L
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của

.

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên


Lời đầu tiên, tôi xin

– người đã

PGS.TS

trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
,

giúp

tôi vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình

.

Tôi cũng xin c m ơn quý thầy cô trong Viện
đã truyền dạy những kiến thức quý báu, những kiến thức này rất hữu ích và
giúp


.................................................. 4

1.2. C

-USBF ............................................................................... 7

1.2.1.

........................................................ 7
....................................................... 8
................................ 11
.................................................. 13
............................................................................................ 13
........................................................................................... 14
..................................................................... 18
................................. 18
................................................................................ 18
.............................................................................. 18
............................................................................... 18

2.1.4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 20
2.2. Bố trí thực nghiệm ................................................................................... 21
2.2.1. Sơ đồ công nghệ ...................................................................................... 21
............................................................................................. 22
-

.................................. 23
................................................. 26
......................................................... 26
...................... 27

................................................................................. 53
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 55


TT

Ký hiệu,
viết tắt

Tiếng Việt

1

AOPs

Phương pháp oxy hóa nâng cao

Advanced oxidation processes

2

AO

Thiếu khí – Hiếu khí

Anoxic - Oxic

3

USBF


DO

Hàm lượng oxy hòa tan

Dissolved oxygen

8

F/M

Tỷ lệ thức ăn và vi sinh

Food/ microorganism ratio

9

HRT

Thời gian lưu của nước thải

Hydraulic retention time

10

MLSS

Hàm lượng chất rắn lơ lửng
trong hỗn hợp lỏng


Chỉ số thể tích lắng của bùn

Sludge volume index

15

SV

Thể tích bùn lắng

Sludge volume

16

TOC

17

TKN

18

TP

19

UV - Vis

20


2.1

Kết quả một số thông số chính trong nước rỉ rác Kiêu Kỵ

21

2.2

Điều kiện môi trường trong hệ thống USBF

25

3.1

Hiệu suất xử lý của các công đoạn hóa lý

26

3.2

26

3.3

45

Phụ lục 2
Bảng 1

Thể tích bùn lắng theo thời gian

Bảng 6

Kết quả đo pH đầu vào, đầu ra và trong các ngăn

61

Bảng 7

Kết quả đo DO tại các thời điểm và nhiệt độ cao nhất ngày trong
7 ngày

61

4


Danh
Trang
1.1

3

1.2

AO-USBF

7

1.3


29

3.5

Hiệu suất xử lý COD, COD đầu vào và đầu ra theo MLSS

31

3.6

Hiệu suất xử lý NH4+, nồng độ NH4+ đầu vào và đầu ra theo MLSS

33

3.7

Hiệu suất xử lý TP, nồng độ TP đầu vào và đầu ra theo MLSS

34

3.8

Hiệu suất xử lý COD, COD đầu vào và đầu ra theo tỷ lệ tuần hoàn
bùn

35

3.9

Hiệu suất xử lý NH4+, NH4+ đầu vào và đầu ra theo tỷ lệ tuần hoàn

Nhiệt độ cao nhất ngày trong tuần vận hành hệ thống

42

3.15

DO trong ngăn thiếu khí (Anoxic) và ngăn hiếu khí (Oxic) tại các
thời điểm khác nhau trong các ngày vận hành

43

3.16

pH đầu vào, đầu ra và tại các ngăn của hệ thống

44

3.17

MLSS và MLVSS duy trì trong quá trình vận hành hệ thống

44

3.18

Hiệu suất xử lý NH4+, nồng độ NH4+ đầu vào và đầu ra

46

3.19


phân loại tại nguồn dẫn đến thành phần

đem chôn lấp rất phức tạp. Tại các bãi chôn lấp vẫn còn tình trạng nước ngập
trong rác, không kiểm soát được sự thâm nhập của nước mưa, nước ngầm vào ô
chôn lấp.
Nước rỉ rác (còn gọi là nước rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô
chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất ở dưới đáy bãi chôn
lấp [12], nếu không

xử lí đúng cách sẽ ảnh hưởng tới môi trường

bề mặt,

sau đó ngấm vào mạch nước ngầm. Do thành phần của nước rỉ rác kém ổn định, có
nồng độ ô nhiễm cao và thường xuyên thay đổi theo thời gian nên cần có sự nghiên
cứu kỹ lưỡng về đặc tính của nước rỉ rác

nitơ, ph
nhiều

côn
sử dụng để xử lý nước rỉ rác, trong đó

khác nhau được

quy trình AO-USBF (Upflow

Sludge Blanket Filtration) được cải tiến từ quy trình bùn hoạt tính cổ điển kết hợp
với


rác, thời gian lưu

tuần hoàn bùn) đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý chung của hệ thống. Ngoài ra,
nghiên cứu còn sử dụng quy trình
xử lý sơ bộ bằng phương pháp hóa lý.

2


CHƢƠNG 1.
1.1.
1.1.1.
Chôn lấp hợp vệ sinh là phương pháp kiểm soát sự phân huỷ của các chất
thải rắn khi chúng được chôn nén và phủ lấp bề mặt. Chất thải rắn trong bãi chôn
lấp sẽ bị phân hủy theo thời gian nhờ hoạt động của các vi sinh vật… [18].

1.
Nước rỉ rác được hình thành khi nước thấm vào các ô chôn lấp theo một số
cách sau: nước sẵn có và tự hình thành khi phân hủy rác hữu cơ trong bãi chôn lấp,
mực nước ngầm dâng lên vào các ô chôn lấp, nước rỉ qua vách của ô rác, nước từ
các khu vực khác chảy qua có thể thấm xuống các ô chôn lấp, nước mưa rơi xuống
khu vực bãi chôn lấp. Trong đó, các nguồn chính tạo ra nước rỉ rác bao gồm nước từ
phía trên bãi chôn lấp, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc
chôn bùn được cho phép. Việc mất đi nước được tích trữ trong bãi rác bao gồm
nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác, hơi nước bão hòa bốc hơi
theo khí và nước thoát ra từ đáy bãi chôn lấp (nước rò rỉ). Quá trình sinh hóa diễn ra
tại bãi chôn lấp chất thải chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp
chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng để duy trì các hoạt động sống của chúng. Các vi


kim loại dạng vết (kẽm, đồng, crom,

niken, chì, cadimi…), các hợp chất hữu cơ được xác định dưới dạng: tổng cacbon
hữu cơ (TOC), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD)...[18].
Thành phần của nước rỉ rác chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố chính sau:
tuổi bãi chôn lấp, chất và lượng của chất thải, các quá trình sinh học và hóa học xảy
tra trong bãi chôn lấp và lượng nước mưa [21].

4


Thành phần hoá học của nước

rác trước hết phụ thuộc vào mức độ phân

huỷ của rác (nhiệt độ, độ ẩm, tuổi, điều kiện môi trường). Nước thải từ các bãi rác
với mức độ phân huỷ thấp (mới, mùa khô, lạnh) đang trong giai đoạn axit hoá thì
80-90% chất hữu cơ trong đó là các axit hữu cơ dễ bay hơi có khả năng sinh huỷ
cao. Ngược lại nước thải từ bãi rác có độ phân huỷ sâu (giai đoạn metan

đang

và sắp kết thúc) thì các chất hữu cơ trong đó chủ yếu là các chất trơ, khó sinh huỷ
như axit humic, fulvic, tannin, lignin và amoni với hàm lượng rất cao [4].
Thành phần hóa học của nước rỉ rác thay đổi phụ thuộc vào tuổi của bãi chôn
lấp. Tuổi của bãi chôn lấp thường được phân chia thành 3 bậc như sau: mới (ít hơn
5 năm), trung bình (5 – 10 năm) và cũ (lớn hơn 10 năm). Trong số các thành phần
của nước rỉ rác, tỷ lệ BOD/COD là đặc điểm đặc trưng cho nước rỉ rác bởi nó liên
quan trực tiếp tới khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác. Nước rỉ rác mới
thường có nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao như các axit béo bay


1.

BOD5 (mg/l)

2.000-20.000

10.000

100-200

2.

TOC (mg/l)

1.500-20.000

6.000

80-160

3.

COD (mg/l)

3.000-60.000

18.000

100-500


7.

Nitrat (mg/l)

5-40

25

5-10

8.

Tổng P (mg/l)

5-100

30

5-10

9.

Độ kiềm theo CaCO3

1.000-10.000

3.000

200-1.000


50-1.200

60

20-200

50-1.000

300

20-50

13.
14.

Sunphat (mg/l)

Theo thời gian, hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước rỉ rác từ ô chôn
lấp cũng như tại hồ chứa giảm đáng kể. Tuy nhiên, hàm lượng các chất ô nhiễm hữu
cơ, vô cơ cũng như các thành phần độc tố vẫn còn rất cao, nếu không được xử lý
triệt để, khi thải vào môi trường sẽ gây ô nhiễm đến nguồn nước ngầm, nước mặt,
ảnh hưởng đến đời sống dân cư xung quanh.
Bảng 1.2 sau đây cho thấy sự thay đổi rất rõ về COD, BOD và tỷ số
COD/BOD của nước rỉ rác từ bãi chôn lấp ở Đài Loan theo tuổi. Bảng này cho thấy,
với thời gian chôn lấp không lâu (1-2 năm), nước rỉ rác có giá trị COD và BOD rất
cao, tỷ số BOD/COD cũng cao (> 0,6). Nước rỉ rác có chứa nhiều thành phần hữu
cơ dễ bị phân hủy sinh học. Ngược lại, với thời gian chôn lấp lâu (trên 3 năm), nước
rỉ rác có COD không cao, tỷ số BOD/COD cũng thấp (< 0,2), cho thấy nước rỉ rác
ứng với thời gian chôn lấp rác lâu chứa nhiều thành phần hữu cơ khó bị phân hủy


150

100

80

BOD (mg/l)

25.000 10.000

COD (mg/l)

35.000 16.000 1.500 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000

BOD/COD
1.2. C

0,71

0,60

0,17

0,16

0,13

0,10


được đưa vào hệ thống

với dòng tuần hoàn bùn. Hỗn hợp nước

- bùn hoạt tính đi vào

ngăn thiếu khí, ngăn này có vai trò như ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector)
thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi chất
(Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm
tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật hình
sợi, gây vón cục và nổi bọt. Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong
ngăn này.
Nước thải sau đó chảy sang ngăn hiếu khí. Ngăn sục khí
quá trình sinh trưởng

oxy cho

của vi sinh vật. Trong ngăn này, amoni bị oxy

hóa thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và sau đó
Nitrobacter trong vùng sục khí riêng biệt.
Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển từ dưới lên
ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng. Ngăn USBF có vai
trò vừa lọc vừa xử lý sinh học các thành phần hữu cơ và N, P còn lại trong nước
thải nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất. Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của
hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính.
Phần nước trong đã được xử lý chảy tràn vào máng thu nước đầu ra và tự
chảy ra ngoài. Phần bùn đáy ngăn USBF một phần được tuần hoàn lại ngăn Anoxic,
hòa trộn với dòng đầu vào, một phần thải bỏ nhằm duy trì sinh khối trong bể [2].
1.2.2

Phương trình trên cho thấy, chủng vi sinh bio-P cũng có khả năng khử nitrat.
(HPO3) là photphat dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật. Trong vùng kị
khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế
bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn [4]:
2C2H4O2 + (HPO3) + H2O → (C2H4O2)2 + PO43- + 3H+
Như vậy ngăn thiếu khí có vai trò loại bỏ cacbon, khử nitrat và chuyển
photpho hữu cơ ortho-P dạng poly-P thành photpho hòa tan
1.2.2.
Ngăn hiếu khí diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ và quá
trình tổng hợp để xây dựng tế bào vi sinh.
Phương trình tổng quát [9]:
xCO2 + (y-3)/2 H2O + NH3 + ∆H

CxHyOzN + (x+y/4+z/3+3/4)O2

C5H7NO2 + CO2 + ∆H

CxHyOz + NH3 + O2

Trong phản ứng trên, CxHyOz là tất cả các chất hữu cơ có trong nước thải,
còn C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi
sinh vật. Nếu quá trình oxy hóa diễn ra trong điều kiện không đủ dinh dưỡng thì quá
trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra (tự oxy hóa).

9


Ngăn hiếu khí cũng diễn ra quá trình nitrat hóa. Đây là quá trình tự dưỡng, vi
khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước (trươc hết là amoni NH4+) để lấy
năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng.

lững chưa lắng đóng vai trò như một lớp lọc sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng
nén của bùn lắng. Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di
chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm

10


dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ
lững lâu hơn.

Hình 1.3. Một số dạng ngăn USBF
Do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên
gradient vận tốc di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên
trên theo phương thẳng đứng.
Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra một
lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc. Khi các bông
bùn đủ nặng chúng sẽ lắng xuống đáy tạo nên gradient vận tốc di chuyển của của
dòng bùn lắng từ trên xuống ngược với dòng dịch chuyển của nước.
Sự tuần ho
sẽ nâng cao hơn so với bể lọc truyền thống.
Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên
nên dòng này sẽ có vận tốc giảm dần. Mặt khác, do hình dạng của ngăn USBF có
thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc di chuyển của dòng giảm dần
từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng. Hiệu quả lắng lọc của hệ thống cao,
nước đầu ra có hàm lượng SS rất thấp.
Như vậy, ngăn USBF có vai trò vừa lọc, vừa xử lý sinh học các thành phần
hữu cơ, nitơ và photpho còn lại trong nước thải.
1.2.3
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của hệ thống, dưới đây là
một số điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và đến khả năng


[7].
1.

Evaluation of single stage USBF in removal of Nitrogen and Phosphorus
và P trong nước thải bằng công

from wastewater (

nghệ USBF) được thực hiện bởi nhóm tác giả người Iran gồm A.H. Mahvi, R.
Nabizadh, M.H. Pishrafti và Th. Zarei (Trường Y tế công cộng và Trung tâm
nghiên cứu Môi trường Tehran, Đại học Khoa học Y tế, Tehran, Iran). Các thí
nghiệm được tiến hành với pilot USBF có thể tích 4 lít. Thí nghiệm đánh giá khả
năng xử lý nitơ và photpho của hệ thống USBF theo thời gian lưu khác nhau, đồng
thời đánh giá hiệu quả xử lý khi tăng tải trọng hữu cơ lên 1,5 lần. Kết quả cho thấy
hiệu quả xử lý nitơ tương đối cao trong khi hiệu quả xử lý photpho ở mức trung
bình. Tuy nhiên, nghiên cứu không đề cập đến sự ảnh hưởng của lượng bùn tuần
hoàn và tuổi của bùn đến hiệu quả xử lý [15].
Upflow Sludge Blanket Filtration (USBF): an Innovative Technology in
Activated Sludge Process (Công nghệ USBF: Một công nghệ mới về bùn hoạt tính):
ăm 2010
13


đưa ra
Với nước thải sử dụng cho các thí nghiệm có đặc tính tương
tự như nước thải sinh hoạt điển hình. Mô hình thí nghiệm gồm pilot USBF, một máy
nén khí, thiết bị khuấy trộn, bơm tuần hoàn bùn và bơm nước thải. Kết quả cho thấy,
hệ thống xử lý có khả năng loại bỏ 82,2% BOD5 và 85,7% COD trong thời gian lưu
nước 6 giờ. Khi tăng nồng độ các chất ô nhiễm lên đến 50%, khả năng loại bỏ các

[2].

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc
dòng bùn ngược do
Minh
Mẫu nước thải lấy tại bể gom

, thời điểm 8-9 giờ sáng. Mẫu nước

thải được bảo quản trong điều kiện thường của phòng thí nghiệm. Các thông số ô
nhiễm chính: COD = 1.600-5.687 mg/l; BOD5 = 784-2.975 mg/l; TN = 167,4-317,8
14


mg/l; SS = 1.350 -9.635 mg/l. Mô hình được làm từ vật liệu là nhựa tấm, có kích
thước 100×22×40 (dài×rộng×cao, đơn vị tính cm), bao gồm 3 module chính: ngăn
thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (Oxic) và ngăn lọc dòng ngược bùn sinh học
(USBF). Các thiết bị cần thiết bao gồm: bơm định lượng nước thải đầu vào, bơm
tuần hoàn bùn, máy thổi khí, bộ phận sục khí.

ghiên cứu

COD ≈ 97 %; SS tối đa 99,9 %; BOD5

99%; N

cao nhất đạt 97%; P có thể đạt 85%).

[3].
Nghiên cứu Thiết kế chế tạo bể USBF xử lý nước thải sơ chế thủy sản

cứu này chưa đủ để đánh giá khả năng xử lý tối ưu của hệ thống [5].
Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến bánh tráng bằng bể USBF được tiến
hành trên mô hình phòng thí nghiệm để xác định các thông số thiết kế, vận hành bể
USBF, từ đó ứng dụng để cải tạo hệ thống xử lý nước thải cho Xí nghiệp Bánh
tráng xuất khẩu - Tiền Giang. Mô hình bể USBF sử dụng trong thí nghiệm có kích
thước 75 lít gồm 3 ngăn: ngăn thiếu khí (19 lít), ngăn hiếu khí (45 lít) và ngăn lọc
bùn sinh học dòng ngược USBF (11 lít). Nước thải sau khi được xử lý sơ b
: COD = 842,5±5,3 mg/l; BOD5 = 567±3,6 mg/l; TP =
15


2,7±0,1 mg/l; TKN = 22±4,6 mg/l. Hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN và TP lần
lượt là 94,24%; 96,35%; 76,36% và 51,85%. Nồng độ các chất ô nhiễm chủ yếu của
nước thải xí nghiệp xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) [14].
:

-

-

5

-NH3

-

nitơ, photpho.

-


2.1.3. Nội dung nghiên cứu
2.1.3
a. Khảo sát quá trình thích nghi của bùn hoạt tính với nước rỉ rác

2PO4

(hoặc K2HPO4), sắt citrat và

MgSO4, được pha thành dung dịch để bổ sung dinh dưỡng cho vi sinh vật hàng
ngày. Tỷ lệ dinh dưỡng cho vi sinh vật ăn hàng ngày: 10 ml dinh dưỡng mỗi loại và
10 g đường đỏ cho 10 lít bùn nuôi. Tuy nhiên, tùy thuộc hàm lượng bùn có thể thay
đổi lượng dinh dưỡng thích hợp.
-10.000 mg/l.
Sau khi cho vào hệ thống thì cần có thời gian chạy thích nghi với nước rỉ rác. Trong
giai đoạn này, chạy thích nghi với lưu lượng nước thải là 1 l/h, tuần hoàn bùn
100%.
Tiến hành theo dõi và đánh giá sự phát triển của vi sinh trong môi trường
nước rỉ rác, theo dõi các thông số MLSS, SVI đến khi hàm lượng bùn hoạt tính đạt
khoảng 3.500 mg/l, SVI trong khoảng 80-120 ml/gMLSS thì tiến hành bố trí các thí
nghiệm tiếp theo.
b. Xác định hàm lượng bùn tối ưu

18