Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa tại Việt Nam đặt ra áp lực lớn đối với công tác quản lý và xử lý nước thải. Dự báo đến năm 2035, dân số Việt Nam đạt khoảng 106,3 triệu người, trong đó dân số đô thị chiếm 44,87% (khoảng 47,87 triệu người), dẫn đến lượng nước thải sinh hoạt đô thị phát sinh cần xử lý ước tính đạt 7,63 triệu $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$. Phần lớn các đô thị hiện nay đang vận hành hệ thống thoát nước chung; trên 90% hộ gia đình sử dụng bể tự hoại để xử lý sơ bộ. Bể tự hoại có hiệu suất lắng cặn 50–70% theo chất rắn lơ lửng (TSS) và giảm 25–45% nhu cầu oxy sinh hóa/hóa học ($\text{BOD}/\text{COD}$), nhưng không loại bỏ được các hợp chất nitơ, thậm chí nồng độ nitơ sau bể tự hoại có xu hướng gia tăng do quá trình phân hủy yếm khí cặn lắng.

Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt $\text{QCVN 14:2008/BTNMT}$, nồng độ giới hạn của amoni ($\text{NH}_4^+$) và nitrat ($\text{NO}_3^-$) xả vào nguồn tiếp nhận loại A lần lượt là $5\text{ mg/L}$ và $30\text{ mg/L}$; loại B lần lượt là $10\text{ mg/L}$ và $50\text{ mg/L}$. Hầu hết các công nghệ truyền thống đang áp dụng tại Việt Nam (như bùn hoạt tính truyền thống $\text{CAS}$, $\text{AO}$, $\text{A}^2\text{O}$, $\text{SBR}$) dựa trên chu trình nitrat hóa – khử nitrat. Các công nghệ này tiêu tốn nhiều năng lượng cho sục khí (tiêu hao $4{,}57\text{ g O}_2/\text{g N-NH}_4^+$), đòi hỏi bổ sung nguồn cacbon hữu cơ ngoại sinh ($2{,}47\text{ g CH}_3\text{OH}/\text{g N-NO}_3^-$) do nước thải sau bể tự hoại có tỷ lệ $\text{C/N}$ thấp ($2{,}5\text{--}5{,}0$), sinh ra lượng bùn thải lớn và phát thải khí nhà kính ($\text{N}_2\text{O}, \text{NO}$).

Quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (Anammox) kết hợp với nitrit hóa bán phần ($\text{PN/AX}$) chuyển hóa trực tiếp $\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_2^-$ thành khí $\text{N}_2$ mà không cần cacbon hữu cơ, giảm 50–63% nhu cầu oxy và giảm thiểu lượng bùn phát sinh. Tuy nhiên, vi khuẩn Anammox có tốc độ sinh trưởng chậm, thời gian nhân đôi dài và nhạy cảm với điều kiện môi trường. Khoảng trống nghiên cứu thực tiễn tại Việt Nam là việc đánh giá khả năng duy trì sinh khối vi khuẩn Anammox trên giá thể vi sinh cố định thế hệ mới (Felibendy) để xử lý nước thải sinh hoạt thực tế có nồng độ cơ chất thấp và nồng độ chất hữu cơ biến động.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Đánh giá khả năng sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy thông qua hiệu quả loại bỏ nitơ của quá trình Anammox trong mô hình phản ứng tầng cố định ($\text{AX}$).
  2. Đánh giá khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox ($\text{PN/AX}$) sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy.
  3. Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải (thông qua chỉ số $\text{COD}$) đến hiệu quả xử lý nitơ của quá trình Anammox; xác định các thông số động học của quá trình Anammox với các tỷ lệ $\text{C/N}$ khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình Anammox trong bể phản ứng tầng cố định; các hợp chất chứa nitơ vô cơ ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$) trong nước thải sinh hoạt; nước thải nhân tạo và nước thải sinh hoạt thực tế sau bể tự hoại tại Ký túc xá Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm đối với nước thải sinh hoạt đô thị Việt Nam, vận hành trên mô hình nitrit hóa bán phần ($\text{PN}$) và mô hình Anammox ($\text{AX}$) sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Quá trình Anammox được Broda (1977) dự báo về mặt nhiệt động học và được Mulder cùng cộng sự (1995) phát hiện thực nghiệm tại hệ thống xử lý nước thải Gist-Brocades (Hà Lan). Từ đó, các nghiên cứu tập trung phát triển các quy trình tích hợp và công nghệ màng sinh học:

  • Cấu hình công nghệ kết hợp: Quy trình hai bậc $\text{SHARON-Anammox}$ và các quy trình một bậc như $\text{CANON}$ (Third và cộng sự, 2001; Sliekers và cộng sự, 2002), $\text{OLAND}$ (Kuai và Verstraete, 1998), $\text{SNAP}$ (Furukawa và cộng sự).
  • Thực nghiệm trên các loại giá thể mang và điều kiện vận hành:
    • Augusto và cộng sự (2018): Ứng dụng quá trình $\text{SNAP}$ trong mô hình $\text{MBR}$ màng silicone với tải lượng nitơ đầu vào ($\text{NLR}$) $50\text{--}100\text{ g N/m}^3/\text{ngày}$, hiệu quả loại bỏ nitơ ($\text{NRE}$) đạt $61\text{--}78%$.
    • Wu và cộng sự (2019): Áp dụng $\text{MBR}$ khởi động Anammox ở nhiệt độ thấp ($13^\circ\text{C}$), đạt $\text{NRE} > 90%$ nhờ ưu thế sinh trưởng của Candidatus Brocadia sinica.
    • Li và cộng sự (2016): Vận hành mô hình tầng lưu động ($\text{FB}$) xử lý nồng độ amoni cao ($400\text{ mg N/L}$), kiểm soát oxy hòa tan ($\text{DO}$) ở mức $1{,}31\text{ mg/L}$, $\text{HRT} = 18\text{ h}$, tạo tỷ lệ $\text{NO}_2^-/\text{NH}_4^+ = 1{,}27$.
    • Reino và cộng sự (2016), Laureni và cộng sự (2015): Nghiên cứu tác động của nhiệt độ thấp ($11\text{--}15^\circ\text{C}$) trong bể $\text{UASB}$ và $\text{MBBR}$ (giá thể K5 Kaldnes), ghi nhận sự ức chế nhưng có khả năng phục hồi hoạt tính của loài Ca. Kuenenia.
    • Chen và cộng sự (2016): Mô hình airlift hạt vi sinh đạt $\text{NRE} = 71{,}8 \pm 9{,}9%$ tại $\text{HRT} = 2\text{ h}$ với sự ưu thế của Ca. Kuenenia stuttgartiensis và Nitrosomonas.
    • Tran và cộng sự (2006, 2011, 2012): So sánh các giá thể mang vi sinh gồm $\text{PVA gel}$ ($\text{NRE } 77\text{--}83%$), hạt gốm xốp Malt Ceramic ($\text{MC}$) đường kính $3\text{--}5\text{ mm}$ và $10\text{--}15\text{ mm}$ ($\text{NRR } 3{,}2\text{--}3{,}3\text{ kg N/m}^3/\text{ngày}$), ống trụ $\text{PE}$ ($\text{NRR } 2{,}8\text{ kg N/m}^3/\text{ngày}$).
Tác giả / Tài liệu Quy trình / Mô hình Loại giá thể / Bùn Nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) HRT (h) NLR ($\text{kg N/m}^3/\text{ng}$) NRR ($\text{kg N/m}^3/\text{ng}$) NRE (%)
Augusto (2018) $\text{SNAP / MBR}$ Màng silicone $30 \pm 1$ 24 $0{,}05\text{--}0{,}10$ $0{,}043\text{--}0{,}073$ $61\text{--}78$
Wu (2019) $\text{Anammox / MBR}$ Bùn hạt kỵ khí $13 \pm 2$ 24 $0{,}32$ $> 0{,}29$ $> 90$
Reino (2016) $\text{Anammox / UASB}$ Bùn hạt 11 — $2{,}2$ $1{,}8 \pm 0{,}1$ $82 \pm 4$
Laureni (2015) $\text{PN-AX / MBBR}$ K5 Kaldnes 15 14 — $0{,}02\text{--}0{,}04$ $> 70$
Tran (2011) $\text{Anammox / FBR}$ MC $3\text{--}5\text{ mm}$ $33\text{--}35$ $3\text{--}12$ $0{,}2\text{--}0{,}45$ $3{,}2$ 78
Tran (2006) $\text{Anammox / FB}$ PVA gel $33\text{--}35$ $3\text{--}9$ $0{,}1\text{--}0{,}3$ $3{,}0$ 77
Tran (2012) $\text{Anammox / FBR}$ Ống trụ PE $33\text{--}35$ 3 $0{,}42$ $2{,}8$ 75
Li (2016) $\text{PN/AX / FB}$ Tầng lưu động 35 18 $0{,}53$ — $57{,}1$

Khoảng trống luận án giải quyết

Tại Việt Nam, các công trình xử lý nước thải đô thị tập trung chủ yếu xử lý $\text{COD}$ mà gặp khó khăn trong việc duy trì hiệu quả khử nitơ ổn định quanh năm. Việc áp dụng Anammox cho dòng thải sinh hoạt có nồng độ amoni thấp ($20\text{--}70\text{ mg N/L}$ sau bể tự hoại) thường gặp trở ngại do sinh khối vi khuẩn dễ bị rửa trôi. Luận án giải quyết việc cố định sinh khối bằng giá thể sợi xốp Felibendy thế hệ mới trong cấu hình bể phản ứng tầng cố định ($\text{FBR}$), kiểm soát quá trình nitrit hóa bán phần ổn định tỷ lệ $\text{NO}_2^-/\text{NH}_4^+$ đầu vào cho bể Anammox, đồng thời xác định ngưỡng ức chế của $\text{COD}$ và các thông số động học phản ứng phục vụ thiết kế công nghệ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Quá trình Nitrit hóa bán phần (Partial Nitritation - PN): Chuyển hóa khoảng 50–55% $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_2^-$ nhờ vi khuẩn oxy hóa amoni ($\text{AOB}$ - Nitrosomonas), đồng thời ức chế vi khuẩn oxy hóa nitrit ($\text{NOB}$ - Nitrobacter, Nitrospira) bằng cách kiểm soát nồng độ oxy hòa tan ($\text{DO}$), thời gian lưu thủy lực ($\text{HRT}$), pH và nồng độ amoniac tự do ($\text{FA}$), axit nitrit tự do ($\text{FNA}$): $$\text{NH}_4^+ + 1{,}5\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} + 2\text{H}^+$$
  • Quá trình Anammox: Vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes (Candidatus Brocadia anammoxidans) sử dụng $\text{NO}_2^-$ làm chất nhận electron để oxy hóa $\text{NH}_4^+$ trong điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt: $$\text{NH}_4^+ + 1{,}32\text{NO}_2^- + 0{,}066\text{HCO}_3^- + 0{,}13\text{H}^+ \rightarrow 1{,}02\text{N}_2 + 0{,}26\text{NO}3^- + 0{,}066\text{CH}2\text{O}{0{,}5}\text{N}{0{,}15} + 2{,}03\text{H}_2\text{O}$$
  • Mô hình động học cơ sở:
    1. Phương trình động học bậc 1: $$\frac{S_0 - S_e}{\text{HRT}} = k_1 \cdot S_e$$
    2. Phương trình động học bậc 2 Grau: $$\frac{S_0 \cdot \text{HRT}}{S_0 - S_e} = a + b \cdot \text{HRT}$$
    3. Phương trình động học Stover-Kincannon: $$\frac{\text{HRT}}{S_0 - S_e} = \frac{K_B}{U_{\max}} \cdot \frac{\text{HRT}}{S_0} + \frac{1}{U_{\max}} \quad \text{hay} \quad \frac{1}{\text{NRR}} = \frac{K_B}{U_{\max}} \cdot \frac{1}{\text{NLR}} + \frac{1}{U_{\max}}$$ Trong đó: $S_0, S_e$ là nồng độ cơ chất đầu vào và đầu ra ($\text{mg/L}$); $U_{\max}$ là tốc độ tiêu thụ cơ chất cực đại ($\text{kg/m}^3/\text{ngày}$); $K_B$ là hằng số bán bão hòa ($\text{kg/m}^3/\text{ngày}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Vật liệu giá thể mang: Giá thể cố định Felibendy (hãng Kuraray, Nhật Bản), cấu tạo từ sợi $\text{PET}$ (Polyethylene terephthalate) chế tạo bằng công nghệ Steam-jet, độ xốp cao, bề mặt dính bám lớn. Dùng dạng tấm ($150 \times 250 \times 8\text{ mm}$) cho mô hình $\text{PN}$ và dạng khối lập phương ($10 \times 10 \times 8\text{ mm}$) cho mô hình $\text{AX}$.
  • Chuẩn bị bùn vi sinh:
    • Vi khuẩn oxy hóa amoni ($\text{AOB}$ - Nitrosomonas) từ chế phẩm dạng bột thương mại.
    • Vi khuẩn Anammox (Planctomycetes / Candidatus Brocadia anammoxidans) dạng bùn hạt do Viện Sinh học Nhiệt đới (TP. Hồ Chí Minh) và Công ty Meidensha (Nhật Bản) cung cấp.
  • Bố trí các mô hình thí nghiệm:
    • Thí nghiệm 1: Mô hình $\text{AX}$ đơn lẻ tầng cố định chạy với nước thải tổng hợp qua 4 giai đoạn tải lượng để đánh giá khả năng dính bám và hiệu quả xử lý của giá thể Felibendy.
    • Thí nghiệm 2: Hệ thống liên hoàn $\text{PN/AX}$ xử lý nước thải sinh hoạt thực tế (sau bể tự hoại KTX Đại học Xây dựng Hà Nội); khảo sát các mức $\text{HRT}$ ($12\text{ h}, 9\text{ h}, 6\text{ h}, 4{,}5\text{ h}$ cho $\text{PN}$ và $9\text{ h}, 6\text{ h}, 4{,}5\text{ h}, 3\text{ h}$ cho $\text{AX}$).
    • Thí nghiệm 3: Hệ ba mô hình song song ($\text{AX}_1, \text{AX}_2, \text{AX}_3$) khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất hữu cơ với các tỷ lệ $\text{C/N}$ từ $0$ đến $6{,}0$ ($\text{COD}$ từ $0$ đến $360\text{ mg/L}$).
  • Phương pháp phân tích hóa lý và sinh học:
    • Phân tích $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{COD}$, $\text{TSS}$, $\text{DO}$, pH, nhiệt độ theo phương pháp tiêu chuẩn (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater).
    • Phân tích sinh học phân tử: Tách chiết $\text{DNA}$ tổng số, khuếch đại gen $\text{16S rDNA}$ bằng kỹ thuật $\text{PCR}$ với cặp mồi chuyên biệt, điện di trên gel agarose để xác định sự hiện diện của chủng vi khuẩn Anammox bám trên giá thể Felibendy trước và sau xử lý.
    • Xử lý số liệu, tính toán các thông số động học ($U_{\max}, K_B, R^2$) bằng phần mềm Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày cơ sở lý luận, tính cấp thiết của việc nghiên cứu công nghệ xử lý nitơ bền vững, tiết kiệm năng lượng tại các đô thị Việt Nam; xác định 3 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, 3 điểm đóng góp mới và ý nghĩa khoa học – thực tiễn của đề tài.

Chương 1: Tổng quan về các vấn đề liên quan đến xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức về nguồn gốc, đặc tính ô nhiễm của nước thải sinh hoạt đô thị và các dạng tồn tại của nitơ:

  • Nitơ trong nước thải sinh hoạt tồn tại chủ yếu ở dạng nitơ hữu cơ ($\text{protein}$, $\text{urê}$) và nitơ vô cơ ($\text{TIN}$ gồm $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$). $\text{NH}_4^+$ chiếm 60–80% tổng nitơ ($\text{TN}$).
  • Nêu tác động tiêu cực của nitơ gây phú dưỡng hóa nguồn nước tiếp nhận, độc tính của $\text{NH}_3$ và nitrit đối với thủy sinh, nguy cơ gây bệnh methemoglobin ở trẻ em và tạo thành hợp chất nitrosamin gây ung thư.
  • Đánh giá hiện trạng 20 nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam (Bảng 1.2 trong văn bản): nồng độ $\text{COD}$ đầu vào dao động từ $64\text{--}239\text{ mg/L}$ đối với hệ thống thoát nước chung, tỷ lệ $\text{C/N}$ phổ biến từ $2{,}5\text{--}5{,}0$ (riêng trạm Bình Hưng là $12{,}27$). Việc khử nitơ bằng công nghệ truyền thống gặp khó khăn do thiếu hụt nguồn cacbon hữu cơ.
  • Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý hóa lý (thổi khí stripping, trao đổi ion), hóa học (clo hóa điểm đột biến, kết tủa $\text{MAP}$) và sinh học ($\text{AO}$, $\text{AAO}$, $\text{SBR}$, $\text{MBR}$, $\text{MBBR}$, $\text{FAST}$, oxy hóa tuần hoàn).
  • Giới thiệu xu thế công nghệ quy trình hai giai đoạn $\text{A-B}$ theo định hướng phát triển bền vững: giai đoạn A loại bỏ cacbon và thu hồi năng lượng ($\text{CH}_4$), giai đoạn B loại bỏ nitơ bằng $\text{PN/Anammox}$.
  • Điểm luận các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về Anammox, các dạng giá thể dính bám ($\text{PVA}$, $\text{MC}$, $\text{PE}$, $\text{Kaldnes}$), chỉ ra các vấn đề tồn tại cần giải quyết.

Chương 2: Cơ sở khoa học của công nghệ xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hoá bán phần – Anammox

Chương 2 trình bày bản chất hóa sinh và động học phản ứng của hai quá trình cốt lõi:

  • Cơ chế Anammox: Mô tả con đường chuyển hóa trung gian qua hydroxylamine ($\text{NH}_2\text{OH}$) và hydrazine ($\text{N}_2\text{H}_4$) nhờ phức hợp enzyme màng anammoxosome; phân tích các yếu tố ảnh hưởng: nhiệt độ, pH (tối ưu $7{,}5\text{--}8{,}0$), nồng độ $\text{DO}$ (ức chế thuận nghịch ở mức thấp và ức chế hoàn toàn khi $\text{DO} > 0{,}2\text{ mg/L}$), nồng độ cơ chất ($\text{FA} > 20\text{ mg/L}$ hoặc $\text{FNA} > 0{,}01\text{ mg/L}$ gây ức chế).
  • Cơ chế Nitrit hóa bán phần: Quy luật cạnh tranh tốc độ sinh trưởng giữa $\text{AOB}$ và $\text{NOB}$; các giải pháp kiểm soát $\text{DO}$ thấp ($0{,}5\text{--}1{,}5\text{ mg/L}$), thời gian lưu thủy lực ngắn ($\text{HRT}$), và nhiệt độ để rửa trôi $\text{NOB}$, tích lũy $\text{NO}_2^-$ đạt tỷ lệ mol $\text{NO}_2^-/\text{NH}_4^+ \approx 1{,}32$.
  • Màng sinh học (Biofilm) trên giá thể Felibendy: Cơ chế hình thành màng dính bám vi sinh qua 4 giai đoạn (vận chuyển ban đầu, bám dính thuận nghịch, bám dính không thuận nghịch nhờ chất cao phân tử ngoại bào $\text{EPS}$, và phát triển thành màng biofilm trưởng thành); đặc tính sợi $\text{PET}$ xốp nhẹ, bền cơ học, chống phân hủy sinh học của vật liệu Felibendy.
  • Lý thuyết mô hình hóa động học: Thiết lập biểu thức toán học của mô hình bậc 1, mô hình bậc 2 Grau và mô hình Stover-Kincannon ứng dụng cho hệ phản ứng sinh trưởng dính bám.

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết phương pháp bố trí thực nghiệm và quy trình phân tích:

  • Sơ đồ nghiên cứu: Thiết lập 3 nội dung thí nghiệm tương ứng với 3 mục tiêu.
  • Thông số kỹ thuật mô hình:
    • Mô hình $\text{PN}$: Bể phản ứng thể tích công tác $3{,}6\text{ L}$, lắp đặt tấm giá thể Felibendy phẳng ($150 \times 250 \times 8\text{ mm}$), có hệ thống sục khí kiểm soát $\text{DO}$.
    • Mô hình $\text{AX}$: Bể phản ứng tầng cố định hình trụ, thể tích công tác $2{,}5\text{ L}$, chứa giá thể Felibendy dạng khối lập phương ($10 \times 10 \times 8\text{ mm}$) với tỷ lệ lấp đầy thích hợp, bọc lớp cách nhiệt và duy trì điều kiện kỵ khí.
  • Thành phần nước thải thí nghiệm:
    • Nước thải nhân tạo: Bổ sung $\text{NH}_4\text{Cl}$, $\text{NaNO}_2$, $\text{NaHCO}_3$, $\text{KH}_2\text{PO}_4$ và các nguyên tố vi lượng.
    • Nước thải sinh hoạt thực tế: Lấy sau bể tự hoại KTX Đại học Xây dựng Hà Nội, có nồng độ $\text{NH}_4^+$ dao động $30\text{--}65\text{ mg/L}$, $\text{COD}$ dao động $80\text{--}150\text{ mg/L}$.
  • Kỹ thuật sinh học phân tử $\text{PCR}$:
    • Tách chiết $\text{DNA}$ tổng số từ sinh khối bám trên giá thể.
    • Khuếch đại gen $\text{16S rDNA}$ với cặp mồi đặc hiệu cho vi khuẩn Anammox; chu trình nhiệt và điện di kiểm tra sản phẩm $\text{PCR}$ trên thạch agarose $1{,}5%$.
  • Phương pháp xác định thông số động học: Hồi quy tuyến tính các cặp giá trị thực nghiệm theo các phương trình động học để xác định hệ số tương quan $R^2$, tìm hằng số động học $k_1$, $a, b$, $U_{\max}$ và $K_B$.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 phân tích số liệu thực nghiệm thu được từ 3 nội dung nghiên cứu chính:

1. Hiệu quả loại bỏ nitơ trên mô hình AX sử dụng giá thể Felibendy (Thí nghiệm 1)

  • Vận hành qua 4 giai đoạn tăng dần tải lượng nitơ: Giá thể Felibendy thể hiện khả năng lưu giữ sinh khối tốt, màng vi sinh bám chắc sau thời gian ngắn khởi động.
  • Hiệu quả loại bỏ $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$ và tổng nitơ ($\text{TN}$) duy trì ổn định ở mức cao. Tỷ lệ tiêu thụ $\text{NO}_2^-/\text{NH}_4^+$ thực nghiệm đạt xấp xỉ $1{,}25\text{--}1{,}32$ và tỷ lệ tạo thành $\text{NO}_3^-/\text{NH}_4^+$ đạt $0{,}20\text{--}0{,}26$, phù hợp với tỷ lệ lý thuyết của phương trình Strous.
  • Tốc độ loại bỏ tổng nitơ ($\text{NRR}$) tăng tuyến tính theo tải lượng nitơ nạp vào ($\text{NLR}$), khẳng định tính khả thi của giá thể Felibendy cho quá trình Anammox.

2. Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt thực tế bằng hệ mô hình PN/AX (Thí nghiệm 2)

  • Mô hình PN: Ở $\text{HRT} = 9\text{ h}$ và nồng độ $\text{DO}$ kiểm soát ở mức $1{,}0\text{--}1{,}5\text{ mg/L}$, mô hình chuyển hóa ổn định $50\text{--}55%$ $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_2^-$, nồng độ $\text{NO}_3^-$ sinh ra không đáng kể ($< 3\text{ mg/L}$), tạo tỷ lệ $\text{NO}_2^-/\text{NH}_4^+$ đầu ra cho dòng $\text{AX}$ dao động trong khoảng $1{,}1\text{--}1{,}3$.
  • Mô hình AX: Ở $\text{HRT} = 6\text{ h}$, hiệu quả loại bỏ tổng nitơ vô cơ ($\text{TIN}$) đạt trên $80%$; nồng độ $\text{NH}_4^+$ và $\text{NO}_3^-$ đầu ra đạt tiêu chuẩn $\text{QCVN 14:2008/BTNMT}$ (Cột A).
  • Kết quả phân tích PCR: Phổ điện di sản phẩm $\text{PCR}$ đoạn gen $\text{16S rDNA}$ xác nhận vạch kích thước đặc trưng cho vi khuẩn Planctomycetes (Candidatus Brocadia anammoxidans) xuất hiện rõ trên cả mẫu bùn gốc ban đầu và mẫu sinh khối bám trên giá thể Felibendy sau thời gian dài xử lý nước thải thực tế.
  • Xác định mô hình động học: So sánh hệ số tương quan $R^2$ giữa 3 phương trình:
Quá trình Cơ chất / Chỉ tiêu Động học bậc 1 ($R^2$) Động học Grau bậc 2 ($R^2$) Stover-Kincannon ($R^2$)
Nitrit hóa bán phần (PN) Chuyển hóa $\text{NH}_4^+$ $0{,}78\text{--}0{,}85$ $0{,}91\text{--}0{,}94$ $0{,}98\text{--}0{,}99$
Tạo thành $\text{NO}_2^-$ $0{,}75\text{--}0{,}82$ $0{,}89\text{--}0{,}92$ $0{,}97\text{--}0{,}99$
Anammox (AX) Loại bỏ $\text{NH}_4^+$ $0{,}80\text{--}0{,}86$ $0{,}92\text{--}0{,}95$ $0{,}98\text{--}0{,}99$
Loại bỏ Tổng Nitơ ($\text{TN}$) $0{,}81\text{--}0{,}87$ $0{,}93\text{--}0{,}96$ $0{,}99$

Mô hình Stover-Kincannon đạt độ tương thích cao nhất ($R^2 > 0{,}98$), phản ánh chính xác quy luật động học của hệ phản ứng tầng cố định dính bám.

3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox (Thí nghiệm 3)

  • Khảo sát các mức tỷ lệ $\text{C/N}$ từ $0$ đến $6{,}0$ (tương ứng $\text{COD}$ từ $0$ đến $360\text{ mg/L}$):
    • Khi $\text{C/N} \le 2{,}0$ ($\text{COD} \le 120\text{ mg/L}$): Quá trình Anammox diễn ra thuận lợi, hiệu quả loại bỏ nitơ không bị suy giảm, vi khuẩn dị dưỡng tiêu thụ một phần $\text{COD}$ mà không lấn át vi khuẩn Anammox.
    • Khi $\text{C/N} = 3{,}5\text{--}5{,}0$ ($\text{COD} = 210\text{--}300\text{ mg/L}$): Hiệu quả xử lý nitơ giảm nhẹ do vi khuẩn dị dưỡng phát triển cạnh tranh không gian sống và cơ chất nitrit.
    • Khi $\text{C/N} = 6{,}0$ ($\text{COD} > 300\text{ mg/L}$): Xảy ra hiện tượng ức chế rõ rệt đối với vi khuẩn Anammox; vi khuẩn dị dưỡng phát triển mạnh chiếm ưu thế trên giá thể, làm suy giảm nghiêm trọng tốc độ loại bỏ nitơ ($\text{NRR}$). Ngưỡng ức chế của chất hữu cơ đối với mô hình $\text{AX}$ được xác định là $\text{COD} > 300\text{ mg/L}$.
  • Xác định các hằng số động học $U_{\max}$ và $K_B$ của phương trình Stover-Kincannon ứng với từng tỷ lệ $\text{C/N}$ cụ thể: khi tỷ lệ $\text{C/N}$ tăng vượt ngưỡng, $U_{\max}$ giảm dần và $K_B$ biến đổi tương ứng với mức độ ức chế sinh học.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Thông số thời gian lưu thủy lực tối ưu: Xác định được thời gian lưu thủy lực ($\text{HRT}$) phù hợp cho quá trình xử lý nước thải sinh hoạt thực tế trên hệ thống phản ứng sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy: $\text{HRT} = 9\text{ giờ}$ đối với mô hình nitrit hóa bán phần ($\text{PN}$) và $\text{HRT} = 6\text{ giờ}$ đối với mô hình Anammox ($\text{AX}$).
  2. Xác định ngưỡng ức chế của chất hữu cơ: Xác định được giới hạn nồng độ chất hữu cơ (tính theo $\text{COD}$) gây ức chế đối với hoạt tính của vi khuẩn Anammox trên giá thể cố định trong mô hình $\text{AX}$ là $\text{COD} > 300\text{ mg/L}$.
  3. Mô hình hóa động học phản ứng: Chứng minh phương trình Stover-Kincannon mô tả phù hợp nhất động học của quá trình nitrit hóa bán phần và Anammox trên giá thể cố định Felibendy ($R^2 > 0{,}98$). Xác định được các hằng số động học thực nghiệm gồm tốc độ tiêu thụ cực đại ($U_{\max}$) và hằng số bán bão hòa ($K_B$) cho quá trình loại bỏ amoni và tổng nitơ tương ứng với các dải tỷ lệ $\text{C/N}$ khác nhau ($0\text{--}6{,}0$).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng mô hình công nghệ kết hợp $\text{PN/AX}$ giá thể cố định Felibendy để nâng cấp các trạm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị có tỷ lệ $\text{C/N}$ thấp sau bể tự hoại.
  • Đối với nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao vượt ngưỡng $\text{COD} > 300\text{ mg/L}$, cần áp dụng các biện pháp xử lý sơ cấp tách dòng hoặc tăng cường tiền xử lý kỵ khí/hiếu khí (theo quy trình $\text{A-B}$) để hạ thấp $\text{COD}$ trước khi đưa vào bể Anammox.
  • Sử dụng các hằng số động học $U_{\max}$ và $K_B$ đã xác định từ mô hình Stover-Kincannon để tính toán thể tích công trình, tải lượng nạp và dự báo chất lượng nước đầu ra khi thiết kế hệ thống xử lý nước thải quy mô thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu thực nghiệm dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (lab-scale) với các thể tích bể phản ứng nhỏ ($3{,}6\text{ L}$ cho $\text{PN}$ và $2{,}5\text{ L}$ cho $\text{AX}$), chưa triển khai thử nghiệm trên mô hình pilot ngoài hiện trường dài ngày.
  • Điều kiện nhiệt độ trong các thí nghiệm động học chủ yếu khảo sát ở dải nhiệt độ phòng và nhiệt độ tối ưu ($30\text{--}35^\circ\text{C}$), chưa phản ánh toàn diện tác động của điều kiện nhiệt độ mùa đông xuống thấp ($< 15^\circ\text{C}$) tại miền Bắc Việt Nam đối với vi khuẩn dính bám trên giá thể Felibendy.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Triển khai mô hình thử nghiệm quy mô pilot tại các trạm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị thực tế nhằm hoàn thiện quy trình vận hành và đánh giá độ bền cơ lý của giá thể Felibendy sau thời gian dài sử dụng.
  • Nghiên cứu cơ chế và biện pháp kiểm soát quá trình khởi động nhanh hệ thống $\text{PN/AX}$ trong điều kiện nhiệt độ thấp mùa đông.
  • Ứng dụng các kỹ thuật sinh học phân tử định lượng (như $\text{qPCR}$, giải trình tự gen thế hệ mới $\text{NGS}$) để theo dõi mật độ và sự biến động cấu trúc quần xã vi sinh vật ($\text{AOB}$, $\text{NOB}$, Anammox, vi khuẩn dị dưỡng) theo chiều sâu của lớp màng sinh học.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Công nghệ môi trường, Kỹ thuật môi trường nước và Cấp thoát nước: tham khảo phương pháp luận thiết lập mô hình phản ứng dính bám tầng cố định, kỹ thuật $\text{PCR}$ định danh vi sinh vật và phương pháp tính toán động học môi trường.
  • Giảng viên và nhà khoa học: làm tài liệu giảng dạy và mở rộng hướng nghiên cứu về công nghệ oxy hóa amoni kỵ khí, công nghệ màng sinh học biofilm.
  • Kỹ sư thiết kế công nghệ và các đơn vị quản lý vận hành trạm xử lý nước thải: tham khảo các thông số công nghệ thực nghiệm ($\text{HRT}$, $\text{DO}$, tải lượng nitơ, ngưỡng $\text{COD}$) và phương trình Stover-Kincannon để thiết kế mới hoặc cải tạo nâng cấp công trình xử lý nitơ đạt chuẩn $\text{QCVN 14:2008/BTNMT}$.

Các phần có giá trị tham khảo cao

  • Bảng tổng hợp số liệu hiện trạng công nghệ và thông số ô nhiễm của các nhà máy xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam (Chương 1).
  • Phương pháp luận xác định hằng số động học $U_{\max}, K_B$ theo mô hình Stover-Kincannon (Chương 3 và Chương 4).
  • Bộ thông số vận hành thực nghiệm kiểm soát quá trình nitrit hóa bán phần ($\text{PN}$) và Anammox ($\text{AX}$) trên giá thể Felibendy (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án lựa chọn vật liệu Felibendy làm giá thể vi sinh cố định cho quá trình Anammox?

Vật liệu Felibendy (do hãng Kuraray, Nhật Bản sản xuất bằng công nghệ Steam-jet) có thành phần chính là sợi $\text{PET}$ (Polyethylene terephthalate). Vật liệu này có cấu trúc sợi cứng rắn, độ bền cao, xốp nhẹ, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và khả năng thấm hút cao. Cấu trúc này tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn Anammox (Planctomycetes)—vốn có tốc độ sinh trưởng chậm—dễ dàng bám dính, hình thành màng sinh học bền vững và không bị rửa trôi theo dòng nước trong quá trình vận hành liên tục.

2. Tỷ lệ $\text{NO}_2^-/\text{NH}_4^+$ tối ưu cần đạt được sau bể Nitrit hóa bán phần ($\text{PN}$) là bao nhiêu và được kiểm soát bằng cách nào?

Tỷ lệ mol $\text{NO}_2^-/\text{NH}_4^+$ tối ưu cần đạt là khoảng $1{,}1\text{--}1{,}3$ (phù hợp với tỷ lệ lý thuyết $1{,}32$ của phản ứng Anammox). Tỷ lệ này được kiểm soát trong mô hình $\text{PN}$ bằng cách vận hành ở thời gian lưu thủy lực $\text{HRT} = 9\text{ giờ}$ và duy trì nồng độ oxy hòa tan ($\text{DO}$) giới hạn ở mức $1{,}0\text{--}1{,}5\text{ mg/L}$ nhằm thúc đẩy vi khuẩn $\text{AOB}$ (Nitrosomonas) oxy hóa khoảng 50–55% $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_2^-$, đồng thời ức chế vi khuẩn $\text{NOB}$ oxy hóa tiếp lên nitrat.

3. Nồng độ chất hữu cơ ($\text{COD}$) ảnh hưởng như thế nào đến quá trình Anammox trong nghiên cứu?

Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải có tác động trực tiếp đến sự cạnh tranh sinh thái trong màng sinh học:

  • Khi $\text{COD} \le 120\text{ mg/L}$ (tỷ lệ $\text{C/N} \le 2{,}0$): Quá trình Anammox duy trì hiệu quả xử lý cao, vi khuẩn dị dưỡng hỗ trợ tiêu thụ chất hữu cơ mà không gây ảnh hưởng tiêu cực.
  • Khi $\text{COD} > 300\text{ mg/L}$ (tỷ lệ $\text{C/N} \ge 6{,}0$): Vi khuẩn dị dưỡng phát triển bùng phát, cạnh tranh không gian bề mặt giá thể và cơ chất $\text{NO}_2^-$, gây ức chế nghiêm trọng hoạt tính sinh học của vi khuẩn Anammox và làm giảm mạnh hiệu quả loại bỏ nitơ.

4. Mô hình động học nào mô tả chính xác nhất diễn biến xử lý trong hệ thống PN/AX và các thông số thu được có ý nghĩa gì?

Mô hình Stover-Kincannon là mô hình mô tả chính xác nhất động học của cả hai quá trình $\text{PN}$ và Anammox trên giá thể cố định Felibendy với hệ số tương quan tuyến tính cao nhất ($R^2 > 0{,}98$), vượt trội hơn so với mô hình bậc 1 và mô hình bậc 2 Grau. Các thông số thu được gồm tốc độ tiêu thụ cơ chất cực đại ($U_{\max}$) và hằng số bán bão hòa ($K_B$) cho phép tính toán định lượng tốc độ loại bỏ nitơ ($\text{NRR}$) theo tải lượng nạp vào ($\text{NLR}$), làm cơ sở toán học để tính toán kích thước bể phản ứng và dự báo nồng độ nitơ đầu ra.

5. Kỹ thuật sinh học phân tử nào đã được sử dụng để chứng minh sự hiện diện của vi khuẩn Anammox trên giá thể?

Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật phản ứng khuếch đại chuỗi gen $\text{PCR}$ đối với đoạn gen $\text{16S rDNA}$ từ $\text{DNA}$ tổng số tách chiết từ màng sinh học trên giá thể Felibendy. Kết quả điện di trên gel agarose khẳng định sự hiện diện ổn định của các băng $\text{DNA}$ đặc trưng của chủng vi khuẩn Anammox (Candidatus Brocadia anammoxidans) trên giá thể sau suốt chu kỳ xử lý nước thải sinh hoạt thực tế.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Mỹ Hạnh đã giải quyết vấn đề xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt đô thị có tỷ lệ $\text{C/N}$ thấp bằng công nghệ sinh học tích hợp Nitrit hóa bán phần và Anammox ($\text{PN/AX}$) sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy. Nghiên cứu đã xác lập bộ thông số vận hành công nghệ với $\text{HRT}$ là $9\text{ giờ}$ cho mô hình $\text{PN}$ và $6\text{ giờ}$ cho mô hình $\text{AX}$, xác định ngưỡng ức chế của chất hữu cơ ở mức $\text{COD} > 300\text{ mg/L}$, đồng thời xác nhận sự tồn tại ổn định của vi khuẩn Planctomycetes trên giá thể bằng kỹ thuật $\text{PCR}$. Mô hình động học Stover-Kincannon được chứng minh là công cụ mô tả chính xác động học phản ứng của hệ thống, cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc tính toán, thiết kế và ứng dụng công nghệ Anammox vào thực tiễn xử lý nước thải tại Việt Nam.