MỞ ĐẦU 1. SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nhu cầu về nước sạch, đảm bảo vệ sinh luôn là mối quan tâm hàng đầu và đã trở thành chiến lược của nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam. Hiện nay, ở nước ta mức sống của người dân đang từng ngày được cải thiện, ý thức về bảo vệ sức khỏe ngày càng cao, đặc biệt tại các đô thị lớn như thủ đô Hà Nội. Đây là khu vực có mức độ tập trung dân cư cao thứ hai cả nước với dân số khoảng 7 triệu người năm 2014 [1].
Tuy nhiên cùng với sự phát triển nhiều mặt của thủ đô, thì vấn đề cấp nước sạch vẫn chưa thể đáp ứng được cả về mặt số lượng và chất lượng. Tổng công suất cấp nước thương phẩm cho toàn thành phố Hà nội hiện nay là 994.000 m3/ngđ (23%) được cấp nước nhà máy nước mặt Sông Đà và còn lại 764.637 m3/ngđ (77%) sử dụng nước ngầm. Hiện nay, thành phố Hà Nội mới cấp được khoảng 4,2 triệu người (60%), trong đó 3,2 triệu người (45,7%) sử dụng nước ngầm và 1 triệu người (14,2%) sử dụng nước mặt [6]. Tuy nhiên 17% lượng nước ngầm đang khai thác bị ô nhiễm amoni ở nhiều mức độ khác nhau tập trung chủ yếu khu vực phía Nam và Tây Nam Hà Nội.
Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống (QCVN 01:2009/BYT), hàm lượng amoni trong nước sạch cần đạt ở mức 3 mg/L(2,3 mgN/L); nitrit 3 mg/L(0,91 mgN/L); nitrat 50 mg/L(11,3mgN/L). Kết quả khảo sát của Liên đoàn địa chất thủy văn - Địa chất công trình miền Bắc cho thấy hàm lượng amoni trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, có những nơi cao gấp 10 lần [19]. Đặc biệt khu vực phía Nam và Tây Nam thành phố Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với hàm lượng rất cao, từ 5-25 mg/l (3,8-20 mgN/l) cụ thể là các nhà máy nước trong khu vực nội thành như Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai, Hà Đông cơ sở 1 và cơ sở 2, Kim Liên; Nam Dư và khu vực ngoại thành bao gồm các huyện Thanh trì, Phú Xuyên, Thanh Oai, Ứng Hòa, Thường Tín và Từ Liêm. Sự lo ngại lớn nhất về vấn đề amoni là các sản phẩm trung gian như hợp chất nitrit và nitrat được hình thành từ amoni trong quá trình xử lý và sử dụng nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt theo cơ chế sau: Trong quá trình xử lý nước, trong 2 các bể lọc luôn luôn được hình thành một cách tự nhiên các vi khuẩn Nitrosomonas.
Các vi khuẩn này chuyển hoá một phần amoni trong nước ngầm thành các sản phẩm trung gian là nitrit. Nếu có đủ điều kiện, dưới tác dụng của một loại vi khuẩn khác cũng được hình thành một cách tự nhiên trong bể lọc là Nitrobacter, các sản phẩm trung gian nitrit tiếp tục được chuyển hoá thành nitrat. Trong khi chưa đủ cơ sở để đánh giá mức độ và hướng tác hại của amoni lên cơ thể con người thì tác hại của sản phẩm có nguồn gốc từ amoni là nitrit NO2-, nitrat NO3- lại được biết rõ. Các chất nitrit NO2- và nitrat NO3- là các tác nhân gây nên sự phá hoại hồng cầu ở trẻ em và có thể là tác nhân gây bệnh ung thư.
Để thiết lập được công nghệ xử lý có khả năng hoạt động ổn định với hiệu suất cao, phù hợp với đặc điểm sản xuất tại các vùng miền ở Việt Nam, việc nghiên cứu quá trình động học nitrat hóa và khử nitrat (hai quá trình cơ bản của công nghệ tách loại amoni trong nước xử lý ngầm) sẽ cung cấp những dữ kiện nền tảng cho mục đích trên. Công nghệ xử lý amoni trong nước ngầm thích hợp cho hoàn cảnh kinh tế và đặc thù sản xuất nước sạch trong điều kiện của Việt Nam đòi hỏi các tiêu chí: Hiệu quả xử lý cao (lưu lượng xử lý lớn trên một đơn vị công suất thiết bị). Vận hành đơn giản và chi phí thấp. Dễ nhân rộng và triển khai ngoài thực tế.
Một trong những công nghệ hiếm hoi có thể đáp ứng các tiêu chí đòi hỏi trên là công nghệ màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR). Đó là công nghệ sử dụng màng vi sinh bám trên chất mang, chất mang chuyển động trong nước khi hoạt động. Hiệu quả xử lý của nó chỉ thấp hơn dạng kỹ thuật lưu thể (fluidized bed reactor), cao hơn nhiều so với các kỹ thuật khác, bù lại vận hành nó đơn giản hơn nhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể (đòi hỏi trình độ tự động hóa cao) và không cần thiết phải có thêm công đoạn lắng. Phần lớn vật liệu và thiết bị liên quan đến công nghệ tầng vi sinh chuyển động đều dễ tìm kiếm, sản xuất trong nước.
Từ thực tiễn nêu trên, Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động” được lựa chọn 3 cho luận án tiến sĩ này. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà Nội với hàm lượng nhỏ hơn 25mg/L (20mgN/L) bằng quá trình Nitrat hóa (Nitrification) và khử Nitrat (Denitrification) đồng thời trong thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) với vật liệu mang dạng xốp (DHY) có diện tích bề mặt cao khoảng 6.000 m2/m3, độ xốp lớn và trọng lượng nhẹ dễ chuyển động trong nước, trong điều kiện không bổ sung cơ chất. - Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu mang vi sinh DHY dưới dạng tích hợp bao gồm bể MBBR và bể lọc tự rửa DHK để xử lý amoni trong nước ngầm đảm bảo tiêu chuẩn nước sạch cấp cho sinh hoạt và ăn uống với hiệu quả cao, phù hợp với khả năng đầu tư và điều kiện vận hành ở Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu (1) Thu thập số liệu và khảo sát hiện trạng khai thác, dây chuyền công nghệ xử lý của các nhà máy nước (NMN) trong vùng Hà Nội để đánh giá tổng quan về chất lượng nước ngầm, về ô nhiễm amoni và các yếu tố ảnh hưởng như: pH, nhiệt độ, độ kiềm, chất hữu cơ, phốt pho và đánh giá hiệu quả xử lý amoni của các dây chuyền hiện nay. (2) Nghiên cứu tổng quan các phương pháp xử lý amoni trong nước và thế giới phân tích ưu nhược điểm và đưa ra các vấn đề còn tồn tại. (3) Nghiên cứu tổng quan về xử lý amoni bằng phương pháp vi sinh để hiểu được cơ chế xử lý, các loại vi sinh vật, yếu tố ảnh hưởng và các mô hình động học phản ứng làm cơ sở lựa chọn mô hình thí nghiệm, phân tích đánh giá các kết quả thu được trên mô hình thí nghiệm và mô hình thử nghiệm hiện trường. (4) Nghiên cứu tổng quan về màng vi sinh và các công trình sử dụng kỹ thuật màng vi sinh, đánh giá ưu nhược điểm của từng loại màng, từng loại công trình từ đó đề xuất vật liệu mang di động sử dụng cho thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội.
Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa: amoni đầu vào, nồng độ ô xy (DO), mật độ vật liệu mang, số ngăn bể phản ứng. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat đồng thời trong môi trường hiếu khí, ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và xây dựng phương trình thực nghiệm cho tốc độ khử nitrat riêng (U) (6) Nghiên cứu thiết kế và xây dựng mô hình tích hợp dạng modul cho hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động với vật liệu dạng xốp DHY tại hiện trường, chạy thử để kiểm chứng các thông số động học và xây dựng bộ số liệu cho việc tính toán thiết kế. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 3. Phạm vi Nước ngầm vùng Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với nồng độ nhỏ hơn 25 mg/L (20 mgN/L), bao gồm cả khu vực đô thị và nông thôn.
Ngoài ra cũng có thể áp dụng cho các NMN ở các vùng khác có nguồn nước bị ô nhiễm amoni bao gồm cả nước mặt. Đối tượng - Vật liệu mang DHY với tiết diện bề mặt cao 6000-8000 m2/m3 với quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời trong điều kiện hiếu khí. - Hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) tích hợp bể lọc tự rửa (DHK). PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.
Phương pháp phân tích tài liệu thứ cấp - Thu thập các số liệu về hàm lượng amoni có trong nước ngầm. - Đánh giá về chất lượng nước sau xử lý cho chỉ tiêu amoni, nitrit, nitrat - Tình hình nghiên cứu kỹ thuật mang vi sinh chuyển động (MBBR) xử lý amoni trong nước và trên thế giới. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Tiến hành xây dựng 2 loại mô hình thí nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục xử lý nitơ amoni với mẫu nước được mô phỏng từ chất lượng nước ngầm thực tế với giới hạn nghiên cứu và biến động như sau: + Hàm lượng NH4+< 50mgN/L + Nhiệt độ giao động từ 25-30oC 5 + Chất hữu cơ không đáng kể + Hàm lượng phốt pho giao động từ 0,5-1,5 mg/L + pH: 7,2-8,0 + Độ kiềm trong khoảng từ 200-300 mg(CaCO3)/L - Thí nghiệm theo mẻ: Đánh giá các ảnh hưởng của thời gian lưu, mật độ của vật liệu mang, nồng độ ô xi, cơ chất và số lượng ngăn phản ứng từ đó đưa ra được các thông số tối ưu cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat. - Thí nghiệm liên tục: Mô hình được thiết kế trên cơ sở các thông số đã tìm được từ thí nghiệm theo mẻ để xác định các thông số động học cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat đối với vật liệu mang dạng xốp DHY.
- Thiết kế tích hợp bể MBBR và bể lọc tự rửa (DHK) với công suất 5m3/h vận hành xử lý amoni để kiểm chứng các thông số động học tìm được trong phòng thí nghiệm tại địa điểm nghiên cứu hiện trường là NMN Yên Xá huyện Thanh Trì. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết quá trình xử lý amoni bằng các phương pháp sinh học. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xử lý sinh học bằng phương pháp màng vi sinh chuyển động (MBBR) với các loại vật liệu mang khác nhau. Phương pháp phân tích - Phân tích định lượng các thông số chất lượng nước: amoni, độ pH, độ kiềm, COD, DO, photpho, chất hữu cơ đầu vào, đầu ra theo tiêu chuẩn TCVN và ISO.
- Đánh giá chất lượng vật liệu mang vi sinh thông qua các chỉ tiêu như: Độ bền cơ học, ảnh chụp mao quản, xác định diện tích bề mặt.