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.
