Nghiên cứu chế tạo vật liệu Ecobioblok (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ và Amoni trong một số nguồn nước thải.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ
CƠNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ

HỒNG LƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ECO-BIO-BLOCK
(EBB) CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ
LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ VÀ AMONI TRONG
MỘT SỐ NGUỒN NƯỚC THẢI

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI – 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ

CƠNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ

HỒNG LƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ECO-BIO-BLOCK
(EBB) CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ

XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ VÀ AMONI
TRONG MỘT SỐ NGUỒN NƯỚC THẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã sỗ: 9 52 03 20
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. TĂNG THỊ

2.TS. ĐẶNG THANH
TÚ HÀ NỘI – 2022

CHÍNH


iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB)
cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và amoni trong một số nguồn
nước thải” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS. Tăng Thị Chính và
TS. Đặng Thanh Tú.
Các kết quả công bố trong luận án là trung thực, chính xác.
Tơi xin chịu trách nhiệm hồn tồn về những nội dung mà tơi trình bày
trong luận án này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2022

Nghiên cứu sinh

Hoàng Lương


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Tăng Thị Chính (Viện Cơng
nghệ Mơi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và TS. Đặng
Thanh Tú (Trường Đại Học Việt Nhật) đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tơi
những hướng nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn các tập thể: (i) Học viện Khoa học và Công nghệ
(GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST); (ii) Khoa
Công nghệ môi trường – GUST; (iii) Viện Cơng nghệ Mơi trường (IET) – VAST; và
(iv) Phịng Cơng nghệ xử lý chất thải rắn và khí thải - IET đã hỗ trợ tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong q trình thực hiện luận án.
Tơi xin cảm ơn GS.TS. Trịnh Văn Tuyên - IET đã hỗ trợ địa điểm, nơi học
tập, nghiên cứu, trao đổi và tạo điều kiện cho tơi trong suốt q trình nghiên cứu
thực nghiệm luận án.
Chân thành cám ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cỗ vũ, ủng hộ tơi trong
suốt q trình làm luận án này.
Nghiên cứu sinh

Hoàng Lương


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................... ii
MỤC LỤC............................................................................................................... iii

DANH MỤC VIẾT TẮT....................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG............................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH................................................................................................ xi
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1.1.

Tính cấp thiết của luận án.....................................................................................1

1.2.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................3

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu...............................................................................................3

1.4.

Nội dung nghiên cứu..............................................................................................4

1.5.

Phương pháp nghiên cứu......................................................................................4

1.6.

Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án........................................5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.................................................................................... 6
1.1.

Thực trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam.................................................................6

1.2.

Các q trình và cơng nghệ xử lý nước thải.....................................................14

1.2.1.

Hiện trạng các cơng trình xử lý nước thải ở Việt Nam.............................................................. 14

1.2.2. Các q trình hóa lí...................................................................................................................... 16
1.2.3. Các q trình sinh học.................................................................................................................. 17
1.2.4. Giá thể sinh học........................................................................................................................... 27
1.2.4.1. Kỹ thuật dính bám............................................................................................................ 27
1.2.4.2. Trên thế giới..................................................................................................................... 28
1.2.4.3. Ở trong nước..................................................................................................................... 33


1.3. Vai trò của VSV trong xử lý nước thải....................................................................35
1.3.1. Tảo.............................................................................................................................................. 35
1.3.2. Động vật nguyên sinh.................................................................................................................. 36
1.3.3. Hệ VSV của nước thải................................................................................................................. 36
1.3.4. Quá trình tham gia của VSV trong xử lí nước thải........................................................................ 37

1.4. Tổng quan EBB và lựa chọn vật liệu chế tạo EBB cải tiến...................................39
1.4.1. Tổng quan EBB........................................................................................................................... 39
1.4.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo EBB cải tiến........................................................................................ 43

Kết luận chương 1..............................................................................................................45

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............47
2.1. Hóa chất và thiết bị....................................................................................................47
2.2. Sơ đồ nghiên cứu tổng thể của Luận án..................................................................47
2.3. Vật liệu.........................................................................................................................48
2.3.1. Cát............................................................................................................................................... 48
2.3.2. Sỏi nhẹ Keramzit......................................................................................................................... 48
2.3.3. Xi măng....................................................................................................................................... 49
2.3.4. Than cacbon hóa.......................................................................................................................... 49
2.3.5. Zeolit........................................................................................................................................... 49
2.3.6. Chế phẩm Sagi – Bio 2................................................................................................................ 49

2.4. Phương pháp phân tích..............................................................................................50
2.4.1. Phương pháp xác định COD......................................................................................................... 50
2.4.2. Phương pháp xác định Amoni...................................................................................................... 51

2.5. Chế tạo vật liệu EBB cải tiến....................................................................................51
2.5.1. Phương pháp xác định độ rỗng của vật liệu.................................................................................. 51
2.5.1.1. Phương pháp xác định thể tích rỗng EBB cải tiến.............................................................. 51
2.5.1.2. Phương pháp xác định diện tích bề mặt EBB cải tiến........................................................ 53
2.5.2. Phương pháp xác định hàm lượng phối trộn nước........................................................................ 54
2.5.3. Thực nghiệm chế tạo EBB cải tiến............................................................................................... 54

2.6. Đánh giá đặc trưng của vật liệu EBB cải tiến........................................................55
2.6.1. Phương pháp cấy vi sinh vào vật liệu EBB cải tiến....................................................................... 55
2.6.2. Phương pháp xác định ảnh hưởng pH đến VSV và hiệu suất xử lý COD trong vật liệu EBB cải tiến
.................................................................................................................................................................. 57
2.6.3. Phương pháp xác định hiệu quả hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến.................................... 59

2.6.4. Phương pháp xác định hiệu quả hoạt động VSV trong EBB cải tiến bằng kỹ thuật sinh học phân tử
.................................................................................................................................................................. 62
2.6.5. Phương pháp đánh giá hiệu suất xử lý COD và Amoni của vật liệu EBB cải tiến trong phịng thí
nghiệm......................................................................................................................................... 65

2.7. Đánh giá khả năng xử lý của vật liệu EBB cải tiến đã chế tạo.............................66
2.7.1. Đánh giá hiệu quả xử lý nước hồ.................................................................................................. 66
2.7.2. Đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác............................................................................................. 67
2.7.3. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bệnh viện................................................................................ 68

CHƯƠNG 3. KẾT QỦA VÀ THẢO LUẬN......................................................... 69
3.1. Chế tạo EBB cải tiến..................................................................................................69
3.1.1. Kết quả xác thể tích rỗng EBB cải tiến......................................................................................... 69
3.1.2. Kết quả xác định diện tích bề mặt của vật liệu EBB cải tiến......................................................... 71
3.1.3. Kết quả xác định hàm lượng nước phối trộn để chế tạo EBB cải tiến............................................ 72

3.2. Đặc trưng của vật liệu EBB cải tiến.........................................................................74
3.2.1. Kết quả cấy VSV vào vật liệu EBB cải tiến.................................................................................. 74
3.2.2. Kết quả xác định ảnh hưởng của pH đến hoạt động VSV và hiệu suất xử lý COD trong vật liệu
EBB cải tiến................................................................................................................................. 75
3.2.2.1. Kết quả xác định ảnh hưởng của pH đến hoạt động VSV.................................................. 75
3.2.2.2 Kết quả xác định ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD........................................... 76
3.2.3. Kết quả xác định hiệu quả hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến............................................ 78
3.2.3.1. Kết quả ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến............78
3.2.3.2. Kết quả xác định cân bằng hấp phụ và ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Amoni đến hiệu quả
hấp phụ.............................................................................................................................
......................................................................................................................................... 79
3.2.3.3. Kết quả xác định ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ......................................................... 79
3.2.3.4. Kết quả xác định động học hấp phụ Amoni của vật liệu.................................................... 80
3.2.4. Kết quả đánh giá sự đa dạng của các nhóm VSV trong vật liệu EBB cải tiến bằng kỹ thuật sinh học

phân tử......................................................................................................................................... 84
3.2.4.1. Kết quả tách chiết ADN và điện di biến tính DGGE từ các mẫu thử nghiệm...................... 84
3.2.4.2. Kết quả tính chỉ số đa dạng Shannon (H’) và chỉ số tương quan Pielou (J’) của từng mẫu 86
3.2.4.3. Kết quả phân tích đa hình di truyền của các band trên bản điện di DGGE......................... 89
3.2.5. Kết quả thực nghiệm sử dụng EBB cải tiến để xử lý nước thải trong phịng thí nghiệm................ 92
3.2.5.1. Kết quả đánh giá hiệu suất xử lý COD của vật liệu EBB cải tiến....................................... 92
3.2.5.2. Kết quả đánh giá hiệu suất xử lý Amoni của vật liệu EBB cải tiến..................................... 97

3.3. Khả năng xử lý của EBB cải tiến đã chế tạo.........................................................101
3.3.1. Kết quả ứng dụng EEB cải tiến để xử lý nước hồ bị ô nhiễm...................................................... 101


3.3.2. Kết quả ứng dụng EEB cải tiến để xử lý nước rỉ rác................................................................... 103
3.3.3. Kết quả ứng dụng EBB cải tiến để xử lý nước thải bệnh viện..................................................... 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 108
1. Chế tạo vật liệu EBB cải tiến.....................................................................................108
2. Đặc trưng vật liệu EBB cải tiến trong xử lý nước thải...........................................108
3. Ứng dụng của vật liệu EBB cải tiến trong xử lý nước thải....................................108

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN.................................................... 110
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ........................................... 111
SỞ HỮU TRÍ TUỆ...........................................................................................................111
BÀI BÁO KHOA HỌC....................................................................................................111

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 112


DANH MỤC VIẾT TẮT
Tiếng Anh

ATP

Adenosin Triphosphate

Tiếng Việt
Nguồn cung cấp năng lượng
sinh học

BOD5

Biological Oxygen Demand

Nhu cầu ơ xy sinh hóa

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu ơ xy hóa học

D

Diameter

Đường kính

DO

Oxygen Demand

Nhu cầu ơ xy

DGGE

Denaturing Gradient Gel Electrophoresis Kỹ thuật sinh học phân tử

EBB

Eco-Bio Block

Khối mang sinh vật sinh thái

EPS

Polystyren

Chất dẻo (mút xốp)

GĐ

Giai đoạn

HK

Hiếu khí

KCN

Khu Cơng Nghiệp

KĐTM

Khu đơ thị mới

KĐT

Khu đơ thị

KT-XH

Kinh tế - Xã hội

MBBR

Moving Bed BioReactor

NMXLTT
PCR

Giá thể vi sinh di động
Nhà máy xử lý tập trung

Polymerase Chain Reaction

Phản ứng khuếch đại gen


PP

Polypropylene

Vật liệu nhựa nhiệt dẻo, cứng
và dai

PVC

Polyvinyl Clorua

Nhựa dẻo nhân tạo

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCTK

Tổng cục thống kê

TDS

Total dissolved solids

Tổng chất rắn hòa tan

TKN

Total Nitrogen Kendal

Tổng nitơ Kendal

TOC

Total Organic Carbon

Tổng các bon hữu cơ

TP

Tổng phốt pho

TSS

Total suspended solids

Tổng chất rắn lơ lửng

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

VSV

Vi sinh vật

XLNT

Xử lý nước thải

YK

Yếm khí


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Tiêu chuẩn thải nước của một số cơ sở dịch vụ và cơng trình cơng cộng.
.....................................................................................................................................7
Bảng 1. 2. Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát
nước........................................................................................................................... 8
Bảng 1. 3. Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư............................................ 9
Bảng 1. 4. Thành phần nước thải bệnh viện........................................................... 14
Bảng 1. 5. Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng.......................... 19
Bảng 1. 6. Hiệu suất xử lý của công nghệ EBB tại Mayur Vihar, Ấn Độ [64]........41
Bảng 1. 7. So sánh giữa vật liệu EBB cải tiến và EBB nhập khẩu.......................... 46

Bảng 2. 1. Thống kê hóa chất và thiết bị phục vụ nghiên cứu.................................47
Bảng 2. 2. Hàm lượng phối trộn hỗn hợp vật liệu khô............................................. 52
Bảng 2. 3. Hàm lượng nước bổ sung để phối trộn................................................... 54
Bảng 2. 4. Các giai đoạn thực nghiệm ở các phạm vi pH khác nhau.......................58
Bảng 2. 5. Tỷ lệ các dung dịch biến tính để tiến hành thực nghiệm........................ 64

Bảng 3. 1. Độ rỗng của khối chất rắn EBB chế tạo................................................. 70
Bảng 3. 2. Hàm lượng nước bổ sung để phối trộn................................................... 72
Bảng 3. 3. Mật độ VSV hiếu khí tổng số (CFU/g)................................................... 74
Bảng 3. 4. Mật độ VSV kị khí tổng số (CFU/g)....................................................... 75
Bảng 3. 5.Ảnh hưởng pH đến hoạt động của VSV trong vật liệu EBB....................75
Bảng 3. 6. Số liệu thực nghiệm đẳng nhiệt hấp phụ Amoni của vật liệu..................81
Bảng 3. 7. So sánh hiệu quả hấp phụ giữa EBB cải tiến và vật liệu khác................82

Bảng 3. 8. Số lượng các band xuất hiện ở các cơng thức thí nghiệm khác nhau trên
bản điện di DGGE................................................................................................... 85
Bảng 3. 9. Số lượng các band xuất hiện ở các mẫu A1-A5 trên bàn điện di DGGE và
chỉ số đa dạng H’ và J’ của các mẫu........................................................................ 86
Bảng 3. 10. Số lượng mẫu xuất hiện các band tương ứng trên bản điện di DGGE. .87
Bảng 3. 11. So sánh hiệu quả xử lý của vật liệu EBB cải tiến với một số kết quả
nghiên cứu khác..................................................................................................... 101
Bảng 3. 12. Vị trí lấy mẫu tại hồ Khương Thượng................................................ 102
Bảng 3. 13. Kết quả thực nghiệm nước hồ Khương Thượng................................. 103


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Sơ đồ các q trình chuyển hóa bằng vi sinh Yếm khí [16]....................18
Hình 1. 2. Cân bằng chất và năng lượng trong quá trình vi sinh yếm khí. [16].......19
Hình 1. 3. Cân bằng vật chất cacbon (BOD5) trong sinh học hiếu khí....................22
Hình 1. 4. Sơ đồ cơng nghệ bùn hoạt tính............................................................... 24
Hình 1. 5. Sơ đồ quá trình loại bỏ COD và ni tơ bằng vi sinh: (a) anoxic trước; (b)
anoxic sau; (c) 2 giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat độc lập; (d) quá trình Bardenpho.
...................................................................................................................................26
Hình 1. 6. Sơ đồ cơng nghệ bùn hoạt tính xử lí COD và TN...................................26
Hình 1. 7. EBB được ứng dụng trong xử lý nước sơng Melaka [64].......................41
Hình 1. 8. Ứng dụng EBB trong nước thải CN [64]................................................ 42
Hình 1. 9. Đặt EBB ở mương thốt nước [64]......................................................... 42
Hình 1. 10. Thương mại hóa EBB [64].................................................................... 43

Hình 2. 1. Sơ đồ nghiên cứu tổng thể của Luận án.................................................. 47
Hình 2. 2. Sơ đồ thực nghiệm EBB cải tiến............................................................. 52
Hình 2. 3. Sơ đồ thực nghiệm sản xuất EBB cải tiến............................................... 55
Hình 2. 4. Cấy VSV vào EBB cải tiến..................................................................... 55

Hình 2. 5. Ảnh hưởng pH đến VSV (a): đối với EBB cải tiến, (b) mẫu đối chứng 58
Hình 2. 6. Hệ thực nghiệm đánh giá hoạt động của VSV trong vật liệu EBB cải tiến
...................................................................................................................................62
Hình 2. 7. Mơ hình thí nghiệm EBB cải tiến........................................................... 65
Hình 2. 8. Khu vực khảo sát và lấy mẫu nước hồ Khương Thượng.........................66
Hình 2. 9. Mơ hình sử dụng EBB để xử lý nước rỉ rác............................................ 67


Hình 3. 1. Hình ảnh soi kính hiển vi điện tử (SEM) của vật liệu tạo EBB cải tiến ..69
Hình 3. 2. Hình ảnh đo BET của vật liệu EBB cải tiến............................................ 71
Hình 3. 3. Lượng nước phối trộn để tạo EBB cải tiến 100ml..................................72
Hình 3. 4. Lượng nước trộn để tạo EBB cải tiến 120 ml.........................................73
Hình 3. 5.. Lượng nước phối trộn để tạo EBB cải tiến 150 ml................................73
Hình 3. 6. EBB cải tiến trước và sau khi cấy VSV 10 ngày..................................... 74
Hình 3. 7. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD ở pH 4÷5..........................76
Hình 3. 8. Kết quả thực nghiệm ở pH 7÷8............................................................... 77
Hình 3. 9. Kết quả thực nghiệm pH 9÷10................................................................ 77
Hình 3. 10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả loại bỏ Amoni; (Nồng độ NH4+ ban đầu
30 mg/L, lượng chất hấp phụ 150 g/L. Thời gian tiếp xúc 240 phút)...................... 78
Hình 3. 11. Cân bằng hấp phụ Amoni của vật liệu EBB tại pH 6............................79
Hình 3. 12. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến hiệu quả loại bỏ Amoni, pH 6,
thời gian tiếp xúc 240 phút...................................................................................... 80
Hình 3. 13. Đường biểu diễn động học biểu kiến bậc nhất......................................80
Hình 3. 14. Đường biểu diễn động học biểu kiến bậc hai....................................... 80
Hình 3. 15. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir NH4+ của vật liệu, pH 6.......................81
Hình 3. 16. Hình ảnh kết quả tách chiết mẫu ADN tổng số.....................................84
Hình 3. 17. Kết quả chạy điện di DGGE của các mẫu A1, A2, A3, A4 và A5.........84
Hình 3. 18. Cây phát sinh thể hiện mối liên quan của các lồi VSV có trong 5 mẫu
nghiên cứu A1, A2, A3, A4 và A5.......................................................................... 90
Hình 3. 19. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 0,5 L/giờ......................................93

Hình 3. 20. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 1 L/giờ......................................... 93
Hình 3. 21. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 2 L/giờ......................................... 94


Hình 3. 22. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 3 L/giờ......................................... 95
Hình 3. 23. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 4 L/giờ......................................... 95
Hình 3. 24. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 5 L/giờ......................................... 96
Hình 3. 25. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 0,5 L/giờ.................................... 97
Hình 3. 26. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 1 L/giờ....................................... 98
Hình 3. 27. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 1 L/giờ....................................... 98
Hình 3. 28. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 3 L/giờ....................................... 99
Hình 3. 29. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 4 L/giờ....................................... 99
Hình 3. 30. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 5 L/giờ..................................... 100
Hình 3. 31. Các điểm lấy mẫu hồ Khương Thượng............................................... 101
Hình 3. 32. Hiệu suất xử lý COD trong nước rỉ rác bằng vật liệu EBB cải tiến.....104
Hình 3. 33. Hiệu suất xử lý Amoni trong nước rỉ rác bằng vật liệu EBB cải tiến. .104
Hình 3. 34. Ảnh hưởng lưu lượng đến hiệu quả xử lý COD.................................. 105
Hình 3. 35. Ảnh hưởng của lưu lượng đến hiệu quả xử lý Amoni trong................106


16
MỞ ĐẦU
1.1.

Tính cấp thiết của luận án
Việt Nam đang trong thời điểm then chốt của q trình phát triển đơ thị, với

tổng số đô thị đạt mức 862 vào năm 2020, tăng 7,5% so với năm 2016. Tỷ lệ đô thị
hóa tồn quốc tăng từ 36,7% vào năm 2016, lên 39,3% vào năm 2020, và dự kiến
đạt 45% vào năm 2026 [1]. Đơ thị hóa đồng nghĩa với tập trung dân cư và phát triển

cơng nghiệp, góp phần tăng trưởng kinh tế. Bên cạnh những mặt tích cực, q trình
đơ thị hóa ở Việt Nam cũng tạo ra nhiều thách thức và vấn đề cấp bách liên quan
đến ô nhiễm môi trường. Môi trường nước mặt ở một số thành phố lớn bị ô nhiễm
do các hoạt động đô thị hóa, cơng nghiệp hóa. Hệ thống thốt nước tại các đơ thị chỉ
đáp ứng được 60% nhu cầu thốt nước. Nhiều hệ thống thốt nước khơng đồng bộ
với hệ thống xử lý nước thải tập trung, dẫn đến hiệu quả xử lý kém chất lượng [2].
Nước thải sinh hoạt được ước tính bằng khoảng 80% lượng nước được cấp
cho sinh hoạt, thường chứa các tạp chất khác nhau, trong đó 52% là các hợp chất
hữu cơ và 48% là các hợp chất vơ cơ. Ngồi ra, trong nước thải sinh hoạt còn chứa
nhiều loại sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng. Theo thống kê, hiện trên toàn
quốc chỉ có khoảng 15% nước thải sinh hoạt đơ thị được thu gom và xử lý tại 43
nhà máy xử lý nước thải tập trung với tổng công suất thiết kế đạt 926.000m 3/ngày
đêm, chủ yếu ở các đô thị lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng,
Quảng Ninh… Phần còn lại chưa được thu gom, xử lý hiện đang được xả thải trực
tiếp, gây ô nhiễm nghiêm trọng các thủy vực tiếp nhận.
Các địa phương, đặc biệt là các đơ thị lớn, đã và đang có nhiều nỗ lực để đầu
tư mới và nâng cấp các hệ thống xử lý nước thải sẵn có, nhằm giảm thiểu các tác
động tiêu cực tới môi trường. Quy hoạch thốt nước Hà Nội đến năm 2030, tầm
nhìn đến năm 2050 ban hành kèm theo Quyết định số 725/QĐ-TTg ngày 10/5/2013
của Thủ tướng Chính phủ đặt mục tiêu tỷ lệ dân số được phục vụ thu gom và xử lý
nước thải trong phạm vi quy hoạch đạt 90% đến năm 2030 và đạt 100% đến năm
2050. Đề án chống ngập và xử lý nước thải Thành phố Hồ Chí Minh cũng hướng tới
việc thu gom và xử lý đạt chuẩn 80% tổng lượng nước thải sinh hoạt của thành phố
vào năm 2025.


Các công nghệ xử lý nước thải khá đa dạng, tùy thuộc điều kiện cụ thể từng vùng,
từng địa phương, cơng suất cần có của nhà máy/trạm XLNT tập trung. Việc quản lý,
vận hành, bảo dưỡng hiệu quả các hạng mục cơng trình của các nhà máy, trạm
XLNT đặt ra là một vấn đề lớn, đòi hỏi các chủ đầu tư và các bên liên quan phải

nghiêm túc tuân thủ quy định, quy chế và hướng dẫn kỹ thuật, đảm bảo tính bền
vững của hệ thống.
Hiện nay, có nhiều cơng nghệ xử lý nước thải đã được đưa vào thực tế và đã
cho nhiều kết quả tốt. Tuy nhiên, các cơng nghệ truyền thống thường địi hỏi mặt
bằng khá lớn, khó đáp ứng được với những thành phố lớn có mật độ dân cư đông.
Việc nghiên cứu, ứng dụng các loại vật liệu thân thiện môi trường nhằm cải tiến và
nâng cao hiệu suất xử lý, giảm chi phí đầu tư, chi phí vận hành và mặt bằng cho xây
dựng hệ thống đã và đang được quan tâm thực hiện.
Eco-Bio-Block (EBB) là vật liệu có xuất xứ từ Nhật Bản, được chế tạo từ các
hạt đá xốp zeolit có trong nham thạch của núi lửa, chứa nhiều khoáng chất, và được
gắn kết bằng xi măng để tạo thành các khối chất rắn phù hợp với địa hình lắp đặt.
Cơ chế hoạt động XLNT của EBB được thực hiện thông qua vai trò của các VSV
gắn trong khối với mật độ cao.
EBB làm sạch nguồn nước một cách tự nhiên nhờ có diện tích bề mặt cao
trên 100 m2/g. Trong khối EBB cịn chứa các nhóm vi sinh vật hữu ích như Bacillus
subtilis nato, có khả năng phân hủy mạnh các chất hữu cơ, nitrat hóa amoni và giảm
mùi hơi trong nước một cách đáng kể. EBB là một khối sinh thái, làm sạch nguồn
nước nhanh mà không gây hại cho thực vật và cá, sản phẩm này là sản phẩm độc
quyền của M/s, công ty TNHH Koyoh, Nhật Bản, được cấp bằng sáng chế số
4065402 năm 2008.
Hiện nay, EBB được sử dụng khá rộng rãi tại nhiều nước để XLNT nhằm
làm tăng hiệu suất xử lý, đồng thời giảm thời gian lưu và mặt bằng cần thiết cho xây
dựng hệ thống. Tuy nhiên, suất đầu tư của hệ thống XLNT sẽ bị tăng cao nếu sử
dụng vật liệu EBB nhập khẩu. Việc cải tiến vật liệu EBB bằng các vật liệu nội
địa và thử


nghiệm hiệu quả của vật liệu cải tiến trong XLNT sẽ là cơ sở khoa học khách quan
cho việc đưa loại vật liệu này vào các hệ thống XLNT tại Việt Nam.
Với cách tiếp cận như trên, luận án “Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block

(EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và Amoni trong một số
nguồn nước thải” tập trung nghiên cứu và chế tạo các khối EBB bằng các vật liệu
sẵn có ở Việt Nam như cát, kezamzit, zeolit, xi măng, than cacbon và chế phẩm vi
sinh Sagi - Bio 2. Trên cơ sở vật liệu EBB cải tiến, luận án sẽ đánh giá hiệu quả xử
lý một số loại hình nước thải bằng vật liệu này để hướng tới việc phát triển, ứng
dụng thêm công nghệ mới, thân thiện với môi trường để XLNT, phù hợp với điều
kiện phát triển kinh tế - xã hội ở Việt Nam.
1.2.


Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:
+ Luận án tập trung xác định hàm lượng các vật liệu phối trộn với nhau để tạo
thành vật liệu EBB cải tiến
+ Đánh giá hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ và amoni của vật liệu EBB cải
tiến trên 1 số đối tượng nước thải sinh hoạt, nước hồ ô nhiễm, nước rỉ rác và nước
thải bệnh viện.



Phạm vi nghiên cứu:
+ Vật liệu EBB cải tiến được nghiên cứu và chế tạo tại phịng nghiên cứu của Viện
Cơng nghệ mơi trường.
+ Ứng dụng vật liệu EBB cải tiến để XLNT ngoài hiện trường tại hồ Khương
Thượng, nước thải nhà máy chế biến rác Phương Đình, Đan Phượng, Hà Nội và
nước thải bệnh viện E Hà Nội.
1.3.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án “Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu

quả xử lý các chất hữu cơ và Amoni trong một số nguồn nước thải” được thực hiện
nhằm các mục tiêu chính sau:


Nghiên cứu tạo ra sản phẩm với EBB cải tiến phù hợp với điều kiện Việt Nam nói
chung và trên địa bàn Thành phố Hà nội nói riêng, nhằm mục đích giảm giá thành


vật liệu và nâng cao hiệu quả xử lý, cải thiện chất lượng nước thải; Làm chủ công
nghệ với nguồn ngun liệu sẵn có, an tồn và thân thiện với mơi trường; Hướng tới
giảm chi phí vận hành hệ thống XLNT thơng qua giảm sử dụng năng lượng, giảm
chi phí lắp đặt và vận hành.


Góp phần giảm thiểu các chỉ tiêu COD và Amoni có trong nguồn nước thải.
1.4.

Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm EBB cải tiến

 Xác định tỉ lệ phối trộn nguyên liệu chế tạo EBB cải tiến để đánh giá khả năng

kết dính của vật liệu.
 Xác định độ rỗng, thể tích rỗng, diện tích bề mặt vật liệu EBB cải tiến đã chế tạo.

Nội dung 2: Đánh giá các đặc trưng của EBB cải tiến đã chế tạo
 Nghiên cứu cấy VSV và đánh giá hoạt động của VSV trong vật liệu EBB cải tiến.
 Đánh giá hiệu suất xử lý COD và Amoni của vật liệu EBB cải tiến trong phịng

thí nghiệm
Nội dung 3: Ứng dụng vật liệu EBB cải tiến đã chế tạo trong xử lý một số
loại hình nước thải

 Xử lý nước Hồ


Xử lý nước rỉ rác



Xử lý nước thải bệnh viện

1.5.

Phương pháp nghiên cứu



Phương pháp phân tích: COD và Amoni



Phương pháp chế tạo vật liệu EBB cải tiến
- Phương pháp xác định độ rỗng của vật liệu



Phương pháp đánh giá đặc trưng của vật liệu EBB cải tiến.

- Phương pháp xác định hiệu quả hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến
- Phương pháp xác định hiệu quả hoạt động VSV trong EBB cải tiến bằng kỹ
thuật sinh học phân tử
- Phương pháp đánh giá hiệu suất xử lý COD và Amoni của vật liệu EBB cải
tiến trong phịng thí nghiệm




Phương pháp đánh giá ứng dụng của vật liệu EBB cải tiến
- Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý nước hồ
- Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác
- Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bệnh viện
1.6.

Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án
EBB cải tiến là một sản phẩm được sản xuất bằng nguyên liệu hoàn tồn sẵn

có trong nước, kỹ thuật sử dụng đơn giản và giá thành có tính cạnh tranh rất cao.
Tính sáng tạo của luận án là dựa trên sự kết hợp giữa vật liệu sử dụng trong lĩnh vực
xây dựng và các chủng VSV và được phối trộn với nhau ở các tỷ lệ, thành phần và
mức độ để tạo ra một sản phẩm EBB cải tiến có tính năng tương tự nhập ngoại. Hơn
nữa, đặc tính của EBB cải tiến cịn thể hiện một số tính ưu việt như nhẹ, chịu nén
tốt và rất bền với điều kiện khí hậu Việt Nam.
Với ưu thế có khả năng hồn tồn làm chủ cơng nghệ với nguồn ngun liệu
sẵn có, sản phẩm EBB cải tiến được đánh giá là rất có tiềm năng ứng dụng trong
lĩnh vực xử lý nước thải tại Việt Nam. Khi sản phẩm EBB cải tiến được đưa vào áp
dụng trong thực tiễn sẽ góp phần vào việc cải thiện môi trường nước với đặc thù xử
lý cho nhiều kênh, lạch, sông nhỏ, ao hồ và các hệ thống xử lý nước thải tại Việt
Nam.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Thực trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam
Theo Unicef cho biết, tình trạng ơ nhiễm nguồn nước ở Việt Nam đang đứng
TOP 5, chỉ sau Trung Quốc, Philippines, Indonesia và Thái Lan có lượng rác thải đổ
ra sông, ra biển nhiều nhất thế giới hiện nay.
Ở Việt Nam tại các khu cơng nghiệp có hàng trăm đơn vị sản xuất lớn nhỏ,
hàng tấn nước thải rác thải chưa qua xử lý đã xả trực tiếp vào đường ống, các chất ô
nhiễm hữu cơ, các kim loại còn nguyên trong nước đã thâm nhập vào nguồn nước.
Ở các thành phố, rác thải sinh hoạt được vứt lung tung, ngổn ngang làm tắc
đường cống, nước khơng thốt được, nên cứ mỗi trận mưa đến ngừời ta lại phải đi
thơng cống để thốt nước. Những con sơng nhuệ, sơng tơ lịch đen kịt, bốc mùi hơi
vì rác thải.
Ở nơng thơn do điều kiện sinh hoạt cịn khó khăn, cơ sở lạc hậu, các chất thải
sinh hoạt và cả gia súc, gia cầm chưa qua xử lý đã thấm xuống các mạch nước
ngầm, nếu sử dụng nước ngầm không xử lý sẽ có khả năng mắc các bệnh do nguồn
nước gây ra.
Bên cạnh đó, việc lạm dụng phân bón và các chất bảo vệ thực vật trong sản
xuất nông nghiệp dẫn đến các kênh mương, sông hồ bị ô nhiễm ảnh hưởng đến sức
khỏe con người.
Theo Nghị định số 38/2015/NĐ-CP ngày 24/4/2015 của Thủ tướng Chính
phủ về quản lý chất thải và phế liệu, nước thải nói chung được định nghĩa là nước
đã bị thay đổi đặc điểm, tính chất, được thải ra từ quá trình sản xuất, kinh doanh,
dịch vụ, sinh hoạt hoặc hoạt động khác. Về nguyên tắc phần lớn các loại nước thải ít
nhiều đều chứa các chất hoặc tác nhân ô nhiễm thải ra trong quá trình sử dụng nên
nước thải sẽ có tác động có hại đối với môi trường. Nếu như nước thải công nghiệp
chứa rất nhiều hố chất vơ cơ và hữu cơ thì nước thải sinh hoạt được thải ra sau quá
trình sử dụng của con người chứa rất nhiều các chất bẩn dưới dạng protein,
hydratcacbon, mỡ, các chất thải ra từ con người và động vật, ngồi ra cịn phải kể

đến các loại rác như giấy, gỗ, các chất hoạt động bề mặt… [3]


Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào
tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Các trung tâm đơ thị
thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nơng thơn,
do đó lượng nước thải sinh hoạt tính trên một đầu người cũng có sự khác biệt giữa
các khu vực, và được tính tương đương khoảng 80 – 100% lượng nước cấp cho sinh
hoạt [4]. Hiện nay, tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt ở Việt Nam dao động trong
khoảng 120 đến 180 lít/người/ngày đối với khu vực thành thị, và 50 đến 120
lít/người/ngày đối với khu vực nơng thơn.
Ngồi ra, lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư còn phụ thuộc vào điều
kiện trang thiết bị vệ sinh nhà ở, đặc điểm khí hậu thời tiết và tập quán sinh hoạt của
người dân. Đối với các cơ sở dịch vụ và công trình cơng cộng, lượng nước thải sinh
hoạt phát sinh phụ thuộc vào loại cơng trình, chức năng, số người sử dụng tại khu
vực đó. Tiêu chuẩn thải nước của một số loại cơ sở dịch vụ và cơng trình cơng cộng
này được nêu trong Bảng 1.1.
Bảng 1. 1. Tiêu chuẩn thải nước của một số cơ sở dịch vụ và cơng trình cơng cộng.
Nguồn nước thải
Nhà ga, sân bay
Khách sạn

Đơn vị tính

Lưu lượng, lít/ngày

Hành khách

7,5 – 1,5

Khách

152 - 212

Nhân viên phục vụ

30 - 45

Nhà ăn

Người ăn

7,5 - 15

Siêu thị

Người làm việc

26 - 50

Bệnh viện

Giường bệnh

473 - 908

Nhân viên phục vụ

19 - 56

Trường đại học

Sinh viên

56 - 113

Bể bơi

Người tắm

19 - 45

Khu triển lãm, giải trí

Người tham quan

15 - 30

Nguồn :Metcalf&Eddy. Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse. Third Eđition ,1991. [5]


Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thường thốt bằng hệ thống thốt
nước dẫn ra các sơng rạch, cịn các vùng ngoại thành và nơng thơn do khơng có hệ
thống thốt nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc
thoát bằng biện pháp tự thấm.
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt thể hiện tính chất tổng quát, cảm quan của
nước như pH, độ dẫn/lực ion, màu sắc, mùi...; thành phần các tạp chất trong nước
gây hại với môi trường cần phải được xử lí như nồng độ cặn lơ lửng (SS), nồng độ
cặn lơ lửng cháy được (VSS), nồng độ ôxy hóa hóa học và sinh học (COD/BOD 520),
tổng lượng chất hữu cơ tan trong nước (TOC), tổng nồng độ các chất dinh dưỡng

như Nitơ (TN) hoặc N-amơni (N-NH4+) có trong nước.
Lượng chất bẩn cho một người dân xả vào hệ thống thoát nước theo quy định
tại tiêu chuẩn TCXD 51:2007, và số liệu tham khảo về thành phần nước thải sinh
hoạt các khu dân cư được tổng hợp trong bảng 1.2 và bảng 1.3 dưới dây.
Bảng 1. 2. Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước
Các chất
- Chất lơ lửng (SS )
- BOD5 của nước thải chưa lắng
- BOD5 của nước thải đã lắng
- NH4+-N

Giá trị, g/ng.đ
60÷65
65
30÷35
8

- P2O5

3,3

- Cl-

10

Nguồn :Metcalf&Eddy. Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse. Third Eđition ,1991. [5]
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt từ các hoạt động dịch vụ và các loại hình
sản xuất phụ thuộc vào loại hình sản xuất hay dịch vụ. Với các loại hình dịch vụ
thơng thường như vận tải (sân bay, nhà ga, bến xe ...) nước thải tương tự như nước
thải sinh hoạt nhưng nồng độ Nitơ có thể cao (do nước tiểu). Đối với nước thải từ

các bệnh viện cần chú ý thêm nguy cơ vi khuẩn gây bệnh và khả năng nước thải
có một số


dược phẩm cũng như hóa chất sát trùng ... Phần lớn các đặc trưng cịn lại thay đổi
khơng lớn giữa các loại nước thải sinh hoạt có nguồn gốc khác nhau.
Bảng 1. 3. Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư.
Chỉ tiêu

Trong khoảng

Trung Bình

350÷1.200

700

Chất rắn hồ tan (TDS) , mg/L

250÷850

500

Chất rắn lơ lửng (SS), mg/L

100÷350

220

BOD5, mg/L

110÷400

220

Tổng Nitơ, mg/L

20÷85

40

Nitơ hữu cơ, mg/L

8÷35

15

NH4+-N mg/L

12÷50

25

NO2--N mg/L

0÷0,1

0,05

NO3--N mg/L

0,1÷0,4

0,025

Clorua, mg/L

30÷100

50

Độ kiềm , mgCaCO3/l

50÷200

125

Tổng chất béo, mg/L

50÷150

100

Tổng Phốt pho, mg/L

7÷9

8

Tổng chất rắn ( TS), mg/L

Nguồn :Metcalf&Eddy. Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse. Third Eđition ,1991. [5]
Các số liệu trong bảng trên cho thấy, nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất
hữu cơ lớn (từ 50 đến 55%). Ngồi ra, nhiều nghiên cứu cịn cho thấy, nước thải
sinh hoạt, đặc biệt là nước thải sinh hoạt đô thị có chứa nhiều VSV, trong đó có
VSV gây bệnh với nồng độ coliform tổng số từ 106 đến 109 MPN/100 ml và nồng độ
fecal coliform từ 104 đến 107 MPN/100ml. Trong nước thải sinh hoạt còn chứa các
vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ, cần thiết cho các quá trình chuyển hố chất bẩn
trong nước [6].


Hệ thống nước mặt Việt Nam với hơn 2.360 con sơng, suối và hàng nghìn hồ,
ao. Nguồn nước này là nơi cư trú và nguồn sống của các loài động, thực vật và hàng
triệu người và cũng là nguồn cung cấp chủ yếu cho sản xuất. Tuy nhiên, những
nguồn nước này đang bị suy thoái và phá hủy nghiêm trọng do khai thác quá mức
và bị ô nhiễm với mức độ khác nhau. Thậm chí nhiều con sơng, đoạn sơng, ao, hồ
đang “chết” bởi khối lượng những chất thải, rác thải, nước thải xả ra môi trường mà
chưa được xử lý
Thống kê và đánh giá của Bộ Y tế và Bộ Tài Ngun mơi trường trung bình
mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong vì nguồn nước và điều kiện vệ
sinh kém và gần 200.000 trường hợp mắc bệnh ung thư mới phát hiện, mà một
trong những ngun nhân chính là sử dụng nguồn nước ơ nhiễm.
Hệ thống hồ Hà Nội là một sản phẩm không thể tách rời của hệ thống sinh
thái cảnh quan của Thủ đơ Hà Nội. Trong q trình chuyển mình để trở thành một
thủ đơ hiện đại, vai trị của các hồ ở Hà Nội càng quan trọng hơn trong chức năng
sinh thái xã hội, mơi trường, điều hịa ngập úng, điều hịa khơng khí và giúp Hà Nội
thích ứng với biến đổi khí hậu.
Kết quả thơng tin nền 2010 cho thấy, trong số 80 hồ được khảo ở Hà Nội có
76% số hồ có diện tích lớn hơn 1.000 m 2, chiếm đa số. Về mặt chất lượng nước có
đến 71% số hồ bị ô nhiễm (BOD>15 mg/L vượt quá tiêu chuẩn QCVN

08:2008/BTNMT cột B1), trong số đó có đến 14% hồ ô nhiễm hữu cơ rất nặng (50
mg/L thấy hầu hết các nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm chất lượng nước là do hoạt động của
con người như xả trực tiếp nước thải sinh hoạt, rác thải, lấn chiếm lòng, ao, hồ...
Đặc biệt ở những hồ, ao nhỏ nằm giữa khu vực dân cư đông đúc.
Từ năm 2010 đến 2015, thành phố đã triển khai nhiều chương trình xử lý cải
tạo các hồ, ao. Một số ví dụ như: Chương trình xử lý ơ nhiễm nước sơng, mương,
hồ trên địa bàn Hà Nội từ năm 2009÷2012; Đề án cải tạo hồ Hà Nội; Dự án xử lý ô
nhiễm nước hồ Trúc Bạch; Chế phẩm sinh học tại hồ Trúc Bạch; Chương trình thí
điểm mơ hình bảo vệ hồ với sự tham gia của cộng đồng; Chương trình quan trắc
chất lượng nước một số hồ trên địa bàn thành phố từ năm 2010÷2015; Các chương
trình truyền