Mục đích nghiên cứu của đề tài là 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.
Trang 1HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-
TRỊNH XUÂN ĐỨC
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT
LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 9 52 03 20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
HÀ NỘI – 2018
Trang 2Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Đức Hạ
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TSKH Ngô Quốc Bưu
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3MỞ 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 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
Kết quả khảo sát của Liên đoàn địa chất thủy văn - Địa chất công trình miền Bắc lại cho thấy hàm lượng ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, có những nơi cao gấp 10 - 20 lần
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
Trang 4mức 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
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)
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
Trang 5nhẹ dễ chuyển động trong nước, trong điều kiện không bổ sung
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
(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
Trang 6mang 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
2.3 Phạm vi
Nước ngầm vùng Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với nồng độ nhỏ hơn 25 mg/L (20 mgN/L), bao gồm cả khu vực đô thị và nông thôn Ngoài ra cũng có thể áp dụng cho các NMN ở các vùng khác có nguồn nước bị ô nhiễm amoni bao gồm cả nước mặt
2.4 Đối tượng
- Vật liệu mang DHY với tiết diện bề mặt cao
6000-8000 m2/m3 với quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời
Trang 7trong điều kiện hiếu khí
- Hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động
(MBBR) tích hợp bể lọc tự rửa (DHK)
2.5 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
Trang 8CHƯƠNG 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 ô nhiễm amoni vùng Hà Nội
Hầu hết nước ngầm Hà nội có hàm lượng sắt trong khoảng 3-20 mg/L cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn nước sạch là 0,3 mg/L Ngoài ra một số khu vực còn có hàm lượng mangan và chất hữu cơ cao hơn tiêu chuẩn khoảng từ 1-5 lần
so với tiêu chuẩn nước sạch của mangan là 0,3 mg/L và chất hữu cơ là 2 mg/L 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) so với tiêu chuẩn nước sạch
là 3 mg/L (2,3 mgN/L)
Với công nghệ xử lý nước hiện nay của Hà Nội chủ yếu là chỉ hướng tới việc loại bỏ sắt, mangan trong nước ngầm với dây chuyền là làm thoáng, lắng tiếp xúc và lọc nhanh trọng lực Chất lượng nước sau xử lý đảm bảo quy chuẩn quốc gia QCVN 01:2009/BYT ngoại trừ chỉ tiêu amoni hầu như không được xử lý Theo kết quả khảo sát thì qua dây chuyền xử lý nước hiện nay thì hàm lượng amoni giảm xuống so với đầu vào khoảng 10-20% như vậy nước cấp vào thành phố hàm lượng amoni vẫn trong khoảng 5-20 mg/L (4-18 mgN/L) cao hơn so
với tiêu chuẩn là 3 mg/L (2,3 mgN/L)
1.2 Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học
Quá trình xử lý amoni bằng sinh học có thể thực hiện theo 3 quá trình chính: (1) truyền thồng là thực hiện thông qua nitrat hóa (nitrification) và khử nitrat (denitrification); (2)
Trang 9Anammox là quá trình oxy hóa amoni yếm khí trong đó amoni
và nitrit được oxy hóa khử một cách trực tiếp thành khí nitơ; (3) Sharon là quá trình nitrat hóa một phần, sản phẩm của quá trình cũng là nitrit và sau đó khử nitrit về dạng khí nitơ là nguyên tắc xử lý “đi tắt” của quá trình Đối với việc xử lý theo quá trình Anammox và Sharon có thể tiết kiệm được khoảng 25% lượng oxy và 40% chất hữu cơ, tuy nhiên các quá trình này đòi hỏi sự kiểm soát khắt khe và tương đối phức tạp trong quá trình vận hành Vì vậy trong luận văn này tập trung nghiên cứu xử lý amoni theo quá trình truyền thống là nitrat hóa và khử nitrat về dạng khí nitơ
1.3 Kỹ thuật màng vi sinh
1.3.1 Vật liệu mang vi sinh
Vật liệu mang DHY làm từ Polyurethan do công ty sản xuất, diện tích bề mặt của vật liệu mang được tính toán dựa trên kích thước hình học của giá thể và cấu trúc xốp của nó, chính những lỗ nhỏ li ti bên trong giá thể tạo ra những bề mặt cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật; cơ chế khuếch tán và trao đổi chất tương tự như màng sinh học cố định Do
đó, quá trình chuyển khối trong hệ mang chuyển động cao hơn
so với hệ mang cố định
Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY làm từ nhựa polyurethan (PU) có độ rỗng xốp cao từ 92 - 96%, diện tích bề mặt lớn có thể đạt tới 15.000 m2/m3 vật liệu (thông thường từ 6.000 – 8.000 m2/m3) Do cấu trúc xốp của vật liệu mang nên
nó có trọng lượng riêng rất nhỏ khoảng 33 kg/m3, tính linh động của giá thể cao, hạn chế được di chuyển của dòng khí O2
Trang 10ra khỏi bể, theo đó giảm được áp lực, thể tích khí yêu cầu cấp vào bể, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành Tỷ lệ vật liệu mang trong bể khoảng 20-30%
1.3.2 Bể sinh học sử dụng màng vi sinh chuyển động (MBBR)
Công nghệ màng sinh học là một giải pháp đã được áp dụng phổ biến ở nhiều nhà máy xử lý nước, như bể lọc sinh học nhỏ giọt (BF), đĩa quay sinh học (RBC), màng sinh học ngập nước với các loại vật liệu lọc rất đa dạng Tỷ lệ vật liệu mang trong bể rất cao thường là từ 40-100%, nhưng hiệu quá
xử lý amoni của chúng không cao (chỉ đạt khoảng 60-70%), công trình lớn và dễ bị tắc Kỹ thuật màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor - MBBR) Với công nghệ này nó
đã giải quyết được các vấn đề còn tồn tại trong các bể sinh học
sử dụng màng cố định như giảm được khối tích công trình, giảm chi phí năng lượng và đặc biệt tăng hiệu quả xử lý amoni một cách đáng kể khoảng 90-95%
1.4 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và Quốc tế
Những vấn đề còn tồn tại trong công nghệ xử lý amoni hiện nay là phải xây dựng nhiều bể để tách các quá trình xử lý, vật liệu mang sử dụng có tiết diện bề mặt thấp, tỷ trọng lớn, phải bổ sung cơ chất để khử nitrat hoặc tuần hoàn nước, kiểm soát nồng độ ô xi chặt chẽ, tiêu tốn năng lượng và quản lý vận hành phức tạp
Phương pháp lọc sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi sinh cho phép tăng mật độ vi sinh trên một đơn vị thể tích với mức độ có thể cao hơn tới mười lần so với kỹ thuật bùn hoạt
Trang 11tính và vì vậy tăng đáng kể hiệu quả xử lý Mặt khác, trong màng vi sinh còn diễn ra quá trình tự chọn lọc và tăng cường mật độ của loại vi sinh có tốc độ phát triển chậm Khó khăn về phương diện vận hành hệ thống xử lý là hạn chế về quá trình chuyển khối (cung cấp thức ăn cho vi sinh trong màng có độ dày tới mm) cho vi sinh vật với mật độ cao Các dạng kỹ thuật phản ứng tầng lưu thể (fluidized bed), tầng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR ) được nghiên cứu phát triển nhằm thúc đẩy quá trình chuyển khối trong hệ xử lý, khắc phục những hạn chế của các kỹ thuật sử dụng màng vi sinh khác như lọc nhỏ giọt đĩa quay sinh học, lọc ngập tầng tĩnh
Kỹ thuật tầng chuyển động có hiệu quả thấp hơn tầng lưu thể vì diện tích chất mang thấp hơn nhưng có lợi thế về mặt vận hành đơn giản, thích hợp với qui mô xử lý vùa và nhỏ ở Việt Nam Kỹ thuật vận hành hệ xử lý tầng lưu thể đồi hỏi trình
độ tự động hóa rất cao
Vì vậy, hướng nghiên cứu tiếp theo là phải tích hợp được các quá trình xử lý sinh học trên vật liệu mang vi sinh phù hợp, tích hợp được các bể xử lý dưới dạng modul
Trang 12CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 2.1 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Với phạm vi nghiên cứu là nước ngầm Hà Nội
Với đối tượng nghiên cứu là hệ thiết bị xử lý amoni sử dụng vật liệu mang di động DHY, tích hợp với bể lọc tự rửa Thiết bị này được lắp đặt phía sau bể lọc nhanh hiện có của nhà máy nước Yên Xá (nước sau lọc và chưa được khử trùng bằng clo hoạt tính) Công suất của pilot hiện trường là 5m3/h Các quá trình nitrat hóa và khử nitrat bên trong vật liệu mang trong điều kiện hiếu khí, xác định các thông số động học, thông số tính toán thông quá hệ thí nghiệm theo mẻ và liên tục trong điều kiện phòng thí nghiệm Triển khai thiết kế và chạy thử pilot hiện trường để kiểm chứng kết quả và đề xuất bộ thông số tính toán, thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni cho nước ngầm
Thiết kế và chạy thử pilot hiện trường để kiểm chứng kết quả và đề xuất thông số tính toán, thiết kế bể sinh học MBBR xử lý amoni dạng modul
2.2 Xác định các thông số động học
2.2.1 Quá trình nitrat hóa
Để thiết kế một hệ thống xử lý nước theo mô hình động học thì phải biết các giá trị cả các hằng số động học
Các giá trị đặc trưng cho quá trình động học gồm hệ số tiêu thụ cơ chất k (µ/Y), chỉ số bán bão hòa Ks, hằng số phân hủy nội sinh kp chỉ có thể được xác định được từ thực nghiệm đối với một hệ thí nghiệm cụ thể
Hệ thí nghiệm là một bình phản ứng chứa nồng độ vi
Trang 13sinh X, được khuấy trộn đều hoạt động liên tục (trong đó tốc độ
dòng vào bằng dòng ra Nồng độ cơ chất ở dòng vào là S0, tại
đầu ra là S Nồng độ vi sinh tại đầu vào là X0 (g/l) , đầu ra là
Xe (g/l)
Cơ chất được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp tế bào,
còn một phần tham gia phản ứng sinh hóa để tạo ra năng lượng,
số lượng tế bào vi sinh tạo thành tương ứng với sự hao hụt của
cơ chất trong hệ Khi đó tốc độ sinh trưởng tế bào Vg(g/l.d)
từng chủng loại vi sinh vật hay là hằng số phát triển riêng Gọi
vsu là tốc độ suy giảm cơ chất khi đó:
vg = -Y.vsu (2-17) (2-17)
Trong đó Y là hiệu suất sinh khối mang ý nghĩa là khi
tiêu hao một lượng cơ chất sẽ sinh ra được một lượng sinh khối
nào đó (g/g), dấu (-) chỉ hai quá trình ngược nhau
Tuy nhiên nhu cầu vật chất để vi sinh vật phát triển phù
hợp với biểu thức (2-17) rất ít khi được thỏa mãn Khi nhu cầu
chính không đáp ứng được thì tốc độ sinh trưởng sẽ giảm Mức
độ suy giảm được quy về cho sự biên đổi giá trị hằng số phát
triển riêng, vì vậy theo động học Monod, µ được tính toán như
sau:
max
S
S
Kết hợp 2 phương trình (2-16), (2-17) và (2-18) ta có: