ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----o0o----

NGUYỄN HỮU ĐẠT

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ
TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG
CÔNG NGHỆ AO SỬ DỤNG GIÁ THỂ PVA GEL

CHUYÊN NGÀNH

:

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MÃ NGÀNH

:

60 85 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐH QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Tiến Khôi

………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trần Thị Mỹ Diệu
………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Xuân Dương
………………………………………………………………………………………
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
15 tháng 08 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Bùi Xuân Thành
2. TS. Trần Thị Mỹ Diệu
3. TS. Nguyễn Xuân Dương
4. TS. Nguyễn Như Sang
5. TS. Nguyễn Nhật Huy
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:NGUYỄN HỮU ĐẠT


MSHV: 12250605

Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1989

Nơi sinh: Tp. HCM

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

Mã số : 60 85 06

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi
heo bằng công nghệ AO sử dụng giá thể PVA gel.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Thiết kế mô hình xử lý nitơ bằng công nghệ AO sử dụng giá thể PVA gel.
- Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nitơ hàm lượng cao trong nước thải chăn
nuôi heo ở các tải trọng khác nhau bằng công nghệ AO sử dụng giá thể PVA gel. .
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:TS. TRẦN TIẾN KHÔI
Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO


(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc của mình đến thầy
TS.Trần Tiến khôi đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất
về mọi mặt cho tôi thực hiện tốt đề tài này.
Tiếp đến tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Môi trường và
Tài nguyên – Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình
truyền đạt kiến thức, những kinh nghiệm quý báu cho Tôi trong suốt thời gian
học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn đến các Anh, Chị, các bạn, cùng các em sinh viên làm
việc tại phòng thí nghiệm khoa Mơi trường – Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã
giúp đỡ và tạo điều kiện để tơi có thể thực hiện tốt luận văn này.
Cuối cùng, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và
những người bạn đã động viên, giúp đỡ và cùng tôi bước trên những chặng
đường học tập đã qua.
Một lần nữa xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả.
Nguyễn Hữu Đạt

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

i



TÓM TẮT
Nghiên cứu tập trung đánh giá khả năng xử lý nitơ hàm lượng cao của nước thải
chăn nuôi heo bằng công nghệ AO sử dụng giá thể PVA gel. Nghiên cứu đã
được tiến hành với nồng độ nitơ trong nước thải đầu vào duy trì trong khoảng
487.51  53.55 mg/L, pH được duy trì ở 7.5 – 8.0, độ kiềm trong nước thải đầu
vào dao động trong khoảng 1640 – 2280 mgCaCO3/L, tỷ lệ COD:N = 6:1, lưu
lượng nước qua hệ thống được điều chỉnh ở các mức 2.5; 5; 10; 15 L/ngày,
tương đương với thời gian lưu nước trong bể MBBR hiếu khí giảm dần từ
76.8; 38.4; 19.2; 12.8 h; thời gian lưu nước trong bể MBBR thiếu khí là 38.4;
19.2; 9.6; 6.4 h. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất chủn hố ammonium
(ACE) của mơ hình ở 4 tải trọng khảo sát đạt được khá cao (trên 97% với hầu
hết các tải trọng) trong khi đó, hiệu suất loại bỏ tối đa (NRE) đạt được lên đến
96.81% (tương ứng với tải trọng dòng vào 0.58 kgN/m3.ngày; lưu lượng 5
L/ngày; thời gian lưu nước tại bể hiếu khí là 38.4 h và bể thiếu khí là 19.2 h).
Khi đánh giá quá trình chuyển hoá nito trong hệ thống mơ hình, kết quả
khảo sát cho thấy tải trọng 1.259  0.158 kgN/m3.ngày, tương ứng
HRThiếu khí là 19.2 h, HRTthiếu khí là 9.6 h là tải trọng giới hạn của mơ hình.
Đây cũng là tải trọng tối ưu mà mơ hình có thể xử lý được TN có trong nước
thải chăn nuôi heo mà TN đầu ra của nước thải sau xử lý đạt
QCVN62-MT:2016/BTNMT (TN < 50 mg/l). Nghiên cứu cũng đã phân tích
được mật độ vi sinh vật dính bám là 5.83*1010 tế bào VSV/Lhạt trên giá thể
PVA hiếu khí và 2.69*1011 tế bào VSV/Lhạt trên giá thể PVA thiếu khí (theo
phân tích của Kuraray) nhưng chưa phân định được tỉ lệ nhóm vi sinh vật nitrate
hố và khử nitrate hố dính bám trên giá thể.
TỪ KHĨA: Nước thải chăn ni heo, MBBR thiếu khí, MBBR hiếu khí,
PVA gel,….

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605


ii


ABSTRACT
This research aimed at investigating the ability of high concentration of nitrogen
in swine wastewater removal by anoxic and aerobic Moving bed bioreactor
(MBBR) with PVA-gel. Concentration of total nitrogen in wastewater was
487.51  53.55 mg/L, pH was maintained at 7.5 – 8.0, alkality was 1640 – 2280
mgCaCO3/L and ratio of COD:N was maintained at 6:1, when inlet flowrate
was changed from 2.5; 5; 10; 15 L/day, the Hydraulic retention time (HRT) of
aerobic MBBR tank was ranged from 76.8; 38.4; 19.2; 12.8 h; HRT of anoxic
MBBR tank was 38.4; 19.2; 9.6; 6.4 h. The result showed that the Ammonium
conversion efficiency (ACE) at 04 period of operation was rather high (over
97%) while the maximum Nitrogen removal efficiency (NRE) achieved 96.81%
(corresponding to the inlet loading rate was 0.58 kgN/m3.day; flowrate was 5
L/day; HRTaerobic was 38.4 h and HRTanoxic was maintained at 19.2 h). When
considering with the metabolism of nitrogen inside the model system, the
optimum inlet loading rate was 1.259  0.158 kgN/m3.day, corresponding to
HRTaerobic was 19.2 h, HRTanixic was 9.6 h. At this operating mode, the outlet
concentration of total nitrogen was lower than the standard QCVN 62MT:2016/BTNMT (TN < 50 mg/L). Furthermore, the total of microorganism
was also analyzed. The result showed that total of microorganism attached on
PVAaerobic gel was 5.83*1010 cells/Lbean and 2.69*1011 cells/Lbean on PVAanoxic
(due to Kuraray analysis).
KEYWORDS: swine wastewater, MBBR anoxic, MBBR aerobic, PVA
gel…

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605


iii


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập -Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU ĐẠT

MSHV: 12250605

Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1989

Nơi sinh: Tỉnh Thừa Thiên – Huế

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

Mã số : 60 85 06

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải chăn
nuôi heo bằng công nghệ AO sử dụng giá thể PVA gel.
Cán bộ hướng dẫn: TS. TRẦN TIẾN KHƠI
Ngày bắt đầu 11/01/2016
Ngày hồn thành 17/06/2016
Tôi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu, kết quả nêu trong Luận án này trung
thực và chưa ai khác cơng bố trong bất kì cơng trình nào khác
Tp. HCM, ngày … tháng … năm 2016

Nguyễn Hữu Đạt


Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. I
TÓM TẮT ........................................................................................................ II
ABSTRACT .................................................................................................. III
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................IV
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................IX
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................XI
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................... 1
1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................ 1
1.2.MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ..................................................................... 2
1.3.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................ 2
1.4.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................... 2
1.5.Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ..................... 3
1.6.TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................... 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN............................................................................ 5
2.1.TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ NITƠ ................................................. 5
2.1.1. Các trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải ................................... 5
2.1.2.1. Nguồn nước thải sinh hoạt ................................................................... 8
2.1.2.2. Nguồn nước thải công nghiệp .............................................................. 9
2.1.2.3. Nguồn thải từ nông nghiệp và chăn nuôi ........................................... 10
2.1.2. Tác hại của nitơ đối với con người và môi trường ............................ 11
2.1.3. Các phương pháp sinh học xử lý nitơ ................................................ 12
2.1.3.1. Phương pháp sinh học xử lý nitơ truyền thống .................................. 12

2.1.3.2. Công nghệ dựa trên q trình nitrite hóa – khử nitrite ....................... 18
2.1.3.3. Cơng nghệ dựa trên q trình anammox ............................................ 20
2.2. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG DO CHẤT THẢI CHĂN
NUÔI HEO VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ ................................................ 25
2.2.1. Đặc điểm nguồn thải từ chăn nuôi heo .............................................. 25
2.2.1.1. Những yếu tố ảnh hưởng tới thành phần và khối lượng chất thải 25
2.2.1.2. Khối lượng chất thải ........................................................................... 25
2.2.1.3. Thành phần chất thải rắn .................................................................... 26
Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

v


2.2.2. Thành phần và tính chất nước thải chăn ni heo ............................. 29
2.2.3. Ơ nhiễm mơi trường nước do các nguồn phát thải từ chăn ni heo 31
2.3.TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ MBBR ................................................... 33
2.3.1. Giới thiệu công nghệ MBBR ............................................................. 33
2.3.2. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBBR ................................ 35
2.3.2.1. Ưu điểm .............................................................................................. 35
2.3.2.2. Nhược điểm ........................................................................................ 36
2.3.3. Các nghiên cứu ứng dụng khác nhau của công nghệ MBBR ............ 36
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 39
GIỚI THIỆU .................................................................................................. 39
3.1. VẬT LIỆU ............................................................................................... 39
3.1.1.Mô hình thí nghiệm ............................................................................ 39
3.1.2. Vật liệu đệm ....................................................................................... 42
3.1.3.Nước thải ............................................................................................ 47
3.1.4.Bùn ...................................................................................................... 47
3.1.5. Nước cất ............................................................................................. 48

3.1.6. Các hố chất khác sử dụng trong phân tích ....................................... 48
3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 48
3.2.1.Phương pháp tổng hợp tài liệu ............................................................ 48
3.2.2.Phương pháp thực nghiệm .................................................................. 48
3.2.2.1.Nuôi cấy bùn ....................................................................................... 48
3.2.2.2.Các nội dung nghiên cứu chính ........................................................... 49
3.2.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu ............................................ 52
3.2.4. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ............................................. 54
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 58
4.1.KẾT QUẢ KHẢO SÁT THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT NƯỚC
THẢI .............................................................................................................. 58
4.2.GIAI ĐOẠN HOẠT ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA MƠ HÌNH ................... 61
4.4.1. Khảo sát khả năng xử lý COD của hệ thống mơ hình ....................... 61

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

vi


4.4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của tải trọng đầu vào đến hiệu quả loại bỏ nitơ
(NRE) ........................................................................................................... 62
4.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng đầu vào đến khả năng chuyển hoá sinh
học

............................................................................................................. 68

4.4.4. Khảo sát hiệu suất chuyển hóa ammonium (ACE) (%); Hiệu suất khử
nitơ tổng (NRE) (%); Tải trọng nitơ bị khử (NRR) (kg-N/m3.ngày); Tải trọng
ammonium chuyển hóa (ACLR) (kg-N/m3.ngày) ....................................... 73

4.4.5. Đánh giá sinh khối bùn tạo thành ...................................................... 79
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 85
PHỤ LỤC ...........................................................................................................
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..............................................................................

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt (Lê Văn Cát, 2007)
............................................................................................................................ 9
Bảng 2.2: Nồng độ đặc trưng ô nhiễm nitơ tổng (total nitrogen – TN) thường
tìm thấy trong một số loại nước thải công nghiệp (Lê Văn Cát, 2007) .......... 10
Bảng 2.3: Khối lượng phân và nước tiểu thải ra trong một ngày ................... 26
Bảng 2.4: Thành phần hóa học của phân heo từ 70 kg đến 100 kg ................ 27
Bảng 2.5: Thành phần hóa học của nước tiểu heo từ 70 kg đến 100 kg ........ 28
Bảng 2.6: Tính chất nước thải chăn ni heo ................................................. 30
Bảng 2.7: Bảng phân tích mẫu nước một số trang trại heo quốc doanh và gia
đình .................................................................................................................. 32
Bảng 2.8: Kết quả phân tích vi sinh mẫu nước giếng của các hộ gia đình .... 33
Bảng 3.1: Thông số một số loại giá thể thông dụng sử dụng trong công nghệ
MBBR ............................................................................................................. 42
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của giá thể sinh học PVA gel ........................... 46
Bảng 3.3: Thành phần nước thải chăn nuôi heo ............................................. 47
Bảng 3.4: Bảng thống kệ các phương pháp phân tích .................................... 52

Bảng 4.1: Thống kê thành phần, tính chất nước thải đầu vào ........................ 59
Bảng 4.2: Thống kê kết quả nghiên cứu xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao
bằng phương pháp MBBR .............................................................................. 67
Bảng 4.3: Bảng tổng hợp số liệu tải trọng nitơ bị khử theo 4 lưu lượng khảo sát
.......................................................................................................................... 79
Bảng 4.4: Thống kê sinh khối vi sinh vật hoạt động trong hệ thống mơ hình 81

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Chu trình nitơ trong nước ................................................................. 6
Hình 2.2: Cơ chế chuyển hóa ammonium ở vi khuẩn Nitrosomonas europaea
.......................................................................................................................... 13
Hình 2.3: Cơ chế chuyển hóa của vi khuẩn khử nitrate ................................. 16
Hình 2.4: Hệ thống xử lý nitơ truyền thống: nitrate hóa và khử nitrate hóa ... 18
Hình 2.5: Mơ hình xử lý nitơ bằng SHARON ............................................... 19
Hình 2.6: Sơ đồ thể hiện nhu cầu tiêu thụ O2 và Carbon (methanol) (J.W.
Mulder, 2007) .................................................................................................. 20
Hình 2.7: Quá trình khử nitơ truyền thống và quá trình anammox ................ 21
Hình 2.8: Mơ hình Sharon – Anammox ......................................................... 24
Hình 2.9: Sự tiêu tụ và phát thải nitơ của heo ................................................ 27
Hình 2.10: Quá trình xử lý của bể MBBR ..................................................... 36
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí mơ hình nghiên cứu .................................................... 41
Hình 3.2: Hệ thống mơ hình thí nghiệm trong thực tế ................................... 43
Hình 3.3: Ảnh chụp về mặt dưới kính hiển vi điện tử ................................... 48
Hình 3.4: Vi khuẩn phân bố dày đặc về phía trung hạt PVA gel ................... 48

Hình 3.5: Sơ đồ tóm tắt các nội dung nghiên cứu .......................................... 53
Hình 4.1: Đồ thị khảo sát sự hiệu quả xử lý COD của hệ thống mô hình nghiên
cứu ................................................................................................................... 63
Hình 4.2: Đồ thị khảo sát hiệu suất xử lý TN của hệ thống mơ hình ............. 65
Hình 4.4: Đồ thị thể hiện sự biến động của các thành phần nitơ qua hệ thống
mơ hình theo tải trọng đầu vào ........................................................................ 71
Hình 4.5: Đồ thị thể hiện hiệu suất chuyển hóa ammonium (ACE) (%); Hiệu
suất khử nitơ tổng (NRE) (%) ......................................................................... 75
Hình 4.6: Đồ thị thể hiện hiệu suất chuyển hóa ammonium (ACE) (%); tải trọng
ammonium chuyển hố (ACLR) (kgN/m3.day) .............................................. 77
Hình 4.7: Đồ thị thể hiện hiệu suất khử nitơ tổng (NRE) (%) và tải trọng nitơ
bị khử (NRR) (kgN/m3.ngày) .......................................................................... 78
Hình 4.8: Đồ thị thể hiện tương quan giữa hiệu suất khử nitơ tổng (NRE) (%)
và hiệu suất chuyển hoá ammonium (ACE) (%) ............................................ 80
Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

ix


Hình 4.9: (a), (b) hạt PVA thiếu khí trước và sau khi sử dụng ...................... 82
(c), (d) hạt PVA hiếu khí trước và sau khi sử dụng ........................................ 82

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A
AOB

ACLR

ACE

ANAMMOX
ANOXIC

Ammonia oxidizing bacteria
Vi khuẩn oxi hóa ammonium
Ammonium conversion loading rate
Tải trọng ammonium chuyển hóa
Ammonium conversion efficiency
Hiệu suất chủn hóa ammonium
Anaerobic ammonium oxidation
Q trình oxy hóa ammonium kỵ khí
Q trình thiếu khí
B

BOD5
BTNMT

Biochemical oxygen demand
Nhu cầu oxy sinh học
Bộ tài nguyên môi trường
C, D

CANON

COD
DEMON
DO

Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite
Chemical oxygen demand
Nhu cầu oxy hóa học
Denitrifying Ammonium Oxidation
Dissolved Oxygen
Nồng độ oxy hòa tan
E, F

EBR, FBR

US EPA

Expanded and Fluidized bed reactor
Bể phản ứng lớp vật liệu giãn
Environmental Protection Agency
Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ
H, M, N

HRT

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

Hydraulic retention time
Thời gian lưu nước
xi



HTXLNT
MBBR

Hệ thống xử lý nước thải
Moving Bed Biological Reactor
Bể phản ứng sinh học giá thể di động

MLSS

Mixed liquor suspended solid

MLVSS

Mixed liquor volatile suspended solid

NOB

Vi khuẩn oxy hoá nitrite

NTCNH

Nước thải chăn nuôi heo

NRE

NRR

Nitrogen removal efficiency

Hiệu suất khử nitơ tổng
Nitrogen removal loading rate
Tải trọng nitơ bị khử
O, P, Q, R

OLAND

Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification

ONMT

Ơ nhiễm mơi trường

PVA

Polivinyl Alcohol

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

RBC

Rotating biological contactor
Bể tiếp xúc sinh học quay
S, T, U

SHARON

SNAP


SS

SRT

SNAD

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

Single reactor system for High-rate Ammonium Removal
Over Nitrite
Single-stage Nitrogen removal using Anammox and
Partial nitritation
Suspended Solid
Chất rắn lơ lửng
Solid retention time
Thời gian lưu bùn
Simultaneous partial Nitrification Anammox and
Denitrification

xii


TN

TOC

TP


TS

UASB

Total nitrogen
Nito tổng
Total organic carbon
Tổng carbon hữu cơ
Total phosphate
Photpho tổng
Total solid
Tổng chất rắn
Upflow anaerobic sludge blanket
Bể xử lý sinh học dịng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí
V

VFA

VOC

VSS

Volatile Fatty Acids
Axit béo dễ bay hơi
Volatile organic compounds
Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
Volatile Suspended Solid
Chất rắn dễ bay hơi

VSV


Vi sinh vật

VLĐ

Vật liệu đệm

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

xiii


Luận văn cao học

Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nitơ là một nguyên tố quan trọng của sự sống. Nito tồn tại trong môi trường
−
nước dưới dạng N-NH3, N-NH4+ , N-NO−
2 , N-NO3 , nito hữu cơ… Nếu nito dưới dạng

nitrite và nitrate tồn tại với hàm lượng lớn trong nguồn nước sẽ gây ra các vấn đề môi
trường như hiện tượng phú nhưỡng hóa và dẫn tới gây độc cho các hệ sinh thái thủy
sinh cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu sử dụng nguồn nước nhiễm
nitơ này. Do đó, yêu cầu xử lý thành phần nitơ đạt quy chuẩn trước khi xả thải là một
yếu tố bắt buộc hiện nay.
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội các ngành công nghiệp, nông
nghiệp, dịch vụ,.... đã phát sinh ra nhiều nguồn thải có chứa hàm lượng nitơ cao như
các ngành cơng nghiệp cao su, chế biến thủy sản, chăn nuôi, nước rỉ rác, nước thải

sau bể phân hủy bùn,... thậm chí có những nguồn nước thải sinh hoạt đôi khi cũng
chứa một hàm lượng nitơ khơng nhỏ. Bên cạnh đó, cơng nghệ sinh học xử lý nitơ
truyền thống (Nitrate hóa – Khử nitrate) còn bộc lộ nhiều vấn đề như hiệu quả chưa
cao đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao; phương pháp sinh học sử dụng bùn hoạt
tính thông thường địi hỏi diện tích khu xử lý lớn, thời gian lưu của nước thải kéo dài,
chi phí đầu tư lớn. Hiện nay cũng có nhiều nghiên cứu sử dụng cơng nghệ SNAP
(Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial) để xử lý nitơ đáp ứng
được các tiêu chí trên như xử lý được nước thải có hàm lượng nitơ cao, tải trọng xử
lý cao, tiết kiệm chi phí đầu tư, vận hành,... tuy nhiên kiểm sốt q trình cịn gặp
nhiều khó khăn nên chưa thể sử dụng rộng rãi trong thực tế. Do đó xử lý nitơ bằng
cơng nghệ bể phản ứng sinh học giá thể di động (Moving Bed BioReactor – MBBR)
với các loại giá thể mới có tải trọng xử lý cao là một trong những hướng đi phù hợp
hiện nay do q trình vận hành khơng q phức tạp và địi hỏi trình độ chun mơn
của người vận hành cao.

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

1


Luận văn cao học
Nước thải chăn nuôi với đặc điểm có hàm lượng hữu cơ và ammonia cao do đó
cần có một cơng nghệ xử lý mới phù hợp hơn nhằm đảm bảo các yêu cầu kinh tế lẫn
kỹ thuật nói chung và xử lý nitơ nói riêng.

Vì lẽ đó, đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải
chăn nuôi heo bằng công nghệ AO sử dụng giá thể PVA” được tiến hành, nhằm
mang lại một giải pháp mới cho vấn đề xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi heo
hiện nay.


1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý nitơ hàm lượng cao của nước thải chăn
nuôi heo bằng công nghệ AO sử dụng giá thể Polyvinyl alcohol - PVA.

1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào nước thải chăn nuôi heo với nồng độ nitơ cao trên hệ
thống mơ hình MBBR thiếu khí và MBBR hiếu khí kết hợp được thiết lập trong phịng
thí nghiệm.

Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào đánh giá khả năng xử lý hàm lượng nitơ cao trong
nước thải chăn ni heo trên hệ thống mơ hình MBBR thiếu khí và MBBR hiếu khí
kết hợp được thiết lập trong phịng thí nghiệm. Vật liệu đệm được sử dụng trong mơ
hình là giá thể PVA gel. Nghiên cứu chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
cũng như chưa khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn bùn, mật độ vi sinh,… đến
hiệu quả loại bỏ.

1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu bao gồm:


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

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

2



Luận văn cao học


Khảo sát thành phần, tính chất của nước thải đầu vào.



Vận hành mơ hình thí nghiệm và kiểm sốt các ́u tố pH, nồng độ oxy hồ tan

(Dissolved oxygen – DO), thời gian lưu nước (Hydraulic retention time – HRT), tỉ lệ
hồi lưu nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý.


Khảo sát khả năng xử lý COD của hệ thống mơ hình



Tăng tải trọng nitơ bằng cách thay đổi lưu lượng đầu vào, qua đó thay đổi thời

gian lưu nước (HRT) để đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ của mơ hình.


Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng đầu vào đến khả năng chuyển hoá sinh học.



Khảo sát hiệu suất chuyển hoá ammonium (ACE), hiệu suất khử nitơ tổng

(NRE), tải trọng ammonium chuyển hoá (ACLR) và tải trọng nitơ bị khử (NRR).


1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ở Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ MBBR sử dụng giá thể PVA vào xử lý
nước thải có nồng độ nitơ cao cịn rất hạn chế. Do đó kết quả nghiên cứu sẽ góp phần
hiểu rõ hơn về khả năng thích nghi và hiệu quả xử lý nitơ của các nhóm vi khuẩn
nitrate hóa và khử nitrate dính bám trên hạt PVA đối với nước thải ngành chăn ni
heo có nồng độ nitơ cao. Từ đó tìm ra các điều kiện tốt nhất cho việc thiết kế, vận
hành hệ thống xử lý nước thải chăn ni heo nói riêng và hệ thống xử lý nước thải có
nồng độ nitơ cao nói chung (nước thải lò mổ gia súc – gia cầm, nước thải ngành chế
biến cao su, nước thải các xí nghiệp chế biến thủy sản, nước thải nhà máy chế biến
tinh bột sắn…) bằng cơng nghệ MBBR hiếu khí – thiếu khí kết hợp sử dụng giá thể
PVA.

1.6. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Trên thế giới giá thể PVA kỵ khí đã được nghiên cứu, phát triển cách đây khá
lâu và cũng đã có nhiều cải tiến ngày càng phù hợp, hiệu quả hơn cho ngành xử lý
nước thải. Trước đây giá thể PVA được ứng dụng chủ yếu trong quy trình xử lý kỵ
khí, tuy nhiên với sự cải tiến về đặc tính cơ học, vật lý hạt PVA đã có thể được sử

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

3


Luận văn cao học
dụng rộng rãi hơn trong các quy trình thiếu khí và hiếu khí để tăng cường tải trọng
xử lý cho các công nghệ xử lý sinh học truyền thống. Do mới được phát triển trong
thời gian một vài năm trở lại đây nên hiện tại trên thế giới cũng như tại Việt Nam
cũng chưa có nhiều nghiên cứu sử dụng giá thể PVA cho các quy trình xử lý hiếu khí

và thiếu khí để có thể phổ biến và ứng dụng vào thực tế sao cho hiệu quả. Vì vậy đề
tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi heo
bằng công nghệ AO sử dụng giá thể PVA” sẽ góp phần làm sơ sở đánh giá cho
việc đưa hạt PVA vào ứng dụng trong thực tế trong ngành xử lý nước thải nói
chung và nước thải chăn ni heo nói riêng tại Việt Nam.

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

4


Luận văn cao học

Chương 2: TỔNG QUAN
Chương này tổng hợp các tài liệu có liên quan về nitơ bao gồm: trạng thái tồn
tại của nitơ, nguồn phát thải nitơ vào môi trường và những tác động của nitơ tới môi
trường và sức khoẻ con người nhằm đánh giá rõ nét hơn về vấn đề phát thải nước thải
chứa hàm lượng nitơ cao trong giai đoạn hiện nay và đặt ra mục tiêu xử lý hiệu quả
những nguồn nước thải này. Nghiên cứu cũng tiến hành tổng hợp tài liệu liên quan
về nước thải chăn nuôi heo và các vấn đề mơi trường phát sinh, đặc biệt là nước thải
có chứa hàm lượng nitơ cao, là đối tượng chính cần quan tâm, và các giải pháp nhằm
xử lý thiệt để thành phần nitơ trong nước thải. Đồng thời tìm hiểu thơng tin về công
nghệ MBBR như cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vật liệu đệm được sử dụng và hệ vi
sinh vật tồn tại trong hệ thống… Thơng qua q trình tìm hiểu những nghiên cứu
trong nước và quốc tế về xử lý nitơ trong nước thải bằng công nghệ MBBR, làm cơ
sở khoa học lựa chọn phương pháp nghiên cứu, vật liệu đệm cũng như các phương
pháp nuôi cấy, vận hành thí nghiệm.

2.1. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ NITƠ

2.1.1. Các trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải
Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất vơ cơ, hữu cơ
hịa tan hay khơng hịa tan. Các hợp chất vô cơ quan trọng của nitơ là N-NH3, N−
NH4+ , N-NO−
2 , N-NO3 . Chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá

trình sinh hố.
Nitơ dạng khí có được chủ ́u là sự kh́ch tán từ ngồi khơng khí vào hay cịn
có thể được hình thành trong q trình phản nitrate hóa. Các dạng hợp chất vơ cơ hịa
tan có được là do q trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng
albumine và dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ tiếp tục phân hủy thành
ammonia (N-NH3) và sau đó ammonia sẽ hịa tan vào nước tạo ra ammonium NNH4+ .

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

5


Luận văn cao học

Sơng, suối, nước mưa, nước thải có
chứa Nitrate và Ammoniac
Cố định đạm
NO2

N2O

N2
Vi khuẩn


NO3

Sinh trưởng

Thực vật phù du
Sinh trưởng
NO2

Động vật phù du

Nitrate hóa
Bài tiết

Cá

N2O
NH4

Mảnh vụn
́m khí

Bùn đáy

Hình 2.1: Chu trình nitơ trong nước
Nitrite (N-NO−
2 ) là sản phẩm trung gian của q trình oxy hố ammonia hoặc
nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrite
hình thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter oxy hố thành nitrate.
Các q trình nitrite và nitrat hố diễn ra theo phản ứng bậc I:

NH4+

kn

NO2-

km

NO3- (2.1)

Trong đó: kn và km là các hằng số tốc độ nitrite và nitrate hố.
Các phương trình phản ứng của q trình nitrite và nitrate hoá được biểu diễn
như sau:

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

6


Luận văn cao học
NH4+ + 1.5O2

Nitrosomonas

NO2- + 0.5O2
NH4+ + 2O2

NO2- + H2O + 2H+ (2.2)


Nitrobacter

NO3-

(2.3)

NO3- + H2O + 2H+(2.4)

Quá trình nitrate hoá cần 4.57 gO2 cho 1 gN-NH4+. Các loại vi khuẩn
Nitrosomonas và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện nhiệt
độ từ 20 - 30OC.
Nitrite là hợp chất khơng bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử
nitrate trong điều kiện ́m khí.
Ngồi ra, nitrite cịn có nguồn gốc từ nước thải q trình cơng nghiệp điện hố.
Trong trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nồng độ nitrite, nitrate thường rất thấp
(< 0.02 mg/L). Nếu nồng độ ammonia, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao, quá trình
nitrite hoá diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn. Trong quá
trình xử lý nước, nitrite trong nước sẽ tăng lên đột ngột.
Nitrate (N-NO−
3 ) là dạng hợp chất vơ cơ của nitơ có hố trị cao nhất và có nguồn
gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm,
hoá chất,... chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ.
Nitrate hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khống hố các chất hữu cơ
chứa nitơ. Q trình nitrate hố cịn tạo nên sự tích lũy oxy trong hợp chất nitơ cho
các q trình oxy hố sinh hố các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hoà tan trong
nước rất ít hoặc bị hết.
Khi thiếu oxy, quá trình nitrate hố sẽ xảy ra q trình ngược lại: tách oxy khỏi
nitrate và nitrite để sử dụng lại trong các q trình oxy hố các chất hữu cơ khác. Quá
trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrate hố (vi khuẩn ́m khí tuỳ tiện).
Trong điều kiện khơng có oxy tự do mà mơi trường vẫn cịn carbon hữu cơ, một số loại

vi khuẩn khử nitrate hoặc nitrite để lấy oxy cho q trình oxy hố các chất hữu cơ. Quá
trình khử nitrate được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

5CO2 + 2N2 + 2H2O (2.5)

7


Luận văn cao học
Trong q trình phản nitrate hố, 1.0 g nitơ sẽ giải phóng 1.71 gO2 (khử nitrite)
và 2.85 gO2 (khử nitrate).
Hầu hết đạm N-NO−
3 được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quá
trình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đó bị lắng tụ ở bùn đáy. Đạm chứa
trong tảo bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác. Hai quá trình
yếm khí là cố định nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đó
q trình khử nitrate hầu như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sông hay đất ngập
nước.
Các chất đạm hữu cơ trong môi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật,
động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hòa tan.
2.1.2. Nguồn phát sinh nitơ
2.1.2.1. Nguồn nước thải sinh hoạt
Cơ thể con người chỉ hấp thu một phần nitơ trong khẩu phần thức ăn, đa phần
nitơ cịn lại được bài tiết ra bên ngồi (phân, nước tiểu, mồ hôi). Do vậy nguồn nước
thải sinh hoạt: tắm giặt, về sinh, nước rửa chế biến thức ăn, nhà hàng khách sạn, dịch
vụ công cộng, trường học, khu vui chơi,…thường được thải bỏ trực tiếp hoặc đã qua

các bể tự hoại vào hệ thống kênh rạch dưới dạng ammonia, protein, peptit, axit amin
cũng như các thành phần khác trong chất rắn và lỏng. Đặc trưng nhất là ammonia, nó
chiếm khoảng 60 – 80% tổng nitơ có trong nước thải sinh hoạt, nitrite và nitrate có
hàm lượng thấp do oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp. Hàm lượng ammonia
trong nước thải sinh hoạt cao hơn tiêu chuẩn xả thải QCVN 14:2008/BTNMT cột A
là 3 – 10 lần, được thể hiện trong bảng 2.1.
Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng nguồn
thải: mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các dịch vụ công cộng, thời
tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt,…

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

8


Luận văn cao học
Bảng 2.1: Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt [3]
Nồng độ
Thành phần

Đơn vị

QCVN

Khoảng

Đặc trưng

14:2008/BTNMT

Cột A

Chất rắn

mg/L

350 – 12000

700

550

Cặn

mg/L

100 – 350

210

50

BOD

mg/L

110 – 400

210


30

COD

mg/L

250 – 1000

500

-

Nitơ tổng (N)

mg/L

20 – 85

35

-

N-NH4

mg/L

12 – 50

22


5

không

tan

2.1.2.2. Nguồn nước thải công nghiệp
Ơ nhiễm nitơ từ sản xuất cơng nghiệp có thể nhắc tới các ngành chế biến thực
phẩm, thủy sản, các ngành chăn nuôi, giết mổ, thuộc gia, chế biến thức ăn cho gia
súc, các ngành liên quan tới nông nghiệp: chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, sản
xuất phân bón,… Ngồi các ngành đặc trưng trên, cịn có các ngành sản xuất hóa
chất, chế biến bơ sữa, phomat cũng tạo ra một lượng nitơ đáng kể.
Hợp chất chứa nitơ nhanh chóng được tiết ra từ các thành phần rắn vào nước
với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán, nhiệt độ môi trường và loại sản phẩm chế
biến.
Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến động rất mạnh,
không chỉ trong mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến
thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm.

Nguyễn Hữu Đạt
MSHV: 12250605

9