BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

TRỊNH XUÂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG
NƯỚC NGẦM TRÊN HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG VẬT
LIỆU MANG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 9 52 03 20
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI – 2018


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công
nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Trần Đức Hạ
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TSKH. Ngô Quốc Bưu

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

amoni trong quá trình xử lý và sử dụng nước cấp cho ăn uống
và sinh hoạt theo cơ chế sau: Trong quá trình xử lý nước, trong
các bể lọc luôn luôn được hình thành một cách tự nhiên các vi
khuẩn Nitrosomonas. Các vi khuẩn này chuyển hoá một phần
amoni trong nước ngầm thành các sản phẩm trung gian là nitrit.
Nếu có đủ điều kiện, dưới tác dụng của một loại vi khuẩn khác
cũng được hình thành một cách tự nhiên trong bể lọc là
Nitrobacter, các sản phẩm trung gian nitrit tiếp tục được
chuyển hoá thành nitrat. Trong khi chưa đủ cơ sở để đánh giá


2
mức độ và hướng tác hại của amoni lên cơ thể con người thì tác
hại của sản phẩm có nguồn gốc từ amoni là nitrit NO2-, nitrat
NO3- lại được biết rõ. Các chất nitrit NO2- và nitrat NO3- là các
tác nhân gây nên sự phá hoại hồng cầu ở trẻ em và có thể là tác
nhân gây bệnh ung thư.
Một trong những công nghệ hiếm hoi có thể đáp ứng
các tiêu chí đòi hỏi trên là công nghệ màng vi sinh chuyển
động (Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR). Đó là công
nghệ sử dụng màng vi sinh bám trên chất mang, chất mang
chuyển động trong nước khi hoạt động. Hiệu quả xử lý của nó
chỉ thấp hơn dạng kỹ thuật lưu thể (fluidized bed reactor), cao
hơn nhiều so với các kỹ thuật khác, bù lại vận hành nó đơn
giản hơn nhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể (đòi hỏi trình độ tự
động hóa cao).
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.

(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.

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

huyện Thanh Trì.

hiện

trường

là

NMN

Yên

Xá,


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

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

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

dt

(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)

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
KS  S

(2-18)

Kết hợp 2 phương trình (2-16), (2-17) và (2-18) ta có:



của mật độ sinh khối và của nồng độ cơ chất được viết như sau:
dX
(2-22)
 Q.Xo   Qw .Xr  Qe .Xe   V.vg'
dt
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)

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:
Qw .X r  Qe .Xe
 Yvsu  k p .X
V
Chia 2 vế cho X ta có:
Qw .X r  Qe .Xe
Yv
  su  k p
V.X
X

k.X.S
Vsu  
 0
KS  S

Chia cả 2 vế cho X ta có
S S
k.S
 o
KS  S
.X

(2-29)

(2-30)

Tuyến tính hóa (2-30) bằng cách nghịch đảo:
K
.X
1
(2-31)
 S
So  S k.S k
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

SO  S
SO

SO  S SO .H.Q


V

r  k.Snra

(2-34)
(2-35)
(2-36)

Khi đó tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng đối với nitrat được
tính theo công thức:

U

r
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:


.
c .X r
X r c
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.

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

Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm

tính toán qua các thí nghiệm.

liên tục 1 bình phản ứng

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

Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm 2

được ghép nối tiếp nhau. Sơ

bình nối tiếp

đồ thí nghiệm được bố trí như
các hình

từ 2.2 đến 2.4 sẽ

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: r  k.Snra 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

Hiệu suất sinh khối Y (gSK/gNH4+-N)
Hệ số tiêu thụ cơ chất riêng k (d-1)
Chỉ số bán bão hòa Ks, NH4+ (gN/m3)
Hệ số phân hủy nội sinh kp (d-1)

0.1 – 0.38
0.41 – 0.61
0.92 – 1.13
0.01 – 0.04

Đại
diện
0.25
0.55
1.00
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
Giá trị

Thông số
Khoảng

Đại diện



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

tích

bề

mặt

cao

khoảng

amoni trong nước ngầm Hà Nội đảm bảo tiêu chuẩn
QCVN01:2009/BYT về chỉ tiêu amoni, nitrit và nitrat cấp nước
sạch cho nhân dân thủ đô và mở rộng cho các địa phương khác
tại Việt Nam.
ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Vật liệu mang vi sinh dạng xốp DHY có tiết diện bề
mặt cao cho phép tích hợp quá trình nitrat hóa và khử nitrat
trong cùng một bể xử lý, ngay tại ngăn hiếu khí của bể.
- Quá trình khử nitrat mà không cần bổ sung cơ chất
bên ngoài, sử dụng cơ chất từ phân hủy nội sinh.
- Thiết kế tích hợp bể MBBR với bể lọc tự rửa dưới
dạng modul để loại bỏ amoni trong nước ngầm Hà Nội.