Tổng quan nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt chứa các hợp chất nitơ như amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Tại Việt Nam, đặc biệt ở các đô thị lớn như Hà Nội, chỉ khoảng 22% lượng nước thải sinh hoạt được xử lý, còn lại 78% xả thẳng ra môi trường, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng các nguồn nước mặt và ngầm. Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải sinh hoạt chủ yếu diễn ra qua nitrat hóa và phản nitrat hóa, trong đó vi sinh vật đóng vai trò trung tâm. Công nghệ vi sinh thiếu khí - hiếu khí luân phiên (intermittent aeration) được đánh giá là giải pháp hiệu quả trong xử lý amoni và các hợp chất nitơ, với khả năng loại bỏ nitơ lên đến gần 97%.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả xử lý các hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên, đồng thời xác định các thông số vận hành tối ưu như hàm lượng bùn hoạt tính, thời gian cấp khí/ngừng cấp khí và thời gian lưu thủy lực để nâng cao hiệu quả xử lý. Nghiên cứu được thực hiện trên nước thải sinh hoạt thực tế tại công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Tấn Tài, Hải Phòng, trong phòng thí nghiệm với bể phản ứng thể tích 5 lít. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt tiết kiệm diện tích, phù hợp với các công trình có không gian hạn chế, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa trong xử lý nước thải sinh hoạt. Quá trình nitrat hóa gồm hai bước: amoni được vi khuẩn Nitrosomonas oxy hóa thành nitrit, sau đó vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa nitrit thành nitrat. Quá trình phản nitrat hóa diễn ra trong môi trường thiếu khí, vi sinh vật dị dưỡng như Pseudomonas và Clostridium sử dụng oxy từ nitrat để tổng hợp tế bào, khử nitrat thành khí nitơ (N2). Công nghệ vi sinh thiếu khí - hiếu khí luân phiên kết hợp hai quá trình này trong một bể duy nhất, xen kẽ giữa giai đoạn cấp khí (hiếu khí) và ngừng cấp khí (thiếu khí), giúp tối ưu hóa hiệu quả xử lý nitơ.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids): hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bể phản ứng
  • MLVSS (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids): hàm lượng chất rắn dễ bay hơi, đại diện cho sinh khối vi sinh vật
  • DO (Dissolved Oxygen): chỉ số oxy hòa tan, điều kiện quan trọng cho hoạt động vi sinh vật
  • SVI (Sludge Volume Index): chỉ số thể tích bùn, đánh giá khả năng lắng của bùn hoạt tính

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nước thải sinh hoạt thực tế lấy từ hệ thống xử lý nước thải công suất 8 m3/ngày của công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Tấn Tài, Hải Phòng. Nước thải được phân tích các chỉ tiêu COD, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, PO43--P theo tiêu chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT. Nghiên cứu sử dụng hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên trong phòng thí nghiệm với bể phản ứng thể tích 5 lít, vận hành theo chu kỳ cấp khí/ngừng cấp khí khác nhau.

Phương pháp phân tích gồm đo pH, DO bằng máy đo đa thông số; COD, NH4+-N, NO3--N, PO43--P bằng máy quang phổ UV-VIS theo tiêu chuẩn SMEWW; MLSS, MLVSS theo TCVN 6625:2000; SVI theo SMEWW 2710-D. Mỗi mẫu được phân tích lặp lại ba lần, dữ liệu xử lý bằng Microsoft Excel 2013.

Timeline nghiên cứu kéo dài 30 ngày cho quá trình nuôi cấy bùn hoạt tính, tiếp theo là các thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính (2000-6000 mg/L), thời gian cấp khí/ngừng cấp khí (10-50 phút), và thời gian lưu thủy lực (3-24 giờ) đến hiệu quả xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính:

    • Hiệu quả xử lý COD đạt 86,28% - 90,65% sau 6 giờ với MLSS từ 2000 đến 6000 mg/L.
    • Hiệu suất xử lý NH4+-N tăng theo MLSS, đạt 94,11% tại 4000 mg/L và không cải thiện đáng kể khi tăng lên 6000 mg/L.
    • PO43--P được xử lý hiệu quả nhất ở MLSS 4000 mg/L với hiệu suất 77,6%.
    • MLSS 4000 mg/L được xác định là hàm lượng bùn hoạt tính tối ưu cho hệ thống.

  2. Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí:

    • Thời gian cấp khí 50 phút/10 phút cho hiệu quả xử lý COD cao nhất (91,81%), nhưng thời gian ngừng cấp khí ngắn làm giảm hiệu quả khử nitrat, nitrit.
    • Chu kỳ 30 phút/30 phút cân bằng giữa oxy hóa amoni và khử nitrat, nitrit, đạt hiệu quả xử lý NH4+-N trên 95%, nitrat và nitrit gần như bị khử hoàn toàn.
    • Thời gian cấp khí dưới 20 phút làm giảm đáng kể hiệu quả xử lý amoni, không đạt tiêu chuẩn đầu ra.
    • Hiệu quả xử lý photpho cũng cao hơn khi thời gian cấp khí dài hơn 30 phút, đạt trên 80%.

  3. Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực:

    • Thời gian lưu 6 giờ là tối ưu, với hiệu quả xử lý COD đạt 88,89% và NH4+-N đạt 95,94%.
    • Tăng thời gian lưu trên 6 giờ không cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý, ảnh hưởng đến công suất hệ thống.

  4. So sánh hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên với hệ bùn hoạt tính thông thường:

    • Hệ luân phiên có hiệu quả xử lý NH4+-N và tổng nitơ (TN) cao hơn, lần lượt đạt 96,38% và 95,76%, so với 90,74% và 90,06% của hệ bùn hoạt tính thông thường.
    • Hiệu quả xử lý COD và photpho tương đương giữa hai hệ thống.
    • Kết quả cho thấy hệ luân phiên ưu việt trong xử lý nitơ, phù hợp với các công trình có quy mô nhỏ và không gian hạn chế.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý amoni và các hợp chất nitơ phụ thuộc chặt chẽ vào hàm lượng bùn hoạt tính và chu kỳ cấp khí/ngừng cấp khí. MLSS 4000 mg/L cung cấp đủ sinh khối vi sinh vật để thực hiện quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa hiệu quả. Chu kỳ 30 phút/30 phút tạo điều kiện cân bằng giữa giai đoạn hiếu khí và thiếu khí, giúp oxy hóa amoni thành nitrit, nitrat và khử hoàn toàn các hợp chất này thành khí nitơ, giảm thiểu ô nhiễm nitơ trong nước thải đầu ra.

Giá trị DO được duy trì trong khoảng 2-4 mg/L ở pha hiếu khí và dưới 0,5 mg/L ở pha thiếu khí là điều kiện lý tưởng cho hoạt động của vi sinh vật nitrat hóa và phản nitrat hóa, tương đồng với các nghiên cứu quốc tế. Thời gian lưu thủy lực 6 giờ được xác định là phù hợp để đạt hiệu quả xử lý cao mà không làm giảm công suất xử lý.

So sánh với hệ bùn hoạt tính thông thường, hệ thiếu khí - hiếu khí luân phiên cho thấy ưu thế rõ rệt trong xử lý nitơ, phù hợp với các khu vực có hạn chế về diện tích và lưu lượng nước thải nhỏ. Kết quả này đồng nhất với các nghiên cứu trước đây trên thế giới, khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của công nghệ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian và các chu kỳ cấp khí/ngừng cấp khí, cũng như bảng so sánh hiệu quả xử lý giữa các điều kiện vận hành và hệ thống xử lý khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hàm lượng bùn hoạt tính khoảng 4000 mg/L trong hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên để đảm bảo hiệu quả xử lý amoni và photpho tối ưu, đồng thời tiết kiệm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện: các nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành hệ thống xử lý nước thải. Thời gian áp dụng: ngay khi thiết kế hoặc cải tạo hệ thống.

  2. Vận hành chu kỳ cấp khí/ngừng cấp khí 30 phút/30 phút để cân bằng quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa, đạt hiệu quả xử lý nitơ trên 95%. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành. Thời gian áp dụng: trong quá trình vận hành thường xuyên.

  3. Duy trì thời gian lưu thủy lực khoảng 6 giờ để tối ưu hiệu quả xử lý và công suất hệ thống, tránh kéo dài thời gian lưu gây giảm hiệu quả kinh tế. Chủ thể thực hiện: nhà thiết kế và vận hành hệ thống. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế và vận hành.

  4. Kiểm soát giá trị DO trong pha hiếu khí từ 2-4 mg/L và dưới 0,5 mg/L trong pha thiếu khí để đảm bảo điều kiện sinh trưởng và hoạt động của vi sinh vật nitrat hóa và phản nitrat hóa. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành. Thời gian áp dụng: liên tục trong quá trình vận hành.

  5. Khuyến khích áp dụng công nghệ thiếu khí - hiếu khí luân phiên cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ và vừa, đặc biệt tại các khu vực có hạn chế về diện tích xây dựng, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nitơ và giảm chi phí đầu tư. Chủ thể thực hiện: các nhà đầu tư, cơ quan quản lý môi trường. Thời gian áp dụng: trong kế hoạch phát triển hệ thống xử lý nước thải đô thị và khu công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ thuật viên và quản lý vận hành hệ thống xử lý nước thải: Tham khảo để tối ưu hóa quy trình vận hành, lựa chọn thông số kỹ thuật phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và tiết kiệm chi phí.

  3. Các nhà thiết kế và tư vấn công trình xử lý nước thải: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chi tiết giúp thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt hiệu quả, đặc biệt trong điều kiện hạn chế về diện tích và lưu lượng nước thải.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định và hướng dẫn kỹ thuật phù hợp cho việc xử lý nước thải sinh hoạt, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ thiếu khí - hiếu khí luân phiên là gì?
    Là phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa trong cùng một bể bằng cách luân phiên cấp khí và ngừng cấp khí, giúp xử lý hiệu quả các hợp chất nitơ như amoni, nitrit và nitrat.

  2. Hàm lượng bùn hoạt tính tối ưu cho hệ thống là bao nhiêu?
    Nghiên cứu xác định hàm lượng MLSS khoảng 4000 mg/L là phù hợp nhất, đảm bảo hiệu quả xử lý amoni và photpho cao mà không gây lãng phí sinh khối vi sinh vật.

  3. Thời gian cấp khí/ngừng cấp khí ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Chu kỳ 30 phút cấp khí và 30 phút ngừng cấp khí cân bằng quá trình oxy hóa amoni và khử nitrat, đạt hiệu quả xử lý nitơ trên 95%. Thời gian cấp khí quá ngắn hoặc quá dài đều làm giảm hiệu quả xử lý.

  4. Thời gian lưu thủy lực nên duy trì bao lâu?
    Thời gian lưu thủy lực khoảng 6 giờ được đánh giá là tối ưu, giúp đạt hiệu quả xử lý cao mà không làm giảm công suất xử lý của hệ thống.

  5. So sánh hiệu quả xử lý giữa hệ thiếu khí - hiếu khí luân phiên và hệ bùn hoạt tính thông thường?
    Hệ thiếu khí - hiếu khí luân phiên có hiệu quả xử lý amoni và tổng nitơ cao hơn khoảng 5-6% so với hệ bùn hoạt tính thông thường, trong khi hiệu quả xử lý COD và photpho tương đương.

Kết luận

  • Hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên xử lý nước thải sinh hoạt đạt hiệu quả cao với khả năng loại bỏ amoni trên 95% và tổng nitơ gần 96%.
  • Hàm lượng bùn hoạt tính tối ưu là khoảng 4000 mg/L, cân bằng giữa hiệu quả xử lý và chi phí vận hành.
  • Chu kỳ cấp khí/ngừng cấp khí 30 phút/30 phút được xác định là điều kiện vận hành tối ưu cho quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa.
  • Thời gian lưu thủy lực 6 giờ là phù hợp để đạt hiệu quả xử lý cao mà không ảnh hưởng đến công suất hệ thống.
  • Công nghệ này phù hợp với các công trình xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ và vừa, đặc biệt tại các khu vực có hạn chế về diện tích xây dựng.

Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng thực tế công nghệ tại các khu dân cư và doanh nghiệp nhỏ để đánh giá hiệu quả vận hành dài hạn. Đồng thời, nghiên cứu mở rộng về xử lý các chất ô nhiễm khác trong nước thải sinh hoạt nhằm hoàn thiện quy trình xử lý tổng thể.

Hành động khuyến nghị: Các nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành nên áp dụng các thông số vận hành tối ưu được đề xuất để nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.