Nghiên cứu công nghệ xử lý amoni trong nước thải của công ty TNHH một thành viên phân đạm và hoá chất Hà Bắc bằng phương pháp vi sinh

NGUYỄN HỮU DƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HỮU DƯƠNG

Q TRÌNH-THIẾT BỊ CƠNG
NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC
THẢI CỦA CÔNG TY TNHH MỘT THÀNH VIÊN PHÂN ĐẠM
VÀ HOÁ CHẤT HÀ BẮC BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC

KHỐ 2008-2010
HÀ NỘI – 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HỮU DƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI CỦA
CÔNG TY TNHH MỘT THÀNH VIÊN PHÂN ĐẠM VÀ HOÁ CHẤT HÀ
BẮC BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH

CHUYÊN NGÀNH: Q TRÌNH-THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VŨ THỊ PHƯƠNG ANH

HÀ NỘI – 2010


Lời đầu tiên tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành
nhất tới TS. Vũ Thị Phương Anh-người đã giúp đỡ tơi hết sức
tận tình trong q trình tơi thực hiện Luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tới các thầy giáo, cơ giáo của
Bộ mơn Q trình-Thiết bị Cơng nghệ Hóa học và Thực
phẩm-Trường ĐHBK Hà Nội đã giúp đỡ tơi trong q trình
học tập cũng như trong q trình thực hiện Luận văn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn tới:
1. Trung tâm môi trường, Trung tâm phân tích, Trung
tâm ngun phụ liệu-Viện Nghiên cứu Da-Giầy
2. Khoa Cơng nghệ hóa học-Trường ĐHKHTN-ĐH
Quốc gia HN
3. Cơng ty TNHH một thành viên phân đạm và hóa
chất Hà Bắc
Đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi thực
hiện các nội dung nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2010
Tác giả Luận văn

Nguyễn Hữu Dương


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Hữu Dương
Sinh ngày: 11 tháng 10 năm 1984
Khoa: Cơng nghệ Hóa học
Chun ngành: Q trình-Thiết bị Cơng nghệ Hóa học và Thực phẩm
Khóa: 2008-2010
Tơi xin cam đoan:
1. Đây là cơng trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
TS. Vũ Thị Phương Anh-Bộ mơn Q trình-Thiết bị Cơng nghệ Hóa học và
Thực phẩm.
2. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng
được công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả Luận văn

Nguyễn Hữu Dương


MỤC LỤC

TRANG
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... iii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 4
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia trên thế giới và trong

nước............................................................................................................. 4
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia trên thế giới.............. 4
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia trong nước ............... 9
1.2 Cơ sở lý thuyết của đề tài .......................................................................... 12
1.2.1 Phương pháp Sharon ........................................................................ 12
1.2.1.1 Nguyên tắc của phương pháp................................................... 12
1.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nitrit hoá theo phương
pháp Sharon ................................................................................... 13
1.2.2 Phương pháp Anammox.................................................................. 19
1.2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp.................................................. 19
1.2.2.2 Các điều kiện ảnh hưởng......................................................... 24
1.2.3 Phương pháp kết hợp Sharon/anammox ......................................... 27
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................... 29
2.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm xử lý nước thải chứa amoni bằng phương
pháp kết hợp Sharon/Anammox ............................................................... 29
2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm xử lý nước thải chứa amoni bằng
phương pháp kết hợp Sharon/Anammox ....................................... 29
2.1.2 Vật liệu nghiên cứu ......................................................................... 29
2.1.3 Vận hành hệ thống: ......................................................................... 31


2.2 Phương pháp phân tích .............................................................................. 32
2.2.1 Xác định hàm lượng amoni bằng phương pháp so màu với thuốc
thử Nessler ..................................................................................... 32
2.2.2 Xác định hàm lượng Nitrit trong nước bằng phương pháp so màu
với thuốc thử Griss......................................................................... 35
2.2.3 Xác định hàm lượng nitrat trong nước bằng phương pháp so màu
với thuốc thử phenoldisunfonic ..................................................... 38
2.3 Xây dựng mơ hình vật lý mơ tả q trình xử lý nước thải chứa amoni
bằng phương pháp kết hợp Sharon/Anammox ......................................... 41

2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình Sharon/Anammox .................. 41
2.3.2 Xác định các chuẩn số đơn giản...................................................... 42
2.3.3 Thống kê các đại lượng còn lại và lập ma trận thứ nguyên ............ 43
2.3.4 Xây dựng và giải phương trình thứ nguyên .................................... 44
2.3.5 Thống kê các chuẩn số và lập mô hình vật lý ................................. 45
2.3.6 Xác định các tham số của mơ hình vật lý ....................................... 46
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 47
3.1 Giai đoạn vận hành thích nghi .................................................................. 47
3.2 Kết quả nghiên cứu ở giai đoạn vận hành ổn định.................................... 49
3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng khí đến hiệu suất chuyển
hố amoni ....................................................................................... 49
3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào tới hiệu suất
chuyển hóa ..................................................................................... 51
3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất chuyển hóa
amoni.............................................................................................. 53
3.3. Xác định các thơng số của mơ hình vật lý ............................................... 56
3.4. Kiểm tra tính tương hợp của mơ hình vật lý ............................................ 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 67
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 72


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT

GIẢI THÍCH

TẮT
Anammox – Anaerobic ammonium

: Oxi hóa amoni kỵ khí

oxidation
BOD- Biological oxygen demand

: Nhu cầu oxi sinh học

CANON – Completely Autotrophic

: Q trình loại bỏ nitơ hồn tồn tự

Nitrogen Removal Over Nitrite

dưỡng qua con đường nitrit hóa

COD – Chemical oxygen demand

: Nhu cầu oxi hóa học

DO – Dissolved oxygen

: Oxi hòa tan

HRT – Hydraulic retention time

: Thời gian lưu thủy lực

OLAND – Oxygen-Limited

: Q trình nitrit hóa-khử nitrit hóa

Autotrophic Nitrification-

tự dưỡng trong điều kiện giới hạn

Denitrification

oxi

RBC – Rotating biological contactor

: Đĩa quay sinh học

SBR – Sequencing batch reactor

: Thiết bị phản ứng dạng mẻ gián
đoạn

SHARON – Single reactor system for : Quá trình loại bỏ amoni qua con
High activity Ammonia Removal Over đường nitrit hóa trên hệ thống thiết
bị đơn

Nitrite

SNAP – Single-stage Nitrogen removal : Quá trình loại bỏ nitơ trong cùng
using Anammox and Partial nitritation thiết bị phản ứng bởi phản ứng
anammox và nitrit hóa bán phần
SRT – Sludge retention time

: Thời gian lưu giữ bùn

UASB – Upflow anaerobic sludge

: Thiết bị phản ứng kỵ khí ngược

bioreactor

i


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh các quá trình xử lý amoni ................................................... 9
Bảng 1.2: Ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và nồng độ NH 3 tự do và HNO 2
trong q trình nitrit hố ................................................................. 19
Bảng 2.1: Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng amoni.......... 34
Bảng 2.2: Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng nitrit ............ 34
Bảng 2.3: Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng nitrat ........... 40
Bảng 2.4: Ma trận thứ nguyên......................................................................... 44
Bảng 2.5: Ma trận nghiệm............................................................................... 45
Bảng 3.1: Sự thay đổi nồng độ amoni sau thiết bị Nitrit hóa và Anammox ... 47
trong giai đoạn vận hành thích nghi ................................................ 47
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của lưu lượng khí đến hiệu suất chuyển hóa amoni .... 49
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào tới hiệu suất chuyển hóa 51
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất chuyển hóa amoni....... 53
(L=35lit/h, K=35lit/h, τ1 =13h, τ2 =26h) .......................................... 53
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất chuyển hóa amoni....... 54
(L=75lit/h, K=40lit/phút, τ1 =6,25h, τ2 =12,5h ) .............................. 54
Bảng 3.6: Sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển hóa amoni theo thời gian lưu . 55
Bảng 3.7: Các kết quả thực nghiệm để xác định các tham số của mơ hình
vật lý............................................................................................... 57

Bảng 3.8: Giá trị các chuẩn số ........................................................................ 58
Bảng 3.9. So sánh hiệu suất loại bỏ nitơ theo thực nghiệm và theo mơ hình
phụ thuộc vào nồng độ amoni đầu vào .......................................... 60
Bảng 3.10. So sánh hiệu suất loại bỏ nitơ theo thực nghiệm và theo mơ hình
tại lưu lượng L=35lit/h.................................................................. 61
Bảng 3.11. So sánh hiệu suất loại bỏ nitơ theo thực nghiệm và theo mơ hình
phụ thuộc vào lưu lượng khí .......................................................... 62

ii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mơ hình thiết bị phản ứng Sharon ................................................. 12
Hình 1.2: Sơ đồ q trình chuyển hố amoni theo phương pháp Sharon ....... 12
Hình 1.3: Sự phụ thuộc của thời gian lưu tối thiểu vào nhiệt độ ................... 15
Hình 1.4: Cơ chế sinh hóa của phản ứng oxy hố amoni kỵ khí .................... 22
Hình 1.5: Hai con đường chuyển hố nitrat bởi vi khuẩn anammox .............. 23
Hình 1.6: Sơ đồ phương pháp kết hợp Sharon/anammox ............................... 27
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm xử lý amoni 50 lit/h ............................. 29
Hình 2.2: Đồ thị quan hệ giữa mật độ quang và hàm lượng amoni ................ 34
Hình 2.3: Đồ thị quan hệ giữa mật độ quang và hàm lượng nitrit .................. 37
Hình 2.4: Đồ thị quan hệ giữa mật độ quang và hàm lượng nitrat ................. 40
Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn quá trình chuyển hóa amoni theo thời gian trong
giai đoạn vận hành thích nghi.......................................................... 48
Hình 3.2: Đồ thị quan hệ giữa hiệu suất chuyển hóa amoni và lưu lượng
khí ................................................................................................... 48
Hình 3.3: Đồ thị quan hệ giữa hiệu suất chuyển hoá amoni và nồng độ
amoni ............................................................................................... 52
Hình 3.4: Đồ thị quan hệ giữa hiệu suất loại nitơ và nồng độ amoni đầu
vào ................................................................................................... 60

Hình 3.5: Hiệu suất loại nitơ tại lưu lượng L=35lit/h ..................................... 61
Hình 3.6: Đồ thị quan hệ giữa hiệu suất loại nitơ và lưu lượng khí ............... 62

iii


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Amoni là một thành phần rất hay gặp trong nước thải. Khi thải 1 kg
nitơ dưới dạng hợp chất hố học vào mơi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg
COD [2]. Nước thải công nghiệp của một số ngành đặc trưng như chế biến
thuỷ sản, hải sản, nước thải sản xuất phân bón, hố chất, chăn nuôi heo, gia
súc… chứa hàm lượng N rất cao (từ vài chục đến vài trăm mg/l). Khi thải loại
nước này vào nguồn tiếp nhận thường xẩy ra các hiện tượng phú dưỡng hố,
gây độc đối với mơi trường nước, giảm nồng độ oxi trong nước [2].
Trước những ảnh hưởng của amoni tới môi trường và cuộc sống của
con người, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ y tế, các tổ chức khoa học, môi
trường quốc tế và các nhà khoa học trong nước đã đề xuất, tổ chức thực hiện
rất nhiều đề tài, chương trình khoa học các cấp nghiên cứu các công nghệ vi
sinh xử lý amoni có trong nước thải, trong đất và trong nước cấp cho sinh
hoạt. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này khơng đưa ra được mơ hình vật
lý mơ tả mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đầu vào tới hiệu suất loại
nitơ nhằm cho phép tính tốn chuyển quy mơ cơng nghệ.
Vì những lý do trên, việc xây dựng mơ hình vật lý mơ tả ảnh hưởng của
các yếu tố công nghệ lên hiệu suất loại nitơ, đồng thời cũng cho ta biết là
muốn thay đổi theo hướng có lợi khi tính tốn cơng nghệ thì cần phải tác động
vào yếu tố nào để đạt kết quả cao nhất là hết sức quan trọng.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu này đặt các vấn đề nghiên cứu sau:
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm xử lý amoni trong nước thải của Công

ty TNHH Một thành viên Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc bằng phương pháp
kết hợp Sharon/Anammox.

1


- Nghiên cứu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến q trình xử lý amoni
trong nước thải của Cơng ty TNHH Một thành viên Phân đạm và Hóa chất Hà
Bắc bằng phương pháp kết hợp Sharon/Anammox.
- Thiết lập mô hình vật lý mơ tả mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào
tới hiệu suất xử lý amoni cho phép tính tốn chuyển quy mơ cơng nghệ cho hệ
thống xử lý.
Đối tượng nghiên cứu
- Nước thải chứa amoni của Cơng ty TNHH Một thành viên Phân đạm
và Hóa chất Hà Bắc.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý amoni bằng phương pháp
kết hợp Sharon/Anammox.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu xử lý ở quy mơ phịng thí nghiệm 50 lit/h theo phương
pháp kết hợp Sharon và Anammox.
Nội dung của Luận văn và các vấn đề cần giải quyết
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm xử lý amoni trong nước thải bằng
phương pháp kết hợp Sharon/Anammox với công suất 50lit/h.
- Thiết lập mơ hình vật lý mơ tả mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào
tới hiệu suất xử lý amoni cho phép tính tốn chuyển quy mơ cơng nghệ cho hệ
thống xử lý.
- Thí nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý amoni
trong nước thải bằng phương pháp kết hợp Sharon/Anammox và xác định các
thơng số của mơ hình vật lý mơ tả mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào tới
hiệu suất xử lý amoni.

Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống xử lý thí nghiệm

2


- Phương pháp phân tích, xác định các chỉ tiêu của nước thải theo tiêu
chuẩn Việt Nam.

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia trên thế giới và trong
nước
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia trên thế giới
* Đã biết các phương pháp hoá-lý xử lý nước thải chứa Nitơ như trao
đổi Ion, Clo hoá đến điểm đột biến (Breakpoint Chlorination), phương pháp
làm thoáng (Air Tripping). Tuy nhiên, các phương pháp này không được sử
dụng rộng rãi do chi phí đầu tư, vận hành, bảo dưỡng cao và gặp phải các vấn
đề liên quan đến môi trường do việc sử dụng các hoá chất hoá học [42].
* Đã biết phương pháp loại bỏ Nitơ bằng quá trình sinh học truyền
thống dựa vào sự kết hợp của hai quá trình: Nitrat (nitrification) tự dưỡng và
khử nitrat (denitrification) dị dưỡng. Quá trình nitrat hóa được thực hiện trong
điều kiện hiếu khí qua hai giai đoạn: (i) oxy hóa amoni thành Nitrit bởi vi
khuẩn oxy hố amoni (AOB), trong đó Nitrosomonas là loài phổ biến nhất và
các loài khác như Nitrosococcus, Nitrosospira; (ii) oxy hóa Nitrit thành Nitrat
bởi vi khuẩn oxy hố nitrit (NOB), trong đó Nitrobacter là lồi phổ biến nhất
và các loài khác như Nitrospina, Nitrococus, Nitrospira [42]. Các loại vi sinh

vật tham gia vào q trình Nitrat hố là loại vi sinh vật tự dưỡng. Các yếu tố
ảnh hưởng đến các vi sinh vật nitrat hoá là: nhiệt độ, pH, oxy hoà tan (DO)
[42]. Điều kiện tối ưu cho sự phát triển của 2 loại vi khuẩn trên xấp xỉ 35oC,
pH cho vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter tương ứng nằm trong khoảng
7,9 – 8,2 và 7,2 – 7,6 [22], hàm lượng oxy hoà tan DO trên 1mg/l [42]. Hiệu
quả của q trình Nitrat hố phụ thuộc vào tuổi thọ bùn, nhiệt độ, pH của môi
trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng Amoni, oxy hoà tan, vật liệu lọc…
Quá trình Nitrat hố diễn ra có hiệu quả khi hàm lượng oxy hoà tan

4


DO>4mg/l. Với hàm lượng oxy hoà tan bằng 2mg/l, hiệu suất quá trình giảm
đi 50%.
Quá trình khử nitrat dị dưỡng: là quá trình khử NO 3 - thành các sản
phẩm khí như N 2 , NO, N 2 O - những chất có ảnh hưởng khơng đáng kể tới
mơi trường bởi các vi khuẩn dị dưỡng trong điều kiện kị khí. Các loại vi sinh
vật phổ biến là Bacillus. Micrococcus, Pseudomonas, Achromobacter. Trong
mơi trường kị khí, các vi khuẩn này sử dụng NO 3 - hay NO 2 - làm chất nhận
điện tử cuối cùng và sử dụng các hợp chất hữu cơ như methanol, axetat,
glucozơ, etanol và một số hợp chất khác để tạo năng lượng. Quá trình khử
nitrat gồm hai bước: chuyển hoá NO 3 - thành NO 2 - và NO 2 - thành N 2, Các yếu
tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat như: DO làm cản trở hệ thống enzym
cần thiết, pH tăng trong q trình chuyển hố nitrat thành nitơ phân tử do tạo
ra ion OH-, pH tối ưu là 7-8, tốc độ khử nitrat và tốc độ tăng trưởng của vi
khuẩn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, tại nhiệt độ từ 35-50oC tốc độ phản ứng đạt
tối ưu [42].
Phương pháp này có những ưu điểm so với phương pháp hoá – lý là
hiệu quả loại bỏ nitơ cao, tính ổn định và độ tin cậy của quá trình lớn [42].
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định như: chi phí

đầu tư và vận hành lớn do tiêu thụ nhiều oxy (cho nitrat hoá) và khuấy trộn
(cho khử nitrat hố). Ngồi ra, chi phí cho bổ sung nguồn các bon hữu cơ và
dịng tuần hồn cũng đáng kể và thời gian lưu kéo dài từ 2 đến 10 ngày [5,
42].
* Đã biết đến phương pháp Sharon (Single reactor system for High
Ammonium Removal Over Nitrit) - phương pháp chuyển hóa NH 4 + thành
NO 2 - nhờ vi khuẩn nitrosomonas, được thực hiện chỉ trong một thiết bị phản
ứng có xục khí liên tục, khơng có sự lưu giữ sinh khối, tại nhiệt độ trên 25oC,
pH>7 có sự sinh trưởng nhanh chóng của các vi khuẩn oxy hóa chọn lọc

5


amoni (Brouwer et al., 1996; Hellinga et al., 1997) [41]. Quá trình này phù
hợp cho việc loại bỏ nitơ trong nước thải có nồng độ amoni cao (>0,5gN/lit)
(Jetten et al., 1997; van Dongen et al., 2001) [41]. Bể phản ứng Sharon được
vận hành ở nhiệt độ 30-40oC, pH từ 7-8 và thời gian lưu 0,5-2,5 ngày [28].
Hiệu suất loại bỏ nitơ có thể đạt được đến 95%. Q trình này đòi hỏi đầu tư
ban đầu khá nhỏ do chỉ sử dụng một thiết bị phản ứng mà khơng có sự lưu giữ
sinh khối (Hellinga et al., 1998), tạo ra rất ít bùn sinh học mà khơng tạo ra
bùn hố học.
Q trình sharon cần ít oxy do q trình oxi hóa chỉ đến giai đoạn nitrit,
điều này góp phần tiết kiệm năng lượng và nguồn carbon thêm vào. So với
quá trình nitrat-khử nitrat truyền thống, phương pháp Sharon tiết kiệm được
25% năng lượng và 40% nguồn carbon thêm vào (Hellinga et al., 1998) [41].
* Đã biết đến phản ứng ơxy hóa kỵ khí amoni (Anaerobic Ammonium
Oxidation, viết tắt là anamox) được phát hiện tại Đại học kỹ thuật Delft, Hà
Lan (Mulder, 1995). Đây là phản ứng chuyển hóa sinh học nitơ chưa từng
được biết đến từ trước đến nay. Quá trình này dựa trên sự chuyển hoá năng
lượng từ việc oxy hố kỵ khí amoni sử dụng nitrit làm chất nhận điện tử và

sản phẩm chính tạo thành là khí nitơ dưới điều kiện tự dưỡng. Trong quy trình
chuyển hố anammox, hydroxylamin (NH 2 OH) và hydrazin (N 2 H 4 ) đóng vai
trị là chất trung gian quan trọng. Phản ứng hố học lượng pháp của q trình
anammox được mơ tả trong phản ứng 1,1, trong đó amoni bị oxy hóa bởi
nitrat trong điều kiện kỵ khí, khơng cần cung cấp chất hữu cơ để tạo thành
nitơ phân tử.
NH 4 + + 1,31NO 2 - + 0,066HCO 3 - + 0,13H+ → 1,02N 2 + 0,26NO 3 - +
0,066CH 2 O 0,5 N 0,15 + 2,03H 2 O

(1.1)

6


Sau đó, các nước Đức, Nhật, Thuỵ Sỹ, Úc, Bỉ, Anh và Mỹ cũng đã
công bố các kết quả nghiên cứu, xác nhận và làm rõ q trình hố sinh học, vi
sinh học, sinh học phân tử và mô tả ban đầu về anammox [42].
Điều kiện để vi khuẩn anammox có thể hoạt động là nhiệt độ từ 2043oC (tối ưu là 40oC), pH bằng 6,4-8,3 (tối ưu ở pH=8,0) [41].
Đây là một phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn so với phương
pháp nitrat/khử nitrat truyền thống đối với nước thải có chứa nhiều amoni. So
với phương pháp nitrit hố-khử nitrit hố truyền thống, phương pháp
anammox khơng cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ cho quá trình khử nitrit và
sinh trưởng của vi sinh vật do trong quá trình anammox, nitrit là chất nhận
điện tử và vi khuẩn anammox là vi khuẩn tự dưỡng. Đây là quá trình loại bỏ
nitơ phù hợp với loại nước thải chứa ít cacbon; hơn nữa, bùn sinh ra không
đáng kể do tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn anammox rất chậm và sản phẩm
của phản ứng anammox là N 2 không độc hại cho mơi trường (Jetten et al.,
2001). Vì vậy, đây là lựa chọn có hiệu quả và kinh tế trong việc loại bỏ nitơ
[40].
* Đã biết đến phương pháp kết hợp sharon – anammox thực hiện trong

phịng thí nghiệm cho xử lý hợp chất nitơ từ nước thải phân hủy bùn làm việc
ổn định trong khoảng thời gian dài và các hệ thống thực tế xử lý nước bùn
(van Dongen et al., 2001) [41]. Nguyên tắc của quá trình kết hợp
sharon/anammox là nước thải chứa amoni bị oxy hoá 50% thành nitrit trong
thiết bị phản ứng sharon (Jetten et al., 1997), tỉ lệ amoni:nitrit = 1:1 ở đầu ra
của bể phản ứng sharon là tỉ lệ lý tưởng cho phản ứng anammox (van Dongen
et al., 2001). Đối với nước bùn, tỉ lệ này có thể đạt được mà khơng cần điều
khiển pH bởi vì trong nước bùn có chứa bicacbonat. Khi một nửa amoni trong
dung dịch được chuyển hoá, độ kiềm của nước giảm, do đó pH giảm và ngăn
cản sự nitrat hoá (Jetten et al., 2002) [41].

7


Quá trình kết hợp sharon/anammox phù hợp cho nước thải bùn và nước
thải cơng nghiệp có chứa hàm lượng amoni cao và lượng carbon hữu cơ thấp.
Quá trình kết hợp này có thể được thực hiện trong hai thiết bị phản ứng riêng
biệt hoặc trong cùng một bể phản ứng (Dijkman and Strous, 1999) [41].
Việc loại bỏ nitơ tổng theo q trình kết hợp so với phương pháp
truyền thống có những ưu điểm như: yêu cầu ít oxi hơn (1,9kg O 2 /kg N so với
4,6 kg O 2 /kg N), không cần nguồn carbon bổ sung (so với 2,6 kg BOD/kg N)
và lượng bùn sinh ra ít (0,08kg VSS/kg N so với 1kg VSS/kg N) (van
Loosdrecht and Jetten, 1998) [41]. Nhìn chung, so với phương pháp truyền
thống, phương pháp kết hợp sharon/anammox tiết kiệm được 50% nhu cầu
oxi, 100% nguồn carbon bên ngoài và giảm phát thải CO 2 do q trình kết
hợp có tiêu thụ CO 2 (van Loosdrecht and Jetten, 1997), chi phí đầu tư, vận
hành rẻ hơn 90% (Dijkman and Strous, 1999) [41].
* Đã biết các phương pháp loại bỏ amoni dựa trên cơ sở của q trình
kết hợp Sharon/Anammox [42]. Cụ thể như sau:
+ Cơng nghệ CANON (Completed Autotrophic Nitrogen removal Over

Nitrit) loại bỏ nitơ hồn tồn tự dưỡng qua nitrit.
+ Cơng nghệ OLAND (Oxygen-Limited Ammonium removal via
Nitrification-Denitrification) là công nghệ xử lý amoni thông qua nitrat hoá khử nitrat trong điều kiện giới hạn oxy.
+ Công nghệ SNAP (Single-state Nitrogen Removal Using Anammox
and Partial Nitrification) xử lý nitơ trên cơ sở kết hợp quá trình nitrit hố bán
phần và anammox trong một bể phản ứng.

8


Bảng 1.1: So sánh các quá trình xử lý amoni (Jetten et al., 2002) [41]
Hệ thống

Nitrat/khử nitrat

Sharon

Anammox

2

1

1

Nước thải chứa

Nước thải chứa

Nước thải chứa

amoni

amoni

amoni + nitrit

Đầu ra

NO 2 -, NO 3 -; N 2

NH 4 +, NO 2-

NO 3 -, N 2

Điều kiện

hiếu khí, kỵ khí

hiếu khí

kỵ khí

Nhu cầu oxy

Lớn

thấp

khơng

Khống chế pH

Có

khơng

khơng

Lưu giữ sinh

Khơng

khơng

có

COD

Có

khơng

khơng

Hiệu suất sinh

Cao

thấp

thấp

Tự dưỡng và dị

tự dưỡng

planctomycetes

truyền thống
Số thiết bị phản
ứng
Đầu vào

khối

bùn
Vi khuẩn

dưỡng
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia trong nước
Trước những ảnh hưởng của amoni tới môi trường và cuộc sống của con
người, nhiều nghiên cứu về các cơng nghệ xử lý amoni có trong nước thải, đất
và nước cấp cho sinh hoạt đã được thực hiện.
TS. Nguyễn Xn Hồn, Phó Hiệu trưởng Trường Đại học Cơng
nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt chứa
amoni nồng độ thấp bằng phương pháp sinh học kỵ khí anammox. Kết quả
của nghiên cứu cho thấy với thời gian lưu là 12h hiệu quả xử lý đạt gần 90%,

9

nồng độ amoni đầu vào từ 90mg/l xuống còn <10 mg/l. Tuy nhiên, đây mới là
những kết quả nghiên cứu bước đầu ở quy mô nhỏ 2lit/h [5].
TS. Lều Thọ Bách, Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Môi Trường, Đại Học
Xây Dựng, đã nghiên cứu mơ hình thực nghiệm xử lý sinh học amoni trong
nước ngầm bằng loại giá thể vi sinh dạng sợi acrylic nhập ngoại và sợi
polyeste ép thành tấm. Mơ hình đã được vận hành theo các sơ đồ cơng nghệ:
nitrat hóa; nitrat hóa – khử nitrat; khử nitrat – nitrat hóa với dịng tuần hồn.
Kết quả của nghiên cứu là đề xuất các phương án cải tạo dây chuyền công
nghệ xử lý nitơ amôn trong nước ngầm của các nhà máy nước tại các khu vực
có mức độ ơ nhiễm nitơ amơn mức độ trung bình (<11 mg/l) và ơ nhiễm nặng
(>11 mg/l); và quy trình vận hành các cơng trình xử lý sinh học nitơ amôn
trong nước ngầm [1].
Năm 2002, ông Nguyễn Văn Khôi (Nguyên là Phó Giám đốc Sở Giao
thơng cơng chính Hà Nội, hiện là Phó Chủ tịch Uỷ ban Nhân dân Thành phố
Hà Nội) làm chủ nhiệm đề tài “Nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm bẩn
amoni” thuộc “Chương trình điều tra đánh giá thực trạng môi trường và đề
xuất các giải pháp bảo vệ” của Uỷ ban Nhân dân Thành phố Hà Nội. Dự án
nghiên cứu tiền khả thi này được giao cho Sở Giao thơng Cơng chính Hà Nội
thực hiện. Theo nghiên cứu này, có 3 nhà máy nước bị nhiễm amoni điển hình
là Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai. Trong đó, hàm lượng amoni tại giếng Nhà
máy nước Tương Mai từ 6 – 12mg/lít, có khi lên đến 18mg/lít; các giếng Nhà
máy nước Hạ Đình từ 12 – 20mg/lít, có khi 25mg/lít; các giếng Nhà máy
nước Pháp Vân là 15 – 30mg/lít, có khi 40mg/lít. Kết quả nước sau xử lý
không đạt tiêu chuẩn về hàm lượng amoni, công nghệ xử lý nước của ba nhà
máy trên chỉ làm giảm được 10 – 30% hàm lượng amoni. Cụ thể, hàm lượng
amoni trong nước đầu ra của Nhà máy nước Tương Mai là 6 – 8mg/lít; Nhà

10

máy nước Hạ Đình trung bình là 14,8mg/lít; Nhà máy nước Pháp Vân cịn từ
20 – 25mg/lít [44].
(Nguồn: )

TS. Nguyễn Thị Hà, Phó chủ nhiệm Khoa Mơi trường, Trường Đại học
Khoa học tự nhiên–Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện Đề tài cấp Đại học
Quốc gia Hà Nội, mã số QT.05,36, 2005 “Nghiên cứu xử lý amoni trong nước
ngầm bằng công nghệ Điện thẩm tách (EDR)”. Với phương pháp này có thể
cho phép khử amoni xuống nồng độ rất thấp trong thời gian gian ngắn, tuy
nhiên phương pháp này chưa cho phép xử lý amoni ở nồng độ trên 60mg/lit
và phải qua nhiều bước [45].
(Nguồn: />
Kết quả của đề tài “Nghiên cứu làm giàu và định danh nhóm vi khuẩn
anammox” của tác giả Lê Cơng Nhất Phương (Viện Sinh học Nhiệt đới) và
Trần Hiếu Nhuệ (Đại học Xây dựng) đã cho thấy: Sau 270 ngày vận hành với
việc nạp liên tục môi trường cho bùn Anammox với nồng độ N-NH 4 + và NNO 2 - theo tỉ lệ 1:1 tăng dần (10-250 mg/l) đã xuất hiện sự tiêu thụ đồng thời
cả N-NH 4 + và N-NO 2 - kèm theo sự tạo thành một lượng nhỏ N-NO 3 -. Hiệu
suất loại bỏ N-NH 4 + tăng từ 0 đến 81,5%, loại N-NO 2 - tăng dần từ 0 đến
85,6%. Theo kết quả phân tích bằng kĩ thuật sinh học phân tử đã xác định
được sự hiện diện của vi khuẩn anammox, tương tự với các vi khuẩn đã biết
trên thế giới, đây là nhóm vi khuẩn có khả năng oxy hóa N-NH 4 + trong điều
kiện kị khí tự dưỡng. Đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về Anammox ở
bước phát hiện và tích lũy vi sinh vật [12].
Nhìn chung, các cơng trình nghiên cứu công nghệ xử lý amoni ở trong
nước mới là ở mức độ phịng thí nghiệm hoặc bán phần, chưa hồn thiện triệt
để. Các hướng nghiên cứu gần đây có tập trung vào các phương pháp xử lý vi
sinh như quá trình sharon, anammox, hoặc kết hợp hai quá trình trên.

11


1.2 Cơ sở lý thuyết của đề tài
Nội dung của Luận văn là xây dựng hệ thống xử lý và nghiên cứu các
thơng số ảnh hưởng đến q trình xử lý amoni trong nước thải bằng phương
pháp vi sinh, cụ thể là theo phương pháp kết hợp Sharon và anammox. Vì
vậy, Luận văn tập trung nghiên cứu tổng quan về các phương pháp này. Cụ
thể như sau:
1.2.1 Phương pháp Sharon
1.2.1.1 Ngun tắc của phương pháp
Axít
Điều khiển pH

Kiềm
Khơng khí
Dịng ra

Dịng vào

Bộ điều
nhiệt

Hình 1.1: Mơ hình thiết bị phản ứng

Hình 1.2: Sơ đồ q trình chuyển
hố amoni theo phương pháp

Sharon [33]

Sharon [24]
Phương pháp Sharon (Single reactor system for High Ammonium
Removal Over Nitrit) là phương pháp chuyển hóa NH 4 + thành khí N 2 thơng
qua NO 2 -. Q trình Sharon được thực hiện mà khơng có sự lưu giữ sinh khối
trong một thiết bị phản ứng. Phương pháp Sharon bao gồm q trình nitrit hố
- chuyển hố amoni thành nitrit và q trình khử nitrit hố - chuyển hố nitrit
thành nitơ phân tử. Phương pháp sharon được thử nghiệm để xử lý hợp chất
nitơ trong nước thải của quá trình phân huỷ bùn, trong đó q trình nitrit hố
dựa vào đặc điểm của vi khuẩn oxy hoá amoni sinh trưởng nhanh hơn vi
khuẩn oxi hố nitrit. Ngun tắc của q trình này là chọn thời gian lưu thuỷ

12


lực ngắn và vận hành tại nhiệt độ tương đối cao (>25oC) để cho vi khuẩn oxi
hoá nitrit bị rửa trơi ra khỏi thiết bị phản ứng và q trình oxi hoá amoni chỉ
dừng lại ở nitrit [25]. Metanol được dùng làm nguồn làm nguồn carbon cho
quá trình khử nitrit. Bể phản ứng Sharon được vận hành ở nhiệt độ tối ưu 3040oC, pH từ 7-8 và thời gian lưu 0,5-2,5 ngày [28].
Các phương trình phản ứng của quá trình Sharon được mơ tả như sau:
Giai đoạn nitrit hố (hiếu khí):
NH 4 + + 1,5O 2 -> NO 2 - + H 2 O + 2H+ (Sharon)
(NH 4 + + 2O 2

(1.2)

-> NO 3 - + H 2 O + 2H+ (Truyền thống) (1.3))

Giai đoạn khử nitrit (thiếu khí):
6NO 2 - + 3CH 3 OH + 3CO 2 -> 3N 2 + 6HCO 3 - + 3H 2 O

(1.4)

(6NO 3 - +5CH 3 OH +CO 2 -> 3N 2 + 6HCO 3 - + 7H 2 O (truyền thống)
1.5))
Như vậy, phương pháp Sharon tiết kiệm được 25% nhu cầu oxi cho xử
lý hiếu khí và 40% nguồn BOD bố sung so với phương pháp nitrit hoá – khử
nitrit hoá truyền thống [25].
Về sau này, quá trình sharon được sử dụng kết hợp với q trình
anammox và khơng cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ (van Dongen et al.,
2001a; Shen et al, 2003; Bernet et al., 2005) [41].
Vi khuẩn nitrosomonas là loại tự dưỡng có trong nước thải, những
vùng biển sâu, nước sạch. Chúng sống nhờ tiêu thụ H 2 , CH 4 , CO, S, H 2 S,
NH 4 , NO 2 , N 2 O, Fe+2 and Mn+2, Oxy là nguồn cung cấp năng lượng cho sự
sống và các q trình chuyển hóa của vi khuẩn nitrosomonas.
1.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình nitrit hố theo phương pháp
Sharon
Để thu được q trình nitrit hố ổn định, các thông số như: nhiệt độ,
pH, thời gian lưu giữ bùn SRT, nồng độ cơ chất, oxy hoà tan và sự có mặt của

13


cơ chất độc được kiểm sốt trong q trình phản ứng (Beccari et al., 1979;
Randall and Buth, 1984; Hellinga et al., 1998). Tuy nhiên, việc kiểm sốt các
thơng số này gặp rất khó ở quy mơ lớn (STOWA, 1995) [40, 41].
a) Nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn oxy
hoá amoni và vi khuẩn oxy hố nitrit. Q trình bùn hoạt tính có thể thực hiện
trong khoảng nhiệt độ từ 5-40oC (Henze et al 2002), tối ưu là từ 30-35oC vì ở
khoảng nhiệt độ này sẽ ưu tiên cho sự phát triển của vi khuẩn oxi hóa amoni

hơn là vi khuẩn oxi hóa nitrit. Ở nhiệt độ thấp hơn, tốc độ nitrit hố giảm và
sự nitrit khơng diễn ra nếu nhiệt độ phản ứng từ 55-60oC [22]. Mặt khác, tốc
độ tăng trưởng riêng cực đại theo nhiệt độ của vi sinh vật ô xi hoá amoni
(AOB) và của vi sinh vật oxy hoá nitrit (NOB) là khác nhau. Theo Hunik
(1993), các vi khuẩn oxy hoá amoni sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxy
hoá nitrit ở nhiệt độ cao hơn 15oC. Tại nhiệt độ 35oC, tốc độ sinh trưởng riêng
cực đại của vi sinh vật oxy hoá nitrit chỉ gần bằng một nửa so với các vi sinh
vật oxy hoá amoni, tương ứng là 0,5 ngày-1 và 1 ngày-1, Tại nhiệt độ trên 25oC
các vi sinh vật oxy hố amoni có thể hoạt động hiệu quả hơn so với vi sinh vật
oxy hoá nitrit (Brouwer et al., 1996) [41].
b) Thời gian lưu giữ bùn SRT
Q trình nitrit hố được thực hiện mà khơng có bất kỳ sự lưu giữ sinh
khối nào. Điều này có nghĩa là thời gian lưu giữ bùn (SRT) bằng với thời gian
lưu thủy lực (HRT) [25]. Trong nhiều hệ thống nồng độ đầu ra chỉ phụ thuộc
vào tốc độ sinh trưởng (1/SRT) của vi khuẩn mà không phụ thuộc vào nồng
độ ở đầu vào [40, 43].
Tại nhiệt độ cao hơn 20oC, các vi khuẩn oxy hoá amoni sinh trưởng
nhanh hơn và có tuổi bùn yêu cầu tối thiểu ngắn hơn so với các vi khuẩn oxy
hoá nitrit. Mặt khác, thời gian lưu giữ bùn có thể được điều khiển bằng thời

14


gian lưu giữ thuỷ lực, vì vậy khi vận hành tại nhiệt độ cao, thời gian lưu thủy
lực ngắn, các vi khuẩn oxi hóa nitrit sẽ được rửa trơi ra ngồi một cách có
chọn lọc [41]. Sự tạo thành nitrit sẽ chiếm ưu thế (>98%) tại nhiệt độ xung
quanh 35oC. Thời gian lưu giữ bùn SRT trong quá trình sharon từ 0,5-2,5
ngày, tốt hơn là 1,3-2,0 ngày [28].
Tại nhiệt độ cao và khơng có sự lưu giữ bùn, điều chỉnh thời gian lưu
giữ bùn SRT khoảng 1 ngày cho phép các vi khuẩn oxy hoá amoni tăng

trưởng đủ nhanh và nằm lại trong bể phản ứng đồng thời vi khuẩn oxi hố
nitrit bị rửa trơi ra ngồi. Do đó, sự oxy hoá nitrit thành nitrat bị loại trừ
(Hellinga et al 1998) [22]. Nếu thời gian lưu giữ bùn quá ngắn, vi khuẩn oxy
hố amoni bị rửa trơi ra ngồi và tỉ lệ chuyển hoá amoni giảm, tức là cần điều
chỉnh thời gian lưu giữ bùn phải cao hơn tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn

Thời gian lưu SRT tối thiểu (ngày)

[28].

Nhiệt độ (oC)

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của thời gian lưu SRT tối thiểu vào nhiệt độ [25]
c) Nồng độ oxy hồ tan DO
Việc kiểm sốt nồng độ oxy DO có thể đẩy mạnh sự tạo thành nitrit.
Điều đó chủ yếu là do sự khác nhau giữa các hệ số bão hồ oxy trong phương
trình động lực học Monod của phản ứng oxy hoá amoni và phản ứng oxy hoá
nitrit, có giá trị tương ứng là 0,3 và 1,1mg/l (Weismann, 1994) [40]. Nồng độ
DO thấp gây ức chế phản ứng oxy hoá nitrit do sự tạo thành hydroxylamin là

15


sản phẩm trung gian của phản ứng oxi hoá amoni. Nhìn chung các vi khuẩn
oxy hố amoni phải tích luỹ năng lượng bằng cách oxi hoá amoni thành nitrit
theo một phản ứng hai giai đoạn, trong đó hydroxylamin là chất trung gian.
Giai đoạn thứ nhất amoni bị oxy hoá nhờ xúc tác ammonia monooxygenaza,
giai đoạn thứ hai hydroxylamin bị oxy hoá nhờ xúc tác hydroxylamin
oxidoreductaza. Ở nồng độ DO thấp và hàm lượng amoni cao có thể tạo thành
hydroxylamin. Hydroxylamin có thể làm ức chế hoạt tính của vi khuẩn oxi

hoá nitrit tại nồng độ 250μM đến 2000μM. Tuy nhiên, ảnh hưởng của
hydroxylamin thường bị bỏ qua trong quá trình nitrit hố do sự giả định rằng
chúng sẵn có ở mức đáng kể trong xử lý nước thải (Yang et al, 1992) [40].
Trong các hệ thống mà sinh khối phát triển ở trạng thái lơ lửng, hàm lượng
oxi có giới hạn là yếu tố quyết định để chuyển hố hồn tồn và ổn định
amoni thành nitrit, khơng phụ thuộc vào tuổi bùn. Tuy nhiên, tuổi bùn lại trở
thành một thông số quan trọng cho q trình nitrit hố bán phần khi mà khơng
có sự giới hạn về nồng độ oxy. Điều này cũng tương tự như trong hệ thống
màng sinh học. Gradient nồng độ DO cũng làm giới hạn có chọn lọc hoạt tính
của các vi khuẩn oxy hố nitrit.
Các vi sinh vật oxy hố nitrit có ái lực với oxy thấp hơn so với các vi
sinh vật oxy hoá amoni (Hunik, 1993; Picioreanu et al., 1997), do đó, tại nồng
độ oxy hoà tan DO thấp sẽ hạn chế sự sinh trưởng của các vi sinh vật oxy hoá
nitrit (Truk and Mavinic, 1989; Hanaki et al., 1990; Laanbroek and Gerards,
1993) [41]. Ở nồng độ DO thấp, trong khoảng từ 0,7 tới 1,4 mg/l, có thể ngăn
chặn hiệu quả hoạt tính của vi khuẩn oxy hoá nitrit (NOB). Nên việc điều
khiển nồng độ DO là một nhân tố chìa khóa của q trình nitrat hóa bán phần.
Nếu thời gian SRT q dài, O 2 phải được cung cấp không liên tục nhằm tránh
sự tạo thành nitrat.

16