Xử lý Amoni trong nước thải bằng quá trình feammox

Xử lý Amoni trong nước thải bằng quá trình Feammox

Việc loại bỏ amoni trong nước thải đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường, trong đó nước thải từ các nhà máy chế biến thủy sản là một trong những vấn đề được các nhà quản lý môi trường quan tâm hiện nay.

Theo phương pháp truyền thống, xử lý amoni thường bằng biện pháp sinh học sử dụng hệ vi sinh vật hiếu khí theo con đường nitrate hóa/khử nitrate hoặc hệ vi sinh vật kỵ khí theo con đường nitrate hóa bán phần/ANAMMOX.

Nghiên cứu này thử nghiệm một nguyên lý mới sử dụng hệ bùn vi sinh vật kỵ khí là Feammox đối với nước rỉ rác và nước thải thủy sản.

Với mô hình feammox thử nghiệm có thể tích 40 L được thực hiện trong 14 ngày, nước thải chế biến đưa vào mô hình có hàm lượng COD khoảng 800 ÷ 1200 mg/L, amoni là 90 ÷ 110 mg/L.

Kết quả theo dõi cho thấy pH duy trì trong khoảng 6,5 ÷ 7,7, điện thế oxy hóa khử dao động trong khoảng -25 ÷ 55 mV, hàm lượng amoni bị loại bỏ đạt trên 90%, đáp ứng các yêu cầu xả thải hiện hành. Kết quả nghiên cứu mở bước đầu cho thấy tiềm năng ứng dụng nguyên lý feammox trong xử lý nước thải chế biến thủy sản hiện nay.

Study on the treatment of N-NH₄ in leaching with iron-reducing bacteria under anaerobic conditions

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước rỉ rác bằng feammox tại Việt Nam

Các nghiên cứu nước ngoài chưa được thử nghiệm đối với nước rỉ rác của Việt Nam, đặc thù các đô thị lớn tại nước ta

Các nghiên cứu trong nước chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu cơ bản và chưa tập trung vào Feammox và chưa đủ cơ sở để đưa vào ứng dụng thực tiễn

Nước rỉ rác có mức độ ô nhiễm cao và thành phần rất phức tạp, đặc biệt là thành phần Tổng N và COD khó phân huỷ sinh học.

Chất lượng nước rỉ rác trước và sau xử lý tại BCL Phước Hiệp

TT	Thông số	Đơn vị	Nước rỉ rác – đầu vào	Nước rỉ rác – đầu ra	QCVN 25:2009/BTNMT cột A
1	pH	–	8,2 – 8,4	6,9 – 7,5	6 – 9
2	COD	mgO2/l	1.307 – 1.552	63 – 128	50
3	BOD5	mgO2/l	300 – 720	9 – 50	30
4	SS	mg/l	38 – 60	5 – 9	50
5	N-tổng	mg/l	773 – 857	13,8 – 67,3	15
6	P- tổng	mg/l	14 – 60	KPH	4
7	Fe	mg/l	3 – 17,8	0,08 – 3,1	1
8	Cu	mg/l	0,048 – 0,054	KPH	2
9	Cr3+	mg/l	0,11 – 0,312	0,076 – 0,113	0,2
10	Mn	mg/l	0,106 – 0,612	0,028 – 0,106	0,5
11	Ni	mg/l	0,05 – 0,172	0,007 – 0,05	0,2
12	Pb	mg/l	0,009 – 0,027	0,003 – 0,009	0,1
13	Cd	mg/l	KPH	KPH	0,05
14	Hg	mg/l	KPH	KPH	0,005
15	As	mg/l	0,011 – 0 035	KPH – 0,011	0,05
16	Zn	mg/l	0,17 – 0,568	0,049 – 0,17	3
17	Sn	mg/l	0,01 – 0,03	KPH	–

Chất lượng nước rỉ rác KXL Nam Bình Dương trước và sau xử lý năm 2014 – 2015

Năm			Thông số	Đơn vị	Đầu vào	Đầu ra	QCVN 25:2009/BTNMT, cột A
2014		Mùa khô	COD	mg/l	2.012 – 3.097	112 – 131	50
			BOD5	mg/l	1.269 – 1.568	9 – 17	30
			TN	mg/l	559 – 908	37 – 65	15
		Mùa mưa	COD	mg/l	1.245 – 1.804	39 – 133	50
			BOD5	mg/l	1.074 – 1.409	11 – 16	30
			TN	mg/l	788 – 815	13 – 41	15
2015		Mùa khô	COD	mg/l	1.327 – 2.518	114 – 138	50
			BOD5	mg/l	604 – 1.151	4 – 18	30
			TN	mg/l	1.059 – 1.314	50 – 77	15
		Mùa mưa	COD	mg/l	985 – 2.087	36 – 88	50
			BOD5	mg/l	638 – 972	6 – 10	30
			TN	mg/l	816 – 1.115	13 – 51	15

Chất lượng nước rỉ rác BCL Trảng Dài

STT	Chỉ tiêu	Đơn vị	Kết quả	QCVN 25:2009/BTNMT cột B
1	pH	–	7,7 – 8,5
2	BOD	mg/l	974 – 1.584	5,5-9
3	COD	mg/l	2.835 – 5.645	100
4	SS	mg/l		400
5	N tổng	mg/l	559 – 674	–
6	Amoni tính theo N	mg/l		60
7	Độ cứng	mg/l		25

Hiện nay có rất nhiều quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác đã và đang được áp dụng tại các bãi chôn lấp tại Việt Nam. Tuy nhiên chất lượng nước sau xử lý của hầu hết các quy trình xử lý hiện nay đều chưa đạt quy chuẩn xả thải, đặc biệt là thành phần Tổng N và COD. Một số công nghệ xử lý nước rác hiện nay như sau:

Quy trình công nghệ trạm xử lý nước thải tập trung tại Nam Bình Dương công suất 480m³/ngày:

Bãi chôn lấp à Hồ lưu chứa tự nhiên à Sục khí sơ bộ à Bể trộn vôi nâng pH à Bể điều hoà à Bể lắng cặn vôi à Tháp Air stripping khử NH₃ hai bậc à Bể khử Canxi à Xử lý sinh học SBR à Keo tụ, lắng à Oxi hoá nâng cao Fenton 2 bậc à Bể lọc cát à Bể khử trùng à Hồ sinh học à Xả thải ra nguồn tiếp nhận.

Đây là công nghệ xử lý khá hiện đại, hệ thống xử lý được điều khiển tự động bằng SCADA được đưa vào vận hành năm 2009. Nước thải sau khi xử lý (đạt QCVN 40:2011/BTNMT) cùng với toàn bộ nước mưa của nhà máy sẽ theo hệ thống thoát nước chung chảy ra suối Bông Trang, dẫn ra suối Bến Tượng, sau đó đổ ra sông Thị Tính. Trong đó, thấp Air stripping hai bậc dùng để xử lý N-NH₄⁺ trong nước rỉ rác. Tại đây nước thải được bổ sung thêm hóa chất NaOH để duy trì pH cho quá trình xử lý tại tháp Stripping bằng bơm định lượng hóa chất.

Công nghệ xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Phước Hiệp công suất 800 m³/ngày

Hồ lưu chứa à Xử lý cơ học, tách rác à Bể trộn vôi à Tháp Air Stripping khử NH₃ à Khử Canxi à Cụm xử lý sinh học (Aeration tank) à Oxy hoá nâng cao (Fenton) à Bể lọc cát à Bể khử trùng à Xả thải ra nguồn tiếp nhận.

Quy trình công nghệ trạm xử lý nước thải tập trung tại Trảng Dài công suất 150m³/ngày:

Nước thải à Song chắn rác à Bể gom nước thải à Bể điều hoà à Bể sinh học kỵ khí nhiều ngăn à Bể sinh học hiếu khí vật liệu đệm à Bể lắng à Bể Khuấy trộn à Bể phản ứng hoá học à Bể keo tụ à Bể lắng vách nghiêng à Bể khử trùng à Hồ sinh học.

Quy trình công nghệ trạm xử lý nước thải tập trung tại Bàu Cạn công suất 200m³/ngày:

Nước rác à Hồ lưu chứa à Bể nâng pH/Bể điều hoà à Bể tạo bông 1 à Bể lắng 1 à Bể trung gian 1 à Tháp thổi khí à Bể trung hoà à Bể lọc sinh học kỵ khí à Bể lọc sinh học hiếu khí à Bể lắng 2 à Bể trung gian 2 à Bể PƯ Fenton 1 à Bể trung hoà – Bể lắng 3 à Bể chứa nước sau xử lý.

Từ thực trạng một số quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác cho thấy, công nghệ áp dụng xử lý thành phần N trong nước thải chủ yếu là sử dụng tháp Air stripping, là phương pháp sục khí ở pH cao để đuổi NH₃.

Tuy nhiên, các công nghệ trên cũng tồn tại một số vấn đề cần quan tâm:

+ Tháp Air stripping xử lý NH₃ dễ bị nghẹt do hàm lượng cặn vôi lẫn trong nước rỉ rác cao dẫn đến hiệu quả xử lý bị ảnh hưởng và không ổn định.

+ Hiệu quả xử lý Nito kém và không ổn định, thiếu công đoạn khử N-NO₃^–

+ Công suất và hiệu quả xử lý N không ổn định và chưa đạt quy chuẩn xả thải.

Amôni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:

NH₄⁺ <=> NH_{3(khí hoà tan)}  + H⁺         với pK_a = 9,5

Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ amôniac khí so với amôni. Nếu ta nâng pH tới 9,5 tỷ lệ [NH₃]/[NH₄⁺] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH₃. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục hoặc thổi khí thì amôniac sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:NH_{3(dung dịch)} <=> NH_3(khí)

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi amôniac ở mức 1600 m³ không khí/1 m³ nước và quá trình rất phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và sau đó phải hạ pH đến khoảng 8 để phù hợp với các quá trình sinh học tiếp theo. Như vậy, quá trình này sẽ tiêu hao nhiều hóa chất và năng lượng thổi khí. Nhưng về bản chất chỉ chuyển ô nhiễm từ nước vào khí, gây mùi hôi…

Sau thổi khí, phần N còn lại được xử lý bằng quá trình truyền thống nitrat hóa – khử nitrat trong hệ SBR, tuy nhiên công nghệ này chỉ đáp ứng với T-N đầu vào ở mức 100mg/l. Do đó, yêu cầu hiệu quả thổi khí đuổi amoni rất cao.

Hiệu quả xử lý amoni bằng feammox

Có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lý Nito trong nước rỉ rác: phương pháp hoá học, phương  pháp vật lý và phương pháp sinh học. Qua khảo sát nhiều công trình xử lý trong thực tế cho thấy, xử lý Nito bằng phương pháp sinh học có hiệu quả cao hơn so với các phương pháp khác.

Phân tích, đánh giá các phương pháp sinh học xử lý Nito trong nước rỉ rác

Các phương pháp sinh học	Nito dạng hữu cơ	N-NH4+	N-NO­3–	Hiệu suất xử lý (%)
Vi khuẩn xử lý Nito	0	40 – 70%	Hiệu suất thấp	30 – 70%
Quá trình khử Nitrat	0	0	80 – 90%	70 – 95%
Thu hoạch tảo	Chủ yếu chuyển hoá thành N-NH4+	Thu hoạch sinh Khối	Thu hoạch sinh Khối	50 – 80%
Quá trình Nitrat hoá	Xử lý cỏ giới hạn	Chuyển hoá thành Nitrat	0	5 – 20%
Hồ oxy hoá	Chủ yếu chuyển hoá thành N-NH4+	Xử lý bởi quá trình làm thoáng	Tách bằng các quá trình nitrat và khử nitrat	20 – 90%

Đối với việc xử lý thành phần N-NH₄ trong nước thải, việc sử dụng các vi khuẩn xử lý  Nito được xem là giải pháp khá hiệu quả.

Chu trình sinh học của N liên quan đến nhiều biến đổi, đa số được thực hiện bởi các vi sinh vật thông qua các phản ứng enzym (tức là sự cố định N, nitrat hóa, khử Nitơ, và oxy hóa Amoni kị khí).

Hình: Chu trình Nitơ. Quá trình Feammox được thể hiện bằng màu xanh. Lưu ý Feammox liên kết khí nitơ và chu trình sắt. Norg: nitơ hữu cơ; NH₄⁺: amoni; N₂: khí Nito; N₂O: oxit nitơ; NO: oxit nitric; NO₂^–: Nitrite, NO₃^–: nitrat; (Schnoor 1996).

Các quá trình loại bỏ N được áp dụng rộng rãi để xử lý nước giàu N như nước thải. Nước thải đòi hỏi tất cả các dạng N phải ở trạng thái oxi hóa nhất của nó, nitrate (NO₃^–) trước khi thải ra môi trường để đảm bảo oxy hoà tan (DO) không thể oxy hóa N nữa. Nitrate hóa là quá trình chính để loại bỏ NH₄⁺ trong quá trình xử lý nước thải. Các vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng được biết đến như các nitrifiers chủ yếu dẫn động quá trình này.

Trong trường hợp không có oxy, hai quy trình trung gian gây ra bởi vi khuẩn đã được mô tả để loại bỏ NH₄⁺ là Anammox (van der Star và cộng sự, 2007) và Feammox (Clement và cộng sự, 2005; Shrestha và cộng sự, 2009).

Quy trình anammox đòi hỏi bước nitrat hóa hiếu khí ban đầu để hình thành NO₂^–, kết hợp với NH₄⁺ trên cơ sở cân bằng để tạo ra chủ yếu là N₂ (Van Hulle và cộng sự, 2007). Tiến trình Feammox là quá trình oxy hóa NH₄⁺ hoàn toàn kỵ khí với sự kết hợp chất oxy hóa NH₄⁺ với sắt Fe (III) để tạo thành NO₂^– (Clement, et al. 2005) và có thể là N₂ (Yang và cộng sự, 2012) .

Quá trình Feammox được thực hiện do một nhóm vi khuẩn không được nuôi cấy Acidimicrobiaceaebacterium có tên là A6 thuộc dòng Actinobacteria (Huang và Jaffe, 2013); gọi là vi khuẩn Feammox. Clement và cộng sự (2005) lần đầu tiên tìm thấy Feammox ở các vùng đất ngập nước ven sông có rừng ở New Jersey. Quá trình này có tính khả dụng về nhiệt động học khi tính toán đối với các oxit sắt tự nhiên như goethit (FeOOH):

NH₄⁺ + 6FeOOH + 10H⁺ à NO₂^– + 6Fe²⁺ + 10H₂O (△G = -30.9 kJ mol-1 ) (1)

Quá trình Feammox có thể tạo ra N₂ (phương trình 2) hoặc NO₂^– (phương trình 3) khi sử dụng sắt (III) hydroxit [Fe(OH)₃] làm nguồn sắt ferric, dẫn đến phản ứng thuận lợi về nhiệt động lực học hơn

NH₄⁺ + 3Fe(OH)₃ + 5H⁺ à  0,5N₂ + 3Fe²⁺ + 9H₂O (△G = -164 kJ mol) (2)

NH₄⁺  + 6Fe(OH)₃ + 10H⁺ à NO₂^– + 6Fe²⁺ + 16H₂O (△G = -245 kJ mol-1 ) (3)

Có thể thấy, việc sử dụng các vi khuẩn khử sắt có sẵn trong môi trường đất để xử lý N-NH₄ thành Ni tơ phân tử là giải pháp thân thiện môi trường.

Hiệu quả loại bỏ NH4+ trong quá trình xử lý feammox

Loại bỏ amoni là mục tiêu được quan tâm nhất trong nghiên cứu này, qua đó đánh giá hoạt tính của vi khuẩn feammox trong quá trình xử lý. Với nồng độ amoni trong nước thải đầu vào dao động từ 80 ÷ 120 mg/L, tiến hành khảo sát giá trị NH4+ qua 5 chu kỳ, với thời gian xử lý 14 ngày/chu kỳ. Kết quả thể hiện ở Hình 4 cho thấy chỉ sau 2 ngày xử lý thì đã có khoảng 30% NH4+ bị loại, sau 6 ngày thì đã có tỷ lệ amoni bị loại bỏ là 60%.

Khi thời gian xử lý thực hiện từ ngày 10 đến ngày thứ 14 thì hiệu quả loại NH4+ đạt mức từ 85 ÷ 90%. Kết quả này duy trì ổn định trong suốt 5 chu kỳ vận hành mô hình

Kết luận nguyên lý feammox:

Quá trình xử lý amoni theo nguyên lý feammox trong mô hình thí nghiệm đã loại bỏ khoảng ≥ 90% amoni ban đầu. Các mẫu nước thải sau xử lý đều ≤ 10 mg/L, đạt tiêu chuẩn nước thải sau xử lý được phép xả thải vào thủy vực được sử dụng làm nguồn nước cho mục đích sinh hoạt

Phân tích và diễn giải số liệu thu được

Các chỉ tiêu đánh giá quá trình làm giàu:

– Màu sắc của bùn trong cột Feammox được quan sát quan sát bằng mắt thường để phát hiện được sự hiện diện của nhóm vi khuẩn Feammox

– Chỉ tiêu về hàm lượng bùn (SS) trong cột Feammox được theo dõi để đánh giá sự phân hủy và rửa trôi sinh khối vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng trong điều kiện không tiếp tục cung cấp nguồn cacbon hữu cơ;

– Trong quá trình làm giàu nhóm vi khuẩn Feammox, các chỉ tiêu về hàm lượng Amonia (N-NH₄), nitrit (N-NO₂) và nitrat (N-NO₃) và Fe (II) trước và sau cột Feammox được theo dõi để đánh giá khả năng xuất hiện phản ứng Feammox;

– Phương pháp sinh học phân tử PCR 16S DNA vi khuẩn Feammox được sử dụng để xác định sự tồn tại và định danh vi khuẩn Feammox.

Tài liệu tham khảo.

Download

Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản, Số 2/2023 

Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh – đề tài xử lý amoni bằng quá trình feammox

 Môi trường Green Star là đơn vị đã có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực môi trường xử lý nước thải, quý khách hàng cần tư vấn về các vấn đề liên quan đến xử lý nước thải, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được tư vấn miễn phí.

Xin cảm ơn.