Tóm tất Luận án: Nghiên cứu quá trình xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ MỸ HẠNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
SINH HOẠT BẰNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX SỬ
DỤNG GIÁ THỂ VI SINH CỐ ĐỊNH

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải
Mã số: 9520320-2

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội, năm 2022


2

Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thị Hiền Hoa

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Mạnh Khải
Phản biện 2: PGS.TS. Hoàng Thị Thu Hương
Phản biện 3: PGS.TS. Đoàn Thu Hà

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại
trường Đại học Xây dựng Hà Nội
Vào hồi…… giờ…….. ngày ……….. tháng….............năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và thư viện Trường Đại
học Xây dựng Hà Nội.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Với mức độ đơ thị hóa như hiện nay, tới năm 2035 Việt Nam sẽ
có khoảng 106,3 triệu dân trong đó có 47,87 triệu dân đơ thị (44,87%
dân số), ước tính lượng nước thải đô thị cần xử lý là 7,63 triệu
m3/ngày đêm. Tính đến nay, đã có khoảng 70 nhà máy xử lý nước thải
tập trung ở các đô thị, đa phần là xử lý nước thải của hệ thống thốt
nước chung, trong đó chỉ có 3 nhà máy xử lý nước thải của hệ thống
thoát nước riêng. Bể tự hoại với hơn 90% số hộ gia đình sử dụng vẫn
tiếp tục đóng vai trị quan trọng xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt ở các
đơ thị có đấu nối với hệ thống thoát nước chung.
Nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của
con người, chứa các chất bẩn ở trạng thái lơ lửng, các chất hữu cơ, vi
sinh vật và các chất dinh dưỡng cần được xử lý đạt yêu cầu trước khi
xả vào nguồn tiếp nhận. Với các công nghệ xử lý nước thải đang được
áp dụng tại Việt Nam, một số công nghệ không thể xử lý triệt để được
nitơ như bể lọc sinh học nhỏ giọt hay công nghệ bùn hoạt tính truyền
thống (CAS). Một số cơng nghệ khác như AO, A2O, SBR dựa trên cơ
sở q trình nitrat hố/khử nitrat lại yêu cầu phải tuần hoàn bùn nội
tại, hoặc cần cấp lượng khí lớn hoặc phải bổ sung thêm nguồn cacbon
từ bên ngoài…
Dựa trên cơ sở lý thuyết về xử lý nitơ bằng phương pháp oxi hố
kỵ khí, thấy rằng q trình Anammox có ưu điểm là khơng cần phải bổ
sung nguồn cacbon bên ngoài, tiết kiệm được năng lượng cho việc sục

khí, lượng bùn sinh ra rất ít, giảm thiểu phát sinh khí nhà kính, tiết
kiệm được diện tích cơng trình xây dựng. Do đó, cơng nghệ xử lý nitơ
bằng q trình Anammox được xem là cơng nghệ thân thiện với môi
trường và rất phù hợp để đưa công nghệ xử lý nước thải của Việt Nam
tiếp cận với “xu thế phát triển bền vững” trong bối cảnh “nước thải và
nền kinh tế tuần hồn”.
Để ứng dụng q trình Anammox vào thực tiễn xử lý nước thải
sinh hoạt cần tiến hành nghiên cứu về các thông số vận hành hệ thống
xử lý, kỹ thuật phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá
trình xử lý. Giá thể vi sinh cố định đóng vai trị quan trọng trong việc
hỗ trợ q trình dính bám của vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước
thải. Do vật liệu Felibendy có cấu trúc sợi dạng cứng rắn, bền vững,
có đặc tính xốp, nhẹ, có diện tích bề mặt lớn, có khả năng thấm hút
cao, đáp


2
ứng được yêu cầu cho vi khuẩn dính bám nên đã được lựa chọn làm giá
thể vi sinh cố định trong mơ hình thí nghiệm.
Luận án “Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng
quá trình Anammox sử dụng giá thể vi sinh cố định” là cần thiết để
từng bước đưa quá trình Anammox ứng dụng vào thực tiễn xử lý nitơ
trong nước thải sinh hoạt ở Việt Nam.
2. Mục tiêu của luận án.
- Đánh giá được khả năng sử dụng giá thể vi sinh cố định
Felibendy thông qua đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ của quá trình
Anammox trong mơ hình Anammox (AX) với kỹ thuật phản ứng tầng
cố định.
- Đánh giá được khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt
thực tế bằng quá trình nitrit hố bán phần và q trình Anammox với

giá thể vi sinh cố định Felibendy.
- Đánh giá được sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ trong
nước thải (thông qua chỉ số COD) đến hiệu quả của quá trình xử lý
nitơ của q trình Anammox. Xác định được thơng số động học của
quá trình Anammox với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu:
- Quá trình Anammox với kỹ thuật phản ứng tầng cố định
- Các hợp chất chứa nitơ vô cơ trong nước thải sinh hoạt
- Nước thải sinh hoạt (nước thải nhân tạo và nước thải thực tế sau
bể tự hoại của ký túc xá trường Đại học Xây Dựng Hà Nội là đối
tượng nghiên cứu điển hình)
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành đối với nước thải sinh hoạt ở các đơ thị
của Việt Nam trên mơ hình PN và mơ hình AX sử dụng giá thể vi sinh
cố định Felibendy quy mơ phịng thí nghiệm.
4. Cơ sở khoa học của luận án
- Xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ
Anammox dựa trên cơ sở kết hợp q trình nitrit hố bán phần và q
trình Anammox: Q trình nitrit hố bán phần với sự có mặt của vi
khuẩn Nitrosomonas, oxi hoá một phần amoni thành nitrit. Tiếp sau đó
là q trình Anammox, amoni được oxi hố trong điều kiện kỵ khí với
nitrit là chất nhận điện tử và tạo thành nitơ phân tử với sự tham gia
của vi khuẩn tự dưỡng Planctomycetes.


1
- Dựa trên nguyên lý vi sinh vật sinh trưởng dính bám, việc sử
dụng giá thể mang trong q trình xử lý làm tăng mật độ vi khuẩn trên
bề mặt và tăng cường hiệu quả xử lý.

- Dựa trên cơ sở các phương trình của mơ hình động học cơ bản (mơ
hình động học bậc 1, mơ hình động học bậc 2 Grau và mơ hình Stover
Kincannon) đã được dựa trên cơ chế chuyển hoá sinh học các chất
trong nước thải.
5. Nội dung nghiên cứu
Luận án được tiến hành với các nội dung sau:
- Tổng quan về công nghệ xử lý nito trong nước thải sinh hoạt,
tổng quan về quá trình Anammox trên thế giới và Việt Nam, tổng quan
về giá thể vi sinh sử dụng trong quá trình Anammox.
- Nghiên cứu cơ sở khoa học xử lý nitơ ứng dụng q trình nitrit
hóa bán phần và Anammox.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong phịng thí nghiệm với mơ hình PN
và mơ hình AX
- Đánh giá và thảo luận về các kết quả nghiên cứu.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng quan: tổng quan về các phương pháp xử lý
nitơ trong nước thải, nghiên cứu
- Phương pháp kế thừa: kế thừa các nghiên cứu
- Phương pháp thực nghiệm
- Phương pháp tổng hợp, phân tích
- Phương pháp thống kê, xử lý số liệu
- Phương pháp so sánh, đối chiếu
- Phương pháp chuyên gia
7. Những đóng góp mới của luận án.
- Xác định được thời gian lưu thuỷ lực phù hợp đối với mơ hình
PN và mơ hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy để xử lý
các hợp chất chứa nitơ trong nước thải sinh hoạt: 9h đối với mơ hình
PN và 6h đối với mơ hình AX.
- Xác định được ngưỡng ức chế đối với quá trình Anammox trong
mơ hình AX bởi hàm lượng các chất hữu cơ là 300mgCOD/L.

- Xác định được hằng số tốc độ tiêu thụ lớn nhất Umax và hằng số
bán bão hoà KB của phương trình động học Stover Kincannon cho quá
trình Anammox tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau.
8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học


- Nghiên cứu đã xác định được thời gian lưu nước phù hợp trong
mơ hình PN và mơ hình AX sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy.
- Nghiên cứu đã đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu
cơ trong nước thải đến quá trình Anammox (COD>300 mg/L gây ức
chế quá trình Anammox).
- Nghiên cứu đã xác định được mơ hình Stover Kincannon là phù
hợp để mơ tả động học của quá trình Anammox. Đồng thời cũng xác
định được các thông số động học U max và KB của mơ hình Stover
Kincannon với các tỉ lệ C/N khác nhau.
Ý nghĩa thực tiễn
- Thời gian lưu thủy lực đã xác định trong nghiên cứu (9h đối với
mơ hình PN và 6h đối với mơ hình AX) là một trong các thơng số
phục vụ thiết kế cơng trình xử lý nitơ ứng dụng q trình nitrit hóa bán
phần và q trình Anammox.
- Các thơng số động học Umax và KB của mơ hình Stover Kincannon
có thể sử dụng để dự đoán chất lượng nước đầu ra và hiệu quả của quá
trình xử lý.
9. Cấu trúc luận án
Cấu trúc luận án gồm:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về các vấn đề liên quan đến xử lý nitơ trong
nước thải sinh hoạt
Chương 2: Cơ sở khoa học quá trình xử lý nitơ ứng dụng q trình

nitrit hố bán phần và q trình Anammox
Chương 3: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Kết luận và kiến nghị


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN
XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT
1.1. Nguồn gốc, đặc tính của nước thải sinh hoạt và yêu cầu của
nguồn tiếp nhận
1.1.1. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải sinh hoạt
NTSH được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người,
được chia thành hai loại là nước đen và nước xám [1]. Theo TCVN
7957:2008, mỗi người trong ngày trung bình thải vào HTTN khoảng
60-65 g cặn lơ lửng, 30-35 g BOD, 8 g NH4+…Ở Việt Nam, bể tự hoại
đóng vai trị rất quan trọng đặc biệt là đối với HTTN chung. Q trình
phân huỷ yếm khí trong bể tự hoại làm giảm đáng kể lượng chất hữu
cơ dạng cacbon nhưng lại khơng có tác dụng đối với các hợp chất nitơ,
thậm chí hàm lượng hợp chất nitơ trong nước thải sau bể tự hoại cao
hơn trong nước thải sinh hoạt chưa qua phân huỷ yếm khí [3].
1.1.2. Các dạng tồn tại của các hợp chất chứa nitơ trong NTSH
Trong nước thải sinh hoạt, nitơ tồn tại dưới dạng nitơ vô cơ
(amoniac/ amoni, nitrit và nitrat) và nitơ hữu cơ (axit amin, protein,
ure...). Tổng nitơ trong nước thải (TN) bao gồm nitơ hữu cơ và nitơ vô
cơ và được xác định theo công thức:
TN = N hữu cơ + NH4+ + NO2- + NO3(1- 1)
TN = TKN + NO2- + NO3(1- 2)
Dưới tác dụng của vi khuẩn, các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là
protein và urê bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac [7].
Tổng nitơ vô cơ trong nước thải (TIN) được xác định theo công thức:

TIN = NH4+ + NO2- + NO3(1- 3)
1.1.3. Tác động của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng và môi trường
Nước thải có hàm lượng nitơ cao có thể làm nước có màu, có mùi
khó chịu, làm giảm oxi hồ tan trong nước, gây hiện tượng phú dưỡng,
giảm chất lượng nước, sản sinh nhiều chất độc trong nước, tiêu diệt
nhiều loại sinh vật có ích trong nước…
1.1.4. Quy định của nguồn tiếp nhận đối với các chỉ tiêu nitơ trong
nước thải sinh hoạt
NTSH trước khi xả thải vào nguồn phải được xử lý và đáp ứng
được yêu cầu theo QCVN 14:2008/BTNMT: nồng độ amoni và nitrat
trong nước thải sinh hoạt trước khi xả vào nguồn tiếp nhận loại A lần
lượt là 5 mg/L, 30 mg/L và nguồn loại B lần lượt là 10 mg/L, 50
mg/L.
1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải


1.2.1. Phương pháp hoá lý
Phương pháp hoá lý bao gồm: Thổi khí (Stripping), trao đổi ion.

1.2.2. Phương pháp hố học

Phương pháp hóa học bao gồm: oxi hóa amoni, kết tủa amoni bằng
MAP.
1.2.3. Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học bao gồm q trình nitrat hố/khử nitrat
(cơng nghệ truyền thống) và q trình Anammox.
1.3. Tổng quan một số cơng nghệ xử lý nitơ trong NTSH
1.3.1. Các công nghệ ứng dụng quá trình nitrat hố/khử nitrat
Một số cơng nghệ ứng dụng q trình nitrat hóa/khử nitrat bao
gồm: AO, SBR, AAO, MBR, MBBR, FAST.

1.3.2. Cơng nghệ xử lý nitơ ứng dụng q trình Anammox
Việc áp dụng công nghệ xử lý nước thải bằng quá trình
Anammox là sự kết hợp của 2 quá trình nitrit hố bán phần và q
trình Anammox. Hai giai đoạn này có thể được tiến hành trong hai
thiết bị phản ứng riêng biệt (PN/AX) hoặc trong cùng một thiết bị
phản ứng (CANNON, SNAP, OLAND)
1.3.3.Đánh giá về hiệu quả của công nghệ xử lý nitơ bằng q
trình nitrat hố/khử nitrat và cơng nghệ ứng dụng q trình
Anammox
So với q trình nitrat hố/khử nitrat truyền thống, q trình
Anammox đã được chứng minh có những ưu điểm nổi bật sau: giảm
thiểu việc sử dụng nguồn cacbon hữu cơ, lượng bùn sinh ra thấp, tiết
kiệm được chi phí về mặt năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính.
Tuy nhiên q trình Anammox chưa được triển khai rộng rãi trong
thực tế là do một số khó khăn như thời gian khởi động và thích nghi
của vi khuẩn dài, bên cạnh đó vi khuẩn rất nhạy cảm với các yếu tố
bên ngoài như nhiệt độ, pH, độ kiềm, độ oxi hồ tan…
1.3.4. Đánh giá các cơng nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các
nhà máy xử lý nước thải của Việt Nam và xu hướng tiếp cận công
nghệ xử lý nước thải trên thế giới.
Các công nghệ xử lý nước thải đô thị ở Việt Nam hiện đang áp
dụng chủ yếu là các hình thức khác nhau của công nghệ xử lý thứ cấp
bằng bùn hoạt tính như CAS, SBR, AO, AAO … Việc loại bỏ các chất
hữu cơ và các hợp chất nitơ trong nước thải cần được nghiên cứu và
lựa chọn nhằm tiết kiệm năng lượng, phát thải ít cacbon, thân thiện với
môi trường, tiếp cận với công nghệ xử lý nước thải mới trên thế giới.


1.4. Tổng quan về một số nghiên cứu xử lý nitơ ứng dụng quá trình
Anammox

1.4.1.Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng quá trình
Anammox trên thế giới và Việt Nam
Quá trình Anammox được phát hiện đầu tiên trong cơng trình xử
lý nước thải Gist Brocades ở Hà Lan vào năm 1995. Từ đó đến nay
q trình Anammox được triển khai nghiên cứu rộng rãi đối với nhiều
loại nước thải ở các quy mô khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu về
q trình Anammox ở Việt Nam vẫn cịn hạn chế.
1.4.2. Tổng quan về một số giá thể mang sử dụng trong quá trình
Anammox.
Một số các giá thể mang đã được đưa vào nghiên cứu ứng dụng
quá trình Anammox như hạt gel PVA, hạt MC, vật liệu than sinh học
BC; vật liệu xốp PE; vật liệu vải không dệt,... Vật liệu Felibendy có
một cấu trúc sợi dạng cứng rắn (vỏ là nhựa EVOH và cốt lõi là nhựa
PET), bền vững, với các đặc tính nhẹ, diện tích bề mặt lớn, cách nhiệt
và thấm khí tốt thể đáp ứng được các yêu cầu của giá thể mang và
được lựa chọn làm giá thể vi sinh cố định nhằm hỗ trợ quá trình
Anammox trong mơ hình phản ứng tầng cố định.
1.4.3. Tổng quan về các nghiên cứu về phương trình động học mơ
tả q trình Anammox
Một số mơ hình động học cơ bản thường được sử dụng như mơ
hình bậc 1, mơ hình Monod, mơ hình động học bậc hai Grau, mơ hình
Contois, mơ hình Stover Kincannon….
1.5. Một số vấn đề cịn tồn tại khi xử lý nước thải bằng quá trình
Anammox và hướng nghiên cứu của luận án.
Tổng quan về những vấn đề còn tồn tại cho thấy để từng bước đưa
quá trình Anammox vào thực tiễn xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt
thực tế ở Việt Nam cần tiến hành đánh giá hiệu suất xử lý lâu dài, xác
định thời gian lưu nước phù hợp với mơ hình PN/AX sử dụng giá thể
vi sinh cố định, xác định ngưỡng ảnh hưởng của hợp chất hữu cơ đối
với quá trình Anammox và xác định các thơng số động học của q

trình Anammox đối với các tỉ lệ C/N khác nhau.


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
NITƠ ỨNG DỤNG Q TRÌNH NITRIT HỐ BÁN PHẦN ANAMMOX

2.1. Quá trình Anammox
2.1.1. Bản chất của quá trình Anammox
Quá trình Anammox được định nghĩa là quá trình amoni và nitrit
được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N 2 dưới điều kiện yếm khí
với amoni là chất cho điện tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo
thành khí
N2.
NH ++1,32NO -+0,066HCO -+0,13H4
2
3
→ 1,02 N2 + 0,26 NO 3+
2 0,5 0,15
2
+ 0.066 CH O N
+ 2,03 H O
(2.1)
Quá trình Anammox được thực hiện với sự đóng góp của nhóm vi
khuẩn tự dưỡng Planctomycetes.
2.1.2. Hố sinh học của q trình Anammox
Phương pháp đồng vị đánh dấu ( 15N) cho thấy hydroxylamine và
hydrazine là chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển hố nội
bào của phản ứng Anammox. Q trình Anammox được thực hiện bởi
vi khuẩn tự dưỡng thuộc nhóm Planctomycetales. Các vi khuẩn trong
quá trình Anammox thuộc vào 3 giống sau: Candidatus Brocadia,

Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua.
2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammox
Quá trình Anammox với sự tham gia của nhóm vi khuẩn kỵ khí
Planctomycetes bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ, DO,
nồng độ cơ chất đầu vào, nồng độ các chất hữu cơ và một số yếu tố ức
chế khác (độ mặn, một số chất vô cơ).
2.1.4. Các thông số vận hành nhằm kiểm sốt q trình Anammox
Để hệ thống xử lý hoạt động có hiệu quả, các thơng số vận hành
của hệ thống xử lý cần được theo dõi và kiểm soát bao gồm: thời gian
lưu thuỷ lực HRT, các điều kiện về nhiệt độ, pH, DO, độ kiềm, tỉ lệ
NH4/NO2…
2.2. Q trình nitrit hố bán phần
2.2.1. Bản chất của q trình nitrit hố bán phần
Việc chuyển đổi NH4+ thành NO2- bao gồm hai bước:
NH3+ O2 + 2H+ + 2e- → NH2OH +H2O – 120kJmol-1 (2.
2) NH2OH + 0,5O2 → HNO2 + 2H+ + 2e- – 114kJmol-1
(2.
3)


Q trình nitrit hố bán phần này bị hạn chế khử amoni đến nitrit,
không phải là nitrat như trong các q trình truyền thống do đó tiết
kiệm được 25% năng lượng sục khí, giảm đến 30% lượng bùn sản
sinh và giảm trên 20% lượng khí CO2 phát thải ra ngồi mơi trường.
2.2.2. Hố sinh học của q trình nitrit hố bán phần
Q trình nitrit hố bán phần chỉ dừng ở giai đoạn chuyển hoá
amoni sang dạng nitrit (nhờ các vi khuẩn AOB), chứ khơng chuyển
hố tiếp sang dạng nitrat (nhờ vi khuẩn NOB). Do đó, Nitrosomonas
europaea và Nitrosomonas eutropha chiếm ưu thế trong quần chủng
AOB.

2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nitrit hố bán phần
Có nhiều yếu tố mơi trường ảnh hưởng đến q trình nitrit hố bán
phần như nhiệt độ, pH, độ kiềm, DO, nồng độ chất hữu cơ, Các yếu
tố ảnh hưởng này cũng là một trong những thơng số quan trọng để
kiểm sốt q trình nitrit hố bán phần, giúp cho việc tích luỹ nitrit
được ổn định và có hiệu quả.
2.2.4. Các thơng số vận hành nhằm kiểm sốt q trình nitrit hố
bán phần
Nhằm duy trì được sự tích luỹ nitrit, một số thơng số vận hành
của q trình nitrit hố bán phần cần kiểm soát bao gồm: pH, DO, độ
kiềm, thời gian lưu HRT.
2.3. Cơ sở khoa học sử dụng giá thể mang trong xử lý nước thải
2.3.1. Sự hình thành màng sinh học (Biofilm) trên giá thể mang
Có 4 giai đoạn chính trong sự hình thành và phát triển màng sinh
học gồm: Gắn kết thuận nghịch lên giá thể, Hình thành lớp tế bào và
mạng lưới ngoại bào, Hình thành một màng sinh học hồn chỉnh, Q
trình tách rời.
2.3.2. Cơ sở lựa chọn giá thể mang (giá thể vi sinh)
Màng sinh học được tạo thành trong q trình xử lý cần có được
cấu trúc bền vững, mật độ tế bào vi sinh vật cao giúp màng sinh học
chống lại được những điều kiện bất lợi của môi trường. Giá thể mang
cần đáp ứng một số yêu cầu cơ bản sau: độ bám dính vi sinh cao, có
diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, độ bền sản phẩm cao và giá thành hợp
lý.
2.4. Động học của q trình nitrit hố bán phần và q trình
Anammox
2.4.1. Cơ sở lý thuyết của động học phản ứng
Động học quá trình xử lý sinh học liên quan đến quá trình phân
hủy cơ chất, quá trình sinh trưởng tế bào và quá trình phân huỷ nội
bào.

Tốc độ của phản ứng ở trạng thái ổn định của hệ thống xử lý được
xác định bằng phương trình:
d
(2.4)
S
r=−
dt
2.4.2. Phương trình động học bậc 1
(2.12)
dS
−
= � 1. �
dt
trong đó:
k1: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mô hình động học bậc 1
(ngày-1)
S: nồng độ cơ chất (mg/L)
2.4.3. Phương trình động học bậc 2 Grau
2
dS
(2.15)
Se
−

dt

0

= k2. X. ( )
S

trong đó:
k2: hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mơ hình động học bậc hai
(ngày-1);
X: tổng nồng độ sinh khối trong mơ hình (mg/L)
S0, Se: nồng độ cơ chất đầu vào, nồng độ cơ chất đầu ra (mg/L)
2.4.4. Phương trình động học Stover-Kincannon
dS U
(2.20)
− = ma (Q.V
S0
x
)
dt
Q. S0
+(
)
trong đó:
V
KB
Q: tốc độ dịng (L/ngày)
V: thể tích của bể phản ứng (L)
KB: hằng số bán bão hoà (mg/L/ngày);
Umax: tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất (mg/L/ngày)


CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Đối tượng và nội dung nghiên cứu

3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
1. Nước thải
a. Nước thải nhân tạo có chứa nitơ
b. Nước thải sinh hoạt thực tế
c. Nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau
2. Giá thể vi sinh cố định
Giá thể vi sinh cố định Felibendy được cung cấp bởi công ty
Kuraray, Nhật Bản có dạng tấm phẳng khổ lớn dài 1,5m, rộng 1 m và
dày 8mm. Trong luận án, Felibendy được sử dụng với 2 dạng: dạng
tấm phẳng (150x250x8mm) với mô hình PN và dạng hình hộp chữ
nhật (10x10x0,8mm) với mơ hình AX.
3.1.2. Kế hoạch nghiên cứu
3.1.3. Nội dung nghiên cứu
Luận án thực hiện 3 nội dung nghiên cứu gồm:
- Nội dung 1: Đánh giá hiệu quả loại bỏ các hợp chất chứa nitơ
trong nước thải nhân tạo của mơ hình phản ứng tầng cố định với vật
liệu mang Felibendy.
- Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh
hoạt bằng q trình nitrit hố bán phần và quá trìnhAnammox.
- Nội dung 3: Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ
trong nước thải đến quá trình Anammox để xử lý nitơ trong NTSH.
3.2. Chuẩn bị thí nghiệm
3.2.1. Chuẩn bị mơ hình thí nghiệm
1. Mơ hình AX: Mơ hình AX là cột phản ứng hình trụ trịn có
đường kính trong 71mm, cao 410mm. Bên trong cột phản ứng chứa
vật liệu mang Felibendy kích thước 10x10x8mm đã được cấy vi khuẩn
Planctomycetes.
2. Mơ hình PN: Mơ hình PN dạng hình hộp chữ nhật có kích
thước 105x200x310 (mm) gồm 2 ngăn (ngăn phân phối và ngăn phản
ứng). Bên trong ngăn phản ứng có trí 2 tấm vật liệu Felibendy có kích

thước 150x250x8 (mm) đã được cấy vi khuẩn Nitrosomonas.
3.2.2. Chuẩn bị vi sinh vật
1. Vi khuẩn Nitrosomonas được cung cấp bởi Viện Sinh học nhiệt
đới, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam.
2. Vi khuẩn Planctomycetes được cung cấp bởi công ty Meidensa,
Nagoya, Nhật Bản.


3.2.3. Chuẩn bị nước thải
1. Nước thải thí nghiệm 1: sử dụng nước thải nhân tạo có tỉ lệ

amoni: nitrit  1:1. Nước thải được pha hàng ngày với nồng độ tăng
dần theo từng giai đoạn nghiên cứu (bảng 3.1).
2. Nước thải thí nghiệm 2: sử dụng nước thải sinh hoạt thực tế
được sau bể tự hoại của ký túc xá Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội.
3. Nước thải thí nghiệm 3: sử dụng nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N
khác nhau (C/N = 0; 1,0; 2,0; 3,5; 5,5 đến 7,0).
3.2.4. Lựa chọn và kiểm sốt thơng số vận hành
Các thơng số vận hành được duy trì như sau: DO ≈ 2 mg/L (mơ
hình PN), DO <0,5 mg/L (mơ hình AX); pH trong khoảng 7,0-7,5;
nhiệt độ giữ ổn định ở mức 33,0 ±1,00C bằng thiết bị ổn nhiệt.
3.3. Trình tự tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
3.3.1. Thí nghiệm 1:
1. Nội dung của thí nghiệm
2. Trình tự thí nghiệm
3. Thơng số vận hành của thí nghiệm
4. Ngun tắc hoạt động của mơ hình thí nghiệm
3.3.2. Thí nghiệm 2
(giống mục 3.3.1)
3.3.3. Thí nghiệm 3

(giống mục 3.3.1)

Hình 3.1. Sơ đồ
mơ hình AX

Hình 3. 2. Sơ đồ mơ hình thí nghiệm 2 (hệ mơ hình PN/AX)


Hình 3.3. Sơ đồ mơ hình thí nghiệm 3

3.4. Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và xử lý số liệu
3.4.1. Phương pháp lấy mẫu
- Nước thải đầu vào và đầu ra của mơ hình thí nghiệm được lấy với
tần suất trung bình 2-3 ngày/lần.
- Mẫu nước thải được phân tích tại phịng thí nghiệm bộ mơn Cấp
thốt nước, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
3.4.2. Phương pháp phân tích
Các thơng số được đo và phân tích trong nghiên cứu bao gồm:
pH, DO, COD, NH4+ -N, NO2- -N, NO3- -N. Phương pháp phân tích
được tiến hành theo phương pháp tiêu chuẩn “Standard methods for
the examination of water and wastewater”.
3.4.3. Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được xử lý trên phần mềm Microsoft Excel phiên bản
2010 theo phương pháp thống kê tốn học của 3 lần phân tích cùng
một chỉ tiêu.
3.4.4. Phương pháp xác định chủng vi khuẩn
Sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử, nhận diện bằng kỹ thuật khuếch
đại gen PCR (Polymerase chain reaction).
3.4.5. Phương pháp xây dựng phương trình tốn để xác định
thơng số động học của q trình nitrit hố bán phần và q trình

Anammox
Sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2010 thiết lập các phương
trình tuyến tính thể hiện mối liên hệ giữa thơng số của phương trình
động học trên trục tung và trục hồnh.


CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Đánh giá hiệu quả loại bỏ các hợp chất chứa nitơ của mô hình
phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy
4.1.1. Hiệu quả loại bỏ amoni, nitrit và tổng nitơ
Diễn biến sự thay đổi nồng độ thành phần các hợp chất của nitơ

4
qua 4 giai đoạn được thể hiện trong
hình 4.1 và hình 4.2.

Hình 4.1. Sự biến thiên nồng độ NH +-N trong mơ hình AX qua 4 giai đoạn

Hình 4.2. Sự biến thiên nồng độ NO2--N trong mơ hình AX qua 4 giai đoạn


Hình 4.3. Sự biến thiên nồng độ tổng nitơ trong mơ hình AX

Hình 4.4. Sự thay đổi tốc độ loại bỏ tổng nitơ qua các giai đoạn
nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trong 4 giai đoạn với nồng độ các hợp
chất chứa nitơ tăng dần. Khi mới vận hành, vi khuẩn trong mơ hình
chưa kịp thích nghi nên hiệu suất loại bỏ amoni, nitrit và tổng nitơ còn
thấp chỉ đạt 40,9%, 35,6% và 21,3%. Sau 191 ngày vận hành, vi
khuẩn Planctomycetes dần được thích nghi, phát triển tốt nên tốc độ

loại bỏ tổng nitơ đã tăng đáng kể theo thời gian và đạt tối đa 1,15
kgN/m3/ngày. Cuối giai đoạn 4, mơ hình AX có hiệu suất loại bỏ
amoni, nitrit và tổng nitơ lớn nhất đạt được là 86,4%, 82,9% và
71,3%.
4.1.2. Mối tương quan giữa các thành phần chứa nitơ trong quá
trình Anammox
Theo Strous và cộng sự, tỉ số giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ
loại bỏ nitrit và tốc độ tạo thành nitrat so với tốc độ loại bỏ amoni theo


lý thuyết được xác định là 2,06: 1,32: 0,26. Từ kết quả thực nghiệm,
mối quan hệ tương quan giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ
nitrit và tốc độ tạo thành nitrat với tốc độ loại bỏ amoni trong 4 giai
đoạn thí nghiệm được thể hiện trên hình 4.5.

Giai đoạn 1

Giai đoạn 3

Giai đoạn 2

Giai đoạn 4

Hình 4.5. Mối tương quan giữa tốc độ loại bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ
nitrit và tốc độ tạo thành nitrat với tốc độ loại bỏ amoni trong 4 giai
đoạn vận hành
Kết quả trên hình 4.5 cho ta thấy mối tương quan giữa tốc độ loại
bỏ tổng nitơ, tốc độ loại bỏ nitrit và tốc độ nitrat tạo thành trong giai
đoạn 3 và 4 sát với lý thuyết hơn so với giai đoạn 1 và giai đoạn 2.
Điều này được giải thích là do vi khuẩn Planctomycetes ở giai đoạn

3,4 đã có đủ thời gian thích nghi và phát triển ổn định hơn so với giai
đoạn 1 và giai đoạn 2.
4.1.3. Kết quả, thảo luận và so sánh kết quả nghiên cứu đánh giá
hiệu quả loại bỏ nitơ trong mô hình AX với giá thể mang
Felibendy với một số nghiên cứu khác
Nghiên cứu xử lý nitơ bằng quá trình với mơ hình phản ứng tầng
cố định sử dụng giá thể vi sinh cố định Felibendy được tiến hành so
sánh với kết quả của một số nghiên cứu khác khi xử lý nitơ bằng quá
trình Anammox sử dụng giá thể PVA gel, MC, PE… Với các điều kiện


vận hành Hiệu quả xử lý và NRR trong các nghiên cứu có sự khác nhau
có thể là do bản chất của các loại giá thể mang khác nhau.

4.2. Nội dung nghiên cứu 2. Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong
nước thải sinh hoạt bằng q trình nitrit hố bán phần và q
trình Anammox
4.2.1. Sự chuyển hóa amoni thành nitrit trong mơ hình PN
Mơ hình nitrit hố hố bán phần sử dụng nước thải sinh hoạt thực
tế lấy từ sau bể tự hoại, được tiến hành qua 3 giai đoạn.

Hình 4.6. Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong mơ hình PN

Mơ hình PN thực hiện q trình chuyển hố bán phần amoni thành
nitrit (tỉ lệ nitrit/amoni xấp xỉ 1:1) để làm tiền đề cho quá trình
Anammox kế tiếp. Tỉ lệ nitrit/amoni này phụ thuộc vào nhiều yếu tố
vận hành trong đó có yếu tố thời gian lưu thuỷ lực. Kết quả thí nghiệm
đã cho thấy thời gian lưu 9h trong mơ hình PN là phù hợp, đủ để vi
khuẩn Nitrosomonas trong mơ hình thực hiện quá trình để tạo ra tỉ lệ
nitrit/amoni cần thiết cho quá trình Anammox.

4.2.2. Sự biến thiên nồng độ amoni, nitrit và tổng nitơ trong mơ
hình AX
Nước thải sau q trình nitrit hố bán phần được tiếp tục tiến
hành q trình Anammox (nước thải đầu vào mơ hình AX là nước thải
đầu ra của mơ hình PN). Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ
trong mơ hình AX qua các giai đoạn được thể hiện trên hình 4.7.


giai đoạn 1(1a, 1b)

30

Gđ 1a
HRT=12h

25

No
ng
do
(m
g/l

100
90

Gđ 1b
HRT=9h

80

70

20

Hi
ệu
qu
ả
loạ
i
bỏ

60
15

50
40

10

30
20

5

10
0

0

(ngày) 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60

giai đoạn 2 (2a, 2b, 2c)

45

100

40

90

35

80
70

No 30
ng 25
do
(m 20
g/l 15

60
Gđ 2a
HRT=9h

Gđ 2b
HRT=6h

Gđ 2c
HRT=4,5h

40
30

10

20

5

10

0

0

63
66

(ngay)

100
90
80
70
60
50
40

30
20
10
0

60
55
50

No
ng
do
(m
g/l

50

Hi
ệu
qu
ả
lo
ại
bỏ
(%

45
40
35
30

25
20
15
10
5
0

Gđ 3a
HRT=6h

Hiệ
u
qu
ả
loạ
i
bỏ

153156159162165 168171174177180183186189192195198201204 207 210

Thoi gian (ngay)
NH4-N vào FB
NO2-N ra FB
Hiệu suất loại bỏ NO2-N

NH4-N ra FB
NO3-N ra FB

NO2-N vào FB
Hiệu suất loại bỏ NH4-N

Hình 4.7. Sự biến thiên nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong mơ hình AX


Biến thiên nồng độ TN trong mơ hình FBR
Gđ 1a

Gđ 1b

Gđ 2a

Gđ 2b

Gđ 2c

Gđ 3a

Gđ 3b

3 9 15 21 27 33 39 45 51 57 63 69 75 81 87 93 99 105111117123129135141147153159165171177183189195201207

Thời gian (ngày)

130
120

TN vào AX

TN ra AX

100

Hiệu quả loại bỏ TN của AX

90

110

80

100

Nồ
ng
độ
(m
g/l
)

90

70

80

60

70

50

60
50

40

40

30

30

Hi
ệu
qu
ả
loạ
i
bỏ

20

20
10

10
0

0

HRT=12h

Hình 4.8. Sự biến thiên nồng độ tổng nitơ và hiệu quả loại bỏ tổng
nitơ trong mơ hình AX
Khi giảm thời gian lưu thuỷ lực xuống 4,5h (giai đoạn 2c), hiệu
quả loại bỏ amoni cũng giảm mạnh, chất lượng nước thải đầu ra vượt
quá yêu cầu của nguồn tiếp nhận (nồng độ amoni >10 mg/L). Nghiên
cứu xác định được thời gian lưu nước tối thiểu của mơ hình AX là 6h,
đủ để vi khuẩn Planctomycetes thực hiện q trình chuyển hố amoni.
4.2.3. Hiệu quả xử lý nitơ của hệ mơ hình PN/AX
4.2.4.
Biến thiên nồng độ amoni và TN trong hệ mơ hình PN/AX
Gđ 1a

Gđ 1b

Gđ 2a

Gđ 2b

Gđ 2c

Gđ 3a

Gđ 3b

130
120
110
100

Nồ
ng
độ
(m
g/l)

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
3 9 15 21 27 33 39 45 51 57 63 69 75 81 87 93 99 105111117123129135141147153159165171177183189195201207


Thời gian (ngày)
NH4+ đầu ra PN/AX

TN vào PN/AX

TN ra PN/AX

NH4+ đầu vào PN/AX

Hình 4.9. Sự biến thiên nồng độ amoni và tổng nitơ trong hệ mơ hình

PN/AX


Với 210 ngày tiến hành thí nghiệm với nước thải sinh hoạt, hiệu
suất loại bỏ amoni và tổng nitơ của của hệ thống PN/AX lần lượt đạt
91,4% và 69,8%. Chất lượng nước thải đầu ra đáp ứng được yêu cầu
theo QCVN 14:2008/BTNMT (cột B).
4.2.5. Kết quả giải trình tự gen của vi khuẩn trên giá thể mang
Việc tiến hành xác định cộng đồng vi khuẩn trên giá thể mang
nhằm mục đích khẳng định điều kiện vận hành của mơ hình phù hợp
với sự tồn tại của vi khuẩn Planctomycetes khi tiến hành xử lý nitơ
trong nước thải sinh hoạt thực tế.
4.2.6. Phương trình động học của q trình nitrit hố bán phần và
q trình Anammox
Trong ba mơ hình động học bậc 1, bậc 2 Graus và Stover
Kincannon, nghiên cứu này đã xác định được rằng mơ hình StoverKincannon phù hợp hơn cả và có thể áp dụng cho việc xây dựng mơ
hình động học để dự đốn nồng độ cơ chất trong nước thải và hiệu quả
xử lý ở các điều kiện hoạt động tương tự.
4.2.7.Kết quả, thảo luận và so sánh về kết quả nghiên cứu đánh
giá hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình
nitrit hố bán phần và Anammox với các nghiên cứu khác
Nghiên cứu được tiến hành đánh giá hiệu quả xử lý nước thải
sinh hoạt thực tế trên hệ mơ hình PN/AX. Hiệu quả loại bỏ tổng nitơ
trong thí nghiệm đạt 69,78% tương đương với một số nghiên cứu khác
như nghiên cứu của Nguyễn Như Hiển [8] (là 65%) hay Xiao [132] (là
73%), thậm chí cịn cao hơn cả nghiên cứu của Strous [102] chỉ đạt
36,36% và Phạm Khắc Liệu [71] (56,3%). Hiệu suất của q trình loại
bỏ amoni trong thí nghiệm này đạt 91,4% cũng cao hơn một số thí
nghiệm khác.
4.3. Nội dung nghiên cứu 3. Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm

lượng chất hữu cơ đến quá trình Anammox để xử lý nitơ trong
NTSH.
4.3.1. Sự biến thiên nồng độ và hiệu quả xử lý các hợp chất chứa
nitơ qua các giai đoạn nghiên cứu
Hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải bị ảnh hưởng bởi vào sự có
mặt của các chất hữu cơ. Khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải
(hoặc tỉ lệ C/N) tăng hiệu quả xử lý giảm. Nghiên cứu xác định với
nước thải có COD > 300 mg/L thì nồng độ amoni đầu ra khơng thoả
mãn yêu cầu của QCVN 14:2008 (cột B).


+ -N trung bình
Nồng độ NH
4
sau xử lý

Nồ 15
ng
độ
10
(m
g/l
)

Nồ
ng 10 Nồng độ NO -N trung bình sau xử lý
độ 2
(m
g/l
) 8

6
4
2
0

5
0

1

3.5 2
Tỉ lệ C/N

0
HRT=6h

5.5 6

7

HRT=9h

8

0

1
3.5
Tỉ lệ C/N

2

5.5

6

HRT=9h

3.5

5.5

76

HRT=9h

30

6
N 4
ồn
g
độ 2
(m
HRT=6h
g/l
0

2

HRT=6h

Nồng độ NO3- -N trung bình
sau xử lý

10

10
Tỉ lệ C/N

HRT=12h

25
20
15
10
5
Nồ
0
ng
độ
7
(m
g/l
0
1
HRT=12h
)
Tỉ lệ C/N
HRT=6h

HRT=9h

HRT=12h

Nồng độ TN trung bình
sau xử lý

2

3.5

5.5

6

HRT=12h

Hình 4.10. Diễn biến nồng độ các hợp chất chứa nitơ theo HRT và tỉ lệ C/N
80
70
60
50

Hiệu quả loại bỏ amoni

Hi
ệu
qu
ả
loạ

i
bỏ
(%

Tỉ lệ C/N
2
0
1
HRT=9h
HRT=6h

40

Hiệu quả loại bỏ nitrit

79
77
75
73
71
69
67
65
3.5

5.5

6

7

Hi
ệu
qu
ả
loạ
i
bỏ
(%
0

Hiệu quả sinh nitrat
80
75
70
65
HRT=6h

60

0

2 1
3.5
5.5
Tỉ lệ C/N
HRT=9h

76
HRT=12h

2 1
3.5
Tỉ lệ C/N
HRT=6h

5.5

76
HRT=9h

7


Hi
ệu
qu
ả
lo
ại
bỏ
(%

Hi
ệu
qu
ả
loạ
i
bỏ

(%

Hiệu quả loại bỏ TN

70
65
60
55
50
45
40

Hình 4.11. Diễn biến hiệu quả loại bỏ các hợp chất nitơ theo HRT và tỉ lệ C/N

0

2 1
3.5
Tỉ lệ C/N
HRT=9h
HRT=6h

5.5

76
HRT=12h