MỞ ĐẦU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT Ở điều kiện Việt Nam, đa số chất thải rắn sinh hoạt đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp chôn lấp ở các bãi rác. Do đó, nƣớc rỉ rác phát sinh là một trong những loại nƣớc thải gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng vì nó chứa các chất độc hại nhƣ: ammonia, các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và các kim loại nặng, v. Các kim loại nặng không phải là vấn đề quan tâm trong nƣớc rỉ rác vì hàm lƣợng của chúng khá thấp trong khi nồng độ các chất khó phân hủy sinh học và ammonia thì rất cao (Biếc và cộng sự, 2013). Hiện nay, các nhà máy xử lý ở các bãi rác gặp một vài khó khăn: Chi phí đầu tƣ và vận hành còn khá cao, phát sinh các chất ô nhiễm thứ cấp sau các quá trình xử lý hóa lý và sau một thời gian vận hành thì hiệu quả xử lý giảm đáng kể do tính chất phức tạp của nƣớc rỉ rác.
Chính vì thế, việc nghiên cứu công nghệ xử lý mới có hiệu quả cao, chi phí đầu tƣ và vận hành thấp để xử lý nƣớc rỉ rác là một yêu cầu cấp thiết cho hiện tại và tƣơng lai. Năm 1995, các nhà khoa học đã phát hiện đƣợc một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chƣa từng biết đến trƣớc đó cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, đó là phản ứng oxy hóa kị khí ammonia (Anaerobic ammonia Oxidation, viết tắt là Anammox). Trong phản ứng này ammonia đƣợc oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kị khí tạo thành khí nitơ mà không cần cung cấp nguồn cacbon (Van de Graaf và cộng sự, 1996). Quá trình Anammox với chi phí vận hành thấp là một sự lựa chọn mới và đầy hứa hẹn trong tƣơng lai so với các quá trình sinh học truyền thống (Van de Graaf và cộng sự, 1995; Mulder và cộng sự, 1995).
Trong vòng hai thập niên vừa qua đã bùng nổ các nghiên cứu về quá trình Anammox và ứng dụng của nó. Nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nƣớc thải giàu ammonia thực sự mới chỉ đƣợc tiến hành một cách mạnh mẽ từ năm 2004 đến nay. Còn trong khoảng từ 1994 đến 2004, phần lớn tập trung vào nghiên cứu cơ bản nhằm định hƣớng cho triển khai ứng dụng (Jetten và cộng sự, 2004). Ở Việt Nam, quá trình Anammox đƣợc nghiên cứu thành công với một số loại nƣớc thải giàu nitơ nhƣ: Nƣớc thải chăn nuôi và nƣớc thải cao 1 su.
Liệu và cộng sự (2011) ứng dụng quá trình Snap cho xử lý nƣớc rỉ rác ở nồng độ thấp. Tuy nhiên, chƣa có một nghiên cứu nào sử dụng mô hình kết hợp giá thể và xoắn ốc để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ ở nồng độ cao bằng quá trình Anammox. Chính vì thế luận văn nay tập trung nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ ở nồng độ cao.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Từ những vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình kết hợp Anammox (HGSS – Hybrid Gas Solid Separator) để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ và ảnh hƣởng của độ kiềm lên quá trình Anammox” đƣợc thực hiện nhằm đạt mục tiêu chính sau: – Nghiên cứu khả năng loại bỏ nitơ của mô hình Anammox – HGSS cho nƣớc rỉ rác cũ sau khi đã qua quá trình nitrate hóa bán phần sử dụng quá trình sinh học bùn hoạt tính theo mẻ (SBR). – Khảo sát ảnh hƣởng của độ kiềm lên quá trình Anammox.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu là: Nƣớc rỉ rác cũ đƣợc lấy từ bãi chôn lấp Gò Cát sau khi đã qua quá trình nitrite hóa bán phần.4 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình kết hợp Anammox (HGSS – Hybrid Gas Solid Separator) để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ và ảnh hƣởng của độ kiềm lên quá trình Anammox” bao gồm những nội dung chính sau: – Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về nƣớc thải sử dụng quá trình Anammox cũng nhƣ các nghiên cứu về khả năng xử lý và các yếu tố ảnh hƣởng lên quá trình này.
– Nghiên cứu làm giàu bùn Anammox bằng mô hình HGSS với nƣớc thải nhân tạo. – Nghiên cứu tải trọng nitơ thích hợp cho quá trình Anammox bằng mô hình HGSS với nƣớc rỉ rác cũ sau quá trình nitrite hóa bán phần. 2 – Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ kiềm, pH, FA lên bùn Anammox với nƣớc rỉ rác cũ sau quá trình nitrite hóa bán phần.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, tác giả luận văn đã thực hiện các phƣơng pháp nghiên cứu sau đây: – Phƣơng pháp tổng quan, thu thập tài liệu đã nghiên cứu và ứng dụng thực tế trong và ngoài nƣớc về công nghệ xử lý nitơ trong các loại nƣớc thải. – Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết lập và vận hành mô hình HGSS.
– Phƣơng pháp thống kê và xử lý số liệu bằng phần mềm Excel.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 1.1 Tính mới Nghiên cứu ứng dụng mô hình HGSS xử lý nitơ cho nƣớc rỉ rác cũ là công trình đầu tiên đƣợc thực hiện ở Việt Nam.2 Tính khoa học – Kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá khả năng thích nghi, sinh trƣởng và phát triển của nhóm vi khuẩn Anammox trong nƣớc rỉ rác cũ. – Tạo cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn các yếu tố và thành phần hóa sinh trong nƣớc rỉ rác cũ ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý nitơ. – Tạo tiền đề cho việc tính toán thiết kế các công nghệ ứng dụng mô hình HGSS để loại bỏ nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ ở ngoài thực tế.3 Tính thực tiễn – Kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai ứng dụng mô hình HGSS trong xử lý nƣớc rỉ rác cũ có nồng độ ammonia cao với chi phí đầu tƣ cơ bản và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình sinh học truyền thống (nitrate hóa-khử nitrate). – Kết quả đề tài cũng làm tiền đề để nghiên cứu các loại nƣớc thải có nồng độ ammonia cao từ một số lĩnh vực nhƣ: Nƣớc thải từ lò mổ, nƣớc thải từ chế biến nƣớc tƣơng, các xí nghiệp chế biến thủy sản, nhà máy chế biến tinh bột sắn và thực phẩm, v.v … 3 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 CÁC THÀNH PHẦN TRONG NƢỚC RỈ RÁC CŨ Nƣớc rỉ rác cũ là loại nƣớc thải bị ô nhiễm nặng và thành phần phức tạp.
Hỗn hợp các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ có thể đƣợc sinh ra từ các quá trình sinh học, hóa học và vật lý diễn ra trong các bãi rác (Heyer và stegmann, 2002; Poznyak và cộng sự, 2008). Thành phần nƣớc rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhƣ: Tuổi thọ bãi rác, khí hậu, bản chất của các chất thải bị phân hủy và thành phần chất thải ở các vị trí khác nhau. Nƣớc rỉ rác bao gồm 4 thành phần chính: (Christensen và cộng sự, 2001; Kjeldsen và cộng sự, 2002). Chất hữu cơ hòa tan bao gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD) hoặc tổng cacbon hữu cơ bao gồm: CH4, các Acid béo dễ bay hơi và các hợp chất khó phân hủy sinh học nhƣ: Acid fulvic, acid humic, v.v… Các hợp chất vô cơ: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, Fe2+, Mn2+, Cl-, SO42-, HCO3- Các kim loại nặng: Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Zn Các hợp chất hữu cơ xenobiotic (XOCs) có nguồn gốc từ các hộ gia đình và trong công nghiệp.
Chúng có nồng độ tƣơng đối thấp (thông thƣờng ít hơn 1 g/m3 ứng với từng chất riêng lẻ) trong nƣớc rỉ rác bao gồm: Các loại hidrocabon vòng thơm, axit carbolic và các hợp chất halogen hữu cơ hấp phụ, v.v… Thành phần nƣớc rỉ rác cũng có thể đƣợc đặc trƣng bởi độc chất khác nhau và cũng đƣợc xác định bởi các xét nghiệm về độc học (Vibrio fischeri, Daphnia similes, Artemia salina ,v.v…) và đều này cung cấp thông tin về hàm lƣợng các chất ô nhiễm có thể gây hại đến các loại sinh vật xác định (Kjeldsen và cộng sự, 2002; Renou và cộng sự, 2008). Chất độc đƣợc hình thành từ hỗn hợp của các chất ô nhiễm khác nhau. Các thử nghiệm về độc chất có thể đƣa ra nhiều thông tin về tiềm năng tác động đến môi trƣờng hơn là thực hiện các phép phân tích về hóa học đơn thuần (Marttinen và cộng sự, 2002). Các thử nghiệm độc học đã xác định các tiềm năng gây ô nhiễm của nƣớc rỉ rác và cần phải xử lý nó (Kjeldsen và cộng sự, 2002; Renou và cộng sự, 2008).
4 Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng lên chất lƣợng của nƣớc rỉ rác. Tuy nhiên, trong các yếu tố thì tuổi thọ của bãi rác là yếu tố ảnh hƣởng đặc biệt đến thành phần nƣớc rỉ rác (Renou và cộng sự, 2008). Kulikowska và Klimiuk (2007) đã đƣa ra số liệu cho thấy tuổi thọ của bãi rác có ảnh hƣởng đặc biệt đáng kể đến các hợp chất hữu cơ và sự biến đổi các hợp chất này theo thời gian. 3 loại nƣớc rỉ rác có thể đƣợc phân loại theo tuổi thọ của bãi rác là: Mới, trung và ổn định (Amokrane và cộng sự, 1997; Poznyak và cộng sự, 2008).
Nhìn chung, nƣớc 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 của các hợp chất hữu cơ này thƣờng chứa nồng độ cao của các Acid béo dễ bay hơi (VFA). Theo thời gian, khi nƣớc rỉ rác trong giai đoạn lên men metan, sự phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dễ phân hủy sinh học giảm dần và VFA chuyển thành khí sinh học. Do đó, các chất hữu cơ, tỉ lệ BOD/COD giảm đáng kể và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học chiếm chủ yếu trong nƣớc rỉ rác cũ (Welander và cộng sự, 1998; Neczaj và cộng sự, 2007). Ngƣợc lại, hàm lƣợng ammonia không giảm và thƣờng là chất gây ô nhiễm chính trong nƣớc rỉ rác cũ (Kjeldsten và cộng sự, 2002).
Nguồn nitơ chủ yếu là protein và chiếm khoảng 0,5 % trọng lƣợng khô của chất thải rắn đô thị. Sự thủy phân mạch polypeptide rất khó xảy ra vì cần rất nhiều năng lƣợng và đây là nguyên nhân làm cho quá trình động học của sự thủy phân protein xảy ra chậm và điều này gây ra sự giải phóng ammonia chậm. Nitơ có thể gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng hóa cho các nguồn nƣớc tiếp nhận. Do đó, sự loại bỏ nó ra khỏi các nguồn nƣớc thải nói chung và nƣớc rỉ rác cũ nói riêng bằng phƣơng pháp sinh học là cấp thiết (Jokela và cộng sự, 2002).