Đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ tuần hoàn nitrat đến hiệu quả xử lỷ ni tơ, photpho đồng thời khi áp dụng công nghệ AAO BAF cho xử lỷ nước thải thủy sản

Tóm tắt: Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giả ảnh hưởng tỉ lệ tuần hoàn đến hiệu quả loại bỏ đồng thời nito và photpho trong nƣớc thải chế biến thủy sản bằng mô hình kết hợp AAO – BAF (Anaerobic Anoxic Aerobic Biological Aerated Filter). Quá trình AAO được vận hành trong thời gian lưu bùn ngắn ở bể hiếu khí thuận lợi cho việc loại bỏ COD, photpho và khử nitrat, bể BAF kế tiếp được vận hành với thời gian lưu bùn dài và được sử dụng chủ yếu cho quá trình nitrat hóa, do đó mà mô hình AAOBAF có thể giải quyết được vấn đề đối nghịch thời gian lưu bùn của vi sinh vật nitrat hóa và vi sinh vật tích lũy photpho (PAOs). Mô hình kết hợp AAOBAF được chế tạo từ mica với thể tích toàn mô hình là 54L, trong đó thể tích AAO là 36L (V kỵ khí: V thiếu khí: V hiếu khí =1:1:2) và thể tích BAF là 18L. Giá thể Kaldnex K3 được đặt nhúng chìm trong bể BAF và thể tích giá thể là 12,6L. Hệ thống kết hợp AAOBAF được vận hành ở một tải trọng hữu cơ có hiệu nsuất xử lý cao là 0,75kgCODm3.ngày với các tỉ lệ tuần hoàn nitrat khác nhau, các tỉ lệ tuần hoàn nitrat là: 100%, 200%, 300% với dòng tuần hoàn bùn từ bể lắng thứ nhất về bể kỵ khí là 100%. Để đánh giá hiệu quả xử lý đồng thời nito và photpho trong hệ thống kết hợp AAOBAF. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong suốt quá trình thí nghiệm, sự thay đổi về tỉ lệ tuần hoàn nitrat không ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD. Hiệu qua xử lý COD luôn được duy trì hơn 80%

PHAN ĐÌNH ĐỒNG

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TỈ LỆ TUẦN HOÀN NITRAT ĐẾN HỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ, PHOTPHO ĐỒNG THỜI KHI ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ AAO -BAF CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

THỦY SẢN EFFECT OF NITRATE RECYCLING RATIO ON

SIMULTANEOUS BIOLOGICAL NUTRIENT REMOVAL IN A NOVEL ANAEROBIC/ANOXIX/OXIC (A2/0)- BIOLOGICAL

AERATED FILTER (BAF) SYSTEM

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, tháng 07 năm 2019

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Viết Hùng

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Lê Thị Kim Oanh

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày

5 tháng 7 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Tấn Phong Chủ Tịch

2 TS Nguyễn Xuân Dương ủy Viên

3 PGS TS Lê Thị Kim Oanh Phản biện 1

4 PGS.TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến Phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành

TP HCM, ngày tháng năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

• • • •

Họ và tên học viên : PHAN ĐÌNH ĐÔNG Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 02/09/1987 Nơi sinh : Hà Tĩnh

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường MSHV :1570558

I TÊN ĐỀ TÀI

“Đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ tuần hoàn Nitrat đến hiệu quả xử lỷ Ni tơ, photpho đồng thời khi áp dụng công nghệ AAO -BAF cho xử lỷ nước thải thủy sản”

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

- Đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ tuần hoàn nitrat đến hiệu suất xử lý N, p có trong nước thải thủy sản bằng công nghệ AAO-B AF

- Thiết lập mô hĩnh nghiên cứu

- Vận hành mô hĩnh nghiên cứu với nước thải CBTS với tỷ lệ tuần hoàn nitrat từ

100% đến 300%

- Trĩnh bày kết quả đạt được

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2019

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2019

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Đặng Viết Hùng

khoa Môi trường và Tài nguyên trường Đại học Bách khoa TP HCM, những người đã dìu dắt tôi tận tình, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi học tập chương trình đào tạo sau đại học

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS TS Đặng Viết Hùng công tác tại trường Đại học Bách khoa TP HCM đã hướng dẫn luận văn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để tôi hoàn thành nhiệm vụ của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên khoa Môi trường và Tài nguyên - khóa 2014-2015 đã hỗ trợ trong suốt quá trình nghiên cứu

Sau cùng, tôi gửi lời cám ơn chân thành đến gia đình và bạn

bè đã động viên và ủng hộ tôi vượt qua những khó khăn trở ngại trên mọi bước đường và còn là động lực để tôi phẩn đẩu

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của tất cả mọi người

TP HCM, 06/2019

Phan Đình Đông

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giả ảnh huởng tỉ lệ tuần hoàn đến hiệu quả loại

bỏ đồng thời nito và photpho trong nuớc thải chế biến thủy sản bằng mô hĩnh kết hợp AAO - BAF (Anaerobic/ Anoxic/ Aerobic/ Biological Aerated Filter) Quá trình AAO đuợc vận hành trong thời gian luu bùn ngắn ở bể hiếu khí thuận lợi cho việc loại bỏ COD, photpho và khử nitrat, be BAF kế tiếp đuợc vận hành với thời gian luu bùn dài

và đuợc sử dụng chủ yếu cho quá trình nitrat hóa, do đó mà mô hĩnh AAO-BAF có thể giải quyết đuợc vấn đề đối nghịch thời gian lưu bùn của vi sinh vật nitrat hóa và

vi sinh vật tích lũy photpho (PAOs) Mô hĩnh kết hợp AAO-BAF được chế tạo từ mica với thể tích toàn mô hĩnh là 54L, trong đó thể tích AAO là 36L (V kỵ khí: V thiếu khí: V hiếu khí =1:1:2) và thể tích BAF là 18L Giá the Kaldnex K3 được đặt nhúng chim trong be BAF và thể tích giá thể là 12,6L Hệ thống kết hợp AAO-BAF được vận hành ở một tải trọng hữu cơ có hiệu suất xử lý cao là 0,75kgCOD/m3.ngày với các tỉ lệ tuần hoàn nitrat khác nhau, các tỉ lệ tuần hoàn nitrat là: 100%, 200%, 300% với dòng tuần hoàn bùn từ bể lắng thứ nhất về bể kỵ khí là 100% Đe đánh giá hiệu quả xử lý đồng thời nito và photpho trong hệ thống kết hợp AAO-BAF Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong suốt quá trình thí nghiệm, sự thay đổi về tỉ lệ tuần hoàn nitrat không ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD Hiệu qua xử lý COD luôn được duy trĩ hơn 80% Tuy nhiên sự thay đối về tỉ lệ tuần hoàn đã ảnh hưởng đáng kế đến hiệu suất xử lý nito và photpho ở tỉ lệ tuần hoàn nitrat 100% thì hiệu suất xử lý TN, NH4+-

N và TP lần lượt là 83,20%, 93,30% và 90,2% nhưng khi tăng tỉ lệ tuần hoàn nitrat lên 300% thì hiệu quả xử lý lý TN, NH4+-N và TP tăng rõ rết và đặc biệt là hiệu quả

xử lý TN tăng lên từ 83,5% lên đến 90,15%, hiệu quả xử lý TN tăng lên đến 8%, nồng

độ đầu ra của NH4+-N và TP cũng tăng lần lượt là 97% và 92,15% Nồng độ đầu ra

TN, NH4+-N và TP đều đạt cột A, QCVN 11-MT:2015/BTNMT Dựa vào những kết quả nói trên cho thấy hệ thống kết hợp AAO-BAF có rất nhiều tiềm năng trong việc loại bỏ đồng thời nito và photpho trong nước thải chế biến thủy sản

Aerobic/ Biological Aerated Filter) model on its efficiency of nitrogen and phosphorus compounds removal was evaluated The AAO process was operated with short retention time in order to facilitate the removal of COD, phosphorus and nitrate compounds The following BAF pool was operated with long retention time for slug, mainly aimed to nitration time Hereby, the AAO-BAF model was shown to solve the conflict in retention time of slug and nitrating and PAOs microorganisms

The combination model of AAO-BAF was fabricated from mica with the total volumen of 54L, where the AAO volume was of 36 litre (Vanaerobìc: Vaerobìc: Vaerobic =1:1:2) and the BAF was of 18 litre Cultivation medium Kaldnex K3 was immersed in BAF pool with a volume of 12,6 litre The combination model AAO- BAF was operated with an organic load to have excellent treatment efficiency of 0,75kgCOD/m3/day with different nitrate compounds circulation ratios as 100%, 200%, 300% while the slug circulation from the first settling tank to the first anaerobic tank of 100%

The results showed that during the whole experiments, the change of nitrate compounds circulation does not affect the COD treatment efficiency, which was steady around 80% However, the change of circulation ratios significantly affect the treatment efficiency for nitrate and phosphorus compounds At nitrate compound circulation ratio of 100%, the treatment efficiencies of TN, NH4+-N and TP were 83,20%, 93,30% and 90,2%, respectively But when the nitrate compound circulation ratios increased to 300%, the treatment efficiencies for TN, NH4+-N and TP increased sharply, especially from 83,5% to 90,15% for TP As for TN, it was up to 8% The output concentration of NH4+-N and TP also increased to 97% and 92,15%, respectively The output concentration of TN, NH4+-N and TP all met the standard at column A, QCVN 11-MT:2015/BTNMT The result implied that the combination model AAO-BAF is very promising in removing nitrate and phosphorus compounds

in waste water in aquatic product industries

Tôi tên là PHAN ĐÌNH ĐÔNG, là học viên cao học ngành Công nghệ Môi trường khóa 2015, mã số học viên 1570558 Tôi xin cam đoan: Luận văn cao học này

là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Viết Hùng

Các hĩnh ảnh, số liệu và thông tin tham khảo trong luận văn này được thu thập

từ những nguồn đáng tin cậy, đã qua kiểm chứng, được công bố rộng rãi và đã được tôi trích dẫn rõ ràng ở phần Tài liệu tham khảo Các bản đồ, đồ thị, số liệu tính toán và kết quả nghiên cứu được tôi thực hiện nghiêm túc và trung thực

Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này

Học viên

Phan Đình Đông

MUC LUC

• •

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG BIÊU V DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 3

3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 3

4

PHẠM VI VÀ ĐỐI TUỢNG NGHIÊN cứu 5

5 PHUƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

6 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 7

CHUƠNG 1 TÔNG QUAN 9

1.1 TÔNG QUAN VỀ NUỚC THẢI CBTS 9

1.1.1 Đặc tính nước thải CBTS 9

1.1.2 Công nghệ xử lý nước CBTS 14

1.2 Xử lý thành phần dinh dưỡng trong nước thải bằng phưcmg pháp sinh học 16

1.2.1 Tác động của các chất dinh dưỡng (N, P) 16

1.2.2 Xử lý nito bằng phương pháp sinh học 17

1.2.3 Xử lý photpho bằng phưcmg pháp sinh học 22

1.2.4

Xử lý đồng thời nito và photpho bằng phương pháp sinh học 25

1.3 Tổng quan về công nghệ AAO - BAF 30

1.3.1 Hệ thống AAO 30

1.3.2 Các hệ thống cải tiến AAO 31

1.3.3

Hệ thống tích hợp AAO -BAF 33

CHUƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHUƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.1 Sơ ĐỒ NGHIÊN cứu 45

2.2 VẬT LIỆU NGHIÊN cứu 46

2.2.1 Nước thải chế biến thủy sản 46

2.2.2 Bùn cấy ban đầu 46

2.2.3 Mô hình nghiên cứu 46

2.2.4 Nguyên lý hoạt động mô hình 51

2.3 Trĩnh tự thí nghiệm 52

2.3.1 Giai đoạn chạy thích nghi: 52

2.3.2 Giai đoạn tăng tải và tuần hoàn nitrat 53

2.4 Lấy mẫu và phân tích 54

2.4.1 Vị trí lấy mẫu 54

2.4.2 Phuơng pháp phân tích mẫu 54

2.4.3 Phuơng pháp đo MLSS 56

2.4.4 Xử lý số liệu 56

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 58

3.1 GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI 58

3.2 GIAI ĐOẠN TĂNG TỈ LỆ TUẦN HOÀN NITRAT 60

3.2.1 H iệu quả xử lý COD 60

3.2.2 H iệu quả xử lý nito 62

3.2.3 H iệu quả xử lý photpho 66

3.2.4 H Hiệu suất xử lý ss 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC A: HÌNH ẢNH

PHỤ LỤC B: SỐ LIỆU

PHÂN TÍCH

DANH MUC HÌNH ẢNH

•

Hình 1 1 Quy trình chế biến cá tra và basa đông lạnh [9] 10

Hĩnh 1 2 Quy trình chế biến tôm đông lạnh 11

Hĩnh 1 3 Sơ đồ công nghệ xử lý nuớc thải CBTS [9] 14

Hĩnh 1 4 Sơ đồ công nghệ xử lý nuớc thải chế biến cá tra, basa fillet đông lạnh 16

Hĩnh 1 5 Quá trình khử photpho 23

Hình 1 6 Hệ thống AAO 26

Hĩnh 1 7 Hệ thống Modified Bardenpho 27

Hình 1 8 Hệ thống UCT 28

Hình 1 9 Hệ thống MUCT 28

Hĩnh 1.10 Cấu tạo hệ thống AAO 30

Hình 1 11 Cấu tạo hệ thống AAO -BAF 33

Hĩnh 1.12 Mô hĩnh nghiên cứu ảnh huởng tỉ lệ tuần hoàn nitrat đến hiệu quả xử lý nito trong hệ thống AAO -BAF 37

Hĩnh 1.13 Mô hĩnh nghiên cứu đánh giá ảnh huởng tỉ lệ COD/N và tỉlệ tuần hoàn nitrat đến hiệu quả xử lý nito và photpho AAO -BAF 38

Hĩnh 1.14 Mô hĩnh nghiên cứu nuớc thải đô thị có lỉ lệ C/N và c/p thấp 39

Hĩnh 1.15 Mô hĩnh nghiên cứu nuớc thải sinh hoạt tỉ lệ C/N thấp 41

Hĩnh 1 16 Mô hĩnh nghiên cứu tối ưu tốc độ thổi khí khử nito và loại bỏ photpho trong nước thải sinh hoat 41

Hĩnh 2 1 Sơ đô nghiên cứu 45

Hình 2 2 Mô hình AAO-BAF 47

Hĩnh 2 3 các loại giá thế 49

Hĩnh 2 4 Sự phát triển vi sinh vật bám trên giá theBảng 2 3 Các thôngsố kỹ thuật của giá thế 49

Hình 2 5 Mô hình thực tế AAO-BAF 51

Hĩnh 3.1 Hiệu suất xử lý COD ở giai đoạn thích nghi 58

Hĩnh 3 2 Sự thay đối giá the Anox Kaldnes K3 trong giai đoạn thích nghi 59

Hĩnh 3 3 Sự thay đối COD qua các ngăn tỉ lệ tuần hoàn 60

Hình 3 4 Hiệu quả xử lý COD tại các tỉ lệ tuần hoàn theo thời gian

60 Hĩnh 3.5 Nồng độ nito đầu vào và đầu ra tạicác bể ở tỷ lệ tuần hoàn 100% 62 Hĩnh 3.6 Nồng độ nito đầu vào và đầu ra tạicác bể ở tỷ lệ tuần hoàn 200% 63 Hĩnh 3.7 Nồng độ nito đầu vào và đầu ra tạicác bể ở tỷ lệ tuần hoàn 300% 63 Hĩnh 3.8 Hiệusuất xử lý nito ở các tỷ lệ tuần hoàn 63

Hĩnh 3 9 Sự thay đổi nồng độ TP qua các bể ở các tỷ lệ tuần hoàn 66

Hĩnh 3 10.Hiệu suất xử lý TP theo thời gian ở các tỷ lệ tuần hoàn 67

Hĩnh 3 11 Sự thay đổi nồng độ TSS qua các tỷ lệ tuần hoàn 69

Hĩnh 3 12 Sự thay đổi nồng độ MLSS qua các tỷ lệ tuần hoàn 71

DANH MUC BẢNG BIỂU

•

Bảng 1.1 Thành phần nước thải CBTS [9] 13

Bảng 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nitrat hóa 18

Bảng 1 3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat 20

Bảng 1 4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử photpho 24

Bảng 2 1 Thành phần nước thải 46

Bảng 2 2 Thống số các loại giá thể Kaldnes 48

Bảng 2 3 Các thông số kỹ thuật của giá thể 50

Bảng 2 4 Thông số thiết bị 50

Bảng 2 5 Cácthông số vận hành của mô hình AAO-BAF 53

Bảng 2 6 Các chỉ tiêu phân tích 54

Bảng 2.1. Các phương pháp phân tích 54

Bảng 3 1 kết quả xử lý COD qua các tỉ lệ tuần hoàn 61

Bảng 3 2 Ket quả xử lý nito tại các tỷ lệ tuần hoàn 64

Bảng 3 3 Kết quả xử lý TP tại các tỷ lệ tần hoàn 67

Bảng 3 4 Kết quả xử lý TSS tại các tỷ lệ tuần hoàn 69

Bảng 3.5 Nồng độ sinh khối trong bể hiếu khí và BAF của mô hình kết hợp AAO- BAF 71

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A 20 Anaerobic/Anoxic/Oxic (Kỵ khí/Thiếu khỉ/Hiếu khi)

A20 - BAF Anaerobic/Anoxic/Oxic - Biological Aerated Filter

AOB Amonia Oxidizing Bacteria (Vi khuẩn oxy hóa amonia)

BAF Biological Aerated Filter

DPAOs

Denitrifying Phosphorus Accumulating Organisms (Vi khuẩn tích lũy đồng thời nito, photpho)

BOD Biochemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh hóa)

COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

bsCOD Biodegradable soluble Chemical Oxygen Demand

N-NO 2 Nitrite Niotrogen (Nitrit tính theo nitơ)

N-NO 3 Nitrate Nitrogen (Nitrat tính theo nitơ)

NOB Nitrite oxidizing bacteria (Vi khuẩn oxy hóa Nitrite)

P-P04í_ Photphate (Photpho tính theo Photphate)

SBR Sequencing Batch Reactor (Bể sinh học theo mẻ) SRT Sludge Retention Time (Thời gian lưu bùn)

PHẦN MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây ngành Thủy sản tăng trưởng liên tục và đã có những đóng góp đáng kể trong kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam, góp phần vào việc tăng trưởng kinh tế của đất nước Năm 2016, mặc dù không tạo đột biến nhưng ngành xuất khẩu thủy sản vẫn là ngành sản xuất mũi nhọn của nông nghiệp khi có đóng góp lớn nhất trong kim ngạch xuất khẩu chung của toàn ngành Kim ngạch xuất khẩu thủy sản

cả năm đạt trên 7 tỷ USD tăng 6,5% so với cùng kỳ 2015 Trong đó, tôm và cá tra vẫn

là mặt hàng chính của thủy sản, đây là hai mặt hàng chủ lực của Việt Nam, cụ thể:

- Kim ngạch xuất khẩu cá tra cả năm đạt khoảng 1,7 tỷ USD, tăng 6,6% so với năm 2015;

- Kim ngach tôm đạt trên 3,1 tỷ USD tăng 6,7% so với năm 2015

Đen nay, thủy sản việt nam đã xuất khẩu hơn 161 thị trường trên thế giới [11] tuy có đóng góp kinh tế cao nhưng hoạt động của nghành chế biến thủy sản sẽ tiêu thụ một lượng nước lớn và sinh ra nước thải có tải trọng hữu cơ cao, chủ yếu là những thành phần dễ phân hủy sinh học và các chất dinh dưỡng N và p Neu những thành phần này không dược xử lý triệt để thi sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa với nguồn tiếp nhận thi việc loại bỏ N và p và các chất dễ phân hủy sinh học là rất cần thiết

Một số cộng nghệ đã được nghiên cứu có thế loại bỏ đồng thời các chất dinh dưỡng như

N, p, COD và BOD như: quá trình University of cape Town (UTC) [12], Modified University of cape Town (MUCT) [13], Anaerobic/Anoxic/Oxic (AAO) [14] Theo báo cáo “ Hướng dẫn đánh giá sự phù hợp của công nghệ xử lý nước thải và giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải đối với nghành chế biến thủy sản, Dệt may, Giấy và bột giấy”của tống cục môi trường đã được đưa ra những nhận xét tống quát rằng những công nghệ hiện đại đang áp dụng chủ yếu tại các nhả máy XLNT thủy sản là quá trình bùn hoạt tính bao gồm: bùn hoạt tính truyền thống, kỵ khí - thiếu khí - hiếu khí, phản ứng theo mẻ hoặc mương oxy hóa Đây là những

công nghệ vốn phù hợp để xử lý nước thải có nồng độ ô nhiểm ở mức trung bình, phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của Việt Nam Trong các công nghệ xử lý nước thải chứa chất ô nhiểm hữu cơ dễ phân hủy sinh học đang được áp dụng hiện nay thi công nghệ AAO (Anaerobic/Anoxic/Oxic) được xem là một giả pháp phù họp Công nghệ AAO được thiết kế dựa trên mô hĩnh động học xử lý các chất dinh dưỡng N, p, COD và BOD đã được nghiên cứu và áp dụng khá phổ biến ở các nước Ở Việt Nam, công nghệ AAO cũng được áp dụng trong một số công trĩnh xử lý nước thải thủy sản nhưng vẫn còn hạn chế về mặt kỹ thuật khi nước sải sau xử lý không đạt đồng thời các chi tiêu NH4+-N và các chi tiêu TP Vĩ vậy việc nâng cao hiệu quả loại bỏ đồng thời nito và photpho trong công nghệ xử lý nước thải thủy sản đang được triễn khai là cần thiết [2]

Hệ thống AAO là hệ thống chỉ một đường bùn nên còn hạn chế về việc thỏa mãn cùng lúc thời gian lưu bùn giữa vsv nitrat hóa và vsv tích lũy photpho Nói một cách khác, vsv nitrat hóa cần thời gian lưu bùn dài trong khi vsv tích lũy photpho cần thời gian lưu bùn ngắn, Hơn nữa, nước thải thủy sản có tỉ lệ N/C tương đối thấp từ 3,6 đến 4,0 nên hệ thống AAO thông thường không thể loại bỏ đồng thời nito và photpho với hiệu suất cao vĩ khi có dòng tuần hoàn nitrat về bể kỵ khí thi sẽ có sự cạnh tranh nguồn carbon đầu vào giữa vsv tích lũy photpho và vsv khử nitrat làm giảm hiệu suất loại

bỏ photpho là do vsv khử nitrat có ưu thế hơn vsv tích lũy photpho đối với nguồn carbon đầu vào [7]

Công nghệ BAF (Biological Aerobic filter) là sự kết họp giữa quá trình cấp khí

và lọc sinh học của vi sinh vật Một be BAF thường chứa các giá thế đế xử lý carbon

và nito bằng sinh khôi cố định trong các giá thế và giữa chúng trong các giá thế này BAF là một bế phản ứng xáo trộn trong điều kiện hiếu khí, trong đó cung cấp các giá thế cho vi sinh vật bám vào Nguyên tắc vận hành cơ bản của BAF dựa vào quá trình lọc sinh học thông thường trong điều kiện ngập nước Thông thường, BAF là bế xử lý nước thải với các giá thế chìm trong đó kết họp giữa việc xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí và sự phân chia sinh khôi theo chiều dày của lớp vi sinh vât bám dính trên vât liêu loc

Hệ thống kết hợp kỵ khí/thiếu khí/hiếu khí - lọc sinh học (Anaerobic/Anoxic/Oxic

- Biological Aerated Filter, A20 - BAF) đã được sử dụng nhằm tăng cường hiệu quả xử

lý nito và photpho vĩ đây là hệ thống đến hai đường bùn với đầu ra của be BAF sẽ được tuần hoàn bùn về bể thiếu khí trong quá trình AAO được vận hành với thời gian lưu bùn ngắn sẽ giúp oxy hóa sinh học thành phần hữu cơ, khử nitrat, tích lũy photpho; quá trình BAF được vận hành với thời gian lưu bùn dài sẽ giúp nitrat hóa

Hệ thống kết hợp AAO-BAF vừa có được các ưu điểm của các quá trình sinh trưởng lơ lững và dính bám vảu vsv vừa giúp các quá trình khử nitrat và tích lũy photpho xảy ra triệt để Ngoài ra, khi thể tích bể hiếu khí giảm xuống và thể tích bể thiếu khí tăng lên trong quá trình AAO vĩ đã có be BAF cũng là bể hiếu khí thi sự xuất hiện thêm vào của vsv tích lũy photpho có khả năng khử nitrat trong bể thiếu khí (Denitrifying Phosphorus Accumulating Organisms - DP AOs) sẽ giúp loại bỏ đồng thời cả nito và photpho có trong nước thải [8,9]

Từ những phân tích và nhận định trên đây có thể thấy được hệ thống AAO- BAF

là công nghệ đầy hứa hẹn trong việc loại bỏ đồng thời nito và photpho trong nước thải,

tỉ lệ tuần hoàn nitrat có ảnh hưởng đến hiệu quả lọc sinh học do đó đề tài” Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ tuần hoàn nitrat đến hiệu suất xử lý nito và photpho khi áp dụng công nghệ AAO-BAF cho xử lý nước thải thủy sản” được đề xuất và thực hiện nhằm góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên như giảm bớt chi phí xử lý và tăng cường hiệu quả xử lý nito và photpho nhằm đáp ứng các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật

2 MỤC TIÊU ĐÈ TÀI

Đe tài nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thủy sản bằng mô hĩnh AAO-B AF kết hợp qua các tỉ lệ tuần hoàn nitrat đến hiệu quả loại

bỏ nito và photpho đồng thời

Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ tuần hoàn nitrat đến hiệu suất xử lý N,p có trong nước thải thủy sản bằng công nghệ AAO-B AF

3 NỘI DUNG ĐÈ TÀI

Đe tài nghiên cứu được thực hiện theo các nội dung sau:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thiết lập mô hĩnh nghiên cứu

❖ Nội dung 1: Thiết lập mô hĩnh nghiên cứu

Lập kế hoạch và sơ đồ nghiên cứu

- Chế tạo mô hĩnh nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm với thể tích 54L, trong đó

có thể tích AAO là 36L (Vkykhí^v thiểukhí^v hiểukhí =1:1;2) và thể tích của BAF lá 18L

- Tim nguồn nuớc thải phù hợp, có thể là nuớc CBTS tại nhà máy hoặc nuớc thải giả lập

- Tiến hành lấy mẫu và phân tích chỉ tiêu COD trong nuớc thải, chỉ tiêu MLSS trong bùn truớc khi khởi đông mô hĩnh

❖ Nội dung 2: Vận hành mô hĩnh nghiên cứu với nuớc thải CBTS với tỉ lệ tuần hoàn nitrat 100% đến 300%

- Giai đoạn chạy thích nghi với các tải trọng từ 0,22kgCOD/m3.ngày và tăng dần tải trọng hữu cơ đạt 0,5 kgCOD/m3 ngày, khi hiệu suất xử lý đạt 80% thi kết thúc giai đoạn chạy thích nghi

- Sau khi kết thúc giai đoạn chạy thích nghi, vận hành mô hĩnh nghiên cứu với tải trọng hữu cơ là 0,75kgCOD/m3.ngày Ở tải trọng hữu cơ này dòng tuần hoàn nitrat sẽ đuợc bắt đầu, bùn đuợc giữ nguyên với các tỉ lệ tuần hoàn nitrat là: 100%, 200%, 300% từ

bể lắng thứ 2 về bể thiếu khí Ở giai đoạn này lấy mẫu theo trình tụ kế hoạch đề ra và phân tích các chỉ tiêu nhu: COD, ss, NH4+, N03-, -N, N02-, TKN, TP, MLSS, đánh giá ảnh huởng của tỉ lệ dòng tuần hoàn nitrat đến hiệu quả loại bỏ đồng thời nito và photho

♦♦♦ Nội dung 3: Trình bày kết quả

- Dựa trên kết quả phân tích, tiến hành tính toán, xử lý số liệu và dụng đồ thị thế hiện kết quả bằng phần mềm Excel;

- Trình bày và thảo luận các kết quả và đồ thị

- Đánh giá hiệu quả xử lý COD, ss, NH4+, N03-, -N, N02-, TKN, TP, khi thay đổi

tỷ lệ các dòng tuần hoàn nitrat 100%, 200%, 300% từ đầu ra của bể BAF về bể thiếu khí

4 PHẠM VI VÀ ĐÓI TƯỢNG NGHIÊN cứu

❖ Đối tượng nghiên cứu

■ Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Nước thải giả lập được ủ từ phế phẩm thủy sản và đã được xử lý sơ bộ và qua phân hủy kỵ khí

- Bùn được nuôi cấy được lấy tại bể xử lý sinh học của trạm xử lý nước thải tập trung KCN Tân Bĩnh ở Quận Tân Phú, TPHCM Bùn này có màu nhạt khả năng lắng tốt với SVK100 và có tỉ lệ MLSS khoảng 0,70

- Mô hĩnh nghiên cứu được AAO-BAF được chế tạo từ mica ở quy mô phòng thí nghiệm bao gồm bể kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí, bể lắng 1, bể BAF và bể lắng 2 được nối tiếp với nhau

- Giá thể được sử dụng trong mô hĩnh AAO-BAF là Anox Kaldnes K3 (Veolia, Thụy Điển) được làm từ polyethylene với các thông số kỹ thuật tương ứng là đường kính 25

mm, chiều dày 10 mm, khối lượng riêng 960 kg/m3, diện tích bề mặt riêng 500 m2/m3

❖ Phạm vi nghiên cứu

- Đe tài nghiên cứu trên mô hĩnh AAO-BAF được tiến hành trên một tải trọng hữu

cơ 0.75kgCOD/m3.ngày với các tỉ lệ tuần hoàn dòng nitrat khác nhau: 100%, 200%, 300% tương ứng với thời gian lưu nước là: 15,43 giờ Nồng độ COD đầu vào dao động

từ 500-640mg/L

Mô hình được đặt tại Công ty TNHH Môi Trường Hi-Tech BK, 148 Rạch Bà Lớn, huyện Bĩnh Chánh, Tp.HCM Tp.HCM Tp.HCM và được vận hành trong điều kiện nhiệt độ phòng dao động từ 30 - 32°c

- Việc phân tích mẫu được tiến hành tại phòng thí nghiệm chất lượng nước thuộc viện nghiên cứu Nuôi trồng Thủy Sản II, 116 Nguyễn Đĩnh Chiểu, quận 1, Tp.HCM

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

♦♦♦ Tống quan tài liệu

Tiến hành thu thập thông tin, tài liệu, số liệu liên quan từ các nguồn sách báo, giáo trĩnh

từ các tác giả nhu: Nguyễn Thế Đồng, George Tchobanoglous, Franklin L.Burton, H David stenseL.và các bài báo khoa học từ các tạp chí khoa học nỗi tiếng nhu: Bioresource technology, chemical Engineering journal, Journal of Environmental Sciences đuợc tham khảo chủ yêu từ web sciencedirect.com và các báo cáo liên quan Phân tích, tổng hợp các cơ sở lý thuyết cho việc định huớng nghiên cứu

❖ Thực nghiệm mô hĩnh

Thiết kế, chế tạo mô hĩnh AAO-BAF bang mica ở quy mô phòng thí nghiệm Vận hành với tải trọng hữu cơ 0.75 với các tỉ lệ dòng tuần hoàn nitrat tăng dần từ 100%, 200%, 300% Sau đó tiến hành lấy mẫu đầu vào và đầu ra của mỗi hệ thống, phân tích các chỉ tiêu COD, ss, N-NH4+, N-N02\ N-N03\ TKN, TP ở mỗi tỉ lệ dòn tuần hoàn khác nhau Khảo sát sự ảnh huởng của các tỉ lệ tuần hoàn đến hiệu quả xử lý của mô hĩnh nghiên cứu

Tiến hành thu thập các số liệu, các bài báo nghiên cứu có liên quan đến tỉ lệ thể tích tôi

uu của hệ thống AAO, giá thể trong BAF và các tài liệu về thiết kế, từ đó lựa chọn tải trọng và tỉ lệ dòng tuần hoàn phù hợp với mô hĩnh AAO-BAF và tính toán đuợc các thông số thiết kế

♦♦♦ Lấy mẫu phân tích

Mẩu nuớc đuợc lấy tại các vị trí: đầu vào, đầu ra của mô hĩnh Các chỉ tiêu đuợc phân tích theo các phuơng pháp trong QCVN kết hợp với Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, Eaton DA và AWWA)

♦♦♦ Đối chiếu so sánh

Các tài liệu, số liệu từ lý thuyết và các công trình nghiên cứu có liên quan đến

đề tài đuợc dùng làm tu liệu đối chiếu và so sánh Từ đó đua ra những đánh giá khách quan về hiệu quả hoạt động của mô hình nghiên cứu

❖ Xử lý số liệu

Số liệu được trình bày trong luận văn là giá trị trung bĩnh từ ba lần thí nghiệm

Độ lệch chuẩn của các thông số khảo sát được tính toán bằng phần mềm Excel Độ tin cậy của các số liệu thực nghiệm nằm ở mức 95 - 98%

6 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI

♦♦♦ Ý nghĩa khoa học

Tạo thời gian lưu bùn phù hợp cho PAOs và vsv nitrat hóa nhờ thời gian lưu bùn khác nhau, ở bể hiếu khí và bể BAF, giải quyết được vấn đề cạnh tranh nguồn cacbon đầu vào giữa PAOs và vsv khử nitrat

Kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thủy sản khi kết hợp công nghệ AAO và BAF với tỷ lệ dòng tuần hoàn Nitrat khác nhau Từ

đó tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, triễn khai thực tế đẩ cải thiện các hệ thống xử lý nước thải thủy sản và các nguồn thải có chứa nồng đô Nito và Photpho cao Đồng thời nghiên cứu được tỉ lệ tuần hoàn thích hợp để nâng cao hiệu quả xử lý Nitrat

♦♦♦ Ý nghĩa thực tiễn

Khi đề tài đạt được các mục tiêu đề ra, khả năng ứng dụng của hệ thống kết họp này vào thực tiễn là rất lớn Ket quả nghiên cứu của đề tài góp phần cải thiện những khía cạnh sau:

- về mặt kỹ thuật: Hệ thống kết hop AAO-BAF là hệ thống kết họp giữa sinh trương

lơ lững và sinh trương bám dính có khả năng xử lý đồng thời COD, nito và photpho Nâng cao chất lượng nước thải sau xử lý, đạt QCVN 11- MT:2015/BTNMT

- về mặt kinh tế: Hệ thống kết họp AAO-BAF có thời gian lưu bùn ngắn, do đó tiết kiệm được thời gian và chi phí vận hành hệ thống

- về mặt môi trường: Áp dụng công nghệ AAO-BAF trong xử lý nước thải CBTS góp phần giảm lượng bùn thải, giảm áp lực trong xử lý bùn

7 Tính mới của đề tài

Sự kết họp BAF (lọc sinh học) vào hệ thống AAO (kỵ khí/thiếu khí/hiếu khí) thông thường đế tạo ra hệ thống kết họp AAO-BAF (kỵ khí/thiếu khí/hiếu khí - lọc sinh

học) nhằm tăng cường hiệu quả loại bỏ nito và photpho đồng thời được ứng dụng trong

xử lý nước thải CBTS là có tính mới

Cùng với sự đa dạng về các mặt hàng thủy hải sản thi công nghệ chế biến và nuớc thải của mỗi nhà máy là khác nhau, thùy theo loại nguyên liệu, mặt hàng sản xuất, và yêu cầu chất luợng sản phẩm Những nhà máy lớn thuờng sản xuất một mặt hàng nhu nhà máy chế biến cá tra, cá basa hay tôm đông lạnh, đa cố các nhà máy đều có nguồn nguyên liệu cố định Các mặt hàng tổng hợp hoặc các sản phẩm giá trị gia tăng thuờng thích hợp các nhà máy vừa và nhỏ Các cơ sở chế biến thủy sản có thể đơn giản hoặc phức tạp đều giống nhau về công nghệ sản xuất [9] Một số quy trình tổng quát chế biến cá tra và basa fillet đông lạnh, tôm đông lạnh đuợc trình bày duới đây

Đối với quy trình chế biến tôm (hĩnh 1.1) thi công đoạn rữa tôm và ngâm tôm tạo ra nuớc dịch tôm và nuớc thải có thành phần và nồng độ các chất ô nhiểm cao Trong quá trình chế biên tôm, một số cty sử dụng dung dịch tripolyphotphat đế ngâm tôm và sau

đó dung dịch này đuợc thải bỏ vĩ thế luợng nuớc thải thuờng có nồng độ photpho cao Ngoài ra, theo yêu cầu sản xuất thì quá trình vệ sinh thiết bị, vệ sinh khu vục sản xuất cũng phát sinh một luợng nuớc thải lớn chứa các chất khử trùng Riêng quá trình lột vỏ, ngắt đầu cũng tạo nên một luợng chất thải rắn có kích thuớc nhỏ và khó thu gom

Hình 1 2 Quy trình chế biến tôm đông lạnh [9]

Quy trình sản xuất bao gồm nhiều công đoạn khác nhau, và qua nhiều công đoạn rửa nên luợng nuớc thải phát sinh trong quá trình chế biến là rất lớn Nguyên liệu sau khi đuợc tiếp nhận qua công đoạn rửa sơ bộ để loại bỏ tạp chất bám bên ngoài Sau đó nguyên liệu đuợc chuyển sang công đoạn sơ chế, tại đây cá đuợc cắt đầu, bỏ vây, mang, nội tạng và đuợc rủa nhiều lần nữa.Nguyên liệu sau khi rửa sẽ đuợc muối đá sau đó đuợc phân cỡ và xác định đúng trọng luợng, sắp xếp vào khuôn và đóng gói Sản phẩm sau đó đuợc đóng gói theo bang chuyền chuyển qua khu vực cấp đông và bảo quản Quy trình tổng quát chế biến cá tra và basa fillet đông lạnh đuợc mo tả chi tiết hình 1.2 Công nghệ CBTS sử dụng nuớc là chủ yếu, do đó một đặc tính nỏi bật của nuớc thải CBTS là thể tích nuớc lớn và hàm luợng các chất ô nhiểm cao Trong quá trình chế biến nuớc đuợc sử dụng cho quá trình chế biến là rửa, làm sạch, sử dụng trong máng đẩy thủy lực để vận chuyển sản phẩm, vệ sinh khu vực làm việc Nhu trong công đoạn bóc

vỏ của quá trình chế biên tôm đã tiêu thu 58,1% tổng luợng nuớc trong suốt quá trình chế biến, hay trong chế biến thủy sản, hay trong quá trình chế biến surimi tiêu thụ gấp

25 lần các quá trình chế biến thông thuờng với mức tiêu thụ khoảng 227,83L/kgsurimi [7] Tỉ lệ tiêu thụ nuớc thay đổi khác nhau tùy thuộc vào quy mô nhà máy, mức tự động hóa, nhu cầu làm sạch của các thiết bị cũng nhu hoạt động vận hành Trong quá trình chế biến thủy sản, sự khác biệt trong nguyên liệu thô và sản phấm cuối liên quan đến

sụ khác nhau trong quá trình sản xuất, dẫn đến tiêu thụ nuớc khác nhau ( cá da trơn:

5-7 m3/tấn sản phấm; tôm đông lạnh: 4- 6m3/tấn sản phấm; surimi: 20-25m3/tấn sản phấm; thủy sản đông lạnh hỗn hợp: 4-6 m3/tấn sản phấm) Mức độ ô nhiếm của nuớc thải từ quá trình CBTS thay đối rất lớn phụ thuộc vào nguyên lộ thô (tôm, cá, mục, bạch tuộc, cua nghêu, sò), sản phấm, thay đối theo mùa vụ, và thậm chí ngay trong này làm việc, thành phần nuớc thải của một số loại hình chế biến thủy sản đuợc trình bày bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần nước thải CBTS [9]

Chỉ tiêu Đơn vị

Nồng độ Tôm đông lạnh Cá da trơn Thủy sản

Các thành phân dinh dưỡng như nito, photpho it được đề cập trong tài liệu tham khảo,

dư lượng Nitơ và Photpho trong nước thải là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng Nồng độ Nitơ cao có thế do hàm lượng protein, cũng có thế phát trinh từ máu và chất nhờn của cá [7] Trong chế biến tôm đóng hộp, nồng độ TN là 196 mg/L và N-NH3 là

802 mg/L [8] Photpho cũng một phần bắt nguồn từ chế biến cá, nhưng có thế được đưa vào từ các chất chế biến và làm sạch [7]

1.1.2 Công nghệ xử lý nước CBTS

Nirức thải

Nguồn tiốp nhận

Binh 1.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải CBTS [9]

Nước CBTS với nồng độ nito và photpho cao chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng phú dưỡng, gây mất cân bằng sinh thái với nguồn tiếp nhận nếu như không được xử lý hiệu quả Các phương pháp được áp dụng để xử lý nước thải CBTS cỏ thể được chia làm ha loại chính sau: Vật lý, hóa học, và sinh học trong đó, phương pháp vật lý là một phương pháp khá đắt đỏ như quá trình: điện phân, thẩm thấu ngược phương pháp hóa học thì gặp vấn đề về chỉ phí hóa chất và phát sinh lượng bùn thải lớn Phương phảp sinh học với khả năng xử lý hiệu quả nito và photpho, mang lại lợi ích về mặt kỉnh tế hơn là phương pháp vật lý và hóa học Hơn nữa, những chất ô nhiềm trong nước CBTS đều là những hợp chất dễ phân hủy sinh học

Do đó, phưcmg pháp sinh học thường được áp dụng phổ biến trong các nhà máy CBTS Khảo sát hơn 120 nhà máy thủy sản trong cả nước, công nghệ xử lý nước thải đang được áp dụng đối với nghành chế biến thủy sản bao gồm công nghệ lọc yếm khí kết hợp với hồ sinh học, công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính lơ lững hay kết hợp kỵ khí và hiếu khí; hya quá trình hóa lý ( keo tụ tạo bông hay tuyển nỗi kết hợp keo tụ) kết hợp quá trình sinh học hiếu khí Trong đó, công nghệ được áp dụng ở hầu hết các nhà máy CBTS là công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính lơ lững [9] Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chế biến tôm đông lạnh và các tra và basa fillet đông lạnh được trình bày ở hình 1.3 và 1.4

Thành phần nước thải phát sinh từ nghành công nghiệp chế biến thủy sản chứa chủ yếu

là các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học, hợp chất nito và photpho cao Đặc biệt là trong công nghệ chế biến tôm, nồng độ photpho trong nước thải thường rất cao nên trong dây chuyền xử lý bắt buộc phải có các quá trình tiền xử lý như quá trình keo tụ tạo bông, để làm bớt photpho và một phần chất hữu cơ trong nước thải [9] Bên cạnh hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ cao thì hiệu suất loại bỏ các chất dinh dưỡng của công nghệ đang áp dụng vẫn còn thấp Nguyên nhân chính khiến các công nghệ chưa đạt hiệu suất cao trong xử lý các chất dinh dưỡng đó là công nghệ vẫn chưa có cơ chế phù hợp để loại bỏ các chất dinh dưỡng, đặc biệt là photpho Với tiêu chuẩn xã thải ngày càng khắt khe hơn thì việc nghiên cứu ứng dụng cộng nghệ có khả năng loại bỏ đồng thòi các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng nito và photpho trong nước thải CBTS đế nâng cao chất lượng nước thải đầu ra, đáp ứng được các tiêu chuẩn xả thải là điều hết sức cần thiết

Hình 1 4 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải chế biến cá tra, basa fillet đông lạnh 1.2 Xử lý thành phần dinh dưỡng trong nước thải bằng phương pháp sinh học 1.2.1 Tác động của các chất dinh dưỡng (N, P)

Nồng độ các chất dinh dưỡng (N, P) cao gây ra hiện tượng bùng no các loại tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây ra hiện tượng thiếu oxy Neu nồng độ oxy giảm tới 0 thì gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnh hưởng tới chất lượng nước thủy vực Ngoài ra, các loài tảo nối trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến cho bên dưới không đủ ánh sáng Quá trình quang hợp của các thực vật tầm dưới bị

ngưng trê Tất cả các hiện tượng trên gây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thủy sinh, nghề nuôi trồng thủy sản, du lịch và cấp nước

1.2.2 Xử lỷ nito bằng phương pháp sinh học

Hai quá trình đóng vai trò quan trọng trong xử lý nito bằng phưong pháp sinh học đó là quá trình nitrat hóa và quá trình khử nitrat Đầu tiên, quá trình nitrat hóa sẽ chuyển

NH4+_N thành NCVJV, sau đó những vi sinh vật trong quá trình khử nitrat sẽ sử dụng N03'_N và khử thành N2

1.2.2.1 Quá trình nitrat hóa [10]

Nitrat hóa là quá trình sinh học hai giai đoạn ammonia (NH4+_N) bi oxy hóa thành nitrit (N02-_N) và nitrit bị oxy hóa thành nitrat (NCVJN) Quá trình nitrat hóa có thể xảy ra

ở quá trình sinh trưởng lơ lững và quá trình sinh trưởng dính bám, nhưng quá trình nitrat hóa xảy ra ở quá trình sinh trưởng lơ lững thường phổ biến hơn cùng với sự loại bỏ đồng thời BOD Nếu sử dụng quá trình sinh trưởng bám dính cho quá trình nitrat hóa, thì phần lớn BOD phải được loại bỏ trước khi vsv nitrat hóa phát triển, bởi vì vsv dị dưỡng có sản lượng sinh khối cao hơn do đó nó sẽ chiếm ưu thế hơn vsv nitrat hóa trên bề mặt giá thể Vì vậy, muốn vsv nitrat hóa phát triển tốt trong môi trường sinh trưởng dính bám thì phải loại bỏ BOD trước hoặc thiết kế một hệ thống sinh trưởng dính bám riêng biệt cho quá trình nitrat hóa

Những vsv tự dưỡng hiếu khí chịu trách nhiệm cho quá trình nitrat hóa trong quá trình bùn hoạt tính và quá trình sinh trưởng dính bám Quá trình nitrat hóa, như đã trình bày

ở trên, là quá trình hai giai đoạn bao gồm hai nhóm vsv.

- Trong giai đoạn đầu, ammonia bị oxy hóa thành nitrit bởi một nhóm vsv tự dưỡng

bao gồm Nỉtrosomonas, Nỉtrobacter, Nỉtrosococcus, Nỉtrosospỉra, Nitrosolibus và

Nitrosorobrio

- Trong giai đoạn hai, nitrit bị oxy hóa thành nitrat bởi một nhóm vsv tự dưỡng khác

bao gồm: Nitrococus, Nitrospira, Nitrospina và Nitroevstis

- Hai bước oxy hóa ammonia thành nitrat được thế hiện rõ qua các quy trình phản ứng sau:

Phản ứng được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrosomonas:

2NH4 + + 302-ỳ 2N02' +4H+ +2H20

Phản ứng được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrobacter:

2N02'+202^ 2N03- Phản ứng tổng cộng:

NH4 + + 202 -*N03- +2H+ +H20 Phản ứng tổng thể bao gồm tổng hợp tế

bào:

NH4++1,86302 +0,098 C02 -*0,0196C5H7N02 +0,98NO3 +1.98H+ +0,941H2O Trung bình l,00g NH4+ -N được chuyển hóa thì sẽ tiêu thụ 4.25g 02,0.16g tế bào mới được tổng hợp, 7.07g kiềm (CaC03) được loại bỏ và 0.08g carbon vô cơ được tiêu thụ trong quá trình hình thành nên tế bào mới

❖ Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nitrat hóa:

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa được thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nitrat hóa

Nồng độ oxy hòa tan (DO) thấp (<0,5mg/L), tốc độ nitrat hóa bị úc chế, do đó, nồng độ oxy hòa tan thông thường duy trì từ 2mg/L hoặc cao hơn ở nồng độ DO từ 4-7mg/L, tốc độ nitrat hóa tốt, nhưng khi DO =lmg/L thì tốc độ chỉ bằng 90% tốc độ ở nồng độ DO cao hon Tốc độ nitrat hóa trong bùn hoạt tính cao hơn gấp đôi khi DO tăng từ l-3mg/L

Tốc độ nitrat hóa rất nhạy với pH, giá trị pH tối ưu là từ 8,0, nếu giá trị pH dưới 6,8 sẽ làm hiệu suất quá trình nitrat hóa giảm xuống đáng kế Tại giá trị pH từ 5,8 đến 6,0 thì tốc

7,5-độ nitrat hóa chỉ đạt khoảng 10-20% so với tốc 7,5-độ nitrat hóa

ở pH=7,0 gia trị pH từ 7-7,2 thường được sử dụng để duy trì tốc độ nitrat hóa thích hợp

3 Độc chất Vi khuẩn nitrat hóa nhạy cảm với các hợp chất hữu cơ

hay vô cơ ở nồng độ thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng thông thường, trong nhiều trường họp, tốc độ nít rat hóa bị giới hạn mặc dù vsv nitrat hóa vẫn tiếp tục phát triễn và oxy hóa ammonia và nitrit nhưng tốc độ đã giảm đáng kể Ngoài ra, độc chất có thể giết chết vsv nitrat hóa trong một số trường họp như: những họp chất hữu cơ dễ bay hơi (dung môi), amin, protein, tannin, phenolic, rượu, xianua, cacbonat và benzene

Nitrat hóa cũng bị ức chế bởi NH3, ammonia tự do và acid nitrous (HNO2) Quá trình bị ức chế phụ thuộc vào nồng độ nito tổng, nhiệt độ và pH, ở nhiệt độ 20oC và pH =7, nồng

độ NH4+-N ở 100mg/L gây ức chế quá trình oxi hóa NO2-N Ngoài ra, nồng độ NO2-N ở 280mg/L cũng gây ức chế cho quá trình oxy hóa NO2- N

5 Kim loại Ni ở nồng độ 0,25 , Cr ở nồng độ 0,25 và Pb ở nồng độ

0,lmg/l sẽ gây ức chế hoàn toàn tói việc oxy hoá amoni

I.2.2.2 Quá trình khử nitrat [10]

Quá trình chuyến hóa sinh học từ nitrat thành các oxit nitrous và khí nito đuợc gọi là quá trình khử nitrat, quá trình khử nitrat sinh học là một phần của việc loại bỏ nito sinh học, bao gồm nitrat hóa và khử nitrat So với những công nghệ loại bỏ nito bằng phuơng pháp hóa học, hóa ly thì việc loại bỏ nito bằng phuơng pháp sinh học có chi phí thấp và đuợc

sử dụng phổ biến hơn

Khử nitrat sinh học liên quan đến quá trình oxy hóa sinh học các họp chất hữu cơ trong nuớc thải, dử dụng nitrat hóa là chấp nhận điện tử nitrat hóa thay vi oxy Trong truờng họp nồng độ DO bằng không hoặc là nồng độ DO bị hạn chế, thì enzyme khử nitrat sẽ đuợc tạo ra và giúp cho sụ chuyến hóa hydro và electron đối với nitrat nhu là chất nhận điện tử cuối cùng

Phản ứng khử nitrat xảy ra theo từng bước, từ nitrat thành nitrit, đến nitric oxide đến nitrous oxide và cuối cùng là khử N2

N03' -ỳ -*NO^N2O^N2Trong quá trình khử nitrat sinh học, chất cho điện tử là một trong ba loại: (1) bsCOD trong nước thải đầu vào, (2) bsCOD được tạo thành trong quá trình phân hủy nội sinh, và (3) các nguồn ngoại sinh như methanol, acetate Quá trình này được mô tả bằng phương trình phản ứng sau:

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm: Achromobacter, acinertobaccher, agrobacterium, alcalỉgenes, arthrobacter, bacillus, chromobacterium, corynebacterỉum, flavobacterium, hypomicrobium, Moraxella, Neisseria, para-cocus, propỉonnỉbacterỉum, pseudomonas, rhizobium, rhodopseudomonas, spirillumm, vibrio

♦♦♦ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trĩnh khử nitrat:

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trĩnh khử nitrat được thế hiện ở bảng 1.3

Bảng 1 3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat

STT Yếu tố Anh hưởng

1 Cơ chất Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học sẽ đấy tốc độ khử nitrat nhanh

nhất Mặc dù methanol được sử dụng phố biến, nhưng nhiều nghiên cứu cũng đã tìm thấy 22-30 loại nước thải công nghiệp như chất thải bia và công rượu thúc đấy tốc độ khử

nitrat nhanh hơn methanol

Nhiệt độ ảnh hưởng đến hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat Với nhiệt độ thấp, quá trình nitrat hóa và khử nitrat đều giảm, dẫn đến hiệu suất kém nhất là trong tháng lạnh giá nhiệt độ thấp.Quá trình nitrat hóa sẽ thích hợp ở nhiệt độ từ 4-35°C, và hiệu suất nitrat hóa tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng thêm từ 8- 10°C Đối với quá trình khử nitrat thì khoảng nhiệt độ thích hợp

là 10-25°c Vì thế đối với thời tiết lạnh, người ta sẽ xem xét bổ sung nguồn carbon thích hợp cho quá trình khử nitrat Ngược lại không cần bổ sung nguồn carbon trong điều kiện nhiệt độ ấm áp

Quá trình khử nitrat hóa xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên sự hiện diện DO ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quá trình Loài

Pseudomonas bị ức chế ở nồng độ DO>0,2mg/L Tốc độ khử nitrat ở nồng độ DO=0,2mg/L chỉ bằng một nữa tốc độ khử nitrat

ở nồng độ DO là 0 mg/L , khi DO tăng lên 2mg/L thì tốc độ khử nitrat chỉ bằng 10% khi ở nồng độ DO là 0 mg/L

4

Độ kiềm và pH Độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrat làm tăng nhẹ pH, thay

vì bị giảm trong phản ứng nitrat hóa Trái ngược với vi khuẩn nitrat hóa

1.2.3 Xử lỷ photpho bằng phương pháp sinh học

Ngoài nito ra thì photpho cũng là một thành phần được kiểm soát nghiêm ngặt trong nước thải đầu ra của các nhà máy xử lý, bởi vĩ photpho một trong những thành phần chính gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa cho nguồn tiếp nhận, trước đây photpho thường được loại bỏ bắng cách sử dụng phèn hoăc các ion muối, cho đến đầu năm 1980 thi công nghệ loại bỏ photpho bằng phương pháp sinh học mới được áp dụng [10] So với phương pháp hóa học thi loại bỏ photpho bằng phương pháp sinh học giàm chi phí hóa chất và giảm lượng bùn thấp hơn

Trong quá trĩnh loại bỏ photpho bằng phương pháp sinh học, photpho trong dòng nước thải được hấp thụ vào sinh khối tế bào và sau đó được loại bỏ ra khỏi quá trình thông qua việc xả thải bùn thải, vsv tích lũy photpho (PAOs) được tạo điều kiện phát triễn

và tiêu thụ photpho trong hệ thống hơn là những vsv khác Quá trình loại bỏ photpho dựa trên những khả năng sau:

- Nhiều vi khuẩn có khả năng dự trữ một lượng dư photpho như polyphosphat trong tế bào của chúng

- Dưới điều kiện kỵ khí, PAOs sẽ chuyển hóa những sản phẩm lên men ( như axit béo bay hơi) thành những sản phẩm dự trữ bên trong tế bào, đồng thời phóng thích PO43'

từ những polyphosphat được dự trữ

- Dưới điều kiện hiếu khí, năng lượng được sinh ra từ phản ứng oxy hóa những sản phấm dự trữ và khi đó polyphosphat tích lũy trong tế bào tăng lên

Hình 1.5 Quá trình khử photpho

Photpho trong nước tần tại ờ dạng như: ortho - photpho, polyphotphate và các hựp chất photpho hữu cơ Các phản ứng liên quan đến quả trinh tích lũy photpho trong nước (Pattarkỉne và Randall, 1999):

❖ Quá trình xảy ra trong vùng ky khí

Acetate là sản phẩm lên men của bsCOD, những hợp chất hữu cơ hòa tan cỏ thề được tiêu thụ dễ dàng bồi sinh khối

Sử dụng năng lượng sẵn có từ polyphosphat được tích lũy, PAOs tiêu thụHàm lượng PHB trong PAOs tăng lên trong khỉ polyphosphat gỉảm

❖ Quá trình xảy ra ở vùng thiếu khí

- PHB tích lũy được chuyển hóa, cung cấp năng lượng từ phản úng oxy hóa và cung cấp carbon cho sinh trưởng tế bào mới

- Năng lượng được sinh ra từ phản ứng oxy hóa PHB được sử dụng tạo thành các liên kết polyphosphat trong tế bào dự trữ để những orthophotphat (O-PO4) hòa tan

được tách ra khỏi dòng nước thải và hợp nhất vào polyphotphat trong tế bào vi khuẩn

- Sự phát triển của tế bào chỉ xảy ra do sự tiêu thụ PHB và sinh khối mới được dự trữ nhiều polyphotphat dựa trên việc loại bỏ photpho

- Cũng như một phần sinh khối được thải bỏ, photpho tích lũy được loại bỏ từ bể phản ứng xử lý sinh học từ việc thải bỏ bùn

Sư phân sỉảỉ photpho của quả trình thiếu khỉ bởi sinh Vât tích lũy ph.otph.ate (PAOs- Photohate Accumulating Organisms):

PAOs + stored polyphotphate + Mg 2+ + K+ + Glycogen +VFA —> PAOs + stored biopolymers + Mg2+ + K+ + CO2 + H20 + PO43 ' (phân giải)

Hấp thu photpho của quả trình sinh hoc hiểu khí:

PAOs + stored biopolymers + Mg 2+ + K+ + O2 ( hoặc NO3') + PO43 ' —> PAOs + polyphotphate + Mg2+ + K+ + Glycogen +CO2 + H20 (hấp thụ)

Khi các sinh vật tích lũy photphate (PAOs) phát triển thi hiệu quả xử lý photpho

sẽ gia tăng và PAOs là nhân tố đầu tiên cho quá trình thiếu khí và sau đó là quá trình hiếu khí Trong điều kiện thiếu khí, vi khuẩn bẻ gãy các liên kết năng lượng của polyphotphate để tạo thành PO4 ', đồng thời tiêu thụ chất hữu cơ ở dạng axit béo dễ bay hơi (VFAs) hoặc các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học VFAs bao gồm các hợp chất axit cacbonxylic mạch ngắn như acetic, Propionic, butyric và valeric Khi các vi khuẩn này tiếp tục qua điều kiện hiếu khí, chúng sẽ giữ lại phân tử polyphotphate Quá trĩnh tích lũy photphate vào tế bào vi khuẩn sẽ làm giảm nồng độ photphate trong nước đầu

ra Khi hệ sinh vật được loại bỏ thì photphate cũng được loại bỏ theo

Theo WEF và ASCE (1998) khi các hợp chất PAOs được tiếp xúc với môi trường thiếu khí theo sau bởi một vùng hiếu khí thì hiệu quả khử photpho cao gấp 2,5 đến 4 lần so với quá trĩnh bùn hoạt tính thông thường

❖ Các yếu tố anh hưởng đến quá trĩnh khử photpho Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trĩnh khử photpho được trinh bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử photpho

Hiệu suất cảu hệ thống sẽ không bị ảnh hưởng nếu nồng độ DO trong bể hiếu khí cao hơn lmg/L ở pH dưới 6.5 thi hiệu suất loại bỏ photpho sẽ giảm mạnh [10]

Neu một lượng DO hoặc nitrat đi vào bể kỵ khí, thi acetate có thể

bị cạn kiệt trước khi nó bị hấp thụ bởi PAOs, do những vsv

trong bể ky khí có xu hướng ưu tiên sử dụng nguồn carbon cho quá trình khử nitrat, và quá trình tích lũy PHB và giải phóng photphat của PAOs chỉ xảy ra cho đến khi quá trình khử nitrat kết thúc Vĩ vậy hiệu suất xử lý photpho sẽ bị cản trở [3], [4]

Trong hệ thống loại bỏ photpho sinh học, lượng cation (Mg K, Ca) liên kết với polyphosphate phải có sẵn Tỉ lệ mol tối ưu giữa các cation Mg:K:Ca là 0,71:0,5:0,25 Do đó, đối với 10mg/L, p đầu vào thi cần 5,6mg/L, Mg 6,3mg/L và 3,2 mg/L Ca [10]

1.2.4 Xử lý đồng thời nito và photpho bằng phương pháp sinh học

Việc loại bỏ đồng thòi nito và photpho bằng phưcmg pháp sinh học là việc kết hợp các phương pháp loại bỏ nito sinh học và photpho sinh học trong cùng một hệ thống, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vsv có chức năng loại bỏ đồng thời nito và photpho trong nước thải

I.2.4.I Các hệ thống kết họp xử lý đồng thời nito và photpho Các hệ thống kết hợp

có khả năng xử lý đồng thời nito và photpho là những hệ thống kết hợp giữa các vùng

kỵ khí/ thiếu khí/ hiếu khí đế tạo điều kiện thuận lọi cho sự sinh trưởng và phát triễn của vsv có chức năng loại bỏ nito và photpho