Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam kéo theo lượng nước thải sinh hoạt phát sinh ngày càng lớn. Dự báo đến năm 2035, dân số đô thị của Việt Nam sẽ đạt khoảng 47,87 triệu người (chiếm 44,87% tổng dân số), tạo ra lượng nước thải đô thị cần xử lý ước tính khoảng 7,63 triệu $\text{m}^3\text{/ngày đêm}$. Hiện tại, phần lớn các đô thị tại Việt Nam sử dụng hệ thống thoát nước chung; trên 90% hộ gia đình sử dụng bể tự hoại làm công trình xử lý sơ bộ. Quá trình phân hủy kỵ khí trong bể tự hoại chủ yếu làm giảm một phần chất hữu cơ dạng cacbon nhưng không xử lý được hợp chất nitơ, thậm chí nồng độ amoni ($\text{NH}_4^+$) sau bể tự hoại còn gia tăng do quá trình amôn hóa các chất hữu cơ chứa nitơ.
Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT, nồng độ giới hạn của amoni 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 là $10\text{ mg/L}$ và $50\text{ mg/L}$. Các công nghệ xử lý sinh học truyền thống áp dụng tại các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ở Việt Nam như bùn hoạt tính truyền thống (CAS), bể lọc sinh học nhỏ giọt không khử triệt để được nitơ; trong khi các công nghệ AO, $\text{A}^2\text{O}$, SBR dựa trên nguyên lý nitrat hóa/khử nitrat đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc sục khí oxy, cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài khi tỷ lệ C/N trong nước thải thấp, đồng thời phát sinh khối lượng bùn thải lớn.
Quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (Anammox) kết hợp với nitrit hóa bán phần (Partial Nitritation - PN) là hướng tiếp cận sinh học tự dưỡng hoàn toàn, không cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ, giảm tới trên 60% lượng oxy cấp cho sục khí và tạo ra lượng bùn thứ cấp rất thấp. Tuy nhiên, việc ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải sinh hoạt có nồng độ amoni thấp, nhiệt độ môi trường biến thiên và chứa chất hữu cơ hòa tan cần được nghiên cứu thực nghiệm cụ thể. Đặc biệt, việc sử dụng giá thể vi sinh cố định để lưu giữ sinh khối vi khuẩn Anammox (vốn có tốc độ sinh trưởng chậm) là giải pháp kỹ thuật then chốt cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm và mô hình hóa động học.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:
- Đánh giá khả năng sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy thông qua đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ của quá trình Anammox trong mô hình phản ứng Anammox (AX) với kỹ thuật tầng cố định.
- Đánh giá khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp quá trình Anammox (hệ mô hình PN/AX) với giá thể vi sinh cố định Felibendy.
- Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải (thông qua chỉ số 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 C/N khác nhau.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
- Quá trình Anammox và quá trình nitrit hóa bán phần với kỹ thuật phản ứng tầng cố định sử dụng giá thể Felibendy.
- Các hợp chất chứa nitơ vô cơ ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$) trong nước thải sinh hoạt.
- Nước thải sinh hoạt nhân tạo và nước thải sinh hoạt thực tế sau bể tự hoại của Ký túc xá Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên các mô hình quy mô phòng thí nghiệm (mô hình AX, mô hình PN, hệ mô hình PN/AX, hệ mô hình AX1-AX2-AX3) đặt tại Phòng Thí nghiệm Bộ môn Cấp thoát nước, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước đây
Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến quá trình chuyển hóa nitơ:
- Nền tảng nhiệt động học và phát hiện quá trình Anammox: Broda (1977) dựa trên tính toán nhiệt động học đã dự báo sự tồn tại của vi khuẩn tự dưỡng có khả năng oxy hóa amoni kỵ khí. Đến năm 1995, Mulder và cộng sự tại Delft (Hà Lan) đã phát hiện thực nghiệm sự biến mất đồng thời của amoni và nitrat/nitrit tạo thành khí nitơ trong hệ thống xử lý nước thải.
- Sinh hóa và vi sinh vật học Anammox: Nhóm nghiên cứu của Strous, Jetten, Kuenen đã làm rõ cơ chế chuyển hóa sinh hóa của vi khuẩn tự dưỡng thuộc ngành Planctomycetes (như Candidatus Brocadia anammoxidans, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis).
- Các dây chuyền công nghệ kết hợp:
- SHARON - Anammox: Hệ thống 2 bể riêng biệt, giai đoạn 1 oxy hóa amoni thành nitrit do vi khuẩn AOB, giai đoạn 2 chuyển hóa thành $\text{N}_2$ do vi khuẩn Anammox.
- CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite), OLAND (Oxygen Limited Autotrophic removal via nitrification - denitrification), SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial Nitritation): Các quá trình tích hợp nitrit hóa bán phần và Anammox trong một công trình phản ứng đơn lẻ trong điều kiện oxy hòa tan (DO) giới hạn.
- Nghiên cứu về giá thể sinh học: Việc lưu giữ sinh khối vi khuẩn Anammox được thực hiện qua các dạng bùn hạt tự nhiên hoặc màng vi sinh bám dính trên các vật liệu như Polyvinyl Alcohol (PVA), sợi than tre (Bamboo Charcoal - BC), hạt gốm xốp Malt Ceramic (MC), bọt xốp polyurethane.
- Mô hình động học: Các mô hình toán học bậc 1, bậc 2 Grau và mô hình Stover - Kincannon được áp dụng để xác định các hằng số động học phản ứng phân hủy cơ chất trong các bể phản ứng màng sinh học.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Phần lớn các nghiên cứu và ứng dụng thực tế của Anammox trên thế giới tập trung vào dòng nước thải có nồng độ nitơ cao và nhiệt độ ấm (nước rác, nước thải chăn nuôi, dịch tiêu hóa bùn, nước thải chế biến công nghiệp). Đối với nước thải sinh hoạt đô thị (nồng độ amoni thấp, tỷ lệ C/N biến động, chứa nhiều tạp chất lơ lửng), các thách thức kỹ thuật bao gồm:
- Khả năng dính bám và duy trì mật độ vi khuẩn Anammox trên giá thể sợi cố định thế hệ mới Felibendy.
- Xác lập chế độ vận hành tối ưu (đặc biệt là thời gian lưu thủy lực HRT) cho hệ thống hai giai đoạn PN và AX độc lập.
- Đánh giá định lượng tác động ức chế của các mức nồng độ chất hữu cơ (COD) và tỷ lệ C/N khác nhau đối với màng sinh học Anammox trên giá thể cố định.
- Xác định bộ thông số động học phản ứng phục vụ tính toán thiết kế kỹ thuật thực tế.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Quá trình Nitrit hóa bán phần (PN): Chuyển hóa khoảng 50-55% $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_2^-$ dưới tác dụng của vi khuẩn oxy hóa amoni (Ammonium Oxidizing Bacteria - AOB, điển hình là Nitrosomonas), đồng thời ức chế vi khuẩn oxy hóa nitrit (Nitrite Oxidizing Bacteria - NOB, điển hình là Nitrobacter) theo phản ứng:
$$\text{NH}_4^+ + 1,5\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} + 2\text{H}^+$$
- Quá trình Anammox: Oxy hóa amoni trong điều kiện kỵ khí sử dụng nitrit làm chất nhận điện tử với sự tham gia của vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes theo phương trình phản ứng hóa sinh:
$$\text{NH}_4^+ + 1,32\text{NO}_2^- + 0,066\text{HCO}_3^- + 0,13\text{H}^+ \rightarrow 1,02\text{N}_2 + 0,26\text{NO}3^- + 0,066\text{CH}2\text{O}{0,5}\text{N}{0,15} + 2,03\text{H}_2\text{O}$$
Theo lý thuyết, tỷ lệ đương lượng cơ chất tiêu thụ $\text{NO}_2^-\text{-N} / \text{NH}_4^+\text{-N}$ là $1,32$ và tỷ lệ tạo thành $\text{NO}_3^-\text{-N} / \text{NH}_4^+\text{-N}$ là $0,26$.
- Cơ chế màng sinh học trên giá thể Felibendy: Giá thể Felibendy (sản phẩm của Công ty Kuraray, Nhật Bản) cấu tạo từ sợi Polyethylene terephthalate (PET) sản xuất bằng công nghệ Steam-jet, có đặc tính xốp nhẹ, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, độ bền cơ học cao, tạo môi trường cố định cho màng vi sinh vật bám dính dày đặc mà không bị rửa trôi.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm định lượng kết hợp kỹ thuật sinh học phân tử và mô hình hóa toán học:
- Thiết lập mô hình phản ứng:
- Mô hình AX (Thí nghiệm 1): Cột phản ứng tầng cố định, thể tích hữu dụng $2,5\text{ L}$, nhồi giá thể Felibendy dạng hình hộp kích thước $10 \times 10 \times 8\text{ mm}$, bổ sung bùn hạt Anammox gốc (Candidatus Brocadia anammoxidans) cung cấp bởi Công ty Meidensha và Viện Sinh học Nhiệt đới TP.HCM.
- Hệ mô hình PN/AX (Thí nghiệm 2): Mô hình PN có thể tích $12\text{ L}$ dùng giá thể Felibendy dạng tấm ($150 \times 250 \times 8\text{ mm}$) cấy vi khuẩn Nitrosomonas; nối tiếp với mô hình AX thể tích $8\text{ L}$ chứa giá thể Felibendy dạng hộp. Vận hành xử lý nước thải thực tế sau bể tự hoại KTX Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
- Hệ mô hình AX1, AX2, AX3 (Thí nghiệm 3): Ba mô hình song song (thể tích mỗi cột $2,5\text{ L}$) vận hành ở các mức HRT $12\text{h}$, $9\text{h}$, $6\text{h}$ với các tỷ lệ C/N nhân tạo thay đổi ($0$; $1,0$; $2,0$; $3,5$; $5,5$; $7,0$; $6,0$).
- Phương pháp lấy mẫu và phân tích hóa lý: Phân tích các chỉ tiêu định kỳ theo Tiêu chuẩn chuẩn hóa (Standard Methods):
- $\text{NH}_4^+\text{-N}$: Phương pháp so màu Phenate.
- $\text{NO}_2^-\text{-N}$: Phương pháp so màu N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride.
- $\text{NO}_3^-\text{-N}$: Phương pháp đo quang phổ tử ngoại / so màu Natri Salicylate.
- $\text{COD}$: Phương pháp chuẩn độ Bicromat hồi lưu kín.
- $\text{DO}$, $\text{pH}$, Nhiệt độ: Đo trực tiếp bằng các đầu dò điện cực chuyên dụng.
- Kỹ thuật sinh học phân tử (PCR): Phân tích mẫu màng vi sinh dính bám trên giá thể Felibendy bằng kỹ thuật khuếch đại chuỗi gen 16S rDNA để xác nhận sự tồn tại và phát triển của chủng vi khuẩn Anammox Planctomycetes (hợp tác thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội).
- Phương pháp mô hình hóa động học: Số liệu thực nghiệm được xử lý để khớp vào ba phương trình động học:
- Mô hình bậc 1: $\frac{S_0 - S_e}{\text{HRT}} = k_1 S_e$
- Mô hình bậc 2 Grau: $\frac{S_0 \cdot \text{HRT}}{S_0 - S_e} = a + b \cdot \text{HRT}$
- Mô hình Stover - Kincannon: $\frac{\text{HRT}}{S_0 - S_e} = \frac{K_B}{U_{\max}} \cdot \frac{\text{HRT}}{S_0} + \frac{1}{U_{\max}}$
Nội dung chính theo từng chương
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 đặc tính ô nhiễm của nước thải sinh hoạt đô thị và cơ sở khoa học của các giải pháp xử lý nitơ hiện hữu. Dữ liệu khảo sát chất lượng nước thải sau bể tự hoại tại một số đô thị Việt Nam được tổng hợp như sau:
| Chỉ tiêu |
Vĩnh Yên |
Thái Nguyên |
Hải Dương |
Hà Nội |
| Nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) |
$28,1 - 29,6$ |
$26,0 - 28,3$ |
$29,5 - 30,8$ |
$21,1 - 29,5$ |
| pH |
$7,3 - 7,9$ |
$6,9 - 8,1$ |
$7,0 - 7,6$ |
$6,2 - 8,5$ |
| $\text{SS}$ ($\text{mg/L}$) |
$84 - 207$ |
$21 - 193$ |
$8,9 - 38,8$ |
$86 - 812$ |
| $\text{NH}_4^+$ ($\text{mg/L}$) |
$21,4 - 106,4$ |
$4,2 - 116,8$ |
$10,8 - 70,8$ |
$20 - 43$ |
| $\text{NO}_3^-$ ($\text{mg/L}$) |
$2,0 - 3,2$ |
$1,2 - 3,75$ |
$1,2 - 2,7$ |
$0 - 2,9$ |
| $\text{BOD}_5$ ($\text{mg/L}$) |
$84,9 - 152$ |
$57,4 - 154$ |
$51,6 - 118$ |
$102 - 330$ |
| $\text{COD}$ ($\text{mg/L}$) |
$118 - 180$ |
$83 - 189$ |
$76 - 151$ |
— |
Tác giả phân tích các phương pháp xử lý nitơ:
- Phương pháp hóa lý: Kỹ thuật Stripping thổi khí amoniac (đòi hỏi nâng pH lên 9–11 bằng NaOH, tiêu tốn năng lượng sục khí); Trao đổi ion trên zeolit (tối ưu ở pH = 6).
- Phương pháp hóa học: Clo hóa đến điểm đột biến (Break-point chlorination, tỷ lệ mol $\text{HOCl}/\text{NH}_3 = 7,6$, tạo sản phẩm phụ độc hại THMs); Kết tủa MAP ($\text{MgNH}_4\text{PO}_4\cdot 6\text{H}_2\text{O}$, hiệu suất khử amoni đạt 80–85%).
- Phương pháp sinh học: Quá trình nitrat hóa/khử nitrat truyền thống tiêu tốn $4,57\text{ g O}_2\text{/g N-NH}_4^+$ và đòi hỏi $2,47\text{ g CH}_3\text{OH/g N-NO}_3^-$. Ngược lại, quá trình Anammox không tiêu thụ cacbon hữu cơ, giảm tạo bùn và giảm phát thải khí nhà kính.
- Tổng quan đánh giá các công nghệ thực tế (CAS, SBR, AO, $\text{A}^2\text{O}$, MBR, MBBR, FAST, SHARON, CANON, OLAND, SNAP) và nêu bật sự cần thiết nghiên cứu công nghệ màng vi sinh cố định Felibendy cho quá trình Anammox.
Chương 2: Cơ sở khoa học của công nghệ xử lý nitơ ứng dụng quá trình nitrit hoá bán phần – Anammox
Chương này trình bày cơ chế hóa sinh chi tiết và các yếu tố ảnh hưởng đến hai phản ứng:
- Kiểm soát quá trình Nitrit hóa bán phần: Phân tích sự cạnh tranh sinh học giữa AOB (Nitrosomonas) và NOB (Nitrobacter). Tốc độ sinh trưởng của AOB cao hơn NOB ở điều kiện nhiệt độ cao ($> 25^\circ\text{C}$), nồng độ oxy hòa tan thấp ($\text{DO} < 1,5\text{ mg/L}$), nồng độ amoniac tự do ($\text{FA}$) và axit nitrit tự do ($\text{FNA}$) thích hợp.
- Đặc tính sinh hóa của Anammox: Phản ứng Anammox sử dụng hydrazine ($\text{N}_2\text{H}_4$) và hydroxylamine ($\text{NH}_2\text{OH}$) làm chất trung gian. Quá trình bị ức chế bởi nồng độ nitrit cao, oxy hòa tan, và sự cạnh tranh của vi khuẩn dị dưỡng khi nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao.
- Đặc tính giá thể Felibendy: Luận chứng việc lựa chọn vật liệu sợi PET dệt bằng công nghệ Steam-jet giúp tạo độ rỗng cao, chống tắc nghẽn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành màng sinh học Biofilm bảo vệ vi khuẩn kỵ khí Anammox.
- Cơ sở động học: Thiết lập cấu trúc các phương trình vi phân và dạng tuyến tính hóa của ba mô hình động học phản ứng dòng chảy liên tục (Bậc 1, Bậc 2 Grau, Stover - Kincannon).
Chương 3: Phương pháp nghiên cứu
Trình bày chi tiết cấu tạo mô hình, quy trình vận hành và kế hoạch thực nghiệm:
- Kế hoạch thí nghiệm:
- Thí nghiệm 1: Mô hình AX ($V = 2,5\text{ L}$) chạy nước thải nhân tạo ở 4 giai đoạn tải lượng nitơ (NLR từ $0,39$ đến $0,92\text{ kg N/m}^3\text{/ngđ}$), HRT thay đổi từ $12\text{h}$ xuống $6\text{h}$.
- Thí nghiệm 2: Hệ mô hình PN/AX liên tục ($V_{\text{PN}} = 12\text{ L}$, $V_{\text{AX}} = 8\text{ L}$) xử lý nước thải sinh hoạt thực tế sau bể tự hoại. Khảo sát các chế độ $\text{HRT}{\text{PN}}/\text{HRT}{\text{AX}}$: $18\text{h}/12\text{h}$, $12\text{h}/9\text{h}$, $9\text{h}/6\text{h}$, $9\text{h}/4,5\text{h}$ với nồng độ $\text{NH}_4^+\text{-N}$ đầu vào từ $40\text{ mg/L}$ đến $115\text{ mg/L}$.
- Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của COD và tỷ lệ C/N trên ba mô hình AX1 ($\text{HRT} = 12\text{h}$), AX2 ($\text{HRT} = 9\text{h}$), AX3 ($\text{HRT} = 6\text{h}$) với các mức C/N: $0$; $1,0$; $2,0$; $3,5$; $5,5$; $7,0$; sau đó đưa về $0$ và $6,0$.
- Quy trình phân tích và công cụ: Chi tiết hóa hóa chất chuẩn, thiết bị so màu quang phổ tử ngoại - khả kiến, máy đo DO/pH/nhiệt độ, máy bơm nhu động, thiết bị ổn nhiệt. Kỹ thuật tách chiết DNA tổng số, thiết kế đoạn mồi (primers) và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR 16S rDNA.
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Chương 4 phân tích toàn bộ kết quả thực nghiệm thu được từ 3 nội dung nghiên cứu:
1. Đánh giá mô hình AX đơn lẻ với giá thể Felibendy (Thí nghiệm 1)
- Mô hình vận hành ổn định qua 4 giai đoạn. Hiệu quả loại bỏ tổng nitơ vô cơ (NRE) duy trì ở mức cao ($> 70 - 85%$).
- Tỷ lệ chuyển hóa cơ chất thực nghiệm $\Delta\text{NO}_2^-\text{-N} / \Delta\text{NH}_4^+\text{-N}$ đạt khoảng $1,28 - 1,35$ và $\Delta\text{NO}_3^-\text{-N} / \Delta\text{NH}_4^+\text{-N}$ đạt $0,22 - 0,27$, rất sát với tỷ lệ lý thuyết của Strous ($1,32$ và $0,26$), chứng minh hoạt tính Anammox thuần thục trên giá thể Felibendy.
2. Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt thực tế trên hệ mô hình PN/AX (Thí nghiệm 2)
- Mô hình PN: Chuyển hóa ổn định amoni thành nitrit. Khi duy trì $\text{HRT} = 9\text{h}$, nồng độ $\text{NH}_4^+\text{-N}$ và $\text{NO}_2^-\text{-N}$ đầu ra đạt tỷ lệ tương đương $1 : 1,0 - 1,3$, đáp ứng tỷ lệ cơ chất đầu vào lý tưởng cho bể Anammox.
- Mô hình AX: Vận hành hiệu quả nhất ở $\text{HRT} = 6\text{h}$. Khi $\text{HRT}_{\text{AX}}$ giảm từ $12\text{h}$ xuống $9\text{h}$ rồi $6\text{h}$, hiệu quả xử lý tổng nitơ toàn hệ thống vẫn đạt trên $65 - 75%$, nồng độ $\text{NH}4^+\text{-N}$ đầu ra luôn $< 10\text{ mg/L}$ (đạt Cột B QCVN 14:2008/BTNMT). Tuy nhiên, khi giảm tiếp $\text{HRT}{\text{AX}}$ xuống $4,5\text{h}$, hiệu quả loại bỏ nitơ suy giảm rõ rệt, nồng độ $\text{NH}_4^+\text{-N}$ đầu ra tăng lên mức $15 - 18\text{ mg/L}$.
- Kết quả điện di PCR: Phổ điện di sản phẩm PCR khuếch đại gen 16S rDNA cho thấy các vạch sáng rõ nét tương ứng với kích thước phân tử chuẩn của vi khuẩn Planctomycetes ở cả mẫu bùn gốc và mẫu màng vi sinh lấy từ bề mặt giá thể Felibendy sau thời gian vận hành dài ngày.
- Động học hệ PN/AX: Mô hình Stover - Kincannon đạt hệ số tương quan tuyến tính $R^2 > 0,98$, cao hơn hẳn mô hình bậc 1 ($R^2 \approx 0,85 - 0,90$) và bậc 2 Grau ($R^2 \approx 0,92 - 0,95$).
3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ và tỷ lệ C/N (Thí nghiệm 3)
Bảng tổng hợp động thái biến thiên chất lượng nước qua các mức C/N (trích xuất số liệu đại diện từ Phụ lục 3):
| Tỷ lệ C/N |
Đầu vào $\text{TIN}$ ($\text{mg/L}$) |
Đầu ra AX1 ($\text{HRT}=12\text{h}$) |
Đầu ra AX2 ($\text{HRT}=9\text{h}$) |
Đầu ra AX3 ($\text{HRT}=6\text{h}$) |
Trạng thái hoạt động |
| $0$ |
$47,7 - 49,7$ |
$16,8 - 17,8$ |
$17,6 - 18,6$ |
$18,7 - 19,8$ |
Hoạt tính Anammox tối ưu |
| $1,0$ |
$47,8 - 50,0$ |
$17,2 - 19,0$ |
$18,4 - 19,4$ |
$19,5 - 20,5$ |
Xử lý ổn định |
| $2,0$ |
$48,3 - 50,0$ |
$18,0 - 19,5$ |
$19,8 - 20,5$ |
$20,2 - 21,4$ |
Xử lý ổn định |
| $3,5$ |
$48,5 - 49,9$ |
$19,9 - 20,4$ |
$20,9 - 21,8$ |
$22,0 - 22,6$ |
Bắt đầu có sự cạnh tranh nhẹ |
| $5,5$ |
$48,8 - 49,9$ |
$21,7 - 22,5$ |
$22,7 - 23,5$ |
$24,0 - 24,7$ |
Bắt đầu xuất hiện ức chế |
| $7,0$ |
$48,4 - 49,5$ |
$25,7 - 26,0$ |
$26,5 - 27,3$ |
$27,4 - 28,2$ |
Bị ức chế rõ rệt |
| $0$ (phục hồi) |
$48,5 - 50,0$ |
$20,3 - 24,0$ |
$21,9 - 24,9$ |
$22,3 - 26,1$ |
Hoạt tính phục hồi dần |
| $6,0$ |
$48,1 - 49,6$ |
$22,2 - 23,1$ |
$23,8 - 24,2$ |
$24,4 - 25,1$ |
Ức chế lặp lại |
- Khi nồng độ $\text{COD} \le 300\text{ mg/L}$ (tương ứng $\text{C/N} \le 3,5$), hiệu quả xử lý của quá trình Anammox duy trì ổn định.
- Khi nồng độ $\text{COD} > 300\text{ mg/L}$ ($\text{C/N} \ge 5,5$), vi khuẩn dị dưỡng phát triển mạnh trên màng sinh học, cạnh tranh không gian sống và cơ chất, gây ức chế vi khuẩn Anammox, làm giảm hiệu suất xử lý nitơ.
- Xác định được các hằng số tốc độ tiêu thụ cơ chất cực đại $U_{\max}$ và hằng số bán bão hòa $K_B$ của mô hình Stover - Kincannon đối với từng tỷ lệ C/N cụ thể.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học
- Xác định thời gian lưu thủy lực tối ưu: Luận án đã xác định được thời gian lưu thủy lực (HRT) thích hợp cho hệ thống phản ứng tầng cố định sử dụng giá thể sợi Felibendy xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt: $\text{HRT} = 9\text{ giờ}$ đối với mô hình nitrit hóa bán phần (PN) và $\text{HRT} = 6\text{ giờ}$ đối với mô hình Anammox (AX).
- Xác định ngưỡng ức chế chất hữu cơ: Nghiên cứu đã xác định được ngưỡng ức chế do hàm lượng chất hữu cơ đối với quá trình Anammox trong mô hình tầng cố định sử dụng giá thể Felibendy là $\text{COD} = 300\text{ mg/L}$ (tương đương tỷ lệ $\text{C/N} > 3,5$).
- Mô hình hóa động học Stover - Kincannon: Chứng minh mô hình Stover - Kincannon có độ tương thích cao nhất để mô tả động học của quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox trên giá thể Felibendy. Luận án đã tính toán cụ thể bộ thông số động học ($U_{\max}$ và $K_B$) cho quá trình phân hủy amoni và tổng nitơ ở các mức tỷ lệ C/N khác nhau.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Giải pháp công nghệ: Đề xuất ứng dụng hệ thống công nghệ 2 bậc PN/AX tầng cố định sử dụng giá thể Felibendy cho các trạm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị và khu dân cư sau bể tự hoại. Giải pháp này giúp cắt giảm chi phí năng lượng sục khí và không cần bổ sung hóa chất cơ chất cacbon hữu cơ.
- Kiểm soát vận hành: Cần duy trì chế độ tiền xử lý lắng/lọc sơ bộ để kiểm soát nồng độ chất hữu cơ đầu vào bể Anammox luôn ở mức $\text{COD} \le 300\text{ mg/L}$, bảo đảm ưu thế sinh trưởng của vi khuẩn tự dưỡng Anammox trên giá thể.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Các thí nghiệm mới được triển khai ở quy mô phòng thí nghiệm (thể tích mô hình từ $2,5\text{ L}$ đến $12\text{ L}$) với điều kiện kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng ổn định, chưa phản ánh hết tính chất dao động phức tạp của dòng thải thực tế theo giờ và theo mùa.
- Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào nhóm vi khuẩn tự dưỡng Anammox (Planctomycetes) và Nitrosomonas, chưa phân tích sâu cấu trúc hệ vi sinh vật dị dưỡng cùng tồn tại trên màng biofilm ở cấp độ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS).
Hướng nghiên cứu tiếp
- Triển khai thử nghiệm mô hình ở quy mô pilot (bán công nghiệp) và quy mô thực địa tại các trạm xử lý nước thải đô thị tập trung.
- Khảo sát ảnh hưởng của dao động nhiệt độ thấp vào mùa đông ở miền Bắc Việt Nam ($< 20^\circ\text{C}$) đến hoạt tính sinh khối Anammox bám dính trên giá thể Felibendy.
- Nghiên cứu cơ chế rửa ngược, tái sinh và chống tắc nghẽn màng vi sinh trên giá thể cố định khi hệ thống vận hành liên tục trong thời gian dài.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu đối với các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Cấp thoát nước, Công nghệ Sinh học Môi trường: Tham khảo cơ sở lý thuyết, quy trình thiết kế thí nghiệm tầng cố định, phương pháp sinh học phân tử PCR định danh vi khuẩn Anammox và kỹ thuật xử lý số liệu mô hình hóa động học phản ứng vi sinh.
- Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình xử lý nước thải: Sử dụng các thông số kỹ thuật thực nghiệm đã được xác lập ($\text{HRT}{\text{PN}} = 9\text{h}$, $\text{HRT}{\text{AX}} = 6\text{h}$, ngưỡng $\text{COD} \le 300\text{ mg/L}$, các thông số $U_{\max}, K_B$) để tính toán dung tích bể phản ứng và lựa chọn giá thể mang vi sinh cho các dự án cải tạo, nâng cấp trạm xử lý nước thải nhằm đáp ứng QCVN 14:2008/BTNMT.
- Cơ quan quản lý và vận hành hệ thống thoát nước đô thị: Tham khảo căn cứ khoa học để định hướng áp dụng các giải pháp công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án sử dụng loại giá thể vi sinh nào và có đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?
Luận án sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy, một sản phẩm của Công ty Kuraray (Nhật Bản). Vật liệu này có thành phần chính là sợi Polyethylene terephthalate (PET) được chế tạo theo công nghệ dệt Steam-jet. Giá thể có cấu trúc xốp nhẹ, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, độ bền cơ học cao, không bị phân hủy trong môi trường nước thải và tạo điều kiện bám dính tối ưu cho vi khuẩn sinh trưởng chậm như Planctomycetes. Trong nghiên cứu, Felibendy được cắt dạng tấm ($150 \times 250 \times 8\text{ mm}$) dùng cho mô hình PN và dạng khối hộp ($10 \times 10 \times 8\text{ mm}$) dùng cho mô hình AX.
2. Thời gian lưu thủy lực (HRT) tối ưu cho hệ thống PN/AX được xác định là bao nhiêu?
Qua quá trình khảo sát thực nghiệm trên dòng nước thải sinh hoạt thực tế sau bể tự hoại, thời gian lưu thủy lực thích hợp được xác định là $\text{HRT} = 9\text{ giờ}$ đối với mô hình nitrit hóa bán phần (PN) và $\text{HRT} = 6\text{ giờ}$ đối với mô hình Anammox (AX). Ở chế độ vận hành này, hệ thống xử lý ổn định, nồng độ $\text{NH}_4^+\text{-N}$ nước đầu ra đạt dưới $10\text{ mg/L}$.
3. Nồng độ chất hữu cơ (COD) trong nước thải ảnh hưởng đến quá trình Anammox như thế nào?
Thực nghiệm với các tỷ lệ C/N khác nhau chỉ ra rằng khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải đạt mức $\text{COD} \le 300\text{ mg/L}$ (tương ứng $\text{C/N} \le 3,5$), quá trình Anammox diễn ra thuận lợi và duy trì hiệu quả xử lý nitơ cao. Khi nồng độ $\text{COD} > 300\text{ mg/L}$ ($\text{C/N} \ge 5,5$), vi khuẩn dị dưỡng tăng sinh nhanh chóng trên màng sinh học, cạnh tranh cơ chất và ức chế hoạt tính của vi khuẩn Anammox, làm giảm hiệu suất khử nitơ.
4. Mô hình toán học nào mô tả chính xác nhất động học phản ứng của hệ thống?
Trong số ba mô hình được khảo sát (mô hình động học bậc 1, mô hình bậc 2 Grau và mô hình Stover - Kincannon), mô hình Stover - Kincannon đạt độ tương thích cao nhất với số liệu thực nghiệm ($R^2 > 0,98$). Luận án đã xác lập phương trình tuyến tính và tính toán cụ thể hằng số tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất ($U_{\max}$) và hằng số bán bão hòa ($K_B$) cho cả hai quá trình PN và AX.
5. Nguồn vi sinh vật ban đầu được cấy vào các mô hình phản ứng lấy từ đâu?
Vi khuẩn oxy hóa amoni (Nitrosomonas) phục vụ cho mô hình PN được bổ sung từ chế phẩm vi sinh dạng bột. Sinh khối vi khuẩn Anammox (Candidatus Brocadia anammoxidans) phục vụ cho mô hình AX được cung cấp dưới dạng bùn hạt từ Công ty Meidensha (Nagoya, Nhật Bản) và Viện Sinh học Nhiệt đới (TP. Hồ Chí Minh). Sự tồn tại và phát triển của chủng vi khuẩn Anammox trên giá thể Felibendy sau đó được xác nhận thông qua phản ứng khuếch đại gen 16S rDNA bằng kỹ thuật PCR.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Mỹ Hạnh đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ nitrit hóa bán phần kết hợp Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy trong xử lý nitơ nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại. Nghiên cứu đã xác lập các thông số công nghệ cốt lõi bao gồm thời gian lưu thủy lực tối ưu ($\text{HRT}{\text{PN}} = 9\text{h}$, $\text{HRT}{\text{AX}} = 6\text{h}$), ngưỡng giới hạn chất hữu cơ ($\text{COD} \le 300\text{ mg/L}$) và bộ thông số động học Stover - Kincannon. Kết quả thực nghiệm và các bằng chứng sinh học phân tử PCR cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật tin cậy phục vụ thiết kế các công trình xử lý nước thải sinh hoạt đô thị theo hướng tiết kiệm năng lượng và giảm bùn thải.
