Luận án tiến sĩ Kỹ thuật Môi trường: Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích cơ bản của luận án này là nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu mang vi sinh DHY dưới dạng tích hợp bao gồm bể MBBR và bể lọc tự rửa DHK để xử lý amoni trong nước ngầm đảm bảo tiêu chuẩn nước sạch cấp cho sinh hoạt và ăn uống với hiệu quả cao, phù hợp với khả năng đầu tư và điều kiện vận hành ở Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật Môi trường: Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRỊNH XUÂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRỊNH XUÂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 9 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Đức Hạ 2. PGS.TSKH. Ngô Quốc Bưu Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu thí nghiệm và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Trịnh Xuân Đức
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Trần Đức Hạ, PGS. TSKH Ngô Quốc Bưu đã luôn theo sát, tận tình hướng dẫn, đóng góp những ý kiến quý báu, định hướng nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ Môi trường, trường Đại học Xây dựng và các thầy cô giáo trong hội đồng chấm luận án đã giúp đỡ, và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Nguyễn Thị Thanh Hòa, Nguyễn Văn Hoàng và tập thể kỹ sư Viện khoa học Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường (SIIEE) đã giúp đỡ trong quá trình thu thập số liệu hiện trạng, vận hành mô hình phòng thí nghiệm và pilot tại hiện trường. Chân thành cảm ơn các bạn Nguyễn Thị Việt Hà, Trần Đức Khánh đã nhiệt tình cộng tác trong quá trình hoàn thiện báo cáo luận án. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và đồng nghiệp Công ty Cổ phần Xây dựng và Môi trường Việt Nam (Vinse) đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình nghiên cứu học tập để hoàn thành luận án. Đặc biệt, tôi xin dành tất cả sự yêu thương và lời cảm ơn tới gia đình đã luôn ở bên cạnh động viên tinh thần và hết lòng giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu này. Cuối cùng, với tinh thần cầu thị tôi rất mong nhận được đóng góp ý kiến từ thầy cô và các bạn đồng nghiệp để tiếp tục hoàn thiện và ứng dụng công nghệ MBBR vào thực tiễn xử lý amoni trong nước ngầm. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Trịnh Xuân Đức
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1 1. SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ......................................................... 1 2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .............................. 3 2.1. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................................... 3 2.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................ 3 3. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .............................. 4 3.1. Phạm vi .............................................................................................................................. 4 3.2. Đối tượng ........................................................................................................................... 4 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................. 4 4.1. Phương pháp phân tích tài liệu thứ cấp ........................................................................... 4 4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................... 4 4.3. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết .................................................................................. 5 4.4. Phương pháp phân tích ..................................................................................................... 5 4.5. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ........................................................................... 5 5. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN .............................................................................. 6 5.1. Tính mới của luận án ........................................................................................................ 6 5.2. Tính thực tiễn của luận án ................................................................................................ 6 5.3. Đóng góp khoa học của luận án ....................................................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG ......................................... 7 1.1. Tổng quan về hiện trạng sử dụng nước ngầm và ô nhiễm amoni vùng Hà Nội 7 1.1.1. Địa chất thủy văn khu vực Hà Nội ................................................................... 7 1.1.2. Nguồn gốc amoni trong nước ngầm ................................................................. 7 1.1.3. Tác hại của amoni trong nước sinh hoạt .......................................................... 8 1.1.4. Hiện trạng sử dụng nước ngầm thành phố Hà Nội ........................................ 10 1.1.5. Đặc trưng chất lượng nước ngầm và hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm khu vực Hà Nội .............................................................................................. 13 1.2. Các phương pháp xử lý amoni ................................................................................... 15 1.2.1. Xử lý amoni bằng chất oxy hoá ..................................................................... 15 1.2.2. Xử lý amoni bằng kiềm hoá và làm thoáng ................................................... 17 1.2.3. Xử lý amoni bằng trao đổi ion ....................................................................... 18
iv 1.2.4. Xử lý amoni bằng thực vật ............................................................................. 18 1.2.5. Quá trình ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) .......................... 19 1.2.6. Quá trình SHARON (Single reactor High activity Ammonium Removal Over Nitrite) ...................................................................................................................... 20 1.2.7. Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học truyền thống ................................. 20 1.3. Kỹ thuật màng vi sinh .................................................................................................. 33 1.3.1. Màng vi sinh ................................................................................................... 33 1.3.2. Các loại bể sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi sinh ...................................... 37 1.4. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và Quốc tế ...................................................... 43 1.4.1. Tình hình nghiên cứu tại Viêt Nam ................................................................ 43 1.4.2.Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ................................................................. 45 1.4.3. So sánh hiệu quả xử lý của công nghệ MBBR ............................................... 47 1.5. Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 50 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 51 2.1. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 51 2.2. Quan trắc lấy mẫu và Phương pháp phân tích ....................................................... 51 2.2.1. Quan trắc lấy mẫu .......................................................................................... 51 2.2.2. Phương pháp phân tích ................................................................................... 52 2.3. Phương pháp phân tích các số liệu động học .......................................................... 53 2.3.1. Phương pháp theo mẻ ..................................................................................... 53 2.3.2. Phương pháp liên tục khuấy trộn đều ............................................................. 54 2.3.3. Phương pháp hệ nối tiếp liên tục khuấy trộn đều ........................................... 55 2.3.4. Xác định các thông số động học .................................................................... 57 2.4. Vật liệu mang vi sinh DHY .......................................................................................... 62 2.4.1. Khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến, độ xốp và thể tích xốp .. 63 2.4.2. Diện tích bề mặt ............................................................................................. 64 2.4.3. Nuôi cấy vi sinh lên vật liệu mang ................................................................. 65 2.5. Mô hình trong phòng thí nghiệm ............................................................................... 66 2.5.1. Nguồn nước cấp cho thí nghiệm .................................................................... 66 2.5.2. Sơ đồ thí nghiệm ............................................................................................ 67 2.5.3. Các yếu tố cần khảo sát .................................................................................. 69 2.6. Mô hình pilot MBBR thực tế ...................................................................................... 71
v 2.6.1. Vị trí lắp đặt Pilot ........................................................................................... 71 2.6.2. Vận hành pilot và lấy mẫu pilot ..................................................................... 73 2.7. Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 74 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 76 3.1. Vật liệu mang vi sinh ................................................................................................... 76 3.2. Mô hình pilot trong phòng thí nghiệm ..................................................................... 79 3.2.1. Tốc độ nitrat hóa ............................................................................................ 79 3.2.2. Xác định các thông số động học .................................................................... 87 3.2.3. Xác định phương trình tốc độ khử nitrat riêng (U) đồng thời trong hệ bể hiếu khí ........................................................................................................................ 93 3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa và khử nitrat ......................... 96 3.3. Mô hình pilot thực tế ................................................................................................... 108 3.3.1. Tính toán và thiết kế pilot ............................................................................108 3.3.2. Kết quả vận hành Pilot .................................................................................113 3.4. Bộ công thức tính toán hệ thiết bị xử lý amoni nước ngầm sử dụng màng vi sinh chuyển động (MBBR) ............................................................................................... 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 124 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................... 129
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực Hà Nội ............................................................ 7 Hình 1.2. Bản đồ phân bố amoni thành phố Hà Nội............................................................ 14 Hình 1.3. Tương quan giữa clo dư và lượng clo cho vào nước để xử lý amoni ............... 16 Hình 1.4. Tương quan giữa ion amoni và khí amoniac tại các giá trị pH và nhiệt độ. ..... 17 Hình 1.5. Sự phụ thuộc của hiệu quả xử lý Amoni vào tỉ lê nước-không khí tại các nhiệt độ nước khác nhau ......................................................................................................... 19 Hình 1.6. Quá trình ANAMMOX ......................................................................................... 19 Hình 1.7. Quá trình SHARON ............................................................................................... 20 Hình 1.8. Chu trình hình thành và bong tróc của màng sinh học ....................................... 34 Hình 1.9. Quần thể vi sinh dính bám trên vật liệu mang ..................................................... 34 Hình 1.10. Hệ xử lý bằng màng vi sinh chuyển động ......................................................... 35 Hình 1.11. Sơ đồ cơ chế hoạt động của màng sinh học trên giá thể chuyển động............ 35 Hình 1.12. Cấu trúc xốp của polyuretan xốp ........................................................................ 36 Hình 1.13. Vật liệu mang vi sinh BiOChip........................................................................... 37 Hình 1.14. Vật liệu mang vi sinh DHY (do VINSE sản xuất)............................................ 37 Hình 1.15. Sơ đồ hệ thống lọc sinh học ................................................................................ 38 Hình 1.16. Bộ phận cấu thành đĩa quay sinh học ................................................................. 39 Hình 1.17. Sơ đồ cột lọc tầng tĩnh ......................................................................................... 40 Hình 1.18. Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR .................................................................. 41 Hình 1.19. Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ô nhiễm Amoni do tác giả Lều Thọ Bách thực hiện.......................................................................................................... 43 Hình 1.20. Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm ô nhiêm Amoni do tác giả Nguyễn Văn Khôi, Cao Thế Hà thực hiện................................................................ 44 Hình 1.21. Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý amoni sử dụng giá thể dạng sợi Acrylic. 45 Hình 1.22. Mô hình bể sinh học màng vi sinh chuyển động sử dụng trong nghiên cứu của J.D.Rouse,2005............................................................................................. 46 Hình 1.23a. Sơ đồ hệ thống MBBR trong phòng thí nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu của Zafarzadeh, 2010 .......................................................................................... 46 Hình 1.23b. Các sơ đồ nguyên lý xử lý amoni ..................................................................... 48 Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo mẻ ............................................................................ 67
vii Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm liên tục 1 bình phản ứng .......................................................... 69 Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm 2 bình phản ứng nối tiếp .......................................................... 69 Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm 3 bình phản ứng nối tiếp .......................................................... 69 Hình 2.5. Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm sắt và amoni ..................................... 73 Hình 2.6. Thiết kế chi tiết hệ thiết bị xử lý amoni (MBBR&DHK) .................................. 74 Hình 3.1. Ảnh chụp S.E.M vật liệu DHY ............................................................................. 76 Hình 3.2a. Vật liệu được nuôi cấy thử nghiệm trong phòng thí nghiệm ........................... 77 Hình 3.2b. Hình ảnh vật liệu mang và vi sinh dính bám trong vật liệu mang ................... 78 Hình 3.2c. Mặt trong và mặt ngoài lớp màng vi sinh .......................................................... 79 Hình 3.3. Dây chuyền công nghệ của thiết bị xử lý Amoni .............................................. 109 Hình 3.4. Dây chuyền công nghệ trạm xử lý nước Yên Xá .............................................. 109 Hình 3.5. Mặt bằng bể MBBR ............................................................................................. 112
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hiện trạng công suất khai thác nước mặt và nước ngầm ................................... 10 Bảng 1.2. Chất lượng nước trước và sau xử lý của các NMN ngầm do công ty nước sạch Hà Nội quản lý ......................................................................................................................... 11 Bảng 1.3. Chất lượng nước trước và sau xử lý của các NMN ngầm do công ty nước sạch Hà Đông và Sơn Tây quản lý ................................................................................................. 12 Bảng 1.4. Tổng hợp Amoni trong nước ngầm Hà Nội theo năm từ 2010-2014 các nhà máy.............................................................................................................................. 13 Bảng 1.5. Thông số động học đặc trưng của vi sinh vật tự dưỡng trong quá trình nitrat hóa ................................................................................................................................... 22 Bảng 1.6. Sự phụ thuộc của μm vào nhiệt độ theo nhiều kết quả nghiên cứu................... 23 Bảng 2.1. Thành phần nguyên liệu sản xuất vật liệu mang DHY ...................................... 62 Bảng 2.2. Chất lượng nước thô trạm xử lý nước Yên Xá – Thanh trì ............................... 72 Bảng 2.3. Chất lượng nước sau bể lọc tại trạm xử lý nước ngầm Yên Xá ........................ 72 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm đánh giá về vật liệu mang DHY ......................................... 76 Bảng 3.2. Mật độ vi sinh trong bình nuôi theo thời gian ..................................................... 78 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ N-NH4+ đầu vào lên tốc độ nitrat hóa ...................... 80 Bảng 3.4. Tính toán tốc độ nitrat hóa theo nồng độ amoni đầu vào ................................... 81 Bảng 3.5. Giá trị Chỉ số bán bão hòa (Ks) và tốc độ nitrat hóa .......................................... 84 Bảng 3.5a. Giá trị k, n và tốc độ nitrat hóa............................................................................ 86 Bảng 3.6. Các tính toán các thông số từ biểu thức 2-27 ...................................................... 88 Bảng 3.7. Hằng số Ks và k tính toán thực nghiệm .............................................................. 89 Bảng 3.8. Bảng tính toán số liệu theo công thức 2-25 ......................................................... 91 Bảng 3.9. Kết quả thực nghiệm các thông số Y và kp......................................................... 92 Bảng 3.10. Đánh giá khả năng khử nitrat đồng thời trong hệ hiếu khí .............................. 94 Bảng 3.11. Giá trị k và n từ thực nghiệm .............................................................................. 95 Bảng 3.12. Sự suy giảm nồng độ amoni theo thời gian ....................................................... 96 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của mật độ vật liệu mang tới tốc độ nitrat hóa ............................. 98 Bảng 3.14. Diễn biến xử lý amoni trong điều kiện các nồng độ oxy khác nhau............... 99 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của số lượng bình phản ứng lên tốc độ oxi hóa amoni .............. 101 Bảng 3.16. Khả năng khử nitrat đồng thời trong bể hiếu khí ............................................ 103
ix Bảng 3.17. Ảnh hưởng của nồng độ N-NH4+ đầu vào tới hiệu suất khử nitrat ............. 105 Bảng 3.18. Suy giảm nồng độ N theo thời gian ................................................................. 105 Bảng 3.19. Kết quả xử lý amomi và khử nitrat khi có bổ sung cơ chất ........................... 106 Bảng 3.20. Ảnh hưởng của số lượng ngăn phản ứng ........................................................ 112 Bảng 3.21a. Ảnh hưởng của mật độ vật liệu mang ............................................................ 113 Bảng 3.21b. Bảng thông số kỹ thuật của thiết bị xử lý amoni .......................................... 113 Bảng 3.22. Kết quả vận hành thực tế bể sinh học MBBR tại trạm Yên Xá .................... 114 Bảng 3.23. Kết quả vận hành thực tế với tỷ lệ gió nước khác nhau ................................. 116 Bảng 3.24. Thông số động học đặc trưng quá trình nitrat hóa .......................................... 118 Bảng 3.25. Hệ số động học đặc trưng quá trình khử nitrat riêng ...................................... 118
x DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 3.1. Phát triển mật độ vi sinh.................................................................................... 78 1 1 Biểu đồ 3.2. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc giữa r và S ................................................. 83 Biểu đồ 3.2a. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc giữa r và Sra ............................................... 85 .x 1 Biểu đồ 3.3. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính giữa S0  Sr và S .................... 89 Biểu đồ 3.4. Mối quan hệ giữa nồng độ N-NH4+đầu vào với k và Ks ............................. 90 1 vsu Biểu đồ 3.5. Phụ thuộc tuyến tính giữa c và X ............................................................. 92 Biểu đồ 3.6. Biểu đồ hiệu suất sinh khối Y và hằng số phân hủy nội kp ........................... 93 Biểu đồ 3.7. Đánh giá khả năng khử nitrat đồng thời trong hệ hiếu khí ........................... 95 Biểu đồ 3.8. Biểu đồ hồi quy số liệu...................................................................................... 96 Biểu đồ 3.9. Ảnh hưởng của thời gian lưu tới tốc độ nitrat hóa.......................................... 97 Biểu đồ 3.10. Ảnh hưởng của mật độ vật liệu mang tới quá trình nitrat hóa .................... 98 Biểu đồ 3.11. Sự biến thiên amoni, nitrat theo các nồng độ oxy khác nhau ...................... 99 Biểu đồ 3.12. Ảnh hưởng của số lượng bình phản ứng đến hiệu suất của quá trình nitrat hóa So=10-50 mgN/L ........................................................................................................... 102 Biểu đồ 3.13. Khử nitrat đồng thời trong bể hiếu khí ........................................................ 104 Biểu đồ 3.14. Sự suy giảm N trong hệ phản ứng theo thời gian ....................................... 106 Biểu đồ 3.15. Tốc độ và hiệu suất khử N theo nồng độ amoni đầu vào .......................... 106 Biểu đồ 3.16. Tốc độ khử nitrat khi bổ sung cơ chất ......................................................... 108 Biểu đồ 3.17. Hiệu suất xử lý amoni và khử nitrat khi bổ sung cơ chất .......................... 108 Biểu đồ 3.18. Kết quả N-NH4+ sau hệ thiết bị MBBR ..................................................... 114 Biểu đồ 3.19. Kết quả N-NO2- và N-NO3- sau hệ thiết bị pilot ...................................... 115 Biểu đồ 3.20. Kết quả thay đổi độ kiềm trong hệ thiết bị pilot ......................................... 115
xi DANH MỤC KÝ HIỆU/CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng anh Tiếng Việt Anamox Anaerobic Ammonium Oxidation Quá trình oxy hóa amoni yếm khí AOB Ammonia oxidizing bacteria Vi khuẩn oxy hóa amoni BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa BYT Ministry of Health Bộ Y tế COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học ĐCTV Hydrogeology Địa chất thủy văn DHK Automatic gravity sand filter Bể lọc cát tự rửa DHY Biofilm spongy Carier Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu nước MAC Maximum Acceptable Concentration Nồng đội tối đa chấp nhận được MBBR Moving bed biofilm reactor Kỹ thuật màng vi sinh chuyển MCL Maximum Contaminant Levels động Nồng độ cho phép tối đa MLSS Mixed Liquid Suspended Solids Chất rắn lơ lửng dạng lỏng hỗn NMN Water treatment plant hợp nước Nhà máy PU Polyurethane Nhựa PU QCVN VietNam Norm Quy chuẩn Việt Nam Sharon Single reactor High activity Bể đơn xử lý amoni hoạt tính cao SRT Ammonium Sludge Removal RetentionOver TimeNitrite Thờiqua giannitrit lưu bùn TAN Total ammonium nitrogen Tổng nitơ amoni TCVN Vietnam Standard Tiêu chuẩn Việt Nam Hợp chất hữu cơ nhóm halogen- THM Trihalogenmethane metan T-N Nitrogen total Tổng nitơ TSS Turbidity Suspendid Solids Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng WHO World Health Organisation Tổ chức y tế thế giới
1 MỞ ĐẦU 1. SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nhu cầu về nước sạch, đảm bảo vệ sinh luôn là mối quan tâm hàng đầu và đã trở thành chiến lược của nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam. Hiện nay, ở nước ta mức sống của người dân đang từng ngày được cải thiện, ý thức về bảo vệ sức khỏe ngày càng cao, đặc biệt tại các đô thị lớn như thủ đô Hà Nội. Đây là khu vực có mức độ tập trung dân cư cao thứ hai cả nước với dân số khoảng 7 triệu người năm 2014 [1]. Tuy nhiên cùng với sự phát triển nhiều mặt của thủ đô, thì vấn đề cấp nước sạch vẫn chưa thể đáp ứng được cả về mặt số lượng và chất lượng. Tổng công suất cấp nước thương phẩm cho toàn thành phố Hà nội hiện nay là 994.637 m3/ngđ trong đó 230.000 m3/ngđ (23%) được cấp nước nhà máy nước mặt Sông Đà và còn lại 764.637 m3/ngđ (77%) sử dụng nước ngầm. Hiện nay, thành phố Hà Nội mới cấp được khoảng 4,2 triệu người (60%), trong đó 3,2 triệu người (45,7%) sử dụng nước ngầm và 1 triệu người (14,2%) sử dụng nước mặt [6]. Tuy nhiên 17% lượng nước ngầm đang khai thác bị ô nhiễm amoni ở nhiều mức độ khác nhau tập trung chủ yếu khu vực phía Nam và Tây Nam Hà Nội. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống (QCVN 01:2009/BYT), hàm lượng amoni trong nước sạch cần đạt ở mức  3 mg/L(2,3 mgN/L); nitrit  3 mg/L(0,91 mgN/L); nitrat  50 mg/L(11,3mgN/L). Kết quả khảo sát của Liên đoàn địa chất thủy văn - Địa chất công trình miền Bắc cho thấy hàm lượng amoni trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, có những nơi cao gấp 10 lần [19]. Đặc biệt khu vực phía Nam và Tây Nam thành phố Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với hàm lượng rất cao, từ 5-25 mg/l (3,8-20 mgN/l) cụ thể là các nhà máy nước trong khu vực nội thành như Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai, Hà Đông cơ sở 1 và cơ sở 2, Kim Liên; Nam Dư và khu vực ngoại thành bao gồm các huyện Thanh trì, Phú Xuyên, Thanh Oai, Ứng Hòa, Thường Tín và Từ Liêm. Sự lo ngại lớn nhất về vấn đề amoni là các sản phẩm trung gian như hợp chất nitrit và nitrat được hình thành từ amoni trong quá trình xử lý và sử dụng nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt theo cơ chế sau: Trong quá trình xử lý nước, trong
2 các bể lọc luôn luôn được hình thành một cách tự nhiên các vi khuẩn Nitrosomonas. Các vi khuẩn này chuyển hoá một phần amoni trong nước ngầm thành các sản phẩm trung gian là nitrit. Nếu có đủ điều kiện, dưới tác dụng của một loại vi khuẩn khác cũng được hình thành một cách tự nhiên trong bể lọc là Nitrobacter, các sản phẩm trung gian nitrit tiếp tục được chuyển hoá thành nitrat. Trong khi chưa đủ cơ sở để đánh giá mức độ và hướng tác hại của amoni lên cơ thể con người thì tác hại của sản phẩm có nguồn gốc từ amoni là nitrit NO2-, nitrat NO3- lại được biết rõ. Các chất nitrit NO2- và nitrat NO3- là các tác nhân gây nên sự phá hoại hồng cầu ở trẻ em và có thể là tác nhân gây bệnh ung thư. Để thiết lập được công nghệ xử lý có khả năng hoạt động ổn định với hiệu suất cao, phù hợp với đặc điểm sản xuất tại các vùng miền ở Việt Nam, việc nghiên cứu quá trình động học nitrat hóa và khử nitrat (hai quá trình cơ bản của công nghệ tách loại amoni trong nước xử lý ngầm) sẽ cung cấp những dữ kiện nền tảng cho mục đích trên. Công nghệ xử lý amoni trong nước ngầm thích hợp cho hoàn cảnh kinh tế và đặc thù sản xuất nước sạch trong điều kiện của Việt Nam đòi hỏi các tiêu chí: Hiệu quả xử lý cao (lưu lượng xử lý lớn trên một đơn vị công suất thiết bị). Vận hành đơn giản và chi phí thấp. Dễ nhân rộng và triển khai ngoài thực tế. Một trong những công nghệ hiếm hoi có thể đáp ứng các tiêu chí đòi hỏi trên là công nghệ màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR). Đó là công nghệ sử dụng màng vi sinh bám trên chất mang, chất mang chuyển động trong nước khi hoạt động. Hiệu quả xử lý của nó chỉ thấp hơn dạng kỹ thuật lưu thể (fluidized bed reactor), cao hơn nhiều so với các kỹ thuật khác, bù lại vận hành nó đơn giản hơn nhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể (đòi hỏi trình độ tự động hóa cao) và không cần thiết phải có thêm công đoạn lắng. Phần lớn vật liệu và thiết bị liên quan đến công nghệ tầng vi sinh chuyển động đều dễ tìm kiếm, sản xuất trong nước. Từ thực tiễn nêu trên, Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động” được lựa chọn
3 cho luận án tiến sĩ này. 2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2.1. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà Nội với hàm lượng nhỏ hơn 25mg/L (20mgN/L) bằng quá trình Nitrat hóa (Nitrification) và khử Nitrat (Denitrification) đồng thời trong thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) với vật liệu mang dạng xốp (DHY) có diện tích bề mặt cao khoảng 6.000- 8.000 m2/m3, độ xốp lớn và trọng lượng nhẹ dễ chuyển động trong nước, trong điều kiện không bổ sung cơ chất. - Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu mang vi sinh DHY dưới dạng tích hợp bao gồm bể MBBR và bể lọc tự rửa DHK để xử lý amoni trong nước ngầm đảm bảo tiêu chuẩn nước sạch cấp cho sinh hoạt và ăn uống với hiệu quả cao, phù hợp với khả năng đầu tư và điều kiện vận hành ở Việt Nam. 2.2. Nội dung nghiên cứu (1) Thu thập số liệu và khảo sát hiện trạng khai thác, dây chuyền công nghệ xử lý của các nhà máy nước (NMN) trong vùng Hà Nội để đánh giá tổng quan về chất lượng nước ngầm, về ô nhiễm amoni và các yếu tố ảnh hưởng như: pH, nhiệt độ, độ kiềm, chất hữu cơ, phốt pho và đánh giá hiệu quả xử lý amoni của các dây chuyền hiện nay. (2) Nghiên cứu tổng quan các phương pháp xử lý amoni trong nước và thế giới phân tích ưu nhược điểm và đưa ra các vấn đề còn tồn tại. (3) Nghiên cứu tổng quan về xử lý amoni bằng phương pháp vi sinh để hiểu được cơ chế xử lý, các loại vi sinh vật, yếu tố ảnh hưởng và các mô hình động học phản ứng làm cơ sở lựa chọn mô hình thí nghiệm, phân tích đánh giá các kết quả thu được trên mô hình thí nghiệm và mô hình thử nghiệm hiện trường. (4) Nghiên cứu tổng quan về màng vi sinh và các công trình sử dụng kỹ thuật màng vi sinh, đánh giá ưu nhược điểm của từng loại màng, từng loại công trình từ đó đề xuất vật liệu mang di động sử dụng cho thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội. (5) Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục để xác định các thông số động học như hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1), hiệu suất sinh khối Y (g SK/g N-NH4+), chỉ số bán bão hòa
4 amoni Ks (mgN/L), hệ số tiêu thụ cơ chất k (µ/Y). Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa: amoni đầu vào, nồng độ ô xy (DO), mật độ vật liệu mang, số ngăn bể phản ứng. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat đồng thời trong môi trường hiếu khí, ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và xây dựng phương trình thực nghiệm cho tốc độ khử nitrat riêng (U) (6) Nghiên cứu thiết kế và xây dựng mô hình tích hợp dạng modul cho hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động với vật liệu dạng xốp DHY tại hiện trường, chạy thử để kiểm chứng các thông số động học và xây dựng bộ số liệu cho việc tính toán thiết kế. 3. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 3.1. Phạm vi Nước ngầm vùng Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với nồng độ nhỏ hơn 25 mg/L (20 mgN/L), bao gồm cả khu vực đô thị và nông thôn. Ngoài ra cũng có thể áp dụng cho các NMN ở các vùng khác có nguồn nước bị ô nhiễm amoni bao gồm cả nước mặt. 3.2. Đối tượng - Vật liệu mang DHY với tiết diện bề mặt cao 6000-8000 m2/m3 với quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời trong điều kiện hiếu khí. - Hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) tích hợp bể lọc tự rửa (DHK). 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Phương pháp phân tích tài liệu thứ cấp - Thu thập các số liệu về hàm lượng amoni có trong nước ngầm. - Đánh giá về chất lượng nước sau xử lý cho chỉ tiêu amoni, nitrit, nitrat - Tình hình nghiên cứu kỹ thuật mang vi sinh chuyển động (MBBR) xử lý amoni trong nước và trên thế giới. 4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Tiến hành xây dựng 2 loại mô hình thí nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục xử lý nitơ amoni với mẫu nước được mô phỏng từ chất lượng nước ngầm thực tế với giới hạn nghiên cứu và biến động như sau: + Hàm lượng NH4+< 50mgN/L + Nhiệt độ giao động từ 25-30oC
5 + Chất hữu cơ không đáng kể + Hàm lượng phốt pho giao động từ 0,5-1,5 mg/L + pH: 7,2-8,0 + Độ kiềm trong khoảng từ 200-300 mg(CaCO3)/L - Thí nghiệm theo mẻ: Đánh giá các ảnh hưởng của thời gian lưu, mật độ của vật liệu mang, nồng độ ô xi, cơ chất và số lượng ngăn phản ứng từ đó đưa ra được các thông số tối ưu cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat. - Thí nghiệm liên tục: Mô hình được thiết kế trên cơ sở các thông số đã tìm được từ thí nghiệm theo mẻ để xác định các thông số động học cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat đối với vật liệu mang dạng xốp DHY. - Thiết kế tích hợp bể MBBR và bể lọc tự rửa (DHK) với công suất 5m3/h vận hành xử lý amoni để kiểm chứng các thông số động học tìm được trong phòng thí nghiệm tại địa điểm nghiên cứu hiện trường là NMN Yên Xá huyện Thanh Trì. 4.3. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết quá trình xử lý amoni bằng các phương pháp sinh học. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xử lý sinh học bằng phương pháp màng vi sinh chuyển động (MBBR) với các loại vật liệu mang khác nhau. 4.4. Phương pháp phân tích - Phân tích định lượng các thông số chất lượng nước: amoni, độ pH, độ kiềm, COD, DO, photpho, chất hữu cơ đầu vào, đầu ra theo tiêu chuẩn TCVN và ISO. - Đánh giá chất lượng vật liệu mang vi sinh thông qua các chỉ tiêu như: Độ bền cơ học, ảnh chụp mao quản, xác định diện tích bề mặt. 4.5. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu - Số liệu thu được từ các lần thí nghiệm (3 lần cho 1 thí nghiệm) sẽ được tổng hợp so sánh để tìm ra giá trị đặc trưng mang tính đại diện cao nhất của kết quả thí nghiệm. - Giải các phương trình động học để xác định các biến số và phương trình tuyến tính phù hợp. - Sử dụng phương pháp tuyến tính hóa vẽ đồ thị để xác định các hằng số, hệ số hoặc các giá trị để tính toán các thông số động học.
6 - Tính toán, tổng hợp các số liệu thu được một cách có hệ thống. - Kết quả thu được từ mô hình pilot trong phòng thí nghiệm áp dụng tính toán thiết kế pilot thực tế và tiến hành chạy thử. Kết quả thu được sẽ được so sánh kiểm chứng và xây dựng các công thức tính toán thiết bị xử lý sử dụng màng vi sinh chuyển động. 5. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 5.1. Tính mới của luận án - Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY có tiết diện bề mặt cao, tích hợp quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng một bể xử lý trong điều kiện hiếu khí. - Quá trình khử nitrat không cần bổ sung cơ chất bên ngoài, sử dụng cơ chất từ phân hủy nội sinh. - Thiết kế thiết bị xử lý tích hợp bể MBBR với bể DHK dưới dạng modul để loại bỏ amoni trong nước ngầm Hà Nội. 5.2. Tính thực tiễn của luận án Thành phố Hà Nội có khoảng gần 1,2 triệu người đang phải sử dụng nguồn nước ngầm bị ô nhiễm amoni chiếm khoảng 17% [8]. Tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ăn uống và sinh hoạt tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây bệnh tật cho người. 5.3. Đóng góp khoa học của luận án - Xác định các thông số động học cho hệ MBBR với vật liệu mang dạng xốp DHY có tiết diện bề mặt cao cho việc xử lý amoni trong nước ngầm. - Khẳng định khả năng tích hợp các quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng một bể phản ứng, tại điều kiện hiếu khí hoàn toàn. - Xây dựng được bộ thông số thiết kế cho hệ thiết bị xử lý amoni sử dụng kỹ thuật màng vi sinh chuyển động (MBBR) với vật liệu mang dạng xốp DHY có tiết diện bề mặt cao. - Kết quả nghiên cứu của luận án còn làm phong phú thêm công nghệ xử lý nước cấp tại Việt Nam.
7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG 1.1. Tổng quan về hiện trạng sử dụng nước ngầm và ô nhiễm amoni vùng Hà Nội 1.1.1. Địa chất thủy văn khu vực Hà Nội Hà Nội nằm trên dải đứt gẫy của sông Hồng chạy dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, thuộc vùng trũng trong Châu thổ Sông Hồng. Khu vực Hà Nội có 4 thành tạo đất đá chứa nước là Halocen (qh), Pleistocen (qp), Neogen (N) và Trias (T). Tầng chứa nước chủ yếu mà có thể khai thác công nghiệp là Pleistocen (qp) với thành phần chủ yếu là cuội sỏi. Độ sâu tầng từ 22,5-54 m, trung bình là 38,5 m. Chiều dày tầng chứa nước thay đổi từ 8-75 m, trung bình là 28 m.Lưu lượng khai thác tại mỗi mỗi giếng khoan từ 80 m3/h (2000 m3/ngđ) đến 250 m3/h (6000 m3/ngđ). Mặt cắt địa chất công trình dọc tuyến đê Hà Nội gồm 17 lớp đất khác nhau về nguồn gốc, thành phần và có đặc tính địa chất công trình biến đổi phức tạp. Đặc biệt là hệ tầng Thái Bình và hệ tầng Vĩnh Phúc, có đầy đủ các lớp trầm tích từ hạt mịn đến thô, nằm đan xen không liên tục theo chiều dài tuyến đê [2]. Hình 1.1. Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực Hà Nội [2] 1.1.2. Nguồn gốc amoni trong nước ngầm Thông qua việc đánh giá hiện trạng nhiễm bẩn nguồn nước ngầm, từ đó xác định nguồn gốc và nguyên nhân nhiễm bẩn các chất hữu cơ chứa amoni (NH 4+) xuất phát từ các yếu tố sau: Amoni (NH4+) có nguồn gốc từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ tự nhiên trong đất và trong phân gia súc. Amoni trong nước cũng có thể có nguồn gốc từ quá trình rơi lắng khô trong khí quyển, từ quá trình amoni hóa phân bón vô cơ, từ các