Tóm tắt Luận án Nghiên cứu, ứng dụng xử lý amoni trong nước ngầm trên hệ thiết bị sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động - Trịnh Xuân Đức

. 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 dX V .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   m su S .X.S V Y K S     (2-19) (2-19) Hay tốc độ suy giảm cơ chất còn được định nghĩa:   osu o S SQ V 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 dX Q.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 e su p Q .X Q .X Yv k .X V     (2-24) Chia 2 vế cho X ta có: w r e e su p Q .X Q .X Yv k 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: su p c Yv1 k X     (2-26) Kết hợp phương trình (2-18) và (2-19) ta có:   Om su S S S.X.S V 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 mk Y   (2-28) Kết hợp 2-27 và 2-28 ta được: 0 su S S Sk.X.S V 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 S H S   (2-34) O OS S S .H.Qr V     (2-35) n rar k.S (2-36) Khi đó tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng đối với nitrat được tính theo công thức: r U 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 1 U . .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: n rar 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