đặt vấn đề nghiên cứu. b) Nghiên cứu về cơ sở khoa học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox để hiểu về cơ chế xử lý, các yếu tố ảnh hưởng và các phương trình động học từ đó xây dựng được phương pháp nghiên cứu. c) Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm: mô hình Anammox với kỹ thuật phản ứng tầng cố định (mô hình AX) sử dụng giá thể vi sinh cố định (giá thể mang Felibendy dạng hình hộp chữ nhật kích thước 10x10x8mm) nhằm đánh giá hiệu quả xử lý và khả năng ứng dụng Felibendy làm giá thể dính bám cho quá trình Anammox. d) Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên hệ mô hình PN/AX (thực hiện quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox).
Thí nghiệm được tiến hành để đánh giá hiệu quả xử lý loại bỏ các hợp chất chứa nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế; xác định thời gian lưu nước phù hợp cho quá trình xử lý; Xác định sự tồn tại của vi khuẩn Planctomycetes trên giá thể mang Felibendy khi vận hành mô hình với nước thải sinh hoạt thực tế bằng kỹ thuật PCR; Từ ba phương trình động học cơ bản bậc 1, bậc 2 Grau và Stover Kincannon, lựa chọn phương trình động học phù hợp đối với quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox. e) Tiến hành nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến hiệu quả của quá trình Anammox và xác định các thông số của phương trình động học Stover Kincannon mô phỏng quá trình Anammox tương ứng với các tỉ lệ C/N trong nước thải đô thị. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng quan: thu thập các tài liệu tổng quan về các phương pháp và cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý amoni trong nước thải. Nghiên cứu lý thuyết về quá trình nitrit hoá bán phần, quá trình Anammox và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý.
- Phương pháp kế thừa: kế thừa mô hình thí nghiệm và kết quả của các nghiên cứu có liên quan, từ đó lựa chọn những điểm nghiên cứu hữu ích cho nghiên cứu về các thông số vận hành: thời gian lưu nước, nhiệt độ, pH,. - Phương pháp thực nghiệm: thiết lập và vận hành mô hình thí nghiệm PN/AX với kỹ thuật phản ứng tầng cố định sử dụng giá thể mang Felibendy; phân tích các chỉ tiêu của nước thải (NH4+-N, NO2--N, NO3--N, COD.) trong phòng thí nghiệm bộ môn Cấp thoát nước, trường Đại học Xây dựng Hà Nội nhằm đưa ra các số liệu tin cậy phục vụ cho việc đánh giá hiệu quả hoạt động của mô hình. - Phương pháp tổng hợp, phân tích: tổng hợp các kết quả thí nghiệm, phân tích số liệu thí nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình. - Phương pháp thống kê, xử lý số liệu: sử dụng phần mềm Microsoft Excel để xử lý số liệu và vẽ đồ thị thể hiện diễn biến quá trình xử lý trong mô hình thí nghiệm theo thời gian, theo tỉ lệ C/N.
- Phương pháp so sánh, đối chiếu: So sánh các kết quả của nghiên cứu với các nghiên cứu khác có liên quan, so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết. - Phương pháp chuyên gia: lĩnh hội ý kiến của các chuyên gia trong ngành qua các buổi xêmina bộ môn, xêmina mở rộng nhằm định hướng và đánh giá độ tin cậy của nghiên cứu. Những đóng góp mới của luận án. - Xác định được thời gian lưu thuỷ lực phù hợp đối với mô hình PN và mô hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy để xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải sinh hoạt: 9h đối với mô hình PN và 6h đối với mô hình AX.
- Xác định được ngưỡng ức chế đối với quá trình Anammox trong mô hình AX bởi hàm lượng các chất hữu cơ (tính theo COD) là 300mg/L. 6 - Xác định được hằng số tốc độ tiêu thụ lớn nhất Umax và hằng số bán bão hoà KB của phương trình động học Stover Kincannon cho quá trình Anammox tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu đã xác định được thời gian lưu nước phù hợp trong mô hình PN và mô hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy. - Nghiên cứu đã đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải đến quá trình Anammox (COD>300 mg/L) gây ức chế quá trình Anammox.
- Nghiên cứu đã xác định được mô hình Stover Kincannon là phù hợp để mô tả động học của quá trình Anammox có sử dụng giá thể vi sinh cố định (Felibendy). Đồng thời cũng xác định được các thông số động học Umax và KB của mô hình Stover Kincannon với các tỉ lệ C/N khác nhau. Ý nghĩa thực tiễn - Thời gian lưu thủy lực đã xác định trong nghiên cứu (9h đối với mô hình PN và 6h đối với mô hình AX) là một trong các thông số phục vụ thiết kế công trình xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox. - Các thông số động học Umax và KB của mô hình Stover Kincannon có thể sử dụng để dự đoán chất lượng nước đầu ra và hiệu quả của quá trình xử lý.
Cấu trúc luận án Cấu trúc luận án gồm: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về các vấn đề liên quan đến xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt Chương 2: Cơ sở khoa học quá trình xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox Chương 3: Phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị 7 Tổng quan về công Tổng quan về Tổng quan về giá thể vi sinh nghệ xử lý nitơ trong quá trình sử dụng trong quá trình NT sinh hoạt Anammox Anammox Đặt vấn đề nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở khoa học xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox Nghiên cứu thực nghiệm Thí nghiệm 1: Thí nghiệm 2: Hệ mô Thí nghiệm 3: Mô Mô hình AX hình PN/AX hình AX1, AX2, Đánh giá hiệu Đánh giá hiệu quả loại AX3 quả loại bỏ nitơ bỏ nitơ trong nước thải Đánh giá ảnh hưởng của mô hình sinh hoạt bằng quá trình của hàm lượng chất AX với giá thể nitrit hoá bán phần và hữu cơ đến quá trình vi sinh cố định Anammox Anammox. Felibendy Mục tiêu 1 Mục tiêu 2 Mục tiêu 3 Hiệu quả và Hiệu quả Xác định Lưạ chọn Xác định Xây dựng khả năng sử loại bỏ nitơ HRT phù phương ảnh hưởng phương dụng giá thể trong nước hợp với trình động của hàm trình động vi sinh cố thải sinh quá trình học phù lượng chất học Stover định hoạt bằng nitrit hoá hợp đối hữu cơ Kincannon Felibendy quá trình bán phần với quá (COD) đối với các để xử lý nitrit hoá và trình PN đến qúa tỉ lệ C/N nitơ trong bán phần Anammox và trình khác nhau mô hình AX và Anammox Anammox Anammox Kết luận và kiến nghị Hình M. Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1.
Nguồn gốc, đặc tính của nước thải sinh hoạt và yêu cầu của nguồn tiếp nhận 1. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người, được chia thành hai loại chính là nước đen và nước xám [1]. Nước thải đen là nước thải từ nhà vệ sinh (xí, tiểu), còn nước rửa, giặt, tắm là nước xám. Phần lớn các chất ô nhiễm của nước thải đều chứa trong nước đen, bao gồm khoảng 58% chất hữu cơ, 42% chất vô cơ và rất nhiều các vi sinh vật gây bệnh.
Theo TCVN 7957:2008 “Thoát nước- Mạng lưới bên ngoài và công trình-Tiêu chuẩn thiết kế”, mỗi người trung bình thải vào HTTN khoảng 60-65 g/ngày cặn lơ lửng, 30-35 g/ngày chất hữu cơ (tính theo BOD), 8 g NH4+… Nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hộ gia đình được tiến hành đấu nối vào hệ thống thoát nước của đô thị (hệ thống thoát nước chung hoặc hệ thống thoát nước riêng). Trừ các đô thị có hệ thống thoát nước riêng, các đô thị còn lại đều cần sử dụng bể tự hoại là công trình xử lý sơ bộ trước khi đấu nối nước thải sinh hoạt của các hộ gia đình với hệ thống thoát nước chung. Tại bể tự hoại diễn ra quá trình lắng cặn và lên men, phân huỷ sinh học kỵ khí cặn lắng. Hiệu suất lắng cặn trung bình đạt 50 - 70% theo cặn lơ lửng (TSS) và 25 - 45% theo chất hữu cơ (BOD và COD) [93].
Ở Việt Nam, ước tính có đến 90% hộ gia đình ở các đô thị sử dụng bể tự hoại, phổ biến là loại hai hoặc ba ngăn không có ngăn lọc hiếu khí ở cuối bể. Hầu hết các bể tự hoại không được vận hành đúng quy định (kéo dài thời gian hút cặn định kỳ) nên trong dòng nước thải ra khỏi bể tự hoại, nồng độ chất lơ lửng và chất hữu cơ vẫn còn khá cao. Quá trình phân huỷ yếm khí trong bể tự hoại làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng cacbon nhưng lại không có tác dụng đối với các hợp chất nitơ, thậm chí hàm lượng hợp chất nitơ trong nước thải sau bể tự hoại cao hơn trong nước thải sinh hoạt chưa qua phân huỷ yếm khí [3]. Chất lượng nước thải sau bể tự hoại của một số đô thị được trình bày trong bảng 1.
Chất lượng nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại ở một số đô thị [1] Chỉ tiêu Vĩnh Yên Thái Nguyên Hải Dương Hà Nội Nhiệt độ, 0C 28,1-29,6 26,0-28,3 29,5-30,8 21,1-29,5 pH 7,3-7,9 6,9-8,1 7,0-7,6 6,2-8,5 DO, mg/L 0-2,7 0-2,01 0,5-0,9 - SS, mg/L 84-207 21-193 8,9-38,8 86-812 NH4+, mg/L 21,4-106,4 4,2-116,8 10,8-70,8 20-43 NO3-, mg/L 2,0-3,2 1,2-3,75 1,2-2,7 0-2,9 BOD5, mg/L 84,9-152 57,4-154 51,6-118 102-330 COD, mg/L 118-180 83-189 76-151 - Coliform, 42x104- 48x104- 47x104- 73x104- MPN/100ml 63x104 68x104 71x104 13x106 1. Các dạng tồn tại của các hợp chất chứa nitơ trong nước thải sinh hoạt Nitơ là một nguyên tố dồi dào nhất trong bầu khí quyển của trái đất và là nguyên tố thiết yếu cho sự sống, có mặt trong cấu trúc tế bào của protein và các axit nucleic [137]. Hầu hết các sinh vật và các bã thải trong quá trình sống của chúng đều có chứa hàm lượng nitơ nhất định. Do vậy, trong môi trường nước luôn tồn tại các thành phần chứa nitơ, từ các protein có cấu trúc phức tạp đến các axit amin đơn giản.
Nguồn gốc chính của nitơ trong nước thải sinh hoạt là nước tiểu và phân, trong đó nước tiểu chiếm khoảng 91% lượng nitơ.
