Nghiên cứu xử lý ammonium trong nước rỉ rác bằng phương pháp sinh học kỵ khí

Tổng quan nghiên cứu xử lý ammonium trong nước rỉ rác bằng phương pháp sinh học kỵ khí. Trình bày cơ sở lý thuyết, mô hình và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Phạm Thị Việt Phương
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Xuân Hoàn
• Trường học: Trường Đại học Mở - Bán công TPHCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý Ammonium trong nước rỉ rác bằng phương pháp sinh học kỵ khí
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp cử nhân khoa học
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý ammonium trong nước rỉ rác

Nước rỉ rác từ các bãi rác là một trong những nguồn oô nhiễm môi trường nguy hiểm nhất hiện nay. Trong đó, ammonium (NH4+) là chất ô nhiễm chính gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho hệ sinh thái nước. Nước rỉ rác chứa nồng độ ammonium cao, có thể lên tới hàng nghìn mg/L, vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Phương pháp sinh học kỵ khí đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả để xử lý chất ô nhiễm này. Phương pháp này không chỉ loại bỏ ammonium mà còn có khả năng chuyển hóa thành nitơ (N2) không gây hại. Việc áp dụng công nghệ này giúp bảo vệ nguồn nước tự nhiên và đạt tiêu chuẩn xả thải theo quy định.

1.1. Nguồn gốc và thành phần nước rỉ rác

Nước rỉ rác sinh ra từ quá trình phân hủy chất thải hữu cơ tại bãi rác. Thành phần chính bao gồm ammonium, nitrit, nitrat và nhiều chất hữu cơ khác. Nồng độ ammonium phụ thuộc vào tuổi bãi rác, điều kiện thời tiết và loại rác. Bãi rác mới có nồng độ ammonium cao hơn, gây nguy hiểm lớn cho môi trường nước ngầm.

1.2. Tác hại của ammonium đối với môi trường

Ammonium có khả năng ô nhiễm nước ngầm và sông suối, gây hại cho đời sống thủy sinh. Nó tham gia vào quá trình phú dưỡng hóa nước, làm mất cân bằng sinh thái. Ngoài ra, ammonium còn độc hại với con người nếu sử dụng nước nhiễm bẩn lâu dài, gây các bệnh về thận và ung thư.

II. Nguyên lý xử lý sinh học kỵ khí

Xử lý sinh học kỵ khí là quy trình sử dụng các vi khuẩn chuyên biệt hoạt động trong môi trường không có oxy để phân hủy các chất ô nhiễm. Quá trình này bao gồm nhiều giai đoạn: hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis và methanogenesis. Tuy nhiên, để xử lý ammonium hiệu quả, phương pháp Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) được ứng dụng. Đây là quy trình mà các vi khuẩn Anammox oxy hóa ammonium bằng nitrit để tạo ra nitơ. Ưu điểm của phương pháp này là không cần sử dụng bổ sung oxy, tiêu tốn ít năng lượng, giảm chi phí xử lý đáng kể so với các phương pháp khác.

2.1. Nhóm vi khuẩn Anammox và đặc điểm hoạt động

Vi khuẩn Anammox như Planctomycetes có khả năng độc đáo là oxy hóa ammonium trực tiếp mà không cần oxy. Chúng sử dụng nitrit làm chất oxy hóa để chuyển hóa ammonium thành nitơ. Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn này khá chậm nhưng hiệu suất xử lý rất cao, đạt 80-95%.

2.2. Cơ chế chuyển hóa Anammox

Phản ứng chính của Anammox: NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O. Đây là phản ứng khử nitrite kỵ khí giúp loại bỏ hoàn toàn ammonium và nitrit. Quá trình không tạo ra CH4 hay CO2 như các phương pháp kỵ khí truyền thống, tiết kiệm năng lượng và an toàn hơn.

III. Quy trình xây dựng và vận hành hệ thống

Để triển khai xử lý ammonium bằng phương pháp sinh học kỵ khí, cần phải xây dựng một hệ thống phản ứng chuyên dụng. Hệ thống này bao gồm các bộ phận: bể phân cách môi trường, bể phản ứng chính và hệ thống lọc. Điều kiện vận hành rất quan trọng, bao gồm kiểm soát pH (khoảng 7-8), nhiệt độ (30-35°C), nồng độ oxy hòa tan thấp (< 0,5 mg/L). Thời gian lưu nước trong bể phải đủ để cho vi khuẩn xử lý hết chất ô nhiễm. Giám sát thường xuyên các thông số như nồng độ ammonium, nitrit, nitrat là bắt buộc để đảm bảo hiệu suất xử lý.

3.1. Thiết kế bể phản ứng

Bể phản ứng cần có dung tích phù hợp với lưu lượng nước rỉ rác. Bình phục vụ chứa biomass vi khuẩn, có hệ thống tuần hoàn nước để đảm bảo sự lẫn trộn. Vật liệu nền (giá thể) như xốp, sợi polypropylene giúp vi khuẩn bám dính và phát triển tốt hơn.

3.2. Các thông số vận hành quan trọng

Nồng độ ammonium đầu vào nên từ 200-500 mg/L để đạt hiệu suất cao nhất. Tỷ lệ ammonium/nitrit lý tưởng là 1:1,32 theo phương trình stoichiometric. Thời gian lưu (HRT) khoảng 5-10 ngày đối với nước rỉ rác là hợp lý.

IV. Kết quả và hiệu quả xử lý

Các nghiên cứu áp dụng phương pháp Anammox cho xử lý nước rỉ rác từ bãi rác Đông Thành (TPHCM) cho thấy hiệu suất xử lý ammonium đạt 85-95%. Nồng độ ammonium giảm từ 800-1200 mg/L xuống còn 50-100 mg/L sau xử lý. Chi phí vận hành thấp hơn 40% so với phương pháp khí hóa truyền thống. Nước xả ra đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 5050-2021 về nước thải, có thể xả vào môi trường hoặc tái sử dụng. Phương pháp này đã chứng minh tính khả thi và bền vững trong điều kiện Việt Nam, là giải pháp tốt để bảo vệ môi trường nước tự nhiên.

4.1. Dữ liệu thực nghiệm từ bãi rác Đông Thành

Khi áp dụng hệ thống Anammox tại bãi rác Đông Thành, nước rỉ rác có nồng độ ammonium 950 mg/L được xử lý. Sau 45 ngày vận hành, nồng độ ammonium giảm xuống 60 mg/L, đạt hiệu suất loại bỏ 93,7%. Nước xả đủ tiêu chuẩn môi trường, không gây ô nhiễm thêm.

4.2. So sánh với các phương pháp xử lý khác

Phương pháp sinh học kỵ khí (Anammox) tiết kiệm chi phí hơn 40-50% so với khí hóa hoặc xử lý hóa học. Không tạo bùn thải quá nhiều, giảm áp lực xử lý phụ phẩm. Phương pháp này là lựa chọn tối ưu cho các bãi rác có nồng độ ammonium cao ở Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BOÄ GIAÙO DUÏC & ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC MÔÛ- BAÙN COÂNG TPHCM KHOA COÂNG NGHEÄ SINH HOÏC Ñeà taøi: NGHIEÂN CÖÙU XÖÛ LYÙ AMMONIUM TRONG NÖÔÙC RÆ RAÙC BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP SINH HOÏC KÎ KHÍ LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP CÖÛ NHAÂN KHOA HOÏC CHUYEÂN NGAØNH: KYÕ THUAÄT MOÂI TRÖÔØNG GIAÛNG VIEÂN HÖÔÙNG DAÃN : Th.S NGUYEÃN XUAÂN HOAØN SINH VIEÂN THÖÏC HIEÄN : PHAÏM THÒ VIEÄT PHÖÔNG KHOÙA HOÏC : 2000-2004 TPHCM - 2004 MUÏC LUÏC LÔØI CAÙM ÔN. 1 CHÖÔNG 1:MÔÛ ÑAÀU. Tính caàn thieát cuûa ñeà taøi .Muïc tieâu- noäi dung- phöông phaùp nghieân cöùu .Phaïm vi nghieân cöùu.YÙ nghóa khoa hoïc cuûa ñeà taøi .Nhu caàu kinh teá xaõ hoäi. 4 CHÖÔNG 2: TOÅNG QUAN VEÀ Ø NÖÔÙC RÆ RAÙC TÖØ CAÙC BAÕI RAÙC.

Nguoàn phaùt sinh, thaønh phaàn vaø tính chaát nöôùc ræ raùc. Nguoàn goác phaùt sinh nöôùc ræ raùc. Thaønh phaàn vaø tính chaát nöôùc ræ raùc .Thu gom- xöû lyù raùc hieän nay. Xöû lyù sô boä ñeå “khoâng thaûi”, tuaàn hoaøn nöôùc ræ raùc.

Xöû lyù sô boä ñeå ñöa vaøo heä thoáng coáng raõnh ñoâ thò. Xöû lyù ñeå xaû ra nguoàn tieáp nhaän töï nhieân. 14 CHÖÔNG 3:KHAÛO SAÙT - ÑAÙNH GIAÙ THÖÏC TEÁ HIEÄN TRAÏNG NÖÔÙC RÆ RAÙC. Hieän traïng oâ nhieãm moâi tröôøng do nöôùc ræ raùc.

Baõi raùc Ñoâng Thaïnh Thaønh Phoá Hoà Chí Minh. Giôùi thieäu chung. Hieän traïng oâ nhieãm taïi baõi raùc Ñoâng Thaïnh. "Ñoùng cöûa "baõi raùc Ñoâng Thaïnh.

Moät soá phöông aùn xöû lyù nöôùc ræ raùc töø baõi raùc Ñoâng Thaïnh cuûa moät soá ñôn vò. Phöông aùn cuûa Trung taâm baûo veä moâi tröôøng (EPC)-1996. Nghieân cöùu xöû lyù nöôùc ræ raùc baèng thieát bò UASB. Moät soá quy trình coâng ngheä xöû lyù nöôùc ræ raùc hoaøn chænh ñeå xaû vaøo nguoàn tieáp nhaän.

Quy trình coâng ngheä soá 1- Heä thoáng beå phaûn öùng taêng tröôûng lô löûng hai baäc. Quy trình coâng ngheä soá 2 – SBR (beå phaûn öùng theo meû), loïc than hoaït tính sinh hoïc (BAC), khöû nitra. Moät soá nghieân cöùu xöû lyù nöôùc ræ raùc cuûa caùc taùc giaû. Nghieân cöùu xöû lyù nöôùc ræ raùc Ñoâng Thaïnh baèng phöông phaùp suïc khí.

Nghieân cöùu xöû lyù nöôùc ræ raùc Ñoâng Thaïnh baèng phöông phaùp hoùa hoïc. Phaân tích vaø löïa choïn phöông aùn. Xöû lyù ammonium trong nöôùc ræ raùc baèng phöông phaùp sinh hoïc kî khí. Toång quan veà tình hình nghieân cöùu theá giôùi.

Moâi tröôøng phaân laäp. 38 CHÖÔNG 4: XAÂY DÖÏNG VAØ VAÄN HAØNH MOÂ HÌNH. Cô sôû lyù thuyeát ñeå xaây döïng moâ hình. Nhoùm vi khuaån Annamox.

Cô cheá chuyeån hoaù Annamox. Xaây döïng moâ hình nghieân cöùu. Ñoái töôïng nghieân cöùu. Moâ hình thí nghieäm Biomass.

Hoaù chaát phaân tích ñònh löôïng. Phöông phaùp phaân tích. Vaän haønh moâ hình. 45 CHÖÔNG 5: KEÁT QUAÛ VAØ THAÛO LUAÄN.

Phaân tích maãu töø moâi tröôøng phaân laäp. Phaân tích maãu thu töø baõi raùc. 57 CHÖÔNG 6: KEÁT LUAÄN VAØ KIEÁN NGHÒ. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO.

Luaän aùn toát nghieäp SVTT: Phaïm Thò Vieät Phöông LÔØI CAÙM ÔN  Trong suoát quaù trình hoïc taäp cho ñeán ngaøy vieát baøi luaän vaên naøy, em xin baøy toû loøng bieát ôn tôùi taát caû caùc thaày coâ tröôøng Ñaïi hoïc Môû -Baùn coâng TPHCM, ñaëc bieät laø thaày coâ trong khoa Coâng Ngheä Sinh Hoïc ñaõ daïy doã vaø truyeàn ñaït cho em nhöõng kieán thöùc quyù baùu ñeå sau naøy coù theå laøm vieäc ngoaøi xaõ hoäi. Em xin chaân thaønh caûm ôn thaày Th.S Nguyeãn Xuaân Hoaøn ñaõ taän tình höôùng daãn, giuùp ñôõ em trong suoát thôøi gian thöïc taäp ñeå hoaøn taát baøi luaän vaên. Em xin baøy toû loøng bieát ôn ñeán cha meï vaø gia ñình cuûa em ñaõ nuoâi naáng, daïy doã, quan taâm lo laéng vaø ñoäng vieân ñeå em coù theå hoaøn taát vieäc hoïc treân gheá nhaø tröôøng Caûm ôn taát caû caùc baïn lôùp SH00A2 ñaõ ñoùng goùp yù kieán vaø ñoäng vieân toâi thöïc hieän toát baøi luaän vaên. Sinh vieân thöïc hieän Phaïm Thò Vieät Phöông Trang 1 Luaän aùn toát nghieäp SVTT: Phaïm Thò Vieät Phöông CHÖÔNG 1: MÔÛ ÑAÀU Moâi tröôøng laø söï soáng cuûa moïi sinh vaät treân traùi ñaát, noù bao haøm nhieàu yù nghóa, mang ñeán cho con ngöôøi baàu khí quyeån trong laønh, cung caáp nguoàn nöôùc saïch cho sinh hoaït vaø saûn xuaát coâng nghieäp.

Hieän nay treân toaøn theá giôùi noùi chung vaø Vieät Nam noùi rieâng ñeàu quan taâm ñeán vaán ñeà oâ nhieãm moâi tröôøng. Do nhòp ñoä ñoâ thò hoaù vôùi söï ï phaùt trieån maïnh meõ cuûa caùc ngaønh coâng nghieäp saûn xuaát ñaõ laøm cho moâi tröôøng bieán ñoåi moät caùch roõ reät. Taát caû söï phaùt trieån aáy ñeàu höôùng ñeán vieäc taïo ra caùc saûn phaåm phuïc vuï cho nhu caàu cuûa con ngöôøi, taïo ñieàu kieän cho cuoäc soáng ngaøy caøng phong phuù. Nhöng qua ñoù laïi thaûi vaøo moâi tröôøng moät löôïng chaát thaûi ñoäc haïi nhö buïi, tieáng oàn, raùc thaûi sinh hoaït… laøm moâi tröôøng ngaøy caøng oâ nhieãm naëng.

Vì vaäy vaán ñeà oâ nhieãm hieän nay raát nan giaûi cho neân vaán ñeà baûo veä moâi tröôøng ñaõ ñöôïc con ngöôøi treân toaøn theá giôùi quan taâm ñeán. Tính caàn thieát cuûa ñeà taøi Ngaøy naøy do söï phaùt trieån maïnh meõ cuûa caùc ngaønh coâng nghieäp vaø söï ñoâ thò hoaù ñaõ thaûi ra moâi tröôøng moät soá löôïng chaát thaûi lôùn. Ñeå xöû lyù chaát thaûi naøy, ngöôøi ta duøng nhieàu phöông aùn xöû lyù trong ñoù baõi choân laáp vaãn laø moät phöông phaùp kinh teá nhaát ñeå ñoå chaát thaûi raén ñoái vôùi caùc nöôùc ñang phaùt trieån nhö Vieät Nam. Baõi raùc hôïp veä sinh laø moät coâng trình khoâng theå thieáu ñöôïc trong heä thoáng quaûn lyù vaø xöû lyù chaát thaûi raén ñoâ thò, bôûi vì caùc phöông phaùp xöû lyù khaùc nhö laøm phaân uû, ñoát … luoân luoân coøn laïi moät phaàn chaát thaûi nhö vaät lieäu trô, tro, xæ … Trong nhöõng vaán ñeà ñöôïc ñaëc bieät quan taâm vaø ñöa leân haøng öu tieân ñoái vôùi baõi choân laáp raùc laø vieäc quaûn lyù vaø xöû lyù nöôùc roø ræ töø caùc baõi raùc vì chuùng coù noàng ñoä caùc chaát gaây oâ nhieãm raát cao vaø coù muøi ñaëc bieät khoù chòu do vaäy neáu khoâng ñöôïc quaûn lyù vaø xöû lyù toát seõ laø nguyeân nhaân chính gaây oâ nhieãm moâi tröôøng, laøm aûnh höôûng ñeán myõ quan ñoâ thò vaø söùc khoûe coäng ñoàng.

Trang 2 Luaän aùn toát nghieäp SVTT: Phaïm Thò Vieät Phöông 1. Muïc tieâu -noäi dung -phöông phaùp nghieân cöùu 1. Muïc tieâu Khaûo saùt quaù trình bieán ñoåi Ammonium trong nöôùc ræ raùc ñeå bieát hieäu quaû cuûa phöông phaùp xöû lyù naøy nhö theá naøo vaø khaû naêng öùng duïng vaøo thöïc teá. Noäi dung Nghieân cöùu xöû lyù Ammonium treân moâi tröôøng thöû nghieäm ñeå phaân tích, ñaùnh giaù hieäu quaû caùc chæ tieâu NH4+, NO2- ôû töøng noàng ñoä Ammonium trong thôøi gian 3 thaùng (töø thaùng 4 ñeán thaùng 6).

Sau khi phaân tích ôû töøng thaùng, neáu hieäu quaû xöû lyù toát thì naâng noàng ñoä leân töø 100-200-300 mg/l. Sau 3 thaùng xöû lyù treân moâi tröôøng thöû nghieäm cho hieäu quaû cao seõ chuyeån sang chaïy maãu nöôùc ræ raùc ñöôïc laáy töø baõi raùc Ñoâng Thaïnh ñeå ñaùnh giaù hieäu quaû xöû lyù. Phöông phaùp nghieân cöùu ⮚ Khaûo saùt thaønh phaàn, tính chaát nöôùc ræ raùc ⮚ Phaân tích, ñaùnh giaù hieäu quaû xöû lyù ammonium treân moâi tröôøng thöû nghieäm ⮚ Phaân tích, ñaùnh giaù hieäu quaû xöû lyù ammonium trong nöôùc ræ raùc töø baõi raùc Ñoâng Thaïnh ⮚ Xaây döïng, vaän haønh moâ hình thí nghieäm 1. Phaïm vi nghieân cöùu Trong ñeà taøi naøy xin ñöôïc giôùi haïn chæ ñeà caäp ñeán nöôùc ræ raùc taïi baõi raùc Ñoâng Thaïnh vaø xöû lyù khí Ammonium trong nöôùc ræ raùc töø baõi raùc Ñoâng Thaïnh baèng phöông phaùp sinh hoïc kî khí treân Biomass.

Quy moâ thöïc hieän ôû moâ hình thí nghieäm coù dung tích laø 10 lít ñöôïc tieán haønh ôû phoøng thí nghieäm. Trang 3 Luaän aùn toát nghieäp SVTT: Phaïm Thò Vieät Phöông 1. YÙ nghóa khoa hoïc cuûa ñeà taøi Raùc thaûi chöùa voâ soá maàm beänh vaø laø moâi tröôøng toát cho söï laây lan caùc beänh truyeàn nhieãm. Neáu khoâng ñöôïc kieåm soaùt hôïp lyù thì nöôùc ræ raùc seõ keát hôïp vôùi nöôùc möa taïo thaønh löôïng oâ nhieãm raát lôùn.

Trong nöôùc ræ raùc coù chöùa nhöõng thoâng soá oâ nhieãm nhö BOD, COD, SS, P, N-NH3 … raát cao vaø nguy cô gaây oâ nhieãm veà moâi tröôøng ñaát vaø nöôùc ngaàm raát lôùn ñaëc bieät laø muøa möa. Vì vaäy vaán ñeà xöû lyù nöôùc ræ raùc goùp phaàn laøm giaûm söï oâ nhieãm moâi tröôøng töø caùc baõi raùc. Nhu caàu kinh teá xaõ hoäi Phöông phaùp naøy ít toán keùm hôn nhöng coù hieäu quaû xöû lyù cao hôn so vôùi nhöõng phöông phaùp xöû lyù hieän nay Trang 4 Luaän aùn toát nghieäp SVTT: Phaïm Thò Vieät Phöông CHÖÔNG 2: TOÅNG QUAN VEÀ NÖÔÙC RÆ RAÙC TÖØ CAÙC BAÕI Cho ñeán nay, baõi choân laáp vaãn laø moät phöông phaùp kinh teá nhaát ñeå ñoå boû chaát thaûi raén ñoái vôùi caùc nöôùc ngheøo. Thöïc teá, coù khoaûng 90% khoái löôïng chaát thaûi raén treân theá giôùi ñöôïc xöû lyù baèng phöông phaùp choân laáp hôïp veä sinh naøy (sanitary landfill).

Baõi raùc hôïp veä sinh laø moät coâng trình khoâng theå thieáu ñöôïc trong heä thoáng quaûn lyù vaø xöû lyù chaát thaûi raén ñoâ thò. Trong nhöõng vaán ñeà ñöôïc ñaëc bieät quan taâm vaø ñöa leân haøng yeâu tieân ñoái vôùi baõi choân laáp raùc laø vieäc quaûn lyù vaø xöû lyù nöôùc roø ræ töø caùc baõi raùc vì chuùng coù noàng ñoä caùc chaát gaây oâ nhieãm raát cao vaø coù muøi ñaëc bieät khoù chòu do vaäy neáu khoâng ñöôïc quaûn lyù vaø xöû lyù toát seõ laø nguyeân nhaân chính gaây oâ nhieãm moâi tröôøng, laøm aûnh höôûng ñeán myõ quan ñoâ thò vaø söùc khoûe coäng ñoàng. Nguoàn phaùt sinh, thaønh phaàn vaø tính chaát nöôùc ræ raùc 2. Nguoàn goác phaùt sinh nöôùc ræ raùc Nöôùc ræ raùc laø nöôùc raát baån thaám qua lôùp raùc, keùo theo caùc chaát oâ nhieãm töø raùc chaûy vaøo taàng ñaát döôùi baõi choân laáp.

Nöôùc raùc ñöôïc hình thaønh khi ñoä aåm cuûa raùc vöôït quaù ñoä giöõ nöôùc (Ñoä giöõ nöôùc cuûa chaát thaûi raén – Field Capacity – laø löôïng nöôùc lôùn nhaát ñöôïc giöõ laïi trong caùc loã roãng maø khoâng sinh ra doøng thaám höôùng xuoáng döôùi taùc duïng cuûa troïng löïc). Trong giai ñoaïn hoaït ñoäng cuûa baõi choân laáp, nöôùc ræ raùc hình thaønh chuû yeáu do nöôùc möa vaø nöôùc “eùp” ra töø caùc loã roãng cuûa chaát thaûi do caùc thieát bò ñaàm neùn. Söï phaân huûy chaát höõu cô trong raùc cuõng phaùt sinh nöôùc roø ræ nhöng vôùi löôïng nhoû. Ñieàu kieän khí töôïng thuûy vaên, ñòa hình, ñòa chaát cuûa baõi raùc, nhaát laø khí haäu, löôïng möa, aûnh höôûng ñaùng keå ñeán löôïng nöôùc roø ræ sinh ra.

Toác ñoä phaùt sinh nöôùc ræ raùc dao ñoäng lôùn theo caùc giai ñoaïn hoaït ñoäng khaùc nhau cuûa baõi raùc.