Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng hạt PVA gel để xử lý nitơ từ nước thải sinh hoạt

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng hạt PVA gel trong cố định sinh khối AOB và Anammox, cải thiện xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Phước Dân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Ứng Dụng Hạt PVA Gel Để Cố Định Sinh Khối AOB Và Anammox Cho Xử Lý Nitơ Trong Nước Thải Sinh Hoạt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.5.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt
• 2.1.1. Nước thải sinh hoạt
• 2.1.2. Xử lý nước thải sinh hoạt
• 2.2. Quá trình Deammonification
• 2.2.1. Quá trình one-stage anammox và two-stage anammox
• 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng
• 2.2.3. Hiệu quả xử lý
• 2.3. Các ứng dụng hạt PVA Gel vào xử lý nước thải
• 2.3.1. Quá trình CANON dùng hạt gel PVA cố định AOB và anammox
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thí nghiệm 1a: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải căn tin
• 3.1.1. Điều kiện vận hành
• 3.2. Thí nghiệm 1b: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải văn phòng
• 3.2.1. Điều kiện vận hành
• 3.3. Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn Anammox, AOB, NOB
• 3.3.1. Phương pháp
• 3.4. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu
• 3.4.1. Phương pháp phân tích
• 3.4.2. Phương pháp xử lý số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Thí nghiệm 1: Đánh giá khả năng xử lý nitơ
• 4.1.1. Các thành phần nitơ
• 4.1.2. pH và độ kiềm
• 4.1.4. Tính chất vật lý của hạt PVA gel
• 4.2. Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox
• 4.2.1. Hoạt tính AOB và NOB
• 4.2.2. Hoạt tính anammox (SAA)
• 4.3. Thảo luận chung
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu ứng dụng hạt PVA gel để cố định sinh khối AOB và anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực xử lý nước thải. Việc xử lý nitơ từ nước thải sinh hoạt không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần bảo vệ nguồn nước. Công nghệ xử lý nước thải hiện nay gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc xử lý nitơ. Việc ứng dụng PVA gel có thể cải thiện hiệu quả xử lý nitơ, nhờ vào khả năng cố định vi khuẩn AOB và anammox, giúp tạo ra môi trường tối ưu cho quá trình xử lý. Theo nghiên cứu, hiệu quả xử lý tổng nitơ (TN) đạt trung bình 53% với tải trọng nitơ và thời gian lưu nước khác nhau. Điều này cho thấy tính khả thi của hạt PVA gel trong xử lý nitơ từ nước thải sinh hoạt.

II. Tổng quan về nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều thành phần ô nhiễm, trong đó có nitơ, một trong những yếu tố chính gây ô nhiễm môi trường nước. Nước thải sinh hoạt thường có hàm lượng nitơ cao, bao gồm NH4+, NO2-, NO3-. Việc xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt là cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm. Các công nghệ hiện tại như A2O, MBR, và SANR đều có những ưu nhược điểm riêng. Trong đó, công nghệ sinh học như SANR kết hợp với hạt PVA gel được xem là giải pháp khả thi. Việc sử dụng PVA gel giúp tăng cường khả năng giữ lại vi khuẩn AOB và anammox, từ đó cải thiện hiệu suất xử lý nitơ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cố định vi khuẩn trên PVA gel không chỉ giúp tăng hiệu quả xử lý mà còn giảm thiểu sự rửa trôi vi khuẩn trong quá trình hoạt động.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua mô hình Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal (SANR) với hạt PVA gel làm chất mang sinh khối AOB và anammox. Mô hình được vận hành với các tải trọng nitơ khác nhau để đánh giá hiệu quả xử lý. Nước thải từ căn tin và văn phòng được sử dụng làm nguồn nước thải đầu vào. Các chỉ tiêu như pH, độ kiềm, NH4+, NO2-, NO3-, TKN và COD được phân tích theo các phương pháp tiêu chuẩn. Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý nitơ đạt trung bình 53% với hạt PVA gel cho cả nước thải căn tin và văn phòng. Việc đánh giá hoạt tính bùn AOB và anammox cho thấy khả năng xử lý cao, phù hợp với yêu cầu thực tiễn.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy hạt PVA gel có khả năng cải thiện hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt. Hiệu suất xử lý tổng nitơ đạt cực đại 74% đối với nước thải căn tin và 73% đối với nước thải văn phòng. Hoạt tính AOB và anammox được đánh giá cao, cho thấy sự phù hợp của PVA gel trong việc cố định sinh khối vi khuẩn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng PVA gel giúp giảm thiểu độc tính của nitrite đối với vi khuẩn anammox, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc ứng dụng công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh rằng ứng dụng hạt PVA gel trong xử lý nitơ từ nước thải sinh hoạt là khả thi và hiệu quả. Các kết quả đạt được cho thấy PVA gel không chỉ giúp cố định sinh khối AOB và anammox mà còn nâng cao hiệu suất xử lý tổng nitơ. Để phát triển hơn nữa công nghệ này, cần có các nghiên cứu sâu hơn về điều kiện vận hành tối ưu, cũng như mở rộng ứng dụng cho các loại nước thải khác nhau. Việc áp dụng công nghệ này có thể góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nước tại các đô thị lớn ở Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới, hệ thống thoát nước chung hiện thu gom và cung cấp nước thải cho 13 trong số 17 nhà máy xử lý nước thải đô thị đang vận hành tại Việt Nam với tổng công suất thiết kế lên đến 552.000 m³/ngày. Phần lớn các trạm xử lý này đang áp dụng công nghệ bùn hoạt tính truyền thống vốn tiêu hao nhiều điện năng sục khí và sản sinh lượng bùn thải lớn. Nước thải sinh hoạt chứa hàm lượng các hợp chất nitơ dao động từ 23 đến 69 mg/L, là nguyên nhân hàng đầu gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước tiếp nhận nếu không được loại bỏ triệt để. Các công nghệ sinh học thông thường như A2O hay màng vi lọc MBR đòi hỏi chi phí đầu tư lớn, nhu cầu tuần hoàn dòng thải cao và tiêu tốn nguồn carbon hữu cơ ngoại sinh để khử nitrat.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu ứng dụng hạt gel Polyvinyl Alcohol (PVA gel) có đường kính 4-5 mm để cố định đồng thời sinh khối vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB) và vi khuẩn oxy hóa amoni kỵ khí (Anammox), từ đó đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ của mô hình khử nitơ tự dưỡng một bậc (Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal - SANR) đối với nước thải sinh hoạt. Phạm vi thực nghiệm diễn ra từ tháng 02/2019 đến tháng 12/2019 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, trên hai nguồn nước thải thực tế gồm nước thải căn tin C6 (Quận 10) và nước thải tòa nhà văn phòng cho thuê Ree Tower (Quận 4). Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi mở ra hướng đi mới giúp tiết kiệm 100% nguồn carbon hữu cơ bổ sung, giảm 63% lượng oxy cấp cho sục khí và hạ tỷ lệ sinh bùn xuống mức cực thấp 0.05-0.10 kg bùn khô/kg nitơ loại bỏ, đạt hiệu suất xử lý tổng nitơ cực đại lên đến 74%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết của quá trình Deammonification và công nghệ CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) trong hệ thống phản ứng một bậc SANR. Cơ chế chuyển hóa nitơ tự dưỡng diễn ra thông qua hai phản ứng sinh hóa liên hợp:

1. Quá trình nitrit hóa bán phần do vi khuẩn AOB tự dưỡng hiếu khí thực hiện: Oxy hóa một phần amoni thành nitrit theo tỷ lệ cân bằng hóa học: $$NH_4^+ + 1.5 O_2 \rightarrow NO_2^- + H_2O + 2H^+$$

2. Quá trình Anammox do vi khuẩn thuộc ngành Planctomycetes thực hiện trong điều kiện kỵ khí: Sử dụng nitrit vừa tạo thành làm chất nhận điện tử để oxy hóa lượng amoni còn lại thành khí nitơ tự do: $$NH_4^+ + 1.32 NO_2^- + 0.066 HCO_3^- + 0.13 H^+ \rightarrow 1.02 N_2 + 0.26 NO_3^- + 0.066 CH_2O_{0.5}N_{0.15} + 2.03 H_2O$$

Các khái niệm then chốt bao gồm:

• Hạt PVA gel: Vật liệu polyme tổng hợp xốp, đường kính 4-5 mm, kích thước mao quản khoảng 20 µm, tỷ trọng 1.01-1.08 g/cm³, không tan và không bị phân hủy sinh học. Giá thể này tạo màng bọc phân lớp sinh thái lý tưởng: AOB cư trú ở bề mặt ngoài tiêu thụ oxy, tạo điều kiện kỵ khí bảo vệ Anammox ở vùng lõi bên trong.
• Khống chế vi khuẩn NOB: Duy trì nồng độ oxy hòa tan (DO) thấp từ 0.4 đến 0.8 mg/L bằng chế độ sục khí ngắt quãng nhằm ức chế vi khuẩn oxy hóa nitrit thành nitrat (NOB).
• Hoạt tính riêng sinh khối (SAA và SAAOB): Chỉ số định lượng tốc độ chuyển hóa chất nền đặc hiệu trên một đơn vị khối lượng bùn hoạt tính theo thời gian (mg N/g VSS.ngày).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu triển khai phương pháp thực nghiệm mô hình phòng thí nghiệm liên tục với nguồn dữ liệu thu thập trực tiếp từ hai hệ thống phản ứng acrylic: mô hình nước thải căn tin thể tích 10.8 lít (chứa 3 lít hạt PVA gel, tỷ lệ 27% v/v) và mô hình nước thải văn phòng thể tích 3.0 lít (chứa 1 lít hạt PVA gel, tỷ lệ 33% v/v). Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 185 mẫu nước thải được lấy và phân tích liên tục trong suốt 75 ngày vận hành đối với nước thải căn tin và 110 ngày đối với nước thải văn phòng.

Phương pháp chọn mẫu tổ hợp theo thời gian thực tế được áp dụng tại hố ga căn tin C6 và bể điều hòa trạm xử lý Ree Tower để phản ánh chính xác dao động chất lượng nước thải sinh hoạt với nồng độ amoni đầu vào từ 50 đến 120 mg/L và COD từ 70 đến 200 mg/L. Các phương pháp phân tích chỉ tiêu tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater:

• TKN xác định theo TCVN 6638:2000;
• $NH_4^+$-N xác định bằng phương pháp chưng cất Macro-Kjeldahl với độ chính xác ±0.01 mg/L;
• $NO_2^-$-N và $NO_3^-$-N đo quang phổ so màu trên thiết bị HACH DR/2010 với độ chính xác ±0.01 mg/L;
• COD xác định bằng phương pháp định phân hoàn lưu kín với độ chính xác ±14 mg/L;
• Thử nghiệm hoạt tính SAA và SAAOB thực hiện theo mẻ trong bình Erlen ổn nhiệt ở 30°C, lắc đảo 120 vòng/phút, sục khí nitơ 4 phút đuổi oxy để đánh giá chính xác động học phản ứng sinh học.

Timeline nghiên cứu kéo dài 10 tháng, chia thành giai đoạn thích nghi sinh khối (15-44 ngày) và ba giai đoạn tăng dần tải trọng nitơ (NLR từ 0.05 đến 0.50 kg N/m³.ngày) tương ứng với việc rút ngắn thời gian lưu nước (HRT) từ 28.8 giờ xuống 4.8 giờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình vận hành thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả vượt trội của việc ứng dụng hạt PVA gel mang sinh khối AOB và Anammox:

• Hiệu suất loại bỏ tổng nitơ (TN): Đạt giá trị trung bình 53% ở cả hai loại nước thải khi hệ thống đi vào giai đoạn ổn định. Đối với nước thải căn tin, hiệu suất xử lý TN đạt đỉnh 74% ở ngày vận hành thứ 72 với tải trọng NLR trung bình 0.35 kg N/m³.ngày (HRT = 4.8 giờ), nồng độ TN dòng ra giảm xuống mức 17.38 mg/L. Đối với nước thải văn phòng, hiệu suất TN đạt cực đại 73% ở HRT = 6.0 giờ.
• Khả năng chuyển hóa amoni ($NH_4^+$-N): Đạt tỷ lệ loại bỏ ấn tượng từ 83% đến 94% ở giai đoạn tải trọng cao. Nồng độ amoni dòng ra của nước thải văn phòng luôn duy trì ổn định dưới 10 mg/L, đáp ứng hoàn toàn giới hạn quy định tại Cột B của Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT.
• Kiểm soát và ức chế vi khuẩn NOB: Nồng độ nitrat ($NO_3^-$-N) dòng ra luôn duy trì ổn định ở mức dưới 5.0 mg/L trong 100% thời gian vận hành của cả hai mô hình. Điều này chứng minh NOB đã bị kìm hãm thành công và không xảy ra hiện tượng thất thoát nitrit sang nitrat.
• Hoạt tính sinh học của bùn cố định: Hoạt tính AOB (SAAOB) cực đại đạt 75.70 mg $NH_4^+$-N/g VSS.ngày đối với nước thải căn tin và 36.16 mg $NH_4^+$-N/g VSS.ngày đối với nước thải văn phòng. Hoạt tính Anammox (SAA) cực đại tương ứng đạt 89.20 mg $N_2$-N/g VSS.ngày và 66.40 mg $N_2$-N/g VSS.ngày, cho thấy sinh khối phát triển mật độ cao và thích nghi bền vững trong cấu trúc gel.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý nitơ cao và ổn định của mô hình bắt nguồn từ đặc tính cấu trúc hạt PVA gel. Cấu trúc mao quản xốp 20 µm đóng vai trò như một màng ngăn khuếch tán oxy tự nhiên. Vi khuẩn AOB phân bố ở lớp ngoài cùng tiêu thụ phần lớn oxy hòa tan khuếch tán từ môi trường nước (DO duy trì ở mức 0.6 - 0.8 mg/L), tạo ra vùng lõi thiếu khí cục bộ bên trong hạt, giúp bảo vệ vi khuẩn Anammox kỵ khí khỏi bị ức chế bởi oxy hòa tan. Đồng thời, việc sục khí gián đoạn (chế độ 30 giây chạy, 100 giây nghỉ) kết hợp tốc độ nước dâng tuần hoàn 6.55 - 25.48 m/h tạo xáo trộn đều, cân bằng hoàn hảo tỷ lệ cơ chất $NO_2^-$ sinh ra và $NH_4^+$ cho phản ứng Anammox.

So với các công nghệ xử lý truyền thống như AO hoặc A2O đòi hỏi tỷ lệ tuần hoàn bùn 200-400% và tiêu tốn lượng lớn hóa chất bổ sung carbon hữu cơ, công nghệ SANR với hạt PVA gel hoàn toàn tự dưỡng, giảm hơn 60% điện năng cấp khí. Khi so sánh với nghiên cứu của Wang và cộng sự đạt hiệu suất ammonium 59-98%, kết quả của luận văn (51-90%) hoàn toàn tương đồng, khẳng định tính khả thi của quy trình trên nước thải sinh hoạt có nồng độ nitơ thấp.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa qua chuỗi biểu đồ biến thiên động học nồng độ các dạng nitơ ($NH_4^+$, $NO_2^-$, $NO_3^-$, TN) theo dòng thời gian 75-110 ngày, kết hợp biểu đồ cột phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo từng dải HRT (28.8h, 14.4h, 7.2h, 4.8h) và các bảng tổng hợp độ lệch chuẩn cho thấy biên độ dao động nồng độ đầu ra giảm mạnh khi hệ vi sinh đạt trạng thái ổn định.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa công nghệ cố định sinh khối AOB và Anammox trên hạt PVA gel vào ứng dụng thực tế trên diện rộng, các giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật cụ thể bao gồm:

1. Tự động hóa hệ thống điều khiển cấp khí: Ban quản lý và kỹ sư vận hành trạm xử lý cần tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC kết nối cảm biến DO online để duy trì nồng độ DO ổn định trong dải 0.6 - 0.8 mg/L với chu kỳ cấp khí ngắt quãng (30 giây chạy / 100 giây nghỉ), hướng tới mục tiêu giảm thêm 15% năng lượng tiêu thụ điện của máy thổi khí trong vòng 6 tháng vận hành.
2. Chuẩn hóa quy trình chế tạo hạt PVA gel công nghiệp: Các doanh nghiệp công nghệ môi trường cần chủ trì thiết lập dây chuyền sản xuất hạt gel quy mô lớn với tỷ lệ phối trộn tối ưu (80 g PVA, 5 g Natri alginate, 200 ml bùn hạt AOB và 200 ml bùn hạt Anammox cho mỗi lít gel), đặt mục tiêu hạ giá thành sản xuất xuống dưới 60.000 VNĐ/lít hạt PVA gel thương phẩm trong lộ trình 12 tháng.
3. Kiểm soát tải lượng hữu cơ tiền xử lý: Đơn vị vận hành cần bố trí công đoạn lắng sơ bộ hoặc keo tụ nhằm khống chế tỷ lệ COD/TKN đầu vào dưới ngưỡng 2.0 và COD dưới 150 mg/L, ngăn ngừa sự phát triển cạnh tranh của vi sinh vật dị dưỡng trên bề mặt hạt gel trong suốt chu kỳ hoạt động liên tục 1-3 năm.
4. Bổ sung nguồn carbon vô cơ và ổn định pH: Bộ phận kỹ thuật cần duy trì trạm châm hóa chất tự động định lượng NaHCO3 ở mức 300 - 500 mg/L nước thải nhằm giữ độ kiềm trong bể ở mức 350 - 400 mg CaCO3/L và pH ổn định từ 7.5 đến 8.0, bảo đảm cung cấp đủ carbon vô cơ cho Anammox phát triển theo kế hoạch bảo trì định kỳ hàng tuần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế và tư vấn công nghệ môi trường: Tiếp cận các thông số thiết kế thực nghiệm định lượng chính xác (HRT tối ưu 4.8 - 6.0 giờ, tải trọng nitơ 0.30 - 0.50 kg N/m³.ngày, tỷ lệ lấp đầy hạt gel 27% - 33% v/v) để ứng dụng thiết kế các trạm xử lý nước thải sinh hoạt dạng module nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích xây dựng cho khu đô thị và tòa nhà văn phòng.
• Đơn vị quản lý và vận hành trạm xử lý nước thải: Khai thác quy trình kiểm soát tỷ lệ cấp khí ngắt quãng và kỹ thuật nuôi giữ sinh khối tự dưỡng để tối ưu hóa chi phí vận hành, giảm 60% tiền điện sục khí và cắt bỏ hoàn toàn chi phí mua hóa chất bù carbon hữu cơ.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Môi trường: Sử dụng quy trình chế tạo giá thể polyme PVA gel và phương pháp phân tích động học SAA, SAAOB trong phòng thí nghiệm làm tài liệu tham khảo chuẩn mực để phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về vi sinh vật tự dưỡng.
• Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Nắm bắt cơ sở dữ liệu khoa học về công nghệ SANR/Anammox trên giá thể polyme cố định để xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật khuyến khích ứng dụng công nghệ xử lý nước thải xanh, giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

Hạt PVA gel có độ bền cơ học và tuổi thọ như thế nào trong môi trường sục khí liên tục?
Hạt PVA gel được liên kết ngang bằng dung dịch acid boric và natri sulfat 0.5 M, tạo cấu trúc đàn hồi dẻo dai, không tan trong nước và không bị phân hủy sinh học. Qua hơn 110 ngày vận hành liên tục với lưu lượng nước tuần hoàn 1440 L/ngày, hạt duy trì nguyên vẹn hình thái hình cầu đường kính 4-5 mm, độ giãn nở lớp hạt ổn định từ 160% đến 250% mà không bị vỡ vụn hay bào mòn cơ học.

Làm thế nào để bảo vệ vi khuẩn Anammox kỵ khí tuyệt đối trong điều kiện bể có sục khí?
Cấu trúc mạng xốp mao quản 20 µm của hạt PVA gel cho phép vi khuẩn AOB hiếu khí cư trú dày đặc ở lớp vỏ ngoài để tiêu thụ oxy hòa tan (DO duy trì ở mức 0.6 - 0.8 mg/L). Lớp sinh khối ngoài này tạo thành màng chắn sinh học ngăn oxy khuếch tán vào vùng lõi trung tâm, thiết lập vi môi trường kỵ khí tuyệt đối giúp vi khuẩn Anammox bên trong phát triển ổn định mà không bị ức chế.

Thời gian khởi động và thích nghi của hệ vi sinh cố định trong PVA gel mất bao lâu?
Thời gian khởi động thực tế kéo dài từ 15 ngày đối với nước thải căn tin đến 44 ngày đối với nước thải văn phòng. Giai đoạn này cần thiết để vi khuẩn AOB và Anammox phục hồi hoạt tính sinh học sau khi cấy vào gel, đạt mức hoạt tính SAA đỉnh cao 89.20 mg $N_2$-N/g VSS.ngày khi vận hành ở điều kiện tải trọng ổn định.

Chất lượng nước thải sau xử lý bằng mô hình SANR có đáp ứng tiêu chuẩn xả thải không?
Nước thải sau xử lý đạt hiệu suất loại bỏ tổng nitơ 74% với nồng độ TN dòng ra đạt 17.38 mg/L và amoni duy trì dưới 10 mg/L. Chất lượng nước sau xử lý hoàn toàn thỏa mãn các chỉ tiêu xả thải theo Cột B của QCVN 14:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt) và Cột A của QCVN 40:2011/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp).

Vì sao bắt buộc phải bổ sung độ kiềm NaHCO3 trong quá trình vận hành hệ thống?
Quá trình AOB oxy hóa $NH_4^+$ thành $NO_2^-$ sinh ra 2 ion $H^+$ cho mỗi phân tử amoni chuyển hóa, làm sụt giảm độ kiềm và pH của hệ thống. Bổ sung khoảng 300 mg/L NaHCO3 giúp duy trì độ kiềm ở mức 350 - 400 mg CaCO3/L, giữ pH ổn định từ 7.5 đến 8.0, đồng thời cung cấp nguồn carbon vô cơ thiết yếu để vi khuẩn tự dưỡng AOB và Anammox tổng hợp tế bào.

Kết luận

• Ứng dụng thành công hạt PVA gel đường kính 4-5 mm với tỷ lệ điền đầy 27% - 33% v/v để cố định đồng thời vi khuẩn AOB và Anammox trong mô hình SANR xử lý nitơ từ nước thải sinh hoạt.
• Đạt hiệu suất xử lý tổng nitơ trung bình 53% và cực đại 74% ở thời gian lưu nước tối ưu từ 4.8 đến 6.0 giờ, nồng độ amoni đầu ra duy trì dưới 10 mg/L đạt Cột B QCVN 14:2008/BTNMT.
• Khống chế hoàn toàn vi khuẩn NOB với nồng độ nitrate dòng ra luôn dưới 5.0 mg/L nhờ chế độ sục khí gián đoạn duy trì oxy hòa tan ở mức 0.6 - 0.8 mg/L.
• Ghi nhận hoạt tính riêng sinh khối vượt trội trong giá thể gel với SAA đạt 89.20 mg $N_2$-N/g VSS.ngày và SAAOB đạt 75.70 mg $NH_4^+$-N/g VSS.ngày.
• Khẳng định tính khả thi của công nghệ Deammonification một bậc trên nước thải sinh hoạt nồng độ nitơ thấp, tạo tiền đề để triển khai thử nghiệm hệ thống pilot công suất 5 - 10 m³/ngày trong vòng 12 - 18 tháng tới.

Công trình luận văn là tài liệu tham khảo khoa học và hướng dẫn kỹ thuật giá trị dành cho các kỹ sư, nhà nghiên cứu và nhà quản lý trong việc đổi mới công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt theo hướng tiết kiệm năng lượng và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Bên cạnh các chỉ tiêu về chất hữu cơ, SS, Coliforms thì các nhà thiết kế công trình xử lý nước thải sinh hoạt cũng đặc biệt quan tâm về các chỉ tiêu Nitơ khi lựa chọn công nghệ xử lý. Hiện nay có rất nhiều công nghệ có thể lựa chọn để xử lý nước thải sinh hoạt như: aeroten, SBR, MBR, AO, A2O,. Trong các công nghệ kể trên thì A2O được xem là tiên tiến so với công nghệ aeroten truyền thống và AO nhờ vào khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ, nitơ và phospho. Ngoài ra, khi so sánh với các công nghệ khác, quá trình A2O sản sinh ra lượng bùn ít hơn và bùn cũng lắng tốt hơn.

Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình A2O là khả năng xử lý nitơ bị giới hạn bởi tỷ lệ tuần hoàn, trong khi khả năng xử lý photpho bị ảnh hưởng bởi lượng bùn mang theo nitrat tuần hoàn về vùng kị khí (Metcalf & Eddy, 2013). Hiện nay, công nghệ màng MBR cũng đươc ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải do nó có hiệu quả xử lý cao, đặc biệt là xử lý nitơ. Tuy vậy chi phí đầu tư mua màng cho MBR lớn và chưa áp dụng được cho các công trình có công suất lớn. Bên cạnh đó, màng cũng dễ bị tắc nghẽn nhanh nếu nước thải đầu vào không được tiền xử lý tốt, nhu cầu rửa màng khá lớn.

Trước những nhược điểm của các công nghệ xử lý hiện có, việc tìm ra công nghệ mới giúp khắc phục các nhược điểm đó là cần thiết. Công nghệ mới phải xử lý được nước thải sinh hoạt với hiệu quả cao (đặc biệt là Nitơ), tốc độ sinh bùn thấp. Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite (quá trình CANON) với sự kết hợp của 2 nhóm vi khuẩn: vi khuẩn anammox và AOB (Ammonium Oxidation Bacteria) là một quá trình sinh học xử lý nitơ hiệu quả về mặt năng lượng cùng với một số lợi ích kỹ thuật so với quá trình khử nitrat hóa thông thường (Cho và cộng sự, 2010). Quá trình CANON đã có khá nhiều nghiên cứu trước đây ở Việt Nam, ví dụ xử lý nitơ trong nước thải rỉ rác cũ (Le và cộng sự, 2019), xử lý nitơ trong nước thải cao su (Nguyen và cộng sự, 2017), xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi (Huynh và cộng sự, 2019).

Đây đều là các loại nước thải có hàm lượng nitơ cao, trong khi NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 2 nước thải có hàm lượng nitơ thấp như nước thải sinh hoạt chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Một trong những nhược điểm của quá trình CANON là vi khuẩn anammox có tốc độ tăng trưởng cực kỳ chậm, đồng thời dễ dàng bị rửa trôi trong quá trình hoạt động (Huynh và cộng sự, 2019). Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách cố định vi khuẩn Anammox và AOB trên Poly (vinyl alcohol) - (PVA) gel, sử dụng quá trình SANR (Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal). Poly (vinyl alcohol) - (PVA) gel là một polymer tổng hợp rẻ tiền, không độc hại, không hòa tan trong nước, không bị phân hủy sinh học và có độ xốp cao đã được ứng dụng rộng rãi trong việc cố định các vật liệu mang đặc tính sinh học.

Vi khuẩn anammox và AOB cố định trên chất mang PVA gel, giúp vi khuẩn AOB bên ngoài ở trong khu vực hiếu khí, trong khi vi khuẩn anammox bên trong được bảo vệ khỏi sự ức chế oxy (Bae và cộng sự, 2017). Hơn nữa, với quá trình SANR, việc tiêu thụ Nitrite của vi khuẩn Anammox xảy ra đồng thời với việc sản xuất Nitrite của AOB, giúp hạn chế độc tính Nitrite đối với vi khuẩn anammox (Strous và cộng sự, 1999). Do đó, nhóm đã tiến hành nghiên cứu về ứng dụng hạt PVA gel để cố định sinh khối AOB và anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của quá trình SANR với chất mang PVA gel cho nước thải căn tin và nước thải văn phòng cho thuê.

Nội dung nghiên cứu Để đáp ứng mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu bao gồm:  Vận hành mô hình PVA gel ở các tải trọng Nitơ khác nhau để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ.  Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox ở các tải trọng vận hành NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 3 1. Đối tượng nghiên cứu Nguồn nước thải là nước thải sinh hoạt được lấy từ hố ga căn tin C6, trường Đại Học Bách Khoa tại Quận 10 và nước thải sinh hoạt được lấy từ bể điều hòa của trạm xử lý nước thải của tòa nhà văn phòng cho thuê Ree Tower tại Quận 4. Bùn trước khi cấy vào giá thể PVA gel được lấy từ mô hình dòng tuần hoàn nội bộ (Internal Circulation – IC) (bùn hạt annamox) và mô hình nitrite hóa bán phần (Partial Nitritation – PN) (bùn hạt AOB và NOB).

Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu này được tiến hành dựa trên thực nghiệm ở qui mô phòng thí nghiệm, đánh giá khả năng xử lý nitơ ở các tải trọng nitơ khác nhau; đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox. PVA gel cố định AOB và anammox được kế thừa từ nghiên cứu sinh Phan Thế Nhật. Phương pháp lấy mẫu và phân tích, đánh giá các số liệu thực nghiệm theo các chỉ tiêu pH, độ kiềm, NH4+, NO2-, NO3-, TKN và COD. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu được thực hiện theo các quy chuẩn của Việt Nam và quốc tế (Standard Methods Methods for the Examination of Water and Wastewater).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu tìm thấy khả năng xử lý nitơ của quá trình SANR, trong đó sử dụng hạt PVA Gel làm chất mang sinh khối AOB và annammox đối với nước thải sinh hoạt. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu thể hiện tính khả thi trong ứng dụng quá trình này vào xử lý nước thải sinh hoạt. NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.

Tổng quan về nước thải sinh hoạt 2. Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là lượng nước thải do các sinh hoạt thường ngày như tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân, v. Thông thường thành phần nước thải sinh hoạt gồm khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là có hàm lượng các chất hữu cơ không bền sinh học (như Cacbon hydrat, protein, mỡ) cao, chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), vi trùng, chất rắn và mùi.

Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào các tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu vực phụ thuộc vào khả năng cấp nước của các nhà máy hiện có. Do nhu cầu sử dụng nước là khác nhau giữa nông thôn và thành thị nên lượng nước thải sinh hoạt tính trên đầu người có sự khác biệt giữa hai khu vực.1 Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam (World Bank, 2013) Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam được trình bày như Hình 2. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh kém, nước thải sinh hoạt không NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 5 được xử lý tốt là một trong những nguồn gây ô nhiễm trầm trọng.

Chất lượng nước thải sinh hoạt chưa xử lý có thể tham khảo qua Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý (Metcalf & Eddy, 2013) Nồng độ Các chỉ tiêu Nhẹ Trung bình Nặng Chất rắn tổng cộng, mg/l 537 806 1612 Tổng chất rắn hòa tan, mg/l 374 560 1121 Chất rắn lơ lửng, mg/l 130 195 389 BOD5, mg/l 133 200 400 COD, mg/l 339 508 1016 Tổng nitơ, mg/l 23 35 69 Tổng photpho, mg/l 3.6 11 Tổng Coliform, MNP/100ml 106 – 108 107 – 109 107 – 1010 2. Xử lý nước thải sinh hoạt Nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào tiếp nhận từ hệ thống thoát nước chung rất thấp, nhưng nhiều nhà máy xử lý lại được thiết kế để xử lý nước có thông số ô nhiễm cao hơn. Hệ thống thoát nước chung hiện đang thu gom và cung cấp nước thải cho 13 trong số 17 nhà máy xử lý nước thải đang hoạt động ở Việt Nam, với tổng công suất thiết kế là 552,000 m3/ngày. Trong số 13 nhà máy nói trên, 8 nhà máy có tổng công suất là 406,000 m3/ngày hiện đang áp dụng các giải pháp xử lý bằng bùn hoạt tính (bùn hoạt tính truyền thống, kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí, phản ứng theo mẻ, mương oxy hóa), vốn phù hợp để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và các thông số ô nhiễm khác cao hơn (World Bank, 2013).

Các công nghệ đang áp dụng tại các nhà máy xử lý nước thải tập trung ở Việt Nam được trình bày trong Bảng 2. NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 6 Bảng 2.2 Các công nghệ đang áp dụng tại Việt Nam tại thời điểm khảo sát (World Bank, 2013) Nhà máy xử lý Hệ thống STT Thành phố Quá trình xử lý nước thải thoát nước 1 Kim Liên A2O Chung 2 Trúc Bạch A2O Chung Hà Nội 3 Bắc Thăng Long A2O Chung 4 Yên Sở Bể sinh học theo mẻ Chung 5 Bình Hưng Hồ sinh học Chung TPHCM Bùn hoạt tính truyền 6 Bình Hưng Hòa Chung thống 7 Sơn Trà Hồ yếm khí Chung 8 Hòa Cường Hồ yếm khí Chung Đà Nẵng 9 Phú Lộc Hồ yếm khí Chung 10 Ngũ Hành Sơn Hồ yếm khí Chung 11 Bãi Cháy Bể sinh học theo mẻ Chung Quảng Ninh 12 Hà Khánh Bể sinh học theo mẻ Chung Bể lắng hai vỏ 13 Đà Lạt Đà Lạt Riêng + Lọc nhỏ giọt Buôn Ma 14 Buôn Ma Thuột Hồ sinh học Riêng Thuột 15 Bắc Giang Bắc Giang Mương oxy hóa Chung 2. Quá trình Deammonification 2. Cơ chế Quá trình CANON là quá trình xảy ra do sự tương tác của hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng: ammonia oxidizing bacteria (AOB) và anammox bacteria (Third và cộng sự, 2005).

Quá trình loại bỏ nitrogen có thể tóm lược bằng các phương trình sau (Lee và cộng sự, 2008): Nitrite hóa: 1.2) Tổng hợp hai phương trình: NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 7 NH4+ + 0.3) Tuy nhiên cả hai chủng vi sinh AOB và anammox đều tăng trưởng rất chậm do AOB cần oxy để sản sinh nitrite và tồn tại, trong khi oxy sẽ hạn chế và làm giảm hoạt tính của anammox. Do đó kiểm soát oxy và tỷ lệ sinh khối giữa AOB và anammox là rất quan trọng. NO2- sinh ra từ phương trình (2.1) được vi khuẩn anammox thuộc nhóm Planctomycete sử dụng làm chất nhận điện tử trong điều kiện kị khí để oxi hóa NH4+, phản ứng thể hiện tại phương trình (2. Anammox yêu cầu tỷ lệ NH4+:NO2- là 1:1.