sát ảnh hưởng FA và FNA lên hoạt tính AOB và NOB ở các nồng độ ammonia đầu vào khác nhau. (3) Xác định HRT thích hợp để đạt được quá trình nitrit hóa bán phần ở các nồng độ ammonia đầu vào khác nhau.
HVTH: Hà Như Biếc 3 (4) Đánh giá sự tiêu thụ độ kiềm, sự bay hơi ammonia, tốc độ tiêu thụ ammonia và hiệu quả xử lý COD trong quá trình nitrit hóa bán phần ở các nồng độ ammonia đầu vào khác nhau. Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: phương pháp tổng quan, kế thừa: tổng hợp, thu thập có chọn lọc, tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan đến nghiên cứu; 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 thống kê, xử lý số liệu: xử lý số liệu bằng các công thức toán học và phần mềm Excel, Stata. Ý nghĩa khoa học Về khoa học, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá khả năng thích nghi, sinh trưởng và phát triển của nhóm vi khuẩn nitrit hóa trong nước rỉ rác cũ. Bên cũng đó nghiên cứu cũng là tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về quá trình nitrit hóa bán phần trong nước rỉ rác cũ như là xác định thông số động học.
Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu góp phần vào việc triển khai mô hình ngoài thực tế tích hợp với quá trình anammox trong xử lý nước rỉ rác có nồng độ ammonia cao với chi phí đầu tư cơ bản và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình khử nitơ truyền thống (nitrat hóa - khử nitrat). Hơn nữa, kết quả nghiên cứu cũng làm tiền đề cho các nghiên cứu mở rộng ra đối với các loại nước thải có nồng độ ammonia cao từ một số lĩnh vực chăn nuôi, công nghiệp như: nước thải từ lò mổ, nước thải từ chế biến nước tương, các xí nghiệp chế biến thủy sản, chăn nuôi heo, nhà máy chế biến tinh bột sắn, nhà máy chế biến cao su, nhà máy chế biến thuộc da, nhà máy sản xuất phân bón, thực phẩm và một số ngành nghề khác, v.v… HVTH: Hà Như Biếc 4 1. Tính mới của đề tài Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrit hóa bán phần sử dụng mô hình SBR để xử lý nitơ trong nước thải rỉ rác cũ vận hành ở nồng độ ammonia đầu vào lên đến 4.000 mg NH4+-N/L hay tải trọng nitơ lớn hơn 1 kg N/m3. HVTH: Hà Như Biếc 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.
Đặc điểm thành phần, tính chất nước rỉ rác Nước rỉ rác là nước thải ô nhiễm rất cao và phức tạp. Thành phần nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tuổi bãi rác, khí hậu, bản chất của chất thải phân hủy và cũng thay đổi từ vị trí này đến vị trí khác. Nước rỉ rác bao gồm bốn thành phần chính (Kjeldsen và cộng sự, 2002): - Các hợp chất hữu cơ bao gồm: các chất hữu cơ hòa tan, các axit béo dễ bay hơi và các hợp chất bền nhiệt: axit fulvic, axit humic, v. - Các chất vô cơ: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, Fe2+, Mn2+, Cl-, SO42- và HCO3- - Kim loại nặng: Cd2+, Cr3+, Cu2+, Pb2+, Ni2+ và Zn2+.
- Các hợp chất hữu cơ xenobiotic gồm: các hợp chất vòng thơm, phenol, thuốc trừ sâu, v. Các hợp chất này thường tồn tại ở hàm lượng thấp. Thành phần nước rỉ rác cũng chứa các chất độc và chúng được xác định bằng các thử nghiệm độc học (Vibrio fischeri, Daphania similes, Artemia salina, v. Các chất độc này có hại đối với các vi sinh vật (Kjeldsen và cộng sự, 2002).
Các thử nghiệm độc học xác nhận các căn bệnh tiềm ẩn từ nước rỉ rác và sự cần thiết phải xử lý nó. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước rỉ rác. Tuy nhiên, trong nhiều yếu tố, tuổi thọ bãi rác là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến thành phần nước rỉ rác (Renou và cộng sự, 2008). Kulikowska và Klimiuk (2007) đã đưa ra dữ liệu cho thấy tuổi thọ bãi rác có ảnh hưởng đáng kể đến các hợp chất hữu cơ và sự biến thiên các tham số này theo thời gian đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nước rỉ rác.
Ba loại nước rỉ rác được phân loại theo tuổi bãi rác là: mới, trung và ổn định (cũ) (Amokrane và cộng sự, 1997) được thể hiện ở bảng 1. HVTH: Hà Như Biếc 6 Bảng 1.1: Tính chất nước rỉ rác tại BCL Gò Cát theo thời gian (CENTEMA, 2002) Nước rỉ rác mới Nước rỉ rác mới Nước rỉ rác Thành phần Đơn vị mùa khô mùa mưa cũ pH 4,8 - 6,2 6,5 - 6,9 7,81 - 7,89 TDS mg/L 7.165 484,4 918,6 Phospho tổng mg/L 55,8 - 89,6 13,3 6,4 - 10,1 Độ cứng tổng mg CaCO3//L 5.739 465 60 - 80 Mg2+ mg/L 404 - 687 165 297 - 381 Cl- mg/L 3.400 - 1590 - 14 Fe tổng mg/L 204 - 208 46,8 4,5 Cr tổng mg/L 0,04 - 0,05 - - Zn mg/L 93 - 202 - - Pb mg/L 0,32 - 1,9 - - Cd mg/L 0,02 - 0,1 Ni mg/L 2,21 - 8,02 - - Mn mg/L 14,5 - 32,17 - - Cu mg/L 3,5 - 4,0 - - Nhìn chung, nước rỉ rác mới chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và sản phẩm của quá trình lên men kỵ khí nhanh chóng của các hợp chất hữu cơ này thường chứa hàm lượng cao các axit dễ bay hơi (VFA). Theo thời gian, khi nước rỉ rác trong giai đoạn lên men methan, các chất ô nhiễm hữu cơ dễ phân hủy sinh học giảm dần và VFA chuyển thành khí sinh học. Cuối cùng, tỉ lệ BOD/COD giảm đáng kể và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học chiếm chủ yếu trong các hợp chất hữu cơ.
Trái lại, hàm lượng ammonia không giảm và thường là chất ô nhiễm tồn tại lâu dài trong nước rỉ rác (Kjeldsten và cộng sự, 2002). Nitơ có thể gây HVTH: Hà Như Biếc 7 phú dưỡng cho nguồn nước tiếp nhận. Vì thế, loại bỏ nitơ trong nước rỉ rác là cần thiết. Công nghệ xử lý nước rỉ rác Có hai phương pháp xử lý cơ bản được áp dụng trong xử lý nước rỉ rác, đó là phương pháp hóa học/hóa lý và phương pháp sinh học.
