MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT Chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt là một phƣơng pháp phổ biến, rẻ tiền và dễ dàng nhất trong các phƣơng pháp xử lý chất thải rắn từng đƣợc áp dụng trên toàn thế giới. Chôn lấp hợp vệ sinh là một phƣơng pháp kiểm soát sự phân hủy của chất thải rắn khi chúng đƣợc chôn nén và phủ lấp bề mặt. Nƣớc rỉ từ bãi chôn lấp (còn gọi là nƣớc rỉ rác) là nƣớc bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng dƣới của bãi chôn lấp có khả năng làm nhiễm bẩn nguồn nƣớc ngầm và nƣớc mặt nếu không đƣợc thu gom và xử lý triệt để.
Nƣớc rỉ rác sản sinh ra ngay từ khi bãi rác mới vận hành cho đến nhiều thập niên tiếp theo thậm chí khi bãi rác đã đóng cửa. Nƣớc rỉ rác sản sinh ra chủ yếu từ độ ẩm của rác, các dòng thấm chảy qua lớp chất thải đƣợc chôn lấp và hòa tan các chất có trong chất thải vào dòng lỏng. Ở các nƣớc có khí hậu nóng ẩm nhƣ Việt Nam, một yếu tố bất lợi của phƣơng pháp này là sự sinh ra một lƣợng nƣớc rỉ rác rất lớn và tăng nhanh trong quá trình vận hành bãi chôn lấp do các yếu tố bất lợi từ khí hậu đem lại.Cùng với sự phát triển, thành phần và nồng độ các loại chất thải ngày càng gia tăng phức tạp dẫn đến sự tích lũy ngày càng nhiều các thành phần độc hại trong các bãi chôn lấp. Nƣớc rỉ rác là nguy cơ đe dọa ô nhiễm môi trƣờng đất và môi trƣờng nƣớc, đặc biệt là ammonia và các kim loại nặng.
Do thành phần rất phức tạp và khả năng gây ô nhiễm cao, nƣớc rỉ rác từ bãi rác đòi hỏi một dây chuyền công nghệ xử lý kết hợp, bao gồm nhiều khâu xử lý nhƣ xử lý sơ bộ, xử lý bậc hai, xử lý bậc ba để đạt tiêu chuẩn thải. Ngoài việc xử lý ô nhiễm hữu cơ thì xử lý ammonia trong nƣớc rỉ rác đang ngày càng trở thành một nhu cầu cấp thiết trong thời gian gần đây tại Việt Nam, cụ thể tại thành phố Hồ Chí Minh với yêu cầu xử lý nƣớc rỉ rác cho 2 bãi rác điển hình Gò Cát và Đông Thạnh. Việc tìm ra các giải pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ nói chung và xử lý ô nhiễm nitơ nói riêng cho nƣớc rỉ rác của 1 các bãi chôn lấp, thỏa mãn các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và điều kiện khí hậu tại nƣớc ta là một bài toán đang đƣợc đặt ra trong thời gian gần đây. Đối với loại nƣớc thải rỉ rác cũ có nồng NH4+-N cao và nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ thấp thì việc xử lý để loại bỏ chúng trƣớc khi xả vào nguồn nƣớc đang là nhu cầu cấp thiết hiện tại và tƣơng lai.
Hiện tại quá trình nitrate hóa và khử nitrate truyền thống đang đƣợc áp dụng rộng rãi trong thực tế xử lý nƣớc thải. Tuy nhiên, quá trình loại bỏ truyền thống này đòi hỏi chi phí đầu tƣ và vận hành. Gần đây, một quá trình mới (Anammox) loại bỏ nitơ đã đƣợc phát hiện và chứng minh có khả năng loại bỏ nitơ với hiệu quả rất cao với chi phí đầu tƣ xây dựng và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình nitrate hóa và khử nitrate truyền thống. 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 Ammonium (Anaerobic Ammonium oxidation, viết tắt là Anammox).
Trong phản ứng này Ammonium đƣợc oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kị khí tạo thành khí nitơ mà không cần cung cấp nguồn cacbon. Sự phát triển quá trình Anammox đã mở ra hƣớng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với nƣớc thải có hàm lƣợng nitơ cao và chất ô nhiễm hữu cơ thấp. Trong vòng hai thập niên vừa qua đã bùng nổ các nghiên cứu về quá trình Anammox và ứng dụng của nó. Quá trình Anammox đã đƣợc ứng dụng thành công đối với cả nƣớc thải sinh hoạt lẫn nƣớc thải công nghiệp thuộc da ở Hà Lan.
Tuy nhiên chƣa có một nghiên cứu nào ở Việt Nam về việc ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ với nồng độ cao trong nƣớc thải rỉ rác cũ. Vì vậy, luận án này tập trung nghiên cứu vào ứng dụng công nghệ nitrite hóa bán phần và Anammox nhằm xử lý hiệu quả về kinh tế và môi trƣờng cho nƣớc rỉ rác cũ chứa NH4+-N nồng độ cao. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Từ những vấn đề nêu trên, đề tài ―Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần- Anammox để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ‖ khảo sát hai quá trình: (1) quá 2 trình nitrite hóa bán phần SBR – PNSBR và (2) quá trình Anammox IC – AIC nhằm đạt mục tiêu chính sau: - Đánh giá hiệu quả chuyển hóa ammonium thành nitrite trong nƣớc rỉ rác cũ của quá trình nitrite hóa bán phần sử dụng công nghệ SBR nhằm đáp ứng cho quá trình Anammox phía sau. Từ đó, xác định các thông số động học vi khuẩn AOB, khảo sát ảnh hƣởng của ammonia tự do (FA- Free Ammonia) lên quá trình nitrite hóa bán phần trên đối tƣợng nƣớc rỉ rác sử dụng phƣơng pháp hô hấp kế cũng nhƣ khảo sát hiệu quả xử lý COD của quá trình bằng phƣơng pháp TbOD.
- Nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ ở nồng độ và tải trọng cao sử dụng mô hình dòng tuần hoàn nội bộ (IC- Internal Circulation) 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3. Đối tƣợng nghiên cứu Nƣớc rỉ rác cũ từ bãi chôn lấp Gò cát, huyện Bình Chánh, Tp. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên cơ sở lý thuyết và kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm khoa Môi trƣờng và Tài nguyên – Đại học Bách Khoa TP.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đối với quá trình nitrite hóa bán phần sử dụng công nghệ SBR (PNSBR) - Nghiên cứu chế độ vận hành ổn định lâu dài mô hình nitrite hóa bán phần sử dụng công nghệ SBR (PNSBR) bằng cách kiểm soát pH, độ kiềm, FA ở nồng độ ammonium cao (NH4+-N = 3.000) - Xác định các thông số động học của vi khuẩn AOB: hệ số sử dụng oxy (YO2), tốc độ sử dụng oxy (K‘), tốc độ tiêu thụ oxy lớn nhất (OURmax), tốc độ sử dụng cơ chất (Ks) trên đối tƣợng nƣớc thải nhân tạo sử dụng mô hình hô hấp kế 3 - Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ FA khác nhau có trong nƣớc rỉ rác lên vi khuẩn AOB - Đánh giá khả năng xử lý COD của mô hình PNSBR Đối với quá trình Anammox dòng tuần hoàn nội bộ (IC- Internal Circulation) - Khảo sát khả năng xử lý của mô hình IC ở các tải trọng khác nhau, tìm ra tải trọng thích hợp để vận hành mô hình đạt hiệu quả loại bỏ nitơ cao - Xác định các thành phần COD (COD có khả năng phân hủy sinh học, COD không có khả năng phân hủy sinh học, COD phân hủy sinh học nhanh, COD phân hủy sinh học chậm, COD không phân hủy sinh học dạng tan, COD không phân hủy dạng hạt) của nƣớc rỉ rác sau mô hình IC - Khảo sát khả năng xử lý COD ở tải trọng 10 kgN/m3.ngày - Xác định hoạt tính bùn Anammox (SAA- Specific Anammox Activity) thông qua mô hình thí nghiệm dạng mẻ dựa vào lƣợng khí sinh ra (AHSGMS- Automatic High Sensitivity Gas Metering Systems) - Sử dụng mô hình AHSGMS khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ NO2--N lên SAA - Định danh vi khuẩn Anammox bằng kỹ thuật PCA đoạn gen 16rDNA - Khảo sát đặc tính bùn hạt Anammox (tốc độ lắng, SVI, kích thƣớc bùn hạt, MLSS, MLVSS) 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các phƣơng pháp nghiên cứu chủ yếu đƣợc áp dụng bao gồm: Phƣơng pháp tổng quan thu thập dữ liệu: thu thập tài liệu tổng quan về nƣớc rỉ rác cũ, hiện trạng phát sinh và công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác cũ trong và ngoài nƣớc. Sau đó xử lý phù hợp với mục đích và nội dung nghiên cứu của luận án. 4 Phƣơng pháp kế thừa: kế thừa những nghiên cứu về xử lý nƣớc rỉ rác cũ của nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc.
Từ đó chọn lọc những điểm nghiên cứu có tính hữu ích cho nghiên cứu của luận án. Phƣơng pháp mô hình hóa: xây dựng mô hình trong phòng thí nghiệm để xác định những tác nhân ảnh hƣởng đến quá trình xử lý, sau đó tối ƣu những tác nhân này và xác định hiệu quả xử lý. Đây cũng là phƣơng pháp nghiên cứu chủ yếu xuyên suốt các tiến trình của luận án. Phƣơng pháp thống kê, xử lý số liệu: sử dụng phần mềm Excel và các phần mềm xử lý số liệu và vẽ đồ thị khác để xác định khuynh hƣớng kết quả nghiên cứu.
Phƣơng pháp phân tích: các thông số đƣợc đo đạc và phân tích trong luận án gồm có pH, SS, COD, BOD5, NO3--N , NO2--N, TKN, NH4+-N , độ kiềm, MLSS, MLVSS, SVI, Kỹ thuật Metagenomics DNA, FISH định danh chủng vi khuẩn. Phƣơng pháp so sánh: so sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc trên cùng dạng mô hình cũng nhƣ trên nƣớc rỉ rác cũ. Phƣơng pháp chuyên gia: lĩnh hội các ý kiến, định hƣớng nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu, đánh giá độ tin cậy. TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN Các nghiên cứu về công nghệ xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ chủ yếu là nghiên cứu ứng dụng các quá trình nitrate hóa – khử nitrate truyền thống.
Các nghiên cứu ứng dụng các quá trình sinh học mới, điển hình là quá trình Anammox còn rất hạn chế và chƣa đƣợc nghiên cứu rộng rãi ở Việt Nam. Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần- Anammox để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ đƣợc xem nhƣ là một trong những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN 7. Ý nghĩa khoa học 5 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 nitrite hóa AOB sử dụng mô hình PNSBR và Anammox sử dụng mô hình AIC trong môi trƣờng nƣớc rỉ rác cũ.
Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nƣớc rỉ rác có nồng độ Ammonium cao với chi phí đầu tƣ cơ bản và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình khử nitơ truyền thống (nitrate hóa-khử nitrate).