Nghiên Cứu Xử Lý Amoni Trong Nước Thải Bằng Quá Trình Sinh Học Bổ Sung Than Từ Phụ Phẩm Nông Nghiệp

Luận án tiến sĩ Xử lý amoni trong nước thải bằng than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp phân tích chuyên sâu các khía cạnh quan trọng trong lĩnh vực nông

• Tác giả: Vũ Ngọc Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Khắc Uẩn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Xử Lý Amoni Trong Nước Thải Bằng Than Sinh Học Từ Phụ Phẩm Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về quá trình chế tạo than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp ở Việt nam
• 1.1.1. Tiềm năng sản xuất TSH từ phụ phẩm nông nghiệp
• 1.1.2. Các phương pháp sản xuất TSH từ phụ phẩm nông nghiệp
• 1.1.3. Ứng dụng của TSH chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý môi trường
• 1.2. Tổng quan về ô nhiễm amoni và các nghiên cứu về xử lý amoni bằng quá trình hấp phụ và sinh học
• 1.2.1. Tổng quan về ô nhiễm amoni và các phương pháp xử lý amoni
• 1.2.2. Các nghiên cứu về xử lý amoni bằng phương pháp hấp phụ
• 1.2.3. Các nghiên cứu về xử lý amoni bằng phương pháp sinh học sử dụng hệ bùn hạt
• 1.3. Tổng quan về nước thải sinh hoạt và công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt
• 1.4. Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ sử dụng than sinh học
• 1.4.1. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 1.4.2. Động học quá trình hấp phụ
• 1.5. Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý amoni trong nước bằng hệ bùn hạt
• 1.6. Cơ sở lý thuyết của quá trình kết hợp TSH và hệ bùn hoạt tính để tạo bùn hạt
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo TSH từ vỏ cà phê và xác định đặc tính của than sinh học từ VCP
• 2.1.1. Phương pháp chế tạo TSH từ vỏ cà phê
• 2.1.2. Phương pháp xác định đặc tính của TSH
• 2.2. Quy trình thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của TSH từ vỏ cà phê
• 2.2.1. Quy trình thực nghiệm theo mẻ xác định ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả hấp phụ của than sinh học
• 2.2.2. Đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ
• 2.2.3. Đánh giá khả năng hấp phụ của TSH từ vỏ cà phê với nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại
• 2.2.4. Đánh giá khả năng xử lý amoni của hệ bùn hoạt tính có bổ sung than sinh học từ vỏ cà phê
• 2.2.5. Chuẩn bị bùn hoạt tính và thành phần của nước thải tự tạo để nuôi bùn
• 2.2.6. Xác định một số yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và hấp phụ lên TSH của bùn hoạt tính khi bổ sung TSH
• 2.2.7. Xác định một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và amoni khi bổ sung TSH vào hệ bùn hoạt tính
• 2.3. Dụng cụ, hóa chất, thiết bị và phương pháp phân tích
• 2.3.1. Hóa chất, thiết bị nghiên cứu
• 2.3.2. Phương pháp phân tích
• 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc tính TSH từ vỏ cà phê và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ amoni của TSH từ VCP
• 3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến hiệu quả hấp phụ amoni
• 3.1.2. Đặc tính của than sinh học CFH 350
• 3.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
• 3.1.4. Đánh giá ảnh hưởng của pH
• 3.1.5. Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và tỉ lệ rắn/lỏng
• 3.1.6. Đánh giá ảnh hưởng của kích thước TSH
• 3.1.7. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
• 3.1.8. Động học quá trình hấp phụ amoni trong dung dịch
• 3.1.9. Thí nghiệm hấp phụ theo mẻ với một số nguồn nước thải
• 3.2. Đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đến sự sinh trưởng của vi sinh vật trong bùn hoạt tính
• 3.2.1. Đặc tính của hệ bùn hoạt tính khi bổ sung TSH từ VCP
• 3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả xử lý của hệ bùn hoạt tính có bổ sung TSH
• 3.2.2.1. Ảnh hưởng của thời gian sục khí
• 3.2.2.2. Ảnh hưởng của chu kỳ xử lý
• 3.2.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ trao đổi thể tích
• 3.2.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ F/M
• 3.2.3. Hiệu quả xử lý COD và amoni theo thời gian vận hành hệ thống
• 3.2.4. Biến thiên chỉ số thể tích lắng của bùn trong quá trình vận hành hệ thống
• 3.2.5. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt của hệ bùn hạt
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ môi trường. Amoni, một hợp chất chứa nitơ, thường xuất hiện trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Việc xử lý amoni không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý hiện nay bao gồm hóa lý và sinh học, trong đó than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.

1.1. Tầm quan trọng của việc xử lý amoni trong nước thải

Amoni có thể gây ra ô nhiễm môi trường nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc xử lý amoni là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực này.

1.2. Các phương pháp xử lý amoni hiện nay

Các phương pháp xử lý amoni bao gồm hấp phụ, sinh học và hóa lý. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên, phương pháp sinh học kết hợp với than sinh học đang thu hút sự chú ý.

II. Thách thức trong xử lý amoni bằng than sinh học

Mặc dù than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp có nhiều tiềm năng, nhưng việc ứng dụng trong xử lý amoni vẫn gặp phải một số thách thức. Đặc biệt, hiệu quả hấp phụ của than sinh học thường không cao do diện tích bề mặt nhỏ và cấu trúc không đồng nhất.

2.1. Hiệu quả hấp phụ của than sinh học

Nghiên cứu cho thấy hiệu quả hấp phụ của than sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước hạt, pH và nồng độ amoni trong nước thải.

2.2. Khó khăn trong việc tối ưu hóa quy trình

Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp để đạt hiệu quả cao trong xử lý amoni vẫn là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu.

III. Phương pháp chế tạo than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp

Than sinh học được chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp như vỏ cà phê có thể là một giải pháp hiệu quả trong xử lý amoni. Quy trình chế tạo này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị.

3.1. Quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê

Quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê bao gồm các bước như thu gom, xử lý và nhiệt phân. Mỗi bước đều cần được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất.

3.2. Đặc tính của than sinh học từ vỏ cà phê

Than sinh học từ vỏ cà phê có đặc tính hấp phụ tốt nhờ vào cấu trúc bề mặt và hàm lượng cacbon cao, giúp tăng cường khả năng xử lý amoni trong nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của than sinh học trong xử lý amoni

Việc ứng dụng than sinh học trong xử lý amoni đã được thử nghiệm và cho thấy hiệu quả tích cực. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung than sinh học vào hệ bùn hoạt tính có thể cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý.

4.1. Kết quả nghiên cứu về hiệu quả xử lý amoni

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng than sinh học từ vỏ cà phê có thể giảm nồng độ amoni trong nước thải xuống mức cho phép, đảm bảo tiêu chuẩn môi trường.

4.2. Tác động của than sinh học đến vi sinh vật trong bùn hoạt tính

Than sinh học không chỉ đóng vai trò là chất hấp phụ mà còn là chất mang vi sinh vật, giúp tăng cường khả năng xử lý amoni trong hệ thống bùn hoạt tính.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về xử lý amoni bằng than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp mở ra nhiều triển vọng mới. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và ứng dụng than sinh học sẽ góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

5.1. Tương lai của nghiên cứu xử lý amoni

Nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng để tìm ra các phương pháp tối ưu hơn trong việc sử dụng than sinh học, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý amoni trong nước thải.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về cơ chế hấp phụ và động học của than sinh học trong xử lý amoni để phát triển các ứng dụng thực tiễn hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường của nghiên cứu sinh Vũ Ngọc Thủy, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đỗ Khắc Uẩn tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (năm 2022, mã số chuyên ngành: 9520320), tập trung giải quyết bài toán xử lý amoni trong nước thải có tỷ lệ cacbon/nitơ (C/N) thấp thông qua quá trình sinh học bổ sung than sinh học chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp.

• Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu: Nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại tại Việt Nam chiếm khoảng 30% tổng lượng nước thải xả trực tiếp vào hệ thống tiếp nhận, trong đó chỉ khoảng 12,5% nước thải đô thị từ loại IV trở lên được thu gom và xử lý đạt quy chuẩn. Loại nước thải này đặc trưng bởi tỷ lệ C/N thấp ($< 10$), khiến các hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí truyền thống khó đạt hiệu quả chuyển hóa amoni nếu không bổ sung nguồn cacbon ngoại sinh (như rỉ đường hoặc methanol), gây tốn kém chi phí vận hành. Mặt khác, lượng phụ phẩm nông nghiệp phát sinh hàng năm tại Việt Nam rất lớn (năm 2020 ước tính 118,2 triệu tấn/năm, riêng vỏ cà phê chiếm khoảng 1,7 triệu tấn/năm). Vỏ cà phê có hàm lượng cellulose (63,2%) và lignin (17,7%) cao, khó phân hủy sinh học tự nhiên và thường bị đốt hoặc thải bỏ gây ô nhiễm. Công nghệ bùn hạt hiếu khí (Aerobic Granular Sludge) trong bể phản ứng theo mẻ SBR có ưu điểm mật độ sinh khối cao và khả năng lắng vượt trội, nhưng nhược điểm lớn là thời gian khởi tạo hạt kéo dài (90–180 ngày). Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là việc nghiên cứu chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê bằng quy trình đơn giản, đánh giá vai trò kép của vật liệu vừa là chất hấp phụ amoni vừa là chất mang vi sinh (giá thể nhân mầm) để đẩy nhanh quá trình tạo bùn hạt và nâng cao hiệu suất xử lý amoni trong nước thải có C/N thấp.

• Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Đưa ra quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê với công nghệ chế tạo đơn giản để tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp và tạo ra sản phẩm có khả năng ứng dụng trong xử lý amoni trong nước và nước thải.
  2. Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiệu quả hấp phụ amoni trong nước thải; xác định cơ chế hấp phụ và động học quá trình hấp phụ amoni trong nước thải của than sinh học chế tạo từ vỏ cà phê.
  3. Sử dụng than sinh học từ vỏ cà phê làm chất mang bổ sung vào hệ bùn hoạt tính để thúc đẩy quá trình tạo bùn hạt; đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý amoni của hệ than sinh học kết hợp bùn hoạt tính.

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Than sinh học chế tạo từ vỏ cà phê Robusta, sử dụng với vai trò chất hấp phụ và chất mang vi sinh để xử lý amoni trong hệ xử lý sinh học nước thải có tỷ lệ C/N thấp.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được triển khai ở quy mô pilot trong phòng thí nghiệm với các điều kiện ban đầu được khống chế, thực hiện các thí nghiệm theo mẻ trên mô hình bể phản ứng sinh học SBR; đối tượng nước thải khảo sát gồm nước thải tổng hợp tự tạo và nước thải sinh hoạt thực tế sau bể tự hoại.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan y văn trong luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước về chế tạo than sinh học, cơ chế hấp phụ chất ô nhiễm và công nghệ bùn hạt hiếu khí:

• Các nghiên cứu chế tạo và hấp phụ amoni bằng than sinh học:

  • Tài liệu quốc tế: Lehmann và cộng sự [1] xác lập cơ sở về than sinh học từ quá trình nhiệt phân yếm khí sinh khối. Nhiều vật liệu được thử nghiệm hấp phụ amoni gồm nano palygorskitenano composite ($q_{max} = 237\text{ mg/g}$) [33], polymer hydrogel ($43\text{ mg/g}$) [34], oxit mangan ($22,6\text{ mg/g}$) [35], zeolite tự nhiên Trung Quốc ($12\text{ mg/g}$) và Iran ($8\text{--}10\text{ mg/g}$) [37], bùn hoạt tính sấy khô ($88\text{ mg/g}$) [38], thân cây lúa mỳ ($148\text{ mg/g}$) [39]. Các nghiên cứu nhiệt phân sinh khối nông nghiệp biến tính kiềm (NaOH 1 M) từ thân cây bông, lõi ngô, vỏ lạc đạt dung lượng hấp phụ amoni lần lượt là $518,9\text{ mg/g}$, $373\text{ mg/g}$, $313,9\text{ mg/g}$ [49, 50]; hỗn hợp mùn cưa và vỏ trấu đạt $44,6\text{ mg/g}$ và $39,8\text{ mg/g}$ [44]; bentonite kết hợp vỏ sắn nung ở 500°C đạt $23,67\text{ mg/g}$ [50]; than vỏ macca nung 350°C và 500°C chỉ đạt hiệu suất 6% và 12% [51].
  • Tài liệu tại Việt Nam: Trịnh Xuân Đại (2010) biến tính than hoạt tính xử lý amoni với tải trọng cực đại $1,39\text{ mmol/g}$ [52]; Trịnh Văn Tuyên và cộng sự (2013) dùng than tre và gỗ xử lý amoni nước thải bệnh viện đạt hiệu suất 64–85% [53]; Vũ Thị Mai, Trịnh Văn Tuyên và cộng sự (2016) biến tính than lõi ngô bằng $\text{H}_3\text{PO}_4$ và $\text{NaOH}$ đạt dung lượng $16,6\text{ mg/g}$ [54]; Phạm Thị Ngọc Lan (2016) chế tạo than từ vỏ lạc và thân sắn biến tính $\text{ZnCl}_2$ đạt $6,97\text{ mg/g}$ [55]; Văn Hữu Tập (2017) biến tính than lõi ngô bằng $\text{HNO}_3$ và $\text{NaOH}$ đạt $3,9\text{--}7,9\text{ mg/g}$ [56]. Khảo sát sơ bộ của tác giả cho thấy than chưa hoạt hóa từ vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ macca, vỏ nhãn và vỏ cà phê có dung lượng dao động $1,6\text{--}4,3\text{ mg N/g}$ (trong đó vỏ nhãn đạt $4,3\text{ mg N/g}$, vỏ cà phê đạt $2,8\text{--}3,4\text{ mg N/g}$).

• Các nghiên cứu về bùn hạt hiếu khí và chất mang tạo mầm: Công nghệ bùn hạt hiếu khí phát triển từ năm 1997 [58], vận hành phổ biến trên bể SBR [63, 64]. Wei và cs. (2014) xử lý đồng thời N và P [73]. Nhằm rút ngắn giai đoạn tạo hạt, các nghiên cứu quốc tế đã đưa vào các tác nhân tạo mầm như than hoạt tính dạng hạt GAC kích thước $0,1\text{--}0,2\text{ mm}$ [85], than sinh học vỏ trấu [86], struvite [87], poly aluminum chloride [88] và zeolite [89].

• Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu trong nước và quốc tế tập trung biến tính than sinh học bằng hóa chất mạnh phức tạp để tăng hấp phụ đơn thuần, hoặc chỉ dùng than hoạt tính thương mại/than vỏ trấu làm chất mang thông thường mà chưa đánh giá vai trò hấp phụ kết hợp sinh học. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập quy trình nhiệt phân vỏ cà phê Robusta ở nhiệt độ thấp (350°C, không dùng khí trơ, không hóa chất biến tính) và tích hợp vào bể SBR để rút ngắn thời gian tạo bùn hạt dưới 30 ngày, xử lý amoni cho dòng nước thải C/N thấp.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Lý thuyết quá trình hấp phụ:

  • Mô hình đẳng nhiệt Langmuir: Giả định bề mặt hấp phụ đồng nhất, đơn lớp, không tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ: $$q = \frac{q_{max} K_L C_e}{1 + K_L C_e} \quad \Longleftrightarrow \quad \frac{C_e}{q} = \frac{1}{q_{max} K_L} + \frac{C_e}{q_{max}}$$ (trong đó: $q$ là dung lượng hấp phụ cân bằng, $q_{max}$ là dung lượng cực đại, $K_L$ là hằng số Langmuir, $C_e$ là nồng độ amoni cân bằng).
  • Mô hình đẳng nhiệt Freundlich: Mô hình kinh nghiệm cho bề mặt không đồng nhất: $$q_e = K_F C_e^{1/n} \quad \Longleftrightarrow \quad \ln q_e = \ln K_F + \frac{1}{n}\ln C_e$$
  • Mô hình động học hấp phụ: Phương trình giả động học bậc 1 ($\frac{dq_t}{dt} = k_1(q_e - q_t)$) và giả động học bậc 2 ($\frac{dq_t}{dt} = k_2(q_e - q_t)^2$).

• Lý thuyết chuyển hóa sinh hóa nitơ:

  • Giai đoạn nitrit hóa: Oxy hóa amoni thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas: $$55\text{NH}_4^+ + 5\text{CO}_2 + 76\text{O}_2 \longrightarrow \text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 54\text{NO}_2^- + 52\text{H}_2\text{O} + 109\text{H}^+$$
  • Giai đoạn nitrat hóa: Oxy hóa nitrit thành nitrat bởi vi khuẩn Nitrobacter: $$\text{NH}_4^+ + 400\text{NO}_2^- + 5\text{CO}_2 + 195\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 400\text{NO}_3^- + \text{H}^+$$
  • Phản ứng nitrat hóa tổng quát: $$\text{NH}_4^+ + 1,98\text{HCO}_3^- + 1,83\text{O}_2 \longrightarrow 0,021\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 0,98\text{NO}_3^- + 1,041\text{H}_2\text{O} + 1,88\text{H}_2\text{CO}_3$$
  • Tốc độ oxy hóa amoni riêng phần: $$r_{\text{NH}4\text{-N}} = \frac{C{\text{NH}4\text{, start_aerobic}} - C{\text{NH}4\text{, end_nitrification}}}{\text{Time}{\text{nitrification}} \times \text{VSS}_{\text{reactor}}} \quad (\text{mg N/h}\cdot\text{mg VSS})$$

• Cơ chế hình thành bùn hạt trên chất mang: Quá trình diễn ra qua 3 giai đoạn: thích nghi, hình thành mầm hạt và trưởng thành. Chất mang than sinh học đóng vai trò lõi hạt nhân, vi sinh vật tiết polymer ngoại bào (EPS) bám dính tạo khối cầu đặc chắc. Cấu trúc phân lớp hình thành: lõi bên trong thiếu khí/kỵ khí (chứa vi khuẩn khử nitrat họ Rhodocyclaceae, chi Thauera), lớp vỏ ngoài hiếu khí (chứa vi khuẩn nitrat hóa Microbacteriaceae, Flavobacteriaceae, Sphingobacteriaceae, Acinetobacter).

[Mô hình phân tầng bùn hạt]
Lớp bề mặt (Hiếu khí): Microbacteriaceae, Flavobacteriaceae, Acinetobacter -> Xử lý COD, Nitrat hóa
Lớp giữa (Thiếu khí): Chuyển tiếp oxy hòa tan thấp -> Khử nitrat đồng thời
Lớp lõi trung tâm (Kỵ khí/Thiếu khí): Chất mang CFH 350 + Thauera (Rhodocyclaceae) + EPS

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nhóm phương pháp	Nội dung và kỹ thuật thực hiện	Thông số và thiết bị sử dụng
Chế tạo vật liệu	Nhiệt phân chậm vỏ cà phê Robusta khô ở quy mô phòng thí nghiệm.	Nhiệt độ: 350°C, thời gian lưu nhiệt: 60 phút, không dùng khí trơ (ký hiệu mẫu: CFH 350).
Đặc trưng hóa lý	Xác định cấu trúc hình thái, diện tích bề mặt, nhóm chức và điện tích bề mặt.	Phương pháp BET (diện tích bề mặt), SEM (hình thái vi cấu trúc), FTIR (nhóm chức hóa học), phương pháp chuẩn độ xác định điểm đẳng điện $\text{pH}_{pzc}$, độ tro, độ ẩm.
Hấp phụ tĩnh theo mẻ	Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ amoni.	Biến thiên thời gian tiếp xúc, pH ban đầu ($2\text{--}10$), tỷ lệ rắn/lỏng (R/L), nồng độ amoni ban đầu ($C_0$), kích thước hạt than; khớp mô hình Langmuir, Freundlich, giả bậc 1, giả bậc 2.
Thực nghiệm SBR	Vận hành bể SBR pilot bổ sung than CFH 350 nuôi cấy bùn hạt.	Khảo sát ảnh hưởng của thời gian sục khí, chu kỳ vận hành, tỷ lệ trao đổi thể tích (VER), tỷ lệ F/M, tỷ lệ C/N; theo dõi nồng độ COD, $\text{NH}_4^+$-N, TN, DO, pH, MLSS, MLVSS, chỉ số SVI.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về nguồn sinh khối phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam, phân tích các phương pháp nhiệt phân và điều kiện vận hành tương ứng:

Phương pháp nhiệt phân	Nhiệt độ nhiệt phân (°C)	Tốc độ gia nhiệt (°C/s)	Thời gian nhiệt phân (phút)	Áp suất (MPa)	Kích thước vật liệu (mm)
Nhiệt phân chậm	550–950	0,1–1,0	300–550	0,1	5–50
Nhiệt phân nhanh	850–1250	10–200	5–10	0,1	$< 1$
Nhiệt phân trung bình	900–1200	$> 1000$	$< 10$	0,1	$< 0,5$
Nhiệt phân siêu nhanh	500–650	1,0–10	0,5–10	0,1	1,0–5,0
Nhiệt phân trong chân không	300–600	0,1–1,0	1–10	0,01–0,02	—
Nhiệt phân sử dụng khí $\text{H}_2$	350–600	10–300	$> 15$	5–20	—

Chương này phân tích các cơ chế hấp phụ của than sinh học gồm lực hút tĩnh điện, trao đổi ion, liên kết hydro, tương tác electron $\pi\text{--}\pi$ (EDA) và phức chất bề mặt. Đồng thời, tác giả tổng quan đặc tính nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại có tỷ lệ C/N thấp, đánh giá ưu nhược điểm của các công nghệ AO, SBR, MBR, MBBR, và thiết lập cơ sở lý thuyết về sự kết hợp giữa than sinh học và bùn hoạt tính để hình thành bùn hạt hiếu khí.

Chương 2. Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình chuẩn bị mẫu than CFH 350 từ vỏ cà phê, quy trình thực nghiệm mẻ đánh giá các yếu tố ảnh hưởng (thời gian, pH, nồng độ, liều lượng, kích thước hạt), phương pháp tính toán đường đẳng nhiệt và động học hấp phụ. Chương này mô tả cấu tạo hệ thống bể phản ứng sinh học SBR quy mô pilot:

Giai đoạn nghiên cứu trên bể SBR	Mục tiêu khảo sát	Thông số vận hành khống chế
Giai đoạn khởi động & tạo hạt	Thích nghi vi sinh vật, bổ sung than CFH 350 làm mầm tạo bùn hạt.	Nước thải tự tạo, kiểm soát chu kỳ nạp nước, sục khí, lắng, xả nước; theo dõi biến thiên chỉ số SVI và kích thước bùn.
Giai đoạn tối ưu hóa vận hành	Đánh giá các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến xử lý amoni và COD.	Khảo sát thời gian sục khí, chu kỳ xử lý, tỷ lệ trao đổi thể tích (VER), tỷ lệ tải trọng F/M, các tỷ lệ C/N khác nhau.
Giai đoạn thử nghiệm nước thải thực	Kiểm chứng hiệu quả xử lý trên nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại.	Nước thải sinh hoạt thực tế, vận hành ổn định, phân tích COD, amoni, TN đầu vào và đầu ra.

Quy trình phân tích hóa lý tuân thủ Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater đối với các chỉ tiêu $\text{COD}$, $\text{NH}_4^+\text{-N}$, $\text{NO}_2^-\text{-N}$, $\text{NO}_3^-\text{-N}$, $\text{TN}$, $\text{SVI}$, $\text{MLSS}$, $\text{MLVSS}$.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

• Đặc tính than sinh học vỏ cà phê: Khảo sát dải nhiệt độ nhiệt phân cho thấy than chế tạo ở 350°C (CFH 350) đạt dung lượng hấp phụ amoni tối ưu nhờ bảo tồn được các nhóm chức bề mặt chứa oxy ($-\text{COOH}$, $-\text{OH}$) và cấu trúc xốp mao quản. Kết quả phân tích SEM cho thấy bề mặt gồ ghề nhiều lỗ xốp; phổ FTIR trước và sau hấp phụ chỉ ra sự tham gia rõ rệt của các nhóm cacboxyl và hydroxyl; giá trị điểm đẳng điện $\text{pH}_{pzc}$ xác định được tính chất tích điện bề mặt của vật liệu.
• Đặc trưng hấp phụ amoni: Quá trình hấp phụ đạt cân bằng nhanh; hiệu quả hấp phụ phụ thuộc chặt chẽ vào pH dung dịch (tối ưu ở vùng pH trung tính đến kiềm nhẹ), tỷ lệ rắn/lỏng và kích thước hạt than. Dữ liệu thực nghiệm phù hợp với mô hình đẳng nhiệt Langmuir và mô hình động học biểu kiến giả bậc 2.
• Đặc tính hệ bùn hoạt tính bổ sung CFH 350: Việc bổ sung than CFH 350 kích thích vi sinh vật bám dính và tăng trưởng nhanh chóng. Hình thái bùn sau 1 tuần và 3 tuần cho thấy các bông bùn lơ lửng chuyển dần thành mầm bùn bao bọc quanh hạt than. Sau 40 ngày vận hành, bùn hạt hình thành rõ rệt; sau 90 ngày, bùn hạt đạt cấu trúc ổn định, đồng đều với lõi than ở trung tâm.
• Động học tạo bùn hạt và khả năng lắng: Thời gian hình thành bùn hạt được rút ngắn xuống dưới 30 ngày (so với hệ đối chứng không bổ sung chất mang mất 90–180 ngày). Chỉ số thể tích lắng bùn $\text{SVI}$ giảm từ $100\text{--}200\text{ mL/g}$ (bùn hoạt tính lơ lửng) xuống dưới $50\text{ mL/g}$ (bùn hạt), nâng cao khả năng phân tách pha rắn - lỏng.
• Hiệu suất xử lý nước thải: Khảo sát các thông số vận hành (thời gian sục khí, chu kỳ xử lý, tỷ lệ trao đổi thể tích VER, tỷ lệ F/M, tỷ lệ C/N) cho thấy hệ bùn hạt duy trì hiệu suất chuyển hóa COD, amoni và tổng nitơ (TN) cao và ổn định trên cả nước thải tự tạo và nước thải sinh hoạt thực tế sau bể tự hoại.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

1. Về mặt học thuật và lý luận:

   • Xác lập cơ sở khoa học về cơ chế kép của than sinh học chế tạo từ vỏ cà phê Robusta: vừa đóng vai trò chất hấp phụ amoni theo cơ chế trao đổi ion và tương tác tĩnh điện, vừa đóng vai trò chất mang vi sinh (giá thể nhân mầm) có tính kỵ nước thuận lợi cho vi sinh vật tiết polymer ngoại bào (EPS) bám dính.
   • Làm sáng tỏ động học và cơ chế hình thành bùn hạt hiếu khí phân lớp (lõi thiếu khí/kỵ khí bên trong và lớp vỏ hiếu khí bên ngoài), cho phép xảy ra đồng thời quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng một công trình bể phản ứng SBR đối với nước thải có tỷ lệ C/N thấp.

2. Về mặt thực tiễn:

   • Đề xuất quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê đơn giản, chi phí thấp (nhiệt phân ở 350°C trong 60 phút, không cần cấp khí trơ, không cần hoạt hóa hóa chất), giúp tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại khu vực Tây Nguyên.
   • Rút ngắn thời gian khởi tạo bùn hạt hiếu khí trong bể SBR xuống dưới 30 ngày (giảm từ 3 đến 6 lần so với công nghệ bùn hạt tự nhiên không bổ sung chất mang).
   • Đạt chỉ số lắng $\text{SVI} < 50\text{ mL/g}$, giúp tăng tải trọng xử lý, giảm thể tích bể lắng và giải quyết hiệu quả chỉ tiêu amoni trong nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại mà không cần bổ sung nguồn cacbon ngoại sinh đắt tiền.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Ứng dụng quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê ở quy mô địa phương nhằm giảm thiểu ô nhiễm do đốt phụ phẩm ngoài đồng ruộng.
• Áp dụng giải pháp bổ sung than sinh học làm chất mang tạo bùn hạt vào các trạm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị, khu dân cư hoặc tòa nhà cao tầng vận hành theo công nghệ SBR để nâng cao hiệu quả xử lý nitơ và tăng cường độ nén của bùn.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu được triển khai chủ yếu ở quy mô pilot trong phòng thí nghiệm vận hành theo mẻ (SBR).
  • Đối tượng nước thải kiểm chứng thực tế mới tập trung vào nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại; chưa khảo sát đầy đủ trên các nguồn thải C/N thấp phức tạp khác có nồng độ muối hoặc chất ức chế cao.

• Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thử nghiệm mô hình ở quy mô pilot lớn hơn ngoài hiện trường và nghiên cứu vận hành ở chế độ dòng chảy liên tục.
  • Đánh giá độ bền cơ học và tính ổn định lâu dài của bùn hạt chứa lõi than sinh học qua chu kỳ vận hành kéo dài nhiều năm.
  • Thử nghiệm áp dụng hệ bùn hạt bổ sung than vỏ cà phê trên các đối tượng nước thải đặc thù khác như nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi sau hầm biogas, nước thải chế biến thủy sản và chế biến mủ cao su.

---

Giá trị tham khảo

• Đối tượng tham khảo:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ môi trường, Công nghệ sinh học và Khoa học vật liệu tái tạo.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Nguồn tư liệu chuyên sâu về động học hấp phụ amoni, chuyển hóa sinh hóa các hợp chất nitơ và kỹ thuật nuôi cấy bùn hạt hiếu khí.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm xử lý nước thải: Cơ sở dữ liệu thông số công nghệ (thời gian sục khí, chu kỳ, tỷ lệ trao đổi thể tích, tỷ lệ F/M, kiểm soát SVI) để cải tạo hoặc thiết kế mới bể SBR xử lý nước thải có C/N thấp.

• Nội dung giá trị nhất:

  • Quy trình công nghệ chế tạo than CFH 350 đơn giản từ phụ phẩm vỏ cà phê.
  • Phương pháp luận và quy trình thực nghiệm tạo mầm bùn hạt nhanh trong bể SBR.
  • Bộ số liệu về đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich và các hằng số động học phản ứng oxy hóa amoni riêng phần.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu than sinh học trong luận án được chế tạo từ nguyên liệu gì và ở điều kiện nhiệt phân nào?
   Trả lời: Vật liệu được chế tạo từ vỏ cà phê Robusta khô (phụ phẩm nông nghiệp), nhiệt phân ở nhiệt độ 350°C trong thời gian 60 phút, sử dụng thiết bị nhiệt phân đơn giản ở áp suất thường, không cần sử dụng dòng khí trơ và không qua công đoạn hoạt hóa bằng hóa chất (ký hiệu mẫu là CFH 350).

2. Tại sao than sinh học nhiệt phân ở 350°C lại phù hợp cho hấp phụ amoni hơn nhiệt độ cao ($> 550^\circ\text{C}$)?
   Trả lời: Nhiệt phân ở nhiệt độ thấp (350°C) giúp bảo tồn tối đa các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt than như carboxyl ($-\text{COOH}$) và hydroxyl ($-\text{OH}$), đồng thời duy trì hiệu suất thu hồi sản phẩm cao. Các nhóm chức này tạo ra điện tích âm và khả năng trao đổi ion mạnh đối với cation amoni ($\text{NH}_4^+$), trong khi nhiệt độ cao ($> 550^\circ\text{C}\text{ đến }> 800^\circ\text{C}$) làm tro hóa vật liệu và phân hủy các nhóm chức này.

3. Việc bổ sung than sinh học từ vỏ cà phê giúp rút ngắn thời gian tạo bùn hạt trong bể SBR xuống còn bao lâu?
   Trả lời: Việc bổ sung than sinh học CFH 350 làm chất mang nhân mầm giúp bùn hạt hình thành trong thời gian dưới 30 ngày (sau 40 ngày bùn hạt phát triển rõ rệt và sau 90 ngày đạt cấu trúc ổn định), trong khi hệ bùn hạt tự nhiên không có chất mang thường mất từ 90 đến 180 ngày.

4. Chỉ số thể tích lắng của bùn ($\text{SVI}$) thay đổi như thế nào sau khi hình thành bùn hạt?
   Trả lời: Chỉ số $\text{SVI}$ của hệ thống giảm từ mức $100\text{--}200\text{ mL/g}$ (đặc trưng của bùn hoạt tính lơ lửng truyền thống) xuống dưới $50\text{ mL/g}$ đối với hệ bùn hạt trưởng thành, giúp bùn lắng nhanh và nén đặc hơn, cải thiện đáng kể hiệu quả tách sinh khối khỏi pha nước.

5. Tại sao cấu trúc phân lớp của bùn hạt hiếu khí lại xử lý được amoni trong nước thải có C/N thấp?
   Trả lời: Bùn hạt có cấu trúc màng sinh học dày bao quanh lõi than; lớp ngoài tiếp xúc oxy hòa tan cao thực hiện quá trình nitrat hóa hiếu khí nhờ vi khuẩn tự dưỡng (Nitrosomonas, Nitrobacter, Microbacteriaceae), trong khi oxy bị giới hạn khuếch tán vào bên trong tạo vùng thiếu khí/kỵ khí ở phần lõi chứa vi khuẩn khử nitrat (Thauera), giúp diễn ra đồng thời quá trình nitrat hóa và khử nitrat mà không đòi hỏi lượng cacbon hữu cơ ngoại sinh lớn.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Vũ Ngọc Thủy đã giải quyết đồng thời hai vấn đề môi trường: tận dụng phụ phẩm vỏ cà phê Robusta để sản xuất than sinh học giá thành thấp và ứng dụng vật liệu này làm chất hấp phụ kiêm giá thể nhân mầm tạo bùn hạt trong bể SBR. Kết quả nghiên cứu chứng minh việc bổ sung than CFH 350 rút ngắn thời gian hình thành bùn hạt xuống dưới 30 ngày, cải thiện khả năng lắng với $\text{SVI} < 50\text{ mL/g}$ và nâng cao hiệu suất xử lý amoni cho dòng nước thải có tỷ lệ C/N thấp. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học và giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho lĩnh vực kỹ thuật môi trường và công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Xử lý amoni trong nước và nước thải có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý hoặc sinh học dựa trên nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại ra khỏi môi trường nước. Trong đó phương pháp sinh học và phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu như zeolite, than hoạt tính, than sinh học được xem là các phương pháp phổ biến hiện nay. Tuy nhiên với loại hình nước thải có tỷ lệ C/N thấp như nước thải sinh hoạt sau khi qua bệ tự hoại, xử lý sinh học thường khó đạt tiêu chuẩn đầu ra với các chỉ tiêu về dinh dưỡng, trong đó có chỉ tiêu về amoni.

Để có thể xử lý đạt hiệu quả, các hệ thống xử lý sinh học cần phải bổ sung thêm chất hữu cơ (rỉ đường hoặc methanol) gây tốn kém cho quá trình vận hành. Theo Lehmann và cộng sự, than sinh học (TSH) là vật rắn giàu cacbon (C) thu được từ việc nhiệt phân sinh khối trong môi trường yếm khí. TSH được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, trong đó tận dụng các vật liệu thải từ phụ phẩm nông nghiệp đang là một xu hướng nghiên cứu và ứng dụng được nhiều nhà khoa học quan tâm [1]. Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với nguồn phụ phẩm nông nghiệp và sinh khối thải rất lớn.

Lượng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam rất đa dạng (rơm rạ, vỏ trấu, lõi ngô, vỏ dừa, vỏ cà phê, mùn cưa, phế thải gỗ…), thải ra môi trường hoặc đốt ngoài đồng ruộng hàng năm rất lớn. Đây là một trong những nguồn sinh khối tiềm năng để phục vụ cho sản xuất TSH [2]. Năm 2020, tổng lượng chất thải nông nghiệp khoảng 118,2 triệu tấn/năm, bao gồm khoảng 32,8 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 15,6 triệu tấn bã mía, 9,2 triệu tấn lõi ngô, 8,1 triệu tấn các loại phụ phẩm nông nghiệp khác, phế thải từ gỗ khoảng 43,3 triệu tấn và 1,7 triệu tấn vỏ cà phê [3]. Đã có một số nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu chế tạo TSH từ các phụ phẩm nông, lâm nghiệp như vỏ trấu, thân cây lạc, đậu, lõi ngô, xơ dừa, mùn cưa.

ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng TSH chế tạo từ vỏ cà phê (VCP) để xử lý để xử lý amoni trong nước thải hiện vẫn chưa được đề cập đến. VCP cũng là một dạng phụ phẩm nông nghiệp được thải ra với lượng lớn đặc biệt là ở khu vực miền trung, Tây Nguyên. Sau khi chế biến, vỏ cà phê thường được chất đống đem đốt hoặc thải bỏ trực tiếp vào các gốc cà phê.

Do hàm lượng lignin, caffein, xenlulo và tanin trong vỏ cà phê rất cao, khó phân hủy trong điều kiện thông thường, vì vậy đem bón trực tiếp vào cây làm cây bị nóng, không đem lại hiệu quả về kinh tế. Hiện nay, xu hướng nghiên cứu với vỏ cà phê là đem ủ làm phân vi sinh tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi trình độ kỹ thuật nhất định và thời gian tương đối dài do vỏ 1 cà phê khó phân hủy hơn một số loại phụ phẩm nông nghiệp khác. Việc sử dụng vỏ cà phê làm nguồn nguyên liệu để sản xuất TSH ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường nói chung và xử lý amoni trong nước thải hiện chưa có nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt nam. Ngoài ra hầu hết các nghiên cứu trong và ngoài nước hiện nay ứng dụng TSH trong xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải nói chung và amoni nói riêng đều tập trung vào đánh giá hiệu quả hấp phụ theo cơ chế hấp phụ vật lý, hóa học và đi sâu vào phương pháp chế tạo, phương pháp biến tính vật liệu để tăng cường hiệu quả của quá trình hấp phụ [4,5] do TSH chế tạo trong điều kiện thông thường thường có diện tích bề mặt riêng nhỏ, số lượng nhóm chức bề mặt thấp nên hiệu quả hấp phụ không cao [6-8].

Bên cạnh đó, hầu hết các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả hấp phụ trên đối tượng nước thải tự tạo hoặc một số loại hình như nước cấp sinh hoạt, nước thải bệnh viện sau xử lý sinh học. Hiện chưa có nhiều thông tin đề cập đến cơ chế xử lý khi bổ sung TSH vào hệ bùn hoạt tính và áp dụng trên đối tượng nước thải có tỷ lệ C/N thấp. Hiện nay, nghiên cứu công nghệ bùn hạt hiếu khí trong xử lý nước thải đang là một hướng nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Ưu điểm của công nghệ này là mật độ sinh khối trong hệ thống cao, tải trọng hữu cơ cao cũng như thời gian phân tách hệ bùn - nước ngắn hơn rất nhiều so với công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng truyền thống [9-11].

Bên cạnh đó, một số nghiên cứu gần đây nhất cho thấy việc sử dụng công nghệ bùn hạt trong điều kiện DO thấp có hiệu quả trong xử lý nước thải có hàm lượng amoni cao (tỷ lệ C/N thấp) mà loại hình xử lý hiếu khí truyền thống thường không có hiệu quả. Không những vậy, bùn hạt có khả năng chống chịu được nhiều điều kiện bất lợi như hạn chế nguồn cơ chất, sự có mặt của một số chất gây ức chế và có thời gian lưu trong hệ thống lâu hơn so với bùn hiếu khí lơ lửng. Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là cần thời gian tạo bùn hạt khá dài (90 - 180 ngày) và phụ thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống. Nhiều nghiên cứu trong vòng vài năm trở lại đây đã tập trung vào đánh giá các yếu tố giúp đẩy nhanh quá trình tạo bùn hạt trong giai đoạn khởi động hệ thống như tối ưu hóa các điều kiện vận hành, các quá trình sinh hóa và đưa tác nhân tạo bùn hạt vào hệ thống.

Tối ưu hóa điều kiện vận hành bao gồm việc thiết kế hệ thống với thời gian lưu thủy lực và tải trọng hữu cơ phù hợp, tối ưu hóa thời gian lưu bùn, tuổi của bùn, tốc độ khuấy trộn, tốc độ sục khí… cho thấy hiệu quả của quá trình tạo bùn hạt cũng như hiệu quả xử lý của hệ thống tăng rõ rệt [12]. Đối với việc đưa thêm tác nhân thì một vài nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng than hoạt tính dạng hạt (GAC) và than sinh học làm từ vỏ trấu cũng đem lại hiệu quả rõ rệt, rút ngắn thời gian tạo bùn hạt. 2 Than hoạt tính được đưa vào trong hệ thống trong giai đoạn đầu khởi động trở thành chất mang và hạt nhân giúp vi sinh vật hấp phụ trên bề mặt than và dễ dàng tạo bùn hạt, đồng thời giúp hạt bùn ổn định hơn trong quá trình vận hành hệ thống. Tuy nhiên những nghiên cứu này lại chỉ tập trung vào đánh giá vai trò của than như chất mang thông thường trong quá trình tạo bùn hạt, chưa đánh giá được đặc tính của than cũng như xét đến khía cạnh hấp phụ của vi sinh vật trên bề mặt than trong quá trình xử lý.

Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, trong nghiên cứu này, TSH chế tạo từ vỏ cà phê được nghiên cứu để xử lý amoni trong một loại hình nước thải có tỷ lệ C/N thấp (nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại), trên cơ sở đánh giá quá trình hấp phụ và quá trình màng sinh học bám dính trên TSH. TSH từ vỏ cà phê được tập trung nghiên cứu với vai trò vừa là chất hấp phụ vừa là chất mang được bổ sung vào hệ bùn hoạt tính trong bể SBR để giảm thời gian hình thành bùn hạt và giúp tăng hiệu quả của quá trình xử lý amoni trong nước thải. Mục tiêu nghiên cứu - Đưa ra quy trình chế tạo TSH từ vỏ cà phê với công nghệ chế tạo đơn giản để tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp và tạo ra sản phẩm có khả năng ứng dụng trong xử lý amoni trong nước và nước thải. TSH từ vỏ cà phê khi nhiệt phân ở nhiệt độ thấp, thời gian nhiệt phân ngắn có hiệu suất thu hồi sản phẩm cao, có thể giữ lại tối đa lượng C và nhóm chức trên bề mặt TSH nên có thể được sử dụng cho nhiều mục đích như làm chất hấp phụ hay chất mang vi sinh.

- Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiệu quả hấp phụ amoni trong nước thải. Xác định cơ chế hấp phụ và động học quá trình hấp phụ amoni trong nước thải của TSH chế tạo từ vỏ cà phê. - Sử dụng TSH từ VCP làm chất mang bổ sung vào hệ bùn hoạt tính để thúc đẩy quá trình tạo bùn hạt. Đánh giá được một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý amoni của hệ TSH kết hợp bùn hoạt tính.

Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu trên thì nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm: - Xây dựng quy trình chuẩn bị TSH từ phụ phẩm nông nghiệp (vỏ cà phê), xác định các đặc trưng của TSH chế tạo từ vỏ cà phê (diện tích bề mặt, pH điểm đẳng điện, độ ẩm, độ tro, hàm lượng C, FTIR, SEM) và đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ vật lý, hóa học của TSH từ vỏ cà phê như đánh giá ảnh hưởng 3 của thời gian tiếp xúc, pH của nước thải đầu vào, tỷ lệ rắn/lỏng, kích thước than sinh học và ảnh hưởng cả nồng độ amoni ban đầu. Ngoài ra đẳng nhiệt hấp phụ và động học của quá trình hấp phụ cũng được xác định để làm rõ cơ chế hấp phụ amoni của TSH từ vỏ cà phê sử dụng trong nghiên cứu. - Nghiên cứu quy trình bổ sung TSH từ vỏ cà phê vào hệ bùn hoạt tính để TSH đóng vai trò là chất mang. Đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung TSH chế tạo từ vỏ cà phê đến khả năng sinh trưởng của bùn hoạt tính trong bể SBR.

Đánh giá khả năng hấp phụ của bùn hoạt tính trên than sinh học khi sử dụng than sinh học làm chất mang vi sinh. - Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả xử lý của hệ TSH kết hợp bùn hoạt tính: thời gian sục khí, tỷ lệ chất hữu cơ/vi sinh vật (F/M), tỷ lệ C/N, chu kỳ hoạt động của hệ thống, tỷ lệ trao đổi thể tích … tới hiệu quả xử lý amoni của hệ bùn hạt hoạt tính. Xác định tốc độ sinh trưởng và tốc độ phân giải amoni của hệ bùn hạt, quan sát đánh giá quá trình hình thành bùn hạt theo thời gian vận hành của hệ thống.