Tổng quan nghiên cứu

Nito là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự sống, nhưng khi tồn tại ở nồng độ cao trong nước thải, đặc biệt là nước rỉ rác cũ, nó gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường như hiện tượng phú dưỡng hóa và nguy cơ gây bệnh cho con người. Nước rỉ rác cũ có đặc điểm nổi bật là hàm lượng ammonium rất cao, trung bình khoảng 3656 mg/L, trong khi hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (BOD) lại rất thấp, gây khó khăn cho các công nghệ xử lý truyền thống như quá trình nitrat hóa - khử nitrat (A-O). Do đó, nghiên cứu ứng dụng công nghệ nitrit hóa bán phần (Partial Nitritation - PN) kết hợp với quá trình Anammox trong hệ thống phản ứng theo mẻ (SBR) quy mô pilot với công suất 1 m³/ngày nhằm xử lý nước rỉ rác cũ là rất cần thiết.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát hiệu quả chuyển hóa ammonium bởi vi khuẩn oxy hóa ammonium (AOB) ở các nồng độ ammonium đầu vào khác nhau (626 ± 29 mg/L, 1024 ± 21 mg/L, 2079 ± 59 mg/L và 3656 ± 95 mg/L), xác định hoạt tính tối đa của AOB và vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB), đánh giá chi phí vận hành thực tế và đề xuất giải pháp khắc phục sự cố trong quá trình vận hành pilot. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 1/2017 đến tháng 1/2018.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ điều kiện vận hành tối ưu cho quá trình nitrit hóa bán phần trong xử lý nước rỉ rác cũ, từ đó hỗ trợ thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nitơ hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời giảm chi phí vận hành so với công nghệ truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình chính sau:

  • Quá trình nitrit hóa bán phần (PN): Là quá trình oxy hóa một phần ammonium thành nitrit bởi vi khuẩn AOB, đồng thời ức chế sự phát triển của vi khuẩn NOB để hạn chế chuyển hóa nitrit thành nitrat. Tỷ lệ NO₂⁻-N : NH₄⁺-N đầu ra tối ưu nằm trong khoảng 1,0 - 1,4, phù hợp cho quá trình Anammox tiếp theo. PN giúp tiết kiệm khoảng 25% năng lượng sục khí, giảm 30% lượng bùn sinh ra và giảm phát thải CO₂ trên 20%.

  • Quá trình Anammox: Quá trình oxy hóa ammonium trong điều kiện kỵ khí, sử dụng nitrit làm chất nhận điện tử để tạo thành khí nitơ phân tử. Vi khuẩn Anammox thuộc nhóm Planctomycetes, có khả năng xử lý nitơ hiệu quả trong nước thải có hàm lượng BOD thấp.

  • Mô hình phản ứng theo mẻ (SBR): Cho phép kiểm soát chính xác các pha phản ứng (nạp, sục khí, lắng, rút nước) giúp tối ưu hóa điều kiện vận hành cho quá trình PN và Anammox.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: AOB (Ammonium Oxidizing Bacteria), NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria), FA (Free Ammonia), FNA (Free Nitrous Acid), DO (Dissolved Oxygen), HRT (Hydraulic Retention Time), NLR (Nitrogen Loading Rate), MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids), MLVSS (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids), SVI (Sludge Volume Index).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện qua hai giai đoạn chính:

  • Giai đoạn I: Làm giàu bùn AOB trong bể PN-SBR với ammonium đầu vào khoảng 583 ± 19 mg/L, pH duy trì từ 7,4 đến 8,2, DO từ 0,1 đến 0,3 mg/L, thời gian lưu nước (HRT) 15 ngày, thời gian làm giàu bùn 18 ngày. Bùn được lấy từ bể bùn hoạt tính của nhà máy xử lý nước thải công nghiệp, có MLSS ban đầu 2210 mg/L và MLVSS 1050 mg/L.

  • Giai đoạn II: Vận hành pilot PN-SBR trong 118 ngày với các nồng độ ammonium đầu vào khác nhau: 626 ± 29 mg/L, 1024 ± 21 mg/L, 2079 ± 59 mg/L và 3656 ± 95 mg/L. Các thông số vận hành như pH, DO, MLSS, MLVSS, SRT (Sludge Retention Time) được theo dõi và điều chỉnh phù hợp. Thời gian các pha trong mỗi mẻ gồm: nạp nước 60 phút, sục khí thay đổi theo ammonium đầu vào, lắng 60 phút, rút nước 30 phút.

Nguồn dữ liệu bao gồm mẫu nước rỉ rác cũ lấy từ bãi chôn lấp Gò Cát, TP. Hồ Chí Minh, cùng với các mẫu bùn sinh học và nước thải nhân tạo dùng trong thí nghiệm xác định hoạt tính tối đa của AOB và NOB. Phân tích các chỉ tiêu như ammonium, nitrit, nitrat, COD, BOD, pH, DO, độ kiềm, MLSS, MLVSS được thực hiện theo tiêu chuẩn APHA.

Phương pháp phân tích bao gồm đo lường nồng độ các hợp chất nitơ, xác định hoạt tính vi sinh vật qua tốc độ chuyển hóa ammonium và nitrit, tính toán tải trọng nitơ (NLR) dựa trên nồng độ ammonium đầu vào và HRT. Chi phí vận hành được đánh giá dựa trên lượng điện năng tiêu thụ và hóa chất sử dụng trong quá trình vận hành pilot.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả chuyển hóa ammonium và tỷ lệ NO₂⁻-N : NH₄⁺-N: Sau giai đoạn làm giàu bùn AOB, tỷ lệ NO₂⁻-N : NH₄⁺-N đầu ra ổn định trong khoảng 1,0 - 1,4, phù hợp cho quá trình Anammox. Ở các nồng độ ammonium đầu vào 626 ± 29 mg/L, 1024 ± 21 mg/L và 2079 ± 59 mg/L, không cần điều chỉnh pH và độ kiềm, với NLR tương ứng 0,62 ± 0,03 kgN/m³.ngày và 0,86 ± 0,03 kgN/m³.ngày. Khi ammonium đầu vào tăng lên 3656 ± 95 mg/L, cần điều chỉnh pH và độ kiềm để kiểm soát FA, NLR đạt 0,9 ± 0,03 kgN/m³.ngày.

  2. Ức chế vi khuẩn NOB và hoạt tính AOB: Nồng độ ammonium cao dẫn đến sự ức chế mạnh mẽ vi khuẩn NOB, tỷ lệ nitrat đầu ra luôn dưới 3,1%. FA ở mức 856 mg/L gây ức chế hoàn toàn hoạt tính AOB. Hoạt tính thực tế của AOB chỉ đạt khoảng 10 - 18% so với hoạt tính tối đa.

  3. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: pH và độ kiềm có mối liên hệ chặt chẽ, pH có thể dùng để dự đoán tỷ lệ NO₂⁻-N : NH₄⁺-N đầu ra. DO trong bể phản ứng ảnh hưởng đến tốc độ chuyển hóa ammonium; DO thấp (0,1 - 1 mg/L) giúp tăng tốc độ chuyển hóa ammonium và ức chế NOB. Nồng độ muối (TDS) khoảng 13,2 g/L không gây ức chế AOB, tuy nhiên khi tăng độ mặn, chỉ số SVI của bùn giảm, ảnh hưởng đến khả năng lắng của bùn.

  4. Hiệu quả loại bỏ COD: PN-SBR đạt hiệu quả loại bỏ COD trung bình 14 ± 2%, chủ yếu loại bỏ các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (bCOD). Phần lớn các hợp chất hữu cơ khó phân hủy vẫn còn tồn tại trong nước thải đầu ra.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy công nghệ PN-SBR có khả năng xử lý hiệu quả nước rỉ rác cũ với hàm lượng ammonium cao, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình Anammox tiếp theo. Việc ức chế vi khuẩn NOB nhờ nồng độ ammonium cao và kiểm soát DO thấp giúp tích lũy nitrit, giảm lượng nitrat sinh ra, từ đó tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành so với công nghệ A-O truyền thống.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, tỷ lệ NO₂⁻-N : NH₄⁺-N và NLR đạt được tương đồng hoặc cải thiện, đồng thời thời gian làm giàu bùn AOB được rút ngắn nhờ sử dụng chế phẩm sinh học hỗ trợ. Việc không cần điều chỉnh pH và độ kiềm ở các nồng độ ammonium vừa phải giúp giảm chi phí vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ diễn biến nồng độ ammonium, nitrit, nitrat theo thời gian vận hành, biểu đồ mối quan hệ giữa DO và tốc độ chuyển hóa ammonium, bảng so sánh hoạt tính tối đa và hoạt tính thực tế của AOB và NOB, cũng như biểu đồ chi phí vận hành theo từng giai đoạn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát DO trong khoảng 0,1 - 1 mg/L: Để duy trì hoạt tính AOB cao và ức chế NOB hiệu quả, cần thiết lập hệ thống điều khiển DO tự động, giúp ổn định tỷ lệ NO₂⁻-N : NH₄⁺-N trong khoảng 1,0 - 1,4. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn vận hành pilot và mở rộng quy mô.

  2. Điều chỉnh pH và độ kiềm khi ammonium đầu vào vượt 2000 mg/L: Ở nồng độ ammonium cao, cần bổ sung NaHCO₃ hoặc axit HCl để kiểm soát pH và độ kiềm, tránh ức chế vi khuẩn AOB do FA. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành, thời gian: theo dõi liên tục trong quá trình vận hành.

  3. Sử dụng chế phẩm sinh học hỗ trợ làm giàu bùn AOB: Áp dụng các chế phẩm vi sinh chuyên biệt giúp rút ngắn thời gian làm giàu bùn AOB, nâng cao hiệu quả chuyển hóa ammonium. Thời gian: trong giai đoạn khởi động và làm giàu bùn.

  4. Giám sát và xử lý sự cố kịp thời: Thiết lập hệ thống giám sát các thông số “chìa khóa” như DO, pH, độ kiềm, FA, FNA để phát hiện sớm các sự cố và có biện pháp khắc phục kịp thời, đảm bảo vận hành ổn định. Chủ thể: đội ngũ kỹ thuật vận hành, thời gian: liên tục trong suốt quá trình vận hành.

  5. Nghiên cứu kết hợp công nghệ PN-SBR với Anammox: Tiếp tục phát triển hệ thống xử lý nitơ hoàn chỉnh bằng cách kết hợp PN-SBR với bể phản ứng Anammox nhằm xử lý tổng nitơ hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính. Thời gian: nghiên cứu mở rộng trong các giai đoạn tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về công nghệ xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ, giúp nâng cao kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Chuyên gia và kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải: Thông tin về điều kiện vận hành, kiểm soát DO, pH, độ kiềm và các giải pháp khắc phục sự cố giúp tối ưu hóa hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

  3. Các nhà quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu thực tế và đánh giá hiệu quả công nghệ xử lý nitơ, hỗ trợ xây dựng chính sách và quy định về xử lý nước thải rỉ rác, bảo vệ môi trường.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực xử lý nước thải: Thông tin về chi phí vận hành, hiệu quả xử lý và khả năng ứng dụng công nghệ PN-SBR quy mô pilot giúp đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của dự án xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ nitrit hóa bán phần (PN) là gì và ưu điểm của nó?
    PN là quá trình oxy hóa một phần ammonium thành nitrit, ức chế vi khuẩn NOB để hạn chế nitrat sinh ra. Ưu điểm gồm tiết kiệm năng lượng sục khí khoảng 25%, giảm lượng bùn sinh ra 30% và giảm phát thải CO₂ trên 20%, phù hợp xử lý nước thải có ammonium cao và BOD thấp.

  2. Tại sao cần kiểm soát DO trong quá trình PN?
    DO ảnh hưởng đến hoạt tính của AOB và NOB. DO thấp (0,1 - 1 mg/L) giúp ức chế NOB, tăng tích lũy nitrit và nâng cao hiệu quả PN. DO cao có thể làm tăng hoạt tính NOB, giảm hiệu quả tích lũy nitrit.

  3. Làm thế nào để kiểm soát pH và độ kiềm trong quá trình vận hành?
    Khi ammonium đầu vào cao, pH và độ kiềm cần được điều chỉnh bằng cách bổ sung NaHCO₃ hoặc axit HCl để kiểm soát FA và FNA, tránh ức chế vi khuẩn AOB, duy trì môi trường ổn định cho quá trình nitrit hóa.

  4. Hoạt tính thực tế của AOB so với hoạt tính tối đa là bao nhiêu?
    Hoạt tính thực tế của AOB trong nghiên cứu đạt khoảng 10 - 18% so với hoạt tính tối đa, do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và sự ức chế bởi các hợp chất như FA.

  5. Chi phí vận hành công nghệ PN-SBR có cao không?
    Chi phí vận hành chủ yếu gồm điện năng tiêu thụ cho máy thổi khí và hóa chất điều chỉnh pH, độ kiềm. Nhờ tiết kiệm năng lượng sục khí và không cần bổ sung nhiều nguồn cacbon, chi phí vận hành thấp hơn so với công nghệ A-O truyền thống.

Kết luận

  • Nghiên cứu thành công trong việc vận hành mô hình pilot PN-SBR công suất 1 m³/ngày xử lý nước rỉ rác cũ với ammonium đầu vào lên đến 3656 ± 95 mg/L.
  • Tỷ lệ NO₂⁻-N : NH₄⁺-N đầu ra ổn định trong khoảng 1,0 - 1,4, phù hợp cho quá trình Anammox tiếp theo.
  • Kiểm soát DO thấp và điều chỉnh pH, độ kiềm là yếu tố then chốt để ức chế NOB và duy trì hoạt tính AOB.
  • Hiệu quả loại bỏ COD đạt khoảng 14 ± 2%, chủ yếu loại bỏ các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ PN-SBR kết hợp Anammox để xử lý nitơ hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

Tiến trình tiếp theo: Mở rộng nghiên cứu kết hợp PN-SBR với bể phản ứng Anammox quy mô lớn hơn, đồng thời phát triển hệ thống giám sát tự động để tối ưu hóa vận hành.

Kêu gọi hành động: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà quản lý môi trường nên áp dụng và phát triển công nghệ PN-SBR kết hợp Anammox nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nitơ cao, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.