Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu mang vi sinh chuyển động nhằm tăng cường xử lý nitơ trong nước thải đô thị

Trạm xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng với nhiều ưu điểm như loại bỏ tốt các chất hữu cơ, xử lý được các hợp chất Nitơ và Photpho, hạn chế sử dụng hóa chất, ít phát si

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Hà Nội – Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động nhằm tăng cường Nitơ trong nước thải đô thị” là một công trình nghiên cứu độc lập, không có sự sao chép từ các công trình nghiên cứu khác Đề tài là một sản phẩm mà em và toàn bộ nhóm nghiên cứu đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài mã số QG.17.21 Trong quá trình viết bài có sự tham khảo một số tài liệu

có nguồn gốc rõ ràng, dưới sự hướng dẫn của TS Trần Thị Huyền Nga và PGS.TS

Lê Văn Chiều Em xin chịu mọi trách nhiệm về các thông tin được công bố trong luận văn của cá nhân em

Học viên

Trần Thị Thu Hoài

Em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lê Văn Chiều Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em gặp không ít khó khăn, Thầy đã tận tình chỉ bảo em tìm hướng tháo gỡ giải quyết các vấn đề một cách hợp lý nhất để hoàn thành luận văn này

Đặc biệt, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Thị Huyền Nga, cô đã tận tình chỉ dạy em trong học tập, hỗ trợ em trong những lúc khó khăn

Em xin gửi lời cảm ơn đến nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc Gia Hà Nội thông qua đề tài mã số QG.17.21

Sau cùng, em muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè và gia đình, những người luôn động viên và tạo điều kiện giúp em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống

để hoàn thành khóa học

Học viên

Trần Thị Thu Hoài

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6

1.1 Nước thải đô thị và các công nghệ xử lý nước thải đô thị 6

1.1.1 Tổng quan về nước thải đô thị 6

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải đô thị hiện nay 10

1.2 Công nghệ MBBR và vật liệu mang 16

1.2.1 Công nghệ MBBR trong xử lý nước thải 16

1.2.2 Vật liệu mang và đặc tính của vật liệu mang 23

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng nghiên cứu 28

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Phương pháp thu thập, kế thừa, tổng hợp tài liệu 28

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 28

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 36

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu chế tạo được 38

3.1.1 Kết quả quan sát vật liệu 38

3.1.2 Kết quả đánh giá cấu trúc của vật liệu 40

3.2 Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của mô hình xử lý khi có vật liệu mang 43

3.2.1 Đặc trưng nước thải tại trạm xử lý tập trung Kim Liên 43

3.2.2 Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của hệ MBBR có sử dụng vật liệu mang mới 45

3.2.3 Đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống MBBR 54

KẾT LUẬN 56

KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 BET Brunauer, Emmett và Teller

3 BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học

4 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học

6 F/M Food over Microorganism Tỷ lệ thức ăn trên sinh khối

7 HRT Hydraulic Retention time Thời gian lưu nước

8 MBBR Moving Bed Biofilm Reactor Giá thể mang màng sinh học

11 SS Suspended Solids Chất rắn lơ lửng

12 SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn

14 TOC Total Organic Carbon Tổng các bon hữu cơ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân loại chất rắn trong nước thải 8

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải thông thường 11

Hình 1.3 Chu trình Nitơ – Cơ sở quá trình sinh học loại nitơ 13

Hình 1.4 Quá trình Ludzack – Ettinger 15

Hình 1.5 Quá trình Ludzack – Ettinger cải tiến 15

Hình 1.6 Chuyển động của VLM trong bể MBBR hiếu khí và thiếu khí 17

Hình 2.1 Nguyên liệu chế tạo đá rỗng thủy tinh 29

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả thí nghiệm 29

Hình 2.3 Micromeritics Gemini VII 2390 phân tích diện tích bề mặt 31

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ mô hình MBBR 32

Hình 2.5 Cấu tạo hệ thống MBBR 33

Hình 2.6 Mô hình MBBR thực tế 34

Hình 3.1 Mẫu M1 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh 38

Hình 3.2 Mẫu M2 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh 38

Hình 3.3 Mẫu M3 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh 38

Hình 3.4 Mẫu M4 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh 39

Hình 3.5 Mẫu M5 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh 39

Hình 3.6 Mẫu M6 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh 39

Hình 3.7 Mẫu M3 (a) dạng viên (b) sau khi đập nhỏ và mài 40

Hình 3.8 Hình ảnh chụp mẫu đá M3 bằng kính hiển vi (X100) 42

Hình 3.9 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải của trạm xử lý Kim Liên 43

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc tính nước thải sinh hoạt thông thường nhìn chung 7

Bảng 1.2 Các công trình nghiên cứu về MBBR trên thế giới 19

Bảng 1.3 Tổng hợp ưu điểm, nhược điểm của MBBR 23

Bảng 1.4 Đặc điểm của một số VLM 24

Bảng 1.5 Các nghiên cứu sử dụng VLM 26

Bảng 2.1 Tỷ lệ phối trộn các nguyên liệu theo trọng lượng 29

Bảng 2.2 Kích thước thiết kế của mô hình 33

Bảng 2.3 Các thông số vận hành hệ pilot 34

Bảng 2.4 Tần suất và vị trí lấy mẫu phân tích 35

Bảng 2.5 Chỉ tiêu và phương pháp phân tích 36

Bảng 3.1 Một số tính chất của vật liệu 41

Bảng 3.2 So sánh diện tích bề mặt của mẫu đá và VLM trên thị trường 42

Bảng 3.3 Đặc tính nước thải của trạm XLNT Kim Liên 44

Bảng 3.4 Đặc tính nước thải của trạm XLNT Kim Liên năm 2013 44

Bảng 3.5 So sánh hiệu quả xử lý của hệ thống và các công trình khác 54

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 2.1 Quá trình gia nhiệt với NaHCO3 và CaCO3 30

Biểu đồ 3.1 Biến thiên pH trong thí nghiệm không có VLM 45

Biểu đồ 3.2 Biến thiên pH trong thí nghiệm có VLM 45

Biểu đồ 3.3 Biến thiên nhiệt độ trong thí nghiệm không có VLM 46

Biểu đồ 3.4 Biến thiên nhiệt độ trong thí nghiệm có VLM 46

Biểu đồ 3.5 Biến thiên DO trong thí nghiệm không có VLM 47

Biểu đồ 3.6 Biến thiên DO trong thí nghiệm không có VLM 47

Biểu đồ 3.7 Hiệu quả loại bỏ COD của hệ thống khi không có VLM 48

Biểu đồ 3.8 Hiệu quả loại bỏ COD của hệ thống khi có VLM 48

Biểu đồ 3.9 Hiệu quả loại bỏ TN của hệ thống khi không có VLM 49

Biểu đồ 3.10 Hiệu quả loại bỏ TN của hệ thống khi có VLM 50

Biểu đồ 3.11 Hiệu quả loại bỏ NH4+ của hệ thống khi không có VLM 51

Biểu đồ 3.12 Hiệu quả loại bỏ NH4+ của hệ thống khi có VLM 51

Biểu đồ 3.13 Hiệu quả loại bỏ NO3- của hệ thống khi không có VLM 52

Biểu đồ 3.14 Hiệu quả loại bỏ NO3- của hệ thống khi có VLM 53

MỞ ĐẦU

Vấn đề xử lý nước thải tại các đô thị nói chung, Hà Nội nói riêng đã được quan tâm từ lâu, trong quy hoạch thành phố các trạm xử lý nước thải tập trung luôn được chú ý Trạm xử lý nước thải Kim Liên, Hà Nội là một trong những trạm xử lý

sử dụng công nghệ xử lý nước thải đô thị phổ biến hiện nay Trạm xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng với nhiều ưu điểm như loại bỏ tốt các chất hữu cơ, xử lý được các hợp chất Nitơ và Photpho, hạn chế sử dụng hóa chất, ít phát sinh độc tố/chất thải thứ cấp trong quá trình xử lý, thân thiện với môi trường

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm là những nhược điểm như: xử lý Nitơ chưa hiệu quả, vấn đề kiểm soát bùn gặp nhiều khó khăn cũng là một nhược điểm lớn của hệ bùn hoạt tính lơ lửng Để khắc phục các nhược điểm trên rất nhiều các giải pháp công nghệ đã và đang được nghiên cứu như công nghệ giá thể mang màng

vi sinh chuyển động, đĩa quay sinh học, lọc nhỏ giọt hoặc tổ hợp (lai ghép) của các công nghệ trên Mỗi phương pháp công nghệ đều có những ưu, nhược điểm riêng Nhìn chung các phương pháp đều hướng tới việc tăng hiệu quả xử lý bằng cách tăng mật độ vi sinh (trên một đơn vị thể tích) Công nghệ giá thể mang màng vi sinh chuyển động (MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor) đáp ứng được tiêu chí đó Điểm nổi bật nhất của công nghệ MBBR là vật liệu mang làm giá thể cho vi sinh bám vào chuyển động trong môi trường nước thải nhờ dòng khí cấp cho vi sinh hiếu khí hoạt động Vi sinh vật trong bể hiếu khí sẽ tồn tại ở hai trạng thái: huyền phù trong nước và ở màng vi sinh trong chất mang Chính quá trình chuyển động của chất mang giúp tăng mật độ vi sinh trên một đơn vị thể tích, phân bố bùn trong không gian được đồng đều hơn Lớp màng vi sinh bám trên chất mang thực hiện đồng thời quá trình nitrat hóa và khử nitrat, nhờ vậy nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng về phương diện kinh tế công nghệ MBBR có hạn chế là vật liệu mang cần phải nhập khẩu, giá thành cao tại Việt Nam dẫn đến hạn chế việc áp dụng Hiện tượng bào mòn các giá thể cũng là vấn đề cần được quan tâm Hiện tượng này xảy ra khi các giá thể chuyển động trong bể và va chạm

vào nhau, làm cho lớp màng hình thành trong giá thể dễ bong tróc, do đó làm giảm hiệu quả xử lý

Để khắc phục “nhược điểm” nói trên của công nghệ MBBR, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu mang vi sinh chuyển động nhằm tăng cường xử lý Nitơ trong nước thải đô thị” là cần thiết, góp phần cải thiện hiệu quả xử lý nước thải đồng thời đơn giản hóa công nghệ vận hành và giảm chi phí xử lý nước thải

* Mục tiêu của đề tài

- Chế tạo vật liệu mang vi sinh vật chuyển động thích hợp cho xử lý nước thải

đô thị

- Nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ trong nước thải đô thị bằng hệ bùn hoạt tính có

sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động mới chế tạo

* Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo vật liệu mang tăng tính năng mang vi sinh vật chuyển động

- Đánh giá đặc tính hóa lý và khả năng ứng dụng để xử lý nước thải của vật liệu mang vi sinh chế tạo được

- Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của hệ bùn hoạt tính có sử dụng vật liệu mang mới trong mô hình xử lý công suất 0,5 m3/ngày đêm quy mô phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nước thải đô thị và các công nghệ xử lý nước thải đô thị

1.1.1 Tổng quan về nước thải đô thị

Nước thải là nước được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng Đó cũng là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp hoặc công nghệ xử lý Theo cách phân loại này, có các loại nước thải sau, [3]

- Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho mục đích sinh hoạt của con người: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh, Một số hoạt động công cộng hoặc dịch vụ như bệnh viện, trường học, khách sạn, nhà hàng, cũng tạo ra loại nước thải có thành phần, tính chất giống nước thải sinh hoạt;

- Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất);

- Nước thải tự nhiên (nước mưa, nước lũ, …);

- Nước thải đô thị (thuật ngữ chung chỉ hỗn hợp các loại nước thải trong hệ thống cống thoát nước của một thành phố);

Đối với các khu dân cư không chứa làng nghề, chỉ chú trọng về ngành dịch vụ như khu vực nghiên cứu thì thành phần chủ yếu trong nước thải đô thị chính là nước thải sinh hoạt, [3] Nước thải sinh hoạt gồm hai loại:

- Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm như chất hữu cơ, vi sinh vật và cặn lơ lửng

- Nước xám là nước phát sinh từ các quá trình: tắm, giặt, rửa,

Để quản lý tốt chất lượng môi trường nước cũng như thiết kế, lựa chọn công nghệ và thiết bị xử lý phù hợp cần hiểu rõ bản chất của nước thải Có rất nhiều thông số về chất lượng nước,nhóm các thông số quan trọng trong nước thải có liên quan tới mức độ ô nhiễm và công nghệ xử lý được liệt kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Đặc tính nước thải sinh hoạt thông thường nhìn chung, [22]

TT Chỉ tiêu Đơn vị Trong khoảng Trung bình

một số lớn vi sinh vật Các vi sinh vật thường là vi sinh đường ruột như E.coli,

Coliform,… và các vi sinh vật gây bệnh như virus, vi khuẩn Đồng thời trong nước

thải có cả vi sinh vật phân hủy chất ô nhiễm, [3] Một vài thông số chính có liên quan nhiều đến công nghệ xử lý nước thải sẽ được trình bày chi tiết sau đây

a) Hàm lượng chất rắn

Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải Theo kích thước của hạt rắn, tổng chất rắn được phân thành các loại: chất rắng lơ lửng, chất rắn keo và chất rắn tan (được trình bày trong hình 1.1)

Chất rắn tan Chất rắn keo Chất rắn lơ lửng

b) Hàm lượng oxy hòa tan DO

Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hòa tan,

vì oxy không thể thiếu đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản

và tái sản xuất Tuy nhiên oxy lại là chất khí khó hòa tan trong nước, không tác dụng với nước về mặt hóa học Độ hòa tan của nó phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nước, [3]

Để xác định hàm lượng oxy hòa tan trong nước người ta thường sử dụng các máy đo DO có độ chính xác cao phục vụ nghiên cứu và quan trắc môi trường Việc xác định thông số về hàm lượng oxy hòa tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện của quá trình phân hủy hiếu khí trong xử lý nước thải, [3]

c) Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải BOD được định nghĩa là lượng oxy vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ Như vậy BOD

biểu thị lượng các chất hữu cơ trong nước có thể bị phân hủy bằng các vi sinh vật Trong công nghệ môi trường BOD được dùng rộng rãi để:

- Xác định gần đúng khối lượng oxy cần thiết để ổn định sinh học các chất hữu

cơ có trong nước thải;

- Xác định kích thước thiết bị xử lý;

- Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình;

Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ do tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC, ký hiệu BOD5 Chỉ tiêu này đã được chuẩn hóa và sử dụng ở hầu khắp các nước trên thế giới, [3]

d) Nhu cầu oxy hóa học COD

Chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hóa hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải và nước tự nhiên Nhu cầu oxi hoá học (COD) được định nghĩa là nồng

độ khối lượng của oxi tương đương với lượng dicromat (hoặc KMnO4) tiêu tốn bởi các chất lơ lửng và hoà tan trong mẫu nước khi mẫu nước được xử lý bằng chất oxi hoá đó ở điều kiện xác định, [1] Như vậy, COD là lượng oxy cần để oxy hoá toàn

bộ các chất hoá học trong nước, trong khi đó BOD là lượng oxy cần thiết để oxy hoá một phần các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ bởi vi sinh vật.Toàn bộ lượng oxy

sử dụng cho các phản ứng trên được lấy từ oxy hoà tan trong nước (DO) Do vậy nhu cầu oxy hoá học và oxy sinh học cao sẽ làm giảm nồng độ DO của nước, có hại cho sinh vật nước và hệ sinh thái nước nói chung BOD tỷ lệ thuận với COD và tỷ

lệ nghịch với DO Nói cách khác BOD, COD càng cao thì nước càng ô nhiễm và ngược lại, [1,3]

e) Các chất dinh dưỡng

Hàm lượng Nitơ

Nitơ và photpho là những nguyên tố chủ yếu cần thiết cho các sinh vật phát triển Chúng được biết đến như là những chất dinh dưỡng hoặc kích thích sinh học

Nitơ có thể tồn tại ở các dạng chủ yếu sau: nitơ hữu cơ (N-HC), nitơ dạng amoniac (N-NH3), nitơ dạng nitrit (N-NO2), nitơ dạng nitrat (N-NO3) và khí nitơ tự do (N2)

Vì nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào tổng hợp protein nên số liệu về nitơ rất cần thiết để xác định khả năng có thể xử lý một loại nước thải nào đó bằng các quá trình sinh học, [2, 5]

Chỉ tiêu nitơ trong nước cũng được xem như là chất chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nước vì amoniac (NH3) tự do là sản phẩm của quá trình phân hủy các chất chứa protein, nghĩa là ở điều kiến hiếu khí xảy ra quá trình oxy hóa:

Protein  NH3 (Nitrosomonas)  NO2 (Nitrobacter) NO3

Hàm lượng Photpho

Giống như Nitơ, photpho cũng là chất dinh dưỡng rất cần thiết cho vi sinh vật Tuy nhiên, khi hàm lượng quá cao sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng gây ô nhiễm môi trường nước Việc kiểm soát nitơ và photpho sẽ giúp kiểm soát quá trình xử lý nước thải bằng các biện pháp sinh học, [2, 5]

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải đô thị hiện nay

Công nghệ xử lý nước thải đã phát triển từ rất lâu đến thời điểm hiện nay, các công nghệ vẫn được tiếp tục nghiên cứu và phát triển nhằm đáp ứng được các nhu cầu mới phát sinh Đặc trưng rõ nhất là tiêu chuẩn xả thải được sửa đổi ngày càng chặt chẽ hơn số lượng chỉ tiêu ngày càng nhiều hơn và nồng độ thải cho phép thấp hơn Có thể đánh giá mức độ phát triển của công nghệ xử lý nước thải qua 4 bậc xử

lý được thể hiện trong hình 1.2, [2, 5]:

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải thông thường [2, 5]

Xử lý bậc 1 (bậc thấp nhất): chỉ có khả năng tách loại được các tạp chất trong nước có thể nhận biết bằng cảm quan (màu, độ đục, mùi ) Các phương pháp xử lý bậc 1 thường là các biện pháp cơ học thường thấy là: song chắn rác, lưới chắn rác,

bể điều hòa, bể lắng, lọc cơ học, tách dầu mỡ, … Phương pháp xử lý cơ học được

sử dụng dựa vào các lực vật lý như lực trọng trường, lực ly tâm… Đây là phương pháp xử lý sơ bộ nước thải trước khi xử lý bằng phương pháp hóa lý, hóa học và sinh học để tách các tạp chất không hoà tan, các hạt lơ lửng có kích thước đáng kể

ra khỏi nước thải, [2, 5]

Xử lý bậc 2: tập trung vào loại bỏ các chất hữu cơ (COD, BOD) để tránh sự phân hủy của chúng trong nước, sẽ tạo ra mùi hôi và giảm nồng độ oxy hòa tan Xử

lý bậc 2 có lịch sử hình thành từ những năm 90 của thế kỷ 19 Các phương pháp xử

lý bậc 2 thường là các phương pháp hóa lý như: keo tụ tạo bông, tuyển nổi,… kết hợp cả quá trình sinh học như lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học, bùn hoạt tính, … Hiệu suất xử lý có thể lên tới tới 80% tại cấp xử lý này Tuy nhiên xử lý bậc 2 lại không xử lý được các thành phần sinh dưỡng như Nitơ và photpho Vì vậy công nghệ xử lý bậc 3 được nghiên cứu để xử lý hiệu quả hơn, [2, 5]

Bùn hoạt tínhLọc sinh học Tuyển nổi

…

Xử lý bậc 3 Oxy hóa nâng cao

Hấp phụ Ozon, clo hóa Hấp thụ

…

Xử lý bậc 4 Trao đổi ion

Điện thẩm tách

Vi lọc

Thẩm thấu ngược

…

Xử lý bậc 3 (tách loại thành phần sinh dưỡng): được nghiên cứu vào thập kỷ

1980 khi phát hiện hiện tượng phú dưỡng trong nước do thành phần nitơ và photpho trong nước thải Công nghệ xử lý bậc 3 vẫn đang được nghiên cứu tiếp tục phát triển nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thực tiễn Các phương pháp xử lý bậc 3 hiện nay là kết hợp các quá trình xử lý sinh học khác nhau như sinh học hiếu khí và yếm khí, hiếu khí và hiếu khí tùy nghi,… Ngoài các biện pháp sinh học cũng có các biện pháp hóa học, hóa lý như phản ứng oxy hóa khử nâng cao, hấp phụ bằng than hoạt tính, clo hóa, ozon hóa, …[3]

Xử lý bậc 4: tập trung vào các đối tượng chất hữu cơ có hàm lượng rất nhỏ trong nước thải có tính độc cao, là những chất có khả năng gây ung thư và đột biến gien, bệnh thần kinh, gây quái thai (hooc môn, kháng sinh…) Các phương pháp xử

lý bậc 4 thường gồm quá trình vi lọc, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách,… Nước sau bậc xử lý này có độ tinh khiết cao tuy nhiên chi phí cho xử lý lại quá cao mà hiệu suất xử lý không cao nên bậc xử lý này chỉ áp dụng cho nước có yêu cầu vô cùng khắt khe về chất lượng ví dụ như nước sử dụng cho y tế, nước sản xuất dược phẩm, …

Xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt

Việc lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào đặc tính của nước thải và tiêu chuẩn chất lượng dòng thải cần đạt Nhìn chung tất cả các phương pháp và quá trình

xử lý nước thải đều dựa trên cơ sở các quá trình vật lý, hóa học và sinh học Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam hiện nay đã vươn tới xử lý cấp 3 do các quy chuẩn công nghệ đòi hỏi mức độ làm sạch cao hơn Tuy nhiên hiệu quả xử lý chưa cao và quá trình vận hành còn gặp nhiều vấn đề do quá trình chuyển hóa nitơ khá phức tạp

Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa học (oxy hóa trực tiếp amoniac thành khí nitơ bằng clo hoạt động/ozon), vật lý (trao đổi ion, sử dụng công nghệ màng lọc nano, màng thẩm thấu ngược) hoặc sinh học Dựa vào nồng độ hợp chất nitơ có trong nước thải và giá thành xử lý để lựa chọn các phương pháp xử

lý cho phù hợp Đối với nước thải sinh hoạt, hàm lượng hợp chất nitơ không quá cao (dưới 100mg/l) thì phương pháp vi sinh là thích hợp, [16]

Cơ sở của phương pháp vi sinh là chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào 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 vật, thực vật Hiệu quả của quá trình chuyển hóa đơn thuẩn này không cao (10 - 20% N, P) Để nâng cao hiệu suất xử lý, nhiều công trình nghiên cứu chỉ ra rằng có thể thúc đẩy quá trình chuyển quá các hợp chất nitơ thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí quyển Con đường chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua các quá trình liên tiếp nitrat hóa (oxy hóa amoniac) và khử nitrat (khử nitrat với tư cách là chất oxy hóa và chất hữu cơ các bon là chất khử) Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trực tiếp giữa amoniac với nitrit và nitrat bằng phương pháp

vi sinh (quá trình oxy hóa amoni trong điều kiện kị khí - Anamox) Oxy hóa xúc tác trực tiếp amoniac thành khí nitơ [11, 22] Cơ sở của quá trình xử lý sinh học loại bỏ nitơ được trình bày trong hình 1.3

Hình 1.3 Chu trình Nitơ – Cơ sở quá trình sinh học loại nitơ

Nitrat hóa là oxy hóa amoni với các tác nhân oxy hóa là oxy phân tử, được hai loại vi sinh vật thực hiện kế tiếp nhau:

Để đảm bảo quá trình loại bỏ nitơ, cần đảm bảo yêu cầu về môi trường hiếu khí (oxy hóa amoni) và thiếu khí (khử nitrat) nên hai quá trình trên được thực hiện trong hai vùng phản ứng riêng rẽ Nguồn chất hữu cơ cho phản ứng khử nitrat có thể đưa từ ngoài vào (dưới dạng acetat, methanol, ethanol, đường, rỉ đường ), từ nguồn nước thải (BOD) hoặc từ quá trình phân hủy nội sinh của vi sinh vật Để tận dụng nguồn hữu cơ từ nguồn thải, đồng thời giảm tải cho quá trình phân hủy BOD bởi vi sinh dị dưỡng hiếu khí trong giai đoạn nitrat hóa, nhiều sơ đồ công nghệ được thiết lập cho mục đích trên, điển hình là quá trình Ludzack – Ettinger và Ludzack – Ettinger cải tiến (Hình 1.4, 1.5)

Hình 1.4 Quá trình Ludzack – Ettinger

Hình 1.5 Quá trình Ludzack – Ettinger cải tiến

Vi sinh vật thực hiện quá trình nitrat hóa thuộc loại phát triển chậm, đòi hỏi điều kiện môi trường khắt khe hơn nhiều so với loại vi sinh vật phân hủy hữu cơ (vùng pH hẹp, nhu cầu oxy lớn, dễ gây ngộ độc) Quá trình nitrat hóa xảy ra thuận lợi hơn so với khử nitrat nhưng cũng chậm hơn so với phân hủy chất hữu cơ

So sánh với công nghệ xử lý bậc hai, công nghệ bậc ba đòi hỏi quá trình xử lý phức tạp hơn: hệ xử lý vi sinh bao gồm ít nhất hai đơn vị công nghệ là nitrat hóa và khử nitrat, tương ứng với hai môi trường sinh hóa là hiếu khí và thiếu khí Mặt khác, tập đoàn vi sinh đảm nhận chức năng nitrat hóa và khử nitrat thuộc loại phát triển chậm, đòi hỏi điều kiện môi trường khắt khe, dễ nhạy cảm với điều kiện môi trường, [18]

Việc nghiên cứu cải tiến công nghệ để đạt hiệu quả xử lý cao luôn là mục tiêu hàng đầu của các nhà môi trường Chính nhờ quá trình vận động liên tục đó mà công nghệ xử lý nước thải cũng được phát triển và dần hoàn thiện hơn với các công nghệ mới.Một trong những công nghệ mới về xử lý nước thải đang được nhắc đến rất nhiều hiện nay bởi tính năng hiệu quả xử lý cao, đồng thời tiết kiệm diện tích, đó

chính là công nghệ xử lý nước thải MBBR

1.2 Công nghệ MBBR và vật liệu mang

1.2.1 Công nghệ MBBR trong xử lý nước thải

a) Nguyên lý hoạt động

Công nghệ MBBR đã được phát triển ở Na Uy vào đầu những năm 1990, [19] MBBR là viết tắt của cụm từ Moving Bed Biofilm Reactor – bể chứa màng vi sinh chuyển động Đúng như tên gọi, công nghệ MBBR sử dụng các vật liệu có tỷ trọng nhẹ hơn hoặc tương đương với nước làm vật liệu cho vi sinh vật bám dính vào tạo màng sinh học Vật liệu chứa màng vi sinh này sẽ chuyển động liên tục trong bể phản ứng tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp xúc với các bon hữu cơ

Giống như màng sinh học trong lọc sinh học, vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ sẽ dính bám và phát triển trên bề mặt các vật liệu Các vi sinh vật hiếu khí sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải để phát triển thành sinh khối Quần xã vi sinh sẽ phát triển và dày lên rất nhanh chóng cùng với sự suy giảm các chất hữu cơ trong nước thải Khi đạt đến một độ dày nhất định, khối lượng vi sinh vật sẽ tăng lên, lớp vi sinh vật phía trong do không tiếp xúc được nguồn thức

ăn nên chúng sẽ bị chết, sẽ bị bong ra rơi vào trong nước thải Một lượng nhỏ vi sinh vật còn bám trên các vật liệu sẽ tiếp tục sử dụng các hợp chất hữu cơ có trong nước thải để hình thành một quần xã sinh vật mới theo một vòng tuần hoàn, [18] Nếu nhược điểm của lọc sinh học là diện tích tiếp xúc và khả năng phân phối màng vi sinh trong nước thải bị hạn chế thì công nghệ MBBR lại khắc phục được hoàn toàn hai nhược điểm trên Nhờ có tính lơ lửng nên VLM sẽ chuyển động liên tục trong bể phản ứng theo dòng khí (đối với bể hiếu khí – hình 1.6) hoặc theo sự khuấy trộn của dòng nước (đối với bể thiếu khí – hình 1.6) và phân phối đều trong nước thải Bên cạnh đó các vật liệu mang được thiết kế với các hình dạng và kích thước khác nhau nhằm tăng cường tối đa diện tích bề mặt cho vi sinh bám dính (chi tiết sẽ được trình bày trong phần ”1.2.2 Vật liệu mang”)

Hình 1.6 Chuyển động của VLM trong bể MBBR hiếu khí và thiếu khí

MBBR là một quá trình xử lý sinh học dựa trên sự kết hợp của công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng và công nghệ màng vi sinh bám dính Nếu trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính lơ lửng, vi sinh vật chủ yếu tồn tại ở dạng huyền phù - vi sinh vật tập hợp lại với nhau thành các tập hợp keo tụ nhỏ Tập hợp keo tụ của vi sinh có cấu trúc xốp, mật độ vi sinh thấp và phân bố khá đều trong môi trường nước, [23]

Do mật độ vi sinh thấp nên hiệu suất xử lý của các hệ BHT lơ lửng không cao và khó tăng mật độ vi sinh vì nó liên quan đến các yếu tố vận hành khác Công nghệ MBBR làm tăng mật độ vi sinh (trên một đơn vị thể tích), đồng nghĩa với tăng hiệu quả xử lý lại ít gây ảnh hưởng tới các yếu tố vận hành khác, [8-10] Công nghệ MBBR bổ sung vi sinh vật dưới dạng màng vi sinh và cũng phân bố khá đồng đều trong môi trường nước nhờ quá trình chuyển động, [23]

b) Các yếu tố ảnh hưởng

Các thông số khác nhau có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của công nghệ MBBRnhư: các yếu tố môi trường, các thông số vận hành, kích cỡ, hình dạng của VLM và tỷ lệ thể tích VLM chiếm trong bể

- Kích thước, hình dạng và tải trọng trên một đơn vị diện tích (SALR) của vật liệu mang

Ødegaardet (2000) đã tiến hành nghiên cứu trên nhiều loại VLM khác nhau Kết quả cho thấy có sự liên quan giữa tải trọng trên một đơn vị diện tích (SALR) và hiệu suất xử lý Cụ thể, hiệu suất xử lý tổng các bon hữu cơ tỷ lệ thuận với SALR,

đối với các VLM có hình dạng khác nhau nhưng có cùng SALR thì cho tỷ lệ loại bỏ hợp chất hữu cơ như nhau, [26, 27] Do đó, hiệu suất xử lý của hệ thống độc lập với hình dạng của VLM và hoàn toàn phụ thuộc vào tải trọng trên một đơn vị diện tích của VLM

- Thể tích VLM chiếm trong bể

Wang và cộng sự (2005) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chất mang trong một bể phản ứng MBBR Phần trăm là thể tích bị chiếm bởi các VLM trên thể tích phản ứng của bể được tăng từ 10% lên 75% Họ tìm ra mối quan hệ parabol giữa thể tích VLM chiếm và tỷ lệ loại bỏ COD Kết quả cho thấy với thể tích VLM trong bể

từ 30-40% cho hiệu quả loại bỏ COD cao nhất, [38]

Các thông số vận hành – thời gian lưu (HRT) và tổng các bon hữu cơ (TOC) Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng thời gian lưu và tổng các bon hữu cơ có liên quan trực tiếp với nhau Đối với nước thải có TOC thấp, HRT trong khoảng từ

3 đến 12 giờ Nước thải có TOC cao và xử lý kỵ khí thì HRT dài hơn Tuy nhiên, HRT của mỗi hệ thống tại điều kiện môi trường của mỗi quốc gia là khác nhau vì vậy cần khảo sát thật kỹ HRT trước khi vận hành một hệ thống mới, [19]

Các thông số vận hành – tốc độ sục khí

Mức độ sục khí có thể ảnh hưởng đến kích thước hạt như sục khí mạnh có thể gây ra sự phá vỡ của các hạt lớn hơn tạo ra các hạt nhỏ hơn Theo Åhl R.M và cộng

sự mức độ sục khí lớn sẽ phá vỡ các tập hợp lớn hơn thành những hạt nhỏ hơn nhưng chúng sẽ luôn luôn lớn hơn 20 µm, [7]

Trong một nghiên cứu khác, Rahimi và cộng sự (2010) đã vận hành một hệ MBBR để tìm tốc độ sục khí tối ưu Kết quả cho thấy ở mức độ sục khí thấp hơn, các sinh vật dạng sợi trong các khối sẽ tăng, nếu tăng tốc độ sục khí lên các mức cao hơn, các sinh vật dạng sợi sẽ bắt đầu giảm Mặt khác, việc tăng tốc độ sục khí làm vỡ các bông sinh học lớn thành các hạt nhỏ hơn tạo ra vận tốc lắng thấp hơn, [31]

Các thông số vận hành – tỷ lệ bùn tuần hoàn (QR)

Tuần hoàn bùn đóng vị trí rất quan trọng và là một yếu tố không thể thiếu trong quá trình xử lý nước thải bằng BHT Việc tuần hoàn bùn từ bể lắng sẽ có tác dụng giúp duy trì nồng độ sinh khối trên một đơn vị thể tích được ổn định Mặt khác, việc tuần hoàn bùn để giúp tăng MLSS Điều này có nghĩa là giúp tăng sinh khối (vi sinh) để phân huỷ các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước

Đặc biệt, tuần hoàn bùn sẽ giúp duy trì sinh khối trong bể hiếu khí Sau quá trình xử lý hiếu khí, toàn bộ lượng nước và sinh khối trong đó được đưa về bể lắng

để tách loại nước và sinh khối, nếu tuần hoàn không được xảy ra thì sinh khối mỗi lúc mỗi giảm, khi mật độ vi sinh không được đảm bảo, khả năng xử lý sẽ giảm Tùy vào từng quá trình vận hành hệ thống xử lý nước cũng như đặc thù của từng bể, chúng ta sẽ điều khiển hệ số bùn tuần hoàn sao cho phù hợp nhất

c) Các ứng dụng MBBR trong thực tế

Công nghệ MBBR hiện đang là công nghệ được quan tâm nhất hiện nay với rất nhiều công trình nghiên cứu từ nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Việt Nam, các công trình nghiên cứu đại diện được tổng hợp trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Các công trình nghiên cứu về MBBR trên thế giới

1

Nghiên cứu về quá trình sản

xuất sinh khối trong hệ thống

TT Nội dung Tác giả Quốc gia

trong điều kiện nhiệt đới

S J Jahren, J.A Rintala, H

sinh học của nước sông

Lariyah Mohd Sidek, Gasim Hayder, Hairun Aishah Mohiyaden, Hidayah Basri, [20]

sử dụng cho nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp thực phẩm và ngành công nghiệp giấy và bột giấy, [9]

Tại Indonesia, Mỹ, Trung Quốc, Na Uy, Công nghệ MBBR rất phổ biến trong việc xử lý nước thải sinh hoạt, xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao và xử

lý hợp chất nitơ trong nước thải, [19, 20, 38]

Tại Việt Nam, công nghệ MBBR được ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt, [4], xử lý nước thải thuộc da, [2], xử lý nước thải ngành công nghiệp mía đường, [5],

Kết quả thực tế đã chứng minh rằng xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học

có sử dụng công nghệ MBBR cho hiệu quả trong xử lý BOD, COD và chất dinh dưỡng Ví dụ như Ødegaard (2000) ứng dụng công nghệ MBBR để đạt được quá trình nitrat hóa, loại bỏ nitơ và loại bỏ BOD/ COD, [26, 27]

So với công nghệ BHT lơ lửng công nghệ MBBR có nhiều ưu điểm như:

- Khả năng tích lũy vi sinh cao, do vi sinh tồn tại đồng thời ở hai dạng là huyền phù và dạng màng

- Hoạt tính trao đổi chất lớn Do tính chất nhầy của màng nên nó có thể bắt giữ

cả các thành phần thức ăn ở dạng không tan Mức độ tập trung dinh dưỡng cao thúc đẩy sự phát triển của vi sinh và do đó có hoạt tính cao Cũng có ý kiến giải thích khả năng tăng hoạt tính nhờ quá trình biến đổi gien của vi sinh vật trong trạng thái kết khối trong màng, [7, 11, 17]

- Khả năng chống chịu độc tố cao Các vi sinh vật sống trên biofilm khi liên kết với nhau thường có khả năng chống chịu các chất kháng khuẩn cao hơn so với tế bào sống tự do trong môi trường nuôi cấy Hệ thống có khả năng chịu được biến động tải trọng cao mà không cần sự can thiệp của người vận hành, [26]

- Bùn dễ lắng So với bùn hoạt tính, bùn (sinh khối) bong ra từ màng vi sinh

có khả năng lắng tốt hơn nhiều do tính đặc của màng (khối lượng riêng lớn) và mật

độ vi sinh dạng sợi trong đó thấp

- Có khả năng xử lý một phần các hợp chất nitơ Vi sinh vật bám trên bề mặt VLM gồm 3 loại: lớp ngoài cùng là vi sinh vật hiếu khí, tiếp là lớp vi sinh vật thiếu khí, lớp trong cùng là vi sinh vật kị khí Trong nước thải sinh hoạt, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng ammoniac, hợp chất nitơ hữu cơ Vi sinh vật hiếu khí sẽ thực hiện quá trình nitrat hóa, chúng sử dụng oxy để oxy hóa hợp chất nitơ về dạng nitrit, nitrat Tiếp theo vi sinh vật thiếu khí và kị khí sẽ sử dụng các hợp chất hữu cơ và nitrit, nitrat trong nước thải làm chất oxy hóa chuyển nitrit, nitrat về dạng khí N2 bay lên

- Yêu cầu về diện tích mặt bằng xây dựng thấp do công nghệ này sử dụng toàn

bộ thể tích của bể để xử lý; diện tích bề mặt của VLM rất lớn, đủ không gian cho cho sự phát triển của vi khuẩn, [7]

- Đơn giản hóa trong quá trình vận hành So với công nghệ BHT lơ lửng, công nghệ MBBR không hồi lưu bùn Việc kiểm soát tỷ lệ F/M không cần quá khắt khe bởi hệ thống màng biofilm có khả năng tự điều tiết sao cho phù hợp, [7]

- Chi phí vận hành thấp hơn Do sinh khối được hệ thống này sản xuất ra ít hơn 10 lần so với hệ thống BHT lơ lửng nên giảm chi phí cho phần xử lý bùn thải, [19] Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng chi phí xây dựng của hệ thống MBBR là vừa phải (bằng 80% chi phí để xây dựng các công trình xử lý bậc cao khác), [10]

- Do có diện tích hiệu dụng lớn thời gian lưu cho quá trình xử lý chỉ còn 30-90 phút Sự thay đổi thời gian lưu phụ thuộc vào tải trọng hữu cơ của nước thải, [26]

- Lợi thế của công nghệ MBBR so với các công nghệ màng sinh học khác là tính linh hoạt của nó Ta có thể sử dụng chúng để cải tiến bất kỳ bể phản ứng nào bằng cách lựa chọn và tính toán thể tích VLM sao cho phù hợp với hệ xử lý đã có Bên cạnh đó công nghệ MBBR cũng tồn tại các hạn chế như:

- Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi nồng độ cao của dầu mỡ và tổng chất rắn lơ lửng Hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng thấp hơn so với kết quả các nghiên cứu

- Dù công nghệ này đã được phổ biến từ cả thập kỷ trước nhưng đối với mỗi loại nước thải khác nhau, ứng dụng ở những điều kiện môi trường cụ thể khác nhau

sẽ có các thông số thiết kế và vận hành khác nhau Vì vậy phải tiến hành khảo sát các thông số trước khi tiến hành ứng dụng công nghệ vào xử lý thực tế

- Quá trình vận hành hệ thống vẫn còn gặp phải khó khăn trong việc kiểm soát các thông số vận hành, giải quyết các vấn đề như việc tắc nghẽn ống bùn hay hiện tượng bào mòn giá thể

- Đây là một quá trình sinh học, nên nó sẽ đòi hỏi một nhân viên có trình độ cao hơn và hiểu biết về hoạt động của vi khuẩn để theo dõi hệ thống thường xuyên

- Không tái tạo năng lượng cũng là một nhược điểm của công nghệ này

Toàn bộ các ưu điểm, nhược điểm của công nghệ MBBR được tổng hợp ngắn gọn trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Tổng hợp ưu điểm, nhược điểm của hệ thống xử lý có cải tiến bằng

công nghệ MBBR

- Xử lý cả BOD, COD và chất dinh

dưỡng

- Tính linh hoạt cao

- Chi phí xây dựng và vận hành ít tốn

kém

- Chịu được biến động tải trọng cao

- Chống chịu tốt với độc tố từ môi

trường

- Ít phát sinh bùn thải

- Đơn giản trong quá trình vận hành

- Hiệu suất giảm khi nồng độ dầu mỡ

- Không tái tạo năng lượng

Để khắc phục các nhược điểm trên của công nghệ MBBR có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành Kết quả các nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất xử lý của bể MBBR phụ thuộc mật thiết tới diện tích bề mặt của VLM VLM có diện tích bề mặt càng lớn sinh khối càng nhiều Chất mang có diện tích càng lớn thì kích thước mao quản càng nhỏ, tuy nhiên kích thước mao quản nhỏ lại hạn chế sự phát triển của vi sinh do hạn chế quá trình khuếch tán thức ăn vào bên trong Như vậy muốn công nghệ MBBR đạt hiệu quả cao trong xử lý nước thải nhân tố quan trọng chính là vật liệu mang

1.2.2 Vật liệu mang và đặc tính của vật liệu mang

Như đã trình bày ở trên, vật liệu mang (giá thể di động) là một nhân tố quan trọng trong quá trình xử lý chất thải ứng dụng công nghệ MBBR Cho đến nay, một

số hãng đã phát triển các sản phẩm giá thể di động, hình ảnh và đặc trưng của các giá thể di động được thể hiện ở bảng 1.4

Bảng 1.4 Đặc điểm của một số VLM, [17]

TT Tên vật liệu

mang

Diện tích bề mặt (m 2 /m 3 )

Kích thước (L x D mm) Hình ảnh

TT Tên vật liệu

mang

Diện tích bề mặt (m 2 /m 3 )

Kích thước (L x D mm) Hình ảnh

L là chiều cao của vật liệu, D là đường kính của vật liệu

Bảng 1.4 cho thấy đặc điểm của một số VLM thông thường với kích thước, hình dạng và diện tích bề mặt cụ thể của chúng Thông tin được cung cấp bởi nhà sản xuất là Veolia Inc Veolia đã phát triển một số loại VLM như: Anoxkaldnes K1

và K3, Biofilm Chip M và P, …

Những giá thể này được thiết kế với mục tiêu:

- Có tổng diện tích bề mặt lớn để tích lũy được lượng sinh khối lớn

- Các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn nước (tuỳ từng loại mà có tỷ trọng khác nhau) đảm bảo tính lơ lửng trong nước

- Có độ bền cơ học cao để khắc phục hiện tượng bào mòn các giá thể di động xảy ra khi các chất mang chuyển động và va chạm vào nhau

Các VLM này đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu Bảng 1.5 cho thấy các loại VLM được áp dụng trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu cho hệ MBBR

2 Anoxkaldnes

Đánh giá loại bỏ nitơ thông qua tỷ

lệ nitrat hóa và tích lũy biofilm trong quá trình IFAS.”

Regmi và cộng sự,

2011, [29]

3 Biofilm

Loại bỏ vi chất nhờ sự tăng trưởng của vi sinh vật trong màng sinh học kết hợp bùn hoạt tính

Lê Hoàng Việt, Võ Châu Ngân, [5] Với mẫu mã đa dạng thiết kế các loại VLM phù hợp cho nhiều yêu cầu, các VLM này đã được thương mại hóa trên thị trường Các giá thể này có ưu điểm khá tốt tuy nhiên giá thành khi ứng dụng ở Việt Nam vẫn còn khá cao (do phải nhập khẩu giá thể), gây cản trở trong việc áp dụng ở quy mô rộng Để giảm giá thành, VLM cần được chế tạo trong nước, sử dụng các nguyên liệu sẵn có và phổ biến, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu về diện tích bề mặt, tỷ trọng, độ bền cơ học, Ngoài các vật liệu được làm từ polyethylen như trình bày ở trên có rất nhiều các loại VLM khác cấu tạo từ đá, clinker, cát, Đá rỗng thủy tinh (Supersol) là vật liệu đá nhân tạo nhẹ, xốp, có tính thấm, giữ nước, độ chịu nhiệt cao và độ bền lâu dài, trong quá trình sản xuất có thể điều chỉnh được tỷ trọng và độ hút nước phù hợp với nhiều yêu cầu Vì vậy phù hợp làm vật liệu mang cho hệ thống MBBR Ngoài

ra, vật liệu này còn bền với các loại hóa chất, không phân hủy thành chất độc hại nên thân thiện với môi trường

Đá rỗng thủy tinh có các đặc trưng phù hợp với yêu cầu của đề tài nghiên cứu

Vì vậy đề tài lựa chọn chế tạo đá rỗng thủy tinh làm VLM Nghiên cứu chế tạo đá rỗng thủy tinh vừa đáp ứng yêu cầu vật liệu cho hệ thống MBBR vừa góp phần giảm chi phí trong sản xuất, đưa vật liệu tốt ứng dụng rộng rãi trong đời sống

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu mang: đá rỗng thủy tinh (supersol)

- Nước thải sau bể lắng sơ cấp tại trạm xử lý nước thải tập trung Kim Liên, Đống Đa, Hà Nội

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thu thập, kế thừa, tổng hợp tài liệu

Nghiên cứu, tìm hiểu các thông tin đã được công bố về công nghệ MBBR Nghiên cứu về động học và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải bằng MBBR từ các nguồn tin cậy để làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm của hệ thống MBBR với các vật liệu mang khác nhau ở các điều kiện nghiên cứu khác nhau để làm cơ sở cho việc đánh giá hiệu quả xử lý

Thu thập và tìm hiểu các tài liệu công bố về VLM và đặc tính chúng chúng Nghiên cứu về các đặc trưng của đá rỗng thủy tinh, phương pháp chế tạo đá rỗng thủy tinh Tìm hiểu các vật liệu và thiết bị phù hợp cho thí nghiệm Tìm hiểu các vật liệu sẵn có tại Việt Nam vẫn đáp ứng được các yêu cầu của thí nghiệm từ đó thiết lập nên chương trình thí nghiệm

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm

a) Chế tạo vật liệu mang – đá thủy tinh rỗng

Nguyên liệu chế tạo vật liệu mang: phế liệu thủy tinh được nghiền nhỏ; bột xi măng (Hình 2.1); chất phụ gia (NaHCO3, CaCO3)

Dụng cụ: Bay, chảo trộn, tủ sấy, lò nung

Hình 2.1 Nguyên liệu chế tạo đá rỗng thủy tinh

Quy trình chế tạo: Chế tạo vật liệu đá thủy tinh theo quy trình của Tibor Pietsch đã công bố và có cải tiến để phù hợp với nguyên vật liệu tại Việt Nam (hình

2.2), [35]

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả thí nghiệm

Mô tả thí nghiệm

- Nghiền thủy tinh lấy bột thủy tinh, chuẩn bị bột xi măng, các chất phụ gia

- Phối trộn các nguyên liệu thành 6 mẫu theo các tỷ lệ trong bảng sau:

Bảng 2.1 Tỷ lệ phối trộn các nguyên liệu theo trọng lượng

Bột thủy tinh: NaHCO3: xi măng M1 (80:10:10) M2 (70:20:10) M3 (60:20:20) Bột thủy tinh: CaCO3 : xi măng M4 (80:10:10) M5 (70:20:10) M6 (60:20:20)

- Điều chỉnh tỷ lệ nước phù hợp

- Tạo hình mẫu thành dạng viên và dạng miếng

Chuẩn bị nguyên liệu

(nghiền thủy tinh)

Phối trộn các nguyên liệu theo tỷ lệ

Sấy 100oC trong 24h

Điều chỉnh tỷ lệ nước phù hợp

và dạng miếng

- Sấy: Đặt mẫu vào trong khay và đưa vào tủ sấy, đặt nhiệt độ sấy ở 100oC và sấy trong vòng 24h Sau khi sấy trong vòng 24h, lấy mẫu ra khỏi tủ sấy và đặt vào

lò nung

- Quá trình nung: do đặc tính của NaHCO3 và CaCO3 khác nhau nên quá trình nung cũng khác nhau được thể hiện trên biểu đồ 2.1 và 2.2

Biểu đồ 2.1 Quá trình gia nhiệt với NaHCO 3 và CaCO 3

Đối với mẫu sử dụng NaHCO3, tiến hành gia nhiệt theo 2 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Gia nhiệt tới nhiệt độ 4000C trong khoảng thời gian hơn 1 tiếng rồi hằng nhiệt trong khoảng 2 tiếng để phản ứng xảy ra hoàn toàn Phương trình phản ứng:

2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O + Giai đoạn 2: Gia nhiệt tới 700oC trong 3 tiếng rồi hằng nhiệt trong 2 giờ Đối với mẫu sử dụng CaCO3, tiến hành gia nhiệt tới 900oC rồi hằng nhiệt trong 2 giờ Phương trình phản ứng:

CaCO3  CaO + CO2

- Sau quá trình nung và làm nguội tự nhiên, ta lấy mẫu ra khỏi lò và tách nhỏ mẫu ra bằng biện pháp thủ công, mài mòn các cạnh sắc

0 100

b) Đánh giá cấu trúc các vật liệu chế tạo được

Sau khi chế tạo xong, vật liệu sẽ được đánh giá bằng phương pháp BET Phương pháp này dựa trên việc xác định lượng khí nitơ cần thiết để bao phủ toàn

bộ bề mặt vật liệu bằng một lớp khí đơn phân tử Lượng khí này được xác định từ đường cong hấp phụ đẳng nhiệt của nitơ ở nhiệt độ của nitơ lỏng (77,4 K) theo Brunauer, Emmett và Teller (BET) từ đó N2 bị hấp phụ bằng hấp phụ vật lý trên bề mặt chất hấp phụ Lượng N2 hấp phụ ở một áp suất cho trước được xác định bằng phép đo thể tích hoặc khối lượng Để loại bỏ chất nhiễm bẩn bề mặt chất hấp phụ, mẫu được hút chân không và được gia nhiệt trong điều kiện thích hợp trước khi phép đo được thực hiện Sử dụng máy Micromeritics Gemini VII 2390 Series phân tích diện tích bề mặt (Hình 2.3)

Hình 2.3 Microm ritics G mini VII 239 ph n tích iện tích ề mặt

c) Cấu tạo mô hình thí nghiệm MBBR trong xử lý nước thải

Mô hình xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô 0,5 m3/ngày đêm, với ba bể chính bao gồm bể thiếu khí, bể hiếu khí với giá thể lơ lửng và bể lắng Sơ đồ công nghệ của hệ thống được thể hiện trên hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ mô hình MBBR

Nước thải sau quá trình xử lý sơ cấp được đưa vào ngăn xử lý thiếu khí của

hệ pilot Bể thiếu khí là nơi vi khuẩn thực hiện các quá trình khử nitrat Ở điều kiện thiếu oxy (anoxic), các chủng vi khuẩn khử nitrat sẽ sử dụng oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hóa (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất năng lượng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào Sản phẩm cuối cùng của quá trình khử nitrat là khí nitơ tự do (N2) và khí nitơ tự do sẽ thoát ra ngoài không khí, hợp chất chứa nitơ trong nước thải được loại bỏ

Nước thải sau xử lý tại bể thiếu khí sẽ chảy tràn qua bể hiếu khí Bể hiếu khí

là nơi các vi sinh vật hiếu khí sẽ oxy hóa các chất hữu cơ lấy năng lượng và tổng hợp sinh khối, nhờ đó loại bỏ COD khỏi nước thải đồng thời nitrat hóa nitơ trong nước từ dạng NH4+ thành NO2-, NO3- Trong bể hiếu khí có hệ thống cấp khí để tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng và phát triển Tại đây vật liệu mang là

đá rỗng thủy tinh được thêm vào với mật độ 30% thể tích bể

Nước thải sau xử lý hiếu khí một phần tuần hoàn lại bể thiếu khí để xử lý nitrit, nitrat mới sinh ra, một phần sẽ chảy sang bể lắng Nước sẽ chảy sang bể lắng theo ống lắng bùn Tại đây, các cặn lơ lửng sẽ lắng xuống đáy bể lắng, phần nước

Nước tuần

hoàn

Bùn tuần hoàn

trong trên bề mặt theo ống dẫn chảy ra ngoài Bùn lắng được tuần hoàn một phần về

bể thiếu khí để đảm bảo mật độ vi sinh vật trong hệ, còn lại được xả ra hố thu bùn của trạm

Cấu tạo chi tiết của hệ thống được thể hiện chi tiết qua hình 2.5

Ghi chú:

I Ngăn thiếu khí 1 Ống dẫn nước từ bể điều hòa

II Ngăn hiếu khí (MBBR) 2 Máy khuấy

III Ngăn lắng thứ cấp 3 Máy thổi khí

4 Ống cấp khí cho ngăn hiếu khí (MBBR)

5 Máy bơm

Hình 2.5 Cấu tạo hệ thống MBBR

Kích thước tổng thể của mô hình được tổng hợp trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Kích thước thiết kế của mô hình

(L)

Thời gian lưu (h)

Chiều rộng (m)

Chiều dài (m)

Chiều cao (m)

TT Bể Thể tích

(L)

Thời gian lưu (h)

Chiều rộng (m)

Chiều dài (m)

Chiều cao (m)

d) Vận hành hệ thống và lấy mẫu, phân tích mẫu

Thí nghiệm 1: Đánh giá hiệu quả xử lý chất ô nhiễm của hệ thống xử lý khi không sử dụng vật liệu mang Vận hành hệ thống theo các thông số trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Các thông số vận hành hệ pilot

1 Lưu lượng nước thải vào (Q) m3/ngày.đêm 0,5