Đặt vấn đề Trong khoảng thời gian trước đây, hầu hết các công trình xử lý nước thải ở Việt Nam đều tập trung chủ yếu đến việc xử lý các chỉ tiêu SS, BOD, COD, Coliforms,… và chỉ một phần nhỏ nitơ được loại bỏ trong các công trình này. Việc xả thải các nguồn nước thải có nồng độ dinh dưỡng cao (nồng độ N, P cao) vào các thủy vực tiếp nhận nguồn nước thải làm cho hiện tượng phú dưỡng hóa tại các khu vực này diễn ra ngày càng nhanh chóng và trầm trọng. Hậu quả của việc phú dưỡng hóa là sự kích thích tăng trưởng các loài rong tảo, gây phá vỡ các chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái, đặc biệt là hệ sinh thái các thủy vực có hiện tượng phú dưỡng, gây ô nhiễm nước và làm bồi cạn các thủy vực. Vì vậy hiện nay, các nhà quản lý môi trường ngày càng quan tâm đến chất lượng các nguồn nước xả thải ra môi trường đặc biệt là sự kiểm soát quá trình phú dưỡng hóa trên nguồn tiếp nhận nước thải, vì vậy thêm hai chỉ tiêu được mọi người quan tâm xử lý khá nhiều đó là nồng độ N, P trong nước thải.
Thực tế hiện nay, chất lượng nước đầu ra trong các công trình xử lý nước thải hầu như không ổn định đặc biệt là hàm lượng nitơ. Công nghệ hiện tại cho việc xử lý nitơ dựa trên sự kết hợp hai quá trình sinh học nitrat hóa – khử nitrat truyền thống, công nghệ này bộc lộ rõ nhược điểm đó là hiệu quả không ổn định và chi phí vận hành cao (cần bổ sung cơ chất cho quá trình và tiêu thụ nhiều năng lượng). Chính vì vậy việc nghiên cứu công nghệ xử lý mới có hiệu quả cao, chi phí thấp để xử lý hàm lượng nitơ trong nước thải là một yêu cầu cấp thiết ở những thập niên cuối của thế kỷ 20. Năm 1995, các nhà khoa học đã khám phá ra một quá trình sinh học với sự chuyển hóa nitơ mới chưa từng biết đến trước đó cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anaerobic ammonium oxidation, viết tắt là Anammox) [31].
Trong phản ứng này ammonium được oxy hóa bởi nitrit 1 Luận văn thạc sĩ Phạm Văn Sung trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu cơ để tạo thành nitơ phân tử. Sự phát triển quá trình Anammox đã mở ra hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt có ý nghĩa đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao và chất hữu cơ thấp. Phản ứng Anammox [40]: NH4+ + 1,32NO2- + 0,066HCO3- + 0,13H+ 1,02N2 + 0,26NO3- + 0,066CH2O0,5N0,15 + 2,03H2O Trong vòng hai thập niên vừa qua đã bùng nổ các nghiên cứu có liên quan đến quá trình Anammox và ứng dụng của nó. Trên thực tế, nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải giàu ammonium chỉ được tiến hành một cách mạnh mẽ từ năm 2004 đến nay.
Còn trong giai đoạn từ 1994 đến 2004, phần lớn tập trung vào nghiên cứu cơ bản nhằm định hướng cho triển khai ứng dụng. Quá trình Anammox đã được ứng dụng thành công đối với cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp thuộc da ở Hà Lan, Đức, Áo [20]. Tuy nhiên, Việt Nam có rất ít ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ với nồng độ cao trong nước thải. Quá trình xử lý nitơ dựa trên cơ sở kết hợp nitrit hóa – Anammox có nhiều ưu điểm hơn quá trình nitrat hóa – khử nitrat, làm giảm đáng kể chi phí xử lý.
Mặt khác, do quá trình nitrit hóa và Anammox là các quá trình chuyển hóa sinh học được thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn tự dưỡng có các đặc điểm sinh trưởng khác nhau nên vấn đề then chốt là cần nghiên cứu các kỹ thuật phản ứng nhằm kiểm soát một cách tốt nhất hiệu suất của 2 quá trình chuyển hóa. Các quá trình ứng dụng khử nitơ đã được nghiên cứu trước đó là SHARON – Anammox (Single reactor system for High activity Ammonia Removal Over Nitrite - Anaerobic ammonium oxidation); CANON (Completely Autotrophic N-removal Over Nitrite); OLAND (Oxygen Limitted Autotrophic Nitrification – Denitrification). Và trong giai đoạn gần đây, quá trình xử lý nitơ mới đã được nghiên cứu đó là quá trình SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation). Quá trình SNAP đang dần chứng tỏ tính hiệu quả trong việc xử lý nước thải có nồng độ ammonium cao, vì vậy đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu xử lý nitơ trong 2 Luận văn thạc sĩ Phạm Văn Sung nước rỉ rác bằng mô hình SNAP với giá thể Acrylic Pile Fabrics” mang lại ý nghĩa thiết thực.
Mục tiêu nghiên cứu Phát triển quá trình sinh trưởng bám dính dựa vào sự kết hợp của phản ứng nitrit hóa bán phần và phản ứng Anammox trong một bể phản ứng (SNAP - Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation) để loại bỏ nitơ từ nước thải tổng hợp mô phỏng nước rỉ rác đã qua xử lý hữu cơ với hàm lượng ammonium cao sử dụng loại vật liệu mang Acrylic Pile Fabrics trong điều kiện tại Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu - Mô hình thí nghiệm công nghệ SNAP với giá thể Acrylic Pile Fabrics (NET Co. - Nước thải tổng hợp mô phỏng nước rỉ rác đã qua xử lý hữu cơ (BOD 5, COD) với nồng độ N-NH4+ cao. Nội dung nghiên cứu - Thiết kế và lắp đặt mô hình thí nghiệm SNAP.
- Nguyên tắc cơ bản của quá trình SNAP và phương pháp vận hành. - Tạo điều kiện thích hợp thúc đẩy nhóm vi khuẩn AOB và Anammox phát triển tốt giúp quá trình SNAP diễn ra hiệu quả. - Xác định ảnh hưởng của tải trọng nitơ đến hiệu quả xử lý của quá trình SNAP với vật liệu mang Acrylic Pile Fabrics. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng quan tài liệu: Tổng hợp, nghiên cứu, tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài để lựa chọn các thông số kiểm soát thích hợp và từ đó xây dựng một mô hình quy mô phòng thí nghiệm hoàn chỉnh.
- Phương pháp thực nghiệm mô hình, nghiên cứu trên mô hình. 3 Luận văn thạc sĩ Phạm Văn Sung - Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu. - Phương pháp tính toán và xử lý số liệu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Về mặt khoa học, kết quả nghiên cứu của mô hình là cơ sở lý thuyết để đánh giá khả năng thích nghi, sinh trưởng và phát triển của nhóm vi khuẩn nitrit hóa và Anammox trong cùng một bể phản ứng với môi trường nước thải nhân tạo, tạo cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố, thành phần ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nitơ nhằm tạo tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ SNAP để loại bỏ nitơ trong các loại nước thải khác nhau.
- Về mặt thực tiễn, kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai nghiên cứu ứng dụng rộng rãi quá trình SNAP trong xử lý nước thải có nồng độ ammonium rất cao từ một số lĩnh vực chăn nuôi, công nghiệp như: Nước thải từ lò mổ, nước thải từ chế biến nước tương, nước rỉ rác, các xí nghiệp chế biến thủy sản, chăn nuôi heo, nhà máy chế biến tinh bột sắn, thực phẩm và một số ngành nghề khác,… 1. Tính mới của đề tài Nghiên cứu quá trình SNAP để xử lý nước thải nhân tạo chứa nitơ amonium nồng độ cao đã được thực hiện khá nhiều trên thế giới. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tại Việt Nam chưa nhiều và còn hạn chế. Do vậy, đề tài này góp phần tạo thêm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.
4 Luận văn thạc sĩ Phạm Văn Sung CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN Trong những hệ thống xử lý nước thải đô thị hiện nay (thường là những hệ thống bùn hoạt tính), việc loại bỏ nitơ được thực hiện trong suốt quá trình loại bỏ những thành phần hữu cơ. Tuy nhiên, những hệ thống đặc biệt cần đạt hiệu quả loại bỏ nitơ từ nguồn nước thải giàu ammonium. Công nghệ nitrat hóa – khử nitrat truyền thống đã được áp dụng trong một khoảng thời gian dài trước đây nhưng công nghệ này bộc lộ rõ nhược điểm như hiệu quả không ổn định và chi phí vận hành cao (cần bổ sung cơ chất cho quá trình và tiêu thụ nhiều năng lượng). Trong những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu công nghệ mới xử lý nitơ có hiệu quả cao, chi phí thấp dựa trên sự kết hợp của quá trình nitrit hóa bán phần (partial nitritration) và quá trình Anammox để xử lý hàm lượng nitơ ammonium trong nước thải.
Dựa vào sự kết hợp này, đề tài tiến hành nghiên cứu hiệu quả xử lý nitơ trong nước rỉ rác bằng mô hình SNAP với giá thể Acrylic Pile Fabrics, đây là sự kết hợp hai quá trình nitrit hóa bán phần và Anammox trong một bể phản ứng với mục tiêu tiết kiệm chi phí xây dựng, chi phí vận hành so với hệ thống nitrat hóa – khử nitrat truyền thống. Tổng quan về nước rỉ rác 2. Nguồn gốc hình thành nước rỉ rác Nước rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình lý, hóa và sinh học diễn tra trong lòng bãi chôn lấp. Nước rác là loại nước chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống dưới đáy ô chôn lấp [3].
Lượng nước rác được hình thành trong bãi chôn lấp chủ yếu do các quá trình sau: - Nước thoát ra từ độ ẩm rác - Nước từ phân hủy sinh học các chất hữu cơ 5 Luận văn thạc sĩ Phạm Văn Sung - Nước gia nhập từ bên ngoài vào là nước mưa thấm từ trên xuống qua lớp phủ bề mặt - Nước ngầm thấm qua đáy/thân ô chôn lấp vào bên trong nơi chứa rác Lượng nước rỉ rác hình thành chủ yếu từ nước mưa (thấm và chảy tràn) chiếm trên 70% và từ độ ẩm của rác chiếm dưới 30%. Lượng nước rỉ rác tại thành phố Hồ Chí Minh vào khoảng 1 – 1,2 triệu m3/năm. Các thành phố khác như Hải Phòng, Đà Nẵng, Quảng Ninh có lưu lượng nước rỉ rác bằng 10 – 15% thành phố Hồ Chí Minh [1]. Lượng nước rỉ rác sinh ra phụ thuộc vào: - Điều kiện tự nhiên khu vực chôn lấp (lượng mưa, bốc hơi, nước ngầm,…) - Độ ẩm chất thải chôn lấp - Kỹ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt 2.
Thành phần nước rỉ rác Theo P. Economopoulos, nước rỉ rác có thành phần như bảng 2. Thành phần nước rỉ rác theo P.