Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:190

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ "Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định" đánh giá được 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 Anammox (AX) với kỹ thuật phản ứng tầng cố định. Tìm hiểu khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox với giá thể vi sinh cố định Felibendy.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI NGUYỄN THỊ MỸ HẠNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX SỬ DỤNG GIÁ THỂ VI SINH CỐ ĐỊNH Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải Mã số: 9520320-2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN THỊ HIỀN HOA Hà Nội, năm 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Thị Mỹ Hạnh
ii LỜI CÁM ƠN Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trần Thị Hiền Hoa đã tận tình hướng dẫn, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học cho tác giả. Tác giả chân thành cám ơn các thầy, cô bộ môn Cấp thoát nước, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Khoa Sau đại học, Trường Đại học Xây dựng đã giúp đỡ và có nhiều góp ý xác đáng, quý báu cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận án. Tác giả trân trọng cám ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường Đô Thị, Bộ môn Công nghệ nước, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã tạo điều kiện cho tác giả được học tập và nghiên cứu nâng cao trình độ. Tác giả cám ơn sâu sắc phòng Thí nghiệm bộ môn Cấp thoát nước, Khoa Kỹ thuật Môi trường đã tạo điều kiện cho tác giả được triển khai thí nghiệm. Tác giả chân thành cám ơn TS Lê Công Nhất Phương (Viện Sinh học Nhiệt đới, thành phố Hồ Chí Minh), công ty Meidensa (Nagoya, Nhật Bản), công ty Kuraray (Nhật Bản) đã hỗ trợ cung cấp vi khuẩn và vật liệu Felibendy phục vụ cho nghiên cứu. Tác giả chân thành cám ơn PGS.TS. Trương Quốc Phong (Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa, Hà Nội) đã giúp đỡ tác giả tiến hành kỹ thuật khuếch đại gen PCR. Tác giả trân trọng cám ơn Quỹ Nghiên cứu khoa học về Nước và Môi trường Kurita, đề tài NCKH Bộ Giáo dục và Đào tạo (B2015-03-15), đề tài NCKH Trường Đại học Xây dựng (200-2018/KHXD-TĐ) đã hỗ trợ kinh phí để tác giả thực hiện nghiên cứu này. Tác giả xin chân thành cám ơn quý thầy, cô giáo, các nhà khoa học, các chuyên gia, các đồng nghiệp đã tận tình góp ý, chỉ bảo, đồng hành trong thời gian học tập và nghiên cứu
iii Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ, chia sẻ những khó khăn với tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Nguyễn Thị Mỹ Hạnh
iv MỤC LỤC Lời cam đoan………………………………………………………………………...i Lời cám ơn…………………………………………………………………………..ii Mục lục……………………………………………………………………………..iii Danh mục chữ viết tắt………………………………………………………………ix Một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận án …………………………….xi Danh mục các bảng………………………………………………………………..xiii Danh mục các hình………………………………………………………………...xiv MỞ ĐẦU……………………………………………………………...…………….1 1. Tính cấp thiết của luận án…………………………………………………………1 2. Mục tiêu của luận án………………………………………………………………2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án……………………………………3 4. Cơ sở khoa học của luận án……………………………………………………….3 5. Nội dung nghiên cứu………………………………………………………………4 6. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………….5 7. Những đóng góp mới của luận án…………………………………………………5 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án………………………………………..6 9. Cấu trúc luận án……………………………………………………………….…..6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT……………………………………………...8 1.1. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải sinh hoạt và yêu càu của nguồn tiếp nhận…………………………………………………………………………………8 1.1.1. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải sinh hoạt………………………..8 1.1.2. Các dạng tồn tại của các hợp chất chứa nitơ trong nước thải sinh hoạt…………………………………………………………………………...9 1.1.3. Tác động của nitơ đến sức khoẻ cộng đồng và môi trường…………...12 1.1.4. Quy định của nguồn tiếp nhận đối với chỉ tiêu nitơ trong nước thải sinh hoạt………………………………………………………………………….13 1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải….……………14
v 1.2.1. Phương pháp hoá lý……………………………………...…………...14 1.2.2. Phương pháp hoá học…………………………………….…………...15 1.2.3. Phương pháp sinh học………………………………………………...16 1.3. Tổng quan một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt………..19 1.3.1. Các công nghệ ứng dụng quá trình nitrat hoá/khử nitrat ..…………...19 1.3.2. Công nghệ xử lý nitơ ứng dụng quá trình Anammox…. ..…………...24 1.3.3. Đánh giá về hiệu quả của công nghệ xử lý nitơ bằng quá trình nitrat hoá /khử nitrat và công nghệ ứng dụng quá trình Anammox…...………………..25 1.3.4. Đánh giá các công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các nhà máy xử lý nước thải của Việt Nam và xu hướng tiếp cận công nghệ xử lý nước thải trên thế giới…………………………………………………... ..…………...26 1.4. Tổng quan một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt………..31 1.4.1. Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trên thế giới và Việt Nam……………………………………………………………31 1.4.2. Tổng quan về một số giá thể mang sử dụng trong quá trình Anammox ………………………………………………………………………………37 1.4.3. Tổng quan về các nghiên cứu về phương trình động học quá trình Anammox ……………..……………………………………………………41 1.5. Một số vấn đề còn tồn tại khi xử lý nước thải bằng quá trình Anammox và hướng nghiên cứu của luận án…………………………………………………...44 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NITRIT HOÁ BÁN PHẦN – ANAMMOX ……………...46 2.1. Quá trình Anammox…………………………………………………………46 2.1.1. Bản chất của quá trình Anammox…………..………………………..46 2.1.2. Hoá sinh học của quá trình Anammox …… ………………………...47 2.1.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammox………….…………...49 2.1.4. Các thông số vận hành nhằm kiểm soát quá trình Anammox ……….57 2.2. Quá trình nitrit hoá bán phần……………………………...….…………….58 2.2.1. Bản chất của quá trình nitrit hoá bán ………………………………. .58
vi 2.2.2. Hoá sinh học của quá trình nitrit hoá bán phần …….…….…………...59 2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrit hoá bán phần …….……....60 2.2.4. Các thông số vận hành nhằm kiểm soát quá trình nitrit hoá bán phần....62 2.3. Cơ sở khoa học về việc sử dụng giá thể mang trong xử lý nước thải …….63 2.3.1. Sự hình thành màng sinh học (Biofilm) trên giá thể mang ………….63 2.3.2. Cơ sở lựa chọn giá thể mang (giá thể vi sinh)…...…….………… ….65 2.4. Động học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox …….66 2.4.1. Cơ sở lý thuyết về động học phản ứng…….……………………….. .66 2.4.2. Phương trình động học bậc 1……………………………………….. .68 2.4.3. Phương trình động học bậc 2 Grau………... …….…….………….....68 2.4.4. Phương trình động học Stover-Kincannon……………..…….……....69 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU …………………...…………...71 3.1. Đối tượng và nội dung nghiên cứu………..…………………………………71 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu………………………..……………………….71 3.1.2. Kế hoạch nghiên cứu …… ………………………..............................72 3.1.3.Nội dung nghiên cứu………………………….………….…………...73 3.2. Chuẩn bị thí nghiệm……………...………..…………………………………74 3.2.1. Chuẩn bị mô hình thí nghiệm………………..……………………….74 3.2.2. Chuẩn bị vi sinh vật... …… ………………………..............................76 3.2.3. Chuẩn bị nước thải………………………….………….…………......77 3.2.4. Lựa chọn và kiểm soát thông số vận hành…….………….…………...81 3.3. Trình tự tiến hành nghiên cứu thực nghiệm..………………………………82 3.3.1. Thí nghiệm 1 ……………….………………..……………………….82 3.3.2. Thí nghiệm 2……..... …… ………………………..............................84 3.3.3. Thí nghiệm 3…….………………………….………….…………......87 3.4. Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và xử lý số liệu .……………………91 3.4.1. Phương pháp lấy mẫu……….………………..……………………….91 3.4.2. Phương pháp phân tích …...………………………..............................91 3.4.3. Phương pháp xử lý số liệu….………………..……………………….92
vii 3.4.4. Phương pháp xác định chủng vi khuẩn…..…..……………………….94 3.4.5. Phương pháp xây dựng phương trình oán để xác định thông số động học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox……......................95 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………..…………...98 4.1. Nội dung nghiên cứu 1: Đánh giá hiệu quả loại bỏ các hợp chất chứa nitơ của mô hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy…..…………98 4.1.1. Hiệu quả loại bỏ amoni, nitrit và tổng nitơ trong mô hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy…..…………………..……………………….98 4.1.2. Mối tương quan giữa các thành phần chứa nitơ trong quá trình Anammox ………………………………………...……............................101 4.1.3. Kết quả, thảo luận và so sánh kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong mô hình AX với giá thể mang Felibendy với một số nghiên cứu khác …………………….………………………….………….…………..103 4.2. Nội dung nghiên cứu 2: Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình ……………..…………105 4.2.1. Sự chuyển hoá amoni thành nitrit trong mô hình PN………………..105 4.2.2. Sự biến thiên nồng độ amoni, nitrit và tổng nitơ trong mô hình AX…107 4.2.3. Hiệu quả xử lý nitơ của hệ mô hình PN/AX………….. ……………..110 4.2.4. Kết quả giải trình tự gen của vi khuẩn trên giá thể mang…..……….112 4.2.5. Phương trình động học của quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox …………………………………………………………………113 4.2.6. Kết quả, thảo luận và so sánh kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình nitrit hoá bán phần và Anammox với các nghiên cứu khác …………………….……………..…..117 4.3. Nội dung nghiên cứu 3: Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt……..………119 4.3.1. Sự biến thiên nồng độ và hiệu quả xử lý các hợp chất chứa nitơ qua các giai đoạn nghiên cứu …………………………………………….………………..119
viii 4.3.2. Phương trình động học Stover Kincannon và các thông số động học của quá trình Anammox đối với các tỉ lệ C/N khác nhau ………..……………123 4.3.3. Kết quả, thảo luận và so sánh kết quả nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox với một số nghiên cứu khác ……………………………………………………………………….127 KẾT LUẬN ………………….…………………………………………………..129 KẾT LUẬN……………………………………………………………...………..129 KIẾN NGHỊ……………………………………………………………………....130 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN …………………………………...…………………….131 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….132 PHỤ LỤC ………………………………………………………………………..PL1 Phụ lục 1. Kết quả phân tích thí nghiệm 1 (mô hình AX)….……………………..PL1 Phụ lục 2. Kết quả phân tích thí nghiệm 2 (mô hình PN+AX)……………………PL4 Phụ lục 3. Kết quả phân tích thí nghiệm 3 (mô hình AX1, AX2, AX3)……….…PL7 Phụ lục 4. Số liệu mô hình PN để xây dựng phương trình động học quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox ……..…………………………………….PL11 Phụ lục 5. Số liệu để xây dựng phương trình động học quá trình Anammox đối với nước thải có tỉ lệ C/N khác nhau…………………………………………............PL17 Phụ lục hình ảnh……….………………………………………………………...PL23
ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AO Anoxic Oxic Thiếu khí - hiếu khí AAO Anaerobic Anoxic Oxic Kỵ khí - thiếu khí – hiếu khí AOB Ammonium Oxidizing Bacteria Vi khuẩn ôxi hóa amoni ABF Anaerobic biological filtration Bể lọc sinh học kỵ khí Anammox Anaerobic Ammonium Oxi hóa kỵ khí amoni Oxidation AX Mô hình Anammox BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu ôxi sinh hóa BC Bamboo Charcoal Than tre BTH Bể tự hoại BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường CANON Completely Autotrophic Loại bỏ nitơ tự dưỡng hoàn toàn Nitrogen removal Over Nitrite thông qua khử nitrit CAS Conventional Activated Sluge Bùn hoạt tính truyền thống COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hóa học CSTR Continuous stirred-tank reactor Thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục DO Dissolved Oxygen Ôxy hòa tan EGSB Expanded granular sludge bed Bể kỵ khí có lớp bùn hạt mở rộng FA Free Ammonia Amoniac tự do FBR Fixed Bed Reactor Bể phản ứng tầng cố định FNA Free Nitrous Acid Axit nitrit tự do HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu thủy lực MBR Membrane Bio Reactor Bể sinh học màng MBBR Moving Bed Biofilm Reactor Bể màng sinh học di động MC Malt Ceramic Hạt MC
x NOB Nitrite Oxidizing Bacteria Vi khuẩn oxi hóa nitrit NLR Nitrogen Loading Rate Tải lượng nitơ đầu vào NRE Nitrogen Removal Efficiency Hiệu quả loại bỏ nitơ NRR Nitrogen Removal Rate Tốc độ loại bỏ nitơ NT Nước thải OLAND Oxygen Limited Autotrophic Loại bỏ nitơ thông qua quá trình removal via nitrification – nitrat hóa-khử nitrat tự dưỡng denitrification trong điều kiện ôxi hạn chế OD Oxidation Ditch Mương oxy hoá PCR Polymerase chain reaction Kỹ thuật phản ứng khuếch đại gen PN/AX Partial nitritation-Anammox Nitrit hoá bán phần/Anammox PVA Polivinyl Acohol Giá thể mang PVA QCVN Quy chuẩn Việt Nam QT Quá trình SBR Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng hoạt động gián đoạn theo mẻ SHARON Single reactor system for High Hệ thống phản ứng đơn để loại bỏ Ammonium Removal Over amoni thông qua quá trình nitrit Nitrite hoá (Nitrit hóa bán phần) SNAP Single-stage Nitrogen removal Quá trình nitrit hóa bán phần và using Anammox and Partial Anammox kết hợp trong cùng Nitritation một giai đoạn để loại bỏ nitơ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Total Nitrogen Tổng nitơ TIN Total Inorganic Nitrogen Tổng nitơ vô cơ UASB Upflow Anaerobic Sludge Bể xử lý sinh học tầng bùn kỵ khí Blanket dòng hướng lên UBF Upflow Biofilm Bể màng sinh học dòng hướng lên
xi MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Nước thải sinh hoạt: Nước thải sinh hoạt là nước được thải ra từ các hoạt động sinh hoạt hàng ngày của người dân ở đô thị. Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải đen (nước thải xí, tiểu) và nước thải xám (nước thải tắm rửa, giặt giũ, nhà bếp…). Quá trình Anammox: là quá trình sinh học thực hiện việc oxi hoá amoni trong điều kiện kỵ khí với sự đóng góp của nhóm vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes. Giá thể vi sinh cố định: là một loại vật liệu được đặt cố định trong mô hình thí nghiệm để các vi sinh vật có khả năng dính bám, tăng diện dích tiếp xúc giữa vi sinh và nước thải, tăng cường khả năng lưu giữ vi khuẩn trong mô hình thí nghiệm. Trong luận án, giá thể vi sinh cố định được sử dụng là Felibendy, vật liệu thế hệ mới của công ty Kuraray (Nhật Bản) có thành phần chính là PET (Polyethylene terephthalate) được sản xuất bằng công nghệ Steam-jet. Nitơ trong nước thải sinh hoạt: Trong nước thải, các dạng tồn tại của nitơ gồm nitơ hữu cơ TKN và nitơ vô cơ TIN (amoni, nitrit và nitrat). Tổng Nitơ (TN) được xác định là tổng nitơ hữu cơ và nitơ vô cơ trong nước thải. Dưới tác dụng của vi khuẩn, các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urê bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac [7]. Do đó, nếu coi như nitơ hữu cơ trong nước thải bị thuỷ phân và chuyển hoá hoàn toàn sang dạng nitơ vô cơ thì tổng nitơ (TN) sẽ bằng tổng nitơ vô cơ (TIN). Bên cạnh đó, do quá trình Anammox sử dụng các vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes tiến hành oxi hóa kỵ khí amoni và chỉ sử dụng nitơ vô cơ (amoni và nitrit). Do đó trong luận án khi tập trung nghiên cứu về quá trình Anammox, tổng nitơ trong nước thải được xác định bằng tổng nitơ vô cơ (bao gồm amoni, nitrit và nitrat) trong nước thải sinh hoạt. Tỉ lệ C/N: là tỉ lệ giữa nồng độ các hợp chất hữu cơ và nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong nước thải. Trong luận án, nồng độ các hợp chất hữu cơ được được xác định bằng mg/L COD và nồng độ các hợp chất nitơ trong nước thải được xác định bằng mgN/L của tổng amoni, nitrit và nitrat (TIN) trong nước thải. Tải lượng nitơ đầu vào (NLR): lượng tổng nitơ đầu vào mô hình phản ứng trên một đơn vị thể tích (m3) nước thải trong một ngày đêm, đơn vị: kg/m3/ngđ.
xii Tốc độ loại bỏ nitơ (NRR): là khả năng loại bỏ tổng nitơ của mô hình phản ứng tính theo lượng tổng nitơ loại bỏ được trên một đơn vị thể tích (m3) nước thải trong một ngày đêm, đơn vị: kg/m3/ngđ. Hiệu quả loại bỏ nitơ (NRE): là tỉ lệ phần trăm giữa hàm lượng tổng nitơ loại bỏ được so với hàm lượng tổng nitơ đầu vào của mô hình, đơn vị: %.
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Chất lượng nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại ở một số đô thị..................9 Bảng 1.2. Công nghệ và giá trị các thông số ô nhiễm của một số nhà máy xử lý nước thải đang vận hành .............................................................................................28 Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả một số nghiên cứu về quá trình Anammox trên thế giới ...........................................................................................................................32 Bảng 1.4. Tổng hợp một số trạm xử lý nước thải quy mô lớn ứng dụng quá trình Anammox trên thế giới ......................................................................................34 Bảng 1.5. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox ở Việt Nam ...................................................................................................................35 Bảng 1.6. Đặc tính của vật liệu Felibendy ................................................................41 Bảng 1.7. Tổng hợp một số phương trình động học cơ bản .....................................42 Bảng 2.1. Một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của amoni và FA ....................51 Bảng 2.2. Một số nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nitrit đến quá trình Anammox .52 Bảng 2.3. Một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các chất hữu cơ đến quá trình Anammox ..........................................................................................................54 Bảng 3. 1. Thành phần nước thải nhân tạo sử dụng trong thí nghiệm 1 ...................77 Bảng 3. 2. Thành phần nước thải thực tế .................................................................79 Bảng 3. 3. Thành phần nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau .........................80 Bảng 3.4. Thông số vận hành của mô hình trong thí nghiệm 1 ................................83 Bảng 3.5. Thông số vận hành hệ thống PN/AX........................................................86 Bảng 3.6. Các thông số kiểm soát vận hành hệ thống PN/AX .................................87 Bảng 3.7. Thông số vận hành hệ mô hình AX1, AX2, AX3 ....................................90 Bảng 3.8. Thông số mồi xuôi, mồi ngược.................................................................95 Bảng 4. 1. So sánh kết quả nghiên cứu với một số nghiên cứu về quá trình Anammox với các giá thể mang khác nhau.......................................................................104 Bảng 4.2. Tổng hợp chất lượng nước thải qua hệ mô hình PN/AX........................111
xiv Bảng 4.3. Các thông số động học theo các phương trình động học được xác định trong nghiên cứu .......................................................................................................116 Bảng 4. 4. So sánh kết quả vận hành thí nghiệm với một số nghiên cứu khác. ......117 Bảng 4.5. So sánh các thông số động học của phương trình Stover-Kincannon theo một số các nghiên cứu trên thế giới .................................................................118 Bảng 4.6. Hệ số Umax, và KB theo phương trình động học Stover-Kincannon tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau ......................................................................126 Bảng 4.7. So sánh sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox với một số nghiên cứu khác .............................................................................127 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình M1. Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án.....................................................7 Hình 1.1. Chu trình chuyển hoá các hợp chất nitơ bởi các vi sinh vật ....................10 Hình 1.2. Chu trình chuyển hóa nitơ với quá trình nitrat hoá/khử nitrat truyền thống (trái) và quá trình Anammox (phải) ..................................................................18 Hình 1.3. Sơ đồ dây chuyền công nghệ oxi hóa tuần hoàn .......................................19 Hình 1.4. Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO .............................................................20 Hình 1.5. Sơ đồ dây chuyền công nghệ SBR ............................................................20 Hình 1.6. Sơ đồ dây chuyền công nghệ AAO...........................................................21 Hình 1.7. Sơ đồ dây chuyền công nghệ MBR ..........................................................22 Hình 1.8. Sơ đồ dây chuyền công nghệ MBBR ........................................................23 Hình 1.9. Sơ đồ dây chuyền công nghệ FAST .........................................................23 Hình 1.10. Sơ đồ quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp với quá trình Anammox ....24 Hình 1.11. Khả năng kết hợp các quy trình A-B để xử lý nước thải sinh hoạt theo xu thế tiết kiệm năng lượng ……………………………………………………... 30 Hình 1.12. Giá thể mang Felibendy ..........................................................................40 Hình 2.1. Chu trình nitơ bổ sung quá trình Anammox .............................................46
xv Hình 2.2. Cơ chế sinh hóa của quá trình Anammox ................................................47 Hình 2.3. Cây phát sinh loài của vi khuẩn Planctomycetes .....................................48 Hình 2. 4. Cơ chế chuyển hoá amoni của vi khuẩn Nitrosomonas e. ......................59 Hình 3.1. Giá thể mang Felibendy dạng tấm hình chữ nhật (150x250x8mm) cho mô hình PN ..............................................................................................................72 Hình 3.2. Giá thể mang Felibendy dạng hình hộp (10x10x8mm) cho mô hình AX 72 Hình 3.3. Sơ đồ các nội dung thí nghiệm trong luận án ...........................................73 Hình 3.4. Sơ đồ mô hình AX ....................................................................................74 Hình 3.5. Sơ đồ mô hình PN .....................................................................................75 Hình 3.6. Vi khuẩn Nitrosomonas trong chế phẩm dạng bột ...................................76 Hình 3.7. Vi khuẩn Planctomycetes (Candidatus Brocadia anammoxidans) dưới dạng bùn hạt ...............................................................................................................76 Hình 3.8. Vi khuẩn Nitrosomonas đã được dính bám trên giá thể mang..................76 Hình 3. 9. Vi khuẩn Planctomycetes đã được dính bám trên giá thể mang ..............76 Hình 3. 10. Nội dung thí nghiệm 1 ...........................................................................82 Hình 3. 11. Hình ảnh thí nghiệm 1: (a). Sơ đồ mô hình AX; (b) Mô hình AX khi vận hành thí nghiệm .................................................................................................83 Hình 3. 12. Nội dung thí nghiệm 2 ...........................................................................84 Hình 3. 13. Sơ đồ mô hình thí nghiệm 2 (hệ mô hình PN/AX) ................................85 Hình 3. 14. Hình ảnh thí nghiệm 2 (hệ mô hình PN/AX) .........................................86 Hình 3.15. Nội dung thí nghiệm 3 ............................................................................88 Hình 3.16. Sơ đồ mô hình thí nghiệm 3 ....................................................................89 Hình 3.17. Hình ảnh mô hình thí nghiệm 3 trong phòng thí nghiệm........................89 Hình 4.1. Sự biến thiên nồng độ NH4+-N trong mô hình AX qua 4 giai đoạn .........98 Hình 4.2. Sự biến thiên nồng độ NO2--N trong mô hình AX qua 4 giai đoạn ..........99
xvi Hình 4.3. Sự biến thiên nồng độ tổng nitơ trong mô hình AX ...............................100 Hình 4.4. Sự thay đổi tốc độ loại bỏ tổng nitơ qua các giai đoạn nghiên cứu ........101 Hình 4.5. Mối tương quan giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ nitrit và tốc độ tạo thành nitrat với tốc độ loại bỏ amoni trong 4 giai đoạn vận hành .............102 Hình 4.6. Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong mô hình PN .........106 Hình 4.7. Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong mô hình AX..........109 Hình 4.8. Sự biến thiên nồng độ tổng nitơ và hiệu quả loại bỏ tổng nitơ trong mô hình AX ...................................................................................................................110 Hình 4.9. Sự biến thiên nồng độ amoni và tổng nitơ trong hệ mô hình PN/AX.....110 Hình 4.10. Phổ điện di DNA sản phẩm PCR khuếch đại đoạn gen 16S rDNA từ DNA tổng số thu được từ mẫu gốc (đường chạy 1,2) và mẫu sau khi sử dụng để xử lý nước (đường chạy 3,4); đường chạy M, thang DNA chuẩn. ...........................112 Hình 4.11. Phương trình động học của quá trình loại bỏ amoni và tạo thành nitrit của quá trình nitrit hoá bán phần: Phương trình động học bậc 1(a); Phương trình động học Grau (b); Phương trình động học Stover-Kincannon (c) ..........................114 Hình 4. 12. Phương trình động học của quá trình loại bỏ amoni và tổng nitơ của quá trình Anammox: Phương trình động học bậc 1(a); Phương trình động học Grau (b); Phương trình động học Stover-Kincannon (c) ..........................................115 Hình 4.13. Diễn biến nồng độ các hợp chất chứa nitơ theo HRT và tỉ lệ C/N .......120 Hình 4.14. Diễn biến hiệu quả loại bỏ các hợp chất chứa nitơ theo HRT và tỉ lệ C/N .........................................................................................................................122 Hình 4.15. Phương trình động học Stover Kincannon của quá trình loại bỏ amoni đối với các trường hợp (a): C/N =0; (b): C/N=1,0; (c): C/N = 2,0; (d): C/N=3,5; (e): C/N = 5,0; (f): C/N = 6,0; ................................................................................124 Hình 4.16. Phương trình động học Stover Kincannon của quá trình loại bỏ tổng nitơ đối với các trường hợp (a): C/N =0; (b): C/N=1,0; (c): C/N = 2,0; (d): C/N=3,5; (e): C/N = 5,0; (f): C/N = 6,0; .........................................................................125
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Cùng với sự phát triển của xã hội, lượng nước thải xả ra hàng ngày của đô thị càng gia tăng đặt ra những thách thức đối với môi trường. Với mức độ đô thị hóa như hiện nay, tới năm 2035 Việt Nam sẽ có khoảng 106,3 triệu dân trong đó có 47,87 triệu dân đô thị (44,87% dân số) [123], ước tính lượng nước thải đô thị cần xử lý là 7,63 triệu m3/ngày đêm [5]. Tính đến nay, đã có khoảng 70 nhà máy xử lý nước thải tập trung ở các đô thị, đa phần là xử lý nước thải của hệ thống thoát nước chung, trong đó chỉ có 3 nhà máy xử lý nước thải của hệ thống thoát nước riêng. Bể tự hoại với hơn 90% số hộ gia đình sử dụng vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt ở các đô thị có đấu nối với hệ thống thoát nước chung. Nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người, chứa các chất bẩn ở trạng thái lơ lửng, các chất hữu cơ, vi sinh vật và các chất dinh dưỡng cần được xử lý đạt yêu cầu trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Bên cạnh việc loại bỏ các chất hữu cơ thì các hợp chất nitơ cũng được xem là chất dinh dưỡng giới hạn được kiểm soát ở mọi nguồn nước tự nhiên, nguồn tiếp nhận và nước xả thải. Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT, nồng độ amoni và nitrat trong nước thải sinh hoạt trước khi xả vào nguồn tiếp nhận loại A lần lượt là 5mg/L và 30mg/L, đối với nguồn loại B lần lượt là 10mg/L và 50mg/L. Với các công nghệ xử lý nước thải đang được áp dụng tại Việt Nam, một số công nghệ không thể xử lý được nitơ như bể lọc sinh học nhỏ giọt hay công nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS). Một số công nghệ khác như AO, A2O, SBR dựa trên cơ sở quá trình nitrat hoá/khử nitrat lại yêu cầu phải tuần hoàn bùn nội tại, hoặc cần cấp lượng khí lớn hoặc phải bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài… Nói một cách khác, các công nghệ xử lý nitơ trong nước thải đang áp dụng tiêu thụ nhiều năng lượng đồng thời tạo ra một lượng lớn bùn. Trong khi đó, xu thế của thế giới về công nghệ xử lý nước thải là tiến tới tiết kiệm năng lượng, phát thải ít cacbon, thân thiện với môi trường. Do đó, cần nghiên cứu áp dụng một công nghệ xử lý nitơ khác có thể
2 khắc phục được những nhược điểm của công nghệ truyền thống (dựa trên cơ sở của quá trình nitrat hoá/khử nitrat) là rất cần thiết. Dựa trên cơ sở lý thuyết về xử lý nitơ bằng phương pháp oxi hoá kỵ khí, thấy rằng quá trình Anammox có ưu điểm là không cần phải bổ sung nguồn cacbon bên ngoài, tiết kiệm được năng lượng cho việc sục khí, lượng bùn sinh ra rất ít, giảm thiểu phát sinh khí nhà kính, tiết kiệm được diện tích công trình xây dựng. Do đó, công nghệ xử lý nitơ bằng quá trình Anammox được xem là công nghệ thân thiện với môi trường và rất phù hợp để đưa công nghệ xử lý nước thải của Việt Nam tiếp cận với xu thế của thế giới, “xu thế phát triển bền vững” trong bối cảnh “nước thải và nền kinh tế tuần hoàn”. Để ứng dụng quá trình Anammox vào thực tiễn xử lý nước thải sinh hoạt cần tiến hành nghiên cứu về các thông số vận hành hệ thống xử lý, kỹ thuật phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý. Giá thể vi sinh cố định đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ quá trình dính bám của vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải. Do vật liệu Felibendy có cấu trúc sợi dạng cứng rắn, bền vững, có đặc tính xốp, nhẹ, có diện tích bề mặt lớn, có khả năng thấm hút cao, đáp ứng được yêu cầu cho vi khuẩn dính bám nên đã được lựa chọn làm giá thể vi sinh cố định trong mô hình thí nghiệm. Luận án “Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định” là cần thiết để từng bước đưa quá trình Anammox ứng dụng vào thực tiễn xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt ở Việt Nam. 2. Mục tiêu của luận án. - Đánh giá được 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 Anammox (AX) với kỹ thuật phản ứng tầng cố định. - Đánh giá được khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế bằng quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox với giá thể vi sinh cố định Felibendy.
3 - Đánh giá được sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải (thông qua chỉ số COD) đến hiệu quả của quá trình xử lý nitơ của quá trình Anammox. Xác định được thông số động học của quá trình Anammox với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: - Quá trình Anammox với kỹ thuật phản ứng tầng cố định - Các hợp chất chứa nitơ vô cơ trong nước thải sinh hoạt - Nước thải sinh hoạt (nước thải nhân tạo và nước thải thực tế sau bể tư hoại của ký túc xá trường Đại học Xây Dựng Hà Nội là đối tượng nghiên cứu điển hình) Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành đối với nước thải sinh hoạt ở các đô thị của Việt Nam trên mô hình PN và mô hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy quy mô phòng thí nghiệm. 4. Cơ sở khoa học của luận án - Xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ Anammox dựa trên cơ sở kết hợp quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình Anammox: Quá trình nitrit hoá bán phần với sự có mặt của vi khuẩn Nitrosomonas, oxi hoá một phần amoni thành nitrit. Tiếp sau đó là quá trình Anammox, amoni được oxi hoá trong điều kiện kỵ khí với nitrit là chất nhận điện tử và tạo thành nitơ phân tử với sự tham gia của vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes. - Dựa trên nguyên lý vi sinh vật sinh trưởng dính bám, việc sử dụng giá thể mang trong quá trình xử lý làm tăng mật độ vi khuẩn trên bề mặt và tăng cường hiệu quả xử lý. - Dựa trên cơ sở các phương trình của mô hình động học cơ bản (mô hình động học bậc 1, mô hình động học bậc 2 Grau và mô hình Stover Kincannon) đã được dựa trên cơ chế chuyển hoá sinh học các chất trong nước thải.