Nghiên cứu quá trình nitrit hóa bán phần sử dụng công nghệ sbr để xử lý nước rỉ rác cũ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NHƢ BIẾC

NGHIÊN CỨU Q TRÌNH NITRIT HĨA BÁN PHẦN SỬ
DỤNG CÔNG NGHỆ SBR ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC CŨ

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trƣờng
Mã số: 608506

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-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 : TS. Nguyễn Như Sang
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Thị Thanh Phượng
(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 29 tháng 08 năm 2013
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. PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong
2. TS. Nguyễn Như Sang
3. TS. Nguyễn Thị Thanh Phượng
4. TS. Nguyễn Thị Kim Phụng

5. TS. Đặng Vũ Bích Hạnh
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

TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG


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

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HÀ NHƢ BIẾC

MSHV:11250511

Ngày, tháng, năm sinh: 26/08/1988

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường

Mã số: 608506

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH NITRIT HĨA BÁN PHẦN SỬ
DỤNG CÔNG NGHỆ SBR ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC CŨ
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

(1) Xác định các thông số vận hành thích hợp để làm giàu bùn AOB. Các thông số
này là: DO và pH đầu vào.
(2) Khảo sát ảnh hưởng FA và FNA lên hoạt tính AOB và NOB ở các nồng độ
ammonia đầu vào khác nhau.
(3) Xác định HRT thích hợp để đạt được q trình nitrit hóa bán phần ở các nồng độ
ammonia đầu vào khác nhau.
(4) Đánh giá sự tiêu thụ độ kiềm, sự bay hơi ammonia, tốc độ tiêu thụ ammonia và
hiệu quả xử lý COD trong q trình nitrit hóa bán phần ở các nồng độ ammonia đầu
vào khác nhau.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Phước Dân
Tp. HCM, ngày 09 tháng 09 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Thầy Nguyễn Phước Dân đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, chia

sẻ kinh nghiệm bổ ích để em thực hiện và hoàn thành tốt luận văn.
Anh Phan Thế Nhật đã quan tâm, giúp đỡ và có những góp ý sâu sắc để em
từng bước hoàn thành luận văn này.
Các thầy cô trong Khoa Môi Trường - trường Đại học Bách Khoa thành
phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho em có thể hồn thành luận văn.
Phịng Khoa học Cơng nghệ và Dự án – Đại học Bách Khoa thành phố Hồ
Chí Minh; Cơng ty bia Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí cho luận văn.
Ban quản lý Khu xử lý chất thải rắn Gò Cát đã tạo điều kiện lấy mẫu nước
thải.
Các học viên khóa 2011, sinh viên khóa 2008; 2009; 2010.
Cuối cùng em xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến mẹ, hai em
gái đã luôn ủng hộ, cổ vũ và giúp đỡ em trong suốt những năm học qua.
Trân trọng

Hà Nhƣ Biếc


ii

TĨM TẮT
Đặc điểm chính của nước rỉ rác cũ là chứa nồng độ ammonia cao và nồng độ chất
hữu cơ dễ phân hủy sinh học thấp. Quá trình loại bỏ nitơ sinh học truyền thống áp
dụng cho xử lý nước rỉ rác cũ thơng thường có hiệu quả loại bỏ khơng ổn định và
chi phí vận hành cao. Trong những năm gần đây, sự oxy hóa kỵ khí ammonia
(anammox) được xem là cơng nghệ mới có đầy tiềm năng về mặt kỹ thuật và
mang hiệu quả kinh tế cao cho việc loại bỏ nitơ từ nước rỉ rác cũ so với quá trình
truyền thống. Quá trình anammox cần đầu vào có tỉ lệ NO2--N:NH4+-N là 1 – 1,3.
Do vậy, quá trình nitrit hóa bán phần phía trước là cần thiết nhằm chuyển hóa một
nửa ammonia đầu vào thành nitrit. Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu ảnh
hưởng của nồng độ ammonia cao lên q trình nitrit hóa bán phần xử lý nước rỉ

rác cũ bằng mơ hình SBR như là bước tiền xử lý cho quá trình anammox phía sau.
Trong 45 ngày đầu, nghiên cứu đã làm giàu bùn vi khuẩn oxy hóa ammonia
(AOB) thành cơng dưới các điều kiện thí nghiệm là DO lớn hơn 4 mg/L, pH đầu
vào 7,3 – 7,5. Từ ngày 341 trở đi, ở nồng độ ammonia đầu vào (3.830 ± 107
mg/L), đầu ra của bể SBR thu được nồng độ trung bình ammonia và nitrit lần lượt
là: 1.751; 1.874 mg/L và có được tỉ lệ NO2--N:NH4+-N nằm trong khoảng tỉ lệ đòi
hỏi của q trình anammox phía sau. Thêm vào đó, các kết quả nghiên cứu cho
thấy nồng độ ammonia tự do (FA) cao đã khơng gây ức chế hồn tồn lên AOB
mà chỉ làm giảm hoạt tính của nó. Sự tiêu thụ độ kiềm trong nghiên cứu nằm trong
khoảng 4,01 – 8,16 mg CaCO3/mg NH4+-N, giá trị này cao hơn giá trị lý thuyết.
Sự tiêu thụ độ kiềm và pH đầu ra có tương quan nghịch với mức độ tương quan
chặt (R2 = 0,759). Tốc độ tiêu thụ ammonia trung bình thấp (9,14 mg NH4+-N/mg
VSS.h) khi thời gian lưu bùn lớn hơn 20 ngày. Sự bay hơi xuất hiện khi nghiên
cứu vận hành ở nồng độ ammonia cao (trên 1.999 mg/L). Hiệu quả loại bỏ COD
thấp và giảm mạnh khi nồng độ nitrit đầu ra vượt quá 500 mg/L.


iii

ABSTRACT
Typical characteristic of old landfill leachate has high strength of ammonia and
low biodegradable organics. Traditional biological nitrogen removal process
applies to treat old leachate, in general, occurs unstable removal efficiency and
high operational costs. In recent years, anaerobic ammonia oxidation (anammox)
is a novel technology, it has potential technical superiority and economic
efficiency for the nitrogen removal from old landfill leachate when compared with
conventional biological technology. Anammox process needs influent nitrite to
ammonia molar ratio of 1 – 1,3. Thus, a preceding partial nitritation step requires,
which converts half of ammonia to nitrite. The goal of this work assessed effects
of the high ammonia concentration on a partial nitritation using SBR technology

to treat old landfill leachate, as a preparative step for the treatment in an anammox
reactor. In the first 45 days, the study successfully enriched ammonia oxidizing
bacteria (AOB) sludge under experimental conditions of DO above 4 mg/L, the
influent pH 7,3 – 7,5. After the 341st, with the influent ammonia concentration of
3.830 ± 107 mg/L, the effluent of SBR obtained the average ammonia and nitrite
concentration of 1.751, 1.874 mg/L, respectively, presenting a nitrite to ammonia
ratio belong to the range of values required by the anammox. In addition, the
results showed that high FA completely did not inhibite on AOB and only
decreased a fraction of AOB activity. The range of the consumed alkalinity
obtained about 4,01 – 8,16 mg CaCO3/mg NH4+-N that was higher than the
theoretical value and correlated to the effluent pH with R - squared of 0,759. The
average specific ammonia oxidation rate was low (9,14 mg NH4+-N/mg VSS.h)
when sludge retention time (SRT) exceeded 20 days. Ammonia stripping occured
to the higher influent ammonia concentration (over 1.999 mg/L). The COD
removal was low and gradually decreased when the effluent nitrite concentration
was higher than 500 mg/L.


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Hà Như Biếc, là học viên cao học chun ngành Cơng nghệ Mơi trường,
khóa học 2011. Tơi xin cam đoan:
- Cơng trình nghiên cứu này do chính tơi thực hiện tại phịng thí nghiệm
Khoa Mơi trường, trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.
- Các số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở
các nghiên cứu của tác giả khác hay trên bất kỳ phương tiện truyền thơng nào.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong Luận văn tốt
nghiệp của mình.
Học viên

Hà Nhƣ Biếc


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
TÓM TẮT .............................................................................................................. ii
ABSTRACT .......................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. iv
MỤC LỤC.............................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ẢNH................................................................................... viii
DANH MỤC SƠ ĐỒ ............................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... xi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1.1. Tính cấp thiết .................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu ........................................................................................................... 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................... 2
1.4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 2
1.5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 3
1.6. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................. 3
1.7. Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................................. 3
1.8. Tính mới của đề tài ........................................................................................... 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 5
1.1. Nước rỉ rác........................................................................................................ 5
1.1.1. Đặc điểm thành phần, tính chất nước rỉ rác .................................................. 5
1.1.2. Công nghệ xử lý nước rỉ rác......................................................................... 7
1.1.3. Hiện trạng xử lý nước rỉ rác ở Việt Nam ...................................................... 7

1.2. Các phương pháp loại bỏ nitơ trong nước rỉ rác ...............................................10
1.2.1. Tuần hoàn nước rỉ rác .................................................................................10
1.2.2. Phương pháp hóa – lý .................................................................................11
1.2.3. Phương pháp xử lý sinh học truyền thống ...................................................12
1.2.4. Các phương pháp sinh học mới loại bỏ nitơ ................................................19


vi

1.3. Q trình nitrit hóa bán phần ...........................................................................24
1.3.1. Các chiến lược kiểm soát nâng cao sự sinh trưởng AOB và ức chế NOB ....24
1.3.2. Các nghiên cứu về quá trình nitrit hóa bán phần .........................................26
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................34
2.1. Nội dung thí nghiệm ........................................................................................34
2.2. Mơ hình thí nghiệm .........................................................................................34
2.3. Vật liệu ............................................................................................................35
2.4. Điều kiện vận hành ..........................................................................................36
2.4.1. Các TN ở giai đoạn I ..................................................................................37
2.4.2. Các TN ở giai đoạn II .................................................................................37
2.5. Phương pháp phân tích ....................................................................................38
2.6. Phương pháp xử lý số liệu ...............................................................................39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................42
3.1. Làm giàu bùn AOB ..........................................................................................42
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của FA và FNA lên hoạt tính AOB và NOB ....................46
3.3. Xác định HRT thích hợp cho quá trính nitrit hóa bán phần ..............................48
3.3.1. Nước rỉ rác được pha lỗng với nước máy ..................................................48
3.3.2. Nước rỉ rác khơng pha lỗng: nồng độ ammonia vào = 3.870 ± 89 mg/L, (n
= 21) 53
3.4. Đánh giá sự tiêu thụ độ kiềm, sự bay hơi, tốc độ tiêu thụ ammonia và hiệu quả
loại bỏ COD trong q trình nitrit hóa bán phần .................................................55

3.4.1. Sự tiêu thụ độ kiềm .....................................................................................55
3.4.2. Sự bay hơi ammonia ...................................................................................57
3.4.3. Tốc độ tiêu thụ ammonia ............................................................................58
3.4.4. Hiệu quả loại bỏ COD trong q trình nitrit hóa bán phần ..........................59
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................61
4.1. Kết luận ...........................................................................................................61
4.2. Kiến nghị .........................................................................................................61
DANH MỤC BÀI BÁO CÔNG BỐ .....................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................64


vii

PHỤ LỤC ..............................................................................................................76


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình

Tựa đề

Trang

Hình 2.1: Mơ hình thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu ..................................... 35
Hình 2.2: Thời gian của các pha trong một mẻ..................................................... 37
Hình 3.1: (a) sự chuyển hóa nitơ; (b) FA trong giai đoạn I ...................................43
Hình 3.2: Nồng độ MLSS và MLVSS trong giai đoạn I ....................................... 44
Hình 3.3: Sự chuyển hóa nitơ và tỉ lệ NO2--N:NH4+-N ở TN3.............................. 49

Hình 3.4: Sự chuyển hóa nitơ và tỉ lệ NO2--N:NH4+-N ở TN4.............................. 50
Hình 3.5: Sự chuyển hóa nitơ và tỉ lệ NO2--N:NH4+-N ở TN5.............................. 51
Hình 3.6: Sự chuyển hóa nitơ và tỉ lệ NO2--N:NH4+-N ở TN6.............................. 53
Hình 3.7: Sự chuyển hóa nitơ và tỉ lệ NO2--N:NH4+-N ở TN7.............................. 54
Hình 3.8: Sự biến thiên của NLR và HRT ở các nồng độ ammonia đầu vào khác
nhau tại các mẻ đạt được q trình nitrit hóa bán phần ........................................ 55
Hình 3.9: Biểu đồ boxplot về sự tiêu thụ độ kiềm ................................................ 56
Hình 3.10: Biểu đồ boxplot về giá trị pH đầu ra ................................................... 57
Hình 3.11: Mối tương quan giữa sự tiêu thụ độ kiềm và pH .................................57
Hình 3.12: Biểu đồ boxplot về tốc độ tiêu thụ ammonia ở các TN ....................... 59
Hình 3.13: Nồng độ nitrit, nồng độ COD và hiệu quả loại bỏ COD ..................... 60
Hình 3.14: Biểu đồ boxplot về hiệu quả loại bỏ COD ở các TN ........................... 60


ix

DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ

Tựa đề

Trang

Sơ đồ 1.1: Dây chuyền công nghệ của Viện Cơ học xử lý nước rỉ rác Nam Sơn ....8
Sơ đồ 1.2: Dây chuyền công nghệ của CTCKTS xử lý nước rỉ rác Nam Sơn .........8
Sơ đồ 1.3: Dây chuyền công nghệ của SEEN xử lý nước rỉ rác Nam Sơn ..............9
Sơ đồ 1.4: Dây chuyền cơng nghệ của VerMeer xử lý nước rỉ rác Gị Cát ........... 10
Sơ đồ 1.5: Dây chuyền công nghệ của CENTEMA xử lý nước rỉ rác Gò Cát ....... 10
Sơ đồ 1.6: Dây chuyền công nghệ của ECO xử lý nước rỉ rác Gị Cát.................. 10
Sơ đồ 1.7: Q trình Wuhrmann .......................................................................... 17

Sơ đồ 1.8: Quá trình Ludzack – Ettinger hiệu chỉnh............................................. 18
Sơ đồ 2.1: Nội dung thí nghiệm ........................................................................... 34


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng

Tựa đề

Trang

Bảng 1.1: Tính chất nước rỉ rác tại BCL Gò Cát theo thời gian (CENTEMA, 2002)
..............................................................................................................................6
Bảng 1.2: Các phương pháp xử lý nước rỉ rác (Tchbanoglous G. và cộng sự, 1993)
..............................................................................................................................7
Bảng 1.3: So sánh quá trình loại bỏ nitơ (Ahn, 2006; Schmidt và cộng sự 2003) .23
Bảng 2.1: Thành phần tính chất nước rỉ rác bãi rác Gò Cát ..................................36
Bảng 2.2: Điều kiện vận hành ở giai đoạn I ......................................................... 37
Bảng 2.3: Điều kiện vận hành của mơ hình trong giai đoạn II .............................. 38
Bảng 2.4: Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích ................................................ 38
Bảng 3.1: Điều kiện vận hành của quá trình làm giàu bùn AOB trong một số
nghiên cứu ........................................................................................................... 45
Bảng 3.2: Giá trị FA, FNA ở các TN ...................................................................47


xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AOB

Vi khuẩn oxy hóa ammonia - Ammonia oxidizing bacteria

ANAMMOX Oxy hóa ammonia kỵ khí - Anaerobic ammonia oxidation
BOD

Nhu cầu oxy sinh học - Biochemical oxygen demand

BCL

Bãi chôn lấp

BTMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

CANON

Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite

COD

Nhu cầu oxy hóa học - Chemical oxygen demand

DO

Nồng độ oxy hòa tan - Dissolved oxygen

DGGE

Denaturing gradient gel electrophoresis

FA

Ammonia tự do - Free ammonia

FNA

Axit nitrit tự do - Free nitrous acids

FISH

Lai huỳnh quang tại chỗ - Fluorescence in-situ hybridization

HRT

Thời gian lưu nước - Hydraulic retention time

HSBR

Bể sinh học theo mẻ lai hợp – Hybric sequencing batch reactor

ILR

Tải trọng đầu vào – Influent loading rate

MBR

Sinh học hiếu khí kết hợp màng lọc - Membrane bio reactor

MLSS

Tổng chất rắn lơ lửng trong hệ bùn lỏng - Mixed liquor suspended
solids

MLVSS

Tổng chất rắn bay hơi trong hệ bùn lỏng - Mixed liquor volatile
suspended solids

TAF

Tổng lưu lượng khí – Total air flux

NF

Màng lọc nano - Nanofiltration

NLR

Tải trọng nitơ - Nitrogen loading rate

NH4+-N

Nitơ ammonia

NO2--N

Nitơ nitrit

NO3--N

Nitơ nitrat

NOB

Vi khuẩn oxy hóa nitrit - Nitrite oxidizing bacteria

OLAND

Oxygen limited autotrophic nitrification - denitrification


xii

RBC

Bể sinh học tiếp xúc quay - Rotating biological contactor

SBR

Bể sinh học theo mẻ - Sequencing batch reactor

SHARON

Single Reactor system for High Activity Ammonia Removal Over
Nitrite

SNAP

Single - stage nitrogen removal using the anammox and partial
nitritation

SRT

Thời gian lưu bùn – Sludge retention time

SVI

Chỉ số thể tích bùn – Sludge volume index

SS

Chất rắn lơ lửng - Suspended solids

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TXL

Trạm xử lý

TDS

Tổng chất rắn hòa tan – Total dissolved solids

TOC

Tổng cacbon hữu cơ – Total organic carbon

TKN

Tổng nitơ Kjeldahl - Total Kjeldahl nitrogen

TIC

Tổng cacbon vô cơ – Total inorganic carbon

VER

Tỷ lệ trao đổi thể tích - Volumetric exchange ratio

VFA

Axit béo bay hơi - Volatile fatty acid

VSS

Chất rắn lơ lửng bay hơi - Volatile suspended solids

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

UF

Màng vi lọc - Ultrafiltration

UASB

Upflow anaerobic sludge blanket

WAS

Bùn hoạt tính thải bỏ - Waste activated sludge


1

MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết
Hiện nay, chơn lấp là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất về mặt quản
lý chất thải rắn (Kurniawan và cộng sự, 2006). Một trong những mối quan tâm
chính về mặt mơi trường xuất hiện từ sự quản lý các bãi chôn lấp này là nước rỉ rác.
Đáng chú ý, nước rỉ rác phát sinh từ các bãi chôn lấp cũ thường chứa hàm lượng
ammonia cao và các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học thấp. Xử lý nước rỉ rác
cũ áp dụng công nghệ sinh học truyền thống dựa trên nguyên lý nitrat hóa - khử
nitrat thường có hiệu quả khơng ổn định và chi phí vận hành cao. Sự oxy hóa kỵ khí
ammonia (anaerobic ammonia oxidation, viết tắt là anammox) là một công nghệ
mới đã được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Q trình anammox khơng
cần cung cấp chất hữu cơ cho quá trình loại bỏ nitơ, vì thế nó có tiềm năng về mặt
kỹ thuật và đem lại lợi ích kinh tế cao đối với xử lý nước rỉ rác cũ so với quá trình
loại bỏ nitơ bằng con đường sinh học truyền thống. Trong phản ứng anammox,
ammonia được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí tạo thành khí nitơ và tỉ lệ
nitrit chia cho ammonia trong phản ứng này khoảng 1 - 1,3 (van de Graaf và cộng
sự, 1996). Vì nồng độ nitrit tương đối thấp trong nước rỉ rác, do đó, giai đoạn nitrit
hóa bán phần phía trước thì địi hỏi nhằm chuyển hóa một nửa ammonia thành nitrit
làm đầu vào cho quá trình anammox. Điều quan trọng nhất của q trình nitrit hóa

bán phần là nâng cao sự sinh trưởng của vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và ức
chế vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) (Liang và Liu, 2006). Q trình nitrit hóa bán
phần thực hiện trong bể phản ứng khuấy trộn liên tục có thể làm hạn chế tốc độ sinh
trưởng của AOB khi tải trọng nitơ đầu vào tăng (Wyffels và cộng sự, 2004). Để
nâng cao tốc độ sinh trưởng của AOB, các công nghệ khác đã được nghiên cứu như:
MBR, bể phản ứng sinh học có giá thể và SBR. Tuy nhiên, ở công nghệ MBR và bể
phản ứng sinh học có giá thể gặp khó khăn để kiểm sốt tuổi bùn dẫn đến sự ức chế
NOB bị hạn chế (Fux và cộng sự, 2004). Cơng nghệ SBR có thể khắc phục được
nhược điểm này (R. Ganigué và cộng sự, 2009).
Các nghiên cứu về q trình nitrit hóa bán phần trong nước rỉ rác đã được
tiến hành nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới như: Pháp, Trung Quốc, Hà
HVTH: Hà Như Biếc


2

Lan, v.v… Các kết quả trong các nghiên cứu này cho thấy q trình nitrit hóa bán
phần có thể đạt được hiệu quả cao ở nồng độ ammonia đầu vào lên đến 5.000 mg/L
và tải trọng nitơ 1,5 kg N/m3.ngày (Liang và Liu, 2006; R. Ganigué và cộng sự,
2007, 2009, 2012; Huosheng Li và cộng sự, 2013; v.v…). Tuy nhiên, ở Việt Nam,
nghiên cứu về q trình nitrit hóa bán phần mới chỉ được nghiên cứu đối với nước
thải chăn nuôi heo và nước rỉ rác (Phạm Khắc Liệu và cộng sự, 2005, 2011; Lê
Công Nhất Phương và cộng sự, 2007, 2011). Quá trình đạt hiệu quả ở nồng độ
ammonia thấp 500 mg/L và tải trọng nitơ dưới 0,5 kg N/m3.ngày.
Từ các cơ sở trên, nghiên cứu tiến hành sử dụng SBR và q trình nitrit hóa
bán phần cho xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ (có nồng độ NH4+-N cao) tại nước ta.
1.2. Mục tiêu
Mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ
ammonia cao lên q trình nitrit hóa bán phần xử lý nước rỉ rác cũ bằng mơ hình
SBR như là bước tiền xử lý cho q trình anammox phía sau.

1.3. Đối tƣợng nghiên cứu
Nước thải thực nghiệm là nước rỉ rác lấy từ bãi rác Gị Cát, xã Bình Hưng
Hịa, huyện Bình Chánh, Tp. HCM đã đóng cửa được 6 năm với nồng độ chất hữu
cơ (BOD5, COD) thấp và nồng độ ammonia cao. Nghiên cứu này sử dụng mô hình
SBR.
1.4. Nội dung nghiên cứu
Để đáp ứng mục tiêu trên, nghiên cứu gồm các nội dung sau:
(1) Xác định các thơng số vận hành thích hợp để làm giàu bùn AOB. Các
thông số này là: DO và pH đầu vào.
(2) Khảo sát ảnh hưởng FA và FNA lên hoạt tính AOB và NOB ở các nồng
độ ammonia đầu vào khác nhau.
(3) Xác định HRT thích hợp để đạt được quá trình nitrit hóa bán phần ở các
nồng độ ammonia đầu vào khác nhau.

HVTH: Hà Như Biếc


3

(4) Đánh giá sự tiêu thụ độ kiềm, sự bay hơi ammonia, tốc độ tiêu thụ
ammonia và hiệu quả xử lý COD trong q trình nitrit hóa bán phần ở các nồng độ
ammonia đầu vào khác nhau.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, nghiên cứu đã sử dụng các
phương pháp nghiên cứu sau đây: phương pháp tổng quan, kế thừa: tổng hợp, thu
thập có chọn lọc, tham khảo các tài liệu trong và ngồi nước có liên quan đến
nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thiết lập và vận hành mơ hình
thí nghiệm; phương pháp phân tích hóa học, sinh học đối với các thông số môi
trường nước thải; phương pháp thống kê, xử lý số liệu: xử lý số liệu bằng các cơng
thức tốn học và phần mềm Excel, Stata.

1.6. Ý nghĩa khoa học
Về 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 nitrit hóa trong nước rỉ rác
cũ. Bên cũng đó nghiên cứu cũng là tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về q trình
nitrit hóa bán phần trong nước rỉ rác cũ như là xác định thông số động học.
1.7. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu góp phần vào việc triển khai mơ hình ngồi thực tế tích
hợp với q trình anammox trong xử lý nước rỉ rác có nồng độ ammonia cao với chi
phí đầu tư cơ bản và vận hành cạnh tranh hơn so với quá trình khử nitơ truyền thống
(nitrat hóa - khử nitrat). Hơn nữa, kết quả nghiên cứu cũng làm tiền đề cho các
nghiên cứu mở rộng ra đối với các loại nước thải có nồng độ ammonia cao từ một
số lĩnh vực chăn nuôi, cơng nghiệp như: nước thải từ lị mổ, nước thải từ chế biến
nước tương, các xí nghiệp chế biến thủy sản, chăn nuôi heo, nhà máy chế biến tinh
bột sắn, nhà máy chế biến cao su, nhà máy chế biến thuộc da, nhà máy sản xuất
phân bón, thực phẩm và một số ngành nghề khác, v.v…

HVTH: Hà Như Biếc


4

1.8. Tính mới của đề tài
Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrit hóa bán phần sử dụng mơ hình SBR để
xử lý nitơ trong nước thải rỉ rác cũ vận hành ở nồng độ ammonia đầu vào lên đến
4.000 mg NH4+-N/L hay tải trọng nitơ lớn hơn 1 kg N/m3.ngày.

HVTH: Hà Như Biếc


5

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Nƣớc rỉ rác
1.1.1. Đặc điểm thành phần, tính chất nước rỉ rác
Nước rỉ rác là nước thải ô nhiễm rất cao và phức tạp. Thành phần nước rỉ rác
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tuổi bãi rác, khí hậu, bản chất của chất thải phân
hủy và cũng thay đổi từ vị trí này đến vị trí khác. Nước rỉ rác bao gồm bốn thành
phần chính (Kjeldsen và cộng sự, 2002):
- Các hợp chất hữu cơ bao gồm: các chất hữu cơ hòa tan, các axit béo dễ bay
hơi và các hợp chất bền nhiệt: axit fulvic, axit humic, v.v...
- Các chất vô cơ: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, Fe2+, Mn2+, Cl-, SO42- và HCO3- Kim loại nặng: Cd2+, Cr3+, Cu2+, Pb2+, Ni2+ và Zn2+.
- Các hợp chất hữu cơ xenobiotic gồm: các hợp chất vòng thơm, phenol,
thuốc trừ sâu, v.v... Các hợp chất này thường tồn tại ở hàm lượng thấp.
Thành phần nước rỉ rác cũng chứa các chất độc và chúng được xác định bằng
các thử nghiệm độc học (Vibrio fischeri, Daphania similes, Artemia salina, v.v…).
Các chất độc này có hại đối với các vi sinh vật (Kjeldsen và cộng sự, 2002). Các thử
nghiệm độc học xác nhận các căn bệnh tiềm ẩn từ nước rỉ rác và sự cần thiết phải
xử lý nó.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước rỉ rác. Tuy nhiên, trong
nhiều yếu tố, tuổi thọ bãi rác là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến thành phần nước rỉ
rác (Renou và cộng sự, 2008). Kulikowska và Klimiuk (2007) đã đưa ra dữ liệu cho
thấy tuổi thọ bãi rác có ảnh hưởng đáng kể đến các hợp chất hữu cơ và sự biến thiên
các tham số này theo thời gian đóng vai trị quan trọng trong việc quản lý nước rỉ
rác. Ba loại nước rỉ rác được phân loại theo tuổi bãi rác là: mới, trung và ổn định
(cũ) (Amokrane và cộng sự, 1997) được thể hiện ở bảng 1.1.

HVTH: Hà Như Biếc


6

Bảng 1.1: Tính chất nước rỉ rác tại BCL Gị Cát theo thời gian (CENTEMA, 2002)
Thành phần

Đơn vị

pH

Nước rỉ rác mới

Nước rỉ rác

mùa khô

Nước rỉ rác mới
mùa mưa

4,8 - 6,2

6,5 - 6,9

7,81 - 7,89

cũ

TDS

mg/L

7.300 – 12.200

5.011 – 6.420

6.040 – 9.145

COD

mg O2/L

39.614 – 59.750

6.621 – 31.950

1.186 – 1.436

BOD5

mg O2/L

30.000 – 48.000

4.554 – 25.130

200

VFA

mg/L

21.878 – 25.182

2.882

26

SS

mg/L

1.760 – 4.310

896 – 1.320

235

TKN

mg/L

974 – 1.165

484,4

918,6

Phospho tổng

mg/L

55,8 - 89,6

13,3

6,4 - 10,1

Độ cứng tổng

mg CaCO3//L

5.833 – 9.667

1.840 – 4.250

1.260 – 1.720

mg/L

1.670 – 2.739

465

60 - 80

Mg2+

mg/L

404 - 687

165

297 - 381

Cl-

mg/L

3.960 – 4.100

1.075

2.450 – 2.697

mg/L

1.400 - 1590

-

14

Fe tổng

mg/L

204 - 208

46,8

4,5

Cr tổng

mg/L

0,04 - 0,05

-

-

Zn

mg/L

93 - 202

-

-

Pb

mg/L

0,32 - 1,9

-

-

Cd

mg/L

0,02 - 0,1

Ni

mg/L

2,21 - 8,02

-

-

Mn

mg/L

14,5 - 32,17

-

-

Cu

mg/L

3,5 - 4,0

-

-

Ca

2+

SO42-

L

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 chóng của các hợp chất hữu cơ
này thường chứa hàm lượng cao các axit dễ bay hơi (VFA). Theo thời gian, khi
nước rỉ rác trong giai đoạn lên men methan, các chất ô nhiễm hữu cơ dễ phân hủy
sinh học giảm dần và VFA chuyển thành khí sinh học. Cuối cùng, tỉ lệ BOD/COD
giảm đáng kể và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học chiếm chủ yếu trong
các hợp chất hữu cơ. Trái lại, hàm lượng ammonia không giảm và thường là chất ô
nhiễm tồn tại lâu dài trong nước rỉ rác (Kjeldsten và cộng sự, 2002). Nitơ có thể gây

HVTH: Hà Như Biếc


7

phú dưỡng cho nguồn nước tiếp nhận. Vì thế, loại bỏ nitơ trong nước rỉ rác là cần

thiết.
1.1.2. Công nghệ xử lý nước rỉ rác
Có hai phương pháp xử lý cơ bản được áp dụng trong xử lý nước rỉ rác, đó là
phương pháp hóa học/hóa lý và phương pháp sinh học. Bảng 1.2 thể hiện các
phương pháp xử lý nước rỉ rác đã được nghiên cứu và ứng dụng.
Bảng 1.2: Các phương pháp xử lý nước rỉ rác (Tchbanoglous G. và cộng sự, 1993)
Phƣơng pháp

Sinh học

Hóa học

Vật lý

Q trình xử lý

Đối tƣợng xử lý

Bùn hoạt tính

Chất hữu cơ

Bể phản ứng theo mẻ (SBR)

Chất hữu cơ

Bể bùn bám dính

Chất hữu cơ

Hồ sinh học

Chất hữu cơ

Nitrat hóa - Khử nitrat hóa

Nitơ

Kết tủa

Một số kim loại và anion

Oxy hóa, ơzơn hóa

Chất hữu cơ và một số độc tố

Oxy hóa khí ướt

Chất hữu cơ

Keo tụ - Tạo bông

Chất rắn lơ lửng

Lọc

Chất rắn lơ lửng

Hấp phụ

Chất hữu cơ

Tháp đuổi khí

NH3 hay chất hữu cơ bay hơi

Tháp đuổi hơi

Chất hữu cơ bay hơi

Trao đổi ion

Chất hữu cơ hịa tan

Lọc thẩm thấu ngược

Các thành phần vơ cơ hòa tan

1.1.3. Hiện trạng xử lý nước rỉ rác ở Việt Nam
Hiện nay, ở nước ta, các trạm xử lý (TXL) nước rỉ rác được đầu tư xây dựng
là: TXL nước rỉ rác Nam Sơn (Hà Nội), TXL nước rỉ rác ở Đèo Sen, TXL nước rỉ
rác Hà Khẩu, TXL nước rỉ rác Quang Hanh (Quảng Ninh), TXL nước rỉ rác Tràng
Cát (Hải Phòng), TXL nước rỉ rác Lộc Hoà (Nam Định) và các trạm khác như: TXL
nước rác Đơng Thạnh, TXL nước rỉ rác Gị Cát, TXL nước rỉ rác Đa Phước và TXL
nước rỉ rác Phước Hiệp (tất cả đều ở TP Hồ Chí Minh). Tuy nhiên, chỉ có TXL
nước rỉ rác Nam Sơn (Hà Nội) và TXL nước rỉ rác Gị Cát (TP. Hồ Chí Minh) được

HVTH: Hà Như Biếc

8

đầu tư xây dựng hiện đại, hiệu quả xử lý cao và đạt TCVN 7733:2005 cũng như
QCVN 40:2011/BTNMT (Cù Huy Đấu, 2010).
1.1.3.1. Xử lý nước rỉ rác BCL Nam Sơn (Hà Nội) (Nguyễn Hồng Khánh, 2009)
Trạm xử lý nước rỉ rác tại Nam Sơn được Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo và
Tư vấn Môi trường, Viện Cơ học, Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ
Quốc gia, kết hợp với Cơng ty Tư vấn Cấp thốt nước số 2 nghiên cứu từ năm 1998
và thiết kế được duyệt và tiến hành xây dựng vào năm 2000 (Sơ đồ 1.1).
Nước rỉ rác

Bể thu
Bể aerotank

Trạm bơm
Bể lắng

Tuyển nổi
Hồ sinh học

Bể UASB
Xả ra ngồi

Sơ đồ 1.1: Dây chuyền cơng nghệ của Viện Cơ học xử lý nước rỉ rác Nam Sơn
Do thiếu đồng bộ trong giải phóng mặt bằng và xây dựng nên đến tháng
7/2000 trạm mới chính thức được vận hành, nhưng sau 2 tháng vận hành với hiệu
quả thấp trạm đã ngừng hoạt động cho đến nay để chờ hoàn thiện công nghệ.
Nguyên nhân chủ yếu là do hồ sinh học chưa xây dựng (chưa giải phóng mặt bằng).
Trước tình hình đó, Liên hiệp Khoa học và Sản xuất hóa học đã xây dựng trạm xử
lý nước rỉ rác khẩn cấp cơng nghệ hóa học/hóa lý để oxy hóa/keo tụ. Tuy nhiên, giải

pháp này không thành công và trạm đã được tháo dỡ. Năm 2002, Xí nghiệp Điện
lạnh và Mơi trường, Cơng ty Cơ khí Thủy sản (CTCKTS) xây dựng hệ thống xử lý
tận dụng hệ thống hồ sinh học của dây chuyền trước đây để xử lý nitơ, nhưng không
giải quyết được chỉ tiêu COD (Sơ đồ 1.2). Năm 2006 cho đến nay, công ty SEEN
xây dựng hệ thống xử lý công suất 500 m3/ngày, bao gồm các công đoạn xử lý nitơ
(phương pháp thổi ngược) và COD (phương pháp sinh học SBR và hóa lý: fenton
và hấp phụ) nước rỉ rác đã qua hệ thống hồ sinh học (Sơ đồ 1.3). Tuy nhiên, chất
lượng sau xử lý không ổn định và chỉ tiêu ammonia đôi khi vượt tiêu chuẩn xả thải
và cần thời gian ổn định 3 - 5 ngày trước khi xả ra ngồi mơi trường.
Nước rỉ rác

Hồ sinh học

Hệ thống bể hiếu khí và thiếu khí

Trạm bơm

Hệ thống keo tụ
Hồ

Xả ra ngoài

Sơ đồ 1.2: Dây chuyền công nghệ của CTCKTS xử lý nước rỉ rác Nam Sơn
HVTH: Hà Như Biếc


9
Nước rỉ rác

Hồ sinh học

2 bể SBR

Lọc cát

Song chắn rác

Bể lắng

Bể lắng 2

Fenton và Hấp phụ

Bể khử trùng

Hồ ổn định

Bể UASB

Bể chứa nước

2 hệ thống stripping

Sơ đồ 1.3: Dây chuyền công nghệ của SEEN xử lý nước rỉ rác Nam Sơn
1.1.3.2. Xử lý nước rỉ rác BCL Gò Cát (Tp. Hồ Chí Minh) (Nguyễn Hồng Khánh,
2009)
BCL Gị Cát với diện tích 25 ha là một trong những BCL hợp vệ sinh đầu
tiên của Việt Nam, được thiết kế và xây dựng hồn chỉnh bằng kỹ thuật và cơng
nghệ hiện đại của Hà Lan. Theo số liệu thống kê thì từ khi bắt đầu vận hành BCL
năm 2001 đến nay, đã có 03 loại hình cơng nghệ xử lý nước rỉ rác khác nhau được
áp dụng do các công ty/trung tâm thực hiện như Công ty VerMeer, Hà Lan: phương

pháp xử lý bằng màng lọc; Trung tâm Môi trường CENTEMA: phương pháp xử lý
sinh học; Trung tâm Môi trường ECO: phương pháp sinh học kết hợp màng.
Trạm xử lý bằng màng lọc của VerMeer, Hà Lan là một công nghệ của Hà
Lan khá hiện đại với công nghệ chủ yếu được áp dụng là công nghệ màng vi lọc UF
(Sơ đồ 1.4). Tuy nhiên, sau một thời gian ngắn vận hành hiệu quả thì trạm xử lý
nước rỉ rác này phải ngừng hoạt động. Nguyên nhân là do ảnh hưởng của VFA quá
cao (chiếm 50 % COD) mà lọc màng lại có hiệu quả rất kém khi xử lý VFA; bên
cạnh đó, bể kỵ khí lên men chỉ hoạt động như bể điều hịa, hiệu quả xử lý khơng
đáng kể và cán bộ vận hành khơng có kinh nghiệm.
Đầu năm 2002, Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường (CENTEMA)
đã triển khai xây dựng trạm xử lý nước rỉ rác sử dụng phương pháp xử lý sinh học
công suất 400 m3/ngày đêm (Sơ đồ 1.5). Hồ chứa trong sơ đồ 1.5 có nhiệm vụ chứa
nước rỉ rác và điều hịa lưu lượng. Bể UASB có nhiệm vụ giảm các chất hữu cơ từ
cao (50.000 - 60.000 mg/L) xuống thấp (1.500 - 2.000 mg/L). Bể hiếu khí SBR xử
lý các chất hữu cơ cịn lại và thực hiện q trình nitrat hóa. Hệ thống hồ sinh học xử
lý triệt để các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và xử lý nitơ. Tuy nhiên,
sau một thời gian vận hành thì hiệu quả xử lý giảm dần. Nguyên nhân chính là độ
HVTH: Hà Như Biếc


10

cứng, nồng độ nitơ và chất hữu cơ khó phân hủy sinh học cao dẫn đến sự quá tải
cho hệ thống.
Nước rỉ rác

Trạm bơm

Bể kỵ khí lên men

Thiết bị lọc màng (UF)

Bể lọc áp lực

Bể bùn hoạt tính

Xả ra ngồi

Sơ đồ 1.4: Dây chuyền công nghệ của VerMeer xử lý nước rỉ rác Gò Cát
Nước rỉ rác

Hồ chứa

Trạm bơm
Bể SBR

Bể UASB

Bể khử canxi

Hồ sinh học

Xả ra ngoài

Sơ đồ 1.5: Dây chuyền công nghệ của CENTEMA xử lý nước rỉ rác Gò Cát

Khắc phục những nhược điểm và ưu điểm của 2 công nghệ ban đầu, đầu năm
2003 Trung tâm Môi trường ECO đã xây dựng và đưa vào hoạt động hệ thống kết
hợp phương pháp sinh học (bùn hoạt tính có kết hợp nitrat hóa và khử nitrat hóa) và
hóa lý (keo tụ/tạo bông/hấp phụ) (Sơ đồ 1.6).

Nước rỉ rác

Bể khuấy trộn

Bể bùn hoạt tính
Bể lọc cát

Bể khử canxi

Bể lắng

Bể UASB

Bể chứa

Màng lọc (UF, NF)

Xử lý hóa lý

Kênh nước đen

Sơ đồ 1.6: Dây chuyền công nghệ của ECO xử lý nước rỉ rác Gò Cát
Mặc dù cho đến nay, hệ thống này vẫn đang hoạt động tốt nhưng vẫn còn một
số vấn đề cần quan tâm như nồng độ ammonia chưa đạt chuẩn, sự lắng cặn canxi
gây nghẽn đường ống thường xuyên xảy ra, chi phí xử lý cao (70.000 đồng/m3), hệ
thống khá phức tạp đòi hỏi cán bộ vận hành phải có chun mơn tốt.
1.2. Các phƣơng pháp loại bỏ nitơ trong nƣớc rỉ rác
1.2.1. Tuần hoàn nước rỉ rác
Tuần hoàn nước rỉ rác trở lại đã được áp dụng rộng rãi ở các thập niên trước
vì nó là một trong các phương pháp xử lý rẻ tiền nhất. Có nhiều ưu điểm trong việc

HVTH: Hà Như Biếc