Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu ứng dụng quá trình nitrite hóa bá

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.TS Nguyễn Phƣớc Dân 2.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,. 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.

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. 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 0.35 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 pre- treated leachate from PNSBR reactor using a high nitrogen loading rate ranging from 2 to 10 kgN/m3/day. High rate removal of nitrogen (9.11 kgN/m3/day) was observed at an influent nitrogen concentration of 1500 mgN/L.

The specific ANAMMOX activity was found to be 0. Analysis of ANAMMOX granules suggested that 0.0 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.

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.

TỔNG QUAN ĐẶC TÍNH NƢỚC RỈ RÁC. Nguồn gốc phát sinh nƣớc rỉ rác. Thành phần và tính chất nƣớc rỉ rác. Thành phần và tính chất nƣớc rỉ rác cũ phát sinh từ bãi rác Gò Cát.

MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN. Quá trình nitrite hóa bán phần, Sharon. Quá trình Anammox.

ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC. NHỮNG TỒN TẠI TRONG XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC TẠI VIỆT NAM. NHỮNG TỒN TẠI TRONG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC TẠI VIỆT NAM 59 2.

ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Quá trình Nitrite hóa bán phần ứng dụng công nghệ SBR.

Quá trình Anammox ứng dụng công nghệ IC. MÔ HÌNH VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM. Làm giàu bùn bể PNSBR (Partial Nitriteation SBR). Đánh giá hiệu quả bể PN SBR.

Đánh giá hiệu quả bể AIC (anammox IC). PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH. Phân tích hóa học. Phƣơng pháp xác định thông số động học của AOB.

Phƣơng pháp xác định hoạt tính bùn anammox (SAA). Phƣơng pháp xác định các thành phần COD. Phƣơng pháp xác định cộng đồng vi khuẩn Anammox. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU.

Tải trọng nitơ (NLR) (kg N/m3. Thời gian lƣu nƣớc (HRT) (ngày). Thời gian lƣu bùn (SRT) (ngày ) [188]. Nồng độ ammonia tự do (FA) (mg/L) [27].

Nồng độ axit nitrous tự do (FNA) (mg/L) [27]. Tính SS và VSS (mg/L). Xử lý số liệu. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

QUÁ TRÌNH NITRITE HÓA BÁN PHẦN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SBR. Giai đoạn làm giàu bùn. Đánh giá hiệu quả mô hình PN-SBR. QUÁ TRÌNH ANAMMOX ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IC.

Đánh giá hiệu quả mô hình AIC. ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC. Sơ đồ công nghệ đề xuất. Tính toán cân bằng vật chất của hệ thống.

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ. Đối với quá trình nitrite hóa bán phần. Đối với quá trình Anammox. 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.

129 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 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. Sự thay đổi của đặc tính nƣớc rỉ rác theo thời gian [6].

Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nƣớc rỉ rác bãi chôn lấp Buckden South [10]. Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 (USEPA) [10]. Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 (USEPA) [10]. Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác kết hợp sinh học và hóa học [10].

Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác kết hợp sinh học và hóa lý [10]. Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác kết hợp sinh học và thẩm thấu ngƣợc [10]. Công nghệ xử lý nƣớc rác của BCL Sudokwon - Hàn Quốc [10]. Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác của Nhật [10].

Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Nam Sơn 1. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Nam Sơn 2. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Nam Sơn 3. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Gò Cát 1.

Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Gò Cát 2. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác Gò Cát 3 .16: Quá trình Anammox thông qua các con đƣờng chuyển hóa [74]. Cơ chế hình thành bùn hạt Anammox [154]. Hệ thống của 02 giai đoạn thí nghiệm loại bỏ nitơ.

Mô hình thí nghiệm PNSBR. Mô hình IC.