Đánh giá hiệu quả xử lý nito trong xử lý nước thải chứ nito nồng độ cao bằng mô hình snap sử dụng giá thể acrylic fiber

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
KHOA MƠI TRƢỜNG

TRẦN HỒNG DUY

MSHV: 12250602

KHĨA: 2012

CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ MƠI TRƢỜNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ TRONG XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHỨA NITƠ NỒNG ĐỘ CAO BẰNG MƠ
HÌNH SNAP SỬ DỤNG GIÁ THỂ ACRYLIC FIBER

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM, tháng 7, năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: ............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ..................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ..................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM

ngày. . . . . tháng . . . . . năm . . . . .
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. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Hoàng Duy

MSHV: 09250505

Ngày, tháng, năm sinh: 16/02/1986

Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng

Mã số: 12250602

I.

TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ TRONG XỬ LÝ

NƢỚC THẢI CHỨA NITƠ NỒNG ĐỘ CAO BẰNG MƠ HÌNH SNAP SỬ
DỤNG GIÁ THỂ ACRYLIC FIBER
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ amoni trong nƣớc thải nhân tạo bằng công nghệ
SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation).
Thiết kế mơ hình SNAP quy mơ phịng thí nghiệm (lab-scale). Kiểm sốt các
thơng số oxy hịa tan (DO), pH, thời gian lƣu nƣớc (HRT) và tăng tải trọng nitơ
(NLR) để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ của mơ hình.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013

IV.

NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2016

V.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2012
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG

ii


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đƣợc luân văn này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến
PGS.TS Nguyễn Tấn Phong ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và tài trợ kinh phí trong
suốt quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong khoa Môi Trƣờng, Trƣờng Đại Học
Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh; đã truyền đạt nhũng kiến thức quý báu, những kiến
thức quý báu đó là nền tảng vững chắc cho tôi thực hiện luận văn này.
Tác giả xin cảm ơn các thầy, cô, anh, chị ở phịng Thí nghiệm Khoa Mơi Trƣờng
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện đề tài khi mơ hình thí nghiệm
đƣợc hoạt động tại đây.
Cuối cùng tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha, mẹ và các em tôi những
ngƣời đã động viên, tạo động lực và đồng hành cùng tơi suốt q trình thực hiện

luân văn.
Chân thành cảm ơn!
TP. HCM, Tháng 7, năm 2013

Trần Hoàng Duy

iii


Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy
TĨM TẮT

Xử lý nitơ trong nƣớc thải bằng công nghệ sinh học truyền thống kết hợp q
trình nitrat hóa và khử nitrat cho thấy có nhiều nhƣợc điểm nhƣ hiệu quả không
ổn định, tiêu tốn nhiều năng lƣợng, phải bổ sung nguồn cacbon. Chính vì lẽ đó
việc nghiên cứu một cơng nghệ xử lý nitơ mới có thể khắc phục đƣợc các nhƣợc
điểm trên đang đƣợc quan tâm. Trong nghiên cứu này tác giả đã lựa chon công
nghệ SNAP. SNAP là từ viết tắc của Single–stage Nitrogen removal using
Anammox and Partial nitritation. Đây là sự kết hợp của hai q trình nitrit hóa
bán phần và quá trình Anammox trong cùng một bể phản ứng với giá thể bám
dính, để xử lý nƣớc thải chứa nitơ nồng độ cao và nồng độ cacbon hữu cơ thấp.
Đề tài nghiên cứu đƣợc thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý nitơ trong nƣớc
nƣớc thải nhân tạo và đƣợc đặt tại phịng thí nghiêm khoa mơi trƣờng trƣờng đại
học bách khoa TP, HCM. Mơ hình đƣợc thiết kế với dung tích 6 Lít, nƣớc đầu
vào là nƣớc thải nhân tạo có nồng độ amoni thay đổi theo thời gian vận hành,
lƣợng bùn hoạt tính, bùn Anammox và giá thể (giá thể acrylic fiber do công ty
NET Nhật Bản sản xuất) đƣợc tích hợp ban đầu cho q trình này có khối lƣợng
tƣơng ứng: 22g (SS), 18g (SS) và 48,18 gam. HRT, DO, pH đƣợc kiểm soát nhƣ

sau: 12h, 1 – 4mg-O/L, 7.5 – 7.8, nhiệt độ lấy theo nhiệt độ ngồi trời có biên độ
giao động khoảng (27 – 38oC), pH đƣợc kiểm sốt bằng đầu dị tự động, độ kiềm
đƣợc châm vào nhằm ổn định nồng độ pH trong khoảng thiết lập ban đầu. Sau
thời gian 283 ngày hoạt động mơ hình nghiên cứu thƣc hiện đƣợc 8 giai đoạn
tƣơng ứng với các tải trọng: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6 kg-N/m3.ngày hay
tƣơng ứng với nồng độ ammoni đầu vào khoảng100, 200, 300, 400, 500, 600,
700 và 800 mg-NH4+/l, hiệu suất chuyển hóa amoni tối đa lên đến 98% và hiệu
suất lọai bỏ nitơ đạt cao nhất 92%. Lƣợng bùn bám trên giá thể đạt đƣợc 3,19 gVSS/g-giá thể, bùn lơ lửng có khối lƣợng khoảng 104,22 g-SS tƣơng đƣơng với
nồng độ khoảng 20,80g-SS/L.

iv


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy
ABSTRACT

The traditional biotechnology (nitrification and denitrification) had been using
for removal nitrogen in many years ago. However, they have some disadvantage
such as: unstable efficiency, high cost for energy, organic matter input….. SNAP
was choosen for removal nitrogen in wastewater in my study. SNAP (Single–
stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation). This is process,
which was combined partial nitritation and anammox process with biomass
carrier in single treatment reactor and used for nitrogen removal in wastewaters
have high nitrogen and low organics concentration. SNAP process had been
investigated in laboratory – scale plant with acrylic fiber fabrics material (NET
Co., Japan) were used as biomass carrier. It was fixed in reactor with volume 6
liters and the synthetic wastewater was fed to reactor. The rate nitrifying
activated sludge and anammox sludge, weight of material carrier was used for

start-up phase: 22g (MLSS) and 18g (MLSS), 48.18 gram. HRT, DO, pH is: 12h,
1 – 4mg-O/L, 7.5 – 7.8, respectively, the temperature were varied with ambient
air (27 -38oC), pH was controlled by pH sensor, and alkalinity (HCO3-) was an
additional measured parameter suitable for process control and monitoring. With
283 days used for research, we have finished with eight nitrogen loading rate
about: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6 kg-N/m3.day or,ammonium
concentration: 200, 300, 400, 500, 600, 700 và 800 mg-NH4+/L, respectively. The
results show that total the highest performance nitrogen removal efficiency in
wastewater is 92% and the ammonium conversion efficiency is 98%. The
concentrate sludge attach on biomass carrier is 3,19g-VSS/g-biomass carier and
concentrate suspended sludge is 20,80g-SS/L, respectively.

v


Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy
DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Chu trình nitơ trong tự nhiên ................................................................. 5
Hình 2.2: Hệ thống xử lý nitơ truyền thống: nitrat hóa và khử nitrat hóa .......... 19
Hình 2.3: Sơ đồ dây chun xử lý Nitơ trong nƣớc thải – Kênh oxi hóa tuần
hồn ...................................................................................................................... 19
Hình 2.4: Một số giá thể đƣợc sử dụng............................................................... 29
Hình 3.1: Cấu trúc mơ hình thí nghiệm ............................................................... 30
Hình 3.2: Giá thể Acrylic Fiber ........................................................................... 33
Hình 3.3: Khung giá thể và giá thể ...................................................................... 33
Hình 3.4: Bể phản ứng ......................................................................................... 34
Hình 3.5: Bùn nitrit hóa bán phần và bùn Anammox ......................................... 35

Hình 4.1: Mơ hình trƣớc và sau khi cấy bùn ....................................................... 45
Hình 4.2: Giá trị DO, NO2--N và NO3- -N theo thời gian vận hành .................... 48
Hình 4.3: Sự biến đổi pH, FA và NH4+-N đầu theo thời gian vận hành .............. 52
Hình 4.4: Tƣơng quan giữa FA trung bình và hiệu suất chuyển hóa trung
bình (ACE TB) trong bể SNAP qua các tải trọng nghiên cứu ............. 53
Hình 4.5: Hiệu suất chuyển hóa NH4+-Nvà hiệu suất loại bỏ tổng nitơ ............. 55
Hình 4.6: Hiệu suất chuyển hóa NH4+-Nqua các tải trọng nghiên cứu............... 59
Hình 4.7: Hiệu suất loại bỏ Nitơ trong các tải trọng nghiên cứu........................ 63
Hình 4.8: Mối tƣơng quan giữa hiệu suất chuyển hóa và hiệu quả loại bỏ
nitơ........................................................................................................................ 65
Hình 4.9: Phần trăm Nitrit (NO2--N), Nitrat (NO3--N), Amoni (NH4+-N) và
nitơ trong sinh khối tế bào (N-sinh khối) dịng ra ............................... 67
Hình 4.10: Nồng độ NO2--N đầu ra qua các tải trọng ......................................... 69
Hình 4.11: Nồng độ nitrat đầu ra và hiệu suất loại bỏ nitơ ............................... 71

vi


Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy

Hình 4.12: Tải trọng nitơ đầu vào, tải trọng nitơ bị khử và hiệu suất khử nitơ .. 75
Hình 4.13: Sự thay đổi màu sắc của bùn qua các giai đoạn vận hành .............. 77
Hình 4.14: Mơ hình đƣợc chụp ở gần lớp giá thể............................................... 78
Hình 4.15: Những hạt bùn có kích thƣớc vài cm ................................................. 79
Hình 4.16: Mẫu bùn quan sát dƣới kính hiển vi .................................................. 79
Hình 4.17: Bùn bám trên giá thể ......................................................................... 80

vii

Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy
DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ trong hợp chất hóa học ................
Bảng 2.2: Các phƣơng pháp xử lý nitơ trong nƣớc thải ....................................... 13
Bảng 2.3: Một số ứng dụng của mơ mơ hình SHARON ........................................ 23
Bảng 2.4: So sánh các quá trình sinh học mới xử lý nitơ .................................... 25
Bảng 2.5: Các thông số vận hành của quá trình nitrit hóa bán phần và
anammox ............................................................................................................... 27
Bảng 3.1: Thơng số kỹ thuật các thiết bị của mơ hình nghiên cứu ....................... 31
Bảng 3.2: Các thông số kỹ thuật của giá thể Acrylic Pile Fabrics ...................... 32
Bảng 3.3: Tính chất nƣớc thải nhân tạo ............................................................... 35
Bảng 3.4: Các phƣơng pháp phân tích ................................................................. 37
Bảng 3.5: Các thơng số vận hành thí nghiệm ....................................................... 43
Bảng 4.1: Giá trị của pH, DO theo các giai đoạn ................................................ 56
Bảng 4.2: Giá trị pH, FA và FNA ....................................................................... 51
Bảng 4.3: Hiệu suất chuyển hóa NH4+-N của mỗi tải trọng nghiên cứu .............. 58
Bảng 4.4: Hiệu suất loại bỏ tổng nitơ của mỗi tải trọng nghiên cứu ................... 62
Bảng 4.5: Hiệu suất chuyển hóa NH4+-N và hiệu suất loại bỏ tổng nitơ trung
bình trong giai đoạn ổn định của mỗi tải trọng nghiên cứu ............... 64
Bảng 4.6: Nồng độ các hợp chất đầu ra ở giai đoạn ổn định.............................. 68
Bảng 4.7: Giá trị NH4+-N bị chuyển hóa, NO3--N tạo thành và tỉ lệ NO3--N
tạo thành với NH4+-N bị chuyển hóa (NO3--N/ NH4+-N) qua các
giai đoạn ổn định ................................................................................ 72
Bảng 4.8: Giá trị trung bình của NLR và NRR qua các giai đoạn vận hành ổn
định ...................................................................................................... 75

Bảng 4.9: Kết quả mơ hình SNAP nghiên cứu với kết quả nghiên cứu SNAP
khác ..................................................................................................... 75
viii


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy

Bảng 4.10: Sự thay đổi thể tích nƣớc hiệu dụng trong bể theo thời gian vận
hành ..................................................................................................... 81
Bảng 4.11: Kết quả phân tích nồng độ bùn trong mơ hình sau 283 ngày vận
hành ..................................................................................................... 82

ix


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy
DANH MỤC VIẾT TẮT

ACE

Hiệu suất chuyển hóa amoni (Ammonium conversion efficiency)

ANAMMOX

Oxy hóa amoni kỵ khí (Anaerobic ammonium oxidation)

AOB

Vi khuẩn oxy hóa amoni (Ammonium oxydizing bacteria)

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa (Bio-chemical Oxygen Demand)

CANON

Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite

COD

Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

DENAMMOX Denitrifying ammonium oxidation
DO

Oxy hòa tan (Demand oxygen)

FA

Amoni tự do (Free ammonia)

FNA

Axit nitrit tự do (Free nitrous acids)

MLSS

Cặn lơ lửng của hỗn hợp bùn hoạt tính (Mixed Liquor
Suspended Solids)

MLVSS

Cặn bay hơi của hỗn hợp bùn (Mixed Liquor Volatile
Suspended Solids)

NLR

Tải trọng nitơ (Nitrogen loading rate)

NH4+-N

Ammonium Nitrogen ion (Ion nitơ ammoni)

NO2--N

Nitrite Nitrogen ion (Ionnitơ nitrit)

NO3--N

Nitrate Nitrogen ion (Ion nitơ nitrat)

NOB

Vi khuẩn oxy hóa nitrit (Nitrite oxydizing bacteria)

NRE

Hiệu suất khử nitơ (Nitrogen removal efficiency)

NRR

Tải trọng nitơ bị khử (Nitrogen removal loading rate)

SBR

bể phản ứng hoạt dộng theo mẻ (Sequencing batch reactor)

OLAND

Oxygen limited autotrophic nitrification-denitrification

x


Luận văn thạc sĩ
SHARON

Trần Hoàng Duy
Single Reactor system for High Activity Ammonia Removal
Over Nitrite

SNAP

Single-stage nitrogen removal using anammox and partial
nitritation

SS

Chất rắn lơ lửng (Suspended solids)

TKN

Tổng nitơ Kjendahl (Total Nitrogen Kjendahl)

TN

Tổng nitơ (Total Nitrogen)

VSS

Chất rắn bay hơi (Volatile solids)

xi


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy
MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ..................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iii
TÓM TẮT ............................................................................................................. iv
ABSTRACT........................................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH ẢNH................................................................................... vi
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU

1

1.1 .. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1
1.2 .. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................... 2
1.3 .. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................... 2
1.4 .. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 2
1.5 .. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................... 2
1.6 .. Ý nghĩa khoa học & thực tiễn ........................................................................ 3
1.7 .. Tính mới của đề tài ........................................................................................ 3
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

4

2.1 .. Nguyên tố nitơ ................................................................................................ 4
2.1.1. Chu trình nitơ trong tự nhiên ............................................................... 4
2.1.2. Nguồn phát thải nitơ và vấn đề môi trƣờng ......................................... 8
2.1.2.1 Nguồn phát thải nitơ .................................................................. 8
2.1.2.2. Vấn đề môi trƣờng .................................................................. 11
2.2 .. Các phƣơng pháp xử lý nitơ ........................................................................ 13
2.2.1. Phƣơng pháp sinh học xử lý nitơ truyền thống .................................. 15
2.2.2. Các phƣơng pháp xử lý nitơ mới ....................................................... 19
2.2.2.1. Quá trình nitrit hố - khử nitrit ............................................... 20
2.2.2.2. Q trình Anammox ............................................................... 21
xii


Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy

2.2.2.3. Q trình nitrat hóa bán phần và quá trình ANAMMOX
trong hai bể phản ứng.............................................................. 22
2.2.2.4. Q trình nitrat hóa bán phần và q trình ANAMMOX
trong một bể phản ứng ............................................................ 23
2.2.2.5. Quá trình DENAMMOX ........................................................ 24
2.3 .. Công nghệ SNAP ......................................................................................... 26
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

30

3.1. . Vật liệu nghiên cứu: ..................................................................................... 30
3.1.1 Mơ hình nghiên cứu: .......................................................................... 30
3.1.2 Giá thể sinh học:................................................................................. 32
3.1.3 Bể phản ứng ....................................................................................... 34
3.1.4 Vi khuẩn và bùn cấy ban đầu ............................................................. 34
3.1.5 Nƣớc thải nhân tạo ............................................................................. 35
3.1.6 Điều kiện vận hành............................................................................. 36
3.2. . Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................. 36
3.2.1. Lấy mẫu .............................................................................................. 36
3.2.2. Thiết bị và phƣơng pháp phân tích: ................................................... 37
3.2.3. Phƣơng pháp xác định sinh khối bùn ................................................. 38
3.2.4. Phƣơng pháp tính tốn và xử lý số liệu.............................................. 39
3.2.5. Nội dung thi nghiệm .......................................................................... 43
3.2.5.1. Giai đoạn khởi động mơ hình: ................................................ 43
3.2.5.2. Giai đoạn khảo sát chính: ........................................................ 43
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

44

4.1. . Giai đoạn khởi động mơ hình: ..................................................................... 44
4.2. . Giai đoạn khảo sát chính: ............................................................................ 45
xiii


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy

4.2.1. Sự biến động giá trị nhiệt độ, pH và DO: .......................................... 46
4.2.1.1. Giá trị nhiệt độ ........................................................................ 46
4.2.1.2. Nồng độ oxy hòa tan DO và mối liên hệ giữa DO, NO2--N
và

NO3--N qua các tải trọng: ................................................ 47

4.2.1.3. Giá trị pH và mối quan hệ giữa giá trị pH, FA ( Free
Ammonia) qua các tải trọng .................................................... 51
4.2.2. Hiệu suất chuyển hóa NH4+-N (ACE) và hiệu suất loại bỏ nitơ
(NRE) ................................................................................................. 54
4.2.2.1. Hiệu suất chuyển hóa NH4+-N ................................................ 55
4.2.2.2. Hiệu suất loại bỏ tổng nitơ ( T-N)........................................... 59
4.2.2.3. Mối quan hệ giữa hiệu suất chuyển hóa NH4+-N và hiệu suất
loại bỏ tổng nitơ ...................................................................... 63
4.2.3. Nồng độ các chất đầu ra ..................................................................... 66
4.2.3.1. Nồng độ NO2- -N đầu ra.......................................................... 68
4.2.4. Tải trọng nitơ bị khử .......................................................................... 74
4.2.5. Sinh khối bùn sau thời gian nghiên cứu ............................................. 77
4.2.5.1. Hình thái của bùn: ................................................................... 77
4.2.5.2. Mật độ sinh khối ..................................................................... 80

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

84

5.1. . Kết luận ........................................................................................................ 84
5.2. . Kiến Nghị ..................................................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 87
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................. 92
DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU .................................................... 93

xiv


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1

Đặt vấn đề

Mặc dù nitơ là một nguyên tố quan trọng của sự sống nhƣng nếu nitơ tồn tại một
lƣợng lớn trong nguồn nƣớc sẽ gây ra các vấn đề môi trƣờng, cũng nhƣ vấn đề
sức khỏe con ngƣời nhƣ: hiện tƣợng phú nhƣỡng hóa gây độc cho các hệ sinh
thái thủy sinh, làm mất mỹ quang sông hồ, con ngƣời khi sử dụng nguồn nƣớc
nhiễm nitơ này có thể mắc bệnh Methemoglobin, ung thƣ. Cho nên bên cạnh các
quy định về thông số chất rắn lơ lửng (SS), chất thải hữu cơ (COD, BOD5) thì
hiện nay các tiêu chuẩn quy định của các cơ quan quản lý đã quan tâm nhiều với
các nguồn thải có chứa hàm lƣợng nitơ cao. Theo QCVN40:2011 thì lƣợng

NH4+-N khơng lớn hơn 5mg/L với nguồn loại A.
Các công nghệ sinh học xử lý nitơ truyền thống chủ yếu dựa trên nguyên lý nitrat
hóa - khử nitrat, tuy nhiên hiệu quả của q trình này khơng ổn định và chi phí
vận hành tốn kém (tiêu thụ nhiều năng lƣợng, cần bổ sung cơ chất cho quá trình)
nên cũng chƣa phải là tối ƣu đối với con đƣờng tìm kiếm giải pháp xử lý nitơ.
Năm 1995, các nhà khoa học đã khám phá ra một quá trình sinh học với sự
chuyển hóa nitơ mới, đó là q trình oxy hóa kị khí amoni, viết tắt là
ANAMMOX, (ANaerobic AMMonium OXidation). Sự phát hiện quá trình
ANAMMOX đã mở ra các kỹ thuật mới xử lý nitơ, đặc biệt là đối với các nƣớc
thải có hàm lƣợng nitơ cao và chất hữu cơ thấp (nhƣ là nƣớc rỉ rác lâu năm, nƣớc
thải sau bể biogas…). Và kết quả là trong vòng 2 thập niên qua, đã bùng nổ các
nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến q trình này. Có thể kể đến sự kết hợp
q trình nitrit hóa/nitrit hóa bán phần với quá trình anammox trong hai hệ thống,
nhƣ SHARON (Single Reactor system for High Activity Ammonia Removal
Over Nitrite), ANAMMOX, SHARON-ANAMMOX, hay sự kết hợp trong cùng
một hệ thống, nhƣ OLAND (Oxygen Limited Autotrophic NitrificationDenitrification), CANON (Completely Autotrophic N-removal Over Nitrite),
SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitritation),
DEMON” (DEnitrifying AMmonium Oxidation) hoặc kết hợp quá trình khử
nitrat với quá trình anammox, nhƣ DENAMMOX…Các kỹ thuật mới này có
1


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy

hiệu quả cao và giải quyết đƣợc các nhƣợc điểm của công nghệ sinh học xử lý
nitơ truyền thống.
Tuy nhiên, các cơng trình nghiên cứu và ứng dụng quá trình Anammox ở Việt
Nam hiện nay cịn hạn chế hoặc chỉ dừng ở q trình Anammox riêng lẻ. Bên

cạnh đó, việc đánh giá hiệu quả của các loại giá thể cũng chƣa đƣợc quan tâm
đúng mức. Chính vì thế, nhằm tìm hiểu và đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ
SNAP để xử lý nƣớc thải có hàm lƣợng amoni cao, chúng tơi thực hiện đề tài
“ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG MƠ
HÌNH SNAP SỬ DỤNG GIÁ THỂ ACRYLIC FIBER ”.
1.2

Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ nồng độ cao trong nƣớc thải của mô hình SNAP sử
dụng giá thể bám dính Acrylic Fiber (Nhật Bản).
Khắc phục những nhƣợc điểm của các nghiên cứu SNAP khác đã thực hiện với
hiệu suất xử lý nittơ không cao.
1.3
-

Đối tƣợng nghiên cứu
Nƣớc thải nhân tạo có nồng độ Amoni cao nhƣng lại có nồng độ thấp về
COD, BOD

1.4

Giá thể sinh học Arcylic Fiber (Nhật Bản).
Nội dung nghiên cứu

Để thực hiện đƣợc mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài bao gồm những nội dung sau:
-

Thiết kế mơ hình SNAP quy mơ phịng thí nghiệm (lab-scale)

-

Tạo điều kiện thích hợp (DO, pH) cho giai đoạn nitrat hóa bán phần và
anammox để đạt đƣợc quá trình khử nitơ trong cùng một bể phản ứng.

1.5
-

Tăng tải trọng nitơ theo thời gian và đánh giá hiệu quả xử lý mơ hình.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp tổng quan, kế thừa: Tổng hợp, thu thập có chọn lọc, tham khảo
các tài liệu trong và ngồi nƣớc có liên quan đến đề tài.

-

Phƣơng pháp mơ hình thực nghiệm: Thiết kế mơ hình thí nghiệm quy mơ
phịng thí nghiệm để thực hiện nghiên cứu.
2


Luận văn thạc sĩ
-

Trần Hoàng Duy

Phƣơng pháp lấy mẫu, phân tích mẫu: Sử dụng các phƣơng pháp phân tích
mẫu hay lấy mẫu cho nghiên cứu theo các quy định của phịng thí nghiệm.

-

Phƣơng pháp thống kê, phân tích, so sánh: Sử dụng trong phân tích số liệu
của nghiên cứu, tài liệu thu thập đƣợc để so sánh với các quy định của cơ
quan quản lý.

1.6
-

Ý nghĩa khoa học & thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của mơ hình là cơ sở lý thuyết để đánh giá khả năng thích
nghi, sinh trƣởng và phát triển của nhóm vi khuẩn Nitrit hóa và Anammox
trong môi trƣờng nƣớc thải nhân tạo, tạo cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn
các yếu tố, thành phần ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý nitơ nhằm tạo tiền đề
cho việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ SNAP để loại bỏ nitơ trong các loại
nƣớc thải khác nhau.

-

Ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nƣớc thải chứa hàm lƣợng Ammoni
nồng độ cao đã và đang đƣợc nghiên cứu nhiều trên thế giới. Tuy nhiên, tại
Việt Nam các nghiên cứu liên quan đến q trình này cịn rất hạn chế, do đó
kết quả của nghiên cứu này sẽ cung cấp một phần thơng tin về khả năng thích
nghi và hiệu quả xử lý của nhóm vi khuẩn anammox cùng với nhóm vi khuẩn
nitrit hóa bán phần trong cùng một bể phản ứng. Bên cạnh đó, nghiên cứu là
cơ sở ban đầu có thể ứng dụng trong thực tế nhằm xử lý một số loại nƣớc thải
chứa nồng độ Ammoni cao nhƣ nƣớc rỉ rác đã qua xử lý chất hữu cơ hoặc
nƣớc rỉ rác lâu năm, nƣớc thải lò mổ gia súc & gia cầm, nƣớc thải ngành chăn
ni, nƣớc thải các xí nghiệp chế biến thủy sản, nƣớc thải nhà máy chế biến
tinh bột sắn…

1.7

Tính mới của đề tài

Mặc dù các nghiên cứu và ứng dụng quá trình này trên thế giới khá nhiều. Tuy
nhiên, tại Việt Nam việc nghiên cứu vể nó vẫn cịn hạn chế và nên tiếp tục đƣợc
nghiên cứu.
Mơ hình nghiên cứu có khả năng tạo đƣợc bùn hạt với kích thƣớc hạt lớn.

3


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1

Nguyên tố nitơ

2.1.1. Chu trình nitơ trong tự nhiên
Nguyên tố nitơ là thành phần có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong
thành phần của các hợp chất tham gia q trình sinh hóa. Đồng thời nó cũng tồn
tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự
nhiên [1].
Nguyên tố nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N-3) là amoni
đến dạng oxy hóa sâu (N+5) là nitrat. Bảng 2.1 trình bày các trạng thái hóa trị của
nguyên tố nitơ và hợp chất hóa học đại diện cho trạng thái hóa trị đó.
Bảng 2.1: Trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ trong hợp chất hóa học [1]
Hợp chất

Cơng thức hóa học

Hóa trị

NH4+/NH3

-3

N2

0

Dinitơ oxyt

N2 O

+1

Nitơ oxyt

NO

+2

NO2--N

+3

NO2

+4

NO3--N

+5

Amoni/Amoniac
Khí Nitơ

Nitrit
Nitơ dioxyt
Nitrat

Trong mơi trƣờng nƣớc tự nhiên, các hợp chất amoni, hợp chất hữu cơ chứa nitơ,
khí nitơ, nitrat, nitrit có nồng độ khơng đáng kể, tuy vậy chúng là nguồn nitơ cho
phần lớn sinh vật. Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin,
protein, tế bào và chuyển hóa năng lƣợng. Trong các q trình đó, hợp chất nitơ
thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác, quá trình đó
đƣợc gọi là chu trình nitơ.
4


Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy

Chu trình nitơ là một quá trình mà nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất
hóa học của nó. Việc biến đổi này đƣợc tiến hành bởi cả hai quá trình sinh học và
phi sinh học. Quá trình quan trọng trong chu trình nitơ bao gồm sự cố định nitơ

(đạm), đồng hóa, khống hóa, nitrat hóa, khử nitrat và oxy hóa kỵ khí amoni
(Hình 2.1).

Hình 2.1: Chu trình nitơ trong tự nhiên [20]


Quá trình cố định nitơ/đạm (Nitrogen fixation): Là sự chuyển đổi dạng N2
thành dạng hữu cơ mà sinh vật sử dụng đƣợc. Một lƣợng nhỏ đƣợc cố
định nhờ sấm chớp, cháy rừng hay các hoạt động của con ngƣời (bón phân
chứa nhiều đạm, đốt các nhiên liệu hóa thạch…) [20].



Đồng hóa (Assimilation): Là sự hấp thu các hợp chất nitơ (nitrat, nitrit,
amoni và các muối amoni) từ đất bởi thực vật để tạo thành các protein
[20].



Q trình amoni hóa hay khống hóa (Ammonification): Khi thực vật
hoặc động vật chết đi thì dạng ban đầu của nitơ là chất hữu cơ. Vi khuẩn

5


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy

hoặc nấm, trong một số trƣờng hợp, chuyển đổi nitơ trong xác của chúng

thành amoni [20].


Q trình nitrat hóa (Nitrification): Q trình chuyển đổi amoni thành
nitrat đƣợc tiến hành bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn
nitrat hóa khác (Nitrosomonas và Nitrobacter) [20].



Quá trình khử nitrat (Denitrification): Là sự khử nitrat thành khí nitơ (N2),
hồn tất chu trình nitơ. Q trình này xảy ra nhờ các loại vi khuẩn nhƣ
Pseudomonas và Clostridium trong mơi trƣờng kỵ khí [25].



Q trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox): Là q trình mới đƣợc phát
hiện từ năm 1995. Trong quá trình này, nitrit và amoni bị biến đổi trực
tiếp thành khí nitơ nhờ vi khuẩn anammox trong điều kiện khơng có mặt
oxy [20].

Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nƣớc thải
Tƣơng tự nhƣ trong môi trƣờng tự nhiên trong nƣớc thải, các hợp chất của nitơ
tồn tại dƣới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ơxy hố
(nitrit và nitrat).
Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành
phần phân huỷ protein nhƣ là các peptid, axit amin, urê.
Amoniac (NH3) chính là lƣợng nitơ amôn (NH4+) trong nƣớc thải sinh hoạt,
nƣớc thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nƣớc thải khác có thể rất cao.
[1].
Nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của q trình ơxy hố amoniac hoặc nitơ

amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrit
hình thành tiếp tục đƣợc vi khuẩn Nitrobacter ơxy hố thành nitrat.
Các q trình nitrit và nitrat hố diễn ra theo phản ứng bậc I:

(2.1)
Trong đó: kn và km là các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá.
6


Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy

Các phƣơng trình phản ứng của q trình nitrit và nitrat hố đƣợc biểu diễn nhƣ
sau:

(2.2)
(2.3)
(2.4)
Q trình nitrat hố cần 4,57g ơxy cho 1g nitơ amôn. Các loại vi khuẩn
Nitrosomonas và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện
nhiệt độ từ 2030oC.
Nitrit là hợp chất khơng bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử nitrat
trong điều kiện yếm khí.
Ngồi ra, nitrit cịn có nguồn gốc từ nƣớc thải q trình cơng nghiệp điện hố.
Trong trạng thái cân bằng ở môi trƣờng nƣớc, nồng độ nitrit, nitrat thƣờng rất
thấp, nó thƣờng nhỏ hơn 0,02 mg/l. Nếu nồng độ amoni, giá trị pH và nhiệt độ
của nƣớc cao, q trình nitrit hố diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt
đến giá trị lớn. Trong quá trình xử lý nƣớc, nitrit trong nƣớc sẽ tăng lên đột ngột
[1].

Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hố trị cao nhất và có nguồn
gốc chính từ nƣớc thải sinh hoạt hoặc nƣớc thải một số ngành cơng nghiệp thực
phẩm, hố chất,... chứa một lƣợng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng
tiếp tục bị nitrat hoá, tạo thành nitrat.
Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của q trình khống hố các chất hữu cơ chứa
nitơ. Nitrat trong nƣớc thải chứng tỏ sự hồn thiện của cơng trình xử lý nƣớc thải
bằng

phƣơng pháp sinh học.

Mặt khác, q trình nitrat hố cịn tạo nên sự tích lũy ơxy trong hợp chất nitơ để
cho các q trình ơxy hố sinh hố các chất hữu cơ tiếp theo, khi lƣợng ơxy hồ
tan trong nƣớc rất ít hoặc bị hết.
Khi thiếu ơxy và tồn tại nitrat hố sẽ xảy ra q trình ngƣợc lại: tách ơxy khỏi
nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ khác.
7


Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy

Q trình này đƣợc thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vi khuẩn yếm
khí tuỳ tiện). Trong điều kiện khơng có ơxy tự do mà mơi trƣờng vẫn cịn chất
hữu cơ cácbon, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho q
trình ơxy hố các chất hữu cơ. Q trình khử nitrat đƣợc biểu diễn theo phƣơng
trình phản ứng sau đây:
4NO3- + 4H+ + 5C.hữu cơ →

5CO2 + 2N2 + 2H2O

(2.5)

Trong q trình phản nitrat hố, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O2 (khử nitrit) và
2,85g O2 (khử nitrat) [1].
2.1.2. Nguồn phát thải nitơ và vấn đề môi trƣờng
2.1.2.1 Nguồn phát thải nitơ
a. Nguồn nƣớc thải sinh hoạt
Thành phần nitơ trong thức ăn của ngƣời và động vật chung chỉ đƣợc cơ thể hấp
thu một phần, phần còn lại đƣợc thải ra dƣới dạng chất rắn (phân) và các chất bài
tiết khác (nƣớc tiểu, mồ hôi).
Nguồn nƣớc thải sinh hoạt bao gồm: nƣớc vệ sinh tắm, giặt, nƣớc rửa rau, thịt,
cá, nƣớc từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng nhƣ thƣơng
mại, bến tàu xe, trƣờng học, bệnh viện, khu du lịch, vui chơi, giải trí. Hợp chất
nitơ trong nƣớc thải sinh hoạt là cá hợp chất amoniac, protein, peptid, axit
amin… . Mỗi ngƣời hàng ngày tiêu thụ 5 đến 16g nitơ dƣới dạng protein và thải
ra khoảng 30% trong số đó, hàm lƣợng nitơ thải qua trong nƣớc tiểu lớn hơn
trong phân khoảng 18 lần. Trong nƣớc thải sinh hoạt, hàm lƣợng nitrat và nitrit
rất thấp do lƣợng oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dƣỡng (tập đồn vi sinh có khả
năng oxy hóa amoni) thấp. Thành phần amoni chiếm 60-80% hàm lƣợng nitơ
tổng trong nƣớc thải sinh hoạt. Trong nƣớc thải sinh hoạt nitơ tồn tại dƣới dạng
vô cơ (65%) và hữu cơ (35%). Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH2)2) là 0,7g,
còn lại là các loại nitơ khác. Urê thƣờng đƣợc amoni hố theo phƣơng trình nhƣ
sau.
Trong mạng lƣới thoát nƣớc urê bị thuỷ phân:
CO(NH2)2 + 2H2O = (NH4)2CO3
8

(2.6)

Luận văn thạc sĩ

Trần Hồng Duy

Sau đó bị thối rữa:

(NH4)2CO3 = 2NH3 + CO2 + H2O

(2.7)

b. Nguồn nƣớc thải công nghiệp
Ơ nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất cơng nghiệp liên quan chủ yếu tới chế biến
thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề đặc biệt nhƣ chế biến
mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da.
Chế biến thực phẩm thải một lƣợng đáng kể hợp chất chứa nitơ liên quan đến loại
thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ các
loại thịt, sữa, đậu, nấm. Quá trình sản xuất một số loại hóa chất, phân bón, sợi
tổng hợp thải ra lƣợng khá lớn hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất này dễ
dàng bị thủy phân trong môi trƣờng và tạo ra amoniac.
Nồng độ hợp chất nitơ trong nƣớc thải công nghiệp cũng biến động mạnh, không
chỉ theo mùa mà cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực
phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm. Vì lý do đó các số liệu phân tích
về ơ nhiễm nói chung hay về nitơ nói riêng chỉ mang tính chất khái quát, không
thể sử dụng trực tiếp làm số liệu cho tính tốn thiết kế hệ thống xử lý.
c. Nguồn thải từ nông nghiệp, chăn nuôi
Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm hay lân cho cây trồng vì
các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt. Trong rất nhiều trƣờng hợp ngƣời ta còn
sử dụng nguồn nƣớc thải để tƣới nhằm tận dụng lƣợng hợp chất nitơ trong đó để
làm phân bón cho cây trồng. Điều đáng bàn là ở chỗ lƣợng phân bón mà cây

trồng khơng hấp thu đƣợc do nhiều nguyên nhân: phân hủy, rửa trôi (phâm đạm
urê, phân tổng hợp NPK…) hoặc do tạo thành dạng không tan, nhất thời cây
trồng không thể hấp thu. Các số liệu cho thấy phân urê khi bón cho lúa nƣớc có
thể bị mất mát tới 30-40% do bị rửa trôi, thấm vào đất hoặc bị phân hủy ngồi
mơi trƣờng. Trong mơi trƣờng nƣớc, urê dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac
và cacbonic.

9


Luận văn thạc sĩ

Trần Hoàng Duy

Nguồn nƣớc thải phát sinh do chăn ni gia cầm, gia súc có lƣu lƣợng nhỏ hơn
so với nƣớc sinh hoạt, chủ yếu là nƣớc tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Loại nƣớc
thải này chứa một lƣợng chất rắn không tan lớn (phân, rác, bùn đất, thức ăn thừa)
và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ đƣợc chiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nƣớc.
Nồng độ hợp chất nitơ tăng dần theo thời gian lƣu giữ nƣớc thải do lƣợng chất
hữu cơ có khả năng phân hủy rất lớn, chúng bị phân hủy thành khí metan và
carbonic trong khi các hợp chất nitơ hầu nhƣ khơng biến động, trong khi đó các
vi sinh bị chết cũng tiếp tục phân hủy thảo ra hợp chất nitơ.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, các lồi thủy động vật ni chỉ hấp thu đƣợc
khoảng 25-40% lƣợng nitơ trong thức ăn tổng hợp. Chính vì hiệu quả hấp thu
thấp nên phần nitơ còn dƣ nằm trong nƣớc nuôi gây ô nhiễm. Phân tôm cá, thức
ăn thừa và chất bài tiết cũng đóng góp làm tăng nồng độ hợp chất nitơ. Các hợp
chất này nhanh chóng bị thủy phân thành amoniac và đƣợc tảo hấp thu. Việc phát
triển quá nhiều của tảo sẽ dẫn đến mật độ tảo cao, một số loại tảo lam phát triển ồ
ạt (nƣớc nở hoa) và chết hàng loạt, khi tảo chết bị phân hủy sẽ thải ra một lƣợng
lớn amoniac đầu độc vật nuôi.

d. Nƣớc rỉ rác
Nƣớc rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình hóa, lý và
sinh học diễn ra trong lịng BCL chất thải rắn (Hình 2.4). Là loại nƣớc chứa
nhiều chất ơ nhiễm hịa tan từ q trình phân hủy rác và lắng xuống dƣới đáy ô
chôn lấp. Lƣợng nƣớc rỉ rác đƣợc hình thành chủ yếu do các quá trình sau:


Nƣớc thốt ra từ độ ẩm rác: Rác thải đơ thị ln chứa một hàm lƣợng ẩm.
Trong q trình đầm nén, lƣợng nƣớc tách ra khỏi rác và trở thành nƣớc rỉ
rác (dƣới 30%) [1].



Nƣớc từ các quá trình phân hủy sinh học: Nƣớc là một trong những sản
phẩm của quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ.



Nƣớc ngầm thấm qua đáy, thân ô chôn lấp vào bên trong nơi chứa rác.

10