Nghiên cứu ứng dụng mô hình egsb kết hợp anammox để xử lý nitơ trong nước thải thuộc da

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----o0o----

TR N QU NG

Ả

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH EGSB
KẾT HỢP N MMOX ĐỂ XỬ LÝ N TƠ TRONG
NƯỚC T Ả T U

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN T Ạ SĨ

TP.HCM, 2017


ĐẠ

Ọ QU

G

TP

M

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----o0o----

TR N QU NG

Ả

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH EGSB
KẾT HỢP N MMOX ĐỂ XỬ LÝ N TƠ TRONG
NƯỚ T Ả T U

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN T Ạ SĨ

TP.HCM, 2017


Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – Đ QG-HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong
Cán bộ chấm nhận xét 1:

S TS

Đ

Trung

Cán bộ chấm nhận xét 2:

S TS Đ ng Vi t

ng

Luận văn thạ sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bá h Khoa, Đ Q Tp

CM

ngày 18 tháng 01 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạ sĩ gồm:
1.

S TS

gu ễn hƣớ D n Ch t h

2. TS Đ ng V B h ạnh
3. PGS.TS.
4.

Đ

Trung (PB1)

S TS Đ ng Vi t

5. TS

vi n

gu ễn hật u

ng (PB2)
Thƣ

Xác nhận c a Ch t ch Hội đồng đánh giá V và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa.

CHỦ TỊCH H

ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

C NG HÒA XÃ H I CHỦ NG Ĩ V ỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN T Ạ SĨ
Tr n Q

Họ tên học viên:

ng

ả

MSHV: 1570560

gà , tháng, năm sinh: 12/03/1992

ơi sinh: B n Tr

Kỹ thuật Môi trƣờng

Chuyên ngành:

MN: 60 52 03 20

TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH EGSB KẾT HỢ A AMMOX ĐỂ
XỬ Ý ITƠ TRO

ƢỚC T ẢI T U C DA.

II. NHIỆM VỤ VÀ N I DUNG:
- Thích nghi nhóm vi khuẩn Anammox.
- Kiểm soát các y u tố pH, DO, HRT nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho hiệu
quả xử lý ở từng giai đoạn vận hành.
- Tăng tải trọng nitơ để đánh giá hiệu quả xử l nitơ a mô hình.
- Khả năng th h nghi và sinh trƣởng a vi huẩn Anammo trong mơ hình E SB
- Khả năng lƣu giữ và tạo hạt n a mơ hình E SB
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2016
V. CÁN B

ƯỚNG DẪN: PGS. TS. NGUYỄN TẤN PHONG
Tp. HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2016

CÁN B

ƯỚNG DẪN

TRƯỞNG

CHỦ NHIỆM B

O

MÔN ĐÀO TẠO


LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ là một cột mốc quan trọng để đánh giá
quá trình học tập và nghiên cứu của tôi trong suốt hơn thời gian qua tại Khoa Môi
trường và Tài nguyên – Đại học Bách Khoa Tp.HCM. Để luận văn có thể được hồn
hỉnh, ngồi sự cố gắng, nỡ lực nghiên cứu khoa học một cách nghiêm túc nhất của bản
thân thì cịn có sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của nhiều thầy cô và bạn bè. Tôi
xin gửi đến lời cảm ơn chân thành nhất đến với:
Thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Phong là giảng viên hướng dẫn cho luận văn tốt
nghiệp của tôi. Trong suốt thời gian hơn một năm để thực hiện luận văn, nếu khơng có
sự hướng dẫn, giúp đỡ về mặt kiến thức, kỹ năng, cũng như kinh phí của Thầy thì luận
văn khó có thể thể hồn thành. Lời biết ơn sâu sắc nhất của tơi xin gửi đến Thầy.
Sinh viên là Nguyễn Minh Đức – Khóa 2011 của Khoa Mơi trường và Tài
ngun đã đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện các nghiên cứu tại phịng thí

nghiệm. Với sự cần cù, chăm chỉ và ham học hỏi của hai bạn sinh viên trong q trình
làm việc mà nghiên cứu đã hồn thành đúng thời hạn với những mục tiêu đề ra.
Các anh chị, thầy cơ làm việc tại Phịng Thí nghiệm Cơng nghệ Mơi trường đã
giúp đỡ và hỡ trợ nhiệt tình trong mọi hoạt động của nghiên cứu.
Trân trọng.
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016
TRẦN QUANG KHẢI

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nước thải thuộc da chưa qua xử lý là một trong những tác động tiêu cực đến sức
khỏe con người và môi trường. Hầu hết các hệ thống xử lý nước thải thuộc da hiện
nay khơng có hiệu quả xử lý khơng ởn định. Chi phí vận hành cho các công nghệ xử
lý nitơ trong nước thải hiện nay khá cao, chủ yếu liên quan đến nhu cầu cung cấp oxy
và các thành phần hữu cơ. Công nghệ bùn hạt mở rộng (EGSB) với vận tốc dòng chảy
lớn cho khả năng xử lý các chất độc trong nước thải và có khả năng lưu giữ bùn tốt.
Bên cạnh đó, q trình anammox khơng địi hỏi cung cấp oxy mà vẫn loại bỏ được
nitơ trong nước thải. Trong nghiên cứu này tập trung vào quá trình anammox trong bể
phản ứng EGSB để loại bỏ nitơ trong nước thải thuộc da với các tải trọng nitơ khác
nhau. Mơ hình EGSB trong phịng thí nghiệm có 2 phần: phần cột kỵ khí và phần tách
khí với tởng thể tích là 10 lít. Cột kỵ khí có chiều cao 100cm, đường kính trong và
ngồi lần lượt là 8,8 cm và 9,0 cm. Phần tách khí có dạng hình khối với cạnh là 20 cm.
Tỉ lệ chiều cao và đường kính của mơ hình là 13,6. Trên thân cột kỵ khí có 3 van được
phân bố cách đều nhau 30cm dùng để lấy mẫu phân tích khi cần thiết. Ở điều kiện khí
hậu Việt Nam, mơ hình được bắt đầu với tải trọng nitơ 0,25 kgN/m3/ngày để vi sinh
thích nghi với nước thải thuộc da. Mơ hình được kiểm sốt với điều kiện: pH = 6,5 –
7,0; DO < 1,0 mg O2/L, HRT = 8 – 24 giờ. Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả xử
lý ở tải trọng 0,25 kgN/m3.ngày là 41% NH4+-N và 53% NO2--N, ở tải trọng 0,5

kgN/m3.ngày là 46% NH4+-N và 62% NO2--N, ở tải trọng 1 kgN/m3.ngày là 49%
NH4+-N và 61% NO2--N, ở tải trọng 2 kgN/m3.ngày là 64% NH4+-N và 60% NO2--N
còn ở tải trọng 3 kgN/m3.ngày là 69% NH4+-N và 67% NO2--N.

ii


ABSTRACT
Untreated tannery wastewater is one of the negative impacts of wastewater on
the environment and human health. Most of tannery wastewater treatment system
currently is not stable efficiency treatment. Operating costs for nitrogen removal
technology in wastewater is relatively high, mainly related to oxygen demand and
removal organic component. Expanded granular sludge bed (EGSB) as high velocity
up-flow, with the ability to treatment the toxins in wastewater. The anammox process
that does not requires supplying oxygen for nitrogen removal. This research focuses
on combining the anammox process in EGSB reactor to remove nitrogen in tannery
wastewater at different nitrogen load rates (NLRs). A lab-scale experiment included
an EGSB reactor with annamox used to treat tannery wastewater which 10 liters
volume consists of two parts: an anaerobic column and a gas separation unit. The
anaerobic column’s height is 100 cm. Internal and external diameter cylindrical
column is respective 8.8 cm and 9.0 cm. The gas separation unit is a square box with
sides 20 cm. The ratio of height and diameter of the model is 13.6. On the anaerobic
column have 3 valves at the same distance 30 cm for sampling wastewater and sludge
characteristic when necessary. At the temperature condition in Vietnam, the model
was started at the nitrogen load rate input at 0.25 kg N/m3.day for microbial adaptation
with tannery wastewater. The model is operated with conditions: pH = 6.5 – 7.0; DO
< 1.0 mg O2/L; HRT = 8-24h. Results show that, about 41% effectively removal
ammonia and 53% effectively removal nitrite with ammonia nitrogen loading rate
0.25 kg NH4+-N/m3.day; about 46% effectively removal ammonia and 62% effectively
removal nitrite with ammonia nitrogen loading rate 0.5 kg NH4+-N/m3.day; about 49%

effectively removal ammonia and 61% effectively removal nitrite with ammonia
nitrogen loading rate 1 kg NH4+-N/m3.day; about 64% effectively removal ammonia
and 60% effectively removal nitrite with ammonia nitrogen loading rate 2 kg NH4+N/m3.day; about 69% effectively removal ammonia and 67% effectively removal
nitrite with ammonia nitrogen loading rate 3 kg NH4+-N/m3.day.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên: Trần Quang Khải, là học viên Cao học Chun ngành Kỹ thuật Mơi
trường - khóa 2015. Tôi xin cam đoan:
- Luận văn cao học với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình EGSB kết hợp q
trình Anammox để xử lý nitơ trong nước thải tḥc da” là do chính tơi thực hiện tại
Phịng Thí nghiệm Công nghệ Môi trường Nâng cao của Khoa Môi trường và Tài
nguyên, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
- Các kết quả và số liệu trong luận văn là do tôi thực hiện và chưa được công bố
ở các nghiên cứu của các tác giả khác dưới bất kỳ hình thức nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước Nhà trường về kết quả nghiên cứu
trong luận văn tốt nghiệp này.
Học viên

Trần Quang Khải

iv


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1
1.1.

Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1

1.2.

Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 2

1.3.

Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................... 2

1.4.

Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 2

1.5.

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 2

1.6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................... 3

1.6.1.

Ý nghĩa khoa học........................................................................................ 3

1.6.2.

Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................ 3

1.7.

Tính mới của đề tài ........................................................................................... 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ...................................................................................... 4
2.1.

Tổng quan về nước thải thuộc da ...................................................................... 4

2.1.1.

Nguồn phát sinh ......................................................................................... 4

2.1.2.

Tính chất nước thải thuộc da và tác động đến mơi trường......................... 7

2.2.

Tởng quan về các q trình sinh học để xử lý nitơ trong nước thải ................. 9

2.2.1.

Quá trình nitrat hóa và khử nitrat truyền thống.......................................... 9

2.2.2.

Q trình nitrit hóa bán phần ................................................................... 14

2.2.3.

Q trình Anammox ................................................................................. 18

2.3.

Tởng quan về Expanded Granular Sludge Bed Reactor (EGSB) ................... 38

2.3.1.

Giới thiệu về bể phản ứng Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) ....... 38

2.3.2.

Giới thiệu về Expanded Granular Sludge Bed reactor (EGSB) ............... 39

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 41
3.1.

Mơ hình nghiên cứu ........................................................................................ 41

3.1.1.

Mơ hình nitrit hóa bán phần ..................................................................... 41

3.1.2.

Mơ hình EGSB ......................................................................................... 43

3.1.3.

Thiết bị ..................................................................................................... 46

3.1.4.

Nước thải .................................................................................................. 46

3.1.5.

Bùn nuôi cấy ban đầu ............................................................................... 47
v


3.2.

Vận hành mơ hình ........................................................................................... 47

3.2.1.

Giai đoạn vận hành với nước thải nhân tạo.............................................. 47

3.2.2.

Giai đoạn vận hành với nước thải thuộc da.............................................. 48

3.3.

Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu ......................................................... 49

3.3.1.

Phương pháp xác định sinh khối .............................................................. 49

3.3.2.

Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu .................................................... 50

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN............................................................. 53
4.1.

Thích nghi vi khuẩn Anammox với nước thải tổng hợp ................................. 53

4.2.

Giai đoạn vận hành với nước thải thuộc da .................................................... 54

4.2.1.

Kết quả thí nghiệm với tải trọng 0,25 kgN/m3.ngày ................................ 56

4.2.2.

Kết quả thí nghiệm với tải trọng 0,5 kgN/m3.ngày .................................. 57

4.2.3.

Kết quả thí nghiệm với tải trọng 1 kgN/m3.ngày ..................................... 58

4.2.4.

Kết quả thí nghiệm với tải trọng 2 kgN/m3.ngày ..................................... 59

4.2.5.

Kết quả thí nghiệm với tải trọng 3 kgN/m3.ngày ..................................... 60

4.2.6.

Tốc độ loại bỏ tổng nitơ (TNRR) ............................................................. 61

4.2.7.
thụ

Tỉ lệ nitơ loại bỏ, NO2--N tiêu thụ và NO3--N sinh ra so với NH4+-N tiêu
.................................................................................................................. 62

4.2.8.

Sự thay đổi pH trong thời gian vận hành ................................................. 63

4.2.9.

Quan sát sinh khối Anammox .................................................................. 64

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 66
5.1.

Kết luận ........................................................................................................... 66

5.2.

Kiến nghị ......................................................................................................... 67

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Đặc điểm và lượng nước tiêu thụ trong các cơ sở thuộc da Việt Nam ....... 4
Bảng 2.2: Sơ đồ cơng nghệ và các dịng nước thải trong sản xuất thuộc da ............... 6
Bảng 2.3: Định mức hóa chất và tiêu thụ nước trong cơng nghệ thuộc da ................. 7
Bảng 2.4: Đặc tính nước thải thuộc da ........................................................................ 8
Bảng 2.5: So sánh các quá trình xử lý nitơ ................................................................ 12
Bảng 2.6: Ảnh hưởng của nồng độ DO đến q trình nitrat hóa............................... 17
Bảng 2.7: Một số vi khuẩn tham gia vào quá trình anammox................................... 23
Bảng 2.8: Các tên gọi cho các hệ thống loại bỏ nitơ liên quan đến quá trình Anammox
................................................................................................................................... 31
Bảng 3.1: Thành phần, tính chất nước thải thuộc da sau hóa lý................................ 43
Bảng 3.2: Thơng số thiết kế mơ hình ........................................................................ 45
Bảng 3.3: Các thiết bị của mơ hình EGSB ................................................................ 46
Bàng 3.4: Thành phần, tính chất nước thải thuộc da sau PN .................................... 46
Bảng 3.5: Bảng hóa chất bở sung cho q trình ........................................................ 46
Bảng 3.6: Thành phần nước thải tởng hợp ................................................................ 47
Bảng 3.7: Điều kiện vận hành mơ hình EGSB với nước thải tổng hợp ................... 48
Bảng 3.8: Điều kiện vận hành mơ hình EGSB với nước thải thuộc da ................... 48
Bảng 3.9: Các thông số và phương pháp phân tích ................................................... 49
Bảng 4.1: Tỷ lệ tởng nitơ loại bỏ, nitrit tiêu thụ và nitrat sinh ra so với ammomium
tiêu thụ ....................................................................................................................... 63

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Chu trình chuyển hóa nitơ ......................................................................... 13
Hình 2.2: Cơng nghệ xử lý nitơ sử dụng nguồn carbon bên ngồi............................ 14
Hình 2.3: Cơng nghệ xử lý nitơ sử dụng nguồn carbon từ dịng tuần hồn .............. 14
Hình 2.4: Cơ chế sinh hóa của q trình và sơ đồ phân khoang tế bào Anammox... 22
Hình 2.5: Các quá trình Anammox khác nhau và các nguồn nitrite khác nhau ........ 31
Hình 3.1: Sơ đồ bể phản ứng nitrit hóa bán phần ...................................................... 43
Hình 3.2: Mơ hình EGSB ......................................................................................... 45
Hình 3.3: Mơ hình EGSB thực tế ............................................................................. 46
Hình 4.1: Nồng độ các hợp chất nitơ đầu vào và đầu ra của mơ hình anammox trong
giai đoạn vận hành với nước thải tởng hợp ............................................................... 54
Hình 4.2: Giá trị pH của mơ hình anammox trong giai đoạn sử dụng nước thải tởng
hợp ............................................................................................................................. 55
Hình 4.3: Nồng độ các hợp chất nitơ ở đầu vào và đầu ra của mơ hình anammox trong
quá trình vận hành với nước thải thuộc da ................................................................ 56
Hình 4.4: Sự biến thiên nồng độ nitơ với tải 0,25 kgN/m3.ngày .............................. 57
Hình 4.5: Sự biến thiên nồng độ nitơ với tải 0,5 kgN/m3.ngày ................................ 58
Hình 4.6: Sự biến thiên nồng độ nitơ với tải 1 kgN/m3.ngày ................................... 59
Hình 4.7: Sự biến thiên nồng độ nitơ với tải 2 kgN/m3.ngày ................................... 60
Hình 4.8: Sự biến thiên nồng độ nitơ với tải 3 kgN/m3.ngày ................................... 61
Hình 4.9: Tốc độ loại bỏ nitơ của quá trình anammox khi xử lý nước thải thuộc da ..
................................................................................................................................... 62
Hình 4.10: Giá trị pH biến đởi trong q trình xử lý nước thải thuộc da ................. 64
Hình 4.11: Bùn Anammox ngày đầu vận hành mơ hình EGSB .............................. 65
Hình 4.12: Bùn Anammox ngày 114 vận hành mơ hình EGSB.............................. 65
Hình 4.13: Tốc độ lắng của bùn hạt Anammox........................................................ 66

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Anammox

Anaerobic Ammonium Oxidation (Oxy hóa ammoni kị khí)

AOB

Ammonium Oxidation Bacteria (Vi kh̉n oxy hóa ammoni
thành) nitrit

BOD5

Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học cho 5 ngày)

CR

Consume rate (Tốc độ tiêu thụ)

COD

Chemical oxygen demand (Nhu cầu oxy hóa học)

DELFT

Trường đại họ kỹ thuật Delft Hà Lan

DO

Dissolve oxygen (Oxy hịa tan)

FA

Free ammonia (khí NH3)

FAS

Sắt ammonium sunfat

F/M

Food/microorganism (Dinh dưỡng/thức ăn)

FISH

Fluorescent In Situ Hybridization

G0

Nhiệt động hóa học

HGSS

Hybrid gas solid separator (sự phân tách rắn khí kết hợp)

HRT

Hydraulic retention time (Thời gian lưu nước)

HAO

Enzyme tạo thành hydroxylamine của vi khuẩn nitrosomonas

HH

Enzyme Hydrazine Hydrolase (Enzym xúc tác phản ứng tạo
hydrazine)

HZO
KU-2

Enzyme xúc tác tạo khí nitơ của vi khuẩn Anammox

MLSS

Nồng độ chất rắn lơ lửng hòa tan

MLVSS

Nồng độ chất rắn lơ lửng bay hơi

NLR

Nitrogen loading rate (Tải trọng)

NOB

Nitrite oxidation Bacteria (Vi khuẩn oxy hóa ammoni thành
nitrite)

NR

Enzym khử nitrit thành sản phẩm giả thiết là hydroxylamine

OR- N

Organic nitrogen (Nitơ hữu cơ)

RR

Removal rate (Tốc độ loại bỏ)

SNAP

Single Stage Nitrogen Removal using Anammox and Partial
Nitritation (Quá trình loại bỏ nitơ kết hợp nitrit hóa bán phầnanmmox trong một bể)

SRT

Sludge Retention Time (thời gian lưu bùn)

Vi khuẩn Candidatus Kuenenia stuttgartiensis

ix


SS

Suspended Solid (Chất rắn lơ lửng)

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen (Tổng nitơ Kjeldahl)

TN

Total Nitrogen (Tổng nitơ)

TNRR

Total nitrogen removal rate (Tốc độ loải bỏ nitơ tổng)

TSS

Total suspended solid (Tổng chất rắn lơ lửng)

UASB

Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (Bể dòng chảy ngược qua
tầng bùn kị khí)

EGSB

Expanded Granular Sludge Bed Reactor (q trình cải tiến
UASB)

VFA

Volatile fatty acids (Acid béo dễ bay hơi)

XOCs

Xenobiotic organic compounds (Các hợp chất hữu cơ
Xenobiotic)

x


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Vào thế kỉ XXI, nền kinh tế của Việt Nam bước vào giai đoạn cơng nghiệp
hóa, hiện đại hóa đất nước. Vì vậy, ngày càng có nhiều khu cơng nghiệp, khu chế xuất
được ra đời, góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế của chúng ta. Thế nhưng, bên
cạnh đó, cũng có một lượng nước thải chưa được xử lý được thải trực tiếp ra nguồn
tiếp nhận.
Nước thải ngành thuộc da chưa qua xử lý là một trong những nguồn nước thải
gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người. Trong q trình sản xuất, trải
qua các quy trình biến đởi hóa lý phức tạp, sử dụng nhiều nước, hóa chất, chất tởng
hợp, chất tự nhiên, mới có thể làm được một tấm da thuộc hồn chỉnh. Ở mỡi cơng
đoạn khác nhau sẽ tạo ra các chất thải rắn, chất thải lỏng, chất thải khí khác nhau, có
đặc trưng về thành phần chất ô nhiễm khác nhau: công đoạn hồi tươi, ngâm vơi, tẩy
lơng thì nước thải mang tính kiềm. Trong cơng đoạn làm xốp, thuộc thì nước thải lại
mang tính axit. Hơn thế nữa, trong nước thải thuộc da chứa hàm lượng nitơ rất cao.
Khi nitơ trong nước thải không được xử lý tốt thải ra môi trường sẽ ảnh hưởng rất lớn
đối với môi trường cũng như sức khỏe con người.
Hầu hết chất lượng nước thải sau hệ thống xử lý không ổn định đặc biệt là hàm
lượng nitơ trong nước thải đầu ra còn khá cao. Bên cạnh đó, chi phí vận hành cho các
cơng nghệ xử lý nitơ trong nước thải hiện tại khá tốn kém, chủ yếu liên quan đến nhu
cầu cung cấp ôxy và các thành phần hữu cơ. Không những vậy, đa số các công nghệ
xử lý hiện nay đều tạo ra lượng bùn khá lớn khi vận hành và không lưu giữ bùn tốt. Vì
vậy, việc tìm kiếm một giải pháp thích hợp để xử lý hiệu quả nitơ trong nước thải và

có lượng bùn tạo ra thấp cũng như lưu giữ bùn tốt là đáng được quan tâm.
Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa từng biết đến trước đó, về
cả lý thuyết lẫn thực nghiệm, đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anaerobic
Ammonium oxidation, viết tắt là Anammox). Trong đó, ammonium được oxy hóa bởi
nitrit trong điều kiện kỵ khí, khơng cần cung cấp chất hữu cơ để tạo thành nitơ phân

1


tử. Sự phát triển quá trình anammox đã mở ra hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ
mới, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao.
Vì vậy, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình EGSB kết hợp
q trình Anammox để xử lý nitơ trong nước thải thuộc da” được tiến hành trong
việc xử lý nước thải góp phần làm giảm ơ nhiễm môi trường, đồng thời giúp lưu giữ
sinh khối bùn Anammox một cách tốt nhất.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Nghiên cứu khả năng xử lý Nitơ trong nước thải thuộc da bằng mơ hình EGSB
(Expanded Granular Sludge Bed) kết hợp Anammox

-

Nghiên cứu khả năng lưu giữ, tạo sinh khối, tạo bùn hạt của mơ hình đối với
bùn Anammox

1.3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào:
-

Nước thải thuộc da tại khu công nghiệp Lê Minh Xn.

-

Mơ hình EGSB được thiết kế phù hợp để tạo điều kiện thích hợp cho q trình
xử lý.

1.4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
-

Thích nghi nhóm vi kh̉n Anammox.

-

Kiểm sốt các yếu tố pH, DO, HRT nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho hiệu quả
xử lý ở từng giai đoạn vận hành.

-

Tăng tải trọng nitơ để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ của mơ hình.

-

Khả năng thích nghi và sinh trưởng của vi kh̉n Anammox trong mơ hình
EGSB

-

Khả năng lưu giữ và tạo hạt bùn của mơ hình EGSB

1.5. Phương pháp nghiên cứu
-

Tởng quan tài liệu trong và ngồi nước về q trình Anammox xử lý Nitơ trong
nước thải, thiết bị xử lý và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình.
2


-

Phương pháp thực nghiệm mơ hình, nghiên cứu trên mơ hình.

-

Phương pháp lấy mẫu và phân tích.

-

Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu.

1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.6.1. Ý nghĩa khoa học
- Kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá khả năng thích nghi, sinh
trưởng và phát triển của nhóm vi kh̉n Anammox trong nước thải thuộc da.
-

Tạo cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn các yếu tố và thành phần hóa sinh trong
nước thải thuộc da ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nitơ.

-

Tạo tiền đề cho việc tính tốn thiết kế các cơng nghệ ứng dụng mơ hình EGSB
để loại bỏ nitơ trong nước thải thuộc da ở ngoài thực tế.

-

Tạo tiền đề cho việc áp dụng kết hợp các mơ hình có khả năng lưu giữ sinh
khối, tạo hạt bùn tốt.

1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai ứng dụng mơ hình EGSB kết hợp
Anammox trong xử lý nước thải thuộc da, góp phần giải quyết bài tốn ơ nhiễm
hiện nay.
-

Kết quả đề tài cũng làm tiền đề để nghiên cứu các loại nước thải khác từ một số
lĩnh vực như: Nước thải từ lị mở, nước thải từ chế biến nước tương, các xí
nghiệp chế biến thủy sản, nhà máy chế biến tinh bột sắn và thực phẩm, v.v …

1.7. Tính mới của đề tài
Xác định được khả năng ứng dụng của công nghệ EGSB cho việc xử lý nước
thải thuộc da ở Việt Nam nói chung và ở Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, bước đầu
cho việc nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm. Tuy nhiên ở Việt Nam, cơng nghệ ứng
dụng q trình Anammox này vẫn còn nghiên cứu một cách hạn chế và chưa được
ứng dụng vào thực tế.

3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
Tổng quan về nước thải thuộc da

2.1.

2.1.1. Ng̀n phát sinh
Nhìn chung hiện nay, các cơng ty thuộc da ở Việt Nam đang sử dụng công
nghệ sản xuất truyền thống, tiêu tốn nhiều nước, hóa chất, và nước thải cho ra có mức
độ ơ nhiễm cao. Có 3 cơng nghệ sản xuất có thể kể đến như:
-

Cơng nghệ 1: Từ da muối hoặc da tươi đến da hoàn thành. Tập trung chủ yếu
ở khu vực phía Bắc và miền Trung

-

Công nghệ 2: Từ công đoạn da muối hoặc da tươi đến da phèn (da wet-blue).
Tập trung tại miền Nam

-

Công nghệ 3: Từ công đoạn da phèn đến da hòan thành. Tập trung tại miền
Nam và các doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngồi.

Bảng 2.1. Đặc điểm và lượng nước tiêu thụ trong các cơ sở thuộc da Việt Nam
Công nghệ

Lượng nước sử

sản xuất

dụng/ tấn da nguyên

Đặc điểm

liệu (m3)
Quy trình 1

40 - 50

Mùi hơi, hàm lượng BOD, COD, TSS rất
cao, S2- cao, hàm lượng Crom cao
Mui hôi thối, hàm lượng BOD, COD, TSS

Quy trình 2

25 - 35

rất cao, S2- cao, hàm lượng Crom cao nhưng
thấp hơn quy trình 1

Quy trình 3

5 – 15

Mùi hơi, các thơng số ơ nhiễm đều thấp hơn
các quy trình trên
Ng̀n: Cơng ty TNHH Đặng Tư Ký 2015

Hầu hết các công đoạn trong công nghệ thuốc da là q trình ướt, đều có sử

dụng nước. Với 1 tấn da nguyên liệu, lượng nước tiêu thụ vào khoảng 30 đến 70 m3.
Lượng nước thải thường xấp xỉ lượng nước tiêu thụ. Tải lượng, thành phần chất gây ô

4


nhiễm nước phụ thuộc vào loại và lượng hóa chất được sử dụng. Từng công đoạn sản
xuất khác nhau phát sinh ra nước thải có đặc tính khác nhau như:
-

Nước thải từ công đoạn hồi tươi

-

Nước thải từ công đoạn tẩy lông, ngâm vôi

-

Nước thải từ công đoạn khử vôi, làm mềm

-

Nước thải từ công đoạn thuộc da

-

Nước thải từ cơng đoạn hồn thiện

-

Nước thải từ q trình vệ sinh máy móc, thiết bị, nhà xưởng
Trong cơng đoạn bảo quản, muối ăn NaCl được sử dụng để ướp da sống,

lượng muối sử dụng từ 100 đến 300 kg cho 1 tấn da sống. Khi thời tiết nóng ẩm có thể
dùng muối Na2SiF6 để sát trùng. Nước thải của công đoạn này là nước rửa da trước
khi ướp muối (nếu có), nước loại này chứa tạp chất bẩn, máu mỡ, phân động vật.
Trước khi đưa vào các công đoạn tiền xử lý, da muối được rửa để loại bỏ
muối, các tạp chất bám vào da, sau đó ngâm trong nước từ 8 đến 12 giờ để hồi tươi da.
Trong quá trình hồi tươi có thể bở sung các chất tẩy NaOCl, Na2CO3 để tẩy mỡ và duy
trì pH từ 7,5 đến 8,0 cho môi trường ngâm da. Nước thải của công đoạn hồi tươi có
màu vàng lục chứa các protein tan như albumin, các chất bẩn bám vào da và lơ lửng,
độ pH thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nên nước thải của công đoạn này rất
nhanh bị thối rữa.
Nước thải của công đoạn ngâm vôi và khử lơng mang tính kiềm cao do mơi
trường ngâm da trong vơi để khử lơng có độ pH thích hợp từ 11 đến 12,5. nếu pH < 11
lớp keratin trong biểu bì và collagen bị thủy phân, cịn nếu pH > 13 da bị rộp, lơng
giịn sẽ khó tách chân lơng. Nước thải của công đoạn này chứa muối NaCl, vôi, chất
rắn lơ lửng do lông vụn và vôi, chất hữu cơ, sunfua S2-.
Công đoạn khử vôi và làm mềm da có sử dụng lượng nước lớn kết hợp với
muối (NH4)2SO4 hay NH4Cl để tách lượng vơi cịn bám trong da và làm mềm da bằng
men tổng hợp hay men vi sinh. Các men này tác động đến cấu trúc da, tạo độ mềm
mại của da. Nước thải của công đoạn này mang tính kiềm, có chứa hàm lượng các
chất hữu cơ cao do protein của da tan vào nước và hàm lượng nitơ ở dạng amon hay
amoniac.
5


Trong cơng đoạn làm xốp, các hóa chất sử dụng là axit axetic, axit sunfuaric,
axit formic. Các axit này có tác dụng chấm dứt các hoạt động của enzyme, tạo mơi
trường pH từ 2,8 đến 3,5 thích hợp cho q trình khuếch tán chất thuộc vào da. Quá

trình làm xốp thường gắn với công đoạn thuộc crom. Nước thải của cơng đoạn này
mang tính axit cao.
Nước thải của cơng đoạn thuộc mang tính axit và có hàm lượng Cr3+ cao
(khoảng 100 đến 200 mg/l) nếu thuộc crom và BOD5 rất cao nếu thuộc tanin (khoảng
2000 đến 6000 mg/l). Nước thải thuộc crom có màu xanh, cịn nước thải thuộc tanin
có màu tối, mùi khó chịu.
Nước thải của các cơng đoạn ép nước, nhuộm, trung hịa, ăn dầu, hồn thiện
thường là nhỏ và gián đoạn. Nước thải chứa các chất thuộc, thuốc nhuộm và lượng
dầu mỡ dư.
Nước thải của cơ sở thuộc da nói chung có độ màu, chứa hàm lượng chất rắn
hịa tan, chất rắn lơ lửng, hàm lượng ơ nhiễm các chất hữu cơ BOD cao. Các dòng thải
mang tính kiềm là nước thải cơng đoạn hồi tươi, ngâm vôi, khử lông. Nước thải của
các công đoạn làm xốp, thuộc mang tính axit. Ngồi ra, nước thải thuộc da cịn chứa
sunfua, crom và dầu mỡ.
Bảng 2.2 Sơ đờ cơng nghệ và các dịng nước thải trong sản xuất tḥc da
Dòng vào
Nước rửa, muối, chất sát

Các công đoạn
Rửa, bảo quản, ướp muối

trùng, Na2SiF6

Dòng thải
Nước thải chứa màu, các
chất hữu cơ, protein, chất
béo

H2O, NaOCl, Na2CO3,

Rửa, hồi tươi

chất hoạt động bề mặt

Nước thải chứa NaCl,
màu, SS, các chất hữu cơ
dễ phân hủy

Na2S, Ca(OH)2, H2O

Tẩy lông, ngâm vôi

Nước thải chứa NaCl,
vôi, lông, các chất hữu
cơ, Na2S

6


Xén mép, nạo thịt và xé
H2O, (NH4)2SO4 hay

Tẩy vôi, làm mềm

Nước thải kiềm chứa vơi,
các hóa chất, protein, các

enzym, NH4Cl

chất hữu cơ

H2O, HCOOH, NaCl,

Làm xốp

Nước thải có tính axit
chứa NaCl, các axit

H2SO4
Muối crom, Na2CO3,

Thuộc da

Nước thải chứa crom và

syntan (tanin), chất diệt

chất thuộc tanin thực vật

khuẩn
Ép nước, ty

Nước thải chứa crom và
chất thuộc tanin, tính axit

Bào
H2O, NaOH, syntan,

Trung hịa, thuộc lại,

Nước thải chứa các hóa

thuốc nhuộm, axit formic,

nhuộm, ăn dầu

chất crom, dầu, syntan,

dầu động thực vật

tính axit

Nước, chất phủ bề mặt

Hồn thiện, ép, sấy, xén

Nước ép chứa các hóa

(oxit kim loại), sơn, chất

mép, đánh bóng

chất thuộc da, chất phủ bề

tạo màng

mặt, thuốc nhuộm
Da thành phẩm
Nguồn: Công ty TNHH Đặng Tư Ký 2015

2.1.2. Tính chất nước thải thuộc da và tác động đến mơi trường

Tính chất đặc trưng của nước thải thuộc da là có mùi hơi thối, hàm lượng COD,
BOD5, crom, Cl- rất cao
Bảng 2.3 Định mức hóa chất và tiêu thụ nước trong công nghệ thuộc da
(kg/100kg da muối)
Hóa chất

Cho sản xuất da cứng

Cho sản xuất da mềm

NaCl

10 – 30

10 – 30
7


Na2S

3

3

Ca(OH)2

4,5

4,5

Na2CO3

5

5

(NH4)2SO4

2

2

HCl

0,3

0,3

NaHSO3

1,5

1,5

H2SO4

4

4
2

Na2SO3

1

12

Tanin
Crom Cr2(SO4)3

10

Dầu thực vật

4

Syntan

3

Chất trợ nhuộm

3,8

Thuốc nhuộm

0,6
4

Chất hoàn thiện dung môi hữu cơ

30 – 60

30 – 35

Nước (m3/tấn da)

Nguồn: Công ty TNHH Đặng Tư Ký 2015
Bảng 2.4 Đặc tính nước thải thuộc da
Công đoạn

Lượng nước thải
(m3/tấn da muối)

pH

TS
(mg/l)

SS
(mg/l)

BOD5
(mg/l)

Hồi tươi

2,5 – 4,0

7,5 – 8,0

8000 - 28000

2500 – 4000

1100 – 2500

Ngâm vôi

6,5 – 10

10 – 12,5 16000 – 45000

4500 - 6500

6000 – 9000

Khử vôi

7,0 – 8,0

3,0 – 9,0

1200 - 12000

200 - 1200

1000 – 2000

Thuộc tanin

2,0 – 4,0

5,0 – 6,8

8000 - 50000

Làm xốp

2,0 – 3,0

2,9 – 4,0 16000 - 45000

600 - 6000

600 – 2200

Thuộc crom

4,0 – 5,0

2,6 – 3,2

300 - 1000

800 - 1200

2400 - 12000

5000 – 20000 6000 - 12000

8


Dịng tởng

30 -35

7,5 – 10

10000 - 25000

1200 - 6000

2000 – 3000

Ng̀n: Cơng ty TNHH Đặng Tư Ký 2015
Với lượng hóa chất được sử dụng trong quá trình sản xuất và đặc tính nước thải
thuộc da được thể hiện ở các bảng trên cho thấy nước thải của ngành công nghiệp này
nếu không được xử lý sẽ gây tác động lớn tới nguồn tiếp nhận. Nước thải có chứa hàm
lượng chất hữu cơ cao làm giảm hàm lượng oxy hòa tan trong nước, gián tiếp ảnh
hưởng tới đời sống của các loài động thực vật sống trong nước. Nước thải ngoài ra
cịn chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng dạng vơ cơ và hữu cơ cao làm vẩn đục dòng tiếp
nhận. Các muối vô cơ tan làm tăng độ mặn của nước, tăng áp suất thẩm thấu và độ
cứng của nước. Nước thải có chứa crom dư ở dạng Cr3+ ít độc so với Cr6+ (độ độc của
Cr3+ bằng 1/100 độ độc của Cr6+). Tuy nhiên Cr3+ có thể gây dị ứng ngồi da, làm xơ
cứng động mạch. Sự có mặt của crom trong nước thải sẽ làm giảm hoạt động phân
hủy chất hữu cơ của vi sinh vật. Nước thải chứa sunfua gây mùi, vị khó chịu và ngộ
độc cho cá. Với độ mặn cao do có chứa hàm lượng NaCl cao, nước thải thuộc da khi
ngấm vào đất sẽ làm đất cằn cỗi và ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm.

2.2.

Tổng quan về các quá trình sinh học để xử lý nitơ trong nước thải

2.2.1. Quá trình nitrat hóa và khử nitrat truyền thống
2.2.1.1. Quá trình nitrat hóa
Nitrate hóa lần lượt bao gồm 2 bước, đầu tiên ammonia chuyển thành nitrite,
sau đó nitrite được oxy hố thành nitrate. Q trình diễn ra nhờ vào 2 chủng vi khuẩn
tự dưỡng: Vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB).
Trong bước oxy hố ammonia, Nitrosomonas là loại được tìm thấy nhiều nhất trong
nhóm AOB và các loại khác bao gồm: Nitrosococcus và Nitrosospira, Nitrosolobus và
Nitrosorobrio (Watson và cộng sự, 1981). Trong bước tiếp theo, oxy hoá nitrite thành
nitrate, Nitrobacter là loại được tìm thấy nhiều nhất trong nhóm NOB và các loại khác
bao gồm: Nitrospina, Nitrococcus và Nitrospira và Nitroeystis (Watson và cộng sự,
1981). Q trình thơng thường được chỉ ra trong các phản ứng năng lượng (phản ứng
2-1 và 2-2):

9


Bước oxy hóa ammonia (Van de Graaf và cộng sự, 1995):
AOB

NH4+ + 1,5O2 →

+
NO−
2 + 2H + H2 O

(2.1)

Bước oxy hóa nitrite:
NOB

NO−
2 + 0,5O2 →

NO−
3

(2.2)

Vi sinh vật sinh trưởng và duy trì bởi năng lượng nhận được từ các phản ứng
này. Phản ứng tồn bộ về năng lượng được mơ tả ở phản ứng 2-3:
+
NH4+ + 2O2 → NO−
3 + 2H + H2 O

(2.3)

Hơn nữa, hợp chất C5H7O2N đại diện cho các tế bào vi khuẩn và việc hình
thành tế bào vi khuẩn được mô tả ở phản ứng 2.4 (Tchobanoglous và cộng sự, 1991):
−
NH4+ + 1,83O2 + 1,98HCO−
3 → 0,021C5 H7 NO2 + 0,98NO3 + 1,04H2 O + 1,88H2 CO3

(2.4)
Lượng hóa chất u cầu cho q trình này có thể được tính tốn dựa vào phản
ứng 2.4. Xấp xỉ cần khoảng 4,2 mg O2 để oxy hóa 1mg NH4+-N oxy hóa thành 1mg
NO3--N. Trong q trình loại bỏ nitơ truyền thống, một lượng độ kiềm lớn được tiêu

thụ (8,63 mg HCO3- hoặc 7,1 mg CaCO3 trên 1 mg NH4+-N bị oxy hóa) (Sedlak,
1991).
Các yếu tố ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa là nhiệt độ, pH, DO, NH3 tự do,
acid nitrous. Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrate, nhưng
việc định lượng ảnh hưởng của nó thì rất khó khăn. Nhiệt độ phù hợp cho vi khuẩn
nitrate hóa là khoảng 350C và dao động từ 4-450C (Tchobanoglous và cộng sự, 1991).
pH cũng ảnh hưởng lớn đến vi khuẩn này, và pH tốt nhất cho vi khuẩn này hoạt động
là 7,5- 8,6. Nồng độ DO nên duy trì lớn hơn 1 mg/L. Ngược lại, nồng độ oxy thấp sẽ
trở thành chất ức chế và quá trình nitrate hóa sẽ chậm hoặc dừng lại.

10


2.2.1.2. Quá trình khử nitrate
Khử nitrate là quá trình chuyển nitrate thành nitơ tự do thông qua nitrite và các
chất trung gian khác dưới điều kiện thiếu khí. Việc chuyển hóa này có thể đạt được do
một vài loại vi khuẩn như: Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, Micrococcus,
Proteus, v.v… (Tchobanoglous và cộng sự, 1991). Q trình này địi hỏi nguồn
cacbon (ví dụ methanol, etanol, acetate và glucose) cho sự phát triển của vi khuẩn do
chúng là vi khuẩn dị dưỡng. Do đó giá thành xử lý sẽ tăng cao, nhất là khi nước thải
có hàm lượng nitơ cao và nguồn cacbon hữu cơ dễ phân hủy sinh học có trong nước
thải thấp (ví dụ:1 g NO3--N sẽ cần tiêu tốn 2,47 g methanol). Khử nitrate bao gồm 2
bước chính: nitrate chuyển thành nitrite và nitrite chuyển thành một số sản phẩm trung
gian khác trước khi được khử thành khí nitơ.
−
NO−
3 → NO2 → NO → 0,5N2 O → 0,5N2

(2.5)

Nếu sử dụng methanol như nguồn cung cấp carbon cho tế bào thì phương trình
mơ tả q trình khử nitrat như sau:
 Bước 1:
−
6NO−
3 + 2CH3 OH → 6NO2 + 2CO2 + 4H2 O

(2.6)

 Bước 2:
−
6NO−
2 + 3CH3 OH → 3N2 + 2CO2 + 3H2 O + 6OH

(2.7)

Tởng hợp 2 phương trình ta có:
−
6NO−
3 + 5CH3 OH → 3N2 + 5CO2 + 7H2 O + 6OH

(2.8)

Theo (McCarty và công sự, 1969), 25% đến 30% lượng methanol cần thiết cho
nhu cầu năng lượng tổng hợp tế bào. Trong một nghiên cứu qua mơ phịng thí nghiệm,
(McCarty và cơng sự, 1969) đã đưa ra phương trình mô tả phản ứng khử nitrat như
sau:
+
NO−
3 + 1,08CH3 OH + H → 0,065C5 H7 NO2 + 0,47N2 + 2,44H2 O + 0,76CO2 (2.9)

Giống như q trình nitrate hóa, có một vài yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử
nitrate. Sự hiện diện của oxy tự do sẽ cản trở sự hoạt động hệ thống enzym cần cho
quá trình khử nitrate. Thơng thường thì giá trị pH tăng lên trong suốt q trình khử
nitrate thành khí nitơ do tạo ra độ kiềm. pH thích hợp cho q trình này dao động từ 7
11