Xử lý ammonium trong nước thải giết mổ bằng việc sử dụng kết hợp quá trình nitrit hóa một phần/anammox - Lê Công Nhất Phương

TẠP CHÍ SINH HỌC, 2012, 34(3SE): 105-110 105 XỬ LÝ AMMONIUM TRONG NƯỚC THẢI GIẾT MỔ BẰNG VIỆC SỬ DỤNG KẾT HỢP QUÁ TRÌNH NITRIT HÓA MỘT PHẦN/ANAMMOX Lê Công Nhất Phương(*), Lê Thị Cẩm Huyền, Nguyễn Huỳnh Tấn Long Viện Sinh học nhiệt đới, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, (*)vshnd@yahoo.com TÓM TẮT: Nước thải chứa một lượng lớn nitơ chưa qua xử lý mà xả thải trực tiếp ra các nguồn nước tiếp nhận sẽ gây tác động xấu đến môi trường nước. Công nghệ dựa vào sự kết hợp quá trình nitrit hóa một phần và Anammox đang được phát triển và nghiên cứu ứng dụng để xử lý N-NH4 trong nước thải. Nghiên cứu xử lý ammonium nước thải giết mổ bằng quá trình nitrit hóa một phần/anammox trong một bể phản ứng, sử dụng giá thể poly acrylic và sợi bông tắm. Kết quả cho thấy mô hình hoạt động hiệu quả với hiệu suất xử lý đạt 92% ở tải trọng 0,04 kgN-NH4/m3.ngày và 87,8% ở tải trọng 0,14 kgN-NH4/m3.ngày. Từ khóa: Anammox, Nitrosomonas, giá thể, nitrit hóa, nước thải giết mổ. MỞ ĐẦU Các hệ thống xử lý nitơ trong nước thải cho đến nay chủ yếu dựa vào quá trình nitrat hóa/khử nitrat hóa được đánh giá là có hiệu quả và chi phí thấp. Công nghệ xử lý nitơ truyền thống này không thích hợp xử lý nước thải có nồng độ ammonium cao, đồng thời cần tiêu thụ một lượng carbon hữu cơ. Quá trình nitrat hóa (tự dưỡng hiếu khí): NH4+  NH2OH  NO2-  NO3-. Quá trình khử nitrat (dị dưỡng thiếu khí): NO3-  NO2-  NO  N2O  N2. Sự phát hiện phản ứng anammox mở một hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới. Quá trình này có thể sử dụng để xử lý nước sau ép bùn, nước thải công nghiệp chế biến thủy hải sản, nước thải chăn nuôi heo, nước thải các lò mổ gia súc gia cầm, nước thải chế biến thực phẩm và nước thải thuộc da... Công nghệ này đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới và Việt Nam cũng được triển khai nghiên cứu ứng dụng trong những năm gần đây. Công nghệ xử lý ammonium khi ứng dụng vi khuẩn Anammox thì phải tiến hành thông qua hai bước. Bước thứ nhất, ammonium được oxy hóa một phần thành hydroxyamin hoặc nitrit với oxy là chất nhận điện tử (tự dưỡng hiếu khí). Bước thứ hai, hydroxyamin hoặc nitrit với vai trò là chất nhận điện tử sẽ phản ứng với lượng ammonium còn lại để tạo nên khí nitơ (tự dưỡng kỵ khí). Kết hợp hai quá trình này gọi là quá trình nitrit hóa một phần/anammox [3] (hình 1). Hình 1. Chu trình chuyển hóa các hợp chất nitơ N2 Nitơ hữu cơ NH4+ NH2OH NO2- NO N2O N2H4 NO3- Nitrat hóa Khử nitrat Cố định đạm đồng hóa Nitrit hóa Anammox Pha khí pha lỏng Le Cong Nhat Phuong, Le Thi Cam Huyen, Nguyen Huynh Tan Long 106 Việc kết hợp 2 loại vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí của quá trình nitrit hóa một phần/anammox trong cùng một bể phản ứng là một thử thách về mặt công nghệ. Trong quá trình hoạt động chung như vậy, hai nhóm vi khuẩn trên đã tạo nên một lớp bông bùn mà bên trong là những nhóm vi khuẩn kỵ khí. Ưu điểm của cách này là vừa tiết kiệm được năng lượng sục khí, vừa ít tốn mặt bằng (hình 2). Hình 2. Lớp màng sinh học trong quá trình Canon [1] Trong nghiên cứu này, công nghệ nitrit hóa/anammox được sử dụng trong cùng một bể phản ứng, thử nghiệm 2 loại giá thể dính bám poly acrylic và sợi bông tắm để nghiên cứu khả năng xử lý ammonium trong nước thải giết mổ. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Nước thải đầu vào của mô hình thí nghiệm được thu sau quá trình xử lý yếm khí của một cơ sở lò mổ có tính chất như bảng 1. Sinh khối Anammox và Nitrosomonas sử dụng 5 lít (SS = 8000 mg/L) được cung cấp từ đề tài nghiên cứu của Lê Công Nhất Phương (2008) [4]. Mô hình thí nghiệm được vận hành trên hai loại giá thể để vi sinh vật bám dính, sinh trưởng và phát triển là sợi poly acrylic và sợi bông tắm (hình 3). Bảng 1. Đặc trưng của nước thải giết mổ sau xử lý kỵ khí STT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị 1 N-NH4 mg/L 60,4-128,4 2 N-NO2 mg/L 0-0,1 3 N-NO3 mg/L 0-1,1 4 COD mg/L 114,4 - 201 5 pH 7-8,4 6 Nhiệt độ oC 28-30 7 Tổng Photpho mg/L 0,5-5,6 Sợi poly acrylic Sợi bông tắm Hình 3. Giá thể sử dụng trong thí nghiệm TẠP CHÍ SINH HỌC, 2012, 34(3SE): 105-110 107 Thiết bị phản ứng có dạng hình hộp chữ nhật phía trên để hở gồm 2 ngăn: ngăn phản ứng có kích thước dài × rộng × cao tương ứng là 350 × 150 × 300 mm (thể tích hữu dụng 15 lít) và ngăn lắng 150 × 100 × 300 mm (thể tích hữu dụng 4,4 lít). Tại ngăn phản ứng, giá thể được sắp đặt để tạo điều kiện cho vi khuẩn dính bám. Hình 4. Mô hình thí nghiệm Vận hành mô hình Nước thải được bơm định lượng cấp liên tục vào ngăn phản ứng. Mô hình xử lý được cấp khí thông qua bơm khí từ đáy ngăn phản ứng cung cấp oxi cho vi khuẩn hoạt động. Nước thải đầu vào sẽ đi từ đầu ngăn phản ứng ở phía đáy, di chuyển đến cuối ngăn phản ứng và chảy qua ngăn lắng từ phía trên, tiếp tục đi lên phía trên ngăn lắng và chảy qua miệng ống ra ngoài mô hình (hình 4). Nghiên cứu tiến hành các giai đoạn thí nghiệm như bảng 2. Bảng 2. Các giai đoạn thí nghiệm Giai đoạn Lưu lượng (L/ngày) Giá thể Ghi chú 1 10 - 20 và 30 Poly acrylic 2 10 Poly acrylic Tăng nồng độ N-NH4 nước thải vào 3 10 Sợi bông tắm Tăng nồng độ N-NH4 nước thải vào Phương pháp phân tích N-NO2 được xác định bằng phương pháp so màu sử dụng thuốc thử Griss. N-NO3 được xác định băng phương pháp so màu dựa trên phản ứng của nitrat với axit disunfophenol tạo thành nitrofenoldisunfonic trong môi trường kiềm có màu vàng đặc trưng, đo tại bước sóng 410 nm. Các chỉ tiêu khác được phân tích theo Standard methods for the examination of water and wastewater, phiên bản thứ 20 (Clescerl et al, 1999): N-NH4(4500-NH3 F), N-NO2 , N-NO3, SS(2540 D), VSS (2540 E), độ kiềm (2320 B), COD(5220 B); COD được điều chỉnh theo chất cản trở N-NO2 (-1,1 mg/L COD cho 1 mg/L N- NO2). pH và DO được đo bằng thiết bị đo cầm tay tương ứng. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hiệu quả xử lý N-NH4 Quá trình vận hành mô hình thí nghiệm cho thấy có sự giảm rõ rệt nồng độ ammonium của nước thải (hình 5). Ở tải trọng 0,04 kg N-NH4/m3.ngày (lưu lượng 10 L/ngày, nồng độ N-NH4 đầu vào trung bình 61,6 mg/L), nồng độ N-NH4 sau phản ứng dao động trong khoảng 0,6-11,9 mg/L. Hiệu quả xử lý N-NH4 tăng dần từ 80,3% lên 99%, ổn định trong khoảng 96,7- 99%. Khi tăng lưu lượng nước thải vào ngăn phản ứng gấp đôi (20 L/ngày) tương ứng tải trọng 0,08 kgN-NH4/m3.ngày; nồng độ N-NH4 đầu ra và hiệu quả xử lý dao động trong khoảng 1-12,7 mg/L và 78,7-98,4%, hiệu suất xử lý trung bình 90,3%. Ở tải trọng ammonium đầu Le Cong Nhat Phuong, Le Thi Cam Huyen, Nguyen Huynh Tan Long 108 vào 0,14 kgN-NH4/m3.ngày (mô hình vận hành 30 L/ngày) với N-NH4 đầu vào trung bình 70 mg/L, hiệu quả xử lý dưới 90,8%, giá trị trung bình là 87,8%. Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Hình 5. Sự thay đổi nồng độ N-NH4 Qua số liệu trên cho thấy, hiệu suất xử lý giảm dần khi tăng tải trọng ammonium nước thải đầu vào, tuy nhiên, về khả năng loại N-NH4 thì thực tế hiệu quả xử lý tốt hơn. Trong thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình khi nồng độ N-NH4 nước thải đầu vào thay đổi, kết quả cho thấy, mô hình có sự thích nghi với sự tăng của nồng độ ammonium. Ở giai đoạn 2 này, mô hình được vận hành thay đổi ở 4 giá trị tải trọng 0,07-0,09-0,11-0,13 kgN-NH4/m3.ngày, hiệu suất loại ammonium trung bình đạt được tương ứng 86,2%-78,5%- 74,2%-66,8% (hiệu suất cao nhất tương ứng là 90,5%-84,5%-81,8%-72,8%). Cũng như giai đoạn 1, tuy hiệu suất loại N-NH4 giảm, nhưng thực tế, khả năng loại N-NH4 tốt hơn, các giá trị tải trọng loại trung bình N-NH4 tương ứng 0,059-0,069-0,08-0,084 kgN-NH4/m3.ngày (giá trị tải trọng loại cao nhất lần lượt 0,064-0,076- 0,092-0,093 kgN-NH4/m3.ngày). Qua 2 giai đoạn thí nghiệm, kết quả cho thấy rằng, hiệu suất xử lý của mô hình cao hơn khi tăng tải trọng ammonium nước thải đầu vào bằng cách tăng lưu lượng nước thải so với cách tăng nồng độ ammonium. Điều này có thể liên quan đến sự thích nghi chậm với nồng độ N- NH4 của sinh khối (bảng 3). Bảng 3. Bảng hiệu suất và tải trọng loại N-NH4 ở giai đoạn 1 và 2 Giai đoạn Hiệu suất (%) Tải trọng N-NH4 nước thải đầu vào (kgN-NH4/m3.ngày) Tải trọng loại N-NH4 (kgN-NH4/m3.ngày) 1 92 0,04 0,038 1 90,3 0,08 0,073 1 87,8 0,14 0,123 2 86,2 0,07 0,059 2 78,5 0.09 0,069 2 74,2 0,11 0,08 2 66,8 0,13 0,084 Trong thí nghiệm sử dụng giá thể sợi bông tắm, khả năng loại ammonium của mô hình cũng được ghi nhận (hình 6). Tương tự giai đoạn 2, giai đoạn này mô hình vận hành với tải trọng tăng dần bằng cách tăng nồng độ N-NH4 nước thải vào ngăn phản ứng: 0,04-0,07-0,09-0,11 kgN-NH4/m3.ngày, kết quả đạt được hiệu suất loại ammonium trung bình tương ứng là 88%-80,6%-76,4%-72,5% và tải trọng loại trung bình lần lượt là 0,036-0,055- TẠP CHÍ SINH HỌC, 2012, 34(3SE): 105-110 109 0,066-0,078 kgN-NH4/m3.ngày. Trong giai đoạn thí nghiệm 2 và 3, kết quả cho thấy, hiệu quả xử lý của mô hình sử dụng giá thể sợi polyacrylic tốt hơn giá thể sợi bông tắm (hiệu suất xử lý 86,2% so với 80,6% ở tải trọng 0,07 kgN-NH4/m3.ngày). Trong thí nghiệm cũng ghi nhận sự dính bám của sinh khối vi khuẩn vào mạng lưới sợi polyacrylic, trong khi đó giá thể sợi bông tắm không có sự dính bám mà chỉ tập trung thành từng lớp dày nằm trong các lớp giá thể. Trong các giai đoạn thí nghiệm, một lượng nhỏ N-NO2 (0,1-0,5 mg/L) sinh ra sau quá trình xử lý được ghi nhận. Trong khi đó, lượng N-NO3 sinh ra nhiều, tỉ số giữa N-NH4 tiêu thụ/N-NO3 sinh ra ở 3 giai đoạn thí nghiệm lần lượt là 1-0,44; 1-0,3 và 1-0,3. Nồng độ DO trong ngăn phản ứng ghi nhận được có giá trị DO < 0,5 mg/L. Hình 6. Sự thay đổi nồng độ N-NH4 ở giai đoạn thí nghiệm 3 Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả xử lý N- NH4 của mô hình đạt 87,8-92% ở tải trọng 0,04- 0,14 kgN-NH4/m3.ngày. Một kết quả nghiên cứu cùng công nghệ xử lý với nghiên cứu này sử dụng nước thải giết mổ của Reginatto (2005) [5] cũng đạt hiệu quả xử lý đến 95% ở tải trọng 0,033-0,067 kgN-NH4/m3.ngày. Ở Việt Nam, một nghiên cứu quá trình nitrit hóa - anammox xử lý nước thải chăn nuôi cũng đạt hiệu quả xử lý N-NH4 cao 80-95% ở tải trọng 0,17-0,33 kgN-NH4/m3.ngày (bảng 4). Bảng 4. Tải trọng và hiệu suất xử lý N-NH4 của một số nghiên cứu Quá trình Nước thải Tải trọng kgN-NH4/m3.ngày Hiệu suất (%) Tác giả Nitrit hóa - Anammox Nước thải giết mổ 0,04-0,14 87,8-92 Nghiên cứu này Nitrit hóa - Anammox Nước thải giết mổ 0,033-0,067 40-95 V. Reginatto et al. [5] Nitrit hóa - Anammox (SBR) Nước thải chăn nuôi 0,054-0,108 95 E.Choi et al. [2] Nitrit hóa - Anammox Nước thải chăn nuôi 0,17-0,33 80-95 Phương [4] Le Cong Nhat Phuong, Le Thi Cam Huyen, Nguyen Huynh Tan Long 110 KẾT LUẬN Từ kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, đã xác định được khả năng kết hợp của hai nhóm vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox trong cùng một thiết bị để xử lý ammonium trong nước thải giết mổ. Ở cùng tải trọng N-NH4 nước thải đầu vào thì tải trọng thấp và lưu lượng nước thải cao có hiệu quả loại N-NH4 tốt hơn so với tải trọng cao hơn và lưu lượng nước thải thấp hơn. Mô hình thí nghiệm hoạt động hiệu quả với hiệu suất xử lý đạt 92% ở tải trọng 0,04 kgN- NH4/m3.ngày và 87,8% ở tài trọng 0,14 kgN- NH4/m3.ngày Do hai nhóm vi khuẩn này có đặc tính sinh lý khác nhau nên việc sử dụng giá thể (mô hình sinh học dính bám) tỏ ra thích hợp cho hai nhóm vi khuẩn này hoạt động chung trong cùng thiết bị. Với giá thể là sợi polyacrylic thì hiệu quả xử lý ammonium tốt hơn giá thể là sợi bông tắm. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Capuno R. E. Jr., 2007. Mathematical modeling for nitrogen removal via a nitritation: anaerobic ammonium oxidation- coupled biofilm in a hollow fiber membrane bioreactor and a rotating biological contactor. PhD Thesis, Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University. 2. Choi E., Eum Y., 2002. Strategy for nitrogen removal from piggery waste. Water Science and Technology, 46(6-7): 347-354. 3. Nguyễn Huỳnh Tấn Long, 2010. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của oxy hòa tan và bicarbonate trong xử lý nito nước thải chăn nuôi heo bằng quá trình nitrat hóa bán phần/anammox. Luận án Thạc sĩ, Viện Môi trường và Tài nguyên, tp. Hồ Chí Minh. 4. Lê Công Nhất Phương, 2008. Nghiên cứu ứng dụng nhóm vi khuẩn Anammox trong xử lý nước thải nuôi heo. Luận án Tiến sĩ, Viện Môi trường và Tài Nguyên, tp. Hồ Chí Minh. 5. Reginatto V., Teixeira R. M., Pereira F., Schmidell W., Furigo Jr. A., Menes R., Etchebehere C., Soares H. M., 2005. Anaerobic ammonium oxidation in a bioreactor treating slaughterhouse wastewater. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 22(4): 593-600. AMMONIUM TREATMENT IN SLAUGHTER-HOUSE WASTEWATER USING THE COMBINATION OF PARTIAL NITRITATION/ANAMMOX PROCESS Le Cong Nhat Phuong, Le Thi Cam Huyen, Nguyen Huynh Tan Long Institute of Tropical Biology, VAST SUMMARY Wastewater rich in nitrogen compounds wastewater would have a negative impact on water source without treatment. The technology based on the combination of partial nitritation and anammox was developed to treat ammonium in wastewater. Study of ammonium removal in slaughter-house wastewater in 1 single reactor using poly acrylic and bath ball carriers was conducted. Experimental results showed that the model operated well with ammonium removal efficiency reaching 92% and 87.8% at N-NH4 loading rate of 0.04 kgN-NH4/m3.d and 0.14 kgN-NH4/m3.d, respectively. Keywords: Anammox, carrier, nitrification, nitrosomonas, slaughter-house wastewater. Ngày nhận bài: 21-6-2012