Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần và anammox để xử lý nitơvtrong nước rỉ rác cũ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---oOo--- PHAN THẾ NHẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN VÀ ANAMMOX ĐỂ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC RỈ RÁC CŨ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---oOo--- PHAN THẾ NHẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NITRIT HÓA BÁN PHẦN VÀ ANAMMOX ĐỂ XỬ LÝ NITƠ TRONG NƢỚC RỈ RÁC CŨ Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số chuyên ngành: 9520320 Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Thị Thanh Phƣợng Phản biện độc lập 2: PGS.TS Lê Hùng Anh Phản biện 1: PGS.TS Lê Đức Trung Phản biện 2: PGS.TS Lê Thị Kim Oanh Phản biện 3: PGS.TS Tôn Thất Lãng NGƢỜI HƢỚNG DẪN: 1. PGS.TS Nguyễn Phƣớc Dân 2. PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu mà tôi đã trực tiếp tiến hành và tổ chức thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Nguyễn Phƣớc Dân và PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh, tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trƣờng và Tài nguyên, Đại học Bách Khoa – ĐHQG HCM. Công trình đƣợc tiến hành với sự cộng tác thực hiện của các nhóm sinh viên của bộ môn Kỹ thuật Môi trƣờng thuộc khoa Môi trƣờng và Tài nguyên, Đại học Bách Khoa – ĐHQG HCM. Các số liệu trong luận án là trung thực, do tôi thực hiện và đúc kết đƣợc. Tác giả Phan Thế Nhật i TÓM TẮT LUẬN ÁN Nghiên cứu ứng dụng quá trình Nitrite hóa bán phần và Anammox để xử lý nitơ trong nƣớc rỉ rác cũ với các thí nghiệm bao gồm: thí nghiệm làm giàu bùn mô hình PNSBR, thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình PNSBR và thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình AIC. Nghiên cứu cũng xác định thông số động học AOB, hoạt tính vi khuẩn Anammox, cũng nhƣ xác định cộng đồng vi sinh trong mô hình AIC. Thí nghiệm làm giàu bùn mô hình PNSBR đƣợc thực trong mô hình thí nghiệm thể tích bể SBR 66,5l với nồng độ nƣớc rỉ rác đƣợc pha loãng với nƣớc cấp lần lƣợt theo các tỷ lệ 13%, 27%, 41%, 53% và 100%. Ở giai đoạn vận hành ổn định với 100% nƣớc rỉ rác thô của thí nghiệm đạt đƣợc tỷ lệ NO2--N/NH4+-N = 1,0 trong đầu ra và thấp hơn so với tỷ lệ lý thuyết NO2--N:NH4+-N = 1,32. Thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình PNSBR đƣợc thực trong mô hình thí nghiệm thể tích bể SBR 190l với nƣớc rỉ rác thô hoàn toàn. Ở giai đoạn vận hành ổn định, tỷ lệ NO2--N/NH4+-N đạt từ 1,0-1,32 trong đầu ra. Nồng độ NO₃⁻-N đầu ra luôn thấp hơn 20 mgN/L. Nồng độ FA cao nhất đạt 506 mg NH3-N/L vào giờ thứ 26 trong chu kỳ 73 giờ/mẻ. Hiệu quả loại bỏ COD 11%, mặc dù thành phần COD trong nƣớc rỉ rác cũ là rất thấp. Thí nghiệm OUR cho thấy μmax, Ko, Ks and YX/N của AOB lần lƣợt là 0,12/ngày, 1,35 mg O2/L, 53 mgNH4+-N/L và 0,26 mgVSS/mg NH4+-N. Thí nghiệm đánh giá hiệu quả mô hình AIC với nƣớc rỉ rác đã đƣợc tiền xử lý bằng mô hình PNSBR ở các thí nghiệm trƣớc, tải trọng xử lý từ 2-10 kgN/m3/ngày. Nồng độ tổng nitơ đầu vào cao nhất đạt 1500 mgN/L. Hoạt tính bùn Anammox đạt 0,598 ± 0,.026 gN2-N/gVSS. Kết quả đánh giá bùn đặc tính bùn hạt anammox cho thấy các hạt có kích thƣớc 0,5–1,0 mm chiếm ƣu thế trong bể. Kết quả phân tích DNA cho thấy vi khuẩn Candidatus Kueneniastuttgartiensis chiếm (37,45%) trong bể AIC, ngoài ra vi khuẩn Bacteroidetes cũng chiếm 5,37% trong bể. Vì vậy, thành phần COD khó phân hủy sinh cũng đƣợc xử lý một phần nhờ các vi khuẩn này. ii ABSTRACT In this research, semi-nitriteation – Anammox proccess was used to treat nitrogen in old landfill leachate with experiment include: a lab-scale concentrated sludge experiment by sequencing batch reactor model (PN-SBR), a effective evaluation test for PN-SBR model and a effective evaluation test for AIC model. This study also determine dynamic parameter AOB, actived organism Anammox, and the population of organism in AIC model. A lab-scale concentrated sludge experiment by PN-SBR was conducted in a SBR tank with volume of 66,5 L and leachate concentration diluted with water in ratios of 13%, 27%, 41%, 53% and 100%, respectively. In the stable practice period with 100% raw landfill leachate, the ratio of NO2--N/NH4+-N was achieved 1.0 in flux, which was small than the stochiometric ratio of NO2--N/NH4+-N of 1.32. A effective evaluation test for PN-SBR model was conducted in a SBR tank with volume of 190,0 L containing the raw landfill leachate absolutely. As the rusult, the ratio NO2--N/NH4+-N was range of 1.0-1.32 in flux. The output NO₃⁻-N concentration was always below 20 mgN/L. The highest FA concentration is of 506 mg NH3-N/L in 26th of hour of the cycle of 73 hour/batch. Even though old land fill leachate mainly contained refractory COD, COD removal efficiency achieved about 11%. The OUR tests show that the maximum growth rate mmax, Ko, Ks and yield coefficient YX/N of AOB were 0.12/day, 1.35 mg O2/L, 53 mgNH4+-N/L and 0.26 mgVSS/mg NH4+-N, respectively. A effective evaluation test for AIC model with landfill leachate was operated with pretreated leachate from PNSBR reactor using a high nitrogen loading rate ranging from 2 to 10 kgN/m3/day. High rate removal of nitrogen (9.52 ± 1.11 kgN/m3/day) was observed at an influent nitrogen concentration of 1500 mgN/L. The specific ANAMMOX activity was found to be 0.598 ± 0.026gN2-N/gVSS. Analysis of ANAMMOX granules suggested that 0.5–1.0 mm size granular sludge was the dominant group. The results of DNA analysis revealed that Candidatus Kueneniastuttgartiensis was the dominant species (37.45%) in the IC reactor, whereas other species like uncultured Bacteroidetes bacterium only constituted 5.37% in the system, but they were still responsible for removing recalcitrant organic matter. iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cám ơn sự huớng dẫn tận tâm của PGS.TS Nguyễn Phƣớc Dân và PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh. Cám ơn thầy cô về kiến thức đã đ ƣợc truyền đạt từ phƣơng pháp suy luận thông minh, khả năng tƣ duy sâu sắc cũng nhƣ cách giải quyết công việc khoa học. Cám ơn thời gian đƣợc học tập và làm việc cùng thầy cô. Tôi xin trân trọng cám ơn Ban Lãnh đạo Trƣờng Đại học Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM, phòng Đào tạo, Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Cám ơn ba mẹ, gia đình luôn hỗ trợ, động viên tôi trong những lúc khó khăn để cố gắng vuợt qua những trở ngại, hoàn thành luận án tốt nghiệp. Cám ơn các đồng nghiệp, các bạn sinh viên thân thƣơng đã luôn sát cánh cùng tôi trong suốt những năm nghiên cứu. Cuối cùng luận án cũng đã hoàn thành, đối với chúng tôi – những nghiên cứu sinh trong nuớc – thật sự phải vuợt qua nhiều trở ngại từ tài liệu nghiên cứu, kinh phí, thời gian và thiết bị phân tích. Những nỗ lực trong thời gian qua là tiền đề để chúng tôi tiếp tục phấn đấu theo con đuờng khoa học đã lựa chọn. iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i TÓM TẮT LUẬN ÁN ...................................................................................................ii ABSTRACT ................................................................................................................ iii LỜI CẢM ƠN............................................................................................................... iv MỤC LỤC ..................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ .........................................................................viii DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU ........................................................................... xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................xiii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 7 1.1. TỔNG QUAN ĐẶC TÍNH NƢỚC RỈ RÁC .......................................................... 7 1.1.1. Nguồn gốc phát sinh nƣớc rỉ rác .......................................................................... 7 1.1.2. Thành phần và tính chất nƣớc rỉ rác ..................................................................... 7 1.1.3. Thành phần và tính chất nƣớc rỉ rác cũ phát sinh từ bãi rác Gò Cát..................... 9 1.2. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC ............................................... 11 1.2.1. Ngoài nƣớc ........................................................................................................ 11 1.2.2. Trong nƣớc ........................................................................................................ 18 1.3. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ................................................................................................................... 21 1.3.1. Quá trình nitrite hóa bán phần, Sharon .............................................................. 22 1.3.2. Quá trình Anammox .......................................................................................... 31 1.4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH................................................................................... 56 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC ............................ 58 2.1. NHỮNG TỒN TẠI TRONG XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC TẠI VIỆT NAM ............. 58 2.2. NHỮNG TỒN TẠI TRONG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC TẠI VIỆT NAM 59 2.3. ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU ........................................................................... 60 v CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 61 3.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................. 61 3.1.1. Nội dung 1. Quá trình Nitrite hóa bán phần ứng dụng công nghệ SBR ............. 61 3.1.2. Nội dung 2. Quá trình Anammox ứng dụng công nghệ IC ................................ 62 3.2. MÔ HÌNH VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM ........................................................... 63 3.2.1. Thí nghiệm 1. Làm giàu bùn bể PNSBR (Partial Nitriteation SBR) .................. 63 3.2.2. Thí nghiệm 2. Đánh giá hiệu quả bể PN SBR .................................................... 66 3.2.3. Thí nghiệm 3. Đánh giá hiệu quả bể AIC (anammox IC) .................................. 68 3.3. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ............................................................................ 72 3.3.1. Phân tích hóa học ............................................................................................... 72 3.3.2. Phƣơng pháp xác định thông số động học của AOB .......................................... 73 3.3.3. Phƣơng pháp xác định hoạt tính bùn anammox (SAA) ...................................... 73 3.3.4. Phƣơng pháp xác định các thành phần COD...................................................... 73 3.3.5. Phƣơng pháp xác định cộng đồng vi khuẩn Anammox ...................................... 74 3.4. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU ..................................................................... 74 3.4.1. Tải trọng nitơ (NLR) (kg N/m3.ngày) ................................................................ 74 3.4.2. Thời gian lƣu nƣớc (HRT) (ngày) ...................................................................... 74 3.4.3. Thời gian lƣu bùn (SRT) (ngày ) [188] .............................................................. 75 3.4.4. Nồng độ ammonia tự do (FA) (mg/L) [27] ........................................................ 75 3.4.5. Nồng độ axit nitrous tự do (FNA) (mg/L) [27] .................................................. 75 3.4.6. Tính SS và VSS (mg/L) ..................................................................................... 76 3.4.7. Xử lý số liệu ...................................................................................................... 76 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 77 4.1. NỘI DUNG 1. QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SBR ................................................................................................................. 77 4.1.1. Thí nghiệm 1. Giai đoạn làm giàu bùn ............................................................... 77 4.1.2. Thí nghiệm 2. Đánh giá hiệu quả mô hình PN-SBR .......................................... 83 4.2. NỘI DUNG 2. QUÁ TRÌNH ANAMMOX ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IC ....... 96 vi 4.2.1. Thí nghiệm 3. Đánh giá hiệu quả mô hình AIC ................................................. 96 4.3. ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC ........................................... 120 4.3.1. Sơ đồ công nghệ đề xuất .................................................................................. 120 4.3.2. Tính toán cân bằng vật chất của hệ thống ........................................................ 123 CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................. 126 5.1. KẾT LUẬN ........................................................................................................ 126 5.1.1. Đối với quá trình nitrite hóa bán phần ............................................................. 126 5.1.2. Đối với quá trình Anammox ............................................................................ 126 5.2. KIẾN NGHỊ........................................................................................................ 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................. 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 131 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 153 PHỤ LỤC I. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ........................................................... 153 PHỤ LỤC II. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM .................................................................... 176 PHỤ LỤC III. HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM .............................................................. 203 vii DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1. Sự thay đổi của đặc tính nƣớc rỉ rác theo thời gian [6] .................................. 8 Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nƣớc rỉ rác bãi chôn lấp Buckden South [10] ..................................................................................................................................... 12 Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 (USEPA) [10] ............................... 12 Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 (USEPA) [10] ............................... 13 Hình 1.5. Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác kết hợp sinh học và hóa học [10] .................... 13 Hình 1.6. Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác kết hợp sinh học và hóa lý [10]....................... 14 Hình 1.7. Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác kết hợp sinh học và thẩm thấu ngƣợc [10] ...... 15 Hình 1.8. Công nghệ xử lý nƣớc rác của BCL Sudokwon - Hàn Quốc [10] ................ 16 Hình 1.9. Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác của Nhật [10] .................................................. 17 Hình 1.10. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Nam Sơn 1 .................................... 18 Hình 1.11. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Nam Sơn 2 .................................... 19 Hình 1.12. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Nam Sơn 3 .................................... 19 Hình 1.13. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Gò Cát 1 ........................................ 20 Hình 1.14. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Gò Cát 2 ........................................ 20 Hình 1.15. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Gò Cát 3 ........................................ 21 Hình 1.16: Quá trình Anammox thông qua các con đƣờng chuyển hóa [74] ............... 33 Hình 1.17. Cơ chế hình thành bùn hạt Anammox [154] .............................................. 49 Hình 3.1. Sơ đồ nội dung 1 .......................................................................................... 61 Hình 3.2. Sơ đồ nội dung 2 .......................................................................................... 62 Hình 3.3. Hệ thống của 02 giai đoạn thí nghiệm loại bỏ nitơ....................................... 63 Hình 3.4. Mô hình thí nghiệm PNSBR ........................................................................ 64 Hình 3.5. Mô hình IC................................................................................................... 69 Hình 4.1. Nồng độ NH4+-N đầu vào và tải trọng nitơ xử lý NLR ở các tỷ lệ nƣớc rỉ rác thô khác nhau trong thí nghiệm 1 ................................................................................ 77 Hình 4.2. Sự chuyển hóa các thành phần nitơ đầu ra mô hình PNSBR ở thí nghiệm 1 78 Hình 4.3. Diễn biến tỷ lệ NO2--N/NH4+-N đẩu ra trong thí nghiệm 1 .......................... 78 viii Hình 4.4. Nồng độ ammonium đầu vào và tải trọng nitơ xử lý NLR (a); diễn biến các thành phần nitơ đầu ra và tỷ lệ NO2-:NH4+ đầu ra (b) .................................................. 85 Hình 4.5. Độ kiềm đầu vào và ra (a); tỷ lệ HCO3-:NH4+ đầu vào (b) ........................... 87 Hình 4.6. Tỷ lệ NO2--N/NH4+-N và pH trong một mẻ phản ứng ngày thứ 195 – 198 .. 88 Hình 4.7. Nồng độ các hợp chất nitơ trong mẻ phản ứng ngày 195 – 198 ................... 88 Hình 4.8. Nồng độ của FA và FNA trong một mẻ phản ứng ngày thứ 195 – 198 ........ 89 Hình 4.9. Biểu hiện nồng độ và hiệu quả xử lý COD .................................................. 90 Hình 4.10. Hoạt tính của AOB trong hai môi trƣờng ................................................... 93 Hình 4.11. Diễn biến nồng độ các thành phần nitơ trong quá trình thí nghiệm............ 96 Hình 4.12. (a) Thành phần Nitơ đầu vào; (b) Thành phần Nitơ đầu ra ...................... 101 Hình 4.13. Tốc độ loại bỏ Nitơ của vi khuẩn Anammox ........................................... 102 Hình 4.14. Nồng độ MLSS (a) và nồng độ MLVSS (b) theo từng chiều cao trong bể Anammox IC ở các tải trọng đầu vào khác nhau ....................................................... 104 Hình 4.15. Phần trăm số lƣợng hạt phân theo kích thƣớc .......................................... 106 Hình 4.16. Bùn hạt Anammox trong bể IC tải trọng10,0 kgN/m3.ngày ..................... 107 Hình 4.17. Hàm lƣợng Sắt tổng tích lũy trong bùn hạt Anammox............................. 108 Hình 4.18. Tốc độ lắng của bùn hạt theo từng kích thƣớc ......................................... 109 Hình 4.19. Tỷ lệ VSS/SS theo các kích cỡ bùn hạt .................................................... 109 Hình 4.20. Thành phần phần trăm các nguyên tố có trong 1gSS theo kích cỡ hạt ..... 112 Hình 4.21. Giá trị SAA bùn từ bể IC ......................................................................... 113 Hình 4.22. Các hình ảnh từ mẩu bùn hạt bể IC: màu xanhtổng các vi khuẩn, màu đỏAOB, màu hồngAnammox, hình bên góc phải bên dƣới  phủ các màu lên nhau (vị trí của các chủng vi khuẩn) .......................................................................... 116 Hình 4.23. Tỷ lệ phần trăm các các chất hữu cơ của nƣớc rỉ rác cũ sau quá trình Anammox .................................................................................................................. 117 Hình 4.24. Sự biến đổi các thành phần COD bể phản ứng Anammox IC .................. 118 Hình 4.25. Quy trình công nghệ hệ thống xử lý nƣớc rỉ rác cũ .................................. 121 Hình I.1. Mô hình hô hấp kế ...................................................................................... 153 Hình I.2. Quá trình thí nghiệm đo tốc độ hô hấp ....................................................... 157 ix Hình I.3. Mô hình AHSGMS ..................................................................................... 161 Hình I.4. Diễn biến 1 mẻ trong thí nghiệm SAA ....................................................... 164 Hình I.5. Cửa sổ phần mềm DAQMaster hiển thị dữ liệu từ thí nghiệm.................... 165 Hình I.6. Thí nghiệm TbOD [13] ............................................................................... 170 Hình I.7. Sơ đồ quy trình thí nghiệm xác định các thành phần COD ......................... 172 Hình III.1. Mô hình PNSBR ...................................................................................... 203 Hình III.2. Mô hình AIC ............................................................................................ 203 Hình III.3. Hình ảnh lấy nƣớc rỉ rác cũ tại bãi rát Gò Cát .......................................... 203 Hình III.4. Hình ảnh lấy nƣớc rỉ rác cũ tại bãi rát Gò Cát .......................................... 203 Hình III.5. Bể Aerotak tại Gò Cát .............................................................................. 204 Hình III.6. Tháp tách khí tại Gò Cát .......................................................................... 204 Hình III.7. Bùn từ Gò Cát .......................................................................................... 204 Hình III.8. Bùn sau khi làm giàu AOB ở thí nghiệm 1 .............................................. 204 Hình III.9. Bùn Anammox tải 10 kgN/m3.ngày ......................................................... 205 Hình III.10. Bùn Anammox 8 kgN/m3.ngày .............................................................. 205 Hình III.11. Bùn hạt Anammox 4 cm ........................................................................ 205 Hình III.12. Bùn hạt Anammox 3 cm ........................................................................ 205 Hình III.13. Bùn hạt Anammox 2 cm ........................................................................ 205 Hình III.14. Bùn hạt Anammox 1 cm ........................................................................ 205 Hình III.15. Mô hình hô hấp kế ................................................................................. 206 Hình III.16. Màn hình ghi nhận thí nghiệm hô hấp kế ............................................... 206 Hình III.17. Kết quả thí nghiệm hô hấp kế từ phần mềm Sigma Plot ........................ 207 Hình III.18. Mô hình xác định các thành phần COD ................................................. 207 Hình III.19. Mô hình xác định các thành phần COD đang hoạt động ........................ 207 x DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1. Ảnh hƣởng của pH, nhiệt độ, ammonia tự do và acid nitrous lên quá trình nitrite hóa ..................................................................................................................... 23 Bảng 1.2. Ảnh hƣởng của nồng độ DO lên quá trình nitrite hóa [28] .......................... 26 Bảng 1.3. Mô hình thí nghiệm quá trình nitrite hóa bán phần, SHARON ................... 28 Bảng 1.4. Các nhà máy ứng dụng quá trình nitrite hóa bán phần, SHARON .............. 29 Bảng 1.5. Các thông số vận hành tối ƣu cho quá trình Anammox ............................... 44 Bảng 1.6. Các thiết bị phản ứng Anammox quy mô phòng thí nghiệm ....................... 52 Bảng 1.7. Những hệ thống Anammox quy mô thực tế ................................................. 53 Bảng 1.8. Các nghiên cứu chính ứng dụng quá trình Anammox xử lý nƣớc rỉ rác ...... 55 Bảng 3.1. Thành phần tính chất nƣớc rỉ rác bãi rác Gò Cát (n = 120).......................... 65 Bảng 3.2. Điều kiện vận hành bể PNSBR.................................................................... 66 Bảng 3.3. Thành phần tính chất nƣớc rỉ rác bãi rác Gò Cát (n = 76)............................ 67 Bảng 3.4. Thành phần nƣớc rỉ rác trong thí nghiệm 3.................................................. 70 Bảng 3.5. Điều kiện vận hành mô hình IC qua các giai đoạn ...................................... 71 Bảng 3.6. Các phƣơng pháp phân tích ......................................................................... 72 Bảng 4.1. Tổng hợp nồng độ MLSS, MLVSS, tỷ lệ MLSS/MLVSS trong suốt quá trình thí nghiệm 1 (n=3)............................................................................................... 82 Bảng 4.2. Các thành phần OUR trong thí nghiệm ....................................................... 91 Bảng 4.3. Phần trăm các thành phần OUR trong thí nghiệm ....................................... 92 Bảng 4.4. Kết quả thông số động học vi khuẩn AOB trong mô hình thí nghiệm ......... 92 Bảng 4.5. So sánh với các nghiên cứu khác ................................................................. 94 Bảng 4.6. Thông số thiết kế và vận hành bể PNSBR ................................................... 95 Bảng 4.7. Tổng hợp tỷ lệ TN RR, NO2-N CR và NO3-N PR so với NH4-N CR ở các tải trọng xử lý ................................................................................................................... 98 Bảng 4.8. Nồng độ MLSS và MLVSS qua các tải trọng ............................................ 102 Bảng 4.9. So sánh bùn nổi với bùn lắng tốt ............................................................... 110 Bảng 4.10. Đặc tính bùn hạt phân theo kích thƣớc .................................................... 112 xi Bảng 4.11. Kết quả SAA từ bùn Anammox của mô hình IC .................................... 114 Bảng 4.12. Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới về SAA ..................................... 114 Bảng 4.13. Cộng đồng vi khuẩn chính trong bùn hạt bể Anammox IC...................... 115 Bảng 4.14. Kết quả thí nghiệm các thành phần COD trong nƣớc rỉ rác sau quá trình Anammox .................................................................................................................. 117 Bảng 4.15. Thông số thiết kế và vận hành bể AIC..................................................... 120 Bảng 4.16. Kết quả tính toán nồng độ các thông số ô nhiễm qua từng công đoạn xử lý ................................................................................................................................... 125 Bảng I.1. Thông số vận hành của mô hình SBR nitritee hóa bán phần ...................... 154 Bảng I.2. Thành phần nƣớc nhân tạo ......................................................................... 155 Bảng I.3. Thành phần nƣớc thải nhân tạo (Van de Graaf và cộng sự, 1996) ............. 162 Bảng I.4. Thành phần vi lƣợng (Van de Graaf và cộng sự, 1996).............................. 163 Bảng I.5. Thành phần phản ứng PCR ........................................................................ 174 Bảng I.6. Đầu dò 16S rRNA oligonucleotide đƣợc sử dụng cho FISH ...................... 175 xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Việt Tiếng Anh Bể lọc sinh học kỵ khí ABF Anaerobic biological filter AHSGMS Automatic High Sensitivity Gas Hệ thống đo độ sinh khí tự Metering Systems động với độ nhạy cao AMO Ammonia mono-oxygenase AIC Anammox Internal Circulation Bể Anammox dòng tuần hoàn nội bộ Anammox Anaerobic Amoni Oxidation Oxy hóa amoni kỵ khí AOB Ammonium Oxidation Bacteria Vi khuẩn oxy hóa amoni thành nitrite AOX Adsorbable organic halogens Halogen hữu cơ dễ bị hấp thụ BC Biological Contactor Bể tiếp xúc sinh học BCL Bãi chôn lấp - Nhu cầu oxy sinh học cho 5 ngày BOD5 Biological Oxygen Demand CANON Completely Autotrophic Sự kết hợp giữa Nitrite hóa bán Nitrogen Removal Over Nitrire phần và Anammox trong cùng một thiết bị xử lý nitơ C/N Tỉ lệ các chất dinh dưỡng - COD Chemical Oxygen Demand CSTR continuously Reactor CTCKTS stirred Nhu cầu oxy hóa học tank Bể xáo trộn dòng liên tục. Công ty Cơ khí Thủy sản - CV Constant Viscosity Cao su có độ nhớt ổn định DO Dissolve Oxygen Oxy hòa tan F/M Food/Microorganism Tỷ số thức ăn/vi sinh xiii Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Việt Tiếng Anh FA Free Amoni Khí NH3 FBBR Fixed-bed Biofilm Reactor Bể màng sinh học cố định FISH Fluorescent Hybridization FNA Free Nitrous Acid In Situ Axit Nitrous tự do FeSO4 - Sắt(II) sunfat G0 - Nhiệt động hóa học GLR Gas- lift reactor Bể dạng khí nâng HA High Ammonia Ammonia cao HAR Anammox Hybrid Reactor Bể Anammox kết hợp HGSS Hybrid gas solid separator Thiết bị phân tách rắn khí kết hợp HgCl2 - Thủy ngân (II) clorua HNO2 - Axit nitrơ HRT Hydraulic retention time Thời gian lƣu nƣớc HSBR hybrid sequencing batch reactor bể phản ứng theo mẻ lai hợp IC Internal Circulation Bể dòng tuần hoàn nội bộ ILR The Influent Loading Rate Tải trọng đầu vào KPH - Không phát hiện Ammonia thấp LA Low Ammonium MLE Modified Ludzack Ettinger MLSS Mixed Liquor Suspended Solids Nồng độ chất rắn lơ lửng hòa tan MLVSS Mixed Liquor Suspended Solid Volatile Nồng độ chất rắn lơ lửng bay hơi xiv Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt MSBR Membrane Sequencing Batch Bể phản ứng dạng mẻ kết hợp Reactor màng NLRmax Maximum Nitrogen Loading Tải trọng nitơ đầu vào lớn nhất Rate NO2--N Nitrite Nitrogen Nitrite tính theo nitơ NO3--N Nitrate Nitrogen Nitrate tính theo nitơ NOB Nitrite Oxidation Bacteria Vi khuẩn oxy hóa nitrite thành nitrate Enzym khử Nitrite thành sản phẩm giả thiết là hydroxylamine NR NLR Nitrogen Loading Rate Tải trọng nitơ đầu vào NRR Nitrogen Removal Rate Tải trọng nitơ loại bỏ NRRmax Maximum Nitrogen Removal Tốc độ loại bỏ nitơ lớn nhất Rate NH4+-N Ammonium Nitrogen OLAND Oxygen Limitted Nitrification Kết hợp quá trình nitrite hóa, Autotrophic Denitrification khử nitrite tự dƣỡng giới hạn oxy ORP Oxidation Reduction Potential OUR Amoni tính theo nitơ Điện thế oxy hóa khử Tốc độ tiêu thụ oxy - PNSBR Partial Nitriteation Sequencing Quá trình nitrite hóa bán phần batch reactor trong bể sinh học theo mẻ RO Reverse osmosis Thẩm thấu ngƣợc RBC Rotating Biological Contactor Đĩa quay sinh học RSS Ribbed Smoked Sheets Cao su tờ xông khói xv Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải của bãi chôn lấp chất thải rắn QCVN 25:2009/BTNMT SAA Specific Activity Anammox Hoạt tính Anammox SBR Sequence Batch Reactor Bể phản ứng dạng mẻ SHARON Single reactor system for High Nitrite hóa bán phần trong một activity Amoni Removal Over bể phản ứng Nitrite SNAD Simultaneous partial Quá trình kết hợp Nitrite hóa Nitrification, Anammox and bán phần, Anmmox và Khử Denitrification nitrate Quá trình kết hợp Nitrite hóa bán phần, Anmmox và Khử nitrate SNAP Single Stage Nitrogen Removal Quá trình loại bỏ nitơ kết hợp using Anammox and Partial Nitrite hóa bán phần- Anmmox Nitriteation trong một bể SO42- Sulfat SOUR riêng của Tốc độ tiêu thụ oxy riêng - SRT Sludge Retention Time Thời gian lƣu bùn SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn TAF Total Air flux Tổng lƣợng khí sục TbOD Total Biological Demand TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hoà tan TIC Total inorganic carbon Tổng cacbon vô cơ TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng Nitơ Kjeldahl TN Total Nitrogen Tổng nitơ Oxygen Tổng nhu cầu oxy sinh học xvi bùn Từ viết tắt TNRR Nghĩa Tiếng Việt Tiếng Anh Total Nitrogen Removal Rate Tp.HCM Tốc độ lọai bỏ nitơ tổng Thành phố Hồ Chí Minh - TSC Total Solid Content Tổng hàm lƣợng chất rắn TSS Total Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng UAGSB Upflow Anammox sludge bed granular Bể bùn hạt Anammox dòng hƣớng ngƣợc UASB Upflow blanket UBF Upflow biofilter Bể lọc sinh học dòng hƣớng ngƣợc UF Ultra Filtration Màng vi lọc UFFBB Upflow Reactor VER Volume Exchange Ratio Tỷ lệ giữa thể tích nạp vào với thể tích hoạt động của bể VFA Volatile Fatty Acids Acid béo dễ bay hơi WAS Waste Activated Sludge Tốc độ sản sinh bùn dƣ YX/O anaerobic fixed-bed sludge Bể dạng tầng bùn kỵ khí dòng hƣớng ngƣợc biofilm Bể màng sinh học cố định dòng hƣớng ngƣợc Hệ số sản lƣợng oxy - xvii MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT Chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt là một phƣơng pháp phổ biến, rẻ tiền và dễ dàng nhất trong các phƣơng pháp xử lý chất thải rắn từng đƣợc áp dụng trên toàn thế giới. Chôn lấp hợp vệ sinh là một phƣơng pháp kiểm soát sự phân hủy của chất thải rắn khi chúng đƣợc chôn nén và phủ lấp bề mặt. Nƣớc rỉ từ bãi chôn lấp (còn gọi là nƣớc rỉ rác) là nƣớc bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng dƣới của bãi chôn lấp có khả năng làm nhiễm bẩn nguồn nƣớc ngầm và nƣớc mặt nếu không đƣợc thu gom và xử lý triệt để. Nƣớc rỉ rác sản sinh ra ngay từ khi bãi rác mới vận hành cho đến nhiều thập niên tiếp theo thậm chí khi bãi rác đã đóng cửa. Nƣớc rỉ rác sản sinh ra chủ yếu từ độ ẩm của rác, các dòng thấm chảy qua lớp chất thải đƣợc chôn lấp và hòa tan các chất có trong chất thải vào dòng lỏng. Ở các nƣớc có khí hậu nóng ẩm nhƣ Việt Nam, một yếu tố bất lợi của phƣơng pháp này là sự sinh ra một lƣợng nƣớc rỉ rác rất lớn và tăng nhanh trong quá trình vận hành bãi chôn lấp do các yếu tố bất lợi từ khí hậu đem lại.Cùng với sự phát triển, thành phần và nồng độ các loại chất thải ngày càng gia tăng phức tạp dẫn đến sự tích lũy ngày càng nhiều các thành phần độc hại trong các bãi chôn lấp. Nƣớc rỉ rác là nguy cơ đe dọa ô nhiễm môi trƣờng đất và môi trƣờng nƣớc, đặc biệt là ammonia và các kim loại nặng. Do thành phần rất phức tạp và khả năng gây ô nhiễm cao, nƣớc rỉ rác từ bãi rác đòi hỏi một dây chuyền công nghệ xử lý kết hợp, bao gồm nhiều khâu xử lý nhƣ xử lý sơ bộ, xử lý bậc hai, xử lý bậc ba để đạt tiêu chuẩn thải. Ngoài việc xử lý ô nhiễm hữu cơ thì xử lý ammonia trong nƣớc rỉ rác đang ngày càng trở thành một nhu cầu cấp thiết trong thời gian gần đây tại Việt Nam, cụ thể tại thành phố Hồ Chí Minh với yêu cầu xử lý nƣớc rỉ rác cho 2 bãi rác điển hình Gò Cát và Đông Thạnh. Việc tìm ra các giải pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ nói chung và xử lý ô nhiễm nitơ nói riêng cho nƣớc rỉ rác của 1