BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

TRỊNH XUÂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG

NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT

LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ: 9 52 03 20

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI – 2018

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công

nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Trần Đức Hạ

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TSKH. Ngô Quốc Bưu

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ

cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ

.........., ngày … tháng … năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1. SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nhu cầu về nước sạch, đảm bảo vệ sinh luôn là mối

quan tâm hàng đầu và đã trở thành chiến lược của nhiều quốc

gia trong đó có Việt Nam. Hiện nay, ở nước ta mức sống của

người dân đang từng ngày được cải thiện, ý thức về bảo vệ sức

khỏe ngày càng cao, đặc biệt tại các đô thị lớn như thủ đô Hà

Nội. Đây là khu vực có mức độ tập trung dân cư cao thứ hai cả

nước với dân số khoảng 7 triệu người năm 2014. Tuy nhiên

cùng với sự phát triển nhiều mặt của thủ đô, thì vấn đề cấp

nước sạch vẫn chưa thể đáp ứng được cả về mặt số lượng và

chất lượng.

Kết quả khảo sát của Liên đoàn địa chất thủy văn - Địa

chất công trình miền Bắc lại cho thấy hàm lượng ô nhiễm

amoni trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt tiêu chuẩn cho phép

nhiều lần, có những nơi cao gấp 10 - 20 lần.

Sự lo ngại lớn nhất về vấn đề amoni là các sản phẩm

trung gian như hợp chất nitrit và nitrat được hình thành từ

amoni trong quá trình xử lý và sử dụng nước cấp cho ăn uống

và sinh hoạt theo cơ chế sau: Trong quá trình xử lý nước, trong

các bể lọc luôn luôn được hình thành một cách tự nhiên các vi

khuẩn Nitrosomonas. Các vi khuẩn này chuyển hoá một phần

amoni trong nước ngầm thành các sản phẩm trung gian là nitrit.

Nếu có đủ điều kiện, dưới tác dụng của một loại vi khuẩn khác

cũng được hình thành một cách tự nhiên trong bể lọc là

Nitrobacter, các sản phẩm trung gian nitrit tiếp tục được

chuyển hoá thành nitrat. Trong khi chưa đủ cơ sở để đánh giá

2

mức độ và hướng tác hại của amoni lên cơ thể con người thì tác

hại của sản phẩm có nguồn gốc từ amoni là nitrit NO2-, nitrat

NO3- lại được biết rõ. Các chất nitrit NO2

- và nitrat NO3- là các

tác nhân gây nên sự phá hoại hồng cầu ở trẻ em và có thể là tác

nhân gây bệnh ung thư.

Một trong những công nghệ hiếm hoi có thể đáp ứng

các tiêu chí đòi hỏi trên là công nghệ màng vi sinh chuyển

động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR). Đó là công

nghệ sử dụng màng vi sinh bám trên chất mang, chất mang

chuyển động trong nước khi hoạt động. Hiệu quả xử lý của nó

chỉ thấp hơn dạng kỹ thuật lưu thể (fluidized bed reactor), cao

hơn nhiều so với các kỹ thuật khác, bù lại vận hành nó đơn

giản hơn nhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể (đòi hỏi trình độ tự

động hóa cao).

Từ thực tiễn nêu trên, Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng xử

lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu

mang vi sinh chuyển động” được lựa chọn cho luận án tiến sĩ

này.

2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA

LUẬN ÁN

2.1. Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà

Nội với hàm lượng nhỏ hơn 25mg/L (20mgN/L) bằng quá trình

Nitrat hóa (Nitrification) và khử Nitrat (Denitrification) đồng

thời trong thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

(MBBR) với vật liệu mang dạng xốp (DHY) có diện tích bề

mặt cao khoảng 6.000-8.000 m2/m3, độ xốp lớn và trọng lượng

3

nhẹ dễ chuyển động trong nước, trong điều kiện không bổ sung

cơ chất.

- Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý sử dụng vật liệu

mang vi sinh DHY dưới dạng tích hợp bao gồm bể MBBR và

bể lọc tự rửa để xử lý amoni trong nước ngầm đảm bảo tiêu

chuẩn nước sạch cấp cho sinh hoạt và ăn uống với hiệu quả

cao, phù hợp với khả năng đầu tư và điều kiện vận hành ở Việt

Nam.

2.2. Nội dung nghiên cứu

(1) Thu thập số liệu và khảo sát hiện trạng khai thác,

dây chuyền công nghệ xử lý của các nhà máy nước (NMN)

trong vùng Hà Nội để đánh giá tổng quan về chất lượng nước

ngầm, về ô nhiễm amoni và các yếu tố ảnh hưởng như: pH,

nhiệt độ, độ kiềm, chất hữu cơ, phốt pho và đánh giá hiệu quả

xử lý amoni của các dây chuyền hiện nay.

(2) Nghiên cứu tổng quan các phương pháp xử lý

amoni trong nước và thế giới phân tích ưu nhược điểm và đưa

ra các vấn đề còn tồn tại.

(3) Nghiên cứu tổng quan về xử lý amoni bằng phương

pháp vi sinh để hiểu được cơ chế xử lý, các loại vi sinh vật, yếu

tố ảnh hưởng và các mô hình động học phản ứng làm cơ sở lựa

chọn mô hình thí nghiệm, phân tích đánh giá các kết quả thu

được trên mô hình thí nghiệm và mô hình thử nghiệm hiện

trường.

(4) Nghiên cứu tổng quan về màng vi sinh và các công

trình sử dụng kỹ thuật màng vi sinh, đánh giá ưu nhược điểm

của từng loại màng, từng loại công trình từ đó đề xuất vật liệu

4

mang di động sử dụng cho thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni

trong nước ngầm Hà Nội.

(5) Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí

nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục để xác định

các thông số động học như hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1),

hiệu suất sinh khối Y (g SK/g N-NH4+), chỉ số bán bão hòa

amoni Ks (mgN/L), hệ số tiêu thụ cơ chất k (µ/Y). Đánh giá các

yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa: amoni đầu vào, nồng

độ ô xy (DO), mật độ vật liệu mang, số ngăn bể phản ứng.

Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat đồng

thời trong môi trường hiếu khí, ảnh hưởng của nồng độ cơ chất

và xây dựng phương trình thực nghiệm cho tốc độ khử nitrat

riêng (U)

(6) Nghiên cứu thiết kế và xây dựng mô hình tích hợp

dạng modul cho hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh

chuyển động với vật liệu dạng xốp DHY tại hiện trường, chạy

thử để kiểm chứng các thông số động học và xây dựng bộ số

liệu cho việc tính toán thiết kế.

2.3. Phạm vi

Nước ngầm vùng Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+)

với nồng độ nhỏ hơn 25 mg/L (20 mgN/L), bao gồm cả khu

vực đô thị và nông thôn. Ngoài ra cũng có thể áp dụng cho các

NMN ở các vùng khác có nguồn nước bị ô nhiễm amoni bao

gồm cả nước mặt.

2.4. Đối tượng

- Vật liệu mang DHY với tiết diện bề mặt cao 6000-

8000 m2/m3 với quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời

5

trong điều kiện hiếu khí.

- Hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động

(MBBR) tích hợp bể lọc tự rửa (DHK).

2.5. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Tiến hành xây dựng 2 loại mô hình thí nghiệm: Thí

nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục xử lý nitơ amoni với

mẫu nước được mô phỏng từ chất lượng nước ngầm thực tế với

giới hạn nghiên cứu và biến động như sau: Hàm lượng NH4+<

50mgN/L, Nhiệt độ giao động từ 25-30oC, Chất hữu cơ không

đáng kể, Hàm lượng phốt pho giao động từ 0,5-1,5 mg/L, pH:

7,2-8,0, Độ kiềm trong khoảng từ 200-300 mg(CaCO3)/L.

- Thí nghiệm theo mẻ: Đánh giá các ảnh hưởng của

thời gian lưu, mật độ của vật liệu mang, nồng độ ô xi, cơ chất

và số lượng ngăn phản ứng từ đó đưa ra được các thông số tối

ưu cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat.

- Thí nghiệm liên tục: Mô hình được thiết kế trên cơ sở

các thông số đã tìm được từ thí nghiệm theo mẻ để xác định

các thông số động học cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat đối

với vật liệu mang dạng xốp DHY.

- Thiết kế tích hợp bể MBBR và bể lọc tự rửa (DHK)

với công suất 5m3/h vận hành xử lý amoni để kiểm chứng các

thông số động học tìm được trong phòng thí nghiệm tại địa

điểm nghiên cứu hiện trường là NMN Yên Xá,

huyện Thanh Trì.

6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG

NƯỚC NGẦM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG VI SINH

CHUYỂN ĐỘNG

1.1. Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm amoni vùng Hà Nội

Hầu hết nước ngầm Hà nội có hàm lượng sắt trong

khoảng 3-20 mg/L cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn nước

sạch là 0,3 mg/L. Ngoài ra một số khu vực còn có hàm lượng

mangan và chất hữu cơ cao hơn tiêu chuẩn khoảng từ 1-5 lần

so với tiêu chuẩn nước sạch của mangan là 0,3 mg/L và chất

hữu cơ là 2 mg/L. Đặc biệt khu vực phía Nam và Tây Nam

thành phố Hà Nội bị ô nhiễm amoni (NH4+) với hàm lượng rất

cao từ 5-25 mg/l (3,8-20 mgN/L) so với tiêu chuẩn nước sạch

là 3 mg/L (2,3 mgN/L).

Với công nghệ xử lý nước hiện nay của Hà Nội chủ

yếu là chỉ hướng tới việc loại bỏ sắt, mangan trong nước ngầm

với dây chuyền là làm thoáng, lắng tiếp xúc và lọc nhanh trọng

lực. Chất lượng nước sau xử lý đảm bảo quy chuẩn quốc gia

QCVN 01:2009/BYT ngoại trừ chỉ tiêu amoni hầu như không

được xử lý. Theo kết quả khảo sát thì qua dây chuyền xử lý

nước hiện nay thì hàm lượng amoni giảm xuống so với đầu vào

khoảng 10-20% như vậy nước cấp vào thành phố hàm lượng

amoni vẫn trong khoảng 5-20 mg/L (4-18 mgN/L) cao hơn so

với tiêu chuẩn là 3 mg/L (2,3 mgN/L).

1.2. Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học

Quá trình xử lý amoni bằng sinh học có thể thực hiện

theo 3 quá trình chính: (1) truyền thồng là thực hiện thông qua

nitrat hóa (nitrification) và khử nitrat (denitrification); (2)

7

Anammox là quá trình oxy hóa amoni yếm khí trong đó amoni

và nitrit được oxy hóa khử một cách trực tiếp thành khí nitơ;

(3) Sharon là quá trình nitrat hóa một phần, sản phẩm của quá

trình cũng là nitrit và sau đó khử nitrit về dạng khí nitơ là

nguyên tắc xử lý “đi tắt” của quá trình. Đối với việc xử lý theo

quá trình Anammox và Sharon có thể tiết kiệm được khoảng

25% lượng oxy và 40% chất hữu cơ, tuy nhiên các quá trình

này đòi hỏi sự kiểm soát khắt khe và tương đối phức tạp trong

quá trình vận hành. Vì vậy trong luận văn này tập trung nghiên

cứu xử lý amoni theo quá trình truyền thống là nitrat hóa và

khử nitrat về dạng khí nitơ.

1.3. Kỹ thuật màng vi sinh

1.3.1. Vật liệu mang vi sinh

Vật liệu mang DHY làm từ Polyurethan do công ty ...

sản xuất, diện tích bề mặt của vật liệu mang được tính toán dựa

trên kích thước hình học của giá thể và cấu trúc xốp của nó,

chính những lỗ nhỏ li ti bên trong giá thể tạo ra những bề mặt

cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật; cơ chế khuếch

tán và trao đổi chất tương tự như màng sinh học cố định. Do

đó, quá trình chuyển khối trong hệ mang chuyển động cao hơn

so với hệ mang cố định.

Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY làm từ nhựa

polyurethan (PU) có độ rỗng xốp cao từ 92 - 96%, diện tích bề

mặt lớn có thể đạt tới 15.000 m2/m3 vật liệu (thông thường từ

6.000 – 8.000 m2/m3). Do cấu trúc xốp của vật liệu mang nên

nó có trọng lượng riêng rất nhỏ khoảng 33 kg/m3, tính linh

động của giá thể cao, hạn chế được di chuyển của dòng khí O2

8

ra khỏi bể, theo đó giảm được áp lực, thể tích khí yêu cầu cấp

vào bể, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành. Tỷ lệ vật

liệu mang trong bể khoảng 20-30%.

1.3.2. Bể sinh học sử dụng màng vi sinh chuyển động

(MBBR)

Công nghệ màng sinh học là một giải pháp đã được áp

dụng phổ biến ở nhiều nhà máy xử lý nước, như bể lọc sinh

học nhỏ giọt (BF), đĩa quay sinh học (RBC), màng sinh học

ngập nước với các loại vật liệu lọc rất đa dạng. Tỷ lệ vật liệu

mang trong bể rất cao thường là từ 40-100%, nhưng hiệu quá

xử lý amoni của chúng không cao (chỉ đạt khoảng 60-70%),

công trình lớn và dễ bị tắc. Kỹ thuật màng vi sinh chuyển động

(Moving Bed Biofilm Reactor - MBBR). Với công nghệ này nó

đã giải quyết được các vấn đề còn tồn tại trong các bể sinh học

sử dụng màng cố định như giảm được khối tích công trình,

giảm chi phí năng lượng và đặc biệt tăng hiệu quả xử lý amoni

một cách đáng kể khoảng 90-95%.

1.4. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và Quốc tế

Những vấn đề còn tồn tại trong công nghệ xử lý amoni

hiện nay là phải xây dựng nhiều bể để tách các quá trình xử lý,

vật liệu mang sử dụng có tiết diện bề mặt thấp, tỷ trọng lớn,

phải bổ sung cơ chất để khử nitrat hoặc tuần hoàn nước, kiểm

soát nồng độ ô xi chặt chẽ, tiêu tốn năng lượng và quản lý vận

hành phức tạp.

Phương pháp lọc sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi

sinh cho phép tăng mật độ vi sinh trên một đơn vị thể tích với

mức độ có thể cao hơn tới mười lần so với kỹ thuật bùn hoạt

9

tính và vì vậy tăng đáng kể hiệu quả xử lý. Mặt khác, trong

màng vi sinh còn diễn ra quá trình tự chọn lọc và tăng cường

mật độ của loại vi sinh có tốc độ phát triển chậm. Khó khăn về

phương diện vận hành hệ thống xử lý là hạn chế về quá trình

chuyển khối (cung cấp thức ăn cho vi sinh trong màng có độ

dày tới mm) cho vi sinh vật với mật độ cao. Các dạng kỹ thuật

phản ứng tầng lưu thể (fluidized bed), tầng vi sinh chuyển động

(Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR ) được nghiên cứu phát

triển nhằm thúc đẩy quá trình chuyển khối trong hệ xử lý, khắc

phục những hạn chế của các kỹ thuật sử dụng màng vi sinh

khác như lọc nhỏ giọt. đĩa quay sinh học, lọc ngập tầng tĩnh.

Kỹ thuật tầng chuyển động có hiệu quả thấp hơn tầng

lưu thể vì diện tích chất mang thấp hơn nhưng có lợi thế về mặt

vận hành đơn giản, thích hợp với qui mô xử lý vùa và nhỏ ở

Việt Nam. Kỹ thuật vận hành hệ xử lý tầng lưu thể đồi hỏi trình

độ tự động hóa rất cao.

Vì vậy, hướng nghiên cứu tiếp theo là phải tích hợp

được các quá trình xử lý sinh học trên vật liệu mang vi sinh

phù hợp, tích hợp được các bể xử lý dưới dạng modul.

10

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Với phạm vi nghiên cứu là nước ngầm Hà Nội.

Với đối tượng nghiên cứu là hệ thiết bị xử lý amoni sử

dụng vật liệu mang di động DHY, tích hợp với bể lọc tự rửa.

Thiết bị này được lắp đặt phía sau bể lọc nhanh hiện có của nhà

máy nước Yên Xá (nước sau lọc và chưa được khử trùng bằng

clo hoạt tính). Công suất của pilot hiện trường là 5m3/h. Các

quá trình nitrat hóa và khử nitrat bên trong vật liệu mang trong

điều kiện hiếu khí, xác định các thông số động học, thông số

tính toán thông quá hệ thí nghiệm theo mẻ và liên tục trong

điều kiện phòng thí nghiệm. Triển khai thiết kế và chạy thử

pilot hiện trường để kiểm chứng kết quả và đề xuất bộ thông số

tính toán, thiết kế hệ thiết bị xử lý amoni cho nước ngầm.

Thiết kế và chạy thử pilot hiện trường để kiểm chứng

kết quả và đề xuất thông số tính toán, thiết kế bể sinh học

MBBR xử lý amoni dạng modul.

2.2. Xác định các thông số động học

2.2.1. Quá trình nitrat hóa

Để thiết kế một hệ thống xử lý nước theo mô hình động

học thì phải biết các giá trị cả các hằng số động học.

Các giá trị đặc trưng cho quá trình động học gồm hệ số

tiêu thụ cơ chất k (µ/Y), chỉ số bán bão hòa Ks, hằng số phân

hủy nội sinh kp chỉ có thể được xác định được từ thực nghiệm

đối với một hệ thí nghiệm cụ thể.

Hệ thí nghiệm là một bình phản ứng chứa nồng độ vi

11

sinh X, được khuấy trộn đều hoạt động liên tục (trong đó tốc độ

dòng vào bằng dòng ra. Nồng độ cơ chất ở dòng vào là S0, tại

đầu ra là S. Nồng độ vi sinh tại đầu vào là X0 (g/l) , đầu ra là

Xe (g/l).

Cơ chất được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp tế bào,

còn một phần tham gia phản ứng sinh hóa để tạo ra năng lượng,

số lượng tế bào vi sinh tạo thành tương ứng với sự hao hụt của

cơ chất trong hệ. Khi đó tốc độ sinh trưởng tế bào Vg(g/l.d)

được định nghĩa và có dạng:

g

dXV .X

dt (2-16) (2-16)

Trong đó µ (1/d) là hệ số tương quan đặc trưng cho

từng chủng loại vi sinh vật hay là hằng số phát triển riêng. Gọi

vsu là tốc độ suy giảm cơ chất khi đó:

vg = -Y.vsu (2-17) (2-17)

Trong đó Y là hiệu suất sinh khối mang ý nghĩa là khi

tiêu hao một lượng cơ chất sẽ sinh ra được một lượng sinh khối

nào đó (g/g), dấu (-) chỉ hai quá trình ngược nhau.

Tuy nhiên nhu cầu vật chất để vi sinh vật phát triển phù

hợp với biểu thức (2-17) rất ít khi được thỏa mãn. Khi nhu cầu

chính không đáp ứng được thì tốc độ sinh trưởng sẽ giảm. Mức

độ suy giảm được quy về cho sự biên đổi giá trị hằng số phát

triển riêng, vì vậy theo động học Monod, µ được tính toán như

sau:

max

S

S.K S

(2-18) (2-18)

Kết hợp 2 phương trình (2-16), (2-17) và (2-18) ta có:

12

msu

S

.X.SV

Y K S

(2-19) (2-19)

Hay tốc độ suy giảm cơ chất còn được định nghĩa:

osu o

S SQV S S

V

(2-20)

Sử dụng một hệ thí nghiệm liên tục khuấy trộn, khi đó

thời gian lưu tế bào được định nghĩa:

c

w r e e

V.X

Q .X Q .X

(2-21) (2-21)

Trong đó:

Qw: Lưu lượng dòng hỗn hợp nước-bùn về bể bùn

Qe: Lượng thoát ra khỏi bể phản ứng

V: Thể tích bể phản ứng

X, Xe, Xr: Mật độ vi sinh lần lượt trong bể phản ứng,

tại dòng ra, và dòng thải.

Khi đó phương trình cân bằng chất mô tả biến động

của mật độ sinh khối và của nồng độ cơ chất được viết như sau:

'o w r e e g

dXQ.X Q .X Q .X V.v

dt (2-22)

Trong đó:

Q: Lưu lượng đầu vào bằng Qe

X0: Nồng độ vi sinh ở dòng vào

v,g: Tốc độ tăng trưởng sinh khối thực

v,g = vg + vp = -Yvsu – kp.X (2-23) (2-23)

V: Thể tích khối phản ứng

Trong trạng thái vận hành ổn định với mật độ vi sinh

X, mật độ vi sinh không thay đổi theo thời gian dX/dt =0. Nồng

độ X0 tại dòng vào thường rất nhỏ nên X0=0.

13

Từ phương trình (2-22) và (2-23) ta có:

w r e esu p

Q .X Q .XYv k .X

V

(2-24)

Chia 2 vế cho X ta có:

w r e e sup

Q .X Q .X Yvk

V.X X

(2-25)

Vế trái của phương trình là đại lượng nghịch đảo của

tuổi bùn khi đó (2-24) được viết lại:

sup

c

Yv1k

X

(2-26)

Kết hợp phương trình (2-18) và (2-19) ta có:

Om

su

S

S S.X.SV

Y K S

(2-27)

Trong đó hệ số tiêu thụ cơ chất riêng k mang ý nghĩa là

khả năng tiêu thụ cơ chất trên một đơn vị sinh khối hình thành

mkY

(2-28)

Kết hợp 2-27 và 2-28 ta được:

0su

S

S Sk.X.SV

K S

(2-29)

Chia cả 2 vế cho X ta có

o

S

S Sk.S

K S .X

(2-30)

Tuyến tính hóa (2-30) bằng cách nghịch đảo:

S

o

K.X 1

S S k.S k

(2-31)

Nếu coi vế trái (2-31) là hàm số, 1/S là biến số thì thu

được phương trình đường thẳng có độ dốc ( là Ks/S và đoạn cắt

14

trục tung là 1/k) từ đó tính ra k, Ks.

Giá trị kp và Y được xác định như sau: Sử dụng mối

quan hệ của biểu thức (2-26) và đặt 1/ là hàm số, vsu/X là

biến số, từ đó xác định được Y và kp.

2.2.2. Quá trình khử nitrat

Do quá trình khử nitrat là quá trình thiếu khí dị dưỡng,

vì thế khi thực nghiệm để tính toán các thông số động học là sử

dụng cho quá trình tiêu hao chất hữu cơ, vì nó là yếu tố khống

chế quá trình khử nitrat. Mô hình động học xây dựng để mô tả

khử nitrat bao gồm mô hình Monod và các mô hình kinh

nghiệm.

Tốc độ phản ứng khử nitrat có thể thể hiện như sau:

U = k (2-32)

U = k.X (2-33)

Trong đó k là hằng số tốc độ phản ứng, X là nồng độ vi

sinh.

Với kỹ thuật phản ứng dòng liên tục, hiệu suất khử

nitrat và tốc độ phản ứng được tính từ thực nghiệm theo công

thức:

O

O

S SH

S

(2-34)

O OS S S .H.Qr

V

(2-35)

nrar k.S (2-36)

Khi đó tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng đối với nitrat được

tính theo công thức:

rU

X (2-37)

15

r/X mang ý nghĩa là tốc độ tiêu thụ cơ chất tính theo

một đơn vị khối lượng (nồng độ) vi sinh được gọi là tốc độ khử

nitrat riêng U.

Khi đó phương trình (2-37) được viết như sau:

o oS S S Sr QU .

X .X V X

(2-38)

Trong đó thời gian lưu tế bào được tính theo công thức

(2-21), do Xe bằng 0 khi đó phương trình (2-21) được viết lại

như sau:

c

w r r

V.X X.

Q .X X (2-39)

Khi đó thời lưu thủy lực được viết như sau:

c r.X

X

(2-40)

Kết hợp phương trình (2-38) và (2-40) khi đó tốc độ

khử nitrat riêng được viết lại theo công thức sau:

o o

c r r c

S S S S 1U .

.X X

(2-41)

Có thể thấy mối quan hệ ràng buộc giữa hoạt tính vi

sinh và tốc độ suy giảm cơ chất riêng: vi sinh có tốc độ phát

triển nhanh thì khả năng xử lý chất ô nhiễm tốt. Trên cơ sở mối

quan hệ trên có thể sử dụng đại lượng thời gian lưu tế bào ( )

để kiểm soát quá trình xử lý mà không cần xác định nồng độ

sinh khối hữu hiệu hoặc lượng cơ chất đã được sử dụng bởi vi

sinh vật.

Nếu biểu diễn phương trình U = f(c) khi đó phương

trình được tính toán theo bậc, biểu diễn phương trình U = f(c)

thành U = k.c-n, vẽ phương trình theo số liệu thực nghiệm với

16

y = U, x = c từ đó xác định được hệ số tốc độ phản ứng k và

bậc phản ứng n.

2.3. Vật liệu mang vi sinh DHY

Vật liệu mang vi sinh DHY do Công ty Cổ phần Xây

dựng và Môi trường Việt Nam (VINSE) sản xuất được lựa

chọn để tiến thành thí nghiệm. DHY có kích thước 1cm x 1cm

x 1cm và tiến hành thí nghiệm xác định thông số kỹ thuật của

DHY khi vật liệu mang chưa có vi sinh gồm: Khối lượng riêng

thực, khối lượng riêng biểu kiến, độ xốp, thể tích xốp, diện tích

bề mặt.

2.4. Mô hình trong phòng thí nghiệm

2.4.1 Sơ đồ thí nghiệm theo mẻ

Thí nghiệm được lắp

đặt theo kỹ thuật phản ứng

theo mẻ với bình phản ứng

hình hộp chữ nhật thể tích 36

lít. Vật liệu mang cho vào

bình phản ứng đã được nuôi

cấy vi sinh với mật độ ổn

định. Hệ thống cấp khí được

đặt 2 bên thành bình gần đáy

với các quả sục đá, khí được cấp vào nhờ một máy nén khí để

duy trì sự chuyển động của vật liệu mang và cung cấp oxy cho

quá trình nitrat hóa. Mục đích của thí nghiệm theo mẻ gồm ảnh

hưởng của nồng độ amoni đầu vào lên tốc độ phản ứng, khảo

sát mật độ vật liệu mang tới tốc độ nitrat hóa, khảo sát ảnh

hưởng của nồng độ ô xi, khảo sát ảnh hưởng của cơ chất.

Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí

nghiệm theo mẻ

17

Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như hình 2.1, tùy mục

đích thí nghiệm sẽ thay đổi mật độ vật liệu mang chứa vi sinh

từ 5%-30% và nồng độ N-NH4+ đầu vào khác nhau từ 10

mgN/L đến 50 mgN/L.

2.4.2. Sơ đồ thí nghiệm liên tục

Khi ghép nhiều bể phản ứng liên tục khuấy trộn đều

với nhau thì tổ hợp của chúng tiệm cận tính năng của dòng đẩy

lý tưởng. Thí nghiệm dòng liên tục với mục đích xác định các

thông số động học của các hệ thống xử lý nước. Các thí nghiệm

với dòng liên tục được bố trí

với các mô hình gồm: 1 bình

phản ứng, 2 bình phản ứng và

3 bình phản ứng nối tiếp nhau.

Các thông số động học được

tính toán qua các thí nghiệm.

Các bình phản ứng hình trụ có

thể tích 5 lít, được bổ sung vật

liệu mang vi sinh tương

đương 20% dung tích bể và

được ghép nối tiếp nhau. Sơ

đồ thí nghiệm được bố trí như

các hình từ 2.2 đến 2.4 sẽ

được thí nghiệm với nồng độ

amoni đầu vào thay giao động

từ 10-50 mgN/L và độ kiềm,

phốt pho luôn đảm bảo.

Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm

liên tục 1 bình phản ứng

Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm 2

bình nối tiếp

Hình 2.4.Sơ đồ thí nghiệm 3

bình nối tiếp

18

2.5. Mô hình pilot MBBR thực tế

2.5.1. Vị trí lắp đặt Pilot

Căn cứ vào kết quả các thông số động học đã xác định

được từ mô hình trong phòng thí nghiệm để tính toán thiết kế

pilot MBBR công suất 5 m3/h.

Nhà máy nước sạch Yên Xá – Huyện Thanh Trì với

công suất thiết kế 6.000 m3/ngđ cung cấp nhu cầu nước sạch

cho nhân dân Yên Xá với 4 giếng khai thác nước ngầm. Pilot

sẽ được lắp đặt sau dây chuyền xử lý sắt hiện có. Nước sau bể

lọc được dẫn vào hệ thiết bị xử lý amoni trước khi được khử

trùng.

2.5.2. Vận hành pilot và lấy mẫu pilot

Sau khi lắp đặt pilot, kiểm tra các thiết bị cho tiến hành

chạy thử pilot trong điều kiện vận hành liên tục 24/24 giờ, cấp

khí đảm bảo sự khuấy trộn hoàn toàn trong ngăn hiếu khí. Điều

chỉnh lưu lượng tăng dần từ 1-5m3/h trong thời gian 1 tháng,

sau đó cho vận hành liên tục 3 tháng với lưu lượng thiết kế và

lấy mẫu sau xử lý hàng ngày để kiểm tra các chỉ số amoni,

nitrit, nitrat, độ kiềm.

19

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Vật liệu mang vi sinh

Thông số cơ sở của VLM

Vật liệu mang dạng xốp DHY được sản xuất từ nhựa

polyuretan với 5 mẫu được lựa chọm M1, M2, M3, M4, M5 lần

lượt có tỷ lệ chất phụ gia CaCO3 là 0%, 5%, 10%, 15%, 20%

và kết quả lần lượt là khối lượng riêng biểu kiến

0.021-0.027 g/mL; khối lượng riêng thực 0.203-0.283 g/mL, độ

xốp 92,7-93,8%; diện tích bề mặt 6000-8000 m2/m3.

3.2. Xác định các thông số động học

3.2.1. Quá trình nitrat hóa

Tốc độ nitrat hóa

Kết quả k và n tìm được trong bảng 3.5a thay vào

phương trình 2-6: nrar k.S với giá trị amoni đầu ra theo QCVN

là 3mg/L (2,3mgN/L) sẽ xác định được giá trị tốc độ nitrat hóa

trung bình là 16,25 mgN/L.h quy đổi về tải lượng xử lý amoni

theo 20% vật liệu mang vi sinh trung bình là 1950,00

gN/m3.VLM.ngày.

Tính toán hệ số tiêu thụ cơ chất k và chỉ số bán bão

hòa Ks từ thực nghiệm

Từ bảng 3.7 kết quả tính toán k và Ks có thể thấy, hệ

số tiêu thụ cơ chất tăng khi nồng độ N-NH4+ đầu vào giảm, giá

trị k từ 0,4-0,6. Với chỉ số bán bão hòa Ks cũng dao động ổn

định quanh giá trị trung bình là 1. Chỉ số bán bão hòa Ks trong

khoảng từ 0,92-1,13 là phù hợp với các nghiên cứu

Xác định hiệu suất sinh khối Y và hệ số phân hủy nội

sinh kp

20

Từ biểu đồ tính toán được hiệu suất sinh khối Y và hệ

số phân hủy nội kp, có thể có một vài nhận xét về sự hình thành

sinh khối như sau: khi nồng độ amoni càng tăng hiệu suất sinh

khối có su thế giảm tuy nhiên các giá trị dao động trong

khoảng hẹp 0.1-0.38. Giá trị kp thấp thể hiện khả năng duy trì

hoạt tính cao của vi sinh vật trong hệ xử lý dao động trong

khoảng 0.01-0.04.

3.2.2 Xác định phương trình tốc độ khử nitrat riêng (U)

đồng thời trong hệ bể hiếu khí

Từ bảng 3.11 có thể lựa chọn k và n giá trị trung bình

theo biểu đồ hồi quy số liệu cho phương trình thực nghiệm tính

toán tốc độ khử nitrat riêng U = k.c-n . Giá trị k trong khoảng

0,04-0,48 và n trong khoảng 0,6-1,08.

3.3. Mô hình pilot MBBR thực tế

- Thiết kế pilot MBBR chạy thử tại Yên Xá để kiểm

chứng lại thông số động học đại diện đã chọn và kết quả cho

thấy có sự tương đồng giữa kết quả mô hình phòng thí nghiệm

và pilot thực tế. Các thông số động học được lựa chọn cụ thể

như sau:

- Thông số động học quá trình nitrat hóa

Bảng 3.24. Thông số động học đặc trưng quá trình nitrat hóa

Thông số

Giá trị

Khoảng Đại diện

Hiệu suất sinh khối Y (gSK/gNH4+-N) 0.1 – 0.38 0.25

Hệ số tiêu thụ cơ chất riêng k (d-1) 0.41 – 0.61 0.55 Chỉ số bán bão hòa Ks, NH4+ (gN/m3) 0.92 – 1.13 1.00 Hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1) 0.01 – 0.04 0.035

21

- Phương trình thực nghiệm tốc độ khử nitrat riêng

trong điều kiện hiếu khí và sử dụng cơ chất từ phân hủy nội

sinh

Bảng 3.25. Hệ số động học đặc trưng quá trình khử nitrat riêng

Thông số Giá trị

Khoảng Đại diện

Hệ số k 0,04 - 0,48 0,4

Hệ số n 0,6-1,08 0,6

Công thức tính toán tốc độ khử nitrat riêng: U=0,4.c-0,6

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

1. Một nghiên cứu về công nghệ MBBR với vật liệu

mang vi sinh có độ xốp và diện tích bề mặt cao ứng dụng cho

xử lý amoni trong nước ngầm vùng Hà Nội đã khẳng định quá

trình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng môi trường hiếu khí

vẫn đạt hiệu quả cao về xử amoni và cho thấy được hiệu quả

ứng dụng trong thực tế để giải quyết vấn đề ô nhiễm amoni

trong nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt của nhân dân thủ đô

đảm bảo quy chuẩn cho phép (QCVN01:2009/BYT).

2. Luận án cũng chứng minh được quá trình khử nitrat

đã được thực trong màng vi sinh với cơ chất là quá trình phân

hủy nội sinh đảm bảo hiệu suất khử nitrat khoảng 30% mà

không cần bổ sung cơ chất từ bên ngoài.

3. Kết quả chạy thử pilot hệ thiết bị xử lý amoni với

22

công suất thiết kế 5m3/h được thiết kế tích hợp bể MBBR với

bể lọc tự rửa DHK sử dụng vật liệu lọc cát thạnh anh cỡ hạt

0,7-1,2 mm, nồng độ amoni đầu vào 20 mgN/L, thời gian lưu

thủy lực 2 giờ trong điều kiện hiếu khí và không cần bổ sung

cơ chất mà vẫn đảm bảo việc xử lý amoni về tiêu chuẩn cho

phép.

4. Luận án này đã đưa ra bộ thông số tính toán và thiết

kế hệ thiết bị xử lý amoni cho việc tách loại amoni trong nước

ngầm Hà Nội đó là công nghệ màng vi sinh chuyển động với

giá thể DHY có diện tích bề mặt cao khoảng

6.000- 8.000 m2/m3, trọng lượng khoảng 20-50 kg/m3, mật độ

vật liệu mang là 20% theo thể tích bể. Với một thiết kế tích hợp

bể MBBR với bể lọc tự rửa DHK đã làm cho công trình xử lý

amoni chỉ còn một khối công trình thay vì 4 khối công trình

như công nghệ truyền thống (bể nitrat hóa, bể khử nitrat, bể sục

khí tăng cường và bể lọc).

KIẾN NGHỊ

1. Giới hạn nghiên cứu của luận án là xử lý nước

ngầm ô nhiễm amoni với nồng độ nhỏ hơn 25mg/L (20

mgN/L) trong điều kiện không bổ sung cơ chất cho quá trình

khử nitrat. Vì vậy cần tiếp tục nghiên cứu bổ sung cơ chất và

tuần hoàn nước để tăng tốc độ khử nitrat nhằm xử lý nước ô

nhiễm amoni với nồng độ cao hơn.

2. Tiếp tục nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni

với việc sử dụng các quy trình mới như Anammox hoặc Sharon

để tăng hiệu quả xử lý và tiếp kiệm năng lượng.

23

3. Tiếp tục nghiên cứu phát triển vật liệu mang dạng

xốp để tăng độ bền cơ học và tăng khả năng ngậm nước.

4. Kiến nghị sử dụng các kết quả nghiên cứu của luận

án làm tiền đề cho việc nghiên cứu và ứng dụng xử lý ô nhiễm

amoni trong nước ngầm Hà Nội đảm bảo tiêu chuẩn

QCVN01:2009/BYT về chỉ tiêu amoni, nitrit và nitrat cấp nước

sạch cho nhân dân thủ đô và mở rộng cho các địa phương khác

tại Việt Nam.

ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY có tiết diện bề

mặt cao cho phép tích hợp quá trình nitrat hóa và khử nitrat

trong cùng một bể xử lý, ngay tại ngăn hiếu khí của bể.

- Quá trình khử nitrat mà không cần bổ sung cơ chất

bên ngoài, sử dụng cơ chất từ phân hủy nội sinh.

- Thiết kế tích hợp bể MBBR với bể lọc tự rửa dưới

dạng modul để loại bỏ amoni trong nước ngầm Hà Nội.

24

CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA

TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Trịnh Xuân Đức, Lê Anh Tuấn, Đoàn Mạnh Hùng,

Trần Việt Dũng. Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp

màng vi sinh chuyển động - Moving Bed Biofilm Reactor

(MBBR).Tạp chí cấp thoát nước Việt Nam, số 6 (87).

T10/2012.

2. Trịnh Xuân Đức, Trần Việt Dũng. Xử lý nước thải

sinh hoạt bằng công nghệ xử lý sinh học ngắt quãng. Tạp chí

cấp thoát nước Việt Nam, số 5 (86). T82012.

3. Trịnh Xuân Đức, Lê Anh Tuấn, Đoàn Mạnh Hùng,

Đào Như Ý, Nguyễn Thị Thanh Hòa, Phan Thị Phương Thảo,

Nguyễn Văn Hoàng. Xử lý đồng thời chất hữu cơ (BOD5) và

amoni-nitơ (NH4+-N) trong nước thải sinh hoạt nghiên cứu cho

thành phô Đà Lạt sử dụng công nghệ màng vi sinh chuyển

động.Tạp chí Cấp thoát nước Việt Nam, số 1+2 (99+100),

T1+3/2015.

4. D.X. Trinh, A.T. Le, H.M Doan Manh, H.T.T.

Nguyen, H. D. Pham & B.V. La (Vietnam), 2014. Study on N-

NH4+ removal from Undergroundwater by MBBR case study in

Bach Khoa Ward - Hanoi, Vietnam. Sustainable water and

sanitation services for all in a fast changing world,

Construction Publishing House. HaNoi, 2014,pp:855 – 860.

5. Trinh Xuan Duc, Tran Duc Ha, Le Anh Tuan,

Nguyen Thi Thanh Hoa and Nguyen Thi Viet Ha (VietNam),

2016.Application of the simultaneous process of Nitrification

and Denitrification by using Moving Bed Biofilm Reactor for

groundwater treatment in Ha Noi. The 12th International

Symposium on Southeast Asian Water Environment

(SEAWE2016). Hanoi, Vietnam, November 28-30, 2016.