Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

DANH MỤC KÝ HIỆU/CHỮ VIẾT TẮT 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

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

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

Tác giả luận án

Trịnh Xuân Đức

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

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

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

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

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

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

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

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

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 3.1 Phát triển mật độ vi sinh 78

Biểu đồ 3.2 Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc giữa 1 r và 1 S 83

Biểu đồ 3.2a Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc giữa r và Sra 85

Biểu đồ 3.3 Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính giữa 0 r x S S   và 1S 89

Biểu đồ 3.4 Mối quan hệ giữa nồng độ N-NH4+đầu vào với k và Ks 90

Biểu đồ 3.5 Phụ thuộc tuyến tính giữa c 1  và vX 92su 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

DANH MỤC KÝ HIỆU/CHỮ VIẾT TẮT

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

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

DHK Automatic gravity sand filter Bể lọc cát tự rửa

DHY Biofilm spongy Carier Vật liệu mang vi sinh dạng xốp

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

động MCL Maximum Contaminant Levels Nồng độ cho phép tối đa MLSS Mixed Liquid Suspended Solids Chất rắn lơ lửng dạng lỏng hỗn

hợp

Sharon Single reactor High activity

Ammonium Removal Over Nitrite

Bể đơn xử lý amoni hoạt tính cao

qua nitrit SRT Sludge Retention Time Thời gian lưu bùn

TAN Total ammonium nitrogen Tổng nitơ amoni

THM Trihalogenmethane Hợp chất hữu cơ nhóm

halogen-metan

TSS Turbidity Suspendid Solids Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng WHO World Health Organisation Tổ chức y tế thế giới

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

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

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

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

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

+ 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

- 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

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]

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 (NH4+) 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

Hình 1.1 Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực Hà Nội [2]

nguồn nước thải từ hệ thống vệ sinh không qua xử lý, chủ yếu là N-NH4+ Ngoài ra,

nó còn có thể có nguồn gốc tự sinh, tức là sẵn có ngay tại nguồn mà không do từ nơi khác xâm nhập vào (Ví dụ: khu vực Văn Điển có tầng trên sạch, tầng dưới lại tồn tại NH4+) Có nghĩa là không phải do ngấm từ trên xuống hoặc nơi khác mang đến vì nếu ngấm từ trên xuống thì bản thân tầng trên phải bị nhiễm bẩn trước mà do

từ quá trình trầm tích nguyên thủy đã có sự phân hủy hợp chất hữu cơ tại chỗ [3]

Nguồn nước ngầm được khai thác để cung cấp nước khu vực Hà Nội chủ yếu là nguồn nước trong tầng trầm tích bở rời thuộc hai tầng chứa nước lỗ hổng Holocen (qh) và tầng Pleistocen (qp), hai tầng chứa này có đặc điểm về địa chất là tầng trầm tích có cấu tạo bở rời, đặc điểm về ĐCTV là chúng có quan hệ thủy lực chặt chẽ với nước mặt (Sông ngòi, ao hồ) và thông qua các cửa sổ ĐCTV Từ đặc điểm về địa chất và ĐCTV của tầng chứa chúng ta có thể thấy những yếu tố bất lợi, tạo điều kiện cho sự xâm nhập của các chất ô nhiễm vào tầng chứa nước

1.1.3 Tác hại của amoni trong nước sinh hoạt

Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với con người

- Các hợp chất chứa nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, nitrit, nitrat và amoni Amoni thực ra không quá độc đối với con người Ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxi Nhưng khi khai thác lên, vi sinh vật trong nước nhờ oxi trong không khí chuyển amoni thành các nitrit (NO2),

và nitrat (NO3-) tích tụ trong nước ăn Các hợp chất chứa nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho cơ thể người sử dụng nước

Trong những thập niên gần đây, nồng độ NO3- trong nước uống tăng lên đáng kể Nguyên nhân là do việc sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rò rỉ NO3xuống nước ngầm Hàm lượng NO3- trong nước uống tăng gây ra nguy cơ về sức khỏe đối với cộng đồng Bản thân NO3- không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiên

NO3- chuyển thành NO2- và gây độc NO2- ảnh hưởng đến sức khỏe với hai khả năng sau: chứng máu Methaemo-globin và bệnh ung thư

- Chứng máu Methaemo-globinaemia: Đây là hội chứng xanh xao trẻ em Methemo-globin hình thành là do sắt hoá trị 2 của hemoglobin (trong hồng cầu bình thường) bị ô xi hoá thành sắt hoá trị 3 tạo thành methemo-globin không còn khả năng vận chuyển oxy nữa dẫn đến hiện tượng thiếu ô xi trong máu và gây ra

tình trạng tím tái

Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ hoặc qua nước dùng

để pha sữa Sau khi đi vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột, ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Các nitrit tác động lên huyết sắc tố Hemoglobin (Hb) có nhiệm vụ vận chuyển oxy, biến nó thành Methamoglobin (Met-Hb) không có khả năng chuyển được oxy Nhờ hệ men đặc biệt Met-Hb có thể chuyển thành Oxy-Hemoglobin (Oxy-Hb) Ở trẻ nhỏ, Met-Hb không thể chuyển thành Oxy-Hb vì ở trẻ sơ sinh hệ men cần thiết chưa phát triển đầy đủ Ở trẻ sơ sinh, nước dạ dày ít, các khuẩn tạo ra nhiều nitrit Mặt khác, dạ dày trẻ em sơ sinh kém axit nên không ngăn cản được nitrat chuyển hóa thành nitrit Kết quả là một lượng lớn nitrit chiếm lấy huyết sắc tố và biến thành Met-Hb, mất khả năng vận chuyển oxy đến mô, làm trẻ xanh xao, bệnh tật, ốm yếu, thiếu máu, khó thở do thiếu oxy tổng máu (bệnh Blue Babay) Đến một giai đoạn nào đó khi nhiễm amoni nặng sẽ gây ngộp thở và tử vong nếu không cấp cứu kịp thời [55]

Tổ chức Y tế thế giới (WHO) cũng như các tiêu chuẩn của Bộ Y tế Việt Nam đã đề ra mức giới hạn 3 và 50mg/L đối với nitrit và nitrat tương ứng nhằm ngăn ngừa bệnh mất sắc tố máu (methaemoglobinaemia) đặc biệt đối với trẻ sơ sinh dưới 3 tháng tuổi [58]

- Bệnh ung thư: Đối với người lớn, NO2- kết hợp với các amin và axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất Nitrosamin hay Nitrosamit Các hợp chất này có thế gây tổn thương di truyền tế bào, đột biến gien là nguyên nhân gây bệnh ung thư Những thí nghiệm cho NO2- vào thức ăn, nước uống của chuột thỏ với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau một thời gian thấy những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng và dạ dầy của chúng

Tác hại của các hợp chất chứa Nito đối với sản xuất

Amoni có mặt trong nước ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng bằng clo, do nó phản ứng với clo để tạo thành các cloramin, có tác dụng sát khuẩn yếu hơn nhiều so với clo (khoảng 1000 lần) Ngoài ra, nó còn làm giảm khả năng xử lý sắt, mangan bằng công nghệ truyền thống [11]

Amoni là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho các vi sinh vật nước, kể cả

tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thương phẩm, đặc biệt là

độ trong, mùi, vị trong nước

1.1.4 Hiện trạng sử dụng nước ngầm thành phố Hà Nội

Hiện nay tổng công suất cấp nước tập trung của hệ thống cấp nước đô thị Hà Nội năm 2014 đạt trung bình khoảng trên 994.637 m3/ngđ, trong đó công suất khai thác nước ngầm chiếm khoảng 77% còn lại là nguồn nước mặt [6]

Bảng 1.1 Hiện trạng công suất khai thác nước mặt và nước ngầm [6]

- Toàn bộ thành phố Hà nội với dân số khoảng trên 7 triệu người [1] bao gồm cả dân số đô thị và nông thôn Tỷ lệ được cấp nước sạch đến năm 2014 đạt 60% với khoảng 4,2 triệu người được sử dụng nước sạch

- Tổng cộng hiện nay đang cấp nước cho Thành phố Hà nội 994.637 m3/ngđ trong đó nước ngầm là 764.637 m3/ngđ chiếm khoảng 77% Riêng sản lượng khai thác nước ngầm cung cấp cho khoảng 3,2 triệu người dân chủ yếu cho khu vực nội thành cũ

- Khu vực phía Nam thành phố là nơi tập trung khai thác nước ngầm lớn nhất chiếm đến 77% sản lượng khai thác, khu vực phía Bắc chiếm 15,3%, trong khi

cả khu vực nông thôn rộng lớn chỉ khai thác có 5,2%, còn lại các riếng nhỏ lẻ là 2,5%

Ngoại trừ nhà máy nước sông Đà sử dụng nguồn nước mặt, còn lại các nhà máy và trạm cấp nước của Hà Nội đều sử dụng nguồn nước ngầm Nước thô khai thác từ các giếng khoan và được bơm tập trung về các nhà máy xử lý làm sạch Các

3 /ngđ) Công suất thiết kế Công suất khai thác

I Khu vực phía Bắc sông Hồng 128.000 117.170

II Khu vực phía Nam sông Hồng 541.500 559.467

nhà máy xử lý nước ngầm ở Hà Nội có dây chuyền công nghệ xử lý cơ bản như sau:

Nước thô giếng khoan  Làm thoáng  Lắng tiếp xúc  Lọc nhanh  Khử trùng bằng Clo  Bể chứa  Trạm bơm tăng áp  Mạng lưới tiêu thụ

Cơ bản các nhà máy xử lý nước đã xử lý triệt để sắt, mangan đảm bảo đạt tiêu chuẩn nước sử dụng cho ăn uống và sinh hoạt, ngoại trừ chỉ tiêu amoni còn một số nhà máy chưa đạt tiêu chuẩn

Bảng 1.2 Chất lượng nước trước và sau xử lý của các NMN ngầm do công ty nước

Tính đến thời điểm năm 2014, tình trạng ô nhiễm này vẫn chưa được khắc phục, mặc dù đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu và thử nghiệm của các

chuyên gia tại các nhà máy nước nhưng chưa có một đề xuất hữu hiệu và phù hợp

cho vấn đề này, và khu vực này đã trở thành những điểm nóng về amoni

Do sử dụng dây chuyền xử lý thông thường được áp dụng với cả Hà Nội,

không có hạng mục xử lý amoni nên hàm lượng amoni sau xử lý chỉ giảm khoảng

10-20% Với tổng công suất của 3 NMN nêu trên đang khai thác 69.000 m3/ngđ thì

có khoảng 460.000 người đang sử dụng nước có nhiễm amoni vượt quá tiêu chuẩn cho phép

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 [10]

Như vậy, tại các NMN Hà Đông cơ sở 1 và cơ sở 2, chất lượng nước đầu ra

sau quá trình xử lý nước ngầm cũng chưa đạt tiêu chuẩn, có những thời điểm lượng

amoni trong nước cấp lớn hơn 10 mg/L

Tổng công suất từ NMN Hà Đông cơ sở 1, cơ sở 2 là 52.000 m3/ngđ và tổng

công suất NMN Sơn Tây là 18.000 m3/ngđ thì có khoảng 460.000 số người sử dụng

nước bị nhiễm amoni

Tổng hợp chất lượng nước sau xử lý của các trạm cấp nước nông thôn cho

thấy trong số 73 trạm hoạt động thì có đến 43 trạm có chỉ tiêu amoni không đạt yêu

cầu, 47 trạm có chỉ số độ ô xy hóa vượt quá triêu chuẩn cho phép do các trạm này

được xây dựng theo công nghệ cũ nên công trình cũng chỉ xử lý được sắt, mangan

Cụ thể, chỉ tiêu amoni các trạm ở các khu vực như: Thanh Trì (29 trạm); Phú

Xuyên (2 trạm); Thanh Oai (2 trạm); Ứng Hòa (6 trạm) và một vài khu vực khác

[10]

1.1.5 Đặc trưng chất lượng nước ngầm và hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm khu vực Hà Nội

pH: Kết quả khảo sát thực tế cho thấy, pH nước ngầm ở Hà Nội đều có giá

trị từ 6,6-6,8 giá trị này sẽ tăng lên dao động từ 7,3-7,6 sau khi qua dây chuyền xử

lý nước sắt đây là điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn nitrifier phát triển [23]

Nhiệt độ: Nhiệt độ nước ngầm ở Hà Nội, trong 17 năm gần đây nhiệt độ

tăng từ 27,43ºC lên 27,83ºC (tăng 0,4ºC) Khoảng nhiệt độ này là tương đối tối ưu

cho quá trình xử lý amoni

3 <amoni < 10 mg/L, phải thêm quá trình khử nitrat khi nồng độ > 10 mg/L Theo kết quả tổng hợp trong bảng 1.4 có thể chia làm 3 vùng như sau:

- Vùng 1: Trong hình 1.2 thể

hiện mầu trắng, nồng độ amoni < 3

mg/L và bao gồm các NMN cụ thể sau:

Mai Dịch, Ngô Sĩ Liên, Đông Anh,

Ngọc Hà, Bắc Thăng Long, Yên Phụ,

Cáo Đỉnh, Lương Yên, Gia Lâm, Thụy

hiện mầu đỏ, nồng độ amoni > 10

mg/L và bao gồm các nhà máy nước cụ thể sau: Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai,

Cở sở 1và cơ sở 2 Hà Đông

- Bảng 1.4 thể hiện được sự ổn định của amoni nước ngầm theo vùng số liệu

5 năm gần đây cho thấy hầu như không có sự biến động tăng hay giảm đáng kể nào

và cũng cho thấy có sự biến động về nồng độ amoni trong năm, nồng độ amoni tăng lên trong các tháng mùa khô từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm sau khoảng 15-20%, và nồng độ amoni giảm vào các tháng mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 Điều này chứng tỏ khi mùa mưa lượng nước bổ cập cho nước ngầm nhiều hơn đã làm giảm nồng độ amoni trong tầng chứa nước ngầm Đây là vấn đề cần quan tâm cho các nhà thiết kế khi cần phải lấy được mẫu nước tại các thời điểm bất lợi nhất làm số liệu đầu vào tính toán công trình bể xử lý

Độ oxy hóa: Kết quả khảo sát cho thấy độ oxi hóa có sự quan hệ với nồng

độ ô nhiễm amoni có nghĩa là khi ô nhiễm amoni tăng thì độ ô xi hóa cũng tăng Giá trị độ ô xi hóa đo được trong nước ngầm Hà Nội dao động trong khoảng từ 2-

12 mgO2/L

Độ kiềm: Độ kiềm là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong quá trình xử

lý amoni vì vi khuẩn tự dưỡng nitrifier (Nitrosomonas và Nitrobacter) sử dụng

Hình 1.2 Bản đồ phân bố amoni

thành phố Hà Nội [10]

nguồn cacbon vô cơ (HCO-3 và CO2) để xây dựng tế bào theo tỉ lệ khoảng 1:7 (Muốn xử lý 1 mg amoni thì cần phải có 7,14 mg kiềm làm cơ chất) [26]

Độ kiềm ở các vùng của Hà Nội có chỉ số cao và ổn định tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý nitrat hóa Giá trị của độ kiềm dao động từ 100 đến 300 mg(CaCO3)/L và có xu thế tăng theo nồng độ ô nhiễm amoni

Hàm lượng Phốt pho: Phốt pho trong nước ngầm mang ý nghĩa hài hòa khi

xây dựng tế bào của các vi sinh trong quá trình xử lý amoni Giá trị của hàm lượng phốt pho trong nước ngầm Hà Nội dao động từ 0,5-1,5 mg/L

1.2 Các phương pháp xử lý amoni

Amoni có công thức hóa học là NH4+ là chất không độc tồn tại trong nước ngầm Khi được khai thác lên, tiếp xúc với oxychuyển hóa thành nitrit và nitrat là những chất có thể gây nguy hại cho sức khỏe con người vì vậy cần phải có các biện pháp tách loại amoni ra khỏi nước ngầm

1.2.1 Xử lý amoni bằng chất oxy hoá

Trong nước thiên nhiên, amoni có thể xử lý được nhờ phản ứng oxy hoá giữa NH4+ và Cl2 Khi cho clo vào nước, sẽ xảy ra các phản ứng sau:

NH3 + Cl2 NH2Cl + HCl (1-1)

NH2Cl + Cl2 NHCl2 + HCl (1-2) NHCl2 + Cl2 NCl3 + HCl (1-3) NCl3 + 2H2O  NO2- + 4H+ + 3Cl- (1-4)

Để oxy hoá 1 mg/Lamoni theo phương trình (1-7) cần 16,7 mg/L Clo, theo phương trình (1-8) cần 6,3 mg/L Clo Kinh nghiệm thực tế cho thấy để oxy hoá 1 mg/L amoni cần khoảng 10 mg/L Clo

Hình 1.3 Tương quan giữa clo dư và lượng

clo cho vào nước để xử lý amoni

Phương pháp xử lý amoni bằng clo có phạm vi ứng dụng rất hẹp Do liều lượng clo dùng để oxy hoá amoni rất cao, gấp 10 lần, nên liều lượng clo cho vào nước để xử lý amoni thường rất lớn, dễ gây nên các quá trình ăn mòn công trình, ô nhiễm môi trường, gây độc hại cho công nhân vận hành Phương pháp này thường chỉ áp dụng để xử lý các nguồn

nước có hàm lượng amoni thấp từ

0,5-1 mg/L Mặt khác, việc giám sát

và kiểm soát quá trình xử lý này

tương đối khó khăn do phản ứng

oxy hoá xử lý amoni bằng clo chỉ

xảy ra triệt để tại điểm gãy “Break

point” (Hình 1.3) Trước và sau

điểm gãy P “Break point” đều tạo

nên một lượng clo dư thừa nguy

hiểm Việc định lượng clo vào nước

đòi hỏi độ chính xác cao và được

giám sát nghiêm ngặt

Saunier (1976) [41] đã nghiên cứu động học của phản ứng giữa clo và amoni thấy rằng hiệu quả xử lý amoni của phương pháp này phụ thuộc rất lớn vào pH, nhiệt độ và dạng tồn tại của amoni trong nguồn nước

Phương pháp này ngoài việc không thích hợp với nguồn nước có hàm lượng amoni cao, còn không thích hợp đối với nguồn nước có độ nhiễm bẩn hữu cơ cao Tại các nguồn nước có độ nhiễm bẩn hữu cơ cao, clo dư sẽ tác dụng với các hợp chất hữu cơ để tạo thành các hợp chất clo hữu cơ mới (halogen metan) có tính độc hại hơn rất nhiều so với amoni [33,35].Một số các chất ôxy hoá mạnh khác như ôzon O3, clodioxyt ClO2, kali permanganat KMnO4 không có hiệu quả trong việc

xử lý amoni [42,43]

Hình 1.4 Tương quan giữa ion amoni và

khí amoniac tại các giá trị pH và nhiệt độ [35]

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của hiệu quả xử lý

amoniac vào tỷ lệ nước - không khí tại các

nhiệt độ nước khác nhau

1.2.2 Xử lý amoni bằng kiềm hoá và làm thoáng

Trong môi trường nước, amoni thường tồn tại dưới dạng ion NH4+ hoà tan

do nguồn nước phần nhiều có môi truờng pH trung tính Khi thay đổi nâng môi

trưòng pH lên cao hơn 10, amoni

chuyển từ thể dạng ion hoà tan NH4+

thành khí hoà tan trong nước NH3

Quá trình xử lý amoni có thể thực

hiện bằng phương pháp kiềm hoá

nâng pH lên trên 10, rồi làm thoáng

để đuổi khí NH3 hoà tan ra khỏi

nước Hình 1.4 thể hiện biểu đồ

tương quan giữa ion amoni và khí

amoniac tại các giá trị pH và nhiệt

độ khác nhau của nước [40,45]

Phương pháp xử lý amoni bằng kiềm hoá và làm thoáng có nhiều nhược

điểm Trước hết phải dùng một

lượng lớn vôi hoặc xút để nâng pH,

sau đó lại phải dùng axít để hạ pH

xuống môi trường trung tính Đặc

biệt, khi nguồn nước có độ cứng cao,

trước hết phải thực hiện quá trình

khử độ cứng cacbonat Hiệu quả xử

lý amonicủa phương pháp này phụ

thuộc rất lớn vào nhiệt độ nước và tỷ

lệ giữa lưu lượng không khí làm

thoáng và nước Lượng không khí

dùng để làm thoáng rất cao, tới 2000-3700 m3 không khí cho 1 m3 nước cần xử lý ở

nhiệt độ 200C [42, 43, 45] Hình 1.5 thể hiện sự phụ thuộc giữa hiệu quả xử lý

amoni vào nhiệt độ nước cũng như vào tỷ lệ giữa nước và lưu lượng không khí

dùng để đuổi khí amoniăc ra khỏi nước Trên quan điểm môi truờng thì đây là một

quá trình chuyển sự nhiễm bẩn amoni trong nước vào không khí

1.2.3 Xử lý amoni bằng trao đổi ion

Phương pháp xử lý amoni và các hợp chất khác của nitơ bằng trao đổi ion đã được nhiều tác giả nghiên cứu [6, 30, 31, 32] Quá trình xử lý amoni có thể thực hiện được bằng phương pháp trao đổi ion với các chất trao đổi ion mạnh Các cation trao đổi chọn lọc theo thứ tự sau:

Fe+++, Al+++, Ba++, Cr++, Ca++, Cu++, Zn++, Mg++, Mn++, NH4+, Na+, H+

Từ dãy trao đổi chọn lọc trên, có thể thấy NH4+ chỉ có thể khử được bằng phương pháp trao đổi ion khi các cation đứng trước nó đã được khử hết Phương pháp này đặc biệt không kinh tế khi độ cứng trong nước cao Phương pháp xử lý amoni bằng trao đổi ion nhìn chung rất tốn kém và ít được áp dụng để xử lý nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt với công suất khai thác công nghiệp

Với phương pháp này cho hiệu quả xử lý rất cao (có thể lên tới 99%) và ổn định, cơ chế xử lý rất đơn giản Tuy nhiên, chu kỳ hoạt động lại phụ thuộc vào hàm lượng amoni đầu vào, hàm lượng càng lớn thì chu kỳ hoạt động ngắn Công ty Cổ phần Xây dựng và Môi trường Việt Nam (VINSE) đã thực hiện một mô hình thực nghiệm xử lý amoni cho nước ngầm (địa điểm: xã Tam Hưng, huyện Thanh Oai -

Hà Nội) với hàm lượng amoni đầu vào là 12 mg/L bằng vật liệu hấp phụ Zeolit, cho kết quả amoni đầu ra rất tốt, đạt 0,12 mg/L; chu kỳ hoạt động sau hoàn nguyên

là 36 giờ (hiệu quả hoàn nguyên đạt 70 – 80%), lượng muối cần thiết là 360 kg/m3

vật liệu zeolit/lần Như vậy chi phí cho 1 lần hoàn nguyên rất lớn, khoảng 1,5 triệu đồng/m3 vật liệu Giá thành xử lý nước lên tới 15.000 đồng cho một mét khối, cao hơn gần 2 lần so với giá nước sạch tại Hà Nội bình quân 8.300 đồng/m3 Với chi phí này hoàn toàn không phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta [20]

1.2.4 Xử lý amoni bằng thực vật

Là quá trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ thành các thành phần của sinh khối (thực vật và vi sinh vật) Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực vật hay đồng hóa của vi sinh vật

Các loại thực vật thường được sử dụng để xử lý amoni như: cây thủy trúc, bèo tấm, dương xỉ, Tuy nhiên, phương pháp này cần có thời gian dài, diện tích sử dụng đất lớn và chỉ phù hợp với quy mô xử lý cho các lưu vực bị ô nhiễm [11]

1.2.5 Quá trình ANAMMOX

(Anaerobic Ammonium Oxidation)

Anammox [37, 40] là quá trình

oxy hóa amoni yếm khí trong đó amoni

và nitrit được oxy hóa một cách trực tiếp

thành khí N2, với amoni là chất cho điện

tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo

sử dụng cho quá trình khử nitrit tiếp theo

Anammox là một công nghệ mới được phát triển trong những năm gần đây

Nó không cần bất cứ một nguồn cacbon hữu cơ nào để loại bỏ nitơ, vì vậy nó đem lại lợi ích về kinh tế và mang lại nhiều tiềm năng cho xử lý nước có chứa amoni nhưng hàm lượng hữu cơ thấp Trong quá trình anammox tỷ lệ hàm lượng giữa nitrit và amoni đầu vào là khoảng 1,3 và cần nguồn cacbon vô cơ, vì vậy phải bổ sung HCO3-

Sự kết hợp hai quá trình nitrat hóa bán phần và quá trình anammox, thì trên thực tế nitrit là hợp chất trung gian trong cả hai quá trình Vì vậy nitrit hóa bán phần rất thuận tiện và kinh tế, theo sau đó là quá trình anammox đảm bảo loại bỏ toàn bộ nitơ thông qua một quá trình hoàn toàn tự dưỡng

Tuy nhiên quá trình anammox khó áp dụng cho việc xử lý nước trong thực tế Một trở ngại chính để ứng dụng quá trình anammox là đòi hỏi một giai đoạn bắt đầu lâu dài, chủ yếu là do tốc độ sinh trưởng chậm của vi khuẩn anammox (thời

Hình 1.6 Quá trình ANAMMOX

gian nhân đôi là khoảng 11 ngày) Thêm vào đó, vi khuẩn anammox là vi khuẩn yếm khí và tự dưỡng hoàn toàn nên chúng khó nuôi cấy Vì vậy chúng chưa được phân lập trong môi trường nuôi cấy sạch Do đó, việc am hiểu về sinh lý học và động lực học của vi khuẩn anammox đem lại một ý nghĩa lớn

1.2.6 Quá trình SHARON (Single

reactor High activity Ammonium

Removal Over Nitrite)

Quá trình SHARON [36, 37] liên

quan đến quá trình nitrat hóa một phần,

sản phẩm chính của quá trình là nitrit, và

được kiểm soát trong một điều kiện khắc

nghiệt Quá trình này giúp giảm chi phí cho quá trình hiếu khí, quá trình SHARON thích hợp cho nguồn nước có nồng độ nitơ amoni cao, và đó đạt được những thành công bước đầu trong việc nitrat hóa/khử nitrat, với nitrit đóng vai trò là chất trung gian trong điều kiện ổn định Quá trình SHARON được thực hiện mà không có bất

kỳ một sự lưu trữ sinh khối nào Điều này có nghĩa là thời gian lưu bùn (SRT) cân bằng với thời gian lưu thủy lực (HRT) Trong quá trình SHARON, amoni được chuyển hóa thành nitrit bởi các vi khuẩn oxy hóa amoni trong điều kiện không lưu trữ bùn, với nhiệt độ 30 - 400C và pH = 7-8 Bể phản ứng được vận hành theo chu

kỳ 2 giờ là 80 phút hiếu khí (nitrit hóa) và 40 phút kị khí (khử nitrit)

1.2.7 Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học truyền thống

Khác với các phương pháp trên ít được áp dụng trong thực tế, xử lý amoni bằng sinh học truyền thống là phương pháp thông dụng, được áp dụng để xử lý hầu hết các nguồn nước nhiễm amoni

Quá trình Nitrat hóa

Thuật ngữ “quá trình nitrat hóa” thường được áp dụng cho quá trình oxy hóa sinh học của amoni (amoni được đề cập ở đây bao gồm cả dạng phân ly và không phân ly) thành nitrit và quá trình oxy hóa hơn nữa của nitrit thành nitrat

Các vi khuẩn tự dưỡng (autotrophic) hoạt động trong môi trường hiếu khí Các chất cần thiết cho sự phát triển của vi khuẩn xử lý amoni là nguồn cacbon có từ các ion bicacbonat HCO3- trong nước, oxy hoà tan và phốt pho

Hình 1.7 Quá trình SHARON

Vi khuẩn nitrat hóa được chia thành hai nhóm vi khuẩn có chức năng khác nhau không phụ thuộc vào môi trường nuôi cấy Trong tự nhiên, chúng sống trong một quần thể, trong môi trường nuôi cấy, chúng có xu hướng định cư trên bề mặt

và phát triển thành cụm Nhóm đầu tiên oxy hóa amoni thành nitrit là nhóm vi khuẩn nitrit hóa, nhóm thứ hai là nhóm oxy hóa nitrit thành nitrat là nhóm vi khuẩn nitrat hóa

Trong số các loài được phân lập từ nhóm vi khuẩn nitrit hóa thì

Nitrosomonas là phổ biến nhất, tương tự nhóm vi khuẩn nitrat được phân lập thì Nitrobacter là phổ biến nhất Cả hai đều là vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng tức là chúng

tự tổng hợp tế bào bằng cacbon từ hợp chất vô cơ (như CO2, HCO3-)

Phản ứng xử lý amoni bằng sinh học (nitrification) được chia làm hai giai đoạn:

Giai đoạn nitrit hoá: Trong giai đoạn này amoni được oxy hóa thành nitrit

NO2- bởi vi khuẩn có tên là Nitrosomonas:

55 NH4+ + 5 CO2 + 76 O2 C5H7O2N + 54 NO2- + 52 H2O + 109 H+ (1-10)

Giai đoạn nitrat hoá: Đây là giai đoạn oxy hoá nitrit NO2- thành nitrat NO3

-bởi loại vi khuẩn Nitrobacter

NH4+ + 400 NO2- + 5 CO2 + 195 O2 + 2H2O  C5H7O2N + 400 NO3- + H+ (1-11)

Quá trình nitrification bởi các vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter có thể

viết viết dạng công thức tổng quát sau:

NH4+ +1,98HCO3- +1,83O2 0,021C5H7O2N + 0,98NO3- +1,041H2O +1,88H2CO3

(1-12) (Trong đó C5H7O2N là công thức hoá học của tế bào vi khuẩn)

Từ hai phương trình trên, cho thấy oxy là một thông số quyết định quá trình

xử lý amoni bằng sinh học và qua quá trình xử lý sinh học, nguồn nước bị axít hoá làm pH giảm Lượng ô xy cần thiết là 4,57g O2 cho 1g N-NH4+ được nitrat hóa

Trong quá trình nitrat hóa, một phần năng lượng (80%) được giải phóng bởi quá trình oxy hóa amoni thành nitrit sử dụng để cố định CO2, một phần khác được

sử dụng để tổng hợp tế bào (2 - 11% cho vi sinh vật Nitrobacter) [11, 14, 34] và

phần còn lại là một dạng của lưu trữ lại Điều này giải thích lý do vì sao hiệu suất sinh khối của quá trình nitrat hóa nhỏ Tuy hàm lượng nitơ trong tế bào cao tới khoảng 12% của khối lượng khô (tính theo protein thô là khoảng 72%) nhưng do mật độ của vi sinh thấp, tốc độ sinh sản chậm nên sự suy giảm amoni trong nước do hình thành tế bào không đáng kể Hiệu suất sinh khối tối đa của vi khuẩn nitrat hóa cho tổng quá trình nitrat hóa là 0,1 - 0,15 g SK/ gN-NH4+so với giá trị 0,6 - 0,7 đối với vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng [26]

Bảng 1.5 Thông số động học đặc trưng của vi sinh vật tự dưỡng trong quá trình

Quá trình xử lýamoni bằng phương pháp sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như lượng oxy hoà tan, pH, độ kiềm, cấu tạo các thông số kỹ thuật của công trình, nhiệt độ nước

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Mặc dù có thể phát triển trong vùng nhiệt độ 4 - 500C, nhưng khoảng nhiệt

độ tối ưu cho vi sinh Nitrifier phát triển là vùng 30 - 360C Tốc độ phát triển riêng cực đại của Nitrifier phụ thuộc vào nhiệt độ theo nhiều nghiên cứu được thống kê trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Sự phụ thuộc của μm vào nhiệt độ theo nhiều kết quả nghiên cứu [23,24]

Downing & Hopwood(1964) 0 , 116 15

18 ,

10 50 ,

127 , 1 33 ,

Painter &Loveless (1983) 0 , 0729 15

18 ,

Ảnh hưởng của pH

Sự phụ thuộc của tốc độ sinh trưởng vào pH của môi trường đã được nhiều tác giả nghiên cứu rất kỹ, quá trình nitrat hóa xảy ra trong môi trường kiềm nhẹ (pH 7,2 – 9,0), pH tối ưu nằm trong một khoảng khá rộng xung quanh (pH 7,6 – 8,6) Dưới giá trị tối ưu, tốc độ nitrat hóa giảm nhanh và dừng hẳn ở pH < 5 hoặc

pH > 10 Tốc độ nitrat hóa tại pH = 7 chỉ bằng 50% so với nó tại pH =8 Có nghiên cứu cho thấy trong khoảng pH 7,2 – 8,0, tác động của pH lên tốc độ nitrat hóa không nhiều, dưới pH 7,2 thì tốc độ giảm tuyến tính cùng với pH Cũng có kết quả nghiên cứu cho biết, quá trình nitrat hóa xảy ra thuận lợi trong vùng pH 7,0 – 9,4, dừng hẳn tại pH = 6,3

Oxy

Về hình thức thì các yếu tố ức chế có tác động làm giảm tốc độ phát triển riêng của vi sinh (μ) hoặc làm tăng Chỉ số bán bão hòa (KN) trong phương trình (1-13) So sánh với vi sinh dị dưỡng, tốc độ phát triển riêng của vi sinh tự dưỡng thấp hơn vài lần, Chỉ số bán bão hòa cũng nhỏ hơn rất nhiều Hai đặc trưng trên chứng

tỏ “sự yếu thế” của vi sinh tự dưỡng khi phải cùng tồn tại trong một môi trường với

vi sinh dị dưỡng Nguồn cơ chất mà cả hai loại vi sinh sử dụng là oxy

Giá trị KDO của vi sinh tự dưỡng cao hơn so với của vi sinh dị dưỡng mang ý nghĩa là khi nồng độ oxy giảm thì thành phần

K DO DO

 trong phương trình (1-13)

sẽ giảm nhanh hơn cho trường hợp của vi sinh tự dưỡng, đồng nghĩa với mức độ chịu tác động tiêu cực mạnh hơn của vi sinh tự dưỡng khi nồng độ oxy giảm Kết quả nghiên cứu cho thấy, nồng độ oxy hòa tan cao hơn 2 mg/L không có tác dụng thúc đẩy thêm sự phát triển của vi sinh tự dưỡng, nhưng nếu thấp hơn 0,5 mg/L thì gây ra mức độ sụt giảm rất mạnh Ảnh hưởng của nồng độ oxy tan lên sự phát triển của vi sinh còn phụ thuộc vào nhiệt độ: với mức 1,0 mg/L, tốc độ phát triển của vi sinh thấp hơn so với tốc độ phát triển ở mức bão hòa oxy; cũng tại 1,0 mg/L tốc độ phát triển của vi sinh chỉ đạt 79, 80, 70 và 58% tại các nhiệt độ 20, 23,7, 29 và

350C so với tại mức bão hòa [23]

Nhìn chung, ảnh hưởng của oxy lên tốc độ phát triển của vi sinh tuân theo mối tương quan (1-13), giá trị KDO theo khuyến cáo của nhóm mô hình hóa của tổ chức hiệp hội quốc tế nghiên cứu và kiểm soát ô nhiễm nước là 1,0 mg/L Các kết quả nghiên cứu khác đưa ra những giá trị khác nhau khá lớn, nằm trong khoảng 0,15 – 2,0 mg/L và tăng theo nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự phát triển của

vi khuẩn oxy hóa amoni (Nitrosomonas) và oxy hóa nitrit (Nitrobacter) cũng khác

nhau thể hiện ở giá trị KDO Giá trị KDO đối với Nitrosomonas nằm trong khoảng 0,3 – 0,5 mg/L, trong khi đối với Nitrobacter 0,72 – 0,84 mg/L, đối với bùn hoạt

tính (cả hai loại trên) thì có tác giả đề nghị 0,45 – 0,56 và tác giả khác đề nghị 2,0 mg/L [23, 24]

So với Nitrosomonas,Nitrobacter dễ nhạy cảm với oxy hơn: ngừng hoạt

động với mức 0,5 mg/L và cũng bị ức chế trong trường hợp nồng độ oxy cao [48]

Thời gian lưu tế bào dài là điều kiện cho quá trình nitrat hóa xảy ra trong điều kiện hoạt động với nồng độ oxy thấp Trong kỹ thuật bùn hoạt tính, nồng độ oxy tan trong vận hành được duy trì trong khoảng 0,5 - 2,5 mg/L để thực hiện nitrat hóa, phụ thuộc vào thời gian lưu tế bào, tải lượng hữu cơ và đặc trưng của tập hợp keo tụ

Động học quá trình nitrat hóa

Oxy hóa amoni gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của cả quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn Tuy hiệu suất sinh khối

của Nitrosomonas cao hơn so với của Nitrobacter nhưng tốc độ phát triển của

Nitrosomonas chậm hơn so với Nitrobacter và vì vậy nồng độ nitrit thường rất thấp

trong giai đoạn ổn định, chứng tỏ giai đoạn oxy hóa từ amoni thành nitrit là bước

quyết định tốc độ phản ứng oxy hóa đối với một hệ xử lý hoạt động bình thường

Vì lý do đó, trong khi tính toán theo mô hình động học người ta chỉ sử dụng các

thông số liên quan đến loại vi sinh Nitrosomonas đặc trưng cho quá trình oxy hóa

Tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng không những phụ thuộc vào nhu cầu đối với thức ăn hay cơ chất (N,O) mà còn phụ thuộc vào các yếu tố vận hành khác như nhiệt độ, pH và các yếu tố ức chế khác trong quá trình xử lý Tuy nhiên, khi nghiên cứu về xử lý nước ngầm, các yếu tố môi trường thường khá ổn định, trong khoảng phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, phương trình động học không xét đến ảnh hưởng của các yếu tố đó

Hai yếu tố (cơ chất) có ảnh hưởng quan trọng đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh tự dưỡng là nồng độ amoni và oxy hòa tan, chúng tác động lên tốc độ sinh trưởng của vi sinh theo dạng quy luật hàm Monod [55]:

N

N m

K DO

DO K

S

S

DO : Nồng độ oxy hòa tan,

KN, KDO: Chỉ số bán bão hòa của amoni và của oxy

Trong phương trình (1-13) chứa ba thông số động học: m, KN và KDO Giá trị của cả KN và KDO thu được từ thực nghiệm biến động trong khoảng rộng: KDO

nằm trong khoảng 0,15 – 2,0 mg O2/l, KN từ 0,256 – 1,84 mg NH4 N/l [25]

Đại lượng thời gian lưu tế bào của vi sinh liên quan trực tiếp với hoạt tính vi sinh (μ hay μ’), hai đại lượng trên tỷ lệ nghịch với nhau Hai đại lượng quan hệ với nhau:

, p c

1k

p p

t c

kk

k.Y

1   

 (1-16)

 – kp là hệ số tốc độ phát triển riêng thực của vi sinh tự dưỡng, kp là hằng

số phân hủy nội sinh Trong thực tế khi thiết kế hệ xử lý, thời gian lưu tế bào được chọn ít nhất gấp đôi giá trị c,t, thông qua giá trị hệ số an toàn F [21,53,54]:

'

.

Y

Xc

' c



Quá trình khử nitrat

Quá trình xử lý nitrat bằng phương pháp sinh học xảy ra nhờ sự hoạt động

của các vi khuẩn tự dưỡng (Autotrophic Bacteria) hoặc vi khuẩn dị dưỡng (Heterotrophic bacteria) Quá trình làm sạch nitrat bằng các vi khuẩn tự dưỡng tuỳ

theo chất cho thêm vào nước là hydro H2 hay lưu huỳnh S sẽ xảy ra theo các phương trình phản ứng sau:

2NO3- + 5H2 4H2O + N2 + 2OH- (1-20) 5S + 6NO3- + 2H2O  3N2 + 5SO42- + 4H+ (1-21) Các vi khuẩn nhận năng lượng cho hoạt động phát triển của các tế bào từ nguồn dinh dưỡng lấy từ các hợp chất chứa cacbon

Trong trường hợp chất dinh dưỡng là rượu ethanol (C2H5OH), phản ứng sinh học khử nitrat xảy ra theo phương trình sau:

12 NO3- + 5 C2H5OH  6 N2 + 10 CO2 + 9 H2O + 12 OH- (1-22) Trong trường hợp dinh dưỡng dùng axit axetic (CH3 COOH), phản ứng sinh học khử nitrat xảy ra theo phương trình:

8 NO3- + 5 CH3 COOH  4 N2 + 10 CO2 + 6 H2O + 8 OH- (1-23) Trong trường hợp dinh dưỡng là chất hữu cơ (C18H19O9N), phản ứng sinh học khử nitrat xảy ra theo phương trình:

Ảnh hưởng của cơ chất

Cơ chất cho quá trình khử nitrat là các chất khử, chất có khả năng nhường điện tử cho nitrat (chất oxy hóa), bao gồm chất hữu cơ và chất vô cơ (hydro, lưu huỳnh, sunfua, 2 