Ứng dụng hạt PVA gel để cố định sinh khối AOB và anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

để cố định sinh khối Ammonium Oxidation Bacteria AOB và anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt, nhóm nghiên cứu đã vận hành mô hình Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal SA

NGUYỄN HOÀNG DŨNG - 1770285

ỨNG DỤNG HẠT PVA GEL ĐỂ CỐ ĐỊNH SINH KHỐI

AOB VÀ ANAMMOX CHO XỬ LÝ NITƠ

TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT NITROGEN REMOVAL FROM DOMESTIC

WASTEWATER BY AOB AND ANAMMOX BACTERIA

IMMOBILIZED ON PVA GEL PARTICLES

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường

Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020

NGUYỄN HOÀNG DŨNG - 1770285

ỨNG DỤNG HẠT PVA GEL ĐỂ CỐ ĐỊNH SINH KHỐI

AOB VÀ ANAMMOX CHO XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT NITROGEN REMOVAL FROM DOMESTIC

WASTEWATER BY AOB AND ANAMMOX BACTERIA

IMMOBILIZED ON PVA GEL PARTICLES

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường

Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PGS.TS Nguyễn Phước Dân

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2020

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Phước Dân

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 GS.TS Nguyễn Văn Phước

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG DŨNG MSHV: 1770285

Ngày, tháng, năm sinh: 26/10/1988 Nơi sinh: Tp HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số : 60520320

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng hạt PVA Gel để cố định sinh khối AOB và Anammox

cho xử lý Ni tơ trong nước thải sinh hoạt (Nitrogen removal from domestic

wastewater by AOB and Anammox bacteria immobilized on PVA Gel particles)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của quá trình SANR với chất mang PVA gel cho nước thải căn tin và nước thải văn phòng cho thuê

- Vận hành mô hình PVA gel ở các tải trọng Nitơ khác nhau để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ

- Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox ở các tải trọng vận hành

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019 (Gia hạn tới 08/12/2019)

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Phước Dân

chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường Lời đầu tiên, tôi chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Phước Dân, người đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo mọi điều kiện tốt nhất về tài chính để tôi thực hiện thí nghiệm trong luận văn

Tôi chân thành cảm ơn tập thể Thầy, Cô Khoa Môi trường và Tài nguyên – Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức, phương pháp học tập, nghiên cứu trong thời gian tôi học tại trường Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên, đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất, trang thiết bị trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Xin cảm ơn các bạn lớp cao học, các em sinh viên trong nhóm nghiên cứu đã luôn sát cánh cùng tôi, nhất là trong các thời điểm khó khăn

Tôi cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất về tài chính và tinh thần để tôi hoàn thành khóa học này

Một lần nữa tôi chân thành cảm ơn tập thể các Thầy, Cô, các bạn, gia đình và nhà trường đã tạo điều kiện tốt, cho tôi nhiều cơ hội học tập, nghiên cứu tại trường

Tp HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2019

Nguyễn Hoàng Dũng

để cố định sinh khối Ammonium Oxidation Bacteria (AOB) và anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt, nhóm nghiên cứu đã vận hành mô hình Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal (SANR) với bùn anammox và AOB được cố định trong PVA gel Nước thải được sử dụng là nước thải căn tin và nước thải văn phòng, nhóm điều chỉnh lưu lượng nước thải đầu vào để thay đổi các tải trọng nitơ (Nitrogen Loading Rate – NLR) khác nhau Mô hình được sục khí gián đoạn để tạo điều kiện DO thấp, và có dòng tuần hoàn nội bộ để tạo điều kiện xáo trộn nước thải tốt Nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ và đánh giá hoạt tính bùn anammox, AOB, Nitrite Oxidation Bacteria (NOB) ở những giai đoạn khác nhau của quá trình vận hành

Đối với nước thải căn tin, hiệu suất xử lý tổng nitơ (TN) đạt trung bình 53% ở NLR trung bình = 0.34 kgN/m3.ngày, tương ứng với thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time – HRT) = 4.8 giờ, hiệu suất TN đạt cực đại ở mức 74% Đối với nước thải văn phòng, hiệu suất xử lý TN đạt trung bình 53% ở NLR trung bình = 0.51 kgN/m3.ngày, tương ứng với HRT = 6 giờ, hiệu suất TN đạt cực đại ở mức 73%

Đối với nước thải căn tin, hoạt tính AOB cao nhất là 75.7 mg NH4+-N/g VSS.ngày ở NLR = 0.11 kgN/m3.ngày và hoạt tính anammox cao nhất là 89.83 mg N2-N/g VSS.ngày ở NLR = 0.34 kgN/m3.ngày Đối với nước thải văn phòng, hoạt tính AOB cao nhất là 36.16 mg NH4+-N/g VSS.ngày ở NLR = 0.51 kgN/m3.ngày và hoạt tính anammox cao nhất là 66.41 mg N2-N/g VSS.ngày ở NLR = 0.51 kgN/m3.ngày

Với kết quả đạt được, nhóm nhận thấy ứng dụng hạt PVA gel để cố định sinh khối AOB và anammox phù hợp cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

Oxidation Bacteria (AOB) and anammox bacteria immobilized on Poly Vinyl Alcohol (PVA) gel particles, I operate the Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal (SANR) model with AOB and anammox are immobilized in PVA gel Wastewater used is canteen and office wastewater, I adjusted input flowrate to change the different Nitrogen Loading Rates (NLR) The model is intermittently aerated to facilitate low DO, and has internal circulation to facilitate good mixing of wastewater I conducted experiments to evaluate the performance of nitrogen removal and evaluate specific activity of anammox and AOB at different stages of the operation

For canteen wastewater, the total nitrogen (TN) removal averages 53% at the average NLR = 0.34 kgN/m3.day, corresponding to the Hydraulic Retention Time (HRT) = 4.8 hours, the TN removal reach a peak at 74% For office wastewater, the

TN removal averages 53% at the average NLR = 0.51 kgN/m3.day, corresponding

to HRT = 6 hours, the TN removal reach a peak at 73%

For canteen wastewater, the highest specific activity of AOB is 75.7 mg NH4+N/g VSS.day at NLR = 0.11 kgN/m3.day and the highest specific activity of anammox is 89.83 mg N2-N/g VSS.day at NLR = 0.34 kgN/m3.day For office wastewater, the highest specific activity of AOB is 36.16 mg NH4+-N/g VSS.day at NLR = 0.51 kgN/m3.day and the highest specific activity of anammox is 66.41 mg N2-N/g VSS.day at NLR = 0.51 kgN/m3.day

-The results achieved show that application of PVA gel particles for immobilizing AOB and anammox bacteria is suitable for nitrogen removal in domestic wastewater

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: NGUYỄN HOÀNG DŨNG MSHV: 1770285

Ngày tháng năm sinh: 26/10/1988 Nơi sinh: Tp.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường MS: 60520320

Tên đề tài: Ứng dụng hạt PVA Gel để cố định sinh khối AOB và Anammox cho

xử lý Ni tơ trong nước thải sinh hoạt (Nitrogen removal from domestic wastewater by AOB and Anammox bacteria immobilized on PVA Gel particles)

Ngày bắt đầu: 11/02/2019

Ngày hoàn thành: 08/12/2019

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phước Dân

Tôi cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi Những kết quả và số liệu trong luận văn chưa được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2020

Nguyễn Hoàng Dũng

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 4

2.1.1 Nước thải sinh hoạt 4

2.1.2 Xử lý nước thải sinh hoạt 5

2.2 Quá trình Deammonification 6

2.2.1 Cơ chế 6

2.2.2 Quá trình one-stage anammox và two-stage anammox 7

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng 8

2.2.4 Hiệu quả xử lý 9

2.3 Các ứng dụng hạt PVA Gel vào xử lý nước thải 10

2.4 Quá trình CANON dùng hạt gel PVA cố định AOB và anammox 13

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15

3.1 Thí nghiệm 1a: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải căn tin 15

3.1.1 Vật liệu 15

3.1.2 Điều kiện vận hành 18

3.2 Thí nghiệm 1b: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải văn

phòng 20

3.2.1 Vật liệu 20

3.2.1 Điều kiện vận hành 21

3.3 Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn Anammox, AOB, NOB 23

3.2.1 Vật liệu 23

3.2.2 Phương pháp 24

3.4 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 25

3.4.1 Phương pháp phân tích 25

3.4.2 Phương pháp xử lý số liệu 26

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

4.1 Thí nghiệm 1: Đánh giá khả năng xử lý nitơ 29

4.1.1 Các thành phần nitơ 29

4.1.2 pH và độ kiềm 39

4.1.3 COD 42

4.1.4 Tính chất vật lý của hạt PVA gel 44

4.2 Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox 47

4.2.1 Hoạt tính AOB và NOB 47

4.2.2 Hoạt tính anammox (SAA) 52

4.3 Thảo luận chung 56

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 63

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý (Metcalf

& Eddy, 2013) 5

Bảng 2.2 Các công nghệ đang áp dụng tại Việt Nam tại thời điểm khảo sát (World Bank, 2013) 6

Bảng 2.3 Tổng quan sự chuyển hóa Nitơ và tốc độ tiêu thụ NH4+-N trong các mô hình ứng dụng nitrite hóa bán phần và anammox (Third và cộng sự, 2005) 9

Bảng 3.1 Thành phần nước thải căn tin 18

Bảng 3.2 Thành phần vi lượng 18

Bảng 3.3 Điều kiện vận hành mô hình nước thải căn tin 19

Bảng 3.4 Thành phần nước thải văn phòng cho thuê 21

Bảng 3.5 Điều kiện vận hành mô hình nước thải văn phòng cho thuê 22

Bảng 3.6 Thành phần nước thải nhân tạo (Hoa và cộng sự, 2006) 23

Bảng 3.7 Thành phần vi lượng (Hoa và cộng sự, 2006) 23

Bảng 3.8 Các phương pháp phân tích 26

Bảng 4.1 Đặc điểm vật lý của hạt PVA Gel mang sinh khối theo thời gian 44

Bảng 4.2 Các thông số dòng vào và dòng ra trung bình của nước thải căn tin 45

Bảng 4.3 Các thông số dòng vào và dòng ra trung bình của nước thải văn phòng 46

Bảng 4.4 Hoạt tính riêng của vi khuẩn AOB và NOB với nước thải căn tin 49

Bảng 4.5 Hoạt tính riêng của vi khuẩn AOB và NOB với nước thải văn phòng 51

Bảng 4.6 Hoạt tính riêng của vi khuẩn anammox với nước thải căn tin 53

Bảng 4.7 Hoạt tính riêng của vi khuẩn anammox với nước thải văn phòng 55

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam (World Bank, 2013) 4

Hình 2.2 Công thức cấu tạo Polyvinyl alcohol (VectorStock.com) 10

Hình 2.3 Quy trình sản xuất PVA Gel (Quan và cộng sự, 2010) 13

Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu của đề tài 15

Hình 3.2 Mô hình SANR cho nước thải căn tin 15

Hình 3.3 Quy trình sản xuất PVA Gel tại phòng thí nghiệm 17

Hình 3.4 Mô hình SANR cho nước thải văn phòng cho thuê 20

Hình 3.5 Các bước thực hiện đánh giá hoạt tính bùn Anammox (SAA) 24

Hình 3.6 Các bước đánh giá hoạt tính bùn AOB và NOB 25

Hình 4.1 Diễn biến các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra của nước thải căn tin29 Hình 4.2 Diễn biến hiệu suất xử lý nitơ đối với nước thải căn tin 30

Hình 4.3 Nitơ dòng vào và ra ở các tải trọng khác nhau, nước thải căn tin 31

Hình 4.4 Diễn biến các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra của nước thải văn phòng 34

Hình 4.5 Diễn biến hiệu suất xử lý nitơ đối với nước thải văn phòng cho thuê 35

Hình 4.6 Nitơ dòng vào và ra ở các tải trọng khác nhau, nước thải văn phòng 36

Hình 4.7 Diễn biến pH và độ kiềm đối với nước thải căn tin 39

Hình 4.8 Diễn biến pH và độ kiềm đối với nước thải văn phòng cho thuê 40

Hình 4.9 Diễn biến COD đối với nước thải căn tin 42

Hình 4.10 COD trung bình đầu vào và đầu ra đối với nước thải căn tin 42

Hình 4.11 Diễn biến COD đối với nước thải văn phòng cho thuê 43

Hình 4.12 COD trung bình đầu vào và đầu ra đối với nước thải văn phòng cho thuê 43

Hình 4.13 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn AOB và NOB, nước thải căn tin, HRT = 28.8h 48

Hình 4.14 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn AOB và NOB, nước thải căn tin, HRT = 14.4h 48

Hình 4.15 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn AOB và NOB, nước thải căn tin, HRT = 4.8h 49

Hình 4.16 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn AOB và NOB, nước thải văn phòng, HRT = 24h 50Hình 4.17 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn AOB và NOB, nước thải văn phòng, HRT = 12h 50Hình 4.18 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn AOB và NOB, nước thải văn phòng, HRT = 6h 51Hình 4.19 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn anammox, nước thải căn tin, HRT = 28.8h 52Hình 4.20 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn anammox, nước thải căn tin, HRT = 14.4h 52Hình 4.21 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn anammox, nước thải căn tin, HRT = 4.8h 53Hình 4.22 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn anammox, nước thải văn phòng, HRT = 24h 54Hình 4.23 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn anammox, nước thải văn phòng, HRT = 12h 54Hình 4.24 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt tính bùn anammox, nước thải văn phòng, HRT = 6h 55

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Anammox Anaerobic Ammonium Oxidation

AO Công nghệ bùn hoạt tính Anoxic - Oxic

A2O Công nghệ bùn hoạt tính Anaerobic - Anoxic - Oxic

AOB Vi khuẩn oxi hóa ammonia – Ammonium Oxidation Bacteria

BOD Nhu cầu oxy sinh hóa - Biochemical Oxygen Demand

BTNMT Bộ Tài Nguyên và Môi trường

CANON Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite

CSTR Continuosly Stirred Tank Reactor

COD Nhu cầu oxy hóa học - Chemical Oxygen Demand

DEMON DEaMONification

DO Nồng độ oxy hòa tan - Dissolved Oxygen

EDTA EthylenDiamin Tetraacetic Acid

NLR Tải trọng nitơ – Nitrogen Loading Rate

NOB Vi khuẩn oxi hóa nitrite thành nitrate – Nitrite Oxidation Bacteria

OLAND Oxygen-Limited Autotrophic Nitrification-Denitrification

OLR Tải trọng hữu cơ – Organic Loading Rate

PN Partial Nitritation

PVA Poly Vinyl Alcohol

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

SAA Specific Anammox Activity

SANR Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal

SBR Bể phản ứng theo mẻ - Sequencing Batch Reactor

SHARON Single reactor High Activity Ammonia-Removal Over Nitrite

SRT Thời gian lưu bùn – Sludge Retention Time

SS Chất rắn lơ lửng - Suspended Solids

TKN Tổng nitơ Kjeldahl - Total Kjeldahl Nitrogen

TN Tổng nitơ – Total Nitrogen

VSS Chất rắn lơ lửng bay hơi - Volatile Suspended Solids

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Bên cạnh các chỉ tiêu về chất hữu cơ, SS, Coliforms thì các nhà thiết kế công trình xử lý nước thải sinh hoạt cũng đặc biệt quan tâm về các chỉ tiêu Nitơ khi lựa chọn công nghệ xử lý Hiện nay có rất nhiều công nghệ có thể lựa chọn để xử lý nước thải sinh hoạt như: aeroten, SBR, MBR, AO, A2O, v.v Trong các công nghệ

kể trên thì A2O được xem là tiên tiến so với công nghệ aeroten truyền thống và AO nhờ vào khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ, nitơ và phospho Ngoài ra, khi so sánh với các công nghệ khác, quá trình A2O sản sinh ra lượng bùn ít hơn và bùn cũng lắng tốt hơn Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình A2O là khả năng xử lý nitơ

bị giới hạn bởi tỷ lệ tuần hoàn, trong khi khả năng xử lý photpho bị ảnh hưởng bởi lượng bùn mang theo nitrat tuần hoàn về vùng kị khí (Metcalf & Eddy, 2013) Hiện nay, công nghệ màng MBR cũng đươc ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải do nó

có hiệu quả xử lý cao, đặc biệt là xử lý nitơ Tuy vậy chi phí đầu tư mua màng cho MBR lớn và chưa áp dụng được cho các công trình có công suất lớn Bên cạnh đó, màng cũng dễ bị tắc nghẽn nhanh nếu nước thải đầu vào không được tiền xử lý tốt, nhu cầu rửa màng khá lớn

Trước những nhược điểm của các công nghệ xử lý hiện có, việc tìm ra công nghệ mới giúp khắc phục các nhược điểm đó là cần thiết Công nghệ mới phải xử lý được nước thải sinh hoạt với hiệu quả cao (đặc biệt là Nitơ), tốc độ sinh bùn thấp Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite (quá trình CANON) với sự kết hợp của 2 nhóm vi khuẩn: vi khuẩn anammox và AOB (Ammonium Oxidation Bacteria) là một quá trình sinh học xử lý nitơ hiệu quả về mặt năng lượng cùng với một số lợi ích kỹ thuật so với quá trình khử nitrat hóa thông thường (Cho và cộng

sự, 2010) Quá trình CANON đã có khá nhiều nghiên cứu trước đây ở Việt Nam, ví

dụ xử lý nitơ trong nước thải rỉ rác cũ (Le và cộng sự, 2019), xử lý nitơ trong nước thải cao su (Nguyen và cộng sự, 2017), xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi (Huynh

và cộng sự, 2019) Đây đều là các loại nước thải có hàm lượng nitơ cao, trong khi

nước thải có hàm lượng nitơ thấp như nước thải sinh hoạt chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều

Một trong những nhược điểm của quá trình CANON là vi khuẩn anammox có tốc độ tăng trưởng cực kỳ chậm, đồng thời dễ dàng bị rửa trôi trong quá trình hoạt động (Huynh và cộng sự, 2019) Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách

cố định vi khuẩn Anammox và AOB trên Poly (vinyl alcohol) - (PVA) gel, sử dụng quá trình SANR (Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal) Poly (vinyl alcohol)

- (PVA) gel là một polymer tổng hợp rẻ tiền, không độc hại, không hòa tan trong nước, không bị phân hủy sinh học và có độ xốp cao đã được ứng dụng rộng rãi trong việc cố định các vật liệu mang đặc tính sinh học Vi khuẩn anammox và AOB

cố định trên chất mang PVA gel, giúp vi khuẩn AOB bên ngoài ở trong khu vực hiếu khí, trong khi vi khuẩn anammox bên trong được bảo vệ khỏi sự ức chế oxy (Bae và cộng sự, 2017) Hơn nữa, với quá trình SANR, việc tiêu thụ Nitrite của vi khuẩn Anammox xảy ra đồng thời với việc sản xuất Nitrite của AOB, giúp hạn chế độc tính Nitrite đối với vi khuẩn anammox (Strous và cộng sự, 1999) Do đó, nhóm

đã tiến hành nghiên cứu về ứng dụng hạt PVA gel để cố định sinh khối AOB và anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của quá trình SANR với chất mang PVA gel cho nước thải căn tin và nước thải văn phòng cho thuê

1.3 Nội dung nghiên cứu

Để đáp ứng mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu bao gồm:

 Vận hành mô hình PVA gel ở các tải trọng Nitơ khác nhau để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ

 Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox ở các tải trọng vận hành

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Nguồn nước thải là nước thải sinh hoạt được lấy từ hố ga căn tin C6, trường Đại Học Bách Khoa tại Quận 10 và nước thải sinh hoạt được lấy từ bể điều hòa của trạm xử lý nước thải của tòa nhà văn phòng cho thuê Ree Tower tại Quận 4 Bùn trước khi cấy vào giá thể PVA gel được lấy từ mô hình dòng tuần hoàn nội bộ (Internal Circulation – IC) (bùn hạt annamox) và mô hình nitrite hóa bán phần (Partial Nitritation – PN) (bùn hạt AOB và NOB)

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này được tiến hành dựa trên thực nghiệm ở qui mô phòng thí nghiệm, đánh giá khả năng xử lý nitơ ở các tải trọng nitơ khác nhau; đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox

PVA gel cố định AOB và anammox được kế thừa từ nghiên cứu sinh Phan Thế Nhật

Phương pháp lấy mẫu và phân tích, đánh giá các số liệu thực nghiệm theo các chỉ tiêu pH, độ kiềm, NH4+, NO2-, NO3-, TKN và COD

Phương pháp phân tích và xử lý số liệu được thực hiện theo các quy chuẩn của Việt Nam và quốc tế (Standard Methods Methods for the Examination of Water and Wastewater)

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.6.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu tìm thấy khả năng xử lý nitơ của quá trình SANR, trong

đó sử dụng hạt PVA Gel làm chất mang sinh khối AOB và annammox đối với nước thải sinh hoạt

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu thể hiện tính khả thi trong ứng dụng quá trình này vào xử

lý nước thải sinh hoạt

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

2.1.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là lượng nước thải do các sinh hoạt thường ngày như tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân, v.v Thông thường thành phần nước thải sinh hoạt gồm khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là có hàm lượng các chất hữu cơ không bền sinh học (như Cacbon hydrat, protein, mỡ) cao, chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), vi trùng, chất rắn và mùi Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào các tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu vực phụ thuộc vào khả năng cấp nước của các nhà máy hiện có Do nhu cầu sử dụng nước là khác nhau giữa nông thôn và thành thị nên lượng nước thải sinh hoạt tính trên đầu người có sự khác biệt giữa hai khu vực

Hình 2.1 Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam ( World Bank, 2013 )

Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam được trình bày như Hình 2.1

Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh kém, nước thải sinh hoạt không

được xử lý tốt là một trong những nguồn gây ô nhiễm trầm trọng Chất lượng nước thải sinh hoạt chưa xử lý có thể tham khảo qua Bảng 2.1

Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý

( Metcalf & Eddy, 2013 )

2.1.2 Xử lý nước thải sinh hoạt

Nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào tiếp nhận từ hệ thống thoát nước chung rất thấp, nhưng nhiều nhà máy xử lý lại được thiết kế để xử lý nước có thông số ô nhiễm cao hơn Hệ thống thoát nước chung hiện đang thu gom và cung cấp nước thải cho 13 trong số 17 nhà máy xử lý nước thải đang hoạt động ở Việt Nam, với tổng công suất thiết kế là 552,000 m3/ngày Trong số 13 nhà máy nói trên,

8 nhà máy có tổng công suất là 406,000 m3/ngày hiện đang áp dụng các giải pháp

xử lý bằng bùn hoạt tính (bùn hoạt tính truyền thống, kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí, phản ứng theo mẻ, mương oxy hóa), vốn phù hợp để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và các thông số ô nhiễm khác cao hơn (World Bank, 2013) Các công nghệ đang áp dụng tại các nhà máy xử lý nước thải tập trung ở Việt Nam được trình bày trong Bảng 2.2

Bảng 2.2 Các công nghệ đang áp dụng tại Việt Nam tại thời điểm khảo sát

( World Bank, 2013 )

STT Nhà máy xử lý

nước thải Thành phố Quá trình xử lý

Hệ thống thoát nước

Hà Nội

Quảng Ninh Bể sinh học theo mẻ Chung

+ Lọc nhỏ giọt Riêng

14 Buôn Ma Thuột Buôn Ma

2.2 Quá trình Deammonification

2.2.1 Cơ chế

Quá trình CANON là quá trình xảy ra do sự tương tác của hai nhóm vi khuẩn

tự dưỡng: ammonia oxidizing bacteria (AOB) và anammox bacteria (Third và cộng

sự, 2005) Quá trình loại bỏ nitrogen có thể tóm lược bằng các phương trình sau (Lee và cộng sự, 2008):

Nitrite hóa: 1.3NH4+ + 1.95O2 → 1.3NO2- +2.6H+ + 1.3H2O (2.1)

Anammox: NH4+ + 1.3NO2- → 0.26NO3- + 1.02N2 + 2H2O (2.2)

Tổng hợp hai phương trình:

NH4+ + 0.85O2 → 0.113NO3- + 0.4335N2 + 1.13H+ + 1.43H2O (2.3)

Tuy nhiên cả hai chủng vi sinh AOB và anammox đều tăng trưởng rất chậm

do AOB cần oxy để sản sinh nitrite và tồn tại, trong khi oxy sẽ hạn chế và làm giảm hoạt tính của anammox Do đó kiểm soát oxy và tỷ lệ sinh khối giữa AOB và anammox là rất quan trọng

NO2- sinh ra từ phương trình (2.1) được vi khuẩn anammox thuộc nhóm Planctomycete sử dụng làm chất nhận điện tử trong điều kiện kị khí để oxi hóa NH4+, phản ứng thể hiện tại phương trình (2.2)

Anammox yêu cầu tỷ lệ NH4+:NO2- là 1:1.32 và một phần NO2- được cung cấp

từ AOB Quá trình anammox chuyển hóa NH4+ và NO2- thành khí N2 và một lượng nhỏ NO3- Kết hợp phương trình (2.1) và (2.2) ta được phương trình (2.3), phương trình đặc trưng của quá trình CANON

So với quá trình nitrat hóa và khử nitrat thông thường, phương pháp này giúp tiết kiệm 100% nguồn carbon cần thiết (ví dụ: metanol) và 63% lượng oxy cần thiết (Kuai và Verstraete, 1998) Điều này dẫn đến việc giảm hơn 100% lượng khí thải CO2 và giảm nhu cầu năng lượng Bên cạnh đó, lượng bùn sinh ra từ quá trình CANON cũng thấp, ± 0.05 kg ds/kg N đối với anammox và ± 0.1 kg ds/kg N đối với AOB (Strous, 2000) Mặc dù quá trình Canon không cần bất cứ nguồn cacbon hữu cơ nào để loại bỏ Nitơ, tuy nhiên nó vẫn tiêu thụ nguồn cacbon vô cơ, vì vậy phải bổ sung HCO3-

Một hạn chế đối với việc áp dụng rộng rãi quá trình này là khó khăn trong việc phát triển một lượng lớn sinh khối Anammox (Strous và cộng sự, 1999) Chikako

và cộng sự (2019) đã mất tới 3 năm để làm giàu anammox thành công từ nước thải nuôi heo

2.2.2 Quá trình one-stage anammox và two-stage anammox

Công nghệ anammox có thể được tiến hành trong 2 bể phản ứng riêng biệt (two-stage system) hoặc trong 1 bể phản ứng duy nhất với điều kiện hạn chế sục khí (one-stage system) Ưu điểm của quá trình two-stage anammox là dễ dàng thiết lập điều kiện vận hành tối ưu cho từng bể phản ứng, tuy nhiên lại gặp khó khăn trong

việc duy trì sự ổn định của quá trình khi tính chất nước thải đầu vào có sự dao động (Daehee và cộng sự, 2019) Ngoài ra, đối với nước thải có hàm lượng ammonium lớn thì lượng nitrit lớn sinh ra do quá trình nitrit hóa bán phần ở bể thứ nhất là độc tính đối với vi khuẩn anammox ở bể thứ hai (Strous và cộng sự, 1999) Trong khi

đó, mặc dù quá trình one-stage anammox gặp nhiều khó khăn trong việc thiết lập điều kiện vận hành tối ưu, quá trình này lại dễ dàng duy trì nồng độ nitrit thấp trong

bể phản ứng cũng như đơn giản hơn trong việc ngăn chặn sự rửa trôi sinh khối ra khỏi bể phản ứng (Daehee và cộng sự, 2019)

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng

Theo Lee và cộng sự (2008), quá trình nitrite hóa bán phần – anammox là quá trình dựa trên hai quá trình sinh học: một phần ammonium (NH4+) sẽ được chuyển hóa thành nitrite (NO2-) sau đó NO2- sinh ra sẽ được khử bởi lượng NH4+ còn lại Các thông số môi trường quan trọng nhất để đạt được nitrite hóa bán phần là nồng

độ free ammonia (FA, NH3) và free nitrous acid (FNA, HNO2), nhiệt độ, pH và DO (Paredes và cộng sự, 2007) Cụ thể, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gồm:

 Dissolved oxygen (DO) ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của quá trình CANON DO thấp là điều kiện tốt cho anammox sinh trưởng trong giai đoạn tỉ lệ NO2-:NH4+ tương ứng là 1.32, tuy nhiên ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của vi khuẩn AOB DO cao ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của anammox, nhưng là điều kiện tốt cho AOB, NOB chiếm ưu thế (Vázquéz-Padin và cộng sự, 2010) Giá trị

DO phù hợp trong khoảng 0.1 đến 1.0 mgO2/l

 Hydrogen carbonate (HCO3-) là nguồn dinh dưỡng tốt cho anammox sinh trưởng Quá trình CANON sẽ làm giảm pH do vậy HCO3- giúp làm trung hòa pH Ngoài ra, độ kiềm trong nước còn có tác dụng cung cấp nguồn cacbon cho vi khuẩn

 Nồng độ các chất hữu cơ cao kìm hãm vi khuẩn anammox COD cao thì quá trình chuyển hóa nitrit thành nitrat chiếm ưu thế do đó làm ảnh hưởng đến lượng nitrit cần thiết cho vi khuẩn anammox (Vázquéz-Padin và cộng sự, 2010) Nồng độ COD < 300mg/l và tỉ lệ COD/TKN < 2 là giá trị thích hợp (Van Hulle và cộng sự,

2010)

 Free ammonia (FA) hạn chế sự sinh trưởng của vi khuẩn oxi hóa nitrite - NOB nhiều hơn so với vi khuẩn oxi hóa ammonia - AOB Giá trị pH thích hợp là 7

- 8 (Third và cộng sự, 2005) để hạn chế sinh trưởng của NOB Cần duy trì pH > 7 (HNO2 < 0.2 mg/L), pH < 8 (NH3 < 150mg/L)

 Sự tích lũy nitrit trong bể phản ứng kìm hãm hoạt tính của anammox Theo

Strous và cộng sự (1999), khi nồng độ nitrite > 100 mg N/l hoạt tính anammox hoàn toàn bị kìm hãm Để khôi phục hoạt tính anammox, ta cần thêm một lượng vết chất trung gian (> 1.4 mg N/l hydrazine, > 0.7 mg N/l hydroxylamine)

 Giá trị nhiệt độ thích hợp cho AOB từ 15 - 30oC, và anammox 25 - 35oC Qua tham khảo các tài liệu về điều kiện vận hành mô hình CANON đã được công bố Các thông số ảnh hưởng chính đến hoạt tính của vi khuẩn trong mô hình là

pH, nhiệt độ và DO Giá trị pH nên duy trì từ 7.5 - 7.9, nhiệt độ thích hợp 25 - 35oC,

DO duy trì 0.1 đến 1.0 mg/l

2.2.4 Hiệu quả xử lý

Thông tin các mô hình ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần và anammox

về hiệu quả xử lý nitơ và tốc độ tiêu thụ NH4+-N được tổng hợp trong Bảng 2.3

Bảng 2.3 Tổng quan sự chuyển hóa Nitơ và tốc độ tiêu thụ NH 4 + -N trong các mô hình

ứng dụng nitrite hóa bán phần và anammox ( Third và cộng sự, 2005 )

Nguồn

SHARON-

Anammox

SBR

CSTR-1.2 5.5 Van Dongen

và cộng sự (2001)

Verstraete (1998)

sự (2005)

Nguồn

cộng sự (2002)

cộng sự (2003)

sự (2001)

2.3 Các ứng dụng hạt PVA Gel vào xử lý nước thải

Công thức cấu tạo của PVA gel được trình bày trong Hình 2.2

Hình 2.2 Công thức cấu tạo Polyvinyl alcohol (VectorStock.com)

Hạt PVA gel lần đầu được cung cấp bởi công ty Kuraray (Nhật Bản), từ đó nó được phổ biến trên thế giới Những ưu điểm của hạt PVA Gel trong lĩnh vực xử lý nước thải được nhà sản xuất công bố như sau (kuraray.co.jp):

 PVA gel dạng hạt có đường kính 4 mm, trọng lượng riêng 1.025 ± 0.01 và đặc biệt cần ít năng lượng để xáo trộn;

 PVA gel có mạng lưới các lỗ có đường kính khoảng 20 µm;

 PVA gel sinh ra ít bùn hơn phương pháp sinh học truyền thống;

 PVA gel có hàm lượng nước cao do độ xốp lớn, do đó cho phép các chất cần thiết thấm qua màng để nuôi dưỡng bùn;

 PVA gel cơ bản không bị tan trong nước và phân hủy sinh học;

 Tùy thuộc vào đặc tính nước thải mà khả năng xử lý của PVA gel có thể tăng cường gấp 5 lần bùn hoạt tính thông thường;

 PVA gel cho phép nâng cấp các hệ thống thông qua các bể hiện hữu hoặc thiết kế các đơn vị xử lý mới

Theo nghiên cứu về PVA gel để cố định bùn kỵ khí trong bể phản ứng UASB của Tài và cộng sự (2016), PVA gel ở dạng keo nồng độ 8% (w/v) được biến tính bằng cách nhỏ giọt vào dung dịch axit boric bão hòa (6%, w/v) và ngâm trong 2 giờ

Để tăng độ bền, hạt được ngâm trong dung dịch natri sulfate 1M trong 1 giờ Giá thể PVA dạng hạt có đường kính 3.5 - 5 mm, tỉ trọng 1.03 - 1.08, hạt có độ bền cơ học cao và tính đàn hồi tốt Cấu trúc bề mặt hạt và lỗ xốp bên trong đã được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) Nghiên cứu đã tiến hành cố định bùn hoạt tính yếm khí trong ba hệ thống UASB xử lý nước thải cao su lên giá thể PVA với các tỉ lệ bùn/hạt PVA là 1/1, 2/1, 3/1 (v/v) Kết quả thu được ở tỉ lệ bùn/hạt là 1/1 (v/v) thì hoạt tính sinh metan (SMA) của hạt là 0.133 g COD/g VSS.ngày, đạt 17 %

so với hoạt tính SMA của bùn phân tán trong cùng hệ thống và lượng sinh khối bám dính trên giá thể là 0.936 g VSS/g hạt PVA khô sau 90 ngày

Eszter và cộng sự (2010) đã so sánh hiệu quả sản xuất khí sinh học giữa bể kị khí giá thể PVA gel di động và bể kị khí thông thường Ở giai đoạn khởi chạy mô hình, việc khuấy trộn liên tục nhầm mục đích đảm bảo điều kiện tiếp xúc bề mặt PVA Gel với các thành phần nước thải Lượng protein hình thành sau 10, 20, 50 ngày hoạt động tương ứng là 0.002, 0.009 và 0.01 g protein/ g hạt Điều này cho thấy sự hình thành màng ở các hạt PVA gel đã đạt được Các bể phản ứng đã hoạt động ổn định trong 50 ngày và kết quả là hiệu quả của việc sản xuất khí sinh học trong lên men kỵ khí có thể tăng ít nhất 28% với sự hình thành màng sinh học trong PVA gel

Wenjie và cộng sự (2008) nghiên cứu về việc nâng cao sự hình thành bùn hạt trong bể UASB khi sử dụng hạt PVA gel Trước khi xử lý, hạt PVA Gel có màu

trắng và bùn màu vàng Những sự thay đổi bên ngoài được ghi nhận liên tục từ 15 -

20 ngày Chỉ sau 5 ngày hoạt động, một số hạt PVA Gel đã chuyển sang màu vàng nhạt và sau 1 tháng, hạt PVA Gel chuyển sang đen trong khi bông bùn bên ngoài vẫn còn màu vàng nhạt Hạt PVA Gel đen có vận tốc lắng trung bình 200 m/h và dính bám lượng sinh khối 0.93 g VSS/g PVA Các sinh khối bám trên bề mặt PVA Gel được mô tả như trong báo cáo của Zhou và cộng sự (2006) Khi vi sinh kỵ khí bám vào PVA Gel theo thời gian, màu sắc các hạt PVA Gel dần chuyển sang màu đen

Hoa và cộng sự (2006) đã thực hiện nghiên cứu đánh giá hiệu quả loại bỏ Nitơ khi sử dụng PVA gel làm chất mang bùn anammox và ứng dụng trong 1 bể phản ứng FBR Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ TN là 83% tại nồng độ 606 mg N/l và thời gian lưu nước là 9h Với thời gian lưu nước là 9 - 4h tại nồng độ là 605 mg N/l thì hiệu suất xử lý đạt 75% trở lên Trong đó, tại HRT = 4h thì hiệu quả loại bỏ đạt 83% Tuy nhiên hiệu quả loại bỏ tổng nitơ giảm xuống còn 70% khi giảm thời gian lưu nước từ 4h về còn 3h Tỷ lệ loại bỏ TN khá cao là 1.35 kg N/m3.ngày (ứng với hiệu quả loại bỏ NH4+ đạt 0.71 kg N/m3.ngày) tại thời gian lưu nước 9h và 3.0 kg N/m3.ngày (ứng với hiệu quả loại bỏ NH4+ đạt 1.5 kg N/m3.ngày) tại thời gian lưu nước từ 9 - 4h Vi khuẩn anammox bám trên bề mặt và lớp mỏng phía trong hạt PVA Gel nhưng không bám được vào trong lõi của hạt PVA Gel Hiện tượng này

có thể là do vi khuẩn hình thành một lớp màng kín tại mặt ngoài và đường kính lỗ rỗng tại mặt ngoài nhỏ hơn đường kính lỗ rỗng tại lõi hạt làm cho vi khuẩn không thể xâm nhập vào lõi hạt Thời gian lưu nước không nên quá ngắn và nên duy trì ở mức từ 4h trở lên

Cho và cộng sự (2018) đã thực nghiệm với 4 cột phản ứng liên tục sử dụng PVA gel làm chất mang, với bùn nuôi cấy từ các nguồn khác nhau có cấu trúc cộng đồng vi sinh riêng biệt Khi nhóm nghiên cứu cho mô hình chạy với tải trọng Nitơ cao (1.0 kg-N/m3.ngày) và ổn định trong một thời gian dài (182 ngày), thì một chủng loại Anammox, “Candidatus Brocadia sinica”, đã chiếm ưu thế trong tất cả các cột Các kết quả cho thấy rõ ràng rằng điều kiện NLR cao là một yếu tố quan

trọng hơn quyết định cộng đồng Anammox cuối cùng hơn là loại hình nguồn bùn nuôi cấy ban đầu

Quá trình cố định bùn anammox vào PVA Gel được Quan và cộng sự (2010)

thực hiện theo Hình 2.3

Hình 2.3 Quy trình sản xuất PVA Gel ( Quan và cộng sự, 2010 )

2.4 Quá trình CANON dùng hạt gel PVA cố định AOB và anammox

Trong hệ thống CANON đang hoạt động, sinh khối gồm hai dạng: sinh khối dạng hạt chủ yếu gồm các vi khuẩn anammox (màu đặc trưng là màu đỏ) và sinh khối lơ lửng chủ yếu gồm AOB và vi khuẩn dị dưỡng

Với các hạt gel PVA, bùn AOB và anammox được cấy bên trong, nồng độ oxy bên ngoài có thể lên đến 2.7 mg/l khi ứng dụng cho mô hình SANR (Bae và cộng sự,

2017)

Đối với quá trình CANON sử dụng PVA làm giá thể, thời gian khởi động thường lâu hơn so với quá trình thông thường do cần thêm thời gian thích nghi cho anammox và AOB trong hạt gel Tỷ lệ loại bỏ nitrogen tối đa đạt được 1.12 kg N/m3.ngày tại tải 1.26 ± 0.04 kg N/m3.ngày với hiệu quả xử lý TN đạt 88.9% (Bae

và cộng sự, 2015)

Một nhược điểm của công nghệ dùng hạt gel PVA làm giá thể là giới hạn sinh khối hình thành bên trong hạt gel, phụ thuộc vào nồng độ bùn cấy vào gel Các hạt gel PVA được lưu trữ trong nước cất trong 2 ngày ở 4oC trước khi làm giàu (Bae và cộng sự, 2017)

Khi sử dụng sinh khối dạng hạt, sự tiêu thụ oxi trong quá trình nitrite hóa hiếu khí tại lớp ngoài cùng của hạt ngăn cản khuếch tán oxi vào bên trong hạt do đó các

tế bào anammox không bị ảnh hưởng bởi oxy Do vậy sự oxi hóa NH4+, đồng thời xảy ra ở điều kiện hiếu khí và kị khí, nên tốc độ gần đạt cực đại Ngược lại, quá trình CANON vận hành với chế độ sục khí gián đoạn làm giảm đáng kể hiệu suất của cả 2 quá trình oxi hóa NH4+, khi quá trình nitrite hóa hiếu khí chiếm ưu thế thì quá trình anammox bị giảm hiệu suất và ngược lại (theo review của Paredes và cộng

sự, 2007)

Trạm xử lý nước thải với quy mô đầy đủ đầu tiên ứng dụng quá trình nitrite hóa-anammox sử dụng công nghệ cố định trong gel đã được vận hành thành công cho nước thải nhà máy amoniac Mặc dù nước thải có chứa methanol, một chất ức chế anammox, nó đã được loại bỏ ổn định trong quá trình tiền xử lý Thời gian khởi động của bể phản ứng nitrat hóa (170 m3) và anammox (100 m3) lần lượt là 3 tuần

và 2 tháng Tỉ lệ loại bỏ Nitơ khá cao là 3.0 kg-N/m3.ngày cho thấy hiệu quả của việc cố định của từng loại vi khuẩn và khả năng áp dụng quy trình anammox trong

xử lý nước thải công nghiệp (Isaka và cộng sự, 2017)

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nhóm tập trung nghiên cứu các nội dung như Hình 3.1 thông qua 3 thí nghiệm

Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu của đề tài 3.1 Thí nghiệm 1a: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải căn tin 3.1.1 Vật liệu

Mô hình được làm bằng nhựa arcrylic hình trụ tròn có kích thước D × H = 110

× 950 mm, phía trên là ống lắng hình trụ có kích thước D × H = 150 × 150 mm Khí được cấp bằng máy thổi khí thông qua đĩa khuếch tán khí đặt dưới đáy bể Thể tích làm việc của mô hình là 10.8 lít Các thiết bị trong mô hình bao gồm, 1 bơm nước thải đầu vào 125W, 1 bơm tuần hoàn với lưu lượng 1 lít/phút, 1 máy thổi khí với công suất 1 lít/phút, đĩa khuếch tán khí ϕ100 mm Mô hình sử dụng 3 lít hạt PVA gel cố định bùn AOB và anammox

b) PVA gel cố định bùn AOB và bùn anammox

Bùn AOB được lấy từ mô hình Partial Nitritation (PN) được vận hành trong phòng thí nghiệm với nồng độ MLSS là 1246 mg/l, đang được vận hành với nước rỉ rác cũ với tải trọng 1.02 kgN/m3.ngày, hiệu quả chuyển hóa ammonium thành nitrite đạt tỉ lệ NO2- : NH4+ = 1.22 ± 0.18, phù hợp với sự sinh trưởng của vi khuẩn Anammox Lượng bùn đưa vào bể bằng 10 % v/v (Third và cộng sự, 2005)

Bùn hạt anammox từ bể Internal Circulation (IC) có hoạt tính riêng Anammox (SAA), SAA = 0.543 ± 0.034 g N2-N/g VSS.ngày đang vận hành trong phòng thí nghiệm khoa Môi Trường và Tài Nguyên – trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

Các nguyên liệu cần thiết để tạo 1 lít PVA Gel dạng hạt, có đường kính trung bình từ 4 – 5 mm bao gồm (tham khảo từ Bae và cộng sự, 2017 và Quân và công sự,

2010):

 Polyvinyl alcohol, 80 g

 Natri alginate, 5 g

 Dung dịch Natri sulfate 0.5 M

 Dung dịch acid boric bão hòa, có chứa 2% CaCl2

 Bùn hạt anammox, 200ml bùn nồng độ 4 g/l

 Bùn hạt AOB, 200ml bùn nồng độ 5 g/l

Quy trình sản xuất PVA gel tại phòng thí nghiệm được thể hiện trong Hình 3.3

Hình 3.3 Quy trình sản xuất PVA Gel tại phòng thí nghiệm

Mô hình sử dụng 3 lít hạt PVA gel trên tổng thể tích mô hình là 10,8 lít (tỉ lệ 27% v/v)

c) Nước thải

Nước thải sinh hoạt được lấy từ hố ga tại căn tin C6, nằm trong khuôn viên trường Đại Học Bách Khoa tại Quận 10 Thành phần tính chất của nước thải được thể hiện ở Bảng 3.1

Bảng 3.1 Thành phần nước thải căn tin

Bảng 3.3 Điều kiện vận hành mô hình nước thải căn tin

Thích nghi Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Độ giãn nở của chiều

Lưu lượng máy thổi khí

DO trong bể

(mg/l) 0.5 - 0.8 0.1 - 0.6 0.3 - 0.8 0.3 - 0.8 Các chỉ tiêu của nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình được phân tích là: TKN, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, độ kiềm, pH, COD

3.2 Thí nghiệm 1b: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải văn phòng 3.2.1 Vật liệu

a) Mô hình thí nghiệm

Mô hình SANR cố định PVA gel cho nước thải văn phòng cho thuê được thể hiện trong Hình 3.4

Hình 3.4 Mô hình SANR cho nước thải văn phòng cho thuê

Mô hình nghiên cứu được làm bằng nhựa arcrylic hình trụ tròn có kích thước

D × H = 53.5 × 1500 mm Khí được cấp bằng máy thổi khí thông qua đá khuếch tán khí đặt cách đáy bể 85 cm Thể tích làm việc của mô hình là 3 lít Các thiết bị trong

mô hình bao gồm, 1 bơm nước thải đầu vào 20W, 1 bơm tuần hoàn với lưu lượng 1 lít/phút, 1 máy thổi khí với công suất 1 lít/phút, đá bọt khuếch tán khí

Mô hình được thiết kế với thể tích nhỏ hơn so với mô hình của nước thải căn tin, để tạo điều kiện vận hành đơn giản hơn, không cần đi lấy nước thải bổ sung với tần suất cao Mô hình được thiết kế cao hơn giúp không cần thiết bị ống lắng trước khi thu nước đầu ra, trong khi đường kính mô hình nhỏ giúp vận tốc nước dâng lớn

hơn, xáo trộn nước thải dòng vào và dòng tuần hoàn tốt hơn Đá khuếch tán khí được đặt ở giữa bể giúp tránh việc thổi khí trực tiếp vào các hạt PVA gel

b) PVA gel cố định bùn AOB và bùn anammox

1 lít PVA gel được lấy từ mô hình SANR của nước thải căn tin đã dừng vận hành 3 tháng Tỉ lệ thể tích hạt PVA gel trên thể tích bể (3 lít) là 33% v/v

c) Nước thải

Nước thải sinh hoạt được lấy từ bể điều hòa của trạm xử lý nước thải của tòa nhà văn phòng cho thuê Ree Tower tại Quận 4 Thành phần tính chất các loại nước thải được thể hiện ở Bảng 3.4

Bảng 3.4 Thành phần nước thải văn phòng cho thuê

3.2.1 Điều kiện vận hành

Điều kiện vận hành mô hình nước thải căn tin giai đoạn thích nghi và ổn định được tóm tắt trong Bảng 3.5

Bảng 3.5 Điều kiện vận hành mô hình nước thải văn phòng cho thuê

Thích nghi Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Độ giãn nở của chiều

Lưu lượng máy thổi khí

Chế độ thổi khí 1s chạy

60s nghỉ

2s chạy 40s nghỉ

5s chạy 30s nghỉ

8s chạy 20s nghỉ

DO trong bể

(mg/l) 0.1 - 0.6 0.2 - 0.6 0.4 - 0.9 0.6 - 1.1 Các chỉ tiêu của nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình được phân tích là: TKN, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, độ kiềm, pH, COD

3.3 Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn Anammox, AOB, NOB

3.2.2 Phương pháp

a) Đánh giá hoạt tính bùn Anammox

Rửa sơ hạt PVA Gel bằng nước máy để sạch cặn bẩn bám bên ngoài hạt Gel Sau đó đong 16 hạt gel (tương đương 15-20 ml hạt gel) và 50 ml nước thải nhân tạo cho vào Erlen Đối với thí nghiệm đánh giá hoạt tính Anammox, các erlen được đậy kín bằng màng nilong bọc thực phẩm và sục khí nitơ vào trong khoảng 4 phút để đuổi hết khí oxy hoà tan khỏi nước thải trước khi thực hiện thí nghiệm pH trong nước thải được điều chỉnh trong khoảng 7.5 – 8.0 bằng cách châm HCl hoặc NaHCO3

Các Erlen đặt trên máy lắc với tốc độ 120 vòng/phút, điều kiện nhiệt độ 30°C

để tạo điều kiện xáo trộn nước, bùn Sau khi hô hấp nội bào 30 phút, châm 5 ml dung dịch NH4Cl (N-NH4+ = 1000 mg/l) và 5 ml NaNO2 (N-NO2- = 1000 mg/l) vào các erlen để đạt được nồng độ N-NH4+ và N-NO2- trong nước thải lần lượt là 60 - 70 mg/l và 80 - 90mg/l Nồng độ này được chọn dưới ngưỡng ức chế theo Strous và cộng sự (1999)

Tốc độ oxi hóa ammonium là lượng ammonium được oxi hóa trong một đơn

vị thể tích theo thời gian (mg N/l.h) Vì vậy nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm

và lấy mẫu 30 phút/lần sau đó phân tích các chỉ tiêu NH4+-N, NO2--N, NO3--N Quy trình thực hiện được tóm tắt trong Hình 3.5

Hình 3.5 Các bước thực hiện đánh giá hoạt tính bùn Anammox (SAA)

Dựa trên đường biến thiên của NH4+-N theo thời gian xác định hệ số góc, tốc

độ oxy hóa NH4+-N trên đơn vị sinh khối

b) Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB

Rửa sơ hạt PVA Gel bằng nước máy để sạch cặn bẩn bám bên ngoài hạt Gel Sau đó đong 16 hạt gel (tương đương 15-20 ml hạt gel) và 50 ml nước thải nhân tạo cho vào Erlen Đối với thí nghiệm đánh giá hoạt tính AOB, các erlen không đậy kín

do vi khuẩn cần sử dụng oxy hòa tan trong nước để oxy hóa ammonium thành nitrite pH trong nước thải được điều chỉnh trong khoảng 7.5 – 8.0 bằng cách châm HCl hoặc NaHCO3

Các Erlen đặt trên máy lắc với tốc độ 120 vòng/phút, điều kiện nhiệt độ 30°C

để tạo điều kiện xáo trộn nước, bùn và khuếch tán oxy không khí qua bề mặt thoáng Sau khi hô hấp nội bào 30 phút, châm 4 ml dung dịch NH4Cl (N-NH4+ = 1000 mg/l) vào các erlen để đạt được nồng độ N-NH4+ là 60 - 70 mg/l

Tốc độ oxi hóa ammonium là lượng ammonium được oxi hóa trong một đơn

vị thể tích theo thời gian (mg N/l.h) Vì vậy nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm

và lấy mẫu 30 phút/lần sau đó phân tích các chỉ tiêu NH4+-N, NO2--N, NO3--N Quy trình thực hiện được tóm tắt trong Hình 3.6

Hình 3.6 Các bước đánh giá hoạt tính bùn AOB và NOB 3.4 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu

3.4.1 Phương pháp phân tích

Thông tin chi tiết về các phương pháp thí nghiệm và phân tích được thể hiện trong Bảng 3.8