Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng công nghệ AO USBF

L
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của

.

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên


Lời đầu tiên, tôi xin

– người đã

PGS.TS

trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
,

giúp

tôi vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình

.

Tôi cũng xin c m ơn quý thầy cô trong Viện
đã truyền dạy những kiến thức quý báu, những kiến thức này rất hữu ích và
giúp

tôi nhiều

nghiên cứu.

Xin c m ơn các anh chị cán bộ phòng thí nghiệm, các anh chị đang là nghiên
cứu sinh, học viên cao học

Môi

tôi trong

.
Tôi xin chân thành c m ơn.
Học viên

đã hỗ trợ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
........................................................................... 3
........................................................................ 3

1.1.
1.1.1.

................ 3

1.1.2

.................................................. 4

1.2. C

-USBF ............................................................................... 7

1.2.1.

........................................................ 7
....................................................... 8
................................ 11
.................................................. 13
............................................................................................ 13
........................................................................................... 14
..................................................................... 18
................................. 18
................................................................................ 18
.............................................................................. 18
............................................................................... 18

2.1.4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 20
2.2. Bố trí thực nghiệm ................................................................................... 21
2.2.1. Sơ đồ công nghệ ...................................................................................... 21
............................................................................................. 22
-

.................................. 23
................................................. 26
......................................................... 26
...................... 27

........... 31

3.3.

......................................... 31
+
4

theo MLSS ............................................................ 32

3.3.3. Hiệu quả xử lý TP theo MLSS ................................................................ 33
................................... 34
....................................... 35
3.4.2. Hiệu suất xử lý NH4+ theo tỷ lệ tuần hoàn bùn ....................................... 36
3.4.3. Hiệu suất xử lý TP theo tỷ lệ tuần hoàn bùn ........................................... 37
(HRT)......................... 38
............................................................... 38
3.5.2. Hiệu suất xử lý NH4+ theo HRT .............................................................. 39
3.5.3. Hiệu suất xử lý TP theo HRT .................................................................. 40
3.6. Một số kết quả xử lý của hệ thống .......................................................... 41
3.6.1. Các thông số vận hành ............................................................................ 41
3.6.2. Hiệu quả xử lý COD ............................................................................... 45
3.6.3. Hiệu quả xử lý N ..................................................................................... 46
3.6.4. Hiệu quả xử lý TP, BOD5 và SS ............................................................. 47
3.7. Thảo luận .................................................................................................. 49
3.7.1. Đánh giá chất lượng dòng ra với các quy chuẩn ..................................... 49
3.7.2. Các nghiên cứu về USBF trong và ngoài nước ....................................... 49
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 51

................................................................................. 53
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 55


TT

Ký hiệu,
viết tắt

Tiếng Việt

1

AOPs

Phương pháp oxy hóa nâng cao

Advanced oxidation processes

2

AO

Thiếu khí – Hiếu khí

Anoxic - Oxic

3

USBF

Lắng lọc dòng ngược sinh học

Upflow Sludge Blanket
Filtration

4

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa

Biochemical oxygen demand

5

BTNMT

6

COD

7

Tiếng Anh

Bộ Tài nguyên Môi trường
Nhu cầu oxy hóa học

Chemical oxygen demand

DO

Hàm lượng oxy hòa tan

Dissolved oxygen

8

F/M

Tỷ lệ thức ăn và vi sinh

Food/ microorganism ratio

9

HRT

Thời gian lưu của nước thải

Hydraulic retention time

10

MLSS

Hàm lượng chất rắn lơ lửng
trong hỗn hợp lỏng

Mixed liquor suspended solid

11

MLVSS

Hàm lượng chất rắn lơ lửng
bay hơi

Mixed liquor volatile suspended
solid

12

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

13

SS

Chất rắn lơ lửng

Suspended solid

14

SVI

Chỉ số thể tích lắng của bùn

Sludge volume index

15

SV

Thể tích bùn lắng

Sludge volume

16

TOC

17

TKN

18

TP

19

UV - Vis

20

VL

Total organic carbon
Tổng nitơ Kendan

Total Kjeldahl nitrogen

Tổng photpho

Total phosphorus

Quang phổ tử ngoại khả kiến

Ultraviolet radiation Visible

Thể tích lắng


Trang
1.1

6

1.2

Sự thay đổi tính chất nước rỉ rác từ bãi chôn lấp ở Đài Loan theo
tuổi (1995)

7

2.1

Kết quả một số thông số chính trong nước rỉ rác Kiêu Kỵ

21

2.2

Điều kiện môi trường trong hệ thống USBF

25

3.1

Hiệu suất xử lý của các công đoạn hóa lý

26

3.2

26

3.3

45

Phụ lục 2
Bảng 1

Thể tích bùn lắng theo thời gian

57

Bảng 2

Hiệu quả xử lý COD, NH4+, TP theo MLSS

58

Bảng 3

+

, TP theo tỷ lệ tuần hoàn bùn

59

Bảng 4

Hiệu quả xử lý COD, NH4+, TP theo thời gian lưu nước

60

Bảng 5

Kết quả vận hành hệ thống với các điều kiện tối ưu (trung bình 7
ngày)

61

Bảng 6

Kết quả đo pH đầu vào, đầu ra và trong các ngăn

61

Bảng 7

Kết quả đo DO tại các thời điểm và nhiệt độ cao nhất ngày trong
7 ngày

61

4


Danh
Trang
1.1

3

1.2

AO-USBF

7

1.3

Một số dạng ngăn USBF

11

2.1

Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rỉ rác

22

2.2
3.1

Thiết bị hoạt hóa bùn hoạt tính

23
27

3.2

28

3.3

29

3.4

Sự thay đổi của thông số MLSS và SVI trong giai đoạn thích nghi.

29

3.5

Hiệu suất xử lý COD, COD đầu vào và đầu ra theo MLSS

31

3.6

Hiệu suất xử lý NH4+, nồng độ NH4+ đầu vào và đầu ra theo MLSS

33

3.7

Hiệu suất xử lý TP, nồng độ TP đầu vào và đầu ra theo MLSS

34

3.8

Hiệu suất xử lý COD, COD đầu vào và đầu ra theo tỷ lệ tuần hoàn
bùn

35

3.9

Hiệu suất xử lý NH4+, NH4+ đầu vào và đầu ra theo tỷ lệ tuần hoàn

bùn

36

3.10

Hiệu suất xử lý TP, TP đầu vào và đầu ra theo tỷ lệ tuần hoàn bùn

37

3.11

Hiệu suất xử lý COD, COD đầu vào và đầu ra theo HRT

39

3.12

Hiệu suất xử lý NH4+, nồng độ NH4+ đầu vào và đầu ra theo HRT

40

3.13

Hiệu suất xử lý TP, nồng độ TP đầu vào và đầu ra theo HRT

40

3.14

Nhiệt độ cao nhất ngày trong tuần vận hành hệ thống

42

3.15

DO trong ngăn thiếu khí (Anoxic) và ngăn hiếu khí (Oxic) tại các
thời điểm khác nhau trong các ngày vận hành

43

3.16

pH đầu vào, đầu ra và tại các ngăn của hệ thống

44

3.17

MLSS và MLVSS duy trì trong quá trình vận hành hệ thống

44

3.18

Hiệu suất xử lý NH4+, nồng độ NH4+ đầu vào và đầu ra

46

3.19

Hiệu quả xử lý TP

47

3.20

Hiệu quả xử lý BOD5

47

3.21

Hiệu quả xử lý SS

48


Chất thải sinh hoạt thuộc nhóm chất thải rắn phổ biến có xu thế tăng cùng
với sự phát triển của xã hội. Tại Việt Nam, dự kiến đến năm 2015, khối lượng chất
thải rắn phát sinh đạt khoảng 44 triệu tấn/năm. Trong đó, khoảng 50,8% là chất thải
rắn đô thị, khoảng 22,1% là chất thải rắn công nghiệp, số còn lại là chất thải rắn
nông thôn, làng nghề và chất thải rắn y tế [1]. Kỹ thuật chôn lấp
rắn là một kỹ thuật đơn giản

xử lý chất thải

khá phù hợp với điều kiện của Việt Nam hiện nay.

Điều đáng quan tâm là do không

phân loại tại nguồn dẫn đến thành phần

đem chôn lấp rất phức tạp. Tại các bãi chôn lấp vẫn còn tình trạng nước ngập
trong rác, không kiểm soát được sự thâm nhập của nước mưa, nước ngầm vào ô
chôn lấp.
Nước rỉ rác (còn gọi là nước rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô
chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất ở dưới đáy bãi chôn
lấp [12], nếu không

xử lí đúng cách sẽ ảnh hưởng tới môi trường

bề mặt,

sau đó ngấm vào mạch nước ngầm. Do thành phần của nước rỉ rác kém ổn định, có
nồng độ ô nhiễm cao và thường xuyên thay đổi theo thời gian nên cần có sự nghiên
cứu kỹ lưỡng về đặc tính của nước rỉ rác

nitơ, ph
nhiều

côn
sử dụng để xử lý nước rỉ rác, trong đó

khác nhau được

quy trình AO-USBF (Upflow

Sludge Blanket Filtration) được cải tiến từ quy trình bùn hoạt tính cổ điển kết hợp
với

trong một công trình xử

quá trình anoxic, oxic và

lý sinh học. Quy trình được thiết kế để khử BOD, nitrate hoá/khử nitrate, khử
photpho và là một hệ thống kết hợp nên chiếm ít không gian và các thiết bị đi kèm.
Công nghệ

AO-USBF được thiết kế dựa trên

trên mô hình động học xử lý BOD, nitrate hoá (nitrification) và khử nitrate
(denitrification) của Lawrence và McCarty Inc., lần đầu tiên được giới thiệu ở Mỹ
những năm 1900 sau đó được áp dụng ở châu Âu từ năm 1998 trở lại đây [2].
nhưng hiện tại
dụng nhiều ở Việt Nam

chưa được áp
.

1


Trước tình hình thực tế đó, tôi đã lựa chọn đề tài: “
b

-USBF”

P
ưu (

rác, thời gian lưu

tuần hoàn bùn) đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý chung của hệ thống. Ngoài ra,
nghiên cứu còn sử dụng quy trình
xử lý sơ bộ bằng phương pháp hóa lý.

2


CHƢƠNG 1.
1.1.
1.1.1.
Chôn lấp hợp vệ sinh là phương pháp kiểm soát sự phân huỷ của các chất
thải rắn khi chúng được chôn nén và phủ lấp bề mặt. Chất thải rắn trong bãi chôn
lấp sẽ bị phân hủy theo thời gian nhờ hoạt động của các vi sinh vật… [18].

1.
Nước rỉ rác được hình thành khi nước thấm vào các ô chôn lấp theo một số
cách sau: nước sẵn có và tự hình thành khi phân hủy rác hữu cơ trong bãi chôn lấp,
mực nước ngầm dâng lên vào các ô chôn lấp, nước rỉ qua vách của ô rác, nước từ
các khu vực khác chảy qua có thể thấm xuống các ô chôn lấp, nước mưa rơi xuống
khu vực bãi chôn lấp. Trong đó, các nguồn chính tạo ra nước rỉ rác bao gồm nước từ
phía trên bãi chôn lấp, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc
chôn bùn được cho phép. Việc mất đi nước được tích trữ trong bãi rác bao gồm
nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác, hơi nước bão hòa bốc hơi
theo khí và nước thoát ra từ đáy bãi chôn lấp (nước rò rỉ). Quá trình sinh hóa diễn ra
tại bãi chôn lấp chất thải chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp
chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng để duy trì các hoạt động sống của chúng. Các vi

3


sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm men và nấm mốc trong đó các loại vi khuẩn và nấm
mốc đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ [12].
Có 5 giai đoạn phân huỷ chính như sau:
Giai đoạn thích nghi ban đầu kéo dài từ vài giờ cho tới vài tuần. Trong giai
đoạn này, quá trình phân hủy hiếu khí được diễn ra, các chất hữu cơ dễ bị oxy hóa
sinh hóa thành các dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo và một năng lượng
tỏa ra rất lớn.
Giai đoạn chuyển tiếp kéo dài từ 1 đến 6 tháng. Khi oxy bị các vi sinh vật
hiếu khí tiêu thụ dần thì các vi sinh vật yếm khí bắt đầu xuất hiện và có nhiều quá
trình lên men khác nhau được bắt đầu diễn ra trong các ô chôn lấp
Giai đoạn lên men axit kéo dài từ 3 tháng tới 3 năm. Các chất hữu cơ dạng
đơn giản, các amino axit, đường… được chuyển hóa thành các axit béo dễ bay hơi,
alcohols… Các axit béo dễ bay hơi, alcohols sau đó lại được chuyển hóa tiếp tục
với sự tham gia của các vi khuẩn axeton và các vi sinh vật khử sunfat. Sản phẩm
chính tạo ra là axit axetic, khí CO2, khí H2 và lượng nhỏ khí H2S. Các chất này là
nguồn nguyên liệu ban đầu của quá trình lên men hóa.
Giai đoạn metan hóa kéo dài 8-40 năm. Trong giai đoạn này, các vi khuẩn
metan hóa chuyển hóa các axit hữu cơ hình thành trong giai đoạn axit hóa thành khí
CH4 và CO2. Sự hình thành metan và các axit hữu cơ xảy ra đồng thời mặc dù sự
tạo thành axit giảm nhiều.
Giai đoạn ổn định (giai đoạn kết thúc- ít nhất 40 năm), ở giai đoạn này, các
chất hữu cơ đã chuyển hóa hết thành khí, chỉ còn lại các chất khó phân hủy sinh học
như axit humic và axit fulvic [18].
1.1.2.
canxi, magie, kali, sắt,
natri, amoni, bicacbonat, sunphat, clo…

kim loại dạng vết (kẽm, đồng, crom,

niken, chì, cadimi…), các hợp chất hữu cơ được xác định dưới dạng: tổng cacbon
hữu cơ (TOC), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD)...[18].
Thành phần của nước rỉ rác chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố chính sau:
tuổi bãi chôn lấp, chất và lượng của chất thải, các quá trình sinh học và hóa học xảy
tra trong bãi chôn lấp và lượng nước mưa [21].

4


Thành phần hoá học của nước

rác trước hết phụ thuộc vào mức độ phân

huỷ của rác (nhiệt độ, độ ẩm, tuổi, điều kiện môi trường). Nước thải từ các bãi rác
với mức độ phân huỷ thấp (mới, mùa khô, lạnh) đang trong giai đoạn axit hoá thì
80-90% chất hữu cơ trong đó là các axit hữu cơ dễ bay hơi có khả năng sinh huỷ
cao. Ngược lại nước thải từ bãi rác có độ phân huỷ sâu (giai đoạn metan

đang

và sắp kết thúc) thì các chất hữu cơ trong đó chủ yếu là các chất trơ, khó sinh huỷ
như axit humic, fulvic, tannin, lignin và amoni với hàm lượng rất cao [4].
Thành phần hóa học của nước rỉ rác thay đổi phụ thuộc vào tuổi của bãi chôn
lấp. Tuổi của bãi chôn lấp thường được phân chia thành 3 bậc như sau: mới (ít hơn
5 năm), trung bình (5 – 10 năm) và cũ (lớn hơn 10 năm). Trong số các thành phần
của nước rỉ rác, tỷ lệ BOD/COD là đặc điểm đặc trưng cho nước rỉ rác bởi nó liên
quan trực tiếp tới khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác. Nước rỉ rác mới
thường có nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao như các axit béo bay

hơi (VFA) và do đó tỷ lệ BOD/COD cao. Hầu hết lượng BOD này sẽ được phân
hủy trong quá trình ổn định bãi. Do đó, tỷ lệ BOD/COD giảm dần theo thời gian bởi
các hợp chất không có khả năng phân hủy sinh học trong COD không bị ảnh hưởng
trong quá trình phân hủy này. Tỷ lệ nước rác mới, trung bình, cũ thường nằm tương
ứng trong khoảng 0,5 – 1,0, 0,1 – 0,5 và thấp hơn 0,1. Tuy nhiên, ranh giới phân
biệt giữa nước rác cũ và trung bình đôi khi vẫn chưa rõ ràng. Các loại nước rác có
tỷ lệ BOD/COD thấp hơn 0,2 cũng có thể được xử lý như đối với nước rác cũ. Nước
rác đã ổn định cũng có hàm lượng NH3-N và các vật chất khó phân hủy cao (ví dụ,
các axit humic) [21].
Nước rác được tách ra khỏi bãi chôn, thường được gom về các hồ chứa trước
khi được xử lý và thải ra môi trường. Sự biến động về nồng độ chất hữu cơ (BOD,
COD) và hợp chất nitơ trong nước thải dưới sự tương tác của vi sinh vật, điều kiện
vật lý (gió, mưa, khô, hanh, nóng, lạnh) và thực vật là đối tượng đáng quan tâm khi
đánh giá đặc trưng của nước rác [4].
Nước rỉ rác có chứa nhiều chất ô nhiễm: Chất hữu cơ, vô cơ hòa tan, dầu mỡ,
các chất rắn lơ lửng, vi khuẩn gây bệnh, có màu nâu sẫm và mùi hôi thố
.

5


[12]
(mg/l)
(< 2 năm)

T

TT

(> 10 năm)

1.

BOD5 (mg/l)

2.000-20.000

10.000

100-200

2.

TOC (mg/l)

1.500-20.000

6.000

80-160

3.

COD (mg/l)

3.000-60.000

18.000

100-500

4.

TSS (mg/l)

200-2.000

500

100-400

5.

Nitơ hữu cơ (mg/l)

10-800

200

80-120

6.

NH3 (mg/l)

10-800

200

20-40

7.

Nitrat (mg/l)

5-40

25

5-10

8.

Tổng P (mg/l)

5-100

30

5-10

9.

Độ kiềm theo CaCO3

1.000-10.000

3.000

200-1.000

10.

pH

4,5-7,5

6,0

6,6-7,5

11.

Ca (mg/l)

50-1.500

250

50-200

12.

Clorua (mg/l)

200-3.000

500

100-400

50-1.200

60

20-200

50-1.000

300

20-50

13.
14.

Sunphat (mg/l)

Theo thời gian, hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước rỉ rác từ ô chôn
lấp cũng như tại hồ chứa giảm đáng kể. Tuy nhiên, hàm lượng các chất ô nhiễm hữu
cơ, vô cơ cũng như các thành phần độc tố vẫn còn rất cao, nếu không được xử lý
triệt để, khi thải vào môi trường sẽ gây ô nhiễm đến nguồn nước ngầm, nước mặt,
ảnh hưởng đến đời sống dân cư xung quanh.
Bảng 1.2 sau đây cho thấy sự thay đổi rất rõ về COD, BOD và tỷ số
COD/BOD của nước rỉ rác từ bãi chôn lấp ở Đài Loan theo tuổi. Bảng này cho thấy,
với thời gian chôn lấp không lâu (1-2 năm), nước rỉ rác có giá trị COD và BOD rất
cao, tỷ số BOD/COD cũng cao (> 0,6). Nước rỉ rác có chứa nhiều thành phần hữu
cơ dễ bị phân hủy sinh học. Ngược lại, với thời gian chôn lấp lâu (trên 3 năm), nước
rỉ rác có COD không cao, tỷ số BOD/COD cũng thấp (< 0,2), cho thấy nước rỉ rác
ứng với thời gian chôn lấp rác lâu chứa nhiều thành phần hữu cơ khó bị phân hủy

sinh học.

6


Bảng 1.2. Sự thay đổi tính chất nước rỉ rác từ bãi chôn lấp ở Đài Loan theo tuổi (1995)[17]

Tuổi (Năm)

1

2

4

6

8

9

10

11

260

210

160

150

100

80

BOD (mg/l)

25.000 10.000

COD (mg/l)

35.000 16.000 1.500 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000

BOD/COD
1.2. C

0,71

0,60

0,17

0,16

0,13

0,10

0,08

0,08

AO-USBF

1.2.1.

Quy trình AO-USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration) là
,
–
lọc dòng ngược bùn sinh học) trong một đơn vị xử lý nước thải. Đây chính là điểm
khác

t so với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển, thường tách rời ba quá

trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp. Sự kết hợp này sẽ đơn giản hoá hệ
thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận
hành hệ thống. Đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ, N
và P cao [7].
1.2.1.2

-USBF [2]

7


ước
trộn lẫn

được đưa vào hệ thống

với dòng tuần hoàn bùn. Hỗn hợp nước

- bùn hoạt tính đi vào

ngăn thiếu khí, ngăn này có vai trò như ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector)
thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi chất
(Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm
tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật hình
sợi, gây vón cục và nổi bọt. Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong
ngăn này.
Nước thải sau đó chảy sang ngăn hiếu khí. Ngăn sục khí
quá trình sinh trưởng

oxy cho

của vi sinh vật. Trong ngăn này, amoni bị oxy

hóa thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và sau đó
Nitrobacter trong vùng sục khí riêng biệt.
Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển từ dưới lên
ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng. Ngăn USBF có vai
trò vừa lọc vừa xử lý sinh học các thành phần hữu cơ và N, P còn lại trong nước
thải nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất. Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của
hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính.
Phần nước trong đã được xử lý chảy tràn vào máng thu nước đầu ra và tự
chảy ra ngoài. Phần bùn đáy ngăn USBF một phần được tuần hoàn lại ngăn Anoxic,
hòa trộn với dòng đầu vào, một phần thải bỏ nhằm duy trì sinh khối trong bể [2].
1.2.2

1.2.2.1
Tại ngăn thiếu khí xảy ra quá trình khử nitrat
Denitrifier. Chất oxy hóa là nitrat, chất hữu cơ đóng vai trò là chất
khử. Quá trình khử nitrat xảy ra nhiều giai đoạn kế tiếp nhau, trong đó hóa trị của
nitơ giảm dần từ 5 → 3 → 2 → 1 và về 0. Nguồn chất hữu cơ bao gồm: chất hữu cơ
có sẵn trong nước thải, chất hữu cơ sinh ra trong quá trình phân hủy nội sinh của vi
sinh vật và nguồn bổ sung từ bên ngoài (đường, methanol...).
Quá trình khử nitrat là quá trình tạo kiềm,

phản ứng khử nitrat với chất

hữu cơ (methanol) như sau [4]:
NO3- + 5/6 CH3OH → 5/6 CO2 + 1/2 N2 + 7/6 H2O + OHNếu sử dụng một chất hữu cơ nào đó từ nguồn nước thải với công thức
chung là C18H19O9N thì quá trình khử nitrat xảy ra [4]:
8


uá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi đó, lượng chất hữu
cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lượng cần thiết cho phản ứng hóa học.
Mặt khác, trong môi trường thiếu khí, sản phẩm của quá trình lên men BOD sẽ cấu
thành thành phần đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ photpho

vi sinh

bio-P (Acinetobactor là chủ yếu). Nguyên tắc photpho hóa sinh học là tích lũy
photpho vào sinh khối [8].
Trong vùng thiếu khí (không có oxy, chỉ có nitrat), quá trình tích lũy photpho
xảy ra [4]:
C2H4O2 + 0,16NH4+ + 0,2PO43- + 0,96NO3- → 0,16C5H7NO2 + 1,2CO2 + 0,2(HPO3)
+ 1,4OH- + 0,48N2 + 0,96H2O

Phương trình trên cho thấy, chủng vi sinh bio-P cũng có khả năng khử nitrat.
(HPO3) là photphat dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật. Trong vùng kị
khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế
bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn [4]:
2C2H4O2 + (HPO3) + H2O → (C2H4O2)2 + PO43- + 3H+
Như vậy ngăn thiếu khí có vai trò loại bỏ cacbon, khử nitrat và chuyển
photpho hữu cơ ortho-P dạng poly-P thành photpho hòa tan
1.2.2.
Ngăn hiếu khí diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ và quá
trình tổng hợp để xây dựng tế bào vi sinh.
Phương trình tổng quát [9]:
xCO2 + (y-3)/2 H2O + NH3 + ∆H

CxHyOzN + (x+y/4+z/3+3/4)O2

C5H7NO2 + CO2 + ∆H

CxHyOz + NH3 + O2

Trong phản ứng trên, CxHyOz là tất cả các chất hữu cơ có trong nước thải,
còn C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi
sinh vật. Nếu quá trình oxy hóa diễn ra trong điều kiện không đủ dinh dưỡng thì quá
trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra (tự oxy hóa).

9


Ngăn hiếu khí cũng diễn ra quá trình nitrat hóa. Đây là quá trình tự dưỡng, vi
khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước (trươc hết là amoni NH4+) để lấy
năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng.

NH4+ + 2O2 → 2H+ + H2O
Quá trình diễn ra hai giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn nitrit hóa và giai đoạn
nitrat hóa. Trong giai đoạn nitrit hóa, NH4+ sẽ được oxy hóa thành nitrit nhờ vi
khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas và Nitrosopira) theo phương trình phản ứng sau:
NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + H2O
Giai đoạn nitrat hóa: NO2- sẽ được chuyển hóa thành NO3- nhờ vi khuẩn
nitrat hóa (Nitrobacter) theo phương trình phản ứng:
NO2- + 0,5O2 → NO3Tại ngăn này, vi sinh bio-P tích lũy photphat trùng ngưng trong cơ thể chúng
từ photphat đơn tồn tại trong nước thải [4]:
C2H4O2 + 0,16NH4+ + 1,2O2 + 0,2PO43- → 0,16C5H7NO2 + 1,2CO2 + 0,2(HPO3) +
0,44OH- + 1,44H2O
Photpho hòa tan sẽ được hấp thụ và lưu trữ trong sinh khối vi khuẩn
Acinetobactor. Sự thay đổi liên tiếp các giai đoạn kị khí, thiếu khí và hiếu khí giúp
đẩy nhanh việc tích lũy photpho ở vi sinh bio-P. Trong bùn hoạt tính, photpho tích
lũy thường đạt 7% [8]. Photpho sau đồng hóa sẽ được loại bỏ khỏi hệ thống dưới
dạng bùn dư. Ngoài ra, nhờ dòng bùn hoạt tính tuần hoàn nên một số vi khuẩn bio-P
sẽ được trở lại ngăn thiếu khí, tiếp tục phát triển và hấp thụ photpho hòa tan có
trong ngăn thiếu khí.
1.2.2
Ngăn USBF là một module đóng vai trò cực kỳ quan trọng
điểm chính của mô hình. Quá trình lọc dòng ngược

ưu

quá trình lắng diễn ra ở đây.

Ngăn USBF có dạng hình trụ chóp ngũ diện úp ngược, đáy là hình chữ nhật hướng
lên, đỉnh hướng xuống, mặt bên là các hình tam giác. Vì vậy việc thu hồi bùn lắng
và tuần hoàn bùn rất thuận lợi và dễ dàng. Từ trên xuống dưới, ngăn USBF có thể
chia thành 3 vùng: vùng nước trong trên cùng, vùng tiếp theo là vùng có lớp bùn lơ

lững chưa lắng đóng vai trò như một lớp lọc sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng
nén của bùn lắng. Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di
chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm

10


dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ
lững lâu hơn.

Hình 1.3. Một số dạng ngăn USBF
Do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên
gradient vận tốc di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên
trên theo phương thẳng đứng.
Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra một
lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc. Khi các bông
bùn đủ nặng chúng sẽ lắng xuống đáy tạo nên gradient vận tốc di chuyển của của
dòng bùn lắng từ trên xuống ngược với dòng dịch chuyển của nước.
Sự tuần ho
sẽ nâng cao hơn so với bể lọc truyền thống.
Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên
nên dòng này sẽ có vận tốc giảm dần. Mặt khác, do hình dạng của ngăn USBF có
thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc di chuyển của dòng giảm dần
từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng. Hiệu quả lắng lọc của hệ thống cao,
nước đầu ra có hàm lượng SS rất thấp.
Như vậy, ngăn USBF có vai trò vừa lọc, vừa xử lý sinh học các thành phần
hữu cơ, nitơ và photpho còn lại trong nước thải.
1.2.3
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của hệ thống, dưới đây là
một số điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và đến khả năng

xử lý của hệ thống:

11


Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Đây là một trong các thông số quan trọng nhất
trong xử lý nước thải. Nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kỵ khí hay hiếu
khí. Trong mô hình này, DO trong ngăn thiếu khí vào khoảng 0,2mg/l và trong ngăn
hiếu khí là khoảng 2 – 4 mg/l. Như v

Nhiệt độ

lắng… bị giảm hiệu suất rõ rệt. Nhiệt độ tối ưu là khoảng từ 20 oC đ

o

C (phù

hợp với nhiệt độ phòng thí nghiệm).
pH: Ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống
enzyme vi sinh vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn… ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý
vi sinh vật. Khoảng pH tối ưu là từ 6,5 -

Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): Các chất dinh dưỡng như C, N, P
là các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triể

12


ê

[7].
1.

Evaluation of single stage USBF in removal of Nitrogen and Phosphorus
và P trong nước thải bằng công

from wastewater (

nghệ USBF) được thực hiện bởi nhóm tác giả người Iran gồm A.H. Mahvi, R.
Nabizadh, M.H. Pishrafti và Th. Zarei (Trường Y tế công cộng và Trung tâm
nghiên cứu Môi trường Tehran, Đại học Khoa học Y tế, Tehran, Iran). Các thí
nghiệm được tiến hành với pilot USBF có thể tích 4 lít. Thí nghiệm đánh giá khả
năng xử lý nitơ và photpho của hệ thống USBF theo thời gian lưu khác nhau, đồng
thời đánh giá hiệu quả xử lý khi tăng tải trọng hữu cơ lên 1,5 lần. Kết quả cho thấy
hiệu quả xử lý nitơ tương đối cao trong khi hiệu quả xử lý photpho ở mức trung
bình. Tuy nhiên, nghiên cứu không đề cập đến sự ảnh hưởng của lượng bùn tuần
hoàn và tuổi của bùn đến hiệu quả xử lý [15].
Upflow Sludge Blanket Filtration (USBF): an Innovative Technology in
Activated Sludge Process (Công nghệ USBF: Một công nghệ mới về bùn hoạt tính):
ăm 2010
13


đưa ra
Với nước thải sử dụng cho các thí nghiệm có đặc tính tương
tự như nước thải sinh hoạt điển hình. Mô hình thí nghiệm gồm pilot USBF, một máy
nén khí, thiết bị khuấy trộn, bơm tuần hoàn bùn và bơm nước thải. Kết quả cho thấy,
hệ thống xử lý có khả năng loại bỏ 82,2% BOD5 và 85,7% COD trong thời gian lưu
nước 6 giờ. Khi tăng nồng độ các chất ô nhiễm lên đến 50%, khả năng loại bỏ các

chất ô nhiễm không bị suy giảm [16].
.,

t

C
.
Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng
ngược USBF do n

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đ

gia TP.
thải đô thị. Nước thải

mô hình

thích hợp cho xử lý nước

chứa thành phần hữu cơ cao, dễ phân hủy

sinh học. Các tỷ lệ BOD5/COD nằm trong khoảng 0,51-0,69; BOD5/TN khoảng
7,7-13,4 và BOD5/P khoảng 12-35. Kết quả sau khảo sát cho thấy hiệu quả xử lý
COD, BOD5, nitơ và photpho

ùn hoạt tính thích nghi nhanh với đặc

tính của nước thải và điều kiện vận hành của mô hình.
lại

[2].

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc
dòng bùn ngược do
Minh
Mẫu nước thải lấy tại bể gom

, thời điểm 8-9 giờ sáng. Mẫu nước

thải được bảo quản trong điều kiện thường của phòng thí nghiệm. Các thông số ô
nhiễm chính: COD = 1.600-5.687 mg/l; BOD5 = 784-2.975 mg/l; TN = 167,4-317,8
14


mg/l; SS = 1.350 -9.635 mg/l. Mô hình được làm từ vật liệu là nhựa tấm, có kích
thước 100×22×40 (dài×rộng×cao, đơn vị tính cm), bao gồm 3 module chính: ngăn
thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (Oxic) và ngăn lọc dòng ngược bùn sinh học
(USBF). Các thiết bị cần thiết bao gồm: bơm định lượng nước thải đầu vào, bơm
tuần hoàn bùn, máy thổi khí, bộ phận sục khí.

ghiên cứu

COD ≈ 97 %; SS tối đa 99,9 %; BOD5

99%; N

cao nhất đạt 97%; P có thể đạt 85%).

[3].
Nghiên cứu Thiết kế chế tạo bể USBF xử lý nước thải sơ chế thủy sản

Ngô Quốc Dũng, Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn Hữu
Chiếm, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ

nhằm tìm ra một hệ

thống xử lý nước thải sơ chế thủy sản với các đặc điểm: nhỏ gọn, hiệu quả, vận
hành đơn giản, di chuyển dễ dàng và đáp ứng được nhu cầu của các cơ sở chế biến
thủy sản.

là nước thải sơ chế thủy sản với thành phần

nước thải đầu vào: BOD5 = 521,25±355,32 mg/l; COD = 972,92±384,89 mg/l; SS =
2.515±17 mg/l; TKN = 238,78±105,84 mg/l; TP = 40,05±3,83 mg/l đều vượt mức
cho phép theo QCVN 11:2008/BTNMT. Mô hình bằng sắt (dài 0,7 m; rộng 0,24 m;
cao 0,5 m) với một mặt mica trong để quan sát được bên trong mô hình.
ngăn thiếu khí
Nghiên cứu

19,4 lít; 37,1 lít; 14,4 lít.
khảo sát

.. Với thời gian lưu là 8 giờ thì hiệu quả xử lý COD và BOD 5, SS, TKN, TP
lần lượt là 96,68% và 98,2%; 98,8%; 94,18% và 97,83% đạt yêu cầu tiêu chuẩn đầu
ra loại A QCVN 11:2008 /BTNMT. Với thời gian lưu là 7 giờ thì hiệu quả xử lý TP
87,7%

.

ghiên

cứu này chưa đủ để đánh giá khả năng xử lý tối ưu của hệ thống [5].
Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến bánh tráng bằng bể USBF được tiến
hành trên mô hình phòng thí nghiệm để xác định các thông số thiết kế, vận hành bể
USBF, từ đó ứng dụng để cải tạo hệ thống xử lý nước thải cho Xí nghiệp Bánh
tráng xuất khẩu - Tiền Giang. Mô hình bể USBF sử dụng trong thí nghiệm có kích
thước 75 lít gồm 3 ngăn: ngăn thiếu khí (19 lít), ngăn hiếu khí (45 lít) và ngăn lọc
bùn sinh học dòng ngược USBF (11 lít). Nước thải sau khi được xử lý sơ b
: COD = 842,5±5,3 mg/l; BOD5 = 567±3,6 mg/l; TP =
15


2,7±0,1 mg/l; TKN = 22±4,6 mg/l. Hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN và TP lần
lượt là 94,24%; 96,35%; 76,36% và 51,85%. Nồng độ các chất ô nhiễm chủ yếu của
nước thải xí nghiệp xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) [14].
:

-

-

5

-NH3

-

nitơ, photpho.

-

-

16


-

-

17


, nội dung

2.1.
2.1.1.
- Ng

-USBF

-

-

2.1.2.
- Đối tượng nước thải sử dụng cho nghiên cứu là nước rỉ rác từ bãi chôn lấp chất
thải rắn Kiêu Kỵ, nằm tại xã Kiêu Kỵ, huyện Gia Lâm, Hà Nội. Nước rỉ rác được
lưu trong 4 năm nên các thông số về nồng độ các chất ô nhiễm còn rất cao.
- Công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng ngược AO-USBF được lựa chọn ứng dụng
cho đề tài.

2.1.3. Nội dung nghiên cứu
2.1.3
a. Khảo sát quá trình thích nghi của bùn hoạt tính với nước rỉ rác

2PO4

(hoặc K2HPO4), sắt citrat và

MgSO4, được pha thành dung dịch để bổ sung dinh dưỡng cho vi sinh vật hàng
ngày. Tỷ lệ dinh dưỡng cho vi sinh vật ăn hàng ngày: 10 ml dinh dưỡng mỗi loại và
10 g đường đỏ cho 10 lít bùn nuôi. Tuy nhiên, tùy thuộc hàm lượng bùn có thể thay
đổi lượng dinh dưỡng thích hợp.
-10.000 mg/l.
Sau khi cho vào hệ thống thì cần có thời gian chạy thích nghi với nước rỉ rác. Trong
giai đoạn này, chạy thích nghi với lưu lượng nước thải là 1 l/h, tuần hoàn bùn
100%.
Tiến hành theo dõi và đánh giá sự phát triển của vi sinh trong môi trường
nước rỉ rác, theo dõi các thông số MLSS, SVI đến khi hàm lượng bùn hoạt tính đạt
khoảng 3.500 mg/l, SVI trong khoảng 80-120 ml/gMLSS thì tiến hành bố trí các thí
nghiệm tiếp theo.
b. Xác định hàm lượng bùn tối ưu

18