ĐỀ TÀI Ứ NG DỰNG QUÁ TRÌNH ANNAMMOX TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI RỈ RÁC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
o0o
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỰNG QUÁ TRÌNH ANNAMMOX
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI RỈ RÁC
`TP.HCM, THÁNG 12 NĂM 2013
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
o0o
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỰNG QUÁ TRÌNH ANNAMMOX
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI RỈ RÁC
GVHD : PGS-TSKH. LÊ XUÂN HẢI
HVTH : NGUYỄN QUỐC TUYÊN
LỚP : KTMT-2013
KHÓA: 2013
`TP.HCM, THÁNG 12 NĂM 2013
Mục lục
Chương 1: Mở đầu 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu 1
1.3. Phạm vi nghiên cứu 1
1.4. Nội dung nghiên cứu 1
Chương 2: Tiếp cận hệ thống 2
2.1. Tiếp cận hệ thống các đối tượng công nghệ 2
2.2 Vận dụng lược đồ Logic 2
Chương 3: Phân hoạch và tích hợp hệ thống công nghệ 5
3.1. Chu trình chuyển hóa nitơ 5

3.2. Quá trình Anammox 6
3.3. Phân hoạch và tích hợp hệ thống 7
Chương 4: Kết luận 8
Chương 1
Mở đầu
1.1. Đặt vấn đề
Nước rò rỉ từ bãi rác cũ thông thường có nồng độ ammonia rất cao. Hàm lượng
nitơ cao là chất dinh dưỡng kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo… gây ra hiện tượng
phú dưỡng hóa làm bẩn trở lại nguồn nước, gây thiếu hụt oxy hòa tan (DO) trong nước.
Khí NH
3
hòa tan > 0.2 mg/l gây chết nhiều loài cá. Vì vậy, xử lí nitơ trong nước rác là
vấn đề cần quan tâm.
Đối với bãi rác Gò Cát, tuy đã được đầu tư một hệ thống xử lý nước nước rỉ rác
của Hà Lan nhưng trong thời gian gần đây hệ thống không phát huy được hiệu quả, đặc
biệt là việc khử nitơ trong nước rỉ rác. Nồng độ nitơ trong thành phần nước rỉ rác của bãi
rác Gò Cát : TKN là 1400 -1900 mg/l, Ammonia là 700 - 900 mg/l , NO
2
-
là 0,2 - 0,3
mg/l, NO
3
-
là 6 – 8 mg/l.
Như vậy việc tìm kiếm giải pháp cho việc xử lý hàm lượng nitơ trong nước rác ở
điều kiện cụ thể của Việt Nam là một đòi hỏi cấp bách nhằm ứng dụng trong công nghệ
xử lý nước rác hiện nay sao cho thỏa mãn các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và bảo vệ môi
trường.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu úng dụng bể sinh học SBR cho quá trình nitrat hoá bán phần nhằm

tạo ra tỉ lệ N-ammonia : N-NO
2
thích hợp sử dụng cho quá trình Anammox.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
- Để đạt được những mục tiêu trên đề tài phải thực hiện những công việc sau:
- Sử dụng nguồn nước rỉ rác sau công trình xử lý UASB ở bãi rác Gò Cát .
- Vận hành mô hình SBR ở điều kiện hiếu khí có thể tích là 10L trong đó thể
tích làm việc là 05L .
1.4. Nội dung nghiên cứu
Đề tài bao gồm các nội dung sau:
- Tổng quan về các công nghệ và các nghiên cứu xử lý nitơ bằng sinh học ở
nồng độ cao trong các loại nước thải nói chung và trong nước rỉ rác nói riêng .
- Nghiên cứu úng dụng bể sinh học SBR cho quá trình nitrat hoá bán phần nhằm
tạo ra tỉ lệ N-ammonia : N-NO
2
thích hợp sử dụng cho quá trình Anammox .
- Vận hành mô hình SBR để xác định thông số hoạt động thích hợp (tỉ lệ N-
ammonia: N-NO
2
, HRT , DO ) tạo điều kiện thuận lợi cho các bước xử lý tiếp
theo.
4
Chương 2
Tiếp cận hệ thống
2.1. Tiếp cận hệ thống các đối tượng công nghệ
Phương pháp luận tiếp cận hệ thống được xây dựng trên nguyên tắc cơ bản: mọi đối
tượng nghiên cứu đều là các hệ thống, trong đó có hệ thống được thừa nhận như một khái
niệm khởi thủy không định nghĩa. Tuy nhiên, một cách đơn giản nhưng khái quát và khá
chặt chẽ có thể hiểu hệ thống bởi mệnh đề sau đây:
Hệ thống S nằm trong môi trường E là tập hợp các phần tử si tương tác với nhau tạo

thành cấu trúc nội tại của S và tương tác với E tạo thành quan hệ với môi trường bên ngoài.
Tiếp cận hệ thống được đặc trưng bởi sự triển khai quá trình nghiên cứu hoặc thao tác
trên các đối tượng theo lược đồ logic liên kết chặt chẽ các khối công việc : a) phát hiện các
vấn đề cần giải quyết ; b) xác định các mục tiêu cần đạt được ; c) nhận dạng các rào cản ; d)
xác định các tác vụ tiếp cận hệ thống cần thực hiện ; e) thực hiện các tác vụ đã được xác định
; g) thẩm định kết quả thực hiện ; h) hiệu chỉnh nội dung các khối công việc nếu kết quả thực
hiện không đạt yêu cầu. Với lược đồ logic này kết luận cuối cùng luôn mang tính khách quan
: hoặc khẳng định tiếp cận hệ thống đã thành công cho phép giải quyết hiệu quả các vấn đề
đã đặt ra, hoặc khẳng định vấn đề đặt ra đã không giải quyết được và đòi hỏi phải có sự nhìn
nhận lại một cách sâu sắc hơn, chuẩn xác hơn.
Trong các khối công việc d), e) có ba nhóm tác vụ mang tính chiến lược bao gồm: phân
tích hệ thống, tổng hợp hệ thống và điều khiển hệ thống. Các tác vụ này luôn luôn gắn kết
với các phương tiện biểu đạt hệ thống như các mô hình ngữ văn, mô hình đồ họa, mô hình
vật thể, mô hình toán, mô hình số hóa và cũng không tách khỏi mục tiêu thường trực của tiếp
cận hệ thống: tối ưu hóa.
2.2 Vận dụng lược đồ Logic
5
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Phát hiện vấn đề
Đặt vấn đề
Xác định các mục &êu phải đạt được
Nhận dạng
các rào cản
Xác định các tác vụ &ếp cận hệ thống (và các điều kiện để thực hiện)
Thực hiện các tác vụ để giải quyết các vấn đề đã đặt ra
Thẩm định kết quả thực hiện
Thẩm định mức độ hoàn thành khâu thực hiện
Xác nhận kết quả và dự kiến phát triển
Kết luận
Hiệu chỉnh

các tác vụ
Thẩm định
khâu đặt vấn đề
Thẩm định khâu xác định mục &êu
Thẩm định khâu xác định rào cản
Thẩm định khâu
xác định tác vụ
Thẩm định khâu thực hiện
Đạt yêu cầu
Đạt yêu cầu
Không đạt yêu cầu
Hiệu chỉnh
các rào cản
Hiệu chỉnh
các mục &êu
Hiệu chỉnh hoặc đặt lại vấn đề
Không đạt yêu cầu
Đúng
Sai
Đúng
Sai
Đúng
Sai
Đúng
Sai
Sai
Đúng
Hiệu chỉnh quá trình thực hiện
6
Theo lược đồ này khối công việc thứ nhất làm nhiệm vụ phát hiện và khẳng định các

vấn đề cần phải nghiên cứu, giải quyết trên đối tượng công nghệ đã chọn. Các vấn đề được
đặt ra có thể độc lập nhưng cũng có thể liên quan với nhau. Cần phải xác định các vấn đề
trọng yếu và quan hệ logic giữa các vấn đề trọng yếu với các vấn đề còn lại. Bước thứ hai sẽ
xác định các mục tiêu cần đạt được khi giải quyết các vấn đề được đặt ra ở bước thứ nhất.
Việc hoàn thành các mục tiêu này sẽ là tiêu chí đi đến kết luận về sự thành công hay thất bại
của việc triển khai tiếp cận hệ thống. Bước thứ ba phân tích, nhận dạng các rào cản dẫn đến
nảy sinh các vấn đề đã xác định ở bước thứ nhất và cản trở việc giải quyết các vấn đề đó để
đạt được các mục tiêu đặt ra ở bước thứ hai. Ở bước thứ tư xác định các nội dung tiếp cận hệ
thống cần thực hiện (hay còn gọi là các tác vụ) để giải quyết các vấn đề ở bước thứ nhất. Các
tác vụ này có thể thuộc nhóm phân tích hệ thống nhóm tổng hợp hệ thống hoặc nhóm điều
khiển hệ. Xác định các tác vụ tiếp cận hệ thống được cụ thể hóa dưới dạng các biện pháp,
các điều kiện nhân lực, tài chính, vật tư, trang thiết bị cần thiết để thực hiện từng tác vụ, kế
hoạch tiến độ thời gian thực hiện, các kết quả dự kiến phải đạt được để đáp ứng các mục tiêu
đã xác định ở bước thứ hai.
Lược đồ logic cho thấy giai đoạn tiếp theo bao gồm thực hiện, thẩm định và hiệu chỉnh
các nội dung đã hoạch định trong giai đoạn thứ nhất. Khâu thẩm định vừa nhằm mục đích
đánh giá kết quả vừa xác định các hiệu chỉnh cần thiết ở tất cả các bước thực hiện, bước xác
định tác vụ, bước xác định rào cản, bước xác định mục tiêu và bước xác định vấn đề phải
giải quyết. Kết luận cuối cùng sẽ hoàn toàn khách quan: hoặc khẳng định tiếp cận hệ thống
đã thành công, giải quyết tốt các vấn đề đặt ra, hoặc khẳng định vấn đề đặt ra không thể giải
quyết đạt kết quả mong muốn. Nếu xảy ra trường hợp thứ hai chúng ta sẽ phải nhìn nhận lại
toàn bộ: các vấn đề đặt ra không thể giải quyết được hay tri thức khoa học, công nghệ chưa
đủ để giải quyết vấn đề.
Như vậy tiếp cận hệ thống không chỉ đóng vai trò công cụ phương pháp luận để giải
quyết các vấn đề mà còn đóng vai trò công cụ phát hiện những gì nhân loại cần tiếp tục
nghiên cứu và sáng tạo.
7
Vi khuẩn cố định nitơ
Chương 3
Phân hoạch và tích hợp hệ thống công nghệ

Xem đối tượng nghiên cứu là một hệ thống, ở đây đối tượng nghiên cứu chính là nước
thải rỉ rác và quá trình anammox. Dựa vào đặc tính tích hợp, bản chất của nước thải rỉ rác đó
chính là nồng độ amonium rất cao, vì vậy nghiên cứu về xử lý nước rỉ rác cũng chính là
nghiên cứu về xử lý nước thải giàu amonium. Để hiểu rõ bản chất vấn đề cần nghiên cứu
trước tiên cần đi sâu vào đặc tính của nước thải giàu amonium, và cụ thể là chu trình chuyển
hóa nitơ.
3.1. Chu trình chuyển hóa nitơ
Hình 2.10. Chu trình chuyển hóa nitơ và cơ sở các quá trình xử lý sinh học nitơ
Nitơ là một nguyên tố có nguồn dự trữ khá giàu trong khí quyển, chiếm gần 80%
thể tích, gấp gần 4 lần thể tích khí oxy. Nitơ là thành phần quan trọng cấu thành
nguyên sinh chất tế bào, là cấu trúc của protein Chu trình nitơ được thể hiện ở
8
NO2-
NO3-
Vi khuẩn khoáng hóa
Vi khuẩn Anammox
NH4+
NO3-
N2
Cấp khí
(2,3 kWh/kg N
Methanol
(2,3 kg/kg N
NH4+ NO2+
N2
Cấp khí
(1 kWh/kg N
Methanol
(0 kg/kg N
hình trên. Theo đó nitơ trong khí quyển sẻ chuyển hóa thành nitơ hữu cơ, ammonium,

nitrite va nitrate. Cuối cùng, nitrate có thể chuyển hóa thành khí nitơ và tiếp tục chu trình
mới. Trước đây, chu trình nitơ thường được biết đến qua 4 quá trình: sự cố định đạm, sự
khoáng hóa, nitrate hóa và khử nitrate. Cách đây gần 15 năm, một quá trình mới gọi là
quá trình Anammox đã được phát hiện và quá trình này có thể rút ngắn chu kỳ nitơ bằng
cách chuyển hóa trực tiếp từ ammonium thành khí nitơ.
3.2. Quá trình Anammox
Quá trình Anammox đã được Broda dự báo từ năm 1977 trên cơ sở tính toán nhiệt
động học. Theo ông, tồn tại các vi khuẩn tự dưỡng có khả năng oxy hóa ammonium bởi
nitrate và nitrite, và phản ứng này, về mặt năng lượng, còn dễ xảy ra hơn việc oxy hóa
bằng oxygen phân tử (Broda,1977):
NH
4
+
+ NO
2
-
N
2
+ 2H
2
O G
o
= - 357 KJ/mol [Eq. 3.26]
5NH
4
+
+ 3NO
3
-
4N

2
+ 9H
2
O + 2H
+
G
o
= - 297 KJ/mol [Eq. 3.27]
NH
4
+
+ 1,5O
2
NO
2
-
+ H
2
O + 2H
+
G
o
= - 275 KJ/mol [Eq. 3.28]
Năm 1995, Mulder và các đồng sự xác định được phản ứng Anammox qua theo dõi
cân bằng nitơ trong bể phi nitro hóa, qua đó cho thấy có sự giảm nồng độ ammonium
đồng thời với nồng độ nitrate và nitrite cùng với sự sinh ra nitơ phân tử (Mulder et al.,
1995).
Nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Kỹ thuật Deft (TU - Deft) sau đó đã tiến
hành các nghiên cứu mô tả và xác nhận ban đầu về quá trình Anammox (van de Graaf et
al., 1995,1996 và 1997). Theo đó, Anammox được xác định là một quá trình sinh học,

trong đó ammonium được oxy hóa trong điều kiện kỵ khí với nitrite là yếu tố nhận điện
tử để tạo thành nitơ phân tử.
Tiếp theo đó phản ứng Anammox cũng đã lần lượt được phát hiện và nhận dạng tại
các hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà khoa học Đức (Schmid et al., 2000), Nhật bản
(Furukawa et al., 2000), Thụy sĩ (Egli et al., 2001), Bỉ (Pynaert et al., 2002), và Anh
(Schmid et al., 2003).
9
KHỬ NITƠ TRUYỀN THỐNG
ANAMMOX
Từ sự phát hiện trên (trong các hệ xử lý nước thải) các nhà khoa học đi đến việc tìm
kiếm vi khuẩn Anammox tại các hệ sinh thái tự nhiên. Thực vậy, đã chứng minh được
rằng phản ứng Anammox giữ 50% vai trò tạo khí nitơ trong tầm tích biển Baltic
(Thamdrup và Dalsgaard, 2002), trong vùng nước thiếu khí dưới đáy đại dương ở Costa
Rica (Dalsgaard et al., 2003). Các vi khẩn Anammox thuộc một chi mới cũng vừa mới
phát hiện được trong vùng nước gần đáy Biển Đen (Kuypers et al., 2003).
Trên cơ sở các phát hiện mới về phản ứng Anammox và các vi khuẩn tham gia mà
chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên ghi nhận trong các sách giáo khoa trước đây nay đã
được bổ sung một mắc xích mới và viết lại.
3.3. Phân hoạch và tích hợp hệ thống
Ở trên chúng ta đã xem xét các đối tượng nghiên cứu là nước thải rỉ rác (giàu
amonium) và quá trình anammox. Khi xem xét riêng rẻ thì các đối tượng này là một hệ thống
lớn và có thể phân hoạch thành nhiều hệ thống khác nhau. Ví dụ như chu trình chuyển hóa
nito thì bao gồm quá trình cố định đạm, nitrat hóa, khử nitrat, trong quá trình nitrat hóa còn
bao gồm cả hai giai đoạn là nitrit hóa và nitrat hóa. Đối với quá trình anammox, khi xem quá
trình anammox là một hệ thống thì ta có thể phân hoạch hệ thống này thành các hệ thống nhỏ
hơn, khi đó ta sẽ tìm hiểu nghiên cứu về sinh lý học của quá trình anammox (hóa sinh học,
cơ chế sinh hóa,…) để hiểu rõ về bản chất của quá trình này.
Tuy nhiên khi tích hợp giữa quá trình anammox và chi trình chuyển hóa nito thành một
hệ thống, thì hệ thống này đó chính là các dạng bể phản ứng mà đề tài sẽ tiến hành nghiên
cứu, ở đây đó chính là mô hình nghiên cứu từng mẻ (SBR), là một mô hình tích hợp.

10
Chương 4
Kết luận
Việc tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng các quá trình xử lý nước thải giàu amonium
nói chung và nước thải rỉ rác nói riêng là hết sức cần thiết trong bối cảnh nguồn nước
đang ngày càng bị đe dọa bởi quá trình phú dưỡng hóa.
Quá trình Anammox là công nghệ tương đối mới mẻ để xử lý nước thải giàu
ammonium, vỉ vậy để hiểu rõ bản chất quá trình này cần thiết phải lựa chọn các phương
pháp tiếp cận đặc thù, trong đó phương pháp tiếp cận hệ thống được xem là phương pháp
cơ bản để nghiên cứu đối tượng.
11