Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Xuân Lan NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ SINH HỌC CỦA CÔNG NGHỆ SBR ỨNG DỤNG BÙN HẠT ĐỊNH HƯỚNG TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2026 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Xuân Lan NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ SINH HỌC CỦA CÔNG NGHỆ SBR ỨNG DỤNG BÙN HẠT ĐỊNH HƯỚNG TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 9520320.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Đặng Thị Thanh Huyền 2. Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội - 2026 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố ở bất kỳ nơi nào.

Tác giả luận án Nguyễn Xuân Lan LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Môi trường xanh và tái chế chất thải (GreenLab) và Ban lãnh đạo Khoa Môi trường, thuộc Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi cũng xin có lời cảm ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu và Ban lãnh đạo Khoa Môi trường, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện, hỗ trợ tôi về điều kiện cơ sở vật chất phòng thí nghiệm trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Thị Thanh Huyền và GS.TS Nguyễn Mạnh Khải đã hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Xuân Lan MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC.

i DANH MỤC CÁC TỪ, CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC BẢNG .vii DANH MỤC CÁC HÌNH. viii MỞ ĐẦU. Mục tiêu nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Những đóng góp mới của luận án. Cấu trúc của luận án.

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam. Hiện trạng phát sinh, thành phần và tính chất của nước thải đô thị. Hiện trạng thu gom và xử lý nước thải đô thị.

Hiện trạng tái sử dụng nước thải. Công nghệ xử lý sinh học theo mẻ nối tiếp (SBR) trong xử lý nước thải. Cấu tạo, nguyên lý của công nghệ SBR. Nâng cao hiệu quả xử lý sinh học của SBR qua các dạng sinh khối.

Bùn hoạt tính dạng hạt trong hệ SBR. Quá trình tạo bùn hạt hiếu khí. Các nghiên cứu về bùn hạt hiếu khí trên thế giới. Các nghiên cứu về bùn hạt hiếu khí tại Việt Nam.

Cải tiến bùn hạt với các phụ gia (additives). Phát triển chất mang sinh học dạng hạt trong SBR. Chất mang sinh học (biocarriers). Chất mang PVA gydro gel dùng trong xử lý nước thải.

Đánh giá các hạn chế và đề xuất hướng nghiên cứu. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Nội dung nghiên cứu. Phát triển bùn hạt hiếu khí với phụ gia than sinh học trấu trong hệ AGS-SBR.

Thử nghiệm hạt PVA gel tự tạo làm chất mang sinh học trong hệ PVA- SBR. Tái hoạt hoá bùn hạt lưu trữ lạnh thời gian dài trong hệ AGS-SBR. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp thực nghiệm.

Phát triển bùn hạt hiếu khí với phụ gia than sinh học trấu trong hệ AGS- SBR. Thử nghiệm hạt PVA gel tự tạo làm chất mang sinh học trong hệ PVA- SBR. Tái hoạt hoá bùn hạt lưu trữ lạnh thời gian dài trong hệ AGS-SBR. Phương pháp đánh giá, phân tích.

Các thông số môi trường. Định lượng và các đặc điểm về hình thái, cấu trúc của sinh khối. Các đặc tính cơ học và vật lý của sinh khối. Các đặc tính sinh học của sinh khối.

Các thông số chất lượng nước. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Phát triển bùn hạt hiếu khí với phụ gia than sinh học trấu trong hệ AGS-SBR. Tăng trưởng sinh khối bùn hạt với phụ gia than trấu.

Nồng độ sinh khối (MLSS) và chỉ số thể tích bùn (SVI). Phân bố kích thước hạt bùn. Đặc điểm hình thái, cấu trúc của bùn hạt với phụ gia than trấu. Phát triển hình thái bùn hạt qua kính hiển vi quang học.

Cấu trúc vi mô của bùn hạt qua kính hiển vi điện tử quét. Một số tính chất cơ lý của bùn hạt với phụ gia than trấu. Hoạt tính sinh học của bùn hạt với phụ gia than trấu. Tốc độ tiêu thụ oxy.

Đa dạng vi sinh vật ở cấp độ sinh học phân tử (metagenon). Hiệu quả xử lý nước thải của hệ AGS-SBR theo sự phát triển của bùn hạt. Thử nghiệm hạt PVA gel tự tạo làm chất mang sinh học trong hệ PVA-SBR. Đặc điểm hạt PVA gel được chế tạo.

Thử nghiệm hạt PVA gel tự tạo làm chất mang sinh học. Tái hoạt hóa bùn hạt lưu trữ lạnh thời gian dài trong hệ AGS-SBR. Đặc điểm quá trình tái hoạt hóa của bùn hạt giống trữ lạnh. Hiệu quả xử lý nước thải của hệ AGS-SBR với bùn hạt giống trữ lạnh 113 3.

Đánh giá chung về các sinh khối dạng hạt đã được nghiên cứu. Định hướng tái sử dụng nước sau xử lý. 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 127 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.

128 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 143 iii DANH MỤC CÁC TỪ, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt AGS Aerobic Granular Sludge Bùn hạt hiếu khí AOB Ammonia Oxidizing Bacteria Vi khuẩn oxy hóa amoniac APHA American Public Health Association Hiệp hội Y tế Công cộng Hoa Kỳ AS Activated Sludge Bùn hoạt tính BNR Biological Nutrient Removal Loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học BOD Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học C/N Carbon/Nitrogen Cacbon/Nitơ CAS Conventional Activated Sludge Bùn hoạt tính truyền thống COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học Denitrifying Glycogen Vi sinh vật tích lũy glycogen khử DGAO Accumulating Organisms nitrat DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan Denitrifying Phosphorus Vi sinh vật tích lũy phốt pho khử DPAO Accumulating Organism nitrat DPR Denitrifying Phosphorus Removal Loại bỏ phốt pho khử nitrat Enhanced Biological Phosphorus Loại bỏ phốt pho sinh học tăng EBPR Removal cường Energy Dispersive X-ray EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X. Spectroscopy EPS Extracellular Polymeric Substances Chất polyme ngoại bào GAO Glycogen Accumulating Organisms Vi sinh vật tích lũy Glycogen HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu nước HSP Hydraulic Selection Pressure Áp lực chọn lọc thủy lực Nồng độ chất rắn lơ lửng trong MLSS Mixed liquor suspended sludge hỗn hợp bùn nước NM Nhà máy NOB Nitrite Oxidizing Bacteria Vi khuẩn oxy hóa nitrit ODL Oxygen Diffusion Limitation Giới hạn khuếch tán oxy OHO Ordinary Heterotrophic Organisms Vi sinh vật dị dưỡng thông thường v OLR Organic Loading Rate Tỷ lệ tải hữu cơ OUR Oxygen Uptake Rate Tốc độ tiêu thụ ôxy PAO Phosphorus Accumulating Organism Vi sinh vật tích lũy phốt pho PHA Poly-β-HydroxyAlkanoates Poly-β-HydroxyAlkanoates PVA PolyVinyl Alcohol PolyVinyl Alcohol QCVN Quy chuẩn Việt Nam RBCOD Readily Biodegradable COD COD dễ phân hủy sinh học RHB Rice Husk Biochar Than sinh học vỏ trấu SBR Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng mẻ tuần tự sCOD Solube COD COD hòa tàn SDGs Sustainable Development Goals Các mục tiêu phát triển bền vững SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét Standard Methods for the Các phương pháp chuẩn kiểm tra SMEWW Examination of Water and nước và nước thải Wastewater Simultaneous Nitrification- Quá trình nitrat hóa-khử nitrat SND Denitrification đồng thời Simultaneous Nitrification Quá trình nitrat hóa đồng thời khử SNDPR Denitrification and Phosphorus nitrat và loại bỏ phốt pho Removal Simultaneous Nitrogen and Quá trình loại bỏ đồng thời Nitơ SNPR Phosphorus removal và Phốt pho SP Selection Pressure Áp lực chọn lọc SRT Sludge Retention Time Thời gian lưu bùn (Tuổi bùn) SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn lơ lửng VER Volumetric Exchange Ratio Tỉ lệ trao đổi nước VFA Volatile Fatty Axit Axit béo dễ bay hơi VSV Vi sinh vật VSS Volatile Suspended Solids Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi WWTP Wastewater Treatment Plant Nhà máy xử lý nước thải XLNT Xử lý nước thải vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Nồng độ các thông số theo thiết kế và thực tế vận hành trong nước thải chưa xử lý của các nhà máy XLNT tại Việt Nam.

Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt bùn hiếu khí. So sánh giữa hệ thống bùn hoạt tính và hệ thống bùn hạt hiếu khí. Kết quả các nghiên cứu về bùn hạt hiếu khí ở Việt Nam. Quy trình thực nghiệm (protocol) 5 bước cho nội dung 1.

Tóm tắt thông số thực nghiệm đầu vào của hệ AGS-SBR. Chế độ vận hành hệ AGS-SBR thực hiện nội dung 1. Quy trình thực nghiệm (protocol) 5 bước cho nội dung 2. Các hóa chất dùng để tự chế tạo hạt PVA gel.

Các thông số chất lượng nước thải thật. Thông số vận hành hệ PVA-SBR. Quy trình thực nghiệm (protocol) 4 bước cho nội dung 3. Thông số vận hành hệ AGS-SBR khi tái hoạt hóa hạt bùn.

Các thông số môi trường. Các thông số về lượng, hình thái và cấu trúc sinh khối. Các thông số đặc tính cơ học và vật lý của sinh khối. Các thông số đặc tính sinh học của sinh khối.

Các thông số chất lượng nước. Cơ chế đa chiều của than trấu trong hệ thống AGS-SBR. Một số tính chất cơ lý của bùn hạt than trấu, cuối giai đoạn 1. Một số tính chất cơ lý của bùn hạt than trấu, cuối giai đoạn 2.

Một số chi vi sinh vật phổ biến trong bùn hạt than trấu. Đặc điểm của hạt gel PVA/NaNO3. Đặc điểm của hạt gel PVA/NaNO3 sau khi xử lý nước thải. Đặc điểm của bùn hạt trước và sau lưu trữ.

So sánh đặc tính của hai loại bùn hạt mới phát triển. So sánh hiệu quả xử lý của bùn hạt mới phát triển và bùn hoạt tính thông thường. So sánh tính năng kỹ thuật giữa Bùn hoạt tính truyền thống (CAS) và Bùn hạt hiếu khí (AGS). Yêu cầu về chất lượng nước tái sử dụng cho các mục đích khác nhau 124 Bảng 3.

Định hướng áp dụng các giải pháp công nghệ phục vụ mục đích tái sử dụng khác nhau .125 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.