Tóm tắt Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

TRỊNH XUÂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG
NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT
LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 9 52 03 20
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI – 2018


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công
nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Trần Đức Hạ
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TSKH. Ngô Quốc Bưu

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ
.........., ngày … tháng … năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


1
MỞ ĐẦU
1. SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Nhu cầu về nước sạch, đảm bảo vệ sinh luôn là mối
quan tâm hàng đầu và đã trở thành chiến lược của nhiều quốc
gia trong đó có Việt Nam. Hiện nay, ở nước ta mức sống của
người dân đang từng ngày được cải thiện, ý thức về bảo vệ sức
khỏe ngày càng cao, đặc biệt tại các đô thị lớn như thủ đô Hà
Nội. Đây là khu vực có mức độ tập trung dân cư cao thứ hai cả
nước với dân số khoảng 7 triệu người năm 2014. Tuy nhiên
cùng với sự phát triển nhiều mặt của thủ đô, thì vấn đề cấp
nước sạch vẫn chưa thể đáp ứng được cả về mặt số lượng và
chất lượng.
Kết quả khảo sát của Liên đoàn địa chất thủy văn - Địa
chất công trình miền Bắc lại cho thấy hàm lượng ô nhiễm
amoni trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt tiêu chuẩn cho phép
nhiều lần, có những nơi cao gấp 10 - 20 lần.
Sự lo ngại lớn nhất về vấn đề amoni là các sản phẩm
trung gian như hợp chất nitrit và nitrat được hình thành từ

amoni trong quá trình xử lý và sử dụng nước cấp cho ăn uống
và sinh hoạt theo cơ chế sau: Trong quá trình xử lý nước, trong
các bể lọc luôn luôn được hình thành một cách tự nhiên các vi
khuẩn Nitrosomonas. Các vi khuẩn này chuyển hoá một phần
amoni trong nước ngầm thành các sản phẩm trung gian là nitrit.
Nếu có đủ điều kiện, dưới tác dụng của một loại vi khuẩn khác
cũng được hình thành một cách tự nhiên trong bể lọc là
Nitrobacter, các sản phẩm trung gian nitrit tiếp tục được
chuyển hoá thành nitrat. Trong khi chưa đủ cơ sở để đánh giá


2
mức độ và hướng tác hại của amoni lên cơ thể con người thì tác
hại của sản phẩm có nguồn gốc từ amoni là nitrit NO2-, nitrat
NO3- lại được biết rõ. Các chất nitrit NO2- và nitrat NO3- là các
tác nhân gây nên sự phá hoại hồng cầu ở trẻ em và có thể là tác
nhân gây bệnh ung thư.
Một trong những công nghệ hiếm hoi có thể đáp ứng
các tiêu chí đòi hỏi trên là công nghệ màng vi sinh chuyển
động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR). Đó là công
nghệ sử dụng màng vi sinh bám trên chất mang, chất mang
chuyển động trong nước khi hoạt động. Hiệu quả xử lý của nó
chỉ thấp hơn dạng kỹ thuật lưu thể (fluidized bed reactor), cao
hơn nhiều so với các kỹ thuật khác, bù lại vận hành nó đơn
giản hơn nhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể (đòi hỏi trình độ tự
động hóa cao).
Từ thực tiễn nêu trên, Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng xử
lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu
mang vi sinh chuyển động” được lựa chọn cho luận án tiến sĩ
này.

2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA
LUẬN ÁN
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà
Nội với hàm lượng nhỏ hơn 25mg/L (20mgN/L) bằng quá trình
Nitrat hóa (Nitrification) và khử Nitrat (Denitrification) đồng
thời trong thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động
(MBBR) với vật liệu mang dạng xốp (DHY) có diện tích bề
mặt cao khoảng 6.000-8.000 m2/m3, độ xốp lớn và trọng lượng


3
nhẹ dễ chuyển động trong nước, trong điều kiện không bổ sung
cơ chất.
- Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu
mang vi sinh DHY dưới dạng tích hợp bao gồm bể MBBR và
bể lọc tự rửa để xử lý amoni trong nước ngầm đảm bảo tiêu
chuẩn nước sạch cấp cho sinh hoạt và ăn uống với hiệu quả
cao, phù hợp với khả năng đầu tư và điều kiện vận hành ở Việt
Nam.
2.2. Nội dung nghiên cứu
(1) Thu thập số liệu và khảo sát hiện trạng khai thác,
dây chuyền công nghệ xử lý của các nhà máy nước (NMN)
trong vùng Hà Nội để đánh giá tổng quan về chất lượng nước
ngầm, về ô nhiễm amoni và các yếu tố ảnh hưởng như: pH,
nhiệt độ, độ kiềm, chất hữu cơ, phốt pho và đánh giá hiệu quả
xử lý amoni của các dây chuyền hiện nay.
(2) Nghiên cứu tổng quan các phương pháp xử lý
amoni trong nước và thế giới phân tích ưu nhược điểm và đưa
ra các vấn đề còn tồn tại.

(3) Nghiên cứu tổng quan về xử lý amoni bằng phương
pháp vi sinh để hiểu được cơ chế xử lý, các loại vi sinh vật, yếu
tố ảnh hưởng và các mô hình động học phản ứng làm cơ sở lựa
chọn mô hình thí nghiệm, phân tích đánh giá các kết quả thu
được trên mô hình thí nghiệm và mô hình thử nghiệm hiện
trường.
(4) Nghiên cứu tổng quan về màng vi sinh và các công
trình sử dụng kỹ thuật màng vi sinh, đánh giá ưu nhược điểm
của từng loại màng, từng loại công trình từ đó đề xuất vật liệu


4
mang di động sử dụng cho thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni
trong nước ngầm Hà Nội.
(5) Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí
nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục để xác định
các thông số động học như hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1),
hiệu suất sinh khối Y (g SK/g N-NH4+), chỉ số bán bão hòa
amoni Ks (mgN/L), hệ số tiêu thụ cơ chất k (µ/Y). Đánh giá các
yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa: amoni đầu vào, nồng
độ ô xy (DO), mật độ vật liệu mang, số ngăn bể phản ứng.
Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat đồng
thời trong môi trường hiếu khí, ảnh hưởng của nồng độ cơ chất
và xây dựng phương trình thực nghiệm cho tốc độ khử nitrat
riêng (U)
(6) Nghiên cứu thiết kế và xây dựng mô hình tích hợp
dạng modul cho hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh
chuyển động với vật liệu dạng xốp DHY tại hiện trường, chạy
thử để kiểm chứng các thông số động học và xây dựng bộ số
liệu cho việc tính toán thiết kế.

2.3. Phạm vi
Nước ngầm vùng Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+)
với nồng độ nhỏ hơn 25 mg/L (20 mgN/L), bao gồm cả khu
vực đô thị và nông thôn. Ngoài ra cũng có thể áp dụng cho các
NMN ở các vùng khác có nguồn nước bị ô nhiễm amoni bao
gồm cả nước mặt.
2.4. Đối tượng
- Vật liệu mang DHY với tiết diện bề mặt cao 60008000 m /m3 với quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời
2


5
trong điều kiện hiếu khí.
- Hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động
(MBBR) tích hợp bể lọc tự rửa (DHK).
2.5. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Tiến hành xây dựng 2 loại mô hình thí nghiệm: Thí
nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục xử lý nitơ amoni với
mẫu nước được mô phỏng từ chất lượng nước ngầm thực tế với
giới hạn nghiên cứu và biến động như sau: Hàm lượng NH4+<
50mgN/L, Nhiệt độ giao động từ 25-30oC, Chất hữu cơ không
đáng kể, Hàm lượng phốt pho giao động từ 0,5-1,5 mg/L, pH:
7,2-8,0, Độ kiềm trong khoảng từ 200-300 mg(CaCO3)/L.
- Thí nghiệm theo mẻ: Đánh giá các ảnh hưởng của
thời gian lưu, mật độ của vật liệu mang, nồng độ ô xi, cơ chất
và số lượng ngăn phản ứng từ đó đưa ra được các thông số tối
ưu cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat.
- Thí nghiệm liên tục: Mô hình được thiết kế trên cơ sở
các thông số đã tìm được từ thí nghiệm theo mẻ để xác định
các thông số động học cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat đối

với vật liệu mang dạng xốp DHY.
- Thiết kế tích hợp bể MBBR và bể lọc tự rửa (DHK)
với công suất 5m3/h vận hành xử lý amoni để kiểm chứng các
thông số động học tìm được trong phòng thí nghiệm tại địa
điểm

nghiên

cứu

huyện Thanh Trì.

hiện

trường

là

NMN

Yên

Xá,


6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG
NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI SINH
CHUYỂN ĐỘNG
1.1. Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm amoni vùng Hà Nội

Hầu hết nước ngầm Hà nội có hàm lượng sắt trong
khoảng 3-20 mg/L cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn nước
sạch là 0,3 mg/L. Ngoài ra một số khu vực còn có hàm lượng
mangan và chất hữu cơ cao hơn tiêu chuẩn khoảng từ 1-5 lần
so với tiêu chuẩn nước sạch của mangan là 0,3 mg/L và chất
hữu cơ là 2 mg/L. Đặc biệt khu vực phía Nam và Tây Nam
thành phố Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với hàm lượng rất
cao từ 5-25 mg/l (3,8-20 mgN/L) so với tiêu chuẩn nước sạch
là 3 mg/L (2,3 mgN/L).
Với công nghệ xử lý nước hiện nay của Hà Nội chủ
yếu là chỉ hướng tới việc loại bỏ sắt, mangan trong nước ngầm
với dây chuyền là làm thoáng, lắng tiếp xúc và lọc nhanh trọng
lực. Chất lượng nước sau xử lý đảm bảo quy chuẩn quốc gia
QCVN 01:2009/BYT ngoại trừ chỉ tiêu amoni hầu như không
được xử lý. Theo kết quả khảo sát thì qua dây chuyền xử lý
nước hiện nay thì hàm lượng amoni giảm xuống so với đầu vào
khoảng 10-20% như vậy nước cấp vào thành phố hàm lượng
amoni vẫn trong khoảng 5-20 mg/L (4-18 mgN/L) cao hơn so
với tiêu chuẩn là 3 mg/L (2,3 mgN/L).
1.2. Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học
Quá trình xử lý amoni bằng sinh học có thể thực hiện
theo 3 quá trình chính: (1) truyền thồng là thực hiện thông qua
nitrat hóa (nitrification) và khử nitrat (denitrification); (2)


7
Anammox là quá trình oxy hóa amoni yếm khí trong đó amoni
và nitrit được oxy hóa khử một cách trực tiếp thành khí nitơ;
(3) Sharon là quá trình nitrat hóa một phần, sản phẩm của quá
trình cũng là nitrit và sau đó khử nitrit về dạng khí nitơ là

nguyên tắc xử lý “đi tắt” của quá trình. Đối với việc xử lý theo
quá trình Anammox và Sharon có thể tiết kiệm được khoảng
25% lượng oxy và 40% chất hữu cơ, tuy nhiên các quá trình
này đòi hỏi sự kiểm soát khắt khe và tương đối phức tạp trong
quá trình vận hành. Vì vậy trong luận văn này tập trung nghiên
cứu xử lý amoni theo quá trình truyền thống là nitrat hóa và
khử nitrat về dạng khí nitơ.
1.3. Kỹ thuật màng vi sinh
1.3.1. Vật liệu mang vi sinh
Vật liệu mang DHY làm từ Polyurethan do công ty ...
sản xuất, diện tích bề mặt của vật liệu mang được tính toán dựa
trên kích thước hình học của giá thể và cấu trúc xốp của nó,
chính những lỗ nhỏ li ti bên trong giá thể tạo ra những bề mặt
cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật; cơ chế khuếch
tán và trao đổi chất tương tự như màng sinh học cố định. Do
đó, quá trình chuyển khối trong hệ mang chuyển động cao hơn
so với hệ mang cố định.
Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY làm từ nhựa
polyurethan (PU) có độ rỗng xốp cao từ 92 - 96%, diện tích bề
mặt lớn có thể đạt tới 15.000 m2/m3 vật liệu (thông thường từ
6.000 – 8.000 m2/m3). Do cấu trúc xốp của vật liệu mang nên
nó có trọng lượng riêng rất nhỏ khoảng 33 kg/m3, tính linh
động của giá thể cao, hạn chế được di chuyển của dòng khí O2


8
ra khỏi bể, theo đó giảm được áp lực, thể tích khí yêu cầu cấp
vào bể, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành. Tỷ lệ vật
liệu mang trong bể khoảng 20-30%.
1.3.2. Bể sinh học sử dụng màng vi sinh chuyển động

(MBBR)
Công nghệ màng sinh học là một giải pháp đã được áp
dụng phổ biến ở nhiều nhà máy xử lý nước, như bể lọc sinh
học nhỏ giọt (BF), đĩa quay sinh học (RBC), màng sinh học
ngập nước với các loại vật liệu lọc rất đa dạng. Tỷ lệ vật liệu
mang trong bể rất cao thường là từ 40-100%, nhưng hiệu quá
xử lý amoni của chúng không cao (chỉ đạt khoảng 60-70%),
công trình lớn và dễ bị tắc. Kỹ thuật màng vi sinh chuyển động
(Moving Bed Biofilm Reactor - MBBR). Với công nghệ này nó
đã giải quyết được các vấn đề còn tồn tại trong các bể sinh học
sử dụng màng cố định như giảm được khối tích công trình,
giảm chi phí năng lượng và đặc biệt tăng hiệu quả xử lý amoni
một cách đáng kể khoảng 90-95%.
1.4. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và Quốc tế
Những vấn đề còn tồn tại trong công nghệ xử lý amoni
hiện nay là phải xây dựng nhiều bể để tách các quá trình xử lý,
vật liệu mang sử dụng có tiết diện bề mặt thấp, tỷ trọng lớn,
phải bổ sung cơ chất để khử nitrat hoặc tuần hoàn nước, kiểm
soát nồng độ ô xi chặt chẽ, tiêu tốn năng lượng và quản lý vận
hành phức tạp.
Phương pháp lọc sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi
sinh cho phép tăng mật độ vi sinh trên một đơn vị thể tích với
mức độ có thể cao hơn tới mười lần so với kỹ thuật bùn hoạt


9
tính và vì vậy tăng đáng kể hiệu quả xử lý. Mặt khác, trong
màng vi sinh còn diễn ra quá trình tự chọn lọc và tăng cường
mật độ của loại vi sinh có tốc độ phát triển chậm. Khó khăn về
phương diện vận hành hệ thống xử lý là hạn chế về quá trình

chuyển khối (cung cấp thức ăn cho vi sinh trong màng có độ
dày tới mm) cho vi sinh vật với mật độ cao. Các dạng kỹ thuật
phản ứng tầng lưu thể (fluidized bed), tầng vi sinh chuyển động
(Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR ) được nghiên cứu phát
triển nhằm thúc đẩy quá trình chuyển khối trong hệ xử lý, khắc
phục những hạn chế của các kỹ thuật sử dụng màng vi sinh
khác như lọc nhỏ giọt. đĩa quay sinh học, lọc ngập tầng tĩnh.
Kỹ thuật tầng chuyển động có hiệu quả thấp hơn tầng
lưu thể vì diện tích chất mang thấp hơn nhưng có lợi thế về mặt
vận hành đơn giản, thích hợp với qui mô xử lý vùa và nhỏ ở
Việt Nam. Kỹ thuật vận hành hệ xử lý tầng lưu thể đồi hỏi trình
độ tự động hóa rất cao.
Vì vậy, hướng nghiên cứu tiếp theo là phải tích hợp
được các quá trình xử lý sinh học trên vật liệu mang vi sinh
phù hợp, tích hợp được các bể xử lý dưới dạng modul.


10
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Với phạm vi nghiên cứu là nước ngầm Hà Nội.
Với đối tượng nghiên cứu là hệ thiết bị xử lý amoni sử
dụng vật liệu mang di động DHY, tích hợp với bể lọc tự rửa.
Thiết bị này được lắp đặt phía sau bể lọc nhanh hiện có của nhà
máy nước Yên Xá (nước sau lọc và chưa được khử trùng bằng
clo hoạt tính). Công suất của pilot hiện trường là 5m3/h. Các
quá trình nitrat hóa và khử nitrat bên trong vật liệu mang trong
điều kiện hiếu khí, xác định các thông số động học, thông số
tính toán thông quá hệ thí nghiệm theo mẻ và liên tục trong

điều kiện phòng thí nghiệm. Triển khai thiết kế và chạy thử
pilot hiện trường để kiểm chứng kết quả và đề xuất bộ thông số
tính toán, thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni cho nước ngầm.
Thiết kế và chạy thử pilot hiện trường để kiểm chứng
kết quả và đề xuất thông số tính toán, thiết kế bể sinh học
MBBR xử lý amoni dạng modul.
2.2. Xác định các thông số động học
2.2.1. Quá trình nitrat hóa
Để thiết kế một hệ thống xử lý nước theo mô hình động
học thì phải biết các giá trị cả các hằng số động học.
Các giá trị đặc trưng cho quá trình động học gồm hệ số
tiêu thụ cơ chất k (µ/Y), chỉ số bán bão hòa Ks, hằng số phân
hủy nội sinh kp chỉ có thể được xác định được từ thực nghiệm
đối với một hệ thí nghiệm cụ thể.
Hệ thí nghiệm là một bình phản ứng chứa nồng độ vi


11
sinh X, được khuấy trộn đều hoạt động liên tục (trong đó tốc độ
dòng vào bằng dòng ra. Nồng độ cơ chất ở dòng vào là S0, tại
đầu ra là S. Nồng độ vi sinh tại đầu vào là X0 (g/l) , đầu ra là
Xe (g/l).
Cơ chất được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp tế bào,
còn một phần tham gia phản ứng sinh hóa để tạo ra năng lượng,
số lượng tế bào vi sinh tạo thành tương ứng với sự hao hụt của
cơ chất trong hệ. Khi đó tốc độ sinh trưởng tế bào Vg(g/l.d)
được định nghĩa và có dạng:
dX
Vg 
 .X

dt

(2-16)

Trong đó µ (1/d) là hệ số tương quan đặc trưng cho
từng chủng loại vi sinh vật hay là hằng số phát triển riêng. Gọi
vsu là tốc độ suy giảm cơ chất khi đó:
vg = -Y.vsu

(2-17)

Trong đó Y là hiệu suất sinh khối mang ý nghĩa là khi
tiêu hao một lượng cơ chất sẽ sinh ra được một lượng sinh khối
nào đó (g/g), dấu (-) chỉ hai quá trình ngược nhau.
Tuy nhiên nhu cầu vật chất để vi sinh vật phát triển phù
hợp với biểu thức (2-17) rất ít khi được thỏa mãn. Khi nhu cầu
chính không đáp ứng được thì tốc độ sinh trưởng sẽ giảm. Mức
độ suy giảm được quy về cho sự biên đổi giá trị hằng số phát
triển riêng, vì vậy theo động học Monod, µ được tính toán như
sau:
   max .

S
KS  S

(2-18)

Kết hợp 2 phương trình (2-16), (2-17) và (2-18) ta có:

12
Vsu  

 m .X.S
Y  K S  S

(2-19)

Hay tốc độ suy giảm cơ chất còn được định nghĩa:
S S
Q
(2-20)
Vsu   So  S   o
V

Sử dụng một hệ thí nghiệm liên tục khuấy trộn, khi đó
thời gian lưu tế bào được định nghĩa:
V.X
c 
Q w .X r  Qe .X e

(2-21)

Trong đó:
Qw: Lưu lượng dòng hỗn hợp nước-bùn về bể bùn
Qe: Lượng thoát ra khỏi bể phản ứng
V: Thể tích bể phản ứng
X, Xe, Xr: Mật độ vi sinh lần lượt trong bể phản ứng,
tại dòng ra, và dòng thải.
Khi đó phương trình cân bằng chất mô tả biến động

của mật độ sinh khối và của nồng độ cơ chất được viết như sau:
dX
(2-22)
 Q.Xo   Qw .Xr  Qe .Xe   V.vg'
dt
Trong đó:
Q: Lưu lượng đầu vào bằng Qe
X0: Nồng độ vi sinh ở dòng vào
v,g: Tốc độ tăng trưởng sinh khối thực
v,g = vg + vp = -Yvsu – kp.X

(2-23)

V: Thể tích khối phản ứng
Trong trạng thái vận hành ổn định với mật độ vi sinh
X, mật độ vi sinh không thay đổi theo thời gian dX/dt =0. Nồng
độ X0 tại dòng vào thường rất nhỏ nên X0=0.


13
Từ phương trình (2-22) và (2-23) ta có:
Qw .X r  Qe .Xe
 Yvsu  k p .X
V
Chia 2 vế cho X ta có:
Qw .X r  Qe .Xe
Yv
  su  k p
V.X
X

(2-24)

(2-25)

Vế trái của phương trình là đại lượng nghịch đảo của
tuổi bùn khi đó (2-24) được viết lại:
Yv
1
  su  k p
c
X

(2-26)

Kết hợp phương trình (2-18) và (2-19) ta có:
S S
 m .X.S
(2-27)
Vsu  
 O
Y  KS  S

Trong đó hệ số tiêu thụ cơ chất riêng k mang ý nghĩa là
khả năng tiêu thụ cơ chất trên một đơn vị sinh khối hình thành

k m
Y
Kết hợp 2-27 và 2-28 ta được:
S S

k.X.S
Vsu  
 0
KS  S

Chia cả 2 vế cho X ta có
S S
k.S
 o
KS  S
.X

(2-29)

(2-30)

Tuyến tính hóa (2-30) bằng cách nghịch đảo:
K
.X
1
(2-31)
 S
So  S k.S k
Nếu coi vế trái (2-31) là hàm số, 1/S là biến số thì thu
được phương trình đường thẳng có độ dốc ( là Ks/S và đoạn cắt


14
trục tung là 1/k) từ đó tính ra k, Ks.
Giá trị kp và Y được xác định như sau: Sử dụng mối

quan hệ của biểu thức (2-26) và đặt 1/

là hàm số, vsu/X là

biến số, từ đó xác định được Y và kp.
2.2.2. Quá trình khử nitrat
Do quá trình khử nitrat là quá trình thiếu khí dị dưỡng,
vì thế khi thực nghiệm để tính toán các thông số động học là sử
dụng cho quá trình tiêu hao chất hữu cơ, vì nó là yếu tố khống
chế quá trình khử nitrat. Mô hình động học xây dựng để mô tả
khử nitrat bao gồm mô hình Monod và các mô hình kinh
nghiệm.
Tốc độ phản ứng khử nitrat có thể thể hiện như sau:
U= k

(2-32)

U = k.X

(2-33)

Trong đó k là hằng số tốc độ phản ứng, X là nồng độ vi
sinh.
Với kỹ thuật phản ứng dòng liên tục, hiệu suất khử
nitrat và tốc độ phản ứng được tính từ thực nghiệm theo công
thức:
H

r

SO  S
SO

SO  S SO .H.Q


V

r  k.Snra

(2-34)
(2-35)
(2-36)

Khi đó tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng đối với nitrat được
tính theo công thức:

U

r
X

(2-37)


15
r/X mang ý nghĩa là tốc độ tiêu thụ cơ chất tính theo
một đơn vị khối lượng (nồng độ) vi sinh được gọi là tốc độ khử
nitrat riêng U.
Khi đó phương trình (2-37) được viết như sau:

r S  S Q So  S
(2-38)
U  o
 .
X
.X
V X
Trong đó thời gian lưu tế bào được tính theo công thức
(2-21), do Xe bằng 0 khi đó phương trình (2-21) được viết lại
như sau:
c 

V.X
X
 .
Q w .X r
Xr

(2-39)

Khi đó thời lưu thủy lực được viết như sau:
 .X
(2-40)
 c r
X
Kết hợp phương trình (2-38) và (2-40) khi đó tốc độ
khử nitrat riêng được viết lại theo công thức sau:
S  S So  S 1
(2-41)
U o


.
c .X r
X r c
Có thể thấy mối quan hệ ràng buộc giữa hoạt tính vi
sinh và tốc độ suy giảm cơ chất riêng: vi sinh có tốc độ phát
triển nhanh thì khả năng xử lý chất ô nhiễm tốt. Trên cơ sở mối
quan hệ trên có thể sử dụng đại lượng thời gian lưu tế bào (

)

để kiểm soát quá trình xử lý mà không cần xác định nồng độ
sinh khối hữu hiệu hoặc lượng cơ chất đã được sử dụng bởi vi
sinh vật.
Nếu biểu diễn phương trình U = f(c) khi đó phương
trình được tính toán theo bậc, biểu diễn phương trình U = f(c)
thành U = k.c-n, vẽ phương trình theo số liệu thực nghiệm với


16
y = U, x = c từ đó xác định được hệ số tốc độ phản ứng k và
bậc phản ứng n.
2.3. Vật liệu mang vi sinh DHY
Vật liệu mang vi sinh DHY do Công ty Cổ phần Xây
dựng và Môi trường Việt Nam (VINSE) sản xuất được lựa
chọn để tiến thành thí nghiệm. DHY có kích thước 1cm x 1cm
x 1cm và tiến hành thí nghiệm xác định thông số kỹ thuật của
DHY khi vật liệu mang chưa có vi sinh gồm: Khối lượng riêng
thực, khối lượng riêng biểu kiến, độ xốp, thể tích xốp, diện tích
bề mặt.

2.4. Mô hình trong phòng thí nghiệm
2.4.1 Sơ đồ thí nghiệm theo mẻ
Thí nghiệm được lắp
đặt theo kỹ thuật phản ứng
theo mẻ với bình phản ứng
hình hộp chữ nhật thể tích 36
lít. Vật liệu mang cho vào
bình phản ứng đã được nuôi
cấy vi sinh với mật độ ổn
định. Hệ thống cấp khí được

Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí
nghiệm theo mẻ

đặt 2 bên thành bình gần đáy
với các quả sục đá, khí được cấp vào nhờ một máy nén khí để
duy trì sự chuyển động của vật liệu mang và cung cấp oxy cho
quá trình nitrat hóa. Mục đích của thí nghiệm theo mẻ gồm ảnh
hưởng của nồng độ amoni đầu vào lên tốc độ phản ứng, khảo
sát mật độ vật liệu mang tới tốc độ nitrat hóa, khảo sát ảnh
hưởng của nồng độ ô xi, khảo sát ảnh hưởng của cơ chất.


17
Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như hình 2.1, tùy mục
đích thí nghiệm sẽ thay đổi mật độ vật liệu mang chứa vi sinh
từ 5%-30% và nồng độ N-NH4+ đầu vào khác nhau từ 10
mgN/L đến 50 mgN/L.
2.4.2. Sơ đồ thí nghiệm liên tục
Khi ghép nhiều bể phản ứng liên tục khuấy trộn đều

với nhau thì tổ hợp của chúng tiệm cận tính năng của dòng đẩy
lý tưởng. Thí nghiệm dòng liên tục với mục đích xác định các
thông số động học của các hệ thống xử lý nước. Các thí nghiệm
với dòng liên tục được bố trí
với các mô hình gồm: 1 bình
phản ứng, 2 bình phản ứng và
3 bình phản ứng nối tiếp nhau.
Các thông số động học được

Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm

tính toán qua các thí nghiệm.

liên tục 1 bình phản ứng

Các bình phản ứng hình trụ có
thể tích 5 lít, được bổ sung vật
liệu mang vi sinh tương
đương 20% dung tích bể và

Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm 2

được ghép nối tiếp nhau. Sơ

bình nối tiếp

đồ thí nghiệm được bố trí như
các hình

từ 2.2 đến 2.4 sẽ

được thí nghiệm với nồng độ
amoni đầu vào thay giao động

Hình 2.4.Sơ đồ thí nghiệm 3

từ 10-50 mgN/L và độ kiềm,

bình nối tiếp

phốt pho luôn đảm bảo.


18
2.5. Mô hình pilot MBBR thực tế
2.5.1. Vị trí lắp đặt Pilot
Căn cứ vào kết quả các thông số động học đã xác định
được từ mô hình trong phòng thí nghiệm để tính toán thiết kế
pilot MBBR công suất 5 m3/h.
Nhà máy nước sạch Yên Xá – Huyện Thanh Trì với
công suất thiết kế 6.000 m3/ngđ cung cấp nhu cầu nước sạch
cho nhân dân Yên Xá với 4 giếng khai thác nước ngầm. Pilot
sẽ được lắp đặt sau dây chuyền xử lý sắt hiện có. Nước sau bể
lọc được dẫn vào hệ thiết bị xử lý amoni trước khi được khử
trùng.
2.5.2. Vận hành pilot và lấy mẫu pilot
Sau khi lắp đặt pilot, kiểm tra các thiết bị cho tiến hành
chạy thử pilot trong điều kiện vận hành liên tục 24/24 giờ, cấp
khí đảm bảo sự khuấy trộn hoàn toàn trong ngăn hiếu khí. Điều
chỉnh lưu lượng tăng dần từ 1-5m3/h trong thời gian 1 tháng,

sau đó cho vận hành liên tục 3 tháng với lưu lượng thiết kế và
lấy mẫu sau xử lý hàng ngày để kiểm tra các chỉ số amoni,
nitrit, nitrat, độ kiềm.


19
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Vật liệu mang vi sinh
Thông số cơ sở của VLM
Vật liệu mang dạng xốp DHY được sản xuất từ nhựa
polyuretan với 5 mẫu được lựa chọm M1, M2, M3, M4, M5 lần
lượt có tỷ lệ chất phụ gia CaCO3 là 0%, 5%, 10%, 15%, 20%
và kết quả lần lượt là khối lượng riêng biểu kiến
0.021-0.027 g/mL; khối lượng riêng thực 0.203-0.283 g/mL, độ
xốp 92,7-93,8%; diện tích bề mặt 6000-8000 m2/m3.
3.2. Xác định các thông số động học
3.2.1. Quá trình nitrat hóa
Tốc độ nitrat hóa
Kết quả k và n tìm được trong bảng 3.5a thay vào
phương trình 2-6: r  k.Snra với giá trị amoni đầu ra theo QCVN
là 3mg/L (2,3mgN/L) sẽ xác định được giá trị tốc độ nitrat hóa
trung bình là 16,25 mgN/L.h quy đổi về tải lượng xử lý amoni
theo 20% vật liệu mang vi sinh trung bình là 1950,00
gN/m3.VLM.ngày.
Tính toán hệ số tiêu thụ cơ chất k và chỉ số bán bão
hòa Ks từ thực nghiệm
Từ bảng 3.7 kết quả tính toán k và Ks có thể thấy, hệ
số tiêu thụ cơ chất tăng khi nồng độ N-NH4+ đầu vào giảm, giá
trị k từ 0,4-0,6. Với chỉ số bán bão hòa Ks cũng dao động ổn
định quanh giá trị trung bình là 1. Chỉ số bán bão hòa Ks trong

khoảng từ 0,92-1,13 là phù hợp với các nghiên cứu
Xác định hiệu suất sinh khối Y và hệ số phân hủy nội
sinh kp


20
Từ biểu đồ tính toán được hiệu suất sinh khối Y và hệ
số phân hủy nội kp, có thể có một vài nhận xét về sự hình thành
sinh khối như sau: khi nồng độ amoni càng tăng hiệu suất sinh
khối có su thế giảm tuy nhiên các giá trị dao động trong
khoảng hẹp 0.1-0.38. Giá trị kp thấp thể hiện khả năng duy trì
hoạt tính cao của vi sinh vật trong hệ xử lý dao động trong
khoảng 0.01-0.04.
3.2.2 Xác định phương trình tốc độ khử nitrat riêng (U)
đồng thời trong hệ bể hiếu khí
Từ bảng 3.11 có thể lựa chọn k và n giá trị trung bình
theo biểu đồ hồi quy số liệu cho phương trình thực nghiệm tính
toán tốc độ khử nitrat riêng U = k.c-n . Giá trị k trong khoảng
0,04-0,48 và n trong khoảng 0,6-1,08.
3.3. Mô hình pilot MBBR thực tế
- Thiết kế pilot MBBR chạy thử tại Yên Xá để kiểm
chứng lại thông số động học đại diện đã chọn và kết quả cho
thấy có sự tương đồng giữa kết quả mô hình phòng thí nghiệm
và pilot thực tế. Các thông số động học được lựa chọn cụ thể
như sau:
- Thông số động học quá trình nitrat hóa
Bảng 3.24. Thông số động học đặc trưng quá trình nitrat hóa
Giá trị
Thông số
Khoảng

Hiệu suất sinh khối Y (gSK/gNH4+-N)
Hệ số tiêu thụ cơ chất riêng k (d-1)
Chỉ số bán bão hòa Ks, NH4+ (gN/m3)
Hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1)

0.1 – 0.38
0.41 – 0.61
0.92 – 1.13
0.01 – 0.04

Đại
diện
0.25
0.55
1.00
0.035


21
- Phương trình thực nghiệm tốc độ khử nitrat riêng
trong điều kiện hiếu khí và sử dụng cơ chất từ phân hủy nội
sinh
Bảng 3.25. Hệ số động học đặc trưng quá trình khử nitrat riêng
Giá trị

Thông số
Khoảng

Đại diện

Hệ số k

0,04 - 0,48

0,4

Hệ số n

0,6-1,08

0,6

Công thức tính toán tốc độ khử nitrat riêng: U=0,4.c-0,6

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
1. Một nghiên cứu về công nghệ MBBR với vật liệu
mang vi sinh có độ xốp và diện tích bề mặt cao ứng dụng cho
xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà Nội đã khẳng định quá
trình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng môi trường hiếu khí
vẫn đạt hiệu quả cao về xử amoni và cho thấy được hiệu quả
ứng dụng trong thực tế để giải quyết vấn đề ô nhiễm amoni
trong nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt của nhân dân thủ đô
đảm bảo quy chuẩn cho phép (QCVN01:2009/BYT).
2. Luận án cũng chứng minh được quá trình khử nitrat
đã được thực trong màng vi sinh với cơ chất là quá trình phân
hủy nội sinh đảm bảo hiệu suất khử nitrat khoảng 30% mà
không cần bổ sung cơ chất từ bên ngoài.
3. Kết quả chạy thử pilot hệ thiết bị xử lý amoni với

22
công suất thiết kế 5m3/h được thiết kế tích hợp bể MBBR với
bể lọc tự rửa DHK sử dụng vật liệu lọc cát thạnh anh cỡ hạt
0,7-1,2 mm, nồng độ amoni đầu vào 20 mgN/L, thời gian lưu
thủy lực 2 giờ trong điều kiện hiếu khí và không cần bổ sung
cơ chất mà vẫn đảm bảo việc xử lý amoni về tiêu chuẩn cho
phép.
4. Luận án này đã đưa ra bộ thông số tính toán và thiết
kế hệ thiết bị xử lý amoni cho việc tách loại amoni trong nước
ngầm Hà Nội đó là công nghệ màng vi sinh chuyển động với
giá

thể

DHY

có

diện

tích

bề

mặt

cao

khoảng

6.000- 8.000 m /m , trọng lượng khoảng 20-50 kg/m , mật độ
2

3

3

vật liệu mang là 20% theo thể tích bể. Với một thiết kế tích hợp
bể MBBR với bể lọc tự rửa DHK đã làm cho công trình xử lý
amoni chỉ còn một khối công trình thay vì 4 khối công trình
như công nghệ truyền thống (bể nitrat hóa, bể khử nitrat, bể sục
khí tăng cường và bể lọc).
KIẾN NGHỊ
1. Giới hạn nghiên cứu của luận án là xử lý nước
ngầm ô nhiễm amoni với nồng độ nhỏ hơn 25mg/L (20
mgN/L) trong điều kiện không bổ sung cơ chất cho quá trình
khử nitrat. Vì vậy cần tiếp tục nghiên cứu bổ sung cơ chất và
tuần hoàn nước để tăng tốc độ khử nitrat nhằm xử lý nước ô
nhiễm amoni với nồng độ cao hơn.
2. Tiếp tục nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni
với việc sử dụng các quy trình mới như Anammox hoặc Sharon
để tăng hiệu quả xử lý và tiếp kiệm năng lượng.


23
3. Tiếp tục nghiên cứu phát triển vật liệu mang dạng
xốp để tăng độ bền cơ học và tăng khả năng ngậm nước.
4. Kiến nghị sử dụng các kết quả nghiên cứu của luận
án làm tiền đề cho việc nghiên cứu và ứng dụng xử lý ô nhiễm

amoni trong nước ngầm Hà Nội đảm bảo tiêu chuẩn
QCVN01:2009/BYT về chỉ tiêu amoni, nitrit và nitrat cấp nước
sạch cho nhân dân thủ đô và mở rộng cho các địa phương khác
tại Việt Nam.
ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY có tiết diện bề
mặt cao cho phép tích hợp quá trình nitrat hóa và khử nitrat
trong cùng một bể xử lý, ngay tại ngăn hiếu khí của bể.
- Quá trình khử nitrat mà không cần bổ sung cơ chất
bên ngoài, sử dụng cơ chất từ phân hủy nội sinh.
- Thiết kế tích hợp bể MBBR với bể lọc tự rửa dưới
dạng modul để loại bỏ amoni trong nước ngầm Hà Nội.