Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ thiếu khí kết hợp hiếu khí ifas (integrated fixed film activated sludge)

Kết hợp các ngăn thiếu khí/hiếu khí nối tiếp hay bổ sung giá thể tạo màng sinh học được đánh giá cao trong xử lý nước thải đô thị.. Sriwiriyarat và cộng sự, 2005 IFAS Integrated Fixed-fi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

~~~~~~

(INTEGRATED FIXED FILM ACTIVATED SLUDGE)

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

TP HỒ CHÍ MINH – 07/2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

TS Đặng Viết Hùng Cán bộ chấm nhận xét 1 :

PGS.TS Nguyễn Thị Vân Hà Cán bộ chấm nhận xét 2 :

TS Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP

Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 07 năm 2014

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

1 PGS.TS Nguyễn Đinh Tuấn

2 TS Đặng Viết Hùng

3 PGS.TS Nguyễn Thị Vân Hà

4 TS Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh

5 TS Hoàng Nguyễn Khánh Linh

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

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-o0o -

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2014

Họ và tên học viên : BÙI NỮ NGỌC YẾN Giới tính : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 08/09/1986 Nơi sinh : Lâm Đồng Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường MSHV : 10250543

I TÊN ĐỀ TÀI

IFAS (Integrated Fixed Film Activated Sludge)”

II NHI ỆM VỤ LUẬN VĂN

Đánh giá hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ và thành phần dinh dưỡng (N, P) của hệ

thống thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS quy mô phòng thí nghiệm ở các tải trọng hữu

cơ 0,5; 0,8; 1,1; 1,4 và 1,7 kgCOD/m3.ngày thông qua các chỉ số: COD, NH4+-N, NO3--N, nitơ tổng và photpho tổng

III NGÀY GIAO NHI ỆM VỤ: 07/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI ỆM VỤ: 07/2014

V H Ọ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG VIẾT HÙNG

TRƯỞNG KHOA

ii

L ỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trước tiên xin chân thành cảm ơn TS Đặng

Vi ết Hùng đã tận tâm hướng dẫn, chỉ dạy những kiến thức sâu sắc cũng như tạo

m ọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi cũng xin gửi lòng biết ơn chân thành đến tất cả quý thầy cô và cán bộ Khoa Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh đã

h ết lòng giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng để tôi thực hiện luận văn, cũng như áp dụng trong công việc sau này

Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn anh Võ Minh Sang và các anh chị em đang công tác tại Viện nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường – Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận

l ợi cho tôi thực hành trong phòng phân tích để hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghi ệp này

Xin c ảm ơn gia đình, các anh chị và bạn bè, những người luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Xin c ảm ơn với tất cả tấm lòng biết ơn và trân trọng!

TP H ồ Chí Minh – 07/2014

iii

TÓM T ẮT

Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị ở Việt Nam vẫn rất cần được quan tâm để nâng cao hiệu quả loại bỏ thành phần hữu cơ và thành phần dinh dưỡng (N, P), đặc biệt đối với các nguồn từ hệ thống thoát nước riêng có mức độ ô nhiễm cao hơn so với các nguồn từ hệ thống thoát nước chung Kết hợp các ngăn thiếu khí/hiếu khí nối

tiếp hay bổ sung giá thể tạo màng sinh học được đánh giá cao và trong nghiên cứu này, một ngăn thiếu khí giá thể cố định đã được đặt trước một ngăn hiếu khí theo

kiểu IFAS Mô hình bao gồm hai ngăn thiếu khí và hiếu khí đều được làm từ mica (polyacrylic) với thể tích làm việc tương ứng 4,5 lít và 12,7 lít Lượng giá thể FXP cho vào ngăn thiếu khí khoảng 1,8 lít chiếm 40% thể tích ngăn Lượng giá thể Mutag BioChipTM cho vào ngăn hiếu khí khoảng 2,5 lít ở dạng đổ đống Mô hình được vận hành với nước thải đầu vào có nồng độ COD trung bình 400 mg/l và tải

trọng hữu cơ của mô hình tăng dần từ 0,5 đến 1,7 kgCOD/m3.ngày tương ứng với

thời gian lưu nước trong mô hình giảm dần từ 19,1 đến 5,7 giờ với tỷ lệ tuần hoàn được giữ cố định là 200% Các kết quả thu được cho thấy công nghệ thiếu khí kết

hợp hiếu khí IFAS có khả năng loại bỏ thành phần hữu cơ khá cao, trung bình vào khoảng 82,45% và 94,06%; khả năng loại bỏ nitơ cao, trung bình vào khoảng 77,55% và 86,79%; còn khả năng loại bỏ photpho cũng đạt kết quả cao, trung bình vào khoảng 58,22% và 72,64% Ở các tải trọng 0,5; 0,8 và 1,1 kgCOD/m3.ngày, nước thải sau khi xử lý có giá trị COD, NH4+-N, NO3--N, TN, TP đều nằm trong giới hạn cột A của QCVN 40:2011/BTNMT Còn ở các tải trọng 1,4 và 1,7 kgCOD/m3.ngày, các giá trị trên trong nước thải sau xử lý đều nằm trong giới hạn

cột B của QCVN 40:2011/BTNMT Ngoài ra, nghiên cứu còn cho thấy sự linh động

của hệ vi sinh vật trong công nghệ IFAS giúp cho hệ thống vận hành khá ổn định dù

nồng độ COD, NH4+-N, TN, TP trong nước thải đầu vào luôn biến động Hệ thống

xử lý bằng vi sinh vật lơ lửng kết hợp bám dính không những tăng cường việc xử lý các chất hữu cơ mà còn diễn ra tốt quá trình nitrat hóa và khử nitrat Do vậy, công nghệ này nên được ứng dụng vào trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho

khu dân cư và đô thị ở Việt Nam trong tương lai

iv

ABSTRACT

Treatment of municipal wastewater in Vietnam still need attention to improve the efficiency of processing organic ingredients and nutritional ingredients Wastewater from separate sewer systems were more polluted than combined sewer systems Combined anoxic and aerobic process or addition plastic media to form biofilm were appreciated well In this study, an anoxic reactor with a fixed bed was put in frond of a aerobic reactor as a Integrated Fixed film Activated Sludged (IFAS) process This pilot included both aerobic and anoxic reactor were made from mica (polyacrylic) with capacity of 4.5 liters and 12.7 liters, respectively The FXP packing ratio was 40% of the total volume in the anoxic reactor, approximately 1,8 liters The Mutag BioChipTM in aerobic reactor was about 2.5 liters in the form of dumping The influent COD average concentration was 400 mg/l and organic loading rate increased from 0.5 to 1.7 kgCOD/m3.day, hydraulic retention time (HRT) decreased from 19.1 to 5.7 hours with recirculation rate was fixed at 200% The obtained results showed that this technology was able to remove organic well, averaging about 82,45% and 94,06%; removal of nitrogen was high, averaging around 77,55% and 86,79%; and removal of total phosphorus was not high, averaging around 58,22% and 72,64% At organic loading rates of 0,5; 0,8 and 1,1 kgCOD/m3.day, the effluent concentrations of COD, amonium (NH4+-N), nitrat (NO3--N), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) of the IFAS reactor were limited within national standards – QCVN 40:2011/BTNMT, column A At 1,4 and 1,7 kgCOD/m3.day, these parameters limited within national standards - QCVN 40:2011/BTNMT, column B In addition, this study also showed that the mobility

of microorganisms in IFAS technology They make the system to operate fairly stable even if the concentration of COD, NH4+-N, TN, TP in wastewater inputs fluctuates This system is not only good for removing the organic but also doing the nitrification and denitrification process base on the suspended sludge integrated the stick sludge Therefore, this technology should be applied in the treatment system for domestic wastewater of residential areas and urban in Vietnam in the future

v

L ỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi tên là BÙI NỮ NGỌC YẾN, là học viên cao học ngành Công nghệ Môi trường khóa 2010, mã số học viên 10250543 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 TS Đặng Viết Hùng

- Các hình 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

TP H ồ Chí Minh, 07/2014

vi

M ỤC LỤC

L ỜI CẢM ƠN iii

TÓM T ẮT iv

M ỤC LỤC vii

DANH SÁCH B ẢNG BIỂU x

DANH SÁCH HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.7 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 4

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN 5

2.1 NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ TẠI VIỆT NAM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 5

2.1.1 Nước thải đô thị tại Việt Nam 5

2.1.2 Tổng quan công nghệ xử lý nước thải đô thị 12

2.2 CÔNG NGHỆ IFAS 14

2.2.1 Giới thiệu công nghệ IFAS 14

2.2.2 So sánh công nghệ IFAS và MBBR 15

2.3 NHỮNG QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THIẾU KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ IFAS 17

2.3.1 Quá trình xử lý chất hữu cơ 17

vii

2.3.2 Quá trình xử lý nitơ 19

2.3.3 Quá trình xử lý photpho 22

2.3.4 Quá trình trao đổi chất của màng sinh học 23

2.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng 24

2.4 NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY CÓ LIÊN QUAN 26

2.4.1 Những nghiên cứu ngoài nước 26

2.4.2 Những nghiên cứu trong nước 28

CHƯƠNG 3 – VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1 SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU 30

3.2 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 31

3.2.1 Nước thải đầu vào 31

3.2.2 Bùn nuôi cấy ban đầu 32

3.2.3 Giá thể 32

3.3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 33

3.4 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 36

3.4.1 Giai đoạn thích nghi 36

3.4.2 Giai đoạn tăng tải 37

3.5 QUY TRÌNH LẤY, BẢO QUẢN MẪU VÀ PHÂN TÍCH 38

3.5.1 Quy trình lấy và bảo quản mẫu 38

3.5.2 Phương pháp phân tích 39

3.6 XỬ LÝ SỐ LIỆU 40

CHƯƠNG 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

4.1 KẾT QUẢ VẬN HÀNH MÔ HÌNH Ở GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI 41

4.1.1 Giá trị pH 41

4.1.2 Nồng độ sinh khối trong ngăn thiếu khí và hiếu khí 43

viii

4.1.3 Hiệu suất xử lý COD 45

4.2 KẾT QUẢ VẬN HÀNH MÔ HÌNH Ở GIAI ĐOẠN TĂNG TẢI 46

4.2.1 Hiệu suất xử lý COD 46

4.2.2 Hiệu suất xử lý NH4+-N 49

4.2.3 Sự thay đổi của giá trị pH 51

4.2.4 Mối tương quan giữa TN, NH4+-N,NO3--N 53

4.2.5 Hiệu suất xử lý nitơ 54

4.2.6 Hiệu suất xử lý photpho 56

4.2.7 Đánh giá nồng độ sinh khối 59

CHƯƠNG 5 – KẾT LUẬN 62

5.1 KẾT LUẬN 62

5.2 KIẾN NGHI 62

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 63

PH Ụ LỤC 66

ix

DANH SÁCH B ẢNG BIỂU

Bảng 2.1 – Thành phần và đặc trưng của nước thải sinh hoạt 6

Bảng 2.2 – Các nhà máy xử lý nước thải đang hoạt động ở Việt Nam 9

Bảng 2.3 – Các phương pháp xử lý nước thải theo quy trình xử lý cơ học, hóa học và sinh học 12

Bảng 2.4 – So sánh giữa công nghệ IFAS và MBBR 15

Bảng 3.1 – Thành phần và thông số ô nhiễm của nước thải đầu vào 31

Bảng 3.2 – Các thông số đặc trưng của giá thể 33

Bảng 3.3 – Thông số các thiết bị sử dụng trong mô hình 36

Bảng 3.4 – Thông số vận hành của mô hình ở các tải trọng hữu cơ 37

Bảng 3.5 – Vị trí lấy mẫu, tần suất lấy mẫu và chỉ tiêu phân tích 38

Bảng 3.6 – Các phương pháp phân tích 39

Bảng 4.1 – Nồng độ sinh khối tại ngăn thiếu khí và hiếu khí IFAS trong giai đoạn thích nghi 44

Bảng 4.2 – Kết quả xử lý COD theo các tải trọng hữu cơ 46

Bảng 4.3 – Kết quả xử lý NH4+-N theo các tải trọng hữu cơ 51

Bảng 4.4 – Nồng độ TN đầu ra, TN đầu vào, NO3--N đầu ra và NH4+-N đầu ra ở các tải trọng hữu cơ 54

Bảng 4.5 – Kết quả xử lý TN theo các tải trọng hữu cơ 54

Bảng 4.6 – Kết quả xử lý TP theo các tải trọng hữu cơ 58

x

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1 – Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam 8

Hình 2.2 – Tổng quát về công nghệ sinh học hiếu khí trong xử lý nước thải đô thị 13 Hình 2.3 – Sơ đồ công nghệ IFAS 14

Hình 2.4 – Sơ đồ công nghệ thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS 17

Hình 2.5 – Quá trình xử lý nitơ 20

Hình 2.6 – Quá trình xử lý photpho 22

Hình 2.7 – Quá trình trao đổi chất qua màng sinh học 24

Hình 2.8 – Sơ đồ xử lý của nhà máy xử lý nước thải sông James 27

Hình 2.9 – Sơ đồ công nghệ của nhà máy xử lý nước thải TP Broomfield 27

Hình 2.10 – Sơ đồ cấu tạo mô hình USBF 29

Hình 2.11 – Sơ đồ công nghệ AO-MBR xử lý nước thải sinh hoạt 29

Hình 3.1 – Sơ đồ nghiên cứu 30

Hình 3.2 – Vị trí lấy nước thải đầu vào tại thượng nguồn Suối Cái - Thủ Đức 32

Hình 3.3 – Giá thể FXP và Mutag BiochipTM 32

Hình 3.4 – Sơ đồ công nghệ mô hình nghiên cứu 34

Hình 3.5 – Mô hình nghiên cứu thực tế 35

Hình 4.1 – Giá trị pH trong giai đoạn thích nghi 41

Hình 4.2 – Giá thể FXP và Mutag BiochipTM vào ngày 20 và ngày 40 43

Hình 4.3 – Nồng độ sinh khối trong ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí IFAS trong giai đoạn thích nghi 44

Hình 4.4 – Nồng độ COD đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý COD trong giai đoạn thích nghi 45

Hình 4.5 – Nồng độ COD đầu vào và đầu ra ở các tải trọng hữu cơ 47

Hình 4.6 – Hiệu suất xử lý COD ở các tải trọng hữu cơ 47

Hình 4.7 – Nồng độ NH4+-N đầu vào và đầu ra ở các tải trọng hữu cơ 50

Hình 4.8 – Hiệu suất xử lý NH4+-N ở các tải trọng hữu cơ 50

Hình 4.9 – Giá trị pH ở các tải trọng hữu cơ 52

Hình 4.10 – Mối tương quan giữa TN, NH4+-N và NO3--N ở các tải trọng hữu cơ 53 Hình 4.11 – Nồng độ TN ở các tải trọng hữu cơ 55

xi

Hình 4.12 – Hiệu suất xử lý TN ở các tải trọng hữu cơ 55Hình 4.13 – Nồng độ TP ở các tải trọng hữu cơ 57Hình 4.14 – Hiệu suất xử lý TP ở các tải trọng hữu cơ 57Hình 4.15 – Nồng độ sinh khối trong ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí IFAS ở các tải

trọng hữu cơ 59Hình 4.16 – Nồng độ sinh khối lơ lửng và bám dính trong ngăn thiếu khí ở các tải

trọng hữu cơ 60Hình 4.17 – Nồng độ sinh khối lơ lửng và bám dính trong ngăn hiếu khí IFAS ở các

tải trọng hữu cơ 60

xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CH Ữ VIẾT

BOD Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học

F/M Food to Microorganism Chỉ số thức ăn/ sinh khối

HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu nước

IFAS Integrated Fixed-film Activated

Sludge

Công nghệ lai hợp bùn hoạt tính với màng sinh học MBR Membrane bioreactor Bể phản ứng sinh học màng MLSS Mixed Liquor Suspended Solid Chất rắn lơ lửng của hỗn hợp

bùn hoạt tính MLVSS Mixed Liquor Volatile

Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng bay hơi của

hỗn hợp bùn hoạt tính

NH4+-N Amonium Nitrogen Amoni tính theo nitơ

NO3--N Nitrate Nitrogen Nitrate tính theo nitơ

NO2--N Nitrite Nitrogen Nitrite tính theo nitơ

SRT Sludge Retention Time Thời gian lưu bùn

SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn

UASF Upflow Sludge Blanket Filter Lọc dòng ngược bùn sinh học

xiii

CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng tăng do tốc độ

đô thị hóa nhanh chóng, đặc biệt là ở các thành phố lớn Đến năm 2012, chỉ khoảng 10% lượng nước thải đô thị tương ứng 530.000 m3/ngày được xử lý tại Việt Nam,

cụ thể: 17 hệ thống thoát nước và xử lý nước thải đô thị đã được xây dựng ở Hà

Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, 5 hệ thống khác được xây dựng ở các đô thị cấp

tỉnh Công nghệ xử lý hiện đang áp dụng chính 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 ô-xy hóa

Có sự khác biệt về tính chất nước thải giữa hệ thống thoát nước chung và hệ thống thoát nước riêng Hệ thống thoát nước chung có nồng độ BOD: 31 – 135 mg/L, trung bình: 67,5 mg/L, giá trị tương ứng ở hệ thống thoát nước riêng (Buôn Ma Thuột và Đà Lạt) lần lượt: 336 – 380 mg/L, trung bình: 358 mg/L Nồng độ các chất

ô nhiễm khác như TSS, NH4+-N, TN, TP giữa thoát nước chung và thoát nước riêng cũng có sự chênh lệch Nguyên nhân do hệ thống thoát nước riêng có tỷ lệ đấu nối

hộ gia đình trực tiếp (không qua ngăn tự hoại) vào cống thoát nước cao hơn hệ

thống thoát nước chung Các nhà máy xử lý nước thải từ hệ thống thoát nước chung, công suất xử lý và nồng độ ô nhiễm nước thải đầu vào thấp hơn thiết kế nên chất lượng nước sau xử lý hầu hết đạt quy chuẩn hiện hành Riêng các nhà máy xử lý nước thải từ hệ thống thoát nước riêng, việc xử lý chất dinh dưỡng (N, P) khó đạt quy chuẩn hiện hành [1]

Trong tương lai, xu hướng thoát nước riêng là xu hướng chính của các đô thị mới

Xử lý nước thải đô thị ở Việt Nam vẫn đang ở giai đoạn khởi đầu và sẽ đối mặt với nhiều trở ngại (về mặt kỹ thuật và tài chính) nhằm đạt hiệu quả xử lý cao và chi phí

xử lý thấp Kết hợp các ngăn thiếu khí/hiếu khí nối tiếp hay bổ sung giá thể tạo màng sinh học được đánh giá cao trong xử lý nước thải đô thị Theo Olga Burica và

cộng sự, (1996) nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng việc kết hợp các ngăn thiếu khí/hiếu khí bùn hoạt tính ở quy mô pilot (thể tích mô hình: 3300 lít) trong đó tỷ lệ

thể tích giữa ngăn thiếu khí/ngăn hiếu khí: 40/60 Hiệu quả loại bỏ BOD5 và NH4 +

N đạt 97% và 87% với nồng độ đầu ra tương ứng là 7 mg/L và 2 mg/L [2] Theo T Sriwiriyarat và cộng sự, (2005) IFAS (Integrated Fixed-film Activated Sludge) là quá trình đầy triển vọng nhằm tăng cường khả năng nitrat hóa và khử nitrat đối với các hệ thống bùn hoạt tính thông thường cần nâng cấp nhờ lớp màng sinh học trên

bề mặt giá thể để xử lý thành phần dinh dưỡng có trong nước thải, đặc biệt khi diện tích mặt bằng bị hạn chế hoặc chi phí đầu tư thấp [3] Theo Abdel_Kader và cộng

sự, (2012) nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng quá trình IFAS với hiệu quả

loại bỏ BOD5 và TKN đạt 97,7 - 98,2% và 97,2 - 98,7%, tương ứng [4]

Trong nghiên cứu này, một ngăn thiếu khí giá thể cố định sẽ được đặt trước một ngăn hiếu khí theo kiểu IFAS trong xử lý nước thải đô thị nhằm đánh giá hiệu quả

xử lý thành phần hữu cơ (COD) và thành phần dinh dưỡng (N, P), đặc biệt là NH4+

-N

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Đánh giá hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ (COD) và thành phần dinh dưỡng (N, P)

của hệ thống thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS quy mô phòng thí nghiệm với các tải

trọng nồng độ chất ô nhiễm khác nhau của nước thải đô thị

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đáp ứng các mục tiêu của nghiên cứu, đề tài nghiên cứu bao gồm các nội dung sau:

- Tổng quan về nước thải đô thị và các công nghệ xử lý nước thải đô thị đang được áp dụng tại Việt Nam

- Thiết lập mô hình nghiên cứu gồm 3 ngăn: ngăn thiếu khí với giá thể cố định FXP, ngăn hiếu khí IFAS với giá thể di động Mutag BiochipTM và ngăn lắng

thứ cấp

- Vận hành mô hình ở các tải trọng hữu cơ khác nhau: 0,3 kg COD/m3.ngày (tải trọng thích nghi); 0,5 kg COD/m3.ngày; 0,8 kg COD/m3.ngày; 1,1 kg COD/m3.ngày; 1,4 kg COD/m3.ngày và 1,7 kg COD/m3.ngày

- Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình qua các chỉ số: COD, NH4+-N, NO3--N,

tổng ni tơ (TN), tổng photpho (TP) và đánh giá sinh khối bám dính trên bề

mặt giá thể cố định FXP và giá thể di động Mutag BiochipTM

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Nguồn nước thải: nước thải đô thị được lấy tại gần thượng nguồn Suối Cái, Đường số 17, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh

- Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm được thiết kế theo công nghệ thiếu khí

kết hợp hiếu khí IFAS

- Sử dụng giá thể FXP trong ngăn thiếu khí ở trạng thái cố định

- Sử dụng giá thể Mutag BiochipTMtrong ngăn hiếu khí IFAS ở trạng thái xáo

trộn hoàn toàn

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Thí nghiệm được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm của Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường - Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh

- Đánh giá khả năng xử lý thành phần hữu cơ (COD) và thành phần dinh dưỡng (N, P) của mô hình thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS với 6 tải trọng: 0,3 (tải thích nghi); 0,5; 0,8; 1,1; 1,4 và 1,7 kgCOD/m3.ngày với nồng độ

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, các phương pháp nghiên cứu sau đây đã được áp dụng:

- Phương pháp tổng quan, thu thập tài liệu đã nghiên cứu, ứng dụng thực tế trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề công nghệ thiếu khí và hiếu khí IFAS;

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo và vận hành mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

- Phương pháp lấy mẫu và phân tích: Toàn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu môi trường được tiến hành theo đúng các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế (theo Standard Methods)

- Phương pháp thống kê, xử lý số liệu: xử lý số liệu bằng các công thức toán

và thành phần dinh dưỡng (N, P) trong nước thải đô thị đồng thời chất lượng nước

thải sau xử lý luôn ổn định

 Ý nghĩa thực tiễn

Từ kết quả thực nghiệm thu được sẽ phát triển để ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực

xử lý nước thải đô thị nói riêng, và với phạm vi áp dụng ngày một lớn hơn của công nghệ này với các loại nước thải khác có tính chất tương tự

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN

2.1 NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ TẠI VIỆT NAM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 2.1.1 N ước thải đô thị tại Việt Nam

2.1.1.1 Định nghĩa nước thải đô thị

Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát nước

của một thành phố Đó là hỗn hợp của các loại nước thải: nước thải sinh hoạt, nước

thải công nghiệp, nước thải thấm và nước thải tự nhiên

Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh, có thể phân thành các loại sau:

- Nước thải sinh hoạt: nước thải đã được sử dụng cho các mục đích ăn uống,

sinh hoạt tắm rửa, vệ sinh nhà cửa,… của các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, cơ sở dịch vụ… Như vậy, nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người Một số các hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như bệnh viện, trường học, nhà ăn,… cũng tạo ra các loại nước

thải có thành phần và tính chất tương tự như nước thải sinh hoạt [5]

- Nước thải công nghiệp: nước thải được sinh ra trong quá trình sản xuất công

nghiệp từ các công đoạn sản xuất và các hoạt động phục vụ cho sản xuất như nước thải khi tiến hành vệ sinh công nghiệp hay hoạt động sinh hoạt của công nhân viên

- Nước thải thấm: nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác

nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga

- Nước thải tự nhiên: nước mưa chảy tràn được xem là nước thải tự nhiên Ở

những thành phố hiện đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ

thống thoát nước riêng

Tại Việt Nam, đa số các hệ thống thoát nước đều là hệ thống thoát nước chung nên nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước mưa đều thoát theo hệ thống này

2.1.1.2 Thành phần, tính chất nước thải đô thị

Tính gần đúng, nước thải đô thị thường gồm 50% nước thải sinh hoạt, 14% các loại nước thấm và 36% nước thải công nghiệp [6] Do đó, thành phần và tính chất của nước thải đô thị tương đối mang nhiều đặc trưng của nước thải sinh hoạt và một

phần cũng bị ảnh hưởng của các nguồn khác Thành phần và tính chất của các nguồn nước được trình bày sau đây:

 N ước thải sinh hoạt

- Nước thải sinh hoạt có thành phần tương đối ổn định Thành phần và các thông số đặc trưng của nước thải sinh hoạt được trình bày trong Bảng 2.1

B ảng 2.1 – Thành phần và đặc trưng của nước thải sinh hoạt

40

15 0,05 0,2

Nguồn: Lâm Minh Triết và cộng sự, 2006

- Nước thải sinh hoạt chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% các

chất hữu cơ, 48% các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật Phần lớn các vi sinh vật trong nước thải thường ở dạng các virut và vi khuẩn gây bệnh như

tả, lỵ, thương hàn… Đồng thời trong nước cũng chứa các vi khuẩn không có

hại, có tác dụng phân hủy các chất thải

- Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chất như protein (40 – 60%) ; hydrat cacbon (40 – 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo ; và các chất béo (5 – 10%) Có khoảng 20 – 40% chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học và thoát ra khỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn [7]

- Trong nước thải đô thị, tổng số coliform từ 106 đến 109 MPN/100ml, fecal coliform từ 104đến 107 MPN/100ml [7]

Như vậy, nước thải sinh hoạt của đô thị có khối lượng lớn, hàm lượng chất ô nhiễm cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh, là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước

 Nước thải công nghiệp

- Thành phần và tính chất nước thải công nghiệp rất đa dạng và phức tạp

Một số loại nước thải chứa các chất độc hại như nước thải mạ điện, nước

cỏ…), các chất hoạt tính bề mặt ABS (Alkyl bezen sunfonat), một số các

chất hữu cơ có thể gây độc hại cho thủy sinh vật, các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học tương tự như trong nước thải sinh hoạt

- Trong nước thải công nghiệp còn có thể chứa dầu, mỡ, các chất lơ lửng, kim loại nặng, các chất dinh dưỡng (N, P) với hàm lượng cao

 Nước mưa chảy tràn

Nước mưa có nguồn gốc nước ngưng Vì vậy, nước mưa là nguồn nước tương đối

sạch, đáp ứng các tiêu chuẩn dùng nước Nước mưa chỉ bị ô nhiễm khi chảy qua

mặt bằng đã bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, vô cơ và cả các chất thải rắn: cát bụi,

rác, phân gia súc, vi sinh vật Hiện tượng này thường gặp ở các đô thị Việt Nam

mỗi khi có mưa, chủ yếu mưa đầu mùa

2.1.1.3 Hi ện trạng xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam

Trước năm 2000, hoạt động xử lý nước thải ở Việt Nam hầu như chỉ được thực hiện

ở các công trình vệ sinh tại chỗ như ngăn tự hoại, công trình được người Pháp mang đến Việt Nam từ thế kỷ 19 trong thời kỳ thuộc địa Sau đó, công trình này được sử

dụng rộng rãi, với quy định tất cả các hộ gia đình phải xây dựng công trình vệ sinh

tại chỗ Ở các đô thị lớn, ước tính trên 90% hộ gia đình có công trình vệ sinh tại

chỗ, thường là ngăn tự hoại (WHO – UNICEF, 2008; WB – Hydroconceil & PEM, 2008; Nguyễn V A và cộng sự, 2011)

Việc quy hoạch và thiết kế nhà máy xử lý nước đầu tiên ở Việt Nam bắt đầu được

thực hiện từ năm 2000 Đến cuối năm 2012, Việt Nam có tổng cộng 17 nhà máy xử

lý nước thải đô thị tập trung với với tổng công suất là 530.000 m3/ngày tương ứng

với khoảng 10% tổng lượng nước thải phát sinh ở các đô thị, khiêm tốn so với nhu

cầu của trên 90 triệu dân cả nước

Hiện trạng quản lý nước thải đô thị ở Việt Nam được minh họa bằng Hình 2.1 dưới đây

55%

Bể tự hoại không thoát nước

22%

Công trình tại chỗ khác

18%

Nước thải thu gom an toàn

Bùn thải thu gom an toàn

Tổng lượng nước thải được

xử lý

10%

Tổng lượng bùn thải xử lý

an toàn

4%

Nước thải, bùn thải không an toàn thải vào môi trường

Nguồn: Ngân hàng Thế giới, 2013

Hình 2.1 – Hi ện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam

Trong số 17 nhà máy xử lý nước thải, 12 nhà máy được xây dựng ở 3 thành phố lớn

gồm: thủ đô Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh và Tp Đà Nẵng, 5 nhà máy còn lại nằm rải rác ở các đô thị cấp tỉnh Ngoài ra, hiện nay cả nước có trên 30 dự án xử lý nước

thải đô thị trong quá trình thiết kế hoặc xây dựng

B ảng 2.2 – Các nhà máy xử lý nước thải đang hoạt động ở Việt Nam

Trúc B ạch 2.300 A2O (AS) - Hi ệu quả cao

- Công nghệ tiên tiến

- Vận hành tự động

- Thiết kế hệ thống chìm sâu 6m nên công tác b ảo dưỡng, sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn

- Chi phí v ận hành cao

Kim Liên 3.700 A2O (AS)

B ắc Thăng Long

Khánh)

7.000 Bùn ho ạt tính

theo mẻ (SBR) Thành phố Đà

N ẵng

Hòa Cường 15.000 Hồ kỵ khí - Ít tốn kém nhất, không cần sử

d ụng năng lượng điện và hiệu quả tách chất ô nhiễm cao

- Hiệu quả xử lý BOD, Nitơ

phố Đà Lạt sinh học nhỏ

gi ọt + hồ sinh học

7.000 H ồ ôn định (kỵ

khí - làm thoáng kết hợp

h ồ sinh học hỗn hợp )

- Không s ử dụng hóa chất

- Hiệu quả xử lý cao

- Tốn nhiều diện tích, do thời gian lưu lớn

Thành phố Hồ

Chí Minh

Bình Hưng Hòa

c ảnh quan hài hòa

- Chiếm diện tích lớn, thời gian lưu nước lâu (thiết kế 14,4 ngày, thực tế 15,5 ngày)

- Có khả năng thấm của nền đất, về lâu dài có khả năng ảnh hưởng đến tầng nước ngầm bên dưới

- Không có công trình phù h ợp cho việc xử lý nitơ và photpho Bình Hưng 141.000 Bùn hoạt tính

Hiện nay, đã có thêm một số nhà máy XLNT mới đi vào hoạt động: nhà máy XLNT Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận (công suất thiết kế 5.000m3/ngày, bắt đầu hoạt động năm 2012), nhà máy XLNT thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An (công suất thiết kế 25.000m3/ngày, bắt đầu hoạt động năm 2012), nhà máy XLNT Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh (công suất thiết kế 17.500m3/ngày, bắt đầu hoạt động năm 2013), nhà máy XLNT Nam Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương (Công suất thiết kế 17.650m3/ngày, bắt đầu hoạt động năm 2013), nhà máy XLNT Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng (công suất thiết kế 13.000m3/ngày, bắt đầu hoạt động năm 2013) [1]

Đánh giá chung về công nghệ XLNT đô thị ở Việt Nam:

- Công nghệ sử dụng trong các trạm ở thủ đô Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh, Tp Hạ Long gồm các công nghệ hiện đại: công nghệ sinh học hiếu khí với bùn hoạt tính, công nghệ kỵ khí - hiếu khí kết hợp BNR, công nghệ SBR và công nghệ C-Tech Các công nghệ này cho hiệu xuất xử lý cao, thông thường đạt trên 98% với BOD Trong công nghệ xử lý có thể loại bỏ các chất dinh dưỡng như

nitơ và photpho Nhưng chi phí đầu tư và chi phí vận hành cao

- Đối với hệ thống xử lý có nồng độ BOD trong khoảng 336-380 mg/L, trung bình 358mg/L tại Tp Đà Lạt với công nghệ công nghệ lọc nhỏ giọt và hồ sinh thái và Tp Buôn Ma Thuột với công nghệ bùn hoạt tính SBR lại không xử lý đạt chỉ tiêu amoni trước khi xả thải, riêng đối với nhà máy tại Đà Lạt còn chưa đạt chỉ tiêu photpho

- Những công nghệ xử lý được áp dụng ở các khu dân cư Tp Đà Nẵng, Tp Buôn Ma Thuột, Tp Đồng Hới, là các hồ sinh học chi phí thấp, đạt hiệu quả

xử lý trung bình và tốn nhiều diện tích

Như vậy, khi áp dụng công nghệ tiên tiến đòi hỏi chi phí đầu tư và chi phí vận hành cao, áp dụng công nghệ truyền thống và đơn giản thì hiệu quả xử lý thấp, diện tích xây dựng lớn Đối với Việt Nam và các nước đang phát triển nói chung, chi phí đầu

tư cho một nhà máy xử lý nước thải đô thị cần phải cân nhắc kỹ Các chỉ tiêu yêu

cầu đối với một hệ thống xử lý nước thải đô thị gồm chi phí đầu tư, vận hành thấp

và vẫn đảm bảo được chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải

2.1.2 Tổng quan công nghệ xử lý nước thải đô thị

2.1.2.1 Các phương pháp xử lý nước thải đô thị

Hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh có thể gồm một vài công trình đơn vị trong các công đoạn xử lý cơ học, hóa học, sinh học và xử lý bùn cặn

B ảng 2.3 – Các phương pháp xử lý nước thải theo quy trình xử lý cơ học, hóa học

- Khuấy trộn pha loãng

Hóa học - Oxi hóa – khử: Clo hóa, Ozon hóa, làm thoáng, điện

giải, UV

- Trung hòa bằng dung dịch axit hoặc kiềm

- Keo tụ tạo bông

- Sinh trưởng dính bám + Lọc sinh học

+ Aeroten tiếp xúc + Lọc sinh học kết hợp làm thoáng

+ Đĩa sinh học + Tiếp xúc lơ lửng

+ Ổn định cặn trong môi trường hiếu khí

2.1.2.2 Công nghệ sinh học trong xử lý nước thải đô thị

Hình 2.2 – T ổng quát về công nghệ sinh học hiếu khí trong xử lý nước thải đô thị

Hiện nay, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có nhiều công nghệ, được phát triển từ đơn giản: ngăn sinh học hiếu khí truyền thống, hồ sinh học,… đến

phức tạp: lọc sinh học, BAF, RBC, MBBR, SBR, MBR… Tuy nhiên, những công

Công ngh ệ xử lý nước thải bằng quá trình sinh học hiếu khí

Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng dính bám

Bùn hoạt tính

Xử lý liên tục Xử lý theo mẻ

- Bùn hoạt tính truyền thống

- Xử lý chất hữu

cơ MLE

- Quá trình Bardenpho

- Màng sinh học (MBR)

- Bể phản ứng

hoạt động theo

mẻ (SBR)

- Màng sinh học (MBR)

- Giá thể tầng sôi (MBBR)

- Giá thể bơi (Swimming bed)

nghệ này cơ bản vẫn dựa trên quá trình sinh học kết hợp hoặc không kết hợp giữa sinh trưởng lơ lửng và sinh trưởng dính bám

2.2 CÔNG NGHỆ IFAS

2.2.1 Giới thiệu công nghệ IFAS

IFAS – Integrated fixed-film activated sludge – là công nghệ xử lý nước thải lai hợp

giữa màng cố định và bùn hoạt tính lơ lửng truyền thống

Sơ đồ công nghệ IFAS được thể hiện trong hình sau: Bể với giá thể cố định và bể với giá thể di động

Hình 2.3 – Sơ đồ công nghệ IFAS

(a): Bể IFAS giá thể di động; (b): Bể IFAS giá thể cố định

Mục đích cơ bản của quá trình IFAS là cung cấp sinh khối bổ sung vào ngăn bùn

hoạt tính nhằm tăng cường công suất của hệ thống hoặc nâng cấp hiệu suất của nó IFAS đem lại cách tiếp cận thực tế hiệu quả và chi phí thấp (IFAS offers a practical and often cost-effective approach) trong điều kiện diện tích xây dựng hạn chế

IFAS là quá trình rất linh hoạt, vừa kiểm soát sinh khối thông qua một hệ thống

tuần hoàn bùn hoạt tính (RAS), và có thể được áp dụng cho hầu hết các loại sơ đồ dòng chảy và cấu hình ngăn xử lý Dòng tuần hoàn này chủ yếu đưa về các khu vực

hiếu khí của quá trình xử lý để tăng cường nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và loại bỏ nitrat hóa

2.2.2 So sánh công nghệ IFAS và MBBR

Cả hai đều xử lý dựa trên màng cố định, có thể sử dụng cùng một loại giá thể Sự khác biệt chính giữa cả hai là IFAS kết hợp bùn tuần hoàn (RAS) vào quá trình và duy trì nồng độ hỗn hợp xáo trộn điển hình của một quá trình bùn hoạt tính truyền

- Màng sinh học cố định

- Giá thể (màng sinh học) + bùn hoạt tính (MLSS)

- Giá thể mang sinh khối di chuyển tự do, trôi nổi

- Có thể tăng sinh khối trong cùng một thể tích xử lý

- Giá thể được giữ trong ngăn

hiếu khi hoặc vùng khuấy trộn

3 Sơ đồ

kết hợp

xử lý

nitơ

4 Ưu điểm - Dễ dàng trong kiểm soát

sinh khối (MLSS) trong ngăn xử lý

- Hiệu quả xử lý nitơ, phốt pho cao hơn

- Tiêu thụ điện năng ít hơn

- Vận hành đơn giản hơn

- Dễ dàng nâng cấp, thích hợp cho việc cái tạo hệ thống cũ

- Giảm khối lượng bùn sinh ra Do đó, dễ dàng tăng công suất xử

lý mà không phải tăng tải cho ngăn lắng

- Hạn chế diện tích xây dựng

- Linh hoạt trong quá trình tăng và giảm tải cho hệ thống, ổn định theo biến tải

- Sinh khối trên màng cố định không bị rửa trôi

- Sinh khối sinh ra tương ứng với sự tăng/giảm tải của hệ thống

- Quá trình nitrat hóa và khử nitơ diễn ra đồng thời

- Nâng cao quá trình xử lý dinh dưỡng (N, P)

- Vận hành đơn giản, gần giống quá trình bùn hoạt tính thông thường

- Giá thể sử dụng trong hệ thống yêu cầu phải có độ bền cao, tỷ

trọng gần bằng với tỷ trọng của nước

- Giá thể này phải được thiết kế sao cho diện tích bề mặt hiệu dụng

lớn để lớp màng biofilm bám dính trên bề mặt giá thể và tạo điều

kiện tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật khi những giá thể này

lơ lửng trong nước

2.3 NHỮNG QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THIẾU KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ IFAS

Sơ đồ công nghệ thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS được thể hiện trong Hình 2.4

Hình 2.4 – Sơ đồ công nghệ thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS

Trong công nghệ thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS, các quá trình xử lý chất hữu cơ

và chất dinh dưỡng (N, P) được thực hiện dựa trên các quá trình sinh học sau đây:

2.3.1 Quá trình xử lý chất hữu cơ

Đa phần chất hữu cơ trong nước thải đầu vào được phân hủy trong ngăn hiếu khí IFAS, là cơ chất cho các vi sinh vật hiếu khí Một phần nhỏ lại được sử dụng làm

chất nền hữu cơ cần thiết trong quá trình khử nitrat hóa xảy ra trong môi trường thiếu khí Như vậy, chất hữu cơ đều được xử lý trong cả hai ngăn thiếu khí và hiếu khí IFAS

2.3.1.1 Trong điều kiện hiếu khí

Quá trình phân hủy chất hữu cơ thực hiện nhờ các vi sinh vật hiếu khí được mô tả

bằng sơ đồ sau:

(CHO)nNS + O2 → CO2 + H2O + NH4 + + H2S + Tế bào vi sinh vật + ∆H

Trong điều kiện hiếu khí, NH4+

và H2S cũng bị phân huỷ nhờ quá trình nitrat hóa, sunfat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng:

NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2 H+ + H2O + ∆H H2S + 2 O2 → SO42- + 2 H++ ∆H

Hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí bao gồm:

- Quá trình đồng hóa: vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh

dưỡng và các nguyên tố khoáng vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản

- Quá trình d ị hóa: vi sinh vật oxi hoá phân huỷ các chất hữu cơ hoà tan hoặc

ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác

Quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong ngăn hiếu khí IFAS thực chất là quá trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxi để cho sản phẩm là CO2, H2O, NO3- và SO42- Khi xử lý hiếu khí, các chất hữu cơ phức tạp như protein, tinh bột,

chất béo sẽ bị thuỷ phân bởi các men ngoại bào thành các chất đơn giản gồm các axit amin, các axit béo, các axit hữu cơ, các đường đơn… Các chất đơn giản này sẽ

thấm qua màng tế bào và bị phân huỷ tiếp tục hoặc chuyển hoá thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng gồm CO2

và H2O Theo Eckenfelder và cộng sự (1961), cơ chế quá trình xử lý hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu

cầu năng lượng của tế bào

CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + ¾) O2 → xCO2 + [(y-3)/2] H2O + NH3

- Giai đoạn 2: Quá trình đồng hóa - Tổng hợp để xây dựng tế bào

CxHyOzN + NH3 + O2 → xCO2 + C5H7NO2

- Giai đoạn 3: Quá trình dị hóa - Hô hấp nội bào

C5H7NO2 + 5 O2 → x CO2 + H2O

NH3 + O2 → O2 + HNO2 → HNO3

2.3.1.2 Trong điều kiện thiếu khí

Môi trường thiếu khí tại ngăn Anoxic và bên trong màng sinh học bám dính tại ngăn

hiếu khí IFAS đã xảy ra quá trình khử nitrat hóa Quá trình này được thực hiện theo

cơ chế của một quá trình sinh học sử dụng nitrat như một nguồn cung cấp điện tử, ngoại trừ oxy, để oxy hóa các chất hữu cơ Trong suốt quá trình này, nitrat sẽ giảm

dần và chuyển thành nitơ, còn chất hữu cơ được tổng hợp để xây dựng tế bào Như

vậy, chất hữu cơ có trong nước thải đã được xử lý một phần trong quá trình khử nitrat hóa Phương trình hóa học của quá trình này thể hiện như sau:

C10H19O3N + 10 NO3-→ 5 N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3 + 10 OHCông thức C10H19O3N thường được sử dụng để đại diện cho các chất hữu cơ phân

-hủy sinh học trong nước thải (US EPA, 1993) [8]

2.3.2 Quá trình xử lý nitơ

Công nghệ thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS được đưa ra nhằm nâng cao khả năng

xử lý nitơ có trong nước thải dựa trên quá trình loại bỏ nitơ theo Hình 2.5

Phản ứng loại bỏ nitơ sinh học chính là quá trình nitrat hóa và khử nitrat Các phản ứng khác có liên quan bao gồm quá trình amoni hóa, chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac, và hấp thụ nitơ cho sự tăng trưởng tế bào Hình 2.5 thể hiện quá trình nitrat hóa xảy ra trong vùng hiếu khí, quá trình khử nitrat xảy ra trong vùng thiếu khí Theo trình tự xử lý nitơ trong nước thải thì quá trình nitrat hóa diễn ra trước quá trình khử nitrat

Hình 2.5 – Quá trình x ử lý nitơ

2.3.2.1 Quá trình nitrat hóa

Nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh học của amoniac thành nitrat với sự hình thành nitrit như chất trung gian Các vi sinh vật có liên quan gồm những loài sinh vật tự

dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter, chúng thực hiện các phản ứng theo hai bước:

2 NH4+ + 3 O2 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ + tế bào mới

2 NO2- + O2 2 NO3- + tế bào mới

Mức độ nitrat hóa xảy ra trong suốt quá trình xử lý phụ thuộc vào mật độ vi sinh vật nitrat có mặt Sinh khối tế bào bao gồm các vi sinh vật nitrat được gọi ở đây là chất

rắn lơ lửng dễ bay hơi vi sinh vật nitrat (NVSS) Theo nghiên cứu trước đây, năng

suất di động cho vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter lần lượt là

0.05-0.29gNVSS/gNH3-N và 0.02-0.08gNVSS/gNO2-N Giá trị 0.15gNVSS/gNH3-N thường được sử dụng cho các mục đích thiết kế Phản ứng tổng thể thực nghiệm bao

gồm quá trình oxy hóa và tổng hợp [9]:

NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3- > 0.98 NO3- + 0,021 C5H7NO2 + 1,88 H2CO3

Sinh trưởng tế bào Sinh trưởng tế bào

- 4,33g O2 được tiêu thụ

- 0,15g tế bào mới được sinh ra

- 7,14g kiềm (CaCO3) bị tiêu hủy

- 0,08g cacbon vô cơ được tiêu thụ

Các yếu tố ảnh hưởng đến vi sinh vật nitrat hóa bao gồm nhiệt độ, pH và oxi hòa tan (DO) Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của những vi sinh vật nitrat hóa, nhưng để định lượng tác động này rất khó khăn Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển vi sinh vật nitrat hóa khoảng 35oC với một phạm vi tổng thể giữa 4-45oC độ pH cũng ảnh hưởng đáng kể với mức tối ưu: 7,5-8,6 Nồng độ DO phải cao hơn 1 mg/L Nếu không, oxy sẽ gây nên hạn chế chất dinh dưỡng và nitrat hóa chậm lại hoặc chấm

dứt

2.3.2.2 Quá trình khử nitrat

Nitrat được hình thành trong quá trình nitrat xảy ra trong vùng hiếu khí IFAS, được

tuần hoàn về ngăn thiếu khí Khi thiếu oxy và tồn tại nitrat hóa sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách oxy khỏi nitrat để sử dụng lại trong các quá trình oxy hóa các chất

hữu cơ khác Quá trình này được thực hiện bởi các vi khuẩn khử nitrat hóa (vi khuẩn yếm khí tùy tiện) [5] Trong điều kiện không có oxy tự do mà môi trường có nhiều chất hữu cơ cacbon, một số loại vi khuẩn khử nitrat lấy oxy cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ Phương trình hóa học của quá trình này thể hiện như phương trình sau:

C10H19O3N + 10 NO3-→ 5 N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3 + 10 OH Trong quá trình tổng hợp tế bào ở vùng thiếu khí, phương trình hóa học của quá trình khử nitrat được viết lại như sau:

-RBOM + NO3- → N2 + CO2 + H2O + OH - + tế bào mới Trong các phản ứng trên, một lượng kiềm tương đương được sản xuất cho mỗi g NO3-N bị khử, nghĩa là có 3,57g kiềm (CaCO3) sinh ra trên mỗi g NO3-N bị khử Thu hồi lại từ quá trình nitrat hóa khi 7,14g kiềm (CaCO3) bị tiêu thụ cho mỗi g NH4-N bị oxy hóa, do đó, nhờ quá trình khử nitrat mà một nửa lượng kiềm mất đi

bởi quá trình nitrat hóa được khôi phục [8]

Tương tự như quá trình nitrat hóa, có một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat Sự hiện diện của DO sẽ cản trở hệ thống enzyme cần thiết cho quá trình khử nitrat Độ pH tăng lên trong suốt quá trình chuyển đổi nitrate thành khí nitơ do sản

xuất kiềm pH tối ưu: 7 - 8 với các điều kiện tốt nhất khác nhau cho các quần thể vi khuẩn khác nhau Tỷ lệ loại bỏ nitrat và tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ với tốc độ phản ứng tối ưu ở 35-50oC Ngoài ra, các sinh vật rất

nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ

2.3.3 Quá trình xử lý photpho

Hình 2.6 – Quá trình x ử lý photpho

Vi sinh vật tích lũy Photpho (PAOs) là sinh vật dị dưỡng hiếu khí Loài vi sinh vật này sẽ phát triển tốt và tiêu thụ photpho trong một hệ thống xử lý nước thải có cấu tạo thuận lợi cho PAOs cạnh tranh với các vi khuẩn khác

Theo Hình 2.6, những đặc tính quan trọng của quá trình có lợi cho việc lựa chọn

của PAOs bao gồm:

- Khu vực kỵ khí với đầy đủ chất dinh dưỡng (RBOM) - đặc biệt là các axit béo dễ bay hơi (VFAs)

TÍch lũy P

Bùn thải bỏ giàu P

Vùng thi ếu khí hoặc hiếu khí Vùng yếm khí

PHB

PAO TÍch lũy P

Giải phóng P Năng lượng

VFAs

Năng lượng PHB

- Khu vực hiếu khí phía sau nơi diễn ra sự tổng hợp các chất giàu photpho thành sinh khối mới và sự tuần hoàn bùn giàu photpho về khu vực kỵ khí Trong giai đoạn kỵ khí, các PAOs hấp thụ và dự trữ VFAs như các hợp chất carbon, chủ yếu là poly-β-hydroxybutyrate (PHB) PAOs, là các vi sinh vật hiếu khí, có thể không sử dụng VFAs cho sự tăng trưởng tế bào trong vùng kỵ khí Thay vào đó, VFAs được sử dụng để bổ sung lưu trữ PHB của tế bào cho việc sử dụng sau này trong vùng hiếu khí Nói cách khác, trong vùng kỵ khí các PAOs không tăng lên, nhưng nhận chất béo Năng lượng cần thiết để tích lũy PHB được cung cấp từ quá trình phân cắt sản phẩm lưu trữ, các hạt polyphosphate vô cơ Sự phân tách của

những liên kết polyphosphate giàu năng lượng dẫn đến việc giải phóng photpho Trong vùng hiếu khí phía sau, PAOs sử dụng năng lượng và PHB lưu trữ như một nguồn carbon để hấp thụ tất cả các phosphate được giải phóng tại vùng kỵ khí và bổ sung phosphate có trong nước thải đầu vào để làm mới nguồn polyphosphate lưu

trữ Năng lượng được giải phóng bởi quá trình oxy hóa PHB trong vùng hiếu khí gấp 24 - 36 lần năng lượng được sử dụng để lưu trữ PHB trong vùng kỵ khí Do đó,

sự hấp thu photpho đáng kể hơn so với việc giải phóng photpho Quá trình loại bỏ photpho được thực hiện khi loại bỏ bùn

2.3.4 Quá trình trao đổi chất của màng sinh học

Nguyên tắc của công nghệ IFAS là cung cấp vật liệu mang vi sinh vào trong hệ bùn

hoạt tính, do vậy sẽ hình thành lớp vi sinh dính bám trên vật liệu mang Lớp vi sinh dính bám này được gọi là màng sinh học

Màng sinh học là lớp quần thể các vi sinh vật phát triển và bám dính trên bề mặt giá

thể Các vi sinh vật có trong màng sinh học cũng tương tự có trong bùn hoạt tính lơ

lửng Màng sinh học bao gồm các quần thể vi khuẩn phức tạp với nhiều loài vi sinh

vật, bao gồm: tảo, nấm, vi khuẩn, Achaea, và động vật nguyên sinh Metazoa Hầu

hết các vi sinh vật trên màng sinh học thuộc loại dị dưỡng (chúng sử dụng cacbon

hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy nghi chiếm ưu thế Màng sinh

học được chia thành hai lớp: lớp bề mặt và lớp nền Mỗi lớp màng sinh học diễn ra

những quá trình trao đổi chất khác nhau được thể hiện chi tiết trong Hình 2.7

Hình 2.7 – Quá trình trao đổi chất qua màng sinh học

Ở lớp bề mặt của màng sinh học, khi nồng độ oxy hòa tan cao thì số lượng vi sinh

vật hiếu khí sẽ chiếm ưu thế, là nơi diễn ra sự khuếch tán và hấp thụ các hợp chất

hữu cơ vào bên trong lớp màng Nồng độ oxy và cơ chất càng giảm khi càng đi sâu vào lớp nền bên trong tạo cho những vi sinh vật tùy nghi chiếm ưu thế hơn những vi sinh vật khác Như vậy, lớp màng sinh học bám dính trên bề mặt giá thể sẽ hình thành vùng hiếu khí (lớp bề mặt) và vùng thiếu khí (lớp nền) Các cơ chế của quá trình phân hủy chất hữu cơ, xử lý nitơ và xử lý photpho trên màng sinh học xảy ra tương tự như đã trình bày ở các phần trên

2.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng

- Nồng độ sinh khối: Chỉ số bùn càng nhỏ nồng độ bùn cho vào công trình xử

lý càng lớn hoặc ngược lại

- Nồng độ oxi: Khi tiến hành quá trình cần phải cung cấp đầy đủ lượng oxy

một cách liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II

lớn hơn 2 mg/L

- Tải trọng hữu cơ: Khác với quá trình xử lý kị khí, tải trọng hữu cơ trong xử

lý hiếu khí thường thấp nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ trong nước thải qua

bể hiếu khí có BOD toàn phần phải bé hơn 1000 mg/L, còn trong bể lọc sinh

học thì BOD toàn phần của nước thải bé hơn 500 mg/L

Chiều dày màng sinh vật Nước thải

- Các nguyên tố vi lượng, nguyên tố dinh dưỡng: Thông thường các nguyên tố

vi lượng như K, Na, Mg, Ca, Mn, Fe, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl thường có

đủ trong nước thải Tùy theo hàm lượng cơ chất hữu cơ trong nước thải mà

có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết là khác nhau Thông thường cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp: BODtoàn phần: N: P = 100: 5:1 hay COD: N: P = 150: 5: 1

- Giá trị pH và nhiệt độ môi trường: Là các yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến

quá trình xử lý sinh học nước thải Mỗi loại men khác nhau sẽ có một giá trị

pH phù hợp khác nhau Cùng một loại men nhưng thu được từ các nguồn khác nhau sẽ có pH khác nhau Giá trị pH tối ưu cho đa số vi sinh vật từ 6,5 - 8,5 Nếu pH < 5 sẽ thúc đẩy nấm phát triển Nếu pH > 9 sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào, vi sinh vật sẽ chết Mỗi loại men khác nhau sẽ có nhiệt độ tối ưu khác nhau Nhiệt độ này không phải là hằng số mà phụ thuộc vào cơ chất, pH, nồng độ men, nguồn gốc men Nước thải có nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật từ 250- 370C hoặc từ 20 - 800C, hoặc từ 20 - 400C (tối ưu 250- 350C) thấp nhất vào mùa đông là 120 C Men từ thực vật có nhiệt

độ tối ưu từ 50 - 60oC; men từ động vật có nhiệt độ tối ưu từ 40 - 50oC

- Ngoài ra, quá trình xử lý hiếu khí còn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượng chất lơ lửng chảy vào bể xử lý cũng như các loài vi sinh vật và cấu trúc các chất bẩn hữu cơ

- Cân bằng dinh dưỡng cho môi trường lỏng theo tỉ lệ BOD: N: P bình thường

là 100: 5: 1 và cho xử lý kéo dài là 200: 5: 1

- Chỉ số thể tích bùn (SVI): là số mL nước thải đang xử lý lắng được 1 gam bùn trong 30 phút và được tính bằng công thức:

𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑉𝑉×1000𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 (1-1) Trong đó:

+ V: thể tích bùn lắng, mL;

+ MLSS: là hỗn hợp chất rắn, lỏng, huyền phù gồm bùn hoạt tính và chất rắn lơ lửng còn lại chưa được vi sinh kết bông, mg/L

2.4 NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY CÓ LIÊN QUAN

2.4.1 Những nghiên cứu ngoài nước

 John Leju Celestino Ladu và cộng sự, (2013) nghiên cứu loại bỏ nitơ trong nước

thải đô thị bằng công nghệ thiếu khí/ hiếu khí (A/O) với giá thể lọc không dệt woven) Các cột thiếu khí và hiếu khí lần lượt có thể tích là 60L và 27L Cả hai cột đều được lấp đầy với vật liệu lọc vải không dệt có kích thước LxR là 2500x50mm,

(non-diện tích bề mặt 150m2/m3 và độ xốp 97% Kết quả nghiên cứu cho thấy: với nồng

độ COD đầu vào dao động trong khoảng 148,1 – 56,2 mg/L, hiệu quả loại bỏ COD trung bình là 85, 68, 83, 74 và 42% với nồng độ nước thải đầu ra 15,9; 17,5; 7,7; 11,7 và 34mg/L; với nồng độ NH4+-N đầu vào trong khoảng 18,8 – 7,8 mg/L, hiệu

quả loại bỏ trung bình là 94,3; 81,4; 96,7; 92,3 và 94,4% với nồng độ đầu ra 0,5; 3,5; 0,3; 0,6 và 0,6mg/L; với nồng độ NO3--N đầu vào trong khoảng 6,1 – 4,1mg/L,

hiệu quả loại bỏ trung bình là 63,6; 47,0; 38,8; 63,7 và 55,3% với nồng độ đầu ra 12,1; 11,5; 6,7; 12,4 và 12,3mg/L Những chỉ tiêu này thử nghiệm tương ứng với

thời gian lưu là 5, 4, 3, 2 và 1,5 giờ với tỷ lệ tuần hoàn 1, 2 và 3 Kết quả thu được cho thấy, hệ thống phản ứng A/O phù hợp và hiệu quả trong việc loại bỏ nitơ [10]

 Một nghiên cứu khác của John Leju Celestino Ladu và cộng sự (2013) nghiên

cứu sự ảnh hưởng của thời gian lưu nước và tỷ lệ tuần hoàn trên hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ thiếu khí/ hiếu khí và đất ngập nước nhân tạo

dựa trên các chỉ tiêu COD, NH4+-N, NO3--N, TP Nhiệt độ được duy trì ở 20-24oC

và pH trong khoảng 7,6-8,1 Kết quả cho thấy, hiệu quả xử lý COD trung bình là

47, 68, 74, 83 và 85% tại HRT là 1,5, 4, 2, 3 và 5 giờ, tương ứng với tỷ lệ tuần hoàn

là 3, 2 và 1 Hiệu quả xử lý NH4+-N là 78, 85, 88 và 89% ở HRT 5, 3, 4 và 1,5 giờ

với tỷ lệ tuần hoàn là 1, 2 và 3 Hiệu quả loại bỏ NO3--N là 92, 94, 95 và 97% ở HRT 2; 1,5; 3; 5 và 4 giờ với tỷ lệ tuần hoàn 3, 1 và 2 Hiệu quả xử lý TP là 78, 85,

88 và 89% ở HRT 5, 3, 2 và 1 giờ với tỷ lệ tuần hoàn 1, 2 và 3 tương ứng Hệ thống

xử lý COD, NH4+-N, NO3--N và TP tại HRT khác nhau trương ứng lên đến 74,1; 85,0; 94,4 và 85% Tỷ lệ tuần hoàn tối ưu được tìm thấy là 3 Kết quả cho thấy càng

tăng HRT và tỷ lệ tuần hoàn thì hiệu suất xử lý càng cao [11]

 Pusker Regmi và cộng sự, (2011) nghiên cứu đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ thông qua tốc độ nitrat hóa và sự tích lũy màng sinh học trên giá thể để chứng minh

hiệu quả của quá trình IFAS tại nhà máy xử lý nước thải sông James (JRTP) có