Ứng dụng hạt pva gel để cố định sinh khối aob và anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

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

NGUYỄN HOÀNG DŨNG - 1770285

ỨNG DỤNG HẠT PVA GEL ĐỂ CỐ ĐỊNH SINH KHỐI
AOB VÀ ANAMMOX CHO XỬ LÝ NITƠ
TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT
NITROGEN REMOVAL FROM DOMESTIC
WASTEWATER BY AOB AND ANAMMOX BACTERIA
IMMOBILIZED ON PVA GEL PARTICLES
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020


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

NGUYỄN HOÀNG DŨNG - 1770285

ỨNG DỤNG HẠT PVA GEL ĐỂ CỐ ĐỊNH SINH KHỐI
AOB VÀ ANAMMOX CHO XỬ LÝ NITƠ
TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT
NITROGEN REMOVAL FROM DOMESTIC
WASTEWATER BY AOB AND ANAMMOX BACTERIA
IMMOBILIZED ON PVA GEL PARTICLES
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường

Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Xác nhận của Khoa MT&TN

Xác nhận của GVHD

PGS.TS. Nguyễn Phước Dân

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2020


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Phước Dân
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS. Lê Thị Kim Oanh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. Lê Hùng Anh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 24 tháng 12 năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.

GS.TS. Nguyễn Văn Phước

2.

TS. Võ Thanh Hằng

3.

PGS.TS. Lê Thị Kim Oanh

4.

PGS.TS. Lê Hùng Anh

5.

TS. Nguyễn Nhật Huy

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 (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN


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

_______________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG DŨNG
Ngày, tháng, năm sinh: 26/10/1988
Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

MSHV: 1770285
Nơi sinh: Tp. HCM
Mã số : 60520320

I. TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng hạt PVA Gel để cố định sinh khối AOB và Anammox
cho xử lý Ni tơ trong nước thải sinh hoạt (Nitrogen removal from domestic
wastewater by AOB and Anammox bacteria immobilized on PVA Gel particles).
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của quá trình SANR với chất mang PVA gel
cho nước thải căn tin và nước thải văn phòng cho th.
- Vận hành mơ hình PVA gel ở các tải trọng Nitơ khác nhau để đánh giá hiệu
quả xử lý nitơ.
- Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox ở các tải trọng vận hành
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019 (Gia hạn tới 08/12/2019)
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Phước Dân
Tp.HCM, ngày … tháng … năm ……
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
(họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trải qua thời gian học và nghiên cứu tại trường, tơi đã hồn thành Luận văn thạc sỹ
chun ngành Kỹ thuật Môi trường. Lời đầu tiên, tôi chân thành cảm ơn thầy
PGS.TS Nguyễn Phước Dân, người đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo
mọi điều kiện tốt nhất về tài chính để tơi thực hiện thí nghiệm trong luận văn.
Tôi chân thành cảm ơn tập thể Thầy, Cô Khoa Môi trường và Tài nguyên – Đại học
Bách khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến
thức, phương pháp học tập, nghiên cứu trong thời gian tôi học tại trường. Đồng thời,
tơi xin chân thành cảm ơn phịng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên, đã tạo
điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất, trang thiết bị trong quá trình thực hiện nghiên
cứu.
Xin cảm ơn các bạn lớp cao học, các em sinh viên trong nhóm nghiên cứu đã luôn
sát cánh cùng tôi, nhất là trong các thời điểm khó khăn.
Tơi cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất về tài chính và tinh thần để tơi hồn
thành khóa học này.
Một lần nữa tơi chân thành cảm ơn tập thể các Thầy, Cô, các bạn, gia đình và nhà
trường đã tạo điều kiện tốt, cho tôi nhiều cơ hội học tập, nghiên cứu tại trường.
Tp. HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2019

Nguyễn Hoàng Dũng


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Nhằm mục đích nghiên cứu ứng dụng hạt gel Poly Vinyl Alcohol (PVA gel)
để cố định sinh khối Ammonium Oxidation Bacteria (AOB) và anammox cho xử lý
nitơ trong nước thải sinh hoạt, nhóm nghiên cứu đã vận hành mơ hình Single-stage

Autotrophic Nitrogen Removal (SANR) với bùn anammox và AOB được cố định
trong PVA gel. Nước thải được sử dụng là nước thải căn tin và nước thải văn phịng,
nhóm điều chỉnh lưu lượng nước thải đầu vào để thay đổi các tải trọng nitơ
(Nitrogen Loading Rate – NLR) khác nhau. Mơ hình được sục khí gián đoạn để tạo
điều kiện DO thấp, và có dịng tuần hồn nội bộ để tạo điều kiện xáo trộn nước thải
tốt. Nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ và đánh
giá hoạt tính bùn anammox, AOB, Nitrite Oxidation Bacteria (NOB) ở những giai
đoạn khác nhau của quá trình vận hành.
Đối với nước thải căn tin, hiệu suất xử lý tổng nitơ (TN) đạt trung bình 53% ở
NLR trung bình = 0.34 kgN/m3.ngày, tương ứng với thời gian lưu nước (Hydraulic
Retention Time – HRT) = 4.8 giờ, hiệu suất TN đạt cực đại ở mức 74%. Đối với
nước thải văn phòng, hiệu suất xử lý TN đạt trung bình 53% ở NLR trung bình =
0.51 kgN/m3.ngày, tương ứng với HRT = 6 giờ, hiệu suất TN đạt cực đại ở mức
73%.
Đối với nước thải căn tin, hoạt tính AOB cao nhất là 75.7 mg NH4+-N/g
VSS.ngày ở NLR = 0.11 kgN/m3.ngày và hoạt tính anammox cao nhất là 89.83 mg
N2-N/g VSS.ngày ở NLR = 0.34 kgN/m3.ngày. Đối với nước thải văn phịng, hoạt
tính AOB cao nhất là 36.16 mg NH4+-N/g VSS.ngày ở NLR = 0.51 kgN/m3.ngày và
hoạt tính anammox cao nhất là 66.41 mg N2-N/g VSS.ngày ở NLR = 0.51
kgN/m3.ngày.
Với kết quả đạt được, nhóm nhận thấy ứng dụng hạt PVA gel để cố định sinh
khối AOB và anammox phù hợp cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt.


ABSTRACT
In order to study nitrogen removal from domestic wastewater by Ammonium
Oxidation Bacteria (AOB) and anammox bacteria immobilized on Poly Vinyl
Alcohol (PVA) gel particles, I operate the Single-stage Autotrophic Nitrogen
Removal (SANR) model with AOB and anammox are immobilized in PVA gel.
Wastewater used is canteen and office wastewater, I adjusted input flowrate to

change the different Nitrogen Loading Rates (NLR). The model is intermittently
aerated to facilitate low DO, and has internal circulation to facilitate good mixing of
wastewater. I conducted experiments to evaluate the performance of nitrogen
removal and evaluate specific activity of anammox and AOB at different stages of
the operation.
For canteen wastewater, the total nitrogen (TN) removal averages 53% at the
average NLR = 0.34 kgN/m3.day, corresponding to the Hydraulic Retention Time
(HRT) = 4.8 hours, the TN removal reach a peak at 74%. For office wastewater, the
TN removal averages 53% at the average NLR = 0.51 kgN/m3.day, corresponding
to HRT = 6 hours, the TN removal reach a peak at 73%
For canteen wastewater, the highest specific activity of AOB is 75.7 mg NH4+N/g VSS.day at NLR = 0.11 kgN/m3.day and the highest specific activity of
anammox is 89.83 mg N2-N/g VSS.day at NLR = 0.34 kgN/m3.day. For office
wastewater, the highest specific activity of AOB is 36.16 mg NH4+-N/g VSS.day at
NLR = 0.51 kgN/m3.day and the highest specific activity of anammox is 66.41 mg
N2-N/g VSS.day at NLR = 0.51 kgN/m3.day.
The results achieved show that application of PVA gel particles for
immobilizing AOB and anammox bacteria is suitable for nitrogen removal in
domestic wastewater.


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

LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên học viên: NGUYỄN HOÀNG DŨNG

MSHV: 1770285

Ngày tháng năm sinh: 26/10/1988

Nơi sinh: Tp.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

MS: 60520320

Tên đề tài: Ứng dụng hạt PVA Gel để cố định sinh khối AOB và Anammox cho
xử lý Ni tơ trong nước thải sinh hoạt (Nitrogen removal from domestic
wastewater by AOB and Anammox bacteria immobilized on PVA Gel
particles).
Ngày bắt đầu: 11/02/2019
Ngày hoàn thành: 08/12/2019
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phước Dân
Tôi cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những kết quả và số
liệu trong luận văn chưa được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tơi hồn tồn
chịu trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2020

Nguyễn Hoàng Dũng


i

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. vi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU..................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................2

1.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................2
1.4. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................3
1.5. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................3
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

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ................................................................................4
2.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt ............................................................4
2.1.1.

Nước thải sinh hoạt ..........................................................................4

2.1.2.

Xử lý nước thải sinh hoạt .................................................................5

2.2. Quá trình Deammonification ...................................................................6
2.2.1.

Cơ chế ..............................................................................................6

2.2.2.

Quá trình one-stage anammox và two-stage anammox ...................7

2.2.3.

Các yếu tố ảnh hưởng ......................................................................8

2.2.4.

Hiệu quả xử lý ..................................................................................9

2.3. Các ứng dụng hạt PVA Gel vào xử lý nước thải ..................................10
2.4. Quá trình CANON dùng hạt gel PVA cố định AOB và anammox .....13
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................................15
3.1. Thí nghiệm 1a: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải căn tin
..........................................................................................................................15
3.1.1.

Vật liệu ...........................................................................................15

3.1.2.

Điều kiện vận hành ........................................................................18

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


ii

3.2. Thí nghiệm 1b: Đánh giá khả năng xử lý nitơ đối với nước thải văn

phòng ...............................................................................................................20
3.2.1.

Vật liệu ...........................................................................................20

3.2.1.

Điều kiện vận hành ........................................................................21

3.3. Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn Anammox, AOB, NOB ..........23
3.2.1.

Vật liệu ...........................................................................................23

3.2.2.

Phương pháp ..................................................................................24

3.4. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu ................................................25
3.4.1.

Phương pháp phân tích...................................................................25

3.4.2.

Phương pháp xử lý số liệu..............................................................26

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................29
4.1 Thí nghiệm 1: Đánh giá khả năng xử lý nitơ .........................................29
4.1.1

Các thành phần nitơ .......................................................................29

4.1.2

pH và độ kiềm ................................................................................39

4.1.3

COD ...............................................................................................42

4.1.4

Tính chất vật lý của hạt PVA gel ...................................................44

4.2 Thí nghiệm 2: Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox ........47
4.2.1

Hoạt tính AOB và NOB .................................................................47

4.2.2

Hoạt tính anammox (SAA) ............................................................52

4.3 Thảo luận chung .......................................................................................56
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................57
5.1 Kết luận .....................................................................................................57
5.2 Kiến nghị ...................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................59
PHỤ LỤC .................................................................................................................63

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


iii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý (Metcalf
& Eddy, 2013) .............................................................................................................5
Bảng 2.2 Các công nghệ đang áp dụng tại Việt Nam tại thời điểm khảo sát (World
Bank, 2013) .................................................................................................................6
Bảng 2.3 Tổng quan sự chuyển hóa Nitơ và tốc độ tiêu thụ NH4+-N trong các mơ
hình ứng dụng nitrite hóa bán phần và anammox (Third và cộng sự, 2005) ..............9
Bảng 3.1 Thành phần nước thải căn tin ....................................................................18
Bảng 3.2 Thành phần vi lượng ..................................................................................18
Bảng 3.3 Điều kiện vận hành mô hình nước thải căn tin ..........................................19
Bảng 3.4 Thành phần nước thải văn phòng cho thuê ................................................21
Bảng 3.5 Điều kiện vận hành mơ hình nước thải văn phịng cho th .....................22
Bảng 3.6 Thành phần nước thải nhân tạo (Hoa và cộng sự, 2006) ...........................23
Bảng 3.7 Thành phần vi lượng (Hoa và cộng sự, 2006) ...........................................23
Bảng 3.8 Các phương pháp phân tích .......................................................................26
Bảng 4.1 Đặc điểm vật lý của hạt PVA Gel mang sinh khối theo thời gian .............44
Bảng 4.2 Các thông số dịng vào và dịng ra trung bình của nước thải căn tin.........45
Bảng 4.3 Các thơng số dịng vào và dịng ra trung bình của nước thải văn phịng...46
Bảng 4.4 Hoạt tính riêng của vi khuẩn AOB và NOB với nước thải căn tin ............49
Bảng 4.5 Hoạt tính riêng của vi khuẩn AOB và NOB với nước thải văn phòng ......51
Bảng 4.6 Hoạt tính riêng của vi khuẩn anammox với nước thải căn tin...................53
Bảng 4.7 Hoạt tính riêng của vi khuẩn anammox với nước thải văn phịng.............55

NGUYỄN HỒNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Hiện trạng quản lý nước thải đơ thị tại Việt Nam (World Bank, 2013) ......4
Hình 2.2 Cơng thức cấu tạo Polyvinyl alcohol (VectorStock.com)..........................10
Hình 2.3 Quy trình sản xuất PVA Gel (Quan và cộng sự, 2010)..............................13
Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu của đề tài..................................................................15
Hình 3.2 Mơ hình SANR cho nước thải căn tin ........................................................15
Hình 3.3 Quy trình sản xuất PVA Gel tại phịng thí nghiệm ....................................17
Hình 3.4 Mơ hình SANR cho nước thải văn phịng cho thuê ...................................20
Hình 3.5 Các bước thực hiện đánh giá hoạt tính bùn Anammox (SAA) ..................24
Hình 3.6 Các bước đánh giá hoạt tính bùn AOB và NOB ........................................25
Hình 4.1 Diễn biến các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra của nước thải căn tin29
Hình 4.2 Diễn biến hiệu suất xử lý nitơ đối với nước thải căn tin ............................30
Hình 4.3 Nitơ dòng vào và ra ở các tải trọng khác nhau, nước thải căn tin ..............31
Hình 4.4 Diễn biến các thành phần nitơ dòng vào và dòng ra của nước thải văn
phịng .........................................................................................................................34
Hình 4.5 Diễn biến hiệu suất xử lý nitơ đối với nước thải văn phịng cho th .......35
Hình 4.6 Nitơ dòng vào và ra ở các tải trọng khác nhau, nước thải văn phịng ........36
Hình 4.7 Diễn biến pH và độ kiềm đối với nước thải căn tin ...................................39
Hình 4.8 Diễn biến pH và độ kiềm đối với nước thải văn phịng cho th ..............40
Hình 4.9 Diễn biến COD đối với nước thải căn tin ..................................................42
Hình 4.10 COD trung bình đầu vào và đầu ra đối với nước thải căn tin ..................42
Hình 4.11 Diễn biến COD đối với nước thải văn phịng cho th ............................43

Hình 4.12 COD trung bình đầu vào và đầu ra đối với nước thải văn phịng cho th
...................................................................................................................................43
Hình 4.13 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn AOB và NOB, nước thải căn tin, HRT = 28.8h ..........................................48
Hình 4.14 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn AOB và NOB, nước thải căn tin, HRT = 14.4h ..........................................48
Hình 4.15 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn AOB và NOB, nước thải căn tin, HRT = 4.8h ............................................49
NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


v

Hình 4.16 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn AOB và NOB, nước thải văn phịng, HRT = 24h .......................................50
Hình 4.17 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn AOB và NOB, nước thải văn phòng, HRT = 12h .......................................50
Hình 4.18 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn AOB và NOB, nước thải văn phịng, HRT = 6h .........................................51
Hình 4.19 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn anammox, nước thải căn tin, HRT = 28.8h.................................................52
Hình 4.20 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn anammox, nước thải căn tin, HRT = 14.4h.................................................52
Hình 4.21 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn anammox, nước thải căn tin, HRT = 4.8h...................................................53
Hình 4.22 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn anammox, nước thải văn phịng, HRT = 24h..............................................54
Hình 4.23 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt

tính bùn anammox, nước thải văn phịng, HRT = 12h..............................................54
Hình 4.24 Nồng độ NH4+-N, NO2--N, NO3--N theo thời gian trong thí nghiệm hoạt
tính bùn anammox, nước thải văn phịng, HRT = 6h................................................55

NGUYỄN HỒNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Anammox

Anaerobic Ammonium Oxidation

AO

Công nghệ bùn hoạt tính Anoxic - Oxic

A2O

Cơng nghệ bùn hoạt tính Anaerobic - Anoxic - Oxic

AOB

Vi khuẩn oxi hóa ammonia – Ammonium Oxidation Bacteria

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa - Biochemical Oxygen Demand

BTNMT

Bộ Tài Nguyên và Môi trường

CANON

Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite

CSTR

Continuosly Stirred Tank Reactor

COD

Nhu cầu oxy hóa học - Chemical Oxygen Demand

DEMON

DEaMONification

DO

Nồng độ oxy hòa tan - Dissolved Oxygen

EDTA

EthylenDiamin Tetraacetic Acid

FA

Free Ammonia

HRT

Thời gian lưu nước - Hydraulic Retention Time

IC

Internal Circulation

MBR

Công nghệ xử lý vi sinh nước thải bằng phương pháp lọc màng –
Membrane Bio-Reactors

NLR

Tải trọng nitơ – Nitrogen Loading Rate

NOB

Vi khuẩn oxi hóa nitrite thành nitrate – Nitrite Oxidation Bacteria

OLAND

Oxygen-Limited Autotrophic Nitrification-Denitrification

OLR

Tải trọng hữu cơ – Organic Loading Rate

PN

Partial Nitritation

PVA

Poly Vinyl Alcohol

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SAA

Specific Anammox Activity

SANR

Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal

SBR

Bể phản ứng theo mẻ - Sequencing Batch Reactor

SHARON

Single reactor High Activity Ammonia-Removal Over Nitrite

SRT

Thời gian lưu bùn – Sludge Retention Time

SS

Chất rắn lơ lửng - Suspended Solids

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


vii

TKN

Tổng nitơ Kjeldahl - Total Kjeldahl Nitrogen

TN

Tổng nitơ – Total Nitrogen

VSS

Chất rắn lơ lửng bay hơi - Volatile Suspended Solids

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Bên cạnh các chỉ tiêu về chất hữu cơ, SS, Coliforms thì các nhà thiết kế cơng
trình xử lý nước thải sinh hoạt cũng đặc biệt quan tâm về các chỉ tiêu Nitơ khi lựa
chọn cơng nghệ xử lý. Hiện nay có rất nhiều cơng nghệ có thể lựa chọn để xử lý
nước thải sinh hoạt như: aeroten, SBR, MBR, AO, A2O, .v.v. Trong các cơng nghệ
kể trên thì A2O được xem là tiên tiến so với công nghệ aeroten truyền thống và AO
nhờ vào khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ, nitơ và phospho. Ngồi ra, khi so
sánh với các cơng nghệ khác, quá trình A2O sản sinh ra lượng bùn ít hơn và bùn
cũng lắng tốt hơn. Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình A2O là khả năng xử lý nitơ
bị giới hạn bởi tỷ lệ tuần hoàn, trong khi khả năng xử lý photpho bị ảnh hưởng bởi
lượng bùn mang theo nitrat tuần hồn về vùng kị khí (Metcalf & Eddy, 2013). Hiện
nay, công nghệ màng MBR cũng đươc ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải do nó
có hiệu quả xử lý cao, đặc biệt là xử lý nitơ. Tuy vậy chi phí đầu tư mua màng cho
MBR lớn và chưa áp dụng được cho các công trình có cơng suất lớn. Bên cạnh đó,
màng cũng dễ bị tắc nghẽn nhanh nếu nước thải đầu vào không được tiền xử lý tốt,
nhu cầu rửa màng khá lớn.
Trước những nhược điểm của các công nghệ xử lý hiện có, việc tìm ra cơng
nghệ mới giúp khắc phục các nhược điểm đó là cần thiết. Cơng nghệ mới phải xử lý
được nước thải sinh hoạt với hiệu quả cao (đặc biệt là Nitơ), tốc độ sinh bùn thấp.
Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite (quá trình CANON) với sự
kết hợp của 2 nhóm vi khuẩn: vi khuẩn anammox và AOB (Ammonium Oxidation
Bacteria) là một quá trình sinh học xử lý nitơ hiệu quả về mặt năng lượng cùng với
một số lợi ích kỹ thuật so với q trình khử nitrat hóa thơng thường (Cho và cộng
sự, 2010). Q trình CANON đã có khá nhiều nghiên cứu trước đây ở Việt Nam, ví

dụ xử lý nitơ trong nước thải rỉ rác cũ (Le và cộng sự, 2019), xử lý nitơ trong nước
thải cao su (Nguyen và cộng sự, 2017), xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi (Huynh
và cộng sự, 2019). Đây đều là các loại nước thải có hàm lượng nitơ cao, trong khi

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


2

nước thải có hàm lượng nitơ thấp như nước thải sinh hoạt chưa được quan tâm
nghiên cứu nhiều.
Một trong những nhược điểm của quá trình CANON là vi khuẩn anammox có
tốc độ tăng trưởng cực kỳ chậm, đồng thời dễ dàng bị rửa trơi trong q trình hoạt
động (Huynh và cộng sự, 2019). Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách
cố định vi khuẩn Anammox và AOB trên Poly (vinyl alcohol) - (PVA) gel, sử dụng
quá trình SANR (Single-stage Autotrophic Nitrogen Removal). Poly (vinyl alcohol)
- (PVA) gel là một polymer tổng hợp rẻ tiền, không độc hại, không hịa tan trong
nước, khơng bị phân hủy sinh học và có độ xốp cao đã được ứng dụng rộng rãi
trong việc cố định các vật liệu mang đặc tính sinh học. Vi khuẩn anammox và AOB
cố định trên chất mang PVA gel, giúp vi khuẩn AOB bên ngoài ở trong khu vực
hiếu khí, trong khi vi khuẩn anammox bên trong được bảo vệ khỏi sự ức chế oxy
(Bae và cộng sự, 2017). Hơn nữa, với quá trình SANR, việc tiêu thụ Nitrite của vi
khuẩn Anammox xảy ra đồng thời với việc sản xuất Nitrite của AOB, giúp hạn chế
độc tính Nitrite đối với vi khuẩn anammox (Strous và cộng sự, 1999). Do đó, nhóm
đã tiến hành nghiên cứu về ứng dụng hạt PVA gel để cố định sinh khối AOB và
anammox cho xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của quá trình SANR với chất mang PVA gel cho

nước thải căn tin và nước thải văn phòng cho thuê.
1.3. Nội dung nghiên cứu
Để đáp ứng mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu bao gồm:
 Vận hành mơ hình PVA gel ở các tải trọng Nitơ khác nhau để đánh giá hiệu
quả xử lý nitơ.
 Đánh giá hoạt tính bùn AOB, NOB và anammox ở các tải trọng vận hành

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


3

1.4. Đối tượng nghiên cứu
Nguồn nước thải là nước thải sinh hoạt được lấy từ hố ga căn tin C6, trường
Đại Học Bách Khoa tại Quận 10 và nước thải sinh hoạt được lấy từ bể điều hòa của
trạm xử lý nước thải của tòa nhà văn phòng cho thuê Ree Tower tại Quận 4. Bùn
trước khi cấy vào giá thể PVA gel được lấy từ mơ hình dịng tuần hoàn nội bộ
(Internal Circulation – IC) (bùn hạt annamox) và mơ hình nitrite hóa bán phần
(Partial Nitritation – PN) (bùn hạt AOB và NOB).
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu này được tiến hành dựa trên thực nghiệm ở qui mô phịng thí
nghiệm, đánh giá khả năng xử lý nitơ ở các tải trọng nitơ khác nhau; đánh giá hoạt
tính bùn AOB, NOB và anammox.
PVA gel cố định AOB và anammox được kế thừa từ nghiên cứu sinh Phan
Thế Nhật.
Phương pháp lấy mẫu và phân tích, đánh giá các số liệu thực nghiệm theo các
chỉ tiêu pH, độ kiềm, NH4+, NO2-, NO3-, TKN và COD.
Phương pháp phân tích và xử lý số liệu được thực hiện theo các quy chuẩn của

Việt Nam và quốc tế (Standard Methods Methods for the Examination of Water and
Wastewater).
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.6.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu tìm thấy khả năng xử lý nitơ của q trình SANR, trong
đó sử dụng hạt PVA Gel làm chất mang sinh khối AOB và annammox đối với nước
thải sinh hoạt.
1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu thể hiện tính khả thi trong ứng dụng quá trình này vào xử
lý nước thải sinh hoạt.

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt
2.1.1. Nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là lượng nước thải do các sinh hoạt thường ngày như tắm,
giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân, v.v... Thông thường thành phần nước thải sinh
hoạt gồm khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng. Đặc điểm cơ bản của nước
thải sinh hoạt là có hàm lượng các chất hữu cơ không bền sinh học (như Cacbon
hydrat, protein, mỡ) cao, chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), vi trùng, chất rắn và mùi.
Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào các tiêu chuẩn
cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho
một khu vực phụ thuộc vào khả năng cấp nước của các nhà máy hiện có. Do nhu
cầu sử dụng nước là khác nhau giữa nông thôn và thành thị nên lượng nước thải

sinh hoạt tính trên đầu người có sự khác biệt giữa hai khu vực.

Hình 2.1 Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam (World Bank, 2013)

Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam được trình bày như Hình 2.1.
Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh kém, nước thải sinh hoạt khơng

NGUYỄN HỒNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


5

được xử lý tốt là một trong những nguồn gây ô nhiễm trầm trọng. Chất lượng nước
thải sinh hoạt chưa xử lý có thể tham khảo qua Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý
(Metcalf & Eddy, 2013)

Các chỉ tiêu

Nồng độ
Nhẹ

Trung bình

Nặng

Chất rắn tổng cộng, mg/l

537

806

1612

Tổng chất rắn hịa tan, mg/l

374

560

1121

Chất rắn lơ lửng, mg/l

130

195

389

BOD5, mg/l

133

200

400

COD, mg/l

339

508

1016

Tổng nitơ, mg/l

23

35

69

Tổng photpho, mg/l

3.8

5.6

11

106 – 108

107 – 109

107 – 1010

Tổng Coliform, MNP/100ml
2.1.2. Xử lý nước thải sinh hoạt

Nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào tiếp nhận từ hệ thống thoát
nước chung rất thấp, nhưng nhiều nhà máy xử lý lại được thiết kế để xử lý nước có
thơng số ơ nhiễm cao hơn. Hệ thống thoát nước chung hiện đang thu gom và cung
cấp nước thải cho 13 trong số 17 nhà máy xử lý nước thải đang hoạt động ở Việt
Nam, với tổng công suất thiết kế là 552,000 m3/ngày. Trong số 13 nhà máy nói trên,
8 nhà máy có tổng công suất là 406,000 m3/ngày hiện đang áp dụng các giải pháp
xử lý bằng bùn hoạt tính (bùn hoạt tính truyền thống, kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí,
phản ứng theo mẻ, mương oxy hóa), vốn phù hợp để xử lý nước thải có nồng độ
chất hữu cơ và các thông số ô nhiễm khác cao hơn (World Bank, 2013). Các công
nghệ đang áp dụng tại các nhà máy xử lý nước thải tập trung ở Việt Nam được trình
bày trong Bảng 2.2.

NGUYỄN HỒNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


6

Bảng 2.2 Các công nghệ đang áp dụng tại Việt Nam tại thời điểm khảo sát
(World Bank, 2013)

STT

Nhà máy xử lý
nước thải

Q trình xử lý

Hệ thống
thốt nước

1

Kim Liên

A2O

Chung

2

Trúc Bạch

A2O

Chung

3

Bắc Thăng Long

A2O

Chung

4

Yên Sở

Bể sinh học theo mẻ

Chung

5

Bình Hưng

Hồ sinh học

Chung

6

Bình Hưng Hịa

Bùn hoạt tính truyền
thống

Chung

7

Sơn Trà

Hồ yếm khí

Chung

8

Hịa Cường

Hồ yếm khí

Chung

9

Phú Lộc

Hồ yếm khí

Chung

10

Ngũ Hành Sơn

Hồ yếm khí

Chung

11

Bãi Cháy

Bể sinh học theo mẻ

Chung

12

Hà Khánh

Bể sinh học theo mẻ

Chung

13

Đà Lạt

Đà Lạt

Bể lắng hai vỏ
+ Lọc nhỏ giọt

Riêng

14

Buôn Ma Thuột

Buôn Ma
Thuột

Hồ sinh học

Riêng

15

Bắc Giang

Bắc Giang

Mương oxy hóa

Chung

Thành phố

Hà Nội

TPHCM

Đà Nẵng

Quảng Ninh

2.2. Q trình Deammonification
2.2.1. Cơ chế
Quá trình CANON là quá trình xảy ra do sự tương tác của hai nhóm vi khuẩn
tự dưỡng: ammonia oxidizing bacteria (AOB) và anammox bacteria (Third và cộng
sự, 2005). Q trình loại bỏ nitrogen có thể tóm lược bằng các phương trình sau
(Lee và cộng sự, 2008):

Nitrite hóa: 1.3NH4+ + 1.95O2 → 1.3NO2- +2.6H+ + 1.3H2O (2.1)
Anammox: NH4+ + 1.3NO2- → 0.26NO3- + 1.02N2 + 2H2O (2.2)
Tổng hợp hai phương trình:

NGUYỄN HỒNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


7

NH4+ + 0.85O2 → 0.113NO3- + 0.4335N2 + 1.13H+ + 1.43H2O (2.3)
Tuy nhiên cả hai chủng vi sinh AOB và anammox đều tăng trưởng rất chậm
do AOB cần oxy để sản sinh nitrite và tồn tại, trong khi oxy sẽ hạn chế và làm giảm
hoạt tính của anammox. Do đó kiểm soát oxy và tỷ lệ sinh khối giữa AOB và
anammox là rất quan trọng.
NO2- sinh ra từ phương trình (2.1) được vi khuẩn anammox thuộc nhóm
Planctomycete sử dụng làm chất nhận điện tử trong điều kiện kị khí để oxi hóa
NH4+, phản ứng thể hiện tại phương trình (2.2).
Anammox yêu cầu tỷ lệ NH4+:NO2- là 1:1.32 và một phần NO2- được cung cấp
từ AOB. Q trình anammox chuyển hóa NH4+ và NO2- thành khí N2 và một lượng
nhỏ NO3-. Kết hợp phương trình (2.1) và (2.2) ta được phương trình (2.3), phương
trình đặc trưng của quá trình CANON.
So với q trình nitrat hóa và khử nitrat thơng thường, phương pháp này giúp
tiết kiệm 100% nguồn carbon cần thiết (ví dụ: metanol) và 63% lượng oxy cần thiết
(Kuai và Verstraete, 1998). Điều này dẫn đến việc giảm hơn 100% lượng khí thải
CO2 và giảm nhu cầu năng lượng. Bên cạnh đó, lượng bùn sinh ra từ q trình
CANON cũng thấp, ± 0.05 kg ds/kg N đối với anammox và ± 0.1 kg ds/kg N đối
với AOB (Strous, 2000). Mặc dù q trình Canon khơng cần bất cứ nguồn cacbon
hữu cơ nào để loại bỏ Nitơ, tuy nhiên nó vẫn tiêu thụ nguồn cacbon vơ cơ, vì vậy

phải bổ sung HCO3-.
Một hạn chế đối với việc áp dụng rộng rãi quá trình này là khó khăn trong việc
phát triển một lượng lớn sinh khối Anammox (Strous và cộng sự, 1999). Chikako
và cộng sự (2019) đã mất tới 3 năm để làm giàu anammox thành cơng từ nước thải
ni heo.
2.2.2. Q trình one-stage anammox và two-stage anammox
Cơng nghệ anammox có thể được tiến hành trong 2 bể phản ứng riêng biệt
(two-stage system) hoặc trong 1 bể phản ứng duy nhất với điều kiện hạn chế sục khí
(one-stage system). Ưu điểm của quá trình two-stage anammox là dễ dàng thiết lập
điều kiện vận hành tối ưu cho từng bể phản ứng, tuy nhiên lại gặp khó khăn trong

NGUYỄN HỒNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


8

việc duy trì sự ổn định của quá trình khi tính chất nước thải đầu vào có sự dao động
(Daehee và cộng sự, 2019). Ngoài ra, đối với nước thải có hàm lượng ammonium
lớn thì lượng nitrit lớn sinh ra do q trình nitrit hóa bán phần ở bể thứ nhất là độc
tính đối với vi khuẩn anammox ở bể thứ hai (Strous và cộng sự, 1999). Trong khi
đó, mặc dù q trình one-stage anammox gặp nhiều khó khăn trong việc thiết lập
điều kiện vận hành tối ưu, quá trình này lại dễ dàng duy trì nồng độ nitrit thấp trong
bể phản ứng cũng như đơn giản hơn trong việc ngăn chặn sự rửa trôi sinh khối ra
khỏi bể phản ứng (Daehee và cộng sự, 2019).
2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng
Theo Lee và cộng sự (2008), q trình nitrite hóa bán phần – anammox là quá
trình dựa trên hai quá trình sinh học: một phần ammonium (NH4+) sẽ được chuyển
hóa thành nitrite (NO2-) sau đó NO2- sinh ra sẽ được khử bởi lượng NH4+ cịn lại.

Các thơng số mơi trường quan trọng nhất để đạt được nitrite hóa bán phần là nồng
độ free ammonia (FA, NH3) và free nitrous acid (FNA, HNO2), nhiệt độ, pH và DO
(Paredes và cộng sự, 2007). Cụ thể, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gồm:
 Dissolved oxygen (DO) ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của quá trình
CANON. DO thấp là điều kiện tốt cho anammox sinh trưởng trong giai đoạn tỉ lệ
NO2-:NH4+ tương ứng là 1.32, tuy nhiên ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của vi
khuẩn AOB. DO cao ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của anammox, nhưng là điều
kiện tốt cho AOB, NOB chiếm ưu thế (Vázquéz-Padin và cộng sự, 2010). Giá trị
DO phù hợp trong khoảng 0.1 đến 1.0 mgO2/l.
 Hydrogen carbonate (HCO3-) là nguồn dinh dưỡng tốt cho anammox sinh
trưởng. Quá trình CANON sẽ làm giảm pH do vậy HCO3- giúp làm trung hịa pH.
Ngồi ra, độ kiềm trong nước cịn có tác dụng cung cấp nguồn cacbon cho vi khuẩn.
 Nồng độ các chất hữu cơ cao kìm hãm vi khuẩn anammox. COD cao thì q
trình chuyển hóa nitrit thành nitrat chiếm ưu thế do đó làm ảnh hưởng đến lượng
nitrit cần thiết cho vi khuẩn anammox (Vázquéz-Padin và cộng sự, 2010). Nồng độ
COD < 300mg/l và tỉ lệ COD/TKN < 2 là giá trị thích hợp (Van Hulle và cộng sự,
2010).

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


9

 Free ammonia (FA) hạn chế sự sinh trưởng của vi khuẩn oxi hóa nitrite NOB nhiều hơn so với vi khuẩn oxi hóa ammonia - AOB. Giá trị pH thích hợp là 7
- 8 (Third và cộng sự, 2005) để hạn chế sinh trưởng của NOB. Cần duy trì pH > 7
(HNO2 < 0.2 mg/L), pH < 8 (NH3 < 150mg/L).
 Sự tích lũy nitrit trong bể phản ứng kìm hãm hoạt tính của anammox. Theo
Strous và cộng sự (1999), khi nồng độ nitrite > 100 mg N/l hoạt tính anammox hồn

tồn bị kìm hãm. Để khơi phục hoạt tính anammox, ta cần thêm một lượng vết chất
trung gian (> 1.4 mg N/l hydrazine, > 0.7 mg N/l hydroxylamine).
 Giá trị nhiệt độ thích hợp cho AOB từ 15 - 30oC, và anammox 25 - 35oC
Qua tham khảo các tài liệu về điều kiện vận hành mơ hình CANON đã được
cơng bố. Các thơng số ảnh hưởng chính đến hoạt tính của vi khuẩn trong mơ hình là
pH, nhiệt độ và DO. Giá trị pH nên duy trì từ 7.5 - 7.9, nhiệt độ thích hợp 25 - 35oC,
DO duy trì 0.1 đến 1.0 mg/l.
2.2.4. Hiệu quả xử lý
Thơng tin các mơ hình ứng dụng q trình nitrite hóa bán phần và anammox
về hiệu quả xử lý nitơ và tốc độ tiêu thụ NH4+-N được tổng hợp trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3 Tổng quan sự chuyển hóa Nitơ và tốc độ tiêu thụ NH4+-N trong các mơ hình
ứng dụng nitrite hóa bán phần và anammox (Third và cộng sự, 2005)

Loại bể

Tổng N chuyển hóa,

Tiêu thụ NH4+,

phản ứng

kg N/m3/ngày

g/kg sinh khối/h

SHARON-

CSTR-

1.2

5.5

Anammox

SBR

Quá trình

Nguồn

Van Dongen
và cộng sự
(2001)

OLAND

SBR

0.05

0.5

Kuai và
Verstraete
(1998)

CANON

CSTR

0.08

0.7

Third và cộng
sự (2005)

NGUYỄN HỒNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


10

Q trình

CANON

Loại bể

Tổng N chuyển hóa,

Tiêu thụ NH4+,

phản ứng

kg N/m3/ngày

g/kg sinh khối/h

SBR

0.16

3.1

Nguồn

Sliekers và
cộng sự
(2002)

CANON

Gas-lift

1.5

11.3

Sliekers và
cộng sự
(2003)

CANON

SBR

0.12

1.2

Third và cộng
sự (2001)

2.3. Các ứng dụng hạt PVA Gel vào xử lý nước thải
Công thức cấu tạo của PVA gel được trình bày trong Hình 2.2.

Hình 2.2 Cơng thức cấu tạo Polyvinyl alcohol (VectorStock.com)

Hạt PVA gel lần đầu được cung cấp bởi công ty Kuraray (Nhật Bản), từ đó nó
được phổ biến trên thế giới. Những ưu điểm của hạt PVA Gel trong lĩnh vực xử lý
nước thải được nhà sản xuất công bố như sau (kuraray.co.jp):
 PVA gel dạng hạt có đường kính 4 mm, trọng lượng riêng 1.025 ± 0.01 và
đặc biệt cần ít năng lượng để xáo trộn;
 PVA gel có mạng lưới các lỗ có đường kính khoảng 20 µm;
 PVA gel sinh ra ít bùn hơn phương pháp sinh học truyền thống;

NGUYỄN HOÀNG DŨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ