Nghiên cứu ứng dụng mô hình egsb kết hợp anammox để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN
----o0o----

ĐẶNG ĐÌNH NƠ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH EGSB KẾT
HỢP ANAMMOX ĐỂ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC
RỈ RÁC CŨ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM, tháng 02 năm 2016


ii

Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lê Công Nhất Phương
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Huỳnh Ngọc Phương Mai
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
18 tháng 01 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS Nguyễn Phước Dân (chủ tịch)

2. TS. Nguyễn Như Sang (ủy viên)
3. TS. Trần Tiến Khôi (thư ký)
4. TS. TS. Lê Công Nhất Phương (phản biện 1)
5. TS. Huỳnh Ngọc Phương Mai (phản biện 2)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


iii

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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 31 tháng 12 năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

MSHV: 13251210

Đặng Đình Nô

Ngày, tháng, năm sinh: 06/01/1989

Chuyên ngành:

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Kỹ thuật Môi trường

MN: 60 52 03 20

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH EGSB KẾT HỢP ANAMMOX ĐỂ
XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC CŨ.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Vận hành mơ hình EGSB xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng bùn hoạt
tính Anammox.
 Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ của mơ hình EGSB ở tải trọng khác nhau.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. NGUYỄN TẤN PHONG
Tp. HCM, ngày … tháng … năm …
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong

TRƯỞNG KHOA


iv

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn Thạc sỹ này, lời đầu tiên tôi xin được gửi lời biết ơn
chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong đã hỗ trợ kinh phí thực
hiện đề tài và ln quan tâm, tận tình hướng dẫn tơi về chun mơn trong suốt q
trình thực hiện đề tài.
Tơi cũng xin cảm ơn tất cả các Thầy Cô giáo trong Khoa Môi trường và Tài
nguyên, trường Đại học Bách Khoa đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức trong thời gian
tơi theo học tại trường.
Xin cảm ơn các Anh, Chị trong Phòng Thí Nghiệm Khoa Mơi trường đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi và hướng dẫn nhiệt tình khi tơi làm việc tại đây.
Xin gởi lời cảm ơn đặc biệt nhất đến các anh, chị, các bạn cùng làm việc trong
phịng thí nghiệm và các em sinh viên khoa Môi trường và Tài nguyên, trường Đại
học Bách Khoa đã luôn đồng hành, giúp đỡ, chia sẻ và an ủi tôi những lúc khó khăn
nhất.
Lời cuối cùng tơi xin gởi những tình cảm sâu sắc nhất đến ba mẹ và gia đình tơi,
nguồn động viên tinh thần lớn nhất của tôi. Xin cảm ơn ba mẹ đã nuôi dạy tôi trưởng
thành, luôn yêu thương và ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016

Đặng Đình Nô


vi

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Nước thải có hàm lượng nitơ cao thì việc xử lý để loại bỏ chúng trước khi xả vào
nguồn nước đang là nhu cầu cấp thiết hiện tại và tương lai. Hiện tại, quá truyền thống
đang được áp dụng rộng rãi ở các nhà máy xử lý nước thải. Tuy nhiên, q trình
truyền thống này địi hỏi chi phí đầu tư và vận hành cao. Gần đây, một quá trình mới

(Anammox) đã được phát hiện và chứng minh có khả năng loại bỏ nitơ ở hiệu quả cao
với chi phí đầu tư xây dựng và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình truyền thống.
Luận văn này tập trung vào “ứng dụng quá trình Anammox (anaerobic ammonia
oxidation) trong mơ hình EGSB để xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ từ bãi chơn lấp Gị
Cát-TP Hồ Chí Minh”. Với mục đích tăng tải trọng xử lý nitơ và xác định các đặc tính
của bùn gây ảnh hưởng đến hiệu quả.
Mơ hình EGSB được vận hành với các tải trọng nitơ đầu vào là 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 và
4,0 kg N/m3.ngày. Điều kiện vận hành bao gồm: pH = 6,5-7,2; DO<1,0 mgO2/l; HRT
= 9 giờ. Sau một thời gian vận hành thí nghiệm với tải trọng nitơ đầu vào là 4,0 kg
N/m3.ngày, hiệu quả loại bỏ nitơ đã đạt được là 2,55 kg N/m3.ngày. Mơ hình cho thấy
hiệu quả loại bỏ nitrit và ammonia rất lần lượt là 73 ± 0,1% và 69 ± 0,19%. Hơn nữa
MLSS tăng nhanh chóng từ 5500 mg/L đến 13880 mg/L trong vịng 120 ngày. Kết
quả cho thấy mơ hình EGSB có khả năng đạt được tải trọng loại bỏ nitơ cao trong thời
gian ngắn.


vii

ABSTRACT
Wastewater with high nitrogen content, the disposal to remove them before
discharge to water is an urgent need present and future. Currently, the tradition is
being widely applied in wastewater treatment plants. However, this traditional process
requires investment cost and high operational. Recently, a new process (anammox)
was discovered and proved capable of removing nitrogen in a cost effective
construction and operation more competitive compared with the traditional process.
This thesis focuses on "Application processes anammox (anaerobic ammonia
oxidation) in EGSB system for handling nitrogen in leachate from landfills old Go
Cat-HCMC". With the aim of increasing nitrogen loads to process and determine the
characteristics of the sludge affects efficiency.
The model UASB operated with nitrogen input load is 0.5; 1,0; 2.0; 3.0 and 4.0

kg N /m 3. day. Operating conditions includes: pH = 6,5-7,2; DO<1,0 mgO2/l; HRT =
9h. After a period of experimental operation with a load of 4.0 kg of nitrogen inputs
N/m3/day, nitrogen removal efficiency reached 2.55 kg N/m3/day. The model shows
that effectively removes ammonium nitrite and are respectively 73 and 69 ± 0.1% ±
0.19. Moreover MLSS increased rapidly from 5500 mg / L to 13,880 mg / L within
120 days. Results showed EGSB system capable of achieving high removal of
nitrogen loads in a short time.


v

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----oOo----

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: Đặng Đình Nơ

MSHV: 13251210

Sinh ngày: 06/01/1989
Nơi sinh: Quảng Ngãi
Chun ngành: Kỹ thuật Môi trường

MS: 60520320

Tên đề tài: “Nghiên cứu cứu ứng dụng mơ hình EGSB kết hợp Anammox để xử lý
nitơ trong nước rỉ rác cũ”
Ngày bắt đầu: 07/2015 Ngày hoàn thành: 12/2015

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và số liệu trong
luận văn chưa được ai cơng bơ dưới bất kỳ hình thức nào. Tơi hồn thành chịu trách
nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này.
TP. HCM, ngày tháng năm 2016

Đặng Đình Nơ


viii

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .......................................................................................... 14
1.1.

Đặt vấn đề ....................................................................................................... 14

1.2.

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

1.3.

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

1.4.

Nội dung nhiên cứu ........................................................................................... 2

1.5.

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

1.6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................... 2

1.7.

Tính mới của đề tài ........................................................................................... 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN. .................................................................................... 5
2.1.

Tổng quan về nước rỉ rác .................................................................................. 5

2.2.

Tổng quan về Expanded Granular Sludge Bed Reactor (EGSB) ..................... 8

2.2.1.

Giới thiệu về bể phản ứng Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) ......... 8

2.2.2.

Giới thiệu về Expanded Granular Sludge Bed reactor (EGSB) ................. 9

2.3.

Các phương pháp xử lý nitơ trong nước rỉ rác ................................................ 10

2.3.1.

Tuần hoàn nước rỉ rác và kết hợp xử lý với nước thải sinh hoạt ............. 10

2.3.2.

Phương pháp hóa lý .................................................................................. 11

2.3.3.

Phương pháp sinh học .............................................................................. 13

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................ 40
3.1.

Mơ hình nghiên cứu ........................................................................................ 40

3.1.1.

Mơ hình thí nghiệm .................................................................................. 40

3.1.2.

Thiết bị ..................................................................................................... 42

3.1.3.

Nước thải .................................................................................................. 42

3.1.4.

Bùn nuôi cấy ban đầu ............................................................................... 44

3.2.

Điều kiện vận hành ......................................................................................... 44

3.3.

Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu ......................................................... 45


ix

3.3.1.

Phương pháp xác định sinh khối .............................................................. 45

3.3.2.

Phương pháp tính toán và xử lý số liệu .................................................... 46

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 50
4.1.

Chế độ vận hành .............................................................................................. 50

4.2.

Kết quả khảo sát mơ hình EGSB với bun Anammox ..................................... 52

4.2.1.

Kết quả thí nghiệm với tải 0,5 kgN/m3/ngày ........................................... 53

4.2.2.

Kết quả thí nghiệm với tải 1 kgN/m3/ngày .............................................. 54

4.2.3.

Kết quả thí nghiệm với tải 2 kgN/m3/ngày .............................................. 55

4.2.4.

Kết quả thí nghiệm với tải 3 kgN/m3/ngày .............................................. 56

4.2.5.

Kết quả thí nghiệm với tải 4 kgN/m3/ngày .............................................. 57

4.2.6.

Tốc độ loại bỏ tổng nitơ (TNRR) ............................................................. 58

4.2.7.

Sự thay đổi pH trong thời gian vận hành ................................................. 60

4.2.8.

Khí sinh ra của mơ hình thí nghiệm EGSB .............................................. 60

4.2.9.

Quan sát sinh khối Anammox .................................................................. 61

4.3.

Đánh giá các đặc tính của bùn ........................................................................ 62

4.3.1.

Tốc độ lắng của bùn ................................................................................. 62

4.3.2.

Hàm lượng canxi, magie và sắt trong bùn ............................................... 63

4.3.3.

Chỉ số bùn lắng SVI ................................................................................. 64

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... 65
5.1.

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 65

5.1

KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 66
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 73


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thành phần nước rỉ rác lấy từ bãi rác Gò Cát ................................................ 6
Bảng 2. 2: So sánh các quá trình xử lý nitơ .................................................................. 15
Bảng 2. 3: Các chuẩn vi khuẩn Anammox được tìm thấy cho đến ngày nay .............. 22
Bảng 3. 1: Thông số thiết kế mơ hình………………. ................................................. 41
Bảng 3. 2: Các thiết bị của mơ hình EGSB .................................................................. 42
Bảng 3. 3: Thành phần nước rỉ rác lấy từ bãi rác Gò Cát ............................................. 42
Bảng 3. 4. Bảng hóa chất bổ sung cho q trình ......................................................... 43
Bảng 3. 5: Thơng số vận hành dự kiến ......................................................................... 44
Bảng 3. 6. Các thông số và phương pháp phân tích ..................................................... 45
Bảng 4. 1. Thành phần nước rỉ rác lấy từ bãi rác Gò Cát sử dụng ............................... 50
Bảng 4. 2. Các thông số vận hành trong q trình thí nghiệm ..................................... 51
Bảng 4. 3. Chỉ số SVI của bùn Anammox trong mơ hình EGSB ................................ 64


xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1 : Chu trình chuyển hóa nitơ .......................................................................... 16

Hình2. 2: Các giả thuyết khác nhau về q trình dị hóa của vi khuẩn Anammox. ...... 25
Hình 2. 3 : Hai q trình khử nitrate có thể bởi vi khuẩn Anammox ........................... 25
Hình 2. 4: So sánh sự tiêu thụ oxy và COD giữa quá trình sinh học truyền thống và
quá trình PN – Anammox ............................................................................................. 27
Hình 2. 5 : Các quá trình Anammox khác nhau và các ngưồn nitrite khác nhau: ........ 33
Hình 3. 1: Sơ đồ cấu tạo mơ hình thí nghiệm EGSB ................................................. 40
Hình 3. 2. Mơ hình EGSB thực tế…………………... ................................................. 41
Hình 4. 1. Diễn biến nồng độ nitơ ở các tải .................................................................. 52
Hình 4. 2. Sự biến thiên nồng độ Nitơ với tải 0,5 kgN/m3/ngày ................................. 53
Hình 4. 3 Sự biến thiên nồng độ Nitơ với tải 1 kgN/m3/ngày ..................................... 54
Hình 4. 4. Sự biến thiên nồng độ Nitơ với tải 2 kgN/m3/ngày .................................... 55
Hình 4. 5. Sự biến thiên nồng độ Nitơ với tải 3 kgN/m3/ngày .................................... 56
Hình 4. 6. Sự biến thiên nồng độ Nitơ với tải 4 kgN/m3/ngày .................................... 57
Hình 4. 7. Tải trọng loại bỏ nitơ theo thời gian vận hành thí nghiệm ......................... 58
Hình 4. 8. Tải trọng tiêu thụ, sinh ra và loại bỏ các hợp chất nitơ ở các tải trọng ....... 59
Hình 4. 9. Sự thay đổi pH của mơ hình EGSB trong suốt thời gian vận hành ............. 60
Hình 4. 10. Sinh khối Anammox trong bể.................................................................... 61
Hình 4. 11. Tốc độ lắng của bùn hạt Anammox ........................................................... 62
Hình 4. 12. Đồ thị thành phần các chất trong 1g bùn khô Anammox .......................... 63
Hình 4. 13. Một số hạt bùn nổi trên bề mặt bể ............................................................. 64


xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Anammox

Anaerobic Ammonium Oxidation (Oxy hóa ammoni kị khí)

AOB

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

BOD5

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

CANON

Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrire (sự kết
hợp giữa nitrite hóa bán phần và Anammox trong cùng một thiết
bị xử lý nitơ)

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
KU2

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

OLAND

Oxygen-limited autotrophic nitrification- Denitrification (hệ
thống nitrite hóa, khử nitrite tự dưỡng trong điều kiện thiếu oxy)

Vi khuẩn Candidatus Kuenenia stuttgartiensis


xiii

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 nitrat hóa bán phầnanmmox trong một bể)

SHARON

Single reactor system for High activity ammonia Removal Over
Nitrite (Nitrite hóa bán phần trong một bể phản ứng)

SRT

Sludge Retention Time (thời gian lưu bùn)

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 (quá trình cải tiến
UASB)

VFA

Volatile fatty acids (Acid béo dễ bay hơi)

XOCs

Xenobiotic organic compounds (Các hợp chất hữu cơ
Xenobiotic)


xiv

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây xã hội đang trên đà phát triển, các công nghệ tiên tiến được
áp dụng vào quá trình xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng cũng như đầu tư vào quy
trình sản xuất cơng nghệ ngày càng phong phú, đặc biệt là các ngành công nghiệp,
nông nghiệp, dịch vụ,.... đã phát sinh ra nhiều nguồn thải có chứa hàm lượng nitơ cao
như các ngành công nghiệp chế biến thủy sản, nước thải chăn nuôi, nước rỉ rác, nước
thải sau bể phân hủy bùn, thậm chí có những nguồn nước thải sinh hoạt đôi khi cũng
chứa một hàm lượng nitơ khơng nhỏ.
Bên cạnh đó, một lượng nước rỉ ra từ các bãi chôn lấp chất thải rắn, lượng nước này

không lớn nhưng lại ô nhiễm rất cao. Thông thường nước rỉ rác có hàm lượng
ammonia rất cao. Hàm lượng nitơ cao kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo,… gây
ra hiện tượng phú dưỡng hóa làm bẩn trở lại nguồn nước, gây thiếu hụt oxy hòa tan
(DO) trong nước, khí NH3 hịa tan > 0.2mg/l gây chết nhiều lồi cá. Chính vì thế, việc
nghiên cứu cơng nghệ xử lý mới có tính hiệu quả cao, chi phí thấp để xử lý nitơ trong
nước thải là một yêu cầu cấp thiết. Vì vậy, việc tìm kiếm một cơng nghệ thích hợp để
xử lý nitơ trong nước thải trong hoàn cảnh hiện nay cũng như tương lai 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 Ammonia (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
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 rỉ rác cũ” được tiến hành trong việc xử lý
nước thải có hàm lượng Nitơ cao.


2

1.2.
-

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng xử lý Nitơ trong nước thải rỉ rác cũ bằng mơ hình EGSB

(Expanded Granular Sludge Bed) kết hợp quá trình Anammox.
-

Đánh giá các đặc tính của bùn hạt Anammox sinh trưởng trong mơ hình EGSB.

1.3.

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào:
 Nước rỉ rác cũ bãi chơn lấp Gị Cát với nồng độ nitơ ammonia cao.
 Mơ hình EGSB được thiết kế phù hợp để tạo điều kiện thích hợp cho quá trình
xử lý.
1.4.

Nội dung nhiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm:
 Thích nghi nhóm vi khuẩn Anammox bằng nước rỉ rác cũ sau q trình nitrite
hóa bán phần đã pha lỗng với tỷ lệ thích hợp.
 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.
1.5.

Phương pháp nghiên cứu

-

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

a) 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 khuẩn Anammox trong nước rỉ rác cũ.

-

Tạo cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn các yếu tố và thành phần hóa sinh trong
nước rỉ rác cũ 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


3
để

loại

bỏ

nitơ

trong

nước

rỉ

rác

cũ

ở

ngoài

thực

tế.


4

b) Ý nghĩa thực tiễn
-

Kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai ứng dụng mơ hình EGSB trong
xử lý nước rỉ rác cũ có nồng độ ammonia cao với chi phí đầu tư cơ bản và vận
hành cạnh tranh hơn so với quá trình sinh học truyền thống (nitrate hóa-khử
nitrate).

-

Kết quả đề tài cũng làm tiền đề để nghiên cứu các loại nước thải có nồng độ
ammonia cao từ một số lĩnh vực như: Nước thải từ lò mổ, 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 rỉ rác cũ
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 cịn nghiên cứu một cách hạn chế và chưa được ứng
dụng vào thực tế.


5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.
2.1.

Tổng quan về nước rỉ rác

Nước rỉ rác cũ là loại nước thải bị ô nhiễm nặng và thành phần phức tạp. Hỗn hợp các
chất ô nhiễm hữu cơ và vơ cơ có thể được sinh ra từ các q trình sinh học, hóa học và
vật lý diễn ra trong các bãi rác (Heyer và stegmann, 2002; Poznyak và cộng sự, 2008).
Thành phần nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: Tuổi thọ bãi rác,
khí hậu, bản chất của các chất thải bị phân hủy và thành phần chất thải ở các vị trí
khác nhau. Nước rỉ rác bao gồm 4 thành phần chính: (Christensen và cộng sự, 2001;
Kjeldsen và cộng sự, 2002).
 Chất hữu cơ hòa tan bao gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD) hoặc tổng cacbon hữu
cơ bao gồm: CH4, các Acid béo dễ bay hơi và các hợp chất khó phân hủy sinh học
như: Acid fulvic, acid humic, v.v…
 Các hợp chất vô cơ: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, Fe2+, Mn2+, Cl-, SO42-, HCO3 Các kim loại nặng:

,

,

,

,

,

.

 Các hợp chất hữu cơ xenobiotic (XOCs) có nguồn gốc từ các hộ gia đình và trong
cơng nghiệp. Chúng có nồng độ tương đối thấp (thơng thường ít hơn 1 g/m3 ứng
với từng chất riêng lẻ) trong nước rỉ rác bao gồm: Các loại hidrocabon vòng thơm,
axit carbolic và các hợp chất halogen hữu cơ hấp phụ, v.v…
Thành phần nước rỉ rác cũng có thể được đặc trưng bởi độc chất khác nhau và cũng
được xác định bởi các xét nghiệm về độc học (Vibrio fischeri, Daphnia similes,

Artemia salina ,v.v…) và đều này cung cấp thông tin về hàm lượng các chất ơ nhiễm
có thể gây hại đến các loại sinh vật xác định (Kjeldsen và cộng sự, 2002; Renou và
cộng sự, 2008). Chất độc được hình thành từ hỗn hợp của các chất ô nhiễm khác nhau.
Các thử nghiệm về độc chất có thể đưa ra nhiều thơng tin về tiềm năng tác động đến
môi trường hơn là thực hiện các phép phân tích về hóa học đơn thuần (Marttinen và
cộng sự, 2002). Các thử nghiệm độc học đã xác định các tiềm năng gây ô nhiễm của
nước rỉ rác và cần phải xử lý nó (Kjeldsen và cộng sự, 2002; Renou và cộng sự,


6
2008).
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng lên chất lượng của nước rỉ rác. Tuy nhiên, trong các yếu tố
thì tuổi thọ của bãi rác là yếu tố ảnh hưởng đặc biệt đến thành phần nước rỉ rác (Renou
và cộng sự, 2008). Kulikowska và Klimiuk (2007) đã đưa ra số liệu cho thấy tuổi thọ
của bãi rác có ảnh hưởng đặc biệt đáng kể đến các hợp chất hữu cơ và sự biến đổi các
hợp chất này theo thời gian. 3 loại nước rỉ rác có thể được phân loại theo tuổi thọ của
bãi rác là: Mới, trung và ổn định (Amokrane và cộng sự, 1997; Poznyak và cộng sự,
2008). Nhìn chung, nước rỉ rác mới chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học
và sản phẩm của quá trình lên men kỵ khí nhanh của các hợp chất hữu cơ này thường
chứa nồng độ cao của các Acid béo dễ bay hơi (VFA). Theo thời gian, khi nước rỉ rác
trong giai đoạn lên men metan, sự phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dễ phân hủy sinh
học giảm dần và VFA chuyển thành khí sinh học. Do đó, các chất hữu cơ, tỉ lệ
BOD/COD giảm đáng kể và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học chiếm chủ
yếu trong nước rỉ rác cũ (Welander và cộng sự, 1998; Neczaj và cộng sự, 2007).
Ngược lại, hàm lượng ammonia không giảm và thường là chất gây ô nhiễm chính
trong nước rỉ rác cũ (Kjeldsten và cộng sự, 2002). Nguồn nitơ chủ yếu là protein và
chiếm khoảng 0,5 % trọng lượng khô của chất thải rắn đô thị. Sự thủy phân mạch
polypeptide rất khó xảy ra vì cần rất nhiều năng lượng và đây là nguyên nhân làm cho
quá trình động học của sự thủy phân protein xảy ra chậm và điều này gây ra sự giải
phóng ammonia chậm. Nitơ có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa cho các nguồn

nước tiếp nhận. Do đó, sự loại bỏ nó ra khỏi các nguồn nước thải nói chung và nước rỉ
rác cũ nói riêng bằng phương pháp sinh học là cấp thiết (Jokela và cộng sự, 2002).
Thành phần nước thải đầu vào lấy tại bãi chơn lấp Gị Cát được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2.1: Thành phần nước rỉ rác lấy từ bãi rác Gò Cát
STT

Chỉ tiêu

Đơn vị

1

pH

-

Giá trị trung bình ± STD
(n=8)
8,0 - 8,5


7
2

Độ kiềm

mg CaCO3//L

15.133 58

3

TKN

mg/L

3.868

26

4

NH4+-N

mg/L

3.449

233

5

NO2—N

mg/L

0,21

0,08

6

NO3—N

mg/L

2,23

0,18

7

COD

mg/L

2.761

8

BOD5

mg/L

100

25

9

Phospho tổng

mg/L

21

3

10

Độ cứng tổng

mg CaCO3//L

1.557

11

SO42-

mg/L

0,95

0,08

12

Cl-

mg/L

3.442

26

13

Fe tổng

mg/L

2,00

0,07

14

SS

mg/L

59 16

436

25

(Nguồn: Biếc và cộng sự, 2012)
Theo số liệu bảng 2.1, nước thải đầu vào chứa hàm lượng ammonia rất cao (NH4+-N =

3500 mg N/L) là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng hoá nguồn nước mặt.
Việc xử lý nitơ theo phương pháp truyền thống không mang lại hiệu quả cao đối với
nước rỉ rác vì tỉ lệ BOD5/COD = 0.04 (khá thấp), mà COD trong nước rỉ rác cũ chủ
yếu là khó phân hủy sinh học. Do đó, cần phải bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên


8
ngồi vào trong giai đoạn khử nitrate và chi phí sục khí cho q trình nitrate hóa. Xử
lý nitơ bằng phương pháp sinh học truyền thống (nitrate hóa và khử nitrate) khơng
hiệu quả về mặt chi phí vận hành cũng như chi phí xử lý. Ngồi các chất ơ nhiễm hữu
cơ và nitơ dưới dạng ammonia, nước rỉ rác còn chứa các khoáng chất vi lượng như:
Fe, Zn, Mg, Cu, v.v…. Đây là mơi trường rất thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn
Anammox và cũng như mở ra một hướng nghiên cứu mới có khả năng xử lý nitơ
trong nước rỉ rác cũ với chi phí xử lý thấp.
2.2.

Tổng quan về Expanded Granular Sludge Bed Reactor (EGSB)
2.2.1. Giới thiệu về bể phản ứng Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB)

Bể phản ứng UASB được Lettinga và cộng sự phát triển ở Hà Lan và cuối những năm
1970. Bùn hạt được báo cáo bởi Young và McCarty (1969) trong hệ thống lọc kỵ khí
và được quan sát ở Na Phi trong suốt chuyến thăm của Lettinga trước khi phát triển bể
UASB đầu tiên. Tuy nhiên, bể UASB không được phát triển trong thời gian đó do
thiếu hiểu biết và thiếu kinh nghiệm tạo bùn hạt. Bể UASB đầu tiên được áp dụng cho
một nhà máy củ cải đường ở Hà Lan. Bể UASB được áp dụng thàng công ở quy mô
pilot và có nhiều bể phản ứng UASB quy mơ thực tế cho nhiều loại nước thải cơng
nhiệp sau đó. Báo cáo đầu tiên về bể phản ứng UASB là Dutch vào cuối những năm
1970 và tạp chí quốc tế chính thức vào năm 1980.
Có vài bể UASB vào đầu nhũng năm 1970 nhưng những bể phản ứng này không được
chú ý vào thời gian đó. Tuy nhiên, có vài loại bể phản ứng quy mô thực tế được vận

hành trên khắp thế giới, đặc biệt là ở Châu Âu, phía Nam châu Mĩ, phía Nam châu Á
và Tây Nam châu Á. Bên cạnh đó, trong một cuộc khảo sát có 1215 bể phản ứng kỵ
khí tốc độ cao quy mơ thực tế được vận hành trên khắp thế giới từ những năm 1970
và hầu hết các bể phản ứng bao gồm UASB và EGSB. Đa số nước thải được áp dụng
là nước thải ngành sản xuất bia, nước giải khát, sản xuất cồn rượu, lên men, công
nghiệp thực phẩm, giấy và bôt giấy. Những loại nước thải này chiếm khoảng 90% các
ứng dụng.
Quá trình UASB dựa vào sự chuyển động đi lên của nước thải thông qua lớp bùn hạt
kỵ khí. Bể UASB gồm 4 phần chính: lớp bùn hạt, vùng bùn lơ lửng, hệ thống tách khí-


9
rắn và phần lắng. Lớp bùn hạt ở đáy bể phản ứng. vùng bùn lơ lửng gồm các hạt bùn
phân tán xáo trộn với khí sinh ra trong bể phản ứng. Nước thải vào đáy bể và bị phân
hủy ở lớp bùn hạt và vùng bùn lơ lửng. Thiết bị tách khí phan tách khí và từ nước thải
và bùn hạt có thể lắng được. Một số hạt bùn có thể vào phần lắng và vùng khơng hoạt
hóa được hình thành, chúng có thể lắng trở lại bể phản ứng hay bị rửa trơi ra khỏi mơ
hình. Vận tốc dịng chảy điển hình là 0,5 – 1m/giờ và thường có thể xử lý đến tải
trọng 10 – 15kg/m3.ngày. Hơn nữa, khơng có thiết bị xáo trộn riêng biệt ngồi vận tốc
dịng nước và khí sinh ra. Bể phản ứng UASB thường khởi động với 10 – 30% bùn
cấy.
2.2.2. Giới thiệu về Expanded Granular Sludge Bed reactor (EGSB)
Qua trình Expanded Granular Sludge Bed reactor (EGSB) là quá trình cải tiến của
UASB, được giáo sư Lettinga và cộng sự phát triển vào năm 1983 tại Hà Lan. Sự ra
đời của EGSB với dịng tuần hồn kết hợp với bể phản ứng cao hơn (tỉ lệ chiều cao/
đường kính lớn) mang lại những ưu thế hơn so với quá trình xử lý nước thải bằng
UASB. Với tỉ lệ dịng tuần hồn cao, dịng chảy ngược của q trình EGSB thường có
tốc độ dâng ổn định tiêu biểu trong khoảng hơn 5m/giờ, làm cho lớp bùn giãn nở,
giảm tối thiểu vùng chết, tiếp xúc giữa nước thải và bùn tốt hơn sự khuấy trộn của
thủy lực, do đó tăng cường hiệu quả xử lý và tính ổn định.

So với UASB, q trình EGSB xử lý được nước thải với tải trọng cao, có thể đến
42,3kg/m3.ngày, trung bình là 20kg/m3.ngày với kết quả khảo sát từ 198 cơng trình
EGSB thực tế, cao gấp hai lần so với kết quả UASB. Hơn nữa, EGSB có thể vận hành
ở thời gian lưu rất ngắn (>1,5 giờ) trong khi vẫn duy trì nồng độ bùn cao trong hệ
thống. Bể phản ứng EGSB đặc biệt thích hợp với nước thải có nồng độ ơ nhiễm thấp
và trung bình.
Nhiều nghiên cứu cho thấy EGSB có thể xử lý các chất độc trong khi UASB khơng
thể phân hủy được do dịng tuần hồn trong EGSB có tác dụng pha lỗng nồng độ đầu
vào.
Đặc điểm nổi bật nhất của bể EGSB là vận tốc dịng chảy ngược cao. Dịng tuần hồn


10
có thể tách chất rắn lơ lửng nhỏ ra khỏi lớp bùn. Do đó, EGSB xử lý được nước thải
với nồng độ chất rắn lơ lửng cao mà không bị giảm hiệu quả, do vận tốc lắng của hạt
rắn thấp hơn vận tốc bề mặt của chất lỏng. Trong khi đó dịng vào của UASB phải
đảm bảo chất rắn lơ lửng thấp, vì chất rắn lơ lửng có thể thay thế cho lớp bùn trong
hệ thống.
Quá trình EGSB là quá trình kỵ khí được thiết kế cải thiện nâng cao cùng với q
trình có dịng tuần hồn của bể EGSB làm giảm thời gian lưu nước, thế tích và diện
tích bể giảm dẫn đến chi phí đầu tư thấp. Với những ưu điểm đáng kể đó, EGSB ngày
càng được thay thế cho UASB trong các cơng trình thực tế.
2.3.

Các phương pháp xử lý nitơ trong nước rỉ rác

Tính chất nước rỉ rác phụ thuộc vào các yếu tố như: Loại rác được thu gom, lượng
mưa theo mùa, tuổi thọ của bãi rác và các yếu tố khác. Các yếu tố này cho thấy sự
phức tạp của nước rỉ rác và do đó khơng có biện pháp chung nào để xử lý nó. Theo
Renou và cộng sự (2008), phương pháp xử lý nước rỉ rác truyền thống có thể thực

hiện theo 3 phương pháp: Tuần hoàn nước rỉ rác (thiết kế các bãi chôn lấp hợp vệ
sinh) và kết hợp xử lý với nước thải sinh hoạt, các phương pháp xử lý hóa lý, phương
pháp xử lý sinh học (q trình hiếu khí và thiếu khí).
2.3.1. Tuần hồn nước rỉ rác và kết hợp xử lý với nước thải sinh hoạt
Tuần hoàn nước rỉ rác đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều thập niên trước vì nó là một
trong các phương pháp xử lý rẻ tiền nhất. Có nhiều thuân lợi trong việc vận hành bãi
rác như là một bể phản ứng sinh học. Tuần hồn nước rỉ rác khơng chỉ cải thiện chất
lượng nước mà còn rút ngắn thời gian cần thiết để ổn định nước thải. Ngoài ra cịn có
một số ưu điểm khác như: Xử lý nước rỉ rác tại chỗ, nâng cao tốc độ sản sinh khí từ
bãi rác tạo thuận lợi trong việc thu hồi năng lượng. Đây là xu hướng tạo ra nước rỉ rác
ổn định chứa hàm lượng cacbon hữu cơ dễ phân hủy sinh học tương đối thấp nhưng
hàm lượng ammonia và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học cao (Knox, 1985;
Jianguo và cộng sự, 2007; Renou và cộng sự, 2008). Tuy nhiên theo Price và cộng sự
(2003) có thể loại bỏ ammonia trong nước rỉ rác bằng quá trình nitrate hóa và khử


11
nitrate tại chỗ bởi xem bãi rác như là một bể phản ứng sinh học.
Cách đây vài năm, xử lý nước rỉ rác cùng với nước thải đô thị là một giải pháp phổ
biến. Tuy nhiên, sự lựa chọn này khơng được khuyến khích vì sự có mặt của các hợp
chất ức chế và các chất độc từ nước rỉ rác, do đó làm giảm hiệu quả xử lý với nồng độ
các chất ô nhiễm đầu ra cao (Welander và cộng sự, 1998; Renou và cộng sự, 2008).
Ngoài ra, Aktas và Cecen (2001) quan sát thấy sự ức chế quá trình nitrate hóa và
lượng nitrite tạo thành khoảng 85 -100 % tổng (NOx--N) khi hòa trộn nước rỉ rác với
nước thải sinh hoạt.
2.3.2. Phương pháp hóa lý
Vì tính chất của nước rỉ rác rất độc và ổn định nên xử lý bằng phương pháp sinh học
khơng hiệu quả. Do đó, các công nghệ được lựa chọn dựa vào chất lượng được yêu
cầu xử lý (Rivas và cộng sự, 2004). Các q trình như: Tuyển nổi, keo tụ, tạo bơng,
hấp phụ, oxy hóa hóa học, tách khí thì có thể loại bỏ chất rắn lơ lửng, hạt keo, váng

nổi, màu, các chất độc, v.v…Các biện pháp xử lý hóa lý đối với nước rỉ rác được dùng
để xử lý bổ sung (tiền xử lý, xử lý cuối đường ống hoặc xử lý các chất ơ nhiễm đặc
biệt như: Tách khí để loại bỏ ammonia) (Renou và cộng sự , 2008).
Đặc biệt, ammonia được xác định là chất gây độc chủ yếu đối với vi sinh vật (VSV)
trong hệ thống xử lý, cần có q trình tiền xử lý để loại bỏ ammonia trước khi cho qua
hệ thống xử lý sinh học (Kim và cộng sự, 2007). Cần lưu ý rằng, hàm lượng Acid béo
bay hơi trong nước rỉ rác giảm theo tuổi của bãi rác và q trình nitrate hóa và khử
nitrate rất khó xảy ra vì tỉ lệ COD/NH4+-N thấp (thiếu chất cho điện tử và cần cung
cấp năng lượng cho q trình hiếu khí) (He và cộng sự, 2007).
Phương pháp xử lý hóa lý phổ biến nhất để loại bỏ ammonia trong nước rỉ rác là
phương pháp tách khí có thể loại bỏ trên 93 % ammonia (Li và cộng sự, 1999;
Marttinen và cộng sự, 2002; Renou và cộng sự, 2008). Để phương pháp này có hiệu
quả thì cần tạo mơi trường có pH cao và pha khí ơ nhiễm phải được xử lý bằng H2SO4
hoặc HCl. Điều cần quan tâm trong xử lý ammonia bằng phương pháp tách khí là sự
phát thải NH3 vào khí quyển gây ơ nhiễm khơng khí nếu NH3 khơng được hấp thụ
đúng bằng H2SO4 hoặc HCl. Nhược điểm khác là độ dày lớp vơi của tháp tách khí khi


12
vôi sử dụng để điều chỉnh pH và vấn đề sủi bọt bắt buộc phải sử dụng tháp tách khí có
kích thước lớn (Li và cộng sự, 1999). Hơn nữa, vì nước rỉ rác cũ có độ kiềm cao đã
hình thành hệ thống đệm pH mạnh, sự biến thiên pH trước và sau tách khí sẽ tiêu tốn
một hàm lượng kiềm và acid lớn (Li và cộng sự, 1999). Theo Marttinen và cộng sự
(2002), trong một số trường hợp tách khí và ozone hóa sẽ làm tăng tính độc mặc dù
COD và ammonia đã được loại bỏ. Đây có thể là kết quả của q trình oxy hóa các
hợp chất hữu cơ hình thành các độc tố, mà các độc tố này có thể ảnh hưởng đến hoạt
tính vi sinh trong các q trình xử lý sinh học phía sau.
Phương pháp khác để loại bỏ ammonia trong nước rỉ rác là phương pháp kết tủa
ammonia dưới dạng muối MgNH4PO4.6H2O (struvite, MAP). Kim và các cộng sự
(2007) đã chứng minh rằng phương pháp kết tủa struvite là phương pháp tiền xử lý tốt

nhất. Muối MgNH4PO4.6H2O có độ hịa tan thấp (0,0023g/mL H2O), tốc độ phản ứng
để hình thành kết tủa cao và hàm lượng ammonia dư lượng thấp do vậy mà phương
pháp kết tủa struvite được xem là phương pháp hiệu quả để loại bỏ ammonia (Li và
cộng sự, 1999). Tuy nhiên, phương pháp này địi hỏi chi phí cao do chi phí về hóa
chất cao (đặc biệt là MgCl2) (Ozturk và cộng sự 2003, Calli và cộng sự, 2005; He và
cộng sự, 2007). Tuy nhiên, He và cộng sự (2007) cho thấy có thể tiết kiệm 44% chi
phí về hóa chất bằng phương pháp phân ly MAP dư thành gốc Mg và PO43-. Ngoài ra
Li và cộng sự (1999) đã cảnh báo, do độ mặn trong nước rỉ rác cao nếu xử lý bằng
phương pháp kết tủa sử dụng MgCl2.H2O và NaHPO4.12H2O có thể ảnh hưởng đến
VSV trong q trình xử lý sinh học tiếp theo.
Giải pháp khác để loại bỏ ammonia trong nước rỉ rác là trao đổi ion. Phương pháp trao
đổi ion có tính cạnh tranh hơn các phương pháp khác vì ít bị ảnh hưởng ở nhiệt độ
thấp. Clinoptilotile là một zeolite tự nhiên có khả năng loại bỏ ammonia rất tốt trong
nước và nước thải (Wang và cộng sự, 2006). Zeolite thì có sự chọn lọc cao về khả
năng trao đổi ion với NH4+-N hơn là Mg2+ và Ca2+. Bên cạnh đó, sự tồn tại các ion
Na+, Ca2+ và Mg2+ trong nước rỉ rác có thể làm giảm khả năng hấp phụ ammonia và
tăng thời gian bão hòa. Tuy nhiên, nhiều kết quả nghiên cứu đưa ra khoảng 80%
ammonia được loại bỏ trong nước rỉ rác bằng việc sử dụng Clinoptilolite để trao đổi