Application of CANON process for nitrogen removal in the leachate from the old municipal landfill

Trong những năm gần đây, các công nghệ dựa trên quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp với quá trình Anammox được thực hiện trong hai bể phản ứng riêng biệt two-stage như là SHARON - Anam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



LƯƠNG DUY HÀ

ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH CANON ĐỂ KHỬ NITƠ TRONG NƯỚC RỈ BÃI CHÔN LẤP RÁC THẢI SINH HOẠT CŨ

Application of CANON process for nitrogen removal in the leachate

from the old municipal landfill

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018

Công trình được hoành thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

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

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trần Minh Chí

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Xuân Dương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp.HCM ngày 20 tháng 07 năm 2018

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

PGS.TS Nguyễn Phước Dân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng quá trình CANON để khử nitơ trong nước rỉ rác bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cũ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thích nghi sinh khối trong bể phản ứng CANON với nước rỉ rác cũ pha loãng ở tải trọng

- Vận hành bể phản ứng CANON ở các tải trọng khác nhau 0,19 ± 0,01; 0,25 ± 0,03; 0,41

± 18; 537 ± 65; 875 ± 97; 1104 ± 169; 1838 ± 72 mg N/L và giai đoạn phục hồi

- Xác định hoạt tính tối đa của các vi khuẩn Anammox, AOB và NOB ở các tải trọng

- Giải pháp khắc phục sự cố vận hành bể phản ứng

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018

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

Tp.HCM, ngày tháng năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Phước Dân

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài “Ứng dụng quá trình CANON để khử nitơ trong

nước rỉ rác bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cũ” và hoàn thành báo cáo luận văn tốt nghiệp,

tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, quan tâm, chỉ bảo của các thầy cô và bạn bè

Lời đầu tiên, cho tôi được gửi lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy

PGS.TS Nguyễn Phước Dân đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ những kiến thức và kinh

nghiệm quý trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin gửi lời cảm ơn đến Quý thầy cô trong Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường

Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt những kiến

thức trong suốt thời gian học tập tại trường và Quý thầy cô trong Phòng thí nghiệm Khoa

Môi trường và Tài nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình vận hành

mô hình và thí nghiệm phân tích để thực hiện đề tài

Xin cảm ơn NCS Phan Thế Nhật đã nhiệt tính giúp đỡ về thiết bị, dụng cụ, hóa

chất thí nghiệm và chia sẻ những kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu, đặc biệt là những

lúc gặp sự cố vận hành mô hình

Xin cảm ơn Ban quản lý Khu xử lý chất thải rắn Gò Cát đã tạo điều kiện thuận lợi

trong việc lấy nước rỉ rác trong suốt thời gian nghiên cứu Cảm ơn các bạn sinh viên Trần

Nguyễn Quỳnh Như – MSSV 1412767, Trần Thị Như Nhị – MSSV 1412734 cùng các bạn

sinh viên khác trong phòng thí nghiệm đã hỗ trợ nhiệt tình và đồng hành trong suốt thời

gian thực hiện đề tài này

Xin gửi lời cảm ơn đến TS Bùi Quang Minh, Giám đốc Trung tâm Công nghệ Môi

trường tại Tp.HCM – Viện Công nghệ Môi trường cùng các đồng nghiệp đã tạo điều kiện

và hỗ trợ cho tôi tập trung thời gian để thực hiện đề tài, hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và những người bạn thân

thiết đã động viên, ủng hộ để tôi cố gắng học tập và hoàn thành chương trình Thạc sĩ

Xin chân thành cảm ơn./

Tp.HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2018

Lương Duy Hà

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong nghiên cứu này, quá trình CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) được ứng dụng để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ của bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt Gò Cát Nghiên cứu được thực hiện trong 194 ngày bao gồm 92 ngày thích nghi với nước thải rỉ rác cũ, 61 ngày vận hành ở các tải trọng khác nhau và 41 ngày phục hồi sau sự cố sốc tải Kết quả cho thấy quá trình CANON có thể xử lý nitơ trong

Giai đoạn thích nghi bể phản ứng CANON với loại nước thải mới (nước rỉ rác) ở

khí Sau khi có những điều chỉnh hợp lý thì nồng độ sinh khối trong bể phản ứng tăng lên

và hiệu suất xử lý ammoni đã tăng cao và ổn định, đạt cực đại là 97% với tốc độ loại bỏ

Trong giai đoạn tăng tải, bể phản ứng đã được vận hành ổn định ở các tải trọng

và 56 %; 90 % và 67 %; 82 % và 76 % tương ứng với mỗi tải trọng Hiệu suất xử lý

mg/L đã gây ức chế hoàn toàn vi khuẩn Anammox và AOB, nồng độ sinh khối trong bể phản ứng bị suy giảm nghiêm trọng dẫn đến việc phục hồi hoạt tính gặp khó khăn Hiệu

trong bể phản ứng cần được thực hiện một cách cẩn trọng, duy trì pH trong khoảng 7,5 - 8,0 và nâng tải trọng từ từ, cần tốn nhiều thời gian

Kết quả chụp Scanning Electron Microscopy (SEM) và Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS) cho thấy bề mặt bùn hạt Anammox không trơn phẳng, có hình dạng giống bông cải và sự có mặt của nguyên tố Fe tạo nên màu nâu đỏ đặc trưng của vi khuẩn Anammox

ABSTRACT

In this study, the CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) process was applied for nitrogen removal in leachate from the Go Cat municipal landfill The study was conducted in 194 days, including 92 days of adapting to the old leachate,

61 days of operating with different nitrogen loading rates and 41 days of recovering after shock-loading The results showed that the CANON process could remove effectively

The stage of adaptation of the CANON reactor with leachate at nitrogen loading

adjustment After reasonable adjustments, the biomass concentration in the reactor and the ammonium removal efficiency increased and stabilized, reached a maximum of 97%,

In the stage of loading increase, the reactor was operated stably at NLRs of 0.25;

and 56 %; 90 % and 67 %; 82 % and 76 % for each NLR, respectively The ammonium

this NLR, simultaneously

up to 639 mg/L, Anammox bacteria and AOB were inhibited completely, the biomass concentration in the reactor was decreased seriously, the recovery of biomass activity had some difficulties The ammonium and TN removal efficiency were reduced to 54 % and

carefully with the pH in the range of 7.5 - 8.0 and the NLR should be increased gradually

The results of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS) showed that the surface of the Anammox granular sludge is shaped like broccoli and the presence of the Fe element which creates the special reddish-brown color of Anammox bacteria

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài: Ứng dụng quá trình CANON để khử nitơ trong nước rỉ rác bãi chôn lấp rác

thải sinh hoạt cũ

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phước Dân

Tôi cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi, số liệu trong luận văn được thực hiện trung thực, chưa được công bố trong các nghiên cứu khác hoặc dưới bất kỳ hình thức nào Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

Học viên

Lương Duy Hà

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 3

DANH MỤC HÌNH 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 8

1.1 Đặt vấn đề 8

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 9

1.3 Đối tượng nghiên cứu 9

1.4 Nội dung nghiên cứu 9

1.5 Phương pháp nghiên cứu 10

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 10

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 12

2.1 Tổng quan về nước rỉ rác 12

2.1.1 Nguồn gốc phát sinh 12

2.1.2 Thành phần và tính chất của nước rỉ rác 12

2.2 Quá trình nitrat hóa – khử nitrat 13

2.2.1 Quá trình nitrat hóa 13

2.2.2 Quá trình khử nitrat 14

2.3 Quá trình Anammox 15

2.4 Quá trình nitrit hóa bán phần 16

2.5 Quá trình CANON 19

2.5.1 Cơ chế phản ứng 19

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình CANON 20

2.6 Các nghiên cứu có liên quan 22

2.6.1 Các nghiên cứu ứng dụng nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox để xử lý nước rỉ rác 22

2.6.2 Các nghiên cứu ứng dụng quá trình CANON để xử lý các loại nước thải 26

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

3.1 Nội dung nghiên cứu 29

3.2 Bể phản ứng CANON 30

3.3 Nguyên vật liệu 31

3.4 Điều kiện vận hành 32

3.5 Thí nghiệm đánh giá hoạt tính riêng của vi khuẩn Anammox, AOB và NOB 33

3.6 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

4.1 Các thành phần nitơ 39

4.2 pH, độ kiềm và nồng độ FA, FNA 47

4.3 Nồng độ COD và TP 52

4.4 Sinh khối và hoạt tính riêng của Anammox, AOB và NOB 54

4.4.1 TSS và SRT 54

4.4.2 MLSS, MLVSS và SVI 55

4.4.3 Hoạt tính sinh khối 57

4.4.4 Sự phân bố kích thước hạt, hình thái bề mặt sinh khối và các thành phần nguyên tố của bùn Anammox 62

4.5 Giải pháp khắc phục các sự cố vận hành 65

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

5.1 Kết luận 67

5.2 Kiến nghị 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Thành phần nước rỉ rác cũ của bãi rác Gò Cát (Biếc, 2013) 12

Bảng 2 2 So sánh hiệu quả loại bỏ nitơ của các quá trình xử lý (Jetten và cộng sự, 2002) 18

Bảng 3 1 Các thiết bị sử dụng trong bể phản ứng CANON 30

Bảng 3 2 Thành phần tính chất nước rỉ rác cũ của BCL Gò Cát trong nghiên cứu này 31

Bảng 3 3 Điều kiện vận hành bể phản ứng CANON 33

Bảng 3 4 Thành phần nước giả thải 34

Bảng 3 5 Các phương pháp phân tích 36

Bảng 4 1 Tỷ lệ lượng kiềm tiêu thụ trên lượng ammoni bị loại bỏ 52

Bảng 4 2 Tổng hợp SAAOB, SANOB, SAA ở các giai đoạn vận hành 60 Bảng 4 3 Các sự cố và cách khắc phục trong quá trình vận hành bể phản ứng CANON 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1 Quá trình nitrat hóa – khử nitrat trong hệ thống xử lý nước thải 14

Hình 2 2 Cơ chế của quá trình Anammox (Jetten và cộng sự, 2001) 16

Hình 2 3 Cơ chế phản ứng của quá trình CANON 20

Hình 3 1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu 29

Hình 3 2 Bể phản ứng CANON 30

Hình 3 3 Bể phản ứng đánh giá hoạt tính riêng của Anammox, AOB và NOB 33

Hình 3 4 Các bước thực hiện đánh giá hoạt tính riêng của Anammox (SAA) 35

Hình 3 5 Các bước thực hiện đánh giá hoạt tính riêng của AOB và NOB 35

Hình 4 1 Diễn biến các thành phần nitơ theo thời gian vận hành 39

Hình 4 2 Diễn biến AMRR và NRR theo thời gian vận hành 40

Hình 4 3 Hiệu quả xử lý nitơ khi so sánh với QCVN 25:2009/BTNMT, cột B 45

Hình 4 4 Diễn biến của pH và độ kiềm theo thời gian vận hành 48

Hình 4 5 Diễn biến nồng độ FA và FNA theo thời gian vận hành 49

Hình 4 6 Diễn biến nồng độ COD theo thời gian vận hành 53

Hình 4 7 Diễn biến thành phần TP theo thời gian vận hành 54

Hình 4 8 Diễn biến SRT và TSS dòng ra theo thời gian vận hành 54

Hình 4 9 Diễn biến nồng độ sinh khối theo thời gian vận hành 56

Hình 4 10 Nồng độ các thành phần nitơ theo thời gian trong thí nghiệm đánh giá hoạt tính sinh khối ở đầu giai đoạn tăng tải 58

Hình 4 11 Nồng độ các thành phần nitơ theo thời gian trong thí nghiệm đánh giá hoạt tính sinh khối ở tải trọng 0,25 ± 0,03 kg N/m3.ngày 58

Hình 4 12 Nồng độ các thành phần nitơ theo thời gian trong thí nghiệm đánh giá hoạt tính sinh khối ở tải trọng 0,41 ± 0,04 kg N/m3.ngày 59

Hình 4 13 Nồng độ các thành phần nitơ theo thời gian trong thí nghiệm đánh giá hoạt tính sinh khối ở tải trọng 0,52 ± 0,09 kg N/m3.ngày 59

Hình 4 14 Nồng độ các thành phần nitơ theo thời gian trong thí nghiệm đánh giá hoạt tính sinh khối ở cuối thời gian vận hành 60

Hình 4 15 Sự phân bố kích thước hạt của bùn hạt Anammox 62

Hình 4 16 Bùn hạt Anammox trước vào ngày thứ 110 (A1) và sau khi lắp máy khuấy vào ngày thứ 135 (A2 và A3) 62 Hình 4 17 Hình ảnh chụp SEM của bùn hạt Anammox 63 Hình 4 18 Kết quả xác định các thành phần nguyên tố 64

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Removal Over Nitrite

NRR Tốc độ loại bỏ nitơ Nitrogen Removal Rate

Nitrification – Denitrification

Ammoni Removal Over Nitrite

Anammox and Denitrification

Anammox and Partial nitritation

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Bãi chôn lấp hợp vệ sinh là phương pháp xử lý chất thải rắn đô thị phổ biến nhất tại Việt Nam hiện nay Nước rỉ từ bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt đã gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng do nồng độ cao của ammoni và chất hữu cơ chậm hoặc không phân huỷ sinh học Nồng độ ammoni cao gây ức chế sự phân hủy kỵ khí chất thải rắn và làm suy giảm oxy hoà tan trong nguồn nước tiếp nhận (Nhật và cộng sự, 2014) Đặc biệt đối với các bãi chôn lấp đã hoạt động lâu năm hoặc đã đóng cửa, nước rỉ rác phát sinh có nồng độ ammoni rất cao, đạt 3790 ± 172 mg N/L (Biếc, 2013) Ở Việt Nam, hầu hết các hệ thống xử lý nước

rỉ rác tại các bãi chôn lấp xử lý không đạt tiêu chuẩn chất lượng xả thải ra môi trường (QCVN 25:2009/BTNMT, cột B) với nồng độ ammoni cho phép là 25 mg N/L và nồng độ nitơ tổng là 60 mg N/L (BTNMT, 2009) Hiện tại, các hệ thống xử lý nước rỉ rác trên chủ yếu sử dụng quá trình nitrat hóa – khử nitrat thông thường, tốn kém chi phí do cần cung cấp oxy cho quá trình nitrat hóa và nguồn carbon cho quá trình khử nitrat

Trong những năm gần đây, các công nghệ dựa trên quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp với quá trình Anammox được thực hiện trong hai bể phản ứng riêng biệt (two-stage) như là SHARON - Anammox (Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite - Anammox, Nhật và cộng sự, 2014 & 2017) hoặc trong cùng một

bể phản ứng (single-stage) như là SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation, Furukuwa và cộng sự, 2006), SNAD (Simultaneous partial Nitrification Anammox and Denitrification, Chen và cộng sự, 2009; Wang và cộng sự, 2010), CANON (Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite, Figueroa và cộng sự, 2012; Daverey và cộng sự, 2013); OLAND (Oxygen Limited Autotrophic Nitrification – Denitrification, Hiển và cộng sự, 2017), được nghiên cứu ngày càng nhiều trong việc xử lý các loại nước thải có nồng độ ammoni cao So sánh với quá trình nitrat hóa – khử nitrat thông thường, các quá trình này tiêu thụ ít hơn 50% nhu cầu oxy, không

sự, 2005; Ahn và Choi, 2006) Quá trình Anammox đã được ứng dụng thành công ở quy

mô pilot và quy mô hệ thống cho nước thải giàu ammoni như là bùn lỏng phân hủy kỵ khí, nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi, nước thải y tế và một số loại nước thải khác

Tuấn (2018) đã thực hiện đề tài “Ứng dụng SBR quy mô pilot cho quá trình nitrit

nồng độ ammoni đầu vào 626 ± 29; 1024 ± 21; 2079 ± 59 và 3656 ± 95 mg N/L cho đầu

thực hiện đề tài “Ứng dụng quá trình Anammox sử dụng công nghệ IC để xử lý nitơ nước

tương ứng hiệu suất loại bỏ nitơ đạt trên 89%, trong đó hiệu suất loại bỏ ammoni, nitrit đạt trên 95% Điều này cho thấy, quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp với quá trình Anammox trong hai bể phản ứng riêng biệt có khả năng xử lý nước rỉ rác cũ có tải trọng nitơ cao

Bên cạnh đó, Vy (2017) đã thực hiện đề tài “Ứng dụng quá trình CANON để xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi sau bể biogas”, vận hành ở tải trọng nitơ 0,47 ± 0,07 và

đại 88% và 78 ± 14%, cực đại 91%

Từ kết quả của các nghiên cứu đó, đề tài “Ứng dụng quá trình CANON để khử nitơ trong nước rỉ rác bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cũ” được thực hiện để đánh giá khả năng thích ứng và xử lý nitơ của quá trình CANON, là sự kết hợp quá trình nitrit hóa bán phần với quá trình Anammox trong cùng một bể phản ứng, đối với nước rỉ rác có nồng độ ammoni cao

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định tải trọng nitơ thích hợp cho quá trình CANON xử lý nitơ trong nước rỉ rác bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt lâu năm

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện bằng bể phản ứng CANON quy mô phòng thí nghiệm với nước thải là nước rỉ rác được lấy từ bãi chôn lấp Gò Cát đã đóng của từ năm 2007

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Giai đoạn thích nghi: Làm giàu sinh khối Anammox và AOB trong bể phản ứng

551 ± 34 mg N/L bằng cách pha loãng nước rỉ rác thô

- Giai đoạn tăng tải: Vận hành bể phản ứng CANON ở các tải trọng nitơ khác nhau

với các nồng độ ammoni tăng dần từ 371 ± 18; 537 ± 65; 875 ± 97; 1104 ± 169; 1838 ± 72

mg N/L bằng cách pha loãng nước rỉ rác thô và đánh giá hoạt tính riêng của vi khuẩn Anammox, AOB và NOB ở mỗi tải trọng

- Giai đoạn phục hồi: Phục hồi hoạt tính sinh khối trong bể phản ứng CANON sau

bằng cách pha loãng nước rỉ rác thô và đánh giá hoạt tính riêng của vi khuẩn Anammox, AOB và NOB ở cuối thời gian vận hành

1.5 Phương pháp nghiên cứu

 Thu thập, tham khảo tài liệu

Thu thập, tổng hợp các tài liệu, các nghiên cứu về quá trình CANON và các quá trình khác ứng dụng quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp với quá trình Anammox để xử

lý nitơ trong nước rỉ rác

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình

Mô hình nghiên cứu được chế bằng inox, đảm bảo các điều kiện sinh trưởng cũng như hoạt động của vi sinh trong nghiên cứu Nước rỉ rác cũ thực được lấy từ bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt, lưu trữ và cung cấp cho vận hành mô hình nghiên cứu Các mẫu phân tích được lấy từ đầu vào, trong bể phản ứng và đầu ra của mô hình CANON

 Phương pháp lấy mẫu và phân tích

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước thải được phân tích trong suốt quá trình vận

Các thông số đánh giá chất lượng bùn MLSS, MLVSS và SVI được xác định kỳ trong quá trình vận hành; thí nghiệm xác định hoạt tính tối đa của vi khuẩn Anammox, AOB và NOB được thực hiện ở cuối mỗi tải trọng

Các thông số đánh giá cấu tạo bùn: phân bố kích thước hạt, SEM và EDS

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Tính khoa học

Nghiên cứu sẽ xác định các thông số vận hành kiểm soát quá trình CANON như

pH, DO, thời gian thổi khí, MLSS và MLVSS, kết quả nghiên cứu sẽ làm cơ sở để đánh giá hiệu quả việc ứng dụng quá trình CANON trong việc xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp

 Tính thực tiễn

Từ kết quả của nghiên cứu, sẽ đưa ra các thông số vận hành kiểm soát quá trình CANON ở quy mô pilot trước khi đưa vào úng dụng thực tế ở quy mô thực tế để xử lý nước rỉ rác ở các bãi chôn lấp cũ, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường như hạn chế hiện tượng phú dưỡng hóa, hạn chế ô nhiễm đất, nước ngầm và không khí

 Tính mới của đề tài

Trong nghiên cứu này, bể phản ứng CANON được vận hành với chế độ cấp nước thải liên tục để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ Trong bể phản ứng, đồng thời xảy ra hai quá trình bao gồm quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox để xử lý nitơ Chính vì thế, việc kiểm soát vận hành quá trình CANON là khó khăn do vừa tạo điều kiện hiếu khí để xảy ra quá trình nitrit hóa bán phần, vừa tạo điều kiện kị khí để xảy ra quá trình Anammox

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về nước rỉ rác

2.1.1 Nguồn gốc phát sinh

Nước rỉ rác từ bãi chôn lấp (BCL) chất thải rắn (CTR) sinh hoạt phát sinh từ các quá trình phân hủy sinh học hiếu khí hoặc kỵ khí các thành phần hữu cơ trong CTR và từ các nguồn bên ngoài có thể thấm vào BCL như là nước ngầm, nước mặt và nước mưa rơi xuống BCL CTR trong quá trình hoạt động và cả sau khi đã được đóng lại (Phước, 2015)

Như vậy, nước rỉ rác cũ tại BCL hoạt động lâu năm đã đóng cửa phát sinh chủ yếu

từ quá trình phân hủy sinh học kỵ khí các thành phần hữu cơ của CTR bên trong ô chôn lấp vào mùa khô và có thêm lượng nước mưa thấm qua bề mặt BCL vào mùa mưa

2.1.2 Thành phần và tính chất của nước rỉ rác

Thành phần hóa học của nước rỉ rác thay đổi rất lớn tùy thuộc vào tuổi của BCL và theo mùa khô hay mùa mưa Khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác biến đối theo

số này nằm trong khoảng 0,5 hoặc lớn hơn cho thấy các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học Khi BCL đã hoạt động lâu năm thì tỷ số này sẽ giảm xuống còn 0,05 – 0,2 bởi vì nước rỉ rác chứa những thành phần hữu cơ khó hay không phân hủy sinh học như axit humic, axit funvic (Sri Shalini và Joseph, 2012; Phước, 2015) Đáng lưu lý là nước rỉ rác tại BCL đã hoạt động lâu năm chứa hàm lượng nitơ cao, trong đó 90% tồn lại dưới dạng ammoni, khi thải ra môi trường sẽ gây độc cho thủy sinh và gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa (Phước

và cộng sự, 2012)

Bãi chôn lấp rác Gò Cát là một trong những nơi tiếp nhận rác thải của thành phố

Hồ Chí Minh, bắt đầu hoạt động từ tháng 12/2000 và đóng cửa vào tháng 7/2007 Nước rỉ rác cũ tại BCL Gò Cát có thành phần như Bảng 2.1 sau:

Bảng 2 1 Thành phần nước rỉ rác cũ của bãi rác Gò Cát (Biếc, 2013)

nhỏ nhất

Giá trị lớn nhất

Giá trị trung bình

Độ lệch chuẩn

Số lần lấy mẫu

Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị

nhỏ nhất

Giá trị lớn nhất

Giá trị trung bình

Độ lệch chuẩn

Số lần lấy mẫu

2.2 Quá trình nitrat hóa – khử nitrat

Các công nghệ dựa trên quá trình nitrat hóa - khử nitrat đang được áp dụng rộng rãi

để loại bỏ nitơ đối với các loại nước thải Các công nghệ này bao gồm hai quá trình là nitrat hóa ở điều kiện hiếu khí và khử nitrat ở điều kiện thiếu khí, có thể xảy ra trong cùng một công trình đơn vị hay trong hai công trình riêng biệt

2.2.1 Quá trình nitrat hóa

Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa các hợp chất chứa nitơ xảy ra ở điều kiện hiếu khí, đầu tiên là ammoni thành nitrit và sau đó oxy hóa nitrit thành nitrat Vi sinh vật

Ammonium Oxydizing Bacteria (AOB), chủ yếu là các vi khuẩn thuộc loài Nitrosomonas,

Nitrosococcus, Nitrosospira VSV đóng vai trò trong quá trình chuyển hóa nitrit thành

nitrat được gọi là Nitrite Oxydizing Bacteria (NOB), chủ yếu là các vi khuẩn thuộc loài

Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira Đây là những loài vi khuẩn tự dưỡng, chúng sử dụng

nguồn carbon vô cơ để tổng hợp tế bào

Quá trình nitrat hóa diễn ra theo hai bước:

Bước 1: Ammoni được chuyển hóa thành nitrit bởi AOB:

Bước 2: Nitrit được chuyển hóa thành nitrat bởi NOB:

Tổng hợp 2 phản ứng được viết lại như sau:

tổng hợp cho quá trình nitrat hóa như sau:

2.2.2 Quá trình khử nitrat

Quá trình khử nitrat theo sau quá trình nitrat hóa, là quá trình khử nitrat thành khí nitơ tự do thông qua nitrit và các chất trung gian khác ở điều kiện thiếu khí và đòi hỏi một chất cho electron vô cơ hay hữu cơ Những VSV tham gia vào quá trình này là

Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, v.v là những vi khuẩn dị dưỡng

được gọi là Heterotrophic Denitrifying Bacteria (HDB), chúng cần nguồn carbon từ chất hữu cơ để tổng hợp tế bào Nguồn carbon hữu cơ được sử dụng có thể là hợp chất hữu cơ

có trong nước thải hoặc bổ sung từ nguồn bên ngoài như ethanol, acetate, glucose, v.v

Quá trình khử nitrat bao gồm 2 bước chính: nitrat chuyển thành nitrit và nitrit chuyển thành một số sản phẩm trung gian khác trước khi được khử thành khí nitơ

mô tả phản ứng khử nitrat như sau:

Công nghệ xử lý nitơ dựa trên quá trình nitrat hóa – khử nitrat có nhiều hạn chế như cần bổ sung nguồn carbon cho quá trình xử lý, chi phí thổi khí cao, vì vậy sẽ gây tốn kém khi áp dụng xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao mà carbon hữu cơ thấp như nước

rỉ rác, nước từ bể phân bủy bùn, bể biogas, v.v

2.3 Quá trình Anammox

Quá trình Anammox (ANaerobic AMMonium Oxydation) được mô tả và xác nhận ban đầu vào năm 1995 qua thí nghiệm bởi nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Kỹ thuật Delft, Amsterdam, Hà Lan Trong quá trình này, ammoni kết hợp với nitrit và xem nitrit như là chất nhận điện tử với tỉ lệ tương ứng là 1:1,32 để tạo thành khí nitơ Trong đó, 89%

mới (Strous và cộng sự, 1998; Third và cộng sự, 2001)

Quá trình anammox xảy ra trong điều kiện kỵ khí do nhóm vi khuẩn tự dưỡng thực

hiện, các loài vi khuẩn Anammox đã phát hiện được thuộc bộ Planctoycetales, ngành

Planctomycetes gồm Candidatus “Brocadia”, Candidatus “Kuenenia”, Candidatus

“Scalindua” và Candidatus Anammoxoglobus (Egli và cộng sự, 2001; Jetten và cộng sự,

2001 & 2002) Nhóm vi khuẩn Anammox là vi khuẩn tự dưỡng, sử dụng nguồn carbon vô

Jetten và cộng sự (2001) đã xác định cơ chế của quá trình Anammox ở loài

Candidatus “Brocadia” anammoxydans như trên Hình 2.2 Trong đó, nitrit đóng vai trò

giảm nitrit (Nitrit-reducing - NR) Sau đó, hydroxylamine kết hợp với ammoni chuyển hóa

tiếp tục chuyển hóa thành khí nitơ bởi enzyme oxy hóa hyrazine (Hydrazine-oxydising - HZO) hoặc enzyme hydroxylamine oxydoreductase (HAO)

Hình 2 2 Cơ chế của quá trình Anammox (Jetten và cộng sự, 2001)

Quá trình Anammox có những ưu điểm nổi bật so với quá trình nitrat hóa - khử nitrat truyền thống trong việc xử lý nước thải có nồng độ nitơ cao với hàm lượng BOD thấp là nhu cầu oxy thấp hơn khoảng 60%, không cần bổ sung nguồn carbon bên ngoài, lượng bùn sinh ra ít hơn khoảng 90% (Egli và cộng sự, 2001; Lackner và cộng sự, 2014) Tuy nhiên, tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn Anamox chậm, thời gian nhân đôi là 10,6 ngày (Jetten và cộng sự, 2002), và nhạy cảm với sự thay đổi điều kiện môi trường làm cho quá trình khởi động diễn ra lâu hơn và khó khăn Điều này làm cho việc ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nước thải bị hạn chế, cần am hiểu về nồng độ nitrit cho phép, hàm lượng ammoni, carbon hữu cơ và chế độ cấp oxy, điều chỉnh pH (Egli và cộng sự, 2001)

Sự phức tạp của thành phần nước thải ảnh hưởng đến quá trình Anammox khi khởi động, vận hành và việc phục hồi lại hoạt tính của Anammox khi bị ức chế tốn nhiều thời gian (Ni và Meng, 2011)

2.4 Quá trình nitrit hóa bán phần

Để xử lý các loại nước thải có nồng độ ammoni cao, quá trình Anammox được kết hợp với quá trình nitrit hóa bán phần (Partial Nitrification - PN) tiền xử lý Quá trình nitrit hóa bán phần là quá trình oxy hóa khoảng một nửa lượng ammoni có trong nước thải thành

diễn ra sau đó

Theo Third và cộng sự (2001), quá trình oxy hóa ammoni thành nitrit xảy nhờ nhóm

AOB, chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas và một số chi tương tự như

Nitrosococcus, Nitrosospia, Nitrosolobus, Nitrosovibrio, trong điều kiện giới hạn oxy theo

phương trình:

Theo Jetten và cộng sự (2001, 2002), quá trình nitrit hóa bán phần tiêu thụ kiềm là

Để quá trình nitrit hóa bán phần đạt hiệu quả cao, cần hạn chế sự phát triển của NOB trong bể phản ứng và cần tạo điều kiện ưu thế cho AOB phát triển Có nhiều cách khác nhau để hạn chế NOB phát triển dựa vào sự khác biệt trong điều kiện sinh trưởng giữa hai loại vi khuẩn, như là:

- Dựa vào nhiệt độ: tốc độ sinh trưởng của AOB cao hơn NOB khi vận hành bể

cộng sự, 1998)

- Dựa vào pH: tốc độ tăng trưởng của NOB ở pH = 7 nhanh gấp 8 lần ở pH = 8 trong khi AOB thì không có thay đổi đang kể (Hellinga và cộng sự, 1998), nên cần duy trì

pH = 7,5 – 7,9 (Vázquez-Padín và cộng sự, 2009)

- Dựa vào DO: cả AOB và NOB đều cần oxy để sinh trưởng AOB có ái lực oxy

sẽ chiếm ưu thế (Wiesman, 1994)

Quá trình Anammox có thể được kết hợp với quá trình nitrit hóa bán phần trong hai

bể phản ứng riêng biệt (two-stage) như là SHARON - Anammox (Single reactor system for High activity Ammoni Removal Over Nitrite - Anammox, Nhật và cộng sự, 2014 & 2017) hoặc trong cùng một bể phản ứng (single-stage) như là SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and partial nitritation, Furukuwa và cộng sự, 2006), SNAD (Simultaneous partial Nitrification Anammox and Denitrification, Chen và cộng sự, 2009; Wang và cộng sự, 2010), CANON (Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite, Figueroa và cộng sự, 2012; Daverey và cộng sự, 2013); OLAND (Oxygen Limited Autotrophic Nitrification – Denitrification, Hiển và cộng sự, 2017) So sánh hiệu quả loại

bỏ nitơ của các quá trình Anammox với quá trình nitrat hóa - khử nitrat thông thường được trình bày trong Bảng 2.2 sau

Bảng 2 2 So sánh hiệu quả loại bỏ nitơ của các quá trình xử lý (Jetten và cộng sự, 2002)

Denitrification

Planctomycetes

hiếu khí và Planctomycetes

Nitrit hóa và vi khuẩn dị dưỡng

So sánh với quá trình nitrat hóa - khử nitrat thông thường và các quá trình Anammox hai bậc bùn (two-stage) thì quá trình CANON có những ưu điểm sau: chỉ cần một bể phản ứng nên tiết kiệm được diện tích, chi phí đầu tư thấp hơn; nhu cầu oxy thấp nên tiết kiệm được chi phí thổi khí; do sử dụng chủng vi khuẩn tự dưỡng nên không cần phải bổ sung nguồn carbon hữu cơ; khả năng xử lý nitơ của bể phản ứng khá cao từ 1-3 kg

Anammox trong cùng một bể phản ứng cũng gây trở ngại cho việc khởi động, vận hành

và khắc phục sự cố vì phải cân bằng giữa hai quá trình, tốn nhiều thời gian để đạt hiệu suất cao ổn định

2.5 Quá trình CANON

2.5.1 Cơ chế phản ứng

CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrit) là công nghệ kết hợp quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox trong cùng một bể phản ứng trong điều kiện oxy giới hạn Trong bể phản ứng CANON, hai quá trình xảy ra đồng thời bao gồm quá trình chuyển hóa ammoni thành nitrit (nitrit hóa bán phần - partial nitrification)

nhờ nhóm vi khuẩn AOB chủ yếu gồm các loài Nitrosomonas, Nitrosospira và quá trình

chuyển hóa ammonium và nitrit thành khí nitơ (Anammox) nhờ nhóm vi khuẩn Anammox

thuộc nhánh Planctomycetales gồm Candidatus “Brocadia”, Candidatus “Kuenenia” và

Candidatus “Scalindua” (Strous, 2000)

Theo Pynaert và cộng sự (2004) và Qiao và cộng sự (2013), trong điều kiện giới hạn oxy, ammoni bị oxy hóa thành nitrit nhờ nhóm vi khuẩn AOB theo phương trình:

ammoni trong nước thải đầu vào thành nitrit, lượng ammoni còn lại sẽ tham gia phản ứng với nitrit vừa sinh ra dưới hoạt động của nhóm vi khuẩn Anammox để tạo thành khí nitơ thân thiện với môi trường Theo phương trình (2.12), lượng kiềm tiêu thụ để loại bỏ 1 mg

NH4+-N là 4,04 mg CaCO3 và sinh ra 0,11 mg NO3--N; còn theo phương trình (2.15) thì

Hình 2 3 Cơ chế phản ứng của quá trình CANON Theo Sliekers và cộng sự (2002), trong bể phản ứng CANON vận hành với nước thải nhân tạo, không phát hiện nhóm NOB và phát hiện một lượng giới hạn vi khuẩn khử

phản ứng CANON với nước thải chăn nuôi đã được tiền xử lý kỵ khí thì trong bể phản ứng đang hoạt động gồm hai dạng sinh khối chủ yếu là dạng hạt là các vi khuẩn Anammox (màu đặc trưng là màu đỏ) và sinh khối lơ lửng là nhóm AOB chiếm phần lớn, cùng một phần nhỏ NOB và vi khuẩn dị dưỡng

Trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu ứng dụng quá trình CANON sử dụng bùn hạt, cấp khí gián đoạn để xử lý nitơ trong nước rỉ rác Khi sử dụng sinh khối dạng hạt, sự tiêu thụ oxy trong quá trình nitrit hóa hiếu khí tại lớp ngoài cùng của hạt ngăn cản khuếch tán oxy vào bên trong hạt do đó các tế bào Anammox không bị ảnh hưởng bởi oxy Do

đại Quá trình CANON được vận hành với chế độ cấp khí gián đoạn, khi quá trình oxy hóa ammoni hiếu khí chiếm ưu thế thì quá trình Anammox bị giảm hiệu suất và ngược lại

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình CANON

Quá trình CANON bao gồm hai quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox xảy ra đồng thời trong cùng một bể phản ứng nên các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình CANON là tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến hai quá trình đó, bao gồm: nhiệt độ, pH,

độ ammoni, nồng độ nitrit tích lũy trong bể phản ứng, v.v

 Nhiệt độ và pH:

Theo Strous và cộng sự (1999) và Jetten và cộng sự (1999), khoảng pH và nhiệt

trì để hạn chế sinh trưởng của NOB, thích hợp cho AOB sinh trưởng (Vázquez-Padín và cộng sự, 2009)

và cộng sự (2012) đã báo cáo rằng FNA 0,47 mg/L là nguyên nhân chính ức chế AOB ở

và cộng sự (2012) đã báo cáo rằng nồng độ FA > 24 mg/L gây ảnh hưởng đến quá trình Anammox và FA > 42,5 mg/L mất hoàn toàn hiệu suất, nên duy trì FA < 24 mg/L Waki

và cộng sự (2007) báo cáo rằng FA từ 13 - 90 mg/L gây độc cho vi khuẩn Anammox, trong khi đó Tang và cộng sự (2010) lại cho rằng FA từ 57 - 187 mg/L gây ức chế vi khuẩn Anammox Vi khuẩn Anammox có thể chịu được nồng độ ammoni rất cao (> 1000 mg/L) nhưng bị ức chế bởi nồng độ FA cao do pH cao Khi pH cao dẫn đến pH nội bào và ngoại bào khác nhau, nồng độ FA bên trong và bên ngoài tế bào của vi khuẩn cũng sẽ khác nhau Khi pH ngoại bào cao hơn pH nội bào, FA sẽ khuếch tán qua lớp màng tế bào Các nghiên cứu kết luận rằng FA là chất nền gây ức chế cho vi sinh vật, FA trong tế bào sẽ làm thay đổi pH nội bào, trường hợp xấu nhất có thể làm chết tế bào (Jin và cộng sự, 2012)

 Nồng độ DO:

Cả AOB và NOB đều cần oxy để sinh trưởng, bằng cách vận hành với DO ở mức

Anammox là vi khuẩn sống ở điều kiện kỵ khí không cần oxy, nên trong bể phản ứng CANON, DO được duy trì ở mức giới hạn đủ để cho AOB tiêu thụ Theo Egli và cộng sự

(2001), hoạt tính của vi khuẩn Anammox có thể phục hồi ở nồng độ oxy thấp (< 1% không khí bão hòa) nhưng không thể phục hồi ở nồng độ oxy cao (> 18% không khí bão hòa) Như vậy, DO cần được kiểm soát nghiêm ngặt trong bể phản ứng Anammox để ngăn chặn tác động có hại tới quá trình (Jin và cộng sự, 2012)

 Nồng độ nitrit tích lũy:

Quá trình Anammox ít bị ức chế bởi ammoni hay nitrat, có thể lên đến vài trăm mg N/L (Dapena-Mora và cộng sự, 2007) hoặc ít nhất 1000 mg N/L (Strous và cộng sự, 1999), nhưng bị ức chế bởi nồng độ nitrit tích lũy trong bể phản ứng Theo Strous và cộng sự (1999), quá trình Anammox bị ức chế hoàn toàn khi nồng độ nitrit trên 100 mg/L, để khôi phục hoạt tính Anammox thì thêm một lượng vết chất trung gian của quá trình Anammox (1,4 mg N/L hydrazine hoặc 0,7 mg N/L hydroxylamine) Fux và cộng sự (2002) thấy rằng nồng độ nitrit 40 mg N/L trong vài ngày liên tục gây mất hoạt tính Anammox, trong khi

đó những nghiên cứu khác lại thấy rằng nồng độ nitrit cao hơn mới gây ức chế hoàn toàn như là 185 mg N/L (Egli và cộng sự, 2001), 280 mg N/L (Isaka và cộng sự, 2007), còn Dapena-Mora và cộng sự (2007) thì thấy rằng nồng độ nitrit 350 mg N/L làm giảm 50% hoạt tính Anammox Sự khác nhau này do quá trình Anammox được thực hiện ở những điều kiện khác nhau, bể phản ứng khác nhau (Jin và cộng sự, 2012)

 Độ kiềm:

Kiềm có vai trò quan trọng trong quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox vì là nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn AOB và Anammox tiêu thụ để thực hiện quá trình chuyển hóa Lượng kiềm tiêu thụ cho quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp quá

độ kiềm trên hàm lượng ammoni trong nước thải ảnh hưởng đến việc vận hành bể phản ứng CANON, điều chỉnh pH trong bể phản ứng hoặc bổ sung kiềm nếu tỉ lệ không đủ để phản ứng

2.6 Các nghiên cứu có liên quan

2.6.1 Các nghiên cứu ứng dụng nitrit hóa bán phần và quá trình Anammox để xử lý nước rỉ rác

Hàm lượng ammoni rất cao là một trở ngại cho việc xử lý, loại bỏ nitơ trong nước rỉ rác Đã có những phương pháp loại bỏ nitơ trong nước rỉ rác bao gồm phương pháp hóa lý (air stripping, hấp phụ than hoạt tính, lọc, trao đổi ion, kết tủa) và phương pháp sinh học

(hiếu khí và kỵ khí) (Shalini và Joshep, 2012) Tuy nhiên, những phương pháp này gây tốn kém chi phí do tiêu tốn hóa chất hoặc nhu cầu oxy cao và phát sinh ô nhiễm thứ cấp Trong nhiều năm gần dây, các nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nước rỉ rác được nghiên cứu như là SHARON - Anammox, SNAD và một số quá trình khác

Ganigué và cộng sự (2007) đã tiến hành nghiên cứu quá trình nitrit hóa bán phần

1,5 ngày, pH trong bể 6,8 – 7,1, SRT 5 ngày, MLSS 500 – 1000 mg/L Quá trình nitrit hóa

tính khả thi của công nghệ này trước quá trình xử lý Anammox Sự chuyển hóa ammoni thành nitrit đã đạt được bằng việc kiểm soát nồng độ kiềm đầu vào Nghiên cứu cũng đưa

ra ảnh hưởng của pH đến hoạt tính AOB, cụ thể là pH cao gây ức chế bởi FA, pH thấp gây

ức chế bởi FNA và sự thiếu hụt độ kiềm Các hằng số ức chế có thể được xác định bằng

± 0,16 mg C/L)

Ganigué và cộng sự (2012) về đánh giá ảnh hưởng của tính chất nước thải đầu vào lên quá trình nitrit hóa bán phần sử dụng SBR xử lý nước rỉ rác Bể SBR vận hành ở nhiệt

thấy khi thay đổi tính chất dòng vào làm cho sự vận hành bể SBR cho quá trình nitrit hóa bán phần gặp nhiều thách thức Nghiên cứu này đánh giá kết hợp ảnh hưởng tính chất dòng vào và tải trọng của quá trình Thành phần nước thải đầu vào bao gồm: tổng ammoni, tổng carbon vô cơ (TIC) và tải trọng nitơ đầu vào (NLR) tạo nên những ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình nitrit hóa bán phần Quá trình nitrit hóa bán phần đạt được đầu ra phù hợp cho

axit hóa môi trường và gây ức chế đến sự chuyển hóa ammoni thành nitrit

Liang và Liu (2008) đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác đô thị bằng một hệ thống kết hợp giữa một bể nitrit hóa bán phần (Partial Nitritation Reactor - PNR), một bể Anammox

và hai hệ thống lọc đất ngầm (Underground Soil Infiltration Systems - USIS 1 và USIS 2)

Dựa trên điều kiện vận hành tối ưu của từng quá trình đơn vị, quá trình kết hợp được vận hành liên lục trong 166 ngày Bể phản ứng nitrit hóa bán phần là bể bio-film cố định, được

1,0 - 1,3 để sử dụng cho quá trình Anammox, nồng độ nitrat thấp hơn 43 mg/L, 69% COD trong nước rỉ rác thô bị phân hủy Bể phản ứng Anammox là bể bio-film cố định, được vận

cao (lên đến 1011 mg/L) làm cho tốc độ loại bỏ nitơ thấp Hai hệ thống USIS 1 và USIS 2

có cùng thể tích, để xử lý dòng ra của bể phản ứng Anammox với một chu kỳ khoảng 30

Wang và cộng sự (2010) đã nghiên cứu quá trình SNAD trong một hệ thống xử lý nước rỉ rác full-scale Bể phản ứng sinh học có lưu lượng nước rỉ rác trung bình là 304

toán cân bằng lượng nitơ để phân tích hiệu quả của quá trình SNAD trong bể phản ứng Tổng nitơ bị loại bỏ bởi quá trình nitrit hóa bán phần kết hợp với Anammox là 68% còn quá trình khử nitrat dị dưỡng chiếm 8% TN bị loại bỏ và 23% COD bị loại bỏ Những hạt bùn lơ lửng màu đỏ trong bể phản ứng được phân tích bởi phương pháp Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) và Polymerase Chain Reaction (PCR) đều cho thấy sự có mặt

của vi khuẩn Anammox là những loài thuộc ngành Planctomycete

Xu và cộng sự (2010) đã nghiên cứu kết hợp thành công các quá trình nitrit hóa bán phần, Anammox và khử nitrat trong cùng một bể SBR cấp khí gián đoạn để xử lý nước rỉ

1,5 mg/L và pH được điều chỉnh từ 7,2 - 7,8 Đầu tiên, hỗn hợp bùn Anammox và bùn hoạt tính hiếu khí (80% w/w) được nuôi cấy và nước thải tổng hợp không chất hữu cơ được cấp

vào với tải lượng nitơ tăng dần Hoạt tính tối đa của oxy hóa ammonium hiếu khí và oxy

ngày Sau đó, nhóm vi khuẩn khử nitrat dị dưỡng được nuôi cấy vào bể phản ứng và chuyển

Tian và cộng sự (2013) đã sử dụng bể phản ứng theo mẻ lai hợp (Hybrid Sequencing Batch Reactor - HSBR) với quy mô phòng thí nghiệm được thiết lập để xử lý nước rỉ rác

thu được ở nồng độ ammoni đầu vào là 1200 mg/L, DO của bể là 0,5 – 1 mg/L, SRT 3

bán phần trong bể HSBR thấp, điều này được giải thích là do sự đóng góp của nồng độ nitrit cao đã làm ảnh hưởng sự oxy hóa COD Ngoài ra, nhóm vi khuẩn AOB của nghiên cứu có thể thích nghi ở nồng độ FA cao 10 – 130 mg/L, trái lại, NOB bị ức chế trong khoảng nồng độ FA này Hơn thế nữa, FNA nằm trong khoảng 0,01 – 1,9 mg/L không ức chế AOB trong khi đó NOB bị ức chế ở khoảng FNA thấp hơn 0,01 – 0,03 mg/L

Miao và cộng sự (2014) đã nghiên cứu ứng dụng hệ thống bể phản ứng theo mẻ

phương thức truyền thống là gồm 4 pha: làm đầy - sục khí - lắng - rút nước với chu kỳ 5

giảm ảnh hưởng đến quá trình Anammox Sau 40 ngày thích nghi, tỉ lệ nitrit trên oxyt nitơ

Nhật và cộng sự (2014) đã thực hiện một thí nghiệm lab - scale bao gồm quá trình

nitrit hóa bán phần sử dụng bể phản ứng theo mẻ (Partial Nitritation - Sequencing Batch

Reactor - PN-SBR) và bể phản ứng lai hợp Anammox (Anammox Hybrid Reactor - HAR), trong đó bao gồm lớp sinh khối lơ lửng ở tầng đáy và sử dụng bio-carrier bed ở phần trên với dòng vào có tổng nồng độ amonia (Total Amonia Nitrogen - TAN) là 500 mg N/L và

1,22 và 1,02 tương ứng với HRT = 12 h (TAN = 500 mg N/L) và HRT = 19 h (TAN =

1000 mg N/L) Đồng thời, HAR vận hành với tải trọng nitơ (NLR) là 4,2 và 8,3 kg

chất lượng nước thải rỉ rác của Việt Nam Hệ thống loại bỏ được TN 93 ± 1% và 81 ±

sinh khối của HAR bao gồm sinh khối dính bám và sinh khối lơ lửng đạt đến đến 20.400 mgVSS/L ở cuối thí nghiệm, khi đó tốc độ loại bỏ anamnox đạt 0,4 kg TN/kgVSS.ngày, PN-SBR được duy trì nồng độ là 2300 mg MLVSS/L và SRT của 10 - 12 ngày tại NLR là

đề loại bỏ COD, PN-SBR loại bỏ 14% COD, trong khi đó HAR loại bỏ 30% COD

Nhật và cộng sự (2017) đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác đã được tiền xử lý nitrit hóa bán phần bằng bể phản ứng Anammox tuần hoàn nội bộ (Internal Circulation - IC) với tải

-N/gVSS.ngày Phân tích hạt bùn Anammox cho thấy sự phân bố kích thước hạt từ 0,5 - 1,0

mm Kết quả phân tích DNA xác định vi khuẩn Candidatus Kueneniastuttgartiensis là loài

chủ yếu chiếm 37,45% trong bể phản ứng IC, phát hiện một loài vi khuẩn khác không đươc

nuôi cấy là Bacteroidetes chỉ chiếm 5,37% nhưng vẫn đóng vai trò trong việc loại bỏ chất

hữu cơ

2.6.2 Các nghiên cứu ứng dụng quá trình CANON để xử lý các loại nước thải

Quá trình CANON bắt đầu được nghiên cứu từ đầu những năm 2000 với những công bố đầu tiên của Third và cộng sự (2001 & 2005), Sliekers và cộng sự (2002 & 2003),

Nielsen và cộng sự (2005), Van Hulle và cộng sự (2010), Vasquez-Padín (2009 & 2010) Những nghiên cứu trên đều được thực hiện với nước thải nhân tạo để xác định các thông

số động học, thông số vận hành và cộng đồng vi khuẩn của bể phản ứng CANON Sau đó, quá trình CANON được ứng dụng để xử lý các loại nước thải thực có nồng độ ammoni cao như là nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi, nước rỉ rác, v.v

Zhang và cộng sự (2010) đã thực hiện nghiên cứu quá trình CANON từ bùn hoạt tính trong bể phản ứng màng sinh học dạng mẻ (Sequencing Batch Biofilm Reactor - SBBR) với nước thải có nồng độ muối cao trong 118 ngày Ban đầu, quá trình nitrit hóa bán phần được vận hành ổn định ở nồng độ muối 6,5 g NaCl/L Vi khuẩn Anammox được làm giàu từ bùn hoạt tính trong 68 ngày sau đó Tốc độ loại bỏ tổng nitơ tối đa đạt được là

Figueroa và cộng sự (2012) đã nghiên cứu ứng dụng quá trình CANON quy mô

đã tiền xử lý kỵ khí Bể phản ứng CANON sử dụng bùn hạt lơ lửng, là bể SBR cấp khí gián đoạn lưu lượng từ 2,0 - 4,2 L/phút với chu kỳ 1 giây chạy và 10 giây nghỉ DO trong

bỏ ammoni và tổng nitơ tương ứng là 80% và 77%, nồng độ nitrat và nitrit đầu ra thấp hơn

3 và 10 mg/L Sự có mặt của chất hữu cơ chậm hoặc khó phân hủy sinh học (từ 260 - 450

mg COD/L) không ảnh hưởng đến việc vận hành quá trình Bằng kỹ thuật FISH phân tích

mẫu bùn, Nitrosomonas được xác định chiếm phần lớn trong nhóm vi khuẩn AOB,

Candidatus “Brocadia fulgida” và Candidatus “Brocadia anammoxydans” chiếm chủ

yếu trong nhóm vi khuẩn Anammox

Daverey và cộng sự (2012) đã ứng dụng quá trình CANON trong một bể phản ứng SBR có giá thể để xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ ammoni đầu vào cao (3712 ±

và ammoni đạt lần lượt 89% và 98% Hiệu quả này giảm sút khi DO > 1 mg/L và nồng độ nitrit > 100 mg/L Sự ức chế bởi DO có thể hồi phục trong khi sự ức chế do nitrit, FA và FNA là không hồi phục được

Peng và cộng sự (2013) đã nghiên cứu tính hiệu quả và khả thi việc loại bỏ nitơ trong đầu ra của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt đô thị bằng quá trình CANON trong

một bể phản ứng liên tục Bể phản ứng được vận hành ở nhiệt độ không đổi 32 oC, DO được kiểm soát ở mức 0,02 mg/L và pH của nước thải đầu vào được điều chỉnh trong khoảng 7,8 - 8,1 trước khi bơm vào bể Quá trình CANON được khởi động thành công với việc chuyển hóa nitơ thành dạng khí qua phân tích cân bằng sinh khối Khi vận hành với

tổng nitơ lần lượt là 80% và 55% với HRT 1,25 giờ Khi vận hành với nước thải sinh hoạt

tiêu chuẩn chất lượng tái chế nước thải đô thị để tái sử dụng cho môi trường cảnh quan ở Trung Quốc (GB/T 18921-2002)

Vy (2017) đã thực hiện đề tài “Ứng dụng quá trình CANON để xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi sau bể biogas” nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nitơ của nước thải chăn

hiệu suất xử lý tổng nitơ (TN) đạt 72 ± 10%, đạt cực đại 88% và ở tải trọng nitơ 0,95 ±

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận văn này được trình bày trong Hình 3.1:

Hình 3 1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu

Giai đoạn phục hồi

Phục hồi hoạt tính của sinh khối

trong bể phản ứng sau khi bị sự

nước thải chăn nuôi (Vy, 2017)

Nội dung nghiên cứu

 Đánh giá hoạt tính Anammox,

AOB và NOB ở mỗi tải trọng

 Xác định kích thước hạt, SEM,

EDS của hạt bùn Anammox

Giai đoạn thích nghi

Thích nghi sinh khối Anammox

và AOB trong bể phản ứng

CANON với nước rỉ rác

Vận hành bể phản ứng CANON

với nước rỉ rác cũ

3.2 Bể phản ứng CANON

Bể phản ứng CANON được làm bằng inox, có hình trụ, bao gồm ngăn lắng và ngăn thu nước đặt bên trong bể phản ứng Đáy bể phản ứng có đặt đĩa sục khí nhằm cấp khí và tạo điều kiện xáo trộn hoàn toàn Bể phản ứng có kích thước D x H = 300 x 700 mm, chiều cao làm việc 550 mm với tổng thể tích 49,5 L, thể tích hữu ích là 38,9 L Thể tích ngăn lắng L x W x H = 150 x 100 x 435 mm = 6,5 L Vậy thể tích của ngăn phản ứng là 32,4 L Bùn lắng từ ngăn lắng quay trở lại ngăn phản ứng

Hình 3 2 Bể phản ứng CANON Các thiết bị sử dụng trong mô hình được thể hiện trong Bảng 3.1

Bảng 3 1 Các thiết bị sử dụng trong bể phản ứng CANON

vào, bồn chứa nước thải

Thùng chứa đầu vào: 500 L Thùng chứa đầu ra: 70 L

dụng cho suốt quá trình nghiên cứu Thành phần tính chất nước rỉ rác cũ được thể hiện trong Bảng 3.2

Bảng 3 2 Thành phần tính chất nước rỉ rác cũ của BCL Gò Cát trong nghiên cứu này

Chỉ tiêu Đơn vị Nghiên cứu này Nghiên cứu của

lệ để đạt nồng độ ammoni theo yêu cầu và được chứa vào bồn 500L để vận hành bể phản ứng CANON

Sinh khối trong bể phản ứng CANON được duy trì từ mô hình do Vy (2017) thực

hiện đề tài “Ứng dụng quá trình CANON xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi” có hoạt

khối đạt MLSS = 3532 mg/L, MLVSS = 2992 mg/L vào cuối thời gian nghiên cứu 0,5 lít

bùn Anammox lấy từ mô hình IC (Internal Circulation) trong nghiên cứu của Toàn (2018) được bổ sung vào bể phản ứng trong quá trình vận hành khi gặp sự cố

suốt quá trình nghiên cứu

3.4 Điều kiện vận hành

Mô hình nghiên cứu được đặt tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên

được vận hành liên tục thông qua tủ điện điều khiển tự động, nước thải được bơm vào bể phản ứng từ vị trí đáy bể

Giai đoạn thích nghi: bể phản ứng CANON được vận hành với các thông số bao

L/phút với thời gian thổi khí và ngưng lần lượt là 5 và 2 phút Giá trị pH đầu vào được điều chỉnh trong khoảng 7,5 – 8,0 và pH trong bể phản ứng trong khoảng 7,3 – 7,8 bằng

Giai đoạn tăng tải và giai đoạn phục hồi: bể phản ứng CANON được vận hành với

gian thổi khí là ngưng lần lượt là 2 – 5 phút và 2 phút tùy theo tình hình vận hành Tải trọng nitơ (NLR) được tăng dần tương ứng với hàm lượng ammoni tăng dần bằng cách pha loãng nước rỉ rác thô với nước thủy cục để đạt nồng độ ammoni yêu cầu Dung dịch

Điều kiện vận hành bể phản ứng CANON với nước rỉ rác cũ được tóm tắt trong Bảng 3.3

Bảng 3 3 Điều kiện vận hành bể phản ứng CANON

Giai đoạn Thời gian

(ngày)

NLR (kgN/m 3 ngày)

NH 4 + -N vào

(mgN/L)

DO (mgO 2 /L)

HRT (ngày)

Hình 3 3 Bể phản ứng đánh giá hoạt tính riêng của Anammox, AOB và NOB

Bể phản ứng đặt trên máy khuấy từ để tạo điều kiện xáo trộn trong quá trình thí nghiệm Máy thổi khí được sử dụng để sục khí vào bể trong thí nghiệm hoạt tính riêng của AOB và NOB

 Vật liệu thí nghiệm