Hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm của hệ thống S-MBBR để xử lý nước thải có tỷ lệ C/N thấp: Phân tích COD, TN, NH₄⁺-N và TP

Phân tích hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm trong hệ thống S-MBBR để xử lý nước thải có tỷ lệ C/N thấp

Giới thiệu

Với sự tăng tốc của quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa, lượng nước thải có tỷ lệ C/N thấp (tỷ lệ carbon và nitơ thấp) ngày càng tăng, chủ yếu có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt, chế biến thực phẩm, nông nghiệp và nước làm mát tuần hoàn. Để giải quyết hiệu quả loại bỏ tổng nitơ (TN) kém trong nước thải có tỷ lệ C/N thấp, quá trình nitrat hóa-khử nitrat ngắn hạn và quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời (SND) đã thu hút sự chú ý trong những năm gần đây. Nói một cách tương đối, các điều kiện phản ứng của quy trình SND dễ kiểm soát hơn và nó có thể đạt được đồng thời cả việc loại bỏ carbon và loại bỏ nitơ. Vì vậy, nó có lợi thế đáng kể trong việc xử lý loại bỏ nitơ đối với nước thải có tỷ lệ C/N thấp. Lò phản ứng theo mẻ giải trình tự (SBR) tạo điều kiện loại bỏ nitơ và phốt pho bằng cách kiểm soát nồng độ oxy hòa tan. Khi kết hợp với lò phản ứng màng sinh học di chuyển (MBBR) để tạo thành hệ thống S-MBBR, màng sinh học trên các chất mang cung cấp các điều kiện tăng trưởng phân tầng cho vi khuẩn nitrat hóa hiếu khí và vi khuẩn khử nitrat anoxic, tạo ra môi trường vi mô SND đồng thời tăng diện tích bề mặt cụ thể và độ ổn định của vi sinh vật của hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng S-MBBR vượt trội hơn các quy trình truyền thống về hiệu quả loại bỏ nitơ và phốt pho, khả năng chống sốc và độ ổn định của hệ thống.

1 Vật liệu và phương pháp

1.1 Bố trí thí nghiệm.Thiết lập thí nghiệm chủ yếu bao gồm một bể chứa dòng nước vào, một máy thổi khí, một thiết bị khuấy, một bể chứa nước thải và lò phản ứng chính. Thể tích hiệu quả của lò phản ứng là 1,8 L và công suất xử lý trên mỗi chu kỳ là 1 L. Lò phản ứng được lấp đầy bằng một loại chất mang ái lực sinh học mới với tỷ lệ lấp đầy khoảng 25%. Nồng độ chất rắn lơ lửng dễ bay hơi hỗn hợp rượu (MLVSS) ban đầu trong lò phản ứng là 3000 mg/L.

1.2 Vật liệu thí nghiệm.Chất độn mang được điều chỉnh ái lực được điều chế bằng công nghệ trộn vật lý và ép đùn trục vít. Quy trình cụ thể như sau: 3% sắt hóa trị 0, HDPE và các vật liệu phụ trợ (2% zeolite tự nhiên, 2% polyqu Parentium-10 và 1% bột talc) được trộn đều. Sau đó, hỗn hợp được nấu chảy bằng máy đùn trục vít đơn SJ-20 và ép đùn thành các dải dạng hạt (đường kính khoảng 5 mm, dài 5–10 mm). Cuối cùng, các hạt rắn này được ép đùn bằng máy đùn trục vít đơn SJ-30 để tạo ra chất mang cuối cùng.

1.3 Điều kiện hoạt động.Hai lò phản ứng đã được thiết lập: một lò có chất mang (S-MBBR, được ký hiệu là R1) và một lò không có chất mang (SBR, được ký hiệu là R2). Tất cả các điều kiện khác được giữ nguyên. Giai đoạn đầu tiên là khởi động quá trình gắn màng sinh học, hoạt động ở chế độ SBR với tỷ lệ 3:3:2. Chu trình vận hành bao gồm các giai đoạn dòng chảy vào, tĩnh, phản ứng sục khí, khuấy thiếu khí, lắng và nước thải (3 h kỵ khí, sục khí 3 h, khuấy/lắng/nước vào/nước thải 2 h). NaHCO₃ được sử dụng để điều chỉnh độ pH dòng vào khoảng 8. Sau khi gắn màng sinh học thành công, nồng độ nitơ amoniac được thay đổi để giảm tỷ lệ C/N và thí nghiệm bắt đầu, như trình bày chi tiết trongBảng 1.

1.4 Nước thí nghiệm và bùn cấy.COD, NH₄⁺-N và tổng phốt pho (TP) trong nước thải tổng hợp được sử dụng để khởi động màng sinh học lần lượt được cung cấp bởi C₆H₁₂O₆, NH₄Cl và KH₂PO₄. Các nguyên tố vết bao gồm EDTA-2Na (18,76 g/L), CoCl₂·6H₂O (0,3 g/L), CuSO₄·5H₂O (0,32 g/L), NiCl₂·6H₂O (0,24 g/L), H₃BO₄ (0,018 g/L), ZnSO₄·7H₂O (0,54 g/L), MnCl·4H₂O (1,24 g/L), NaMoO₄·2H₂O (0,28 g/L) và NaWO₄·2H₂O (0,1 g/L). Thành phần của nước thải tổng hợp là: C₆H₁₂O₆ (0,47 g/L), NH₄Cl (0,095 g/L), KH₂PO₄ (0,022 g/L), NaCl (0,1 g/L), NaHCO₃ (0,15 g/L), MgSO₄·7H₂O (0,15 g/L), CaCl₂ (0,05 g/L), FeSO₄·7H₂O (0,02 g/L) và các nguyên tố vi lượng (1 mL/L). Bùn được lấy từ bể lắng thứ cấp của nhà máy xử lý nước thải ở Đại Liên.

1.5 Phương pháp phân tích.Các chỉ số định kỳ được đo theo các phương pháp tiêu chuẩn quy định trong "Phương pháp tiêu chuẩn để kiểm tra nước và nước thải" (ấn bản thứ 4) và các tiêu chuẩn quốc gia, bao gồm phân tích khả năng loại bỏ chất ô nhiễm, phân tích tắc nghẽn màng và phân tích sản lượng khí. Cụ thể: NH₄⁺-N được đo bằng phương pháp đo quang phổ thuốc thử axit salicylic; TP bằng phương pháp quang phổ amoni molybdat; NO₃⁻-N bằng phương pháp đo quang phổ thuốc thử axit sulfuric đậm đặc axit salicylic; NO₂⁻-N bằng phương pháp quang phổ N-(1-naphthyl)ethylenediamine; TN là tổng nồng độ của tất cả các dạng nitơ; COD được đo bằng phương pháp tiêu hủy nhanh; và nồng độ bùn (bao gồm MLSS và MLVSS) được đo bằng phương pháp trọng lượng.

2 Kết quả và phân tích

2.1 Hiệu suất loại bỏ COD

Chất hữu cơ đi vào bể phản ứng được loại bỏ qua các giai đoạn kỵ khí, hiếu khí (sục khí), khuấy thiếu khí, lắng và thải ra ngoài.Hình 1cho thấy hiệu suất loại bỏ COD của các lò phản ứng ở các giai đoạn vận hành khác nhau. Giai đoạn I là giai đoạn gắn màng sinh học và Giai đoạn II, III và IV là giai đoạn mà tỷ lệ C/N/P giảm xuống lần lượt là 100:8:1, 64:8:1 và 32:6:1. Tỷ lệ loại bỏ trung bình của R1 ở mỗi giai đoạn lần lượt là 95,57%, 96,25%, 92,70% và 94,18%; tỷ lệ loại bỏ trung bình R2 ở mỗi giai đoạn lần lượt là 94,71%, 96,19%, 92,54% và 94,68%. Có thể thấy, quy trình này có hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ tốt, trong điều kiện nước thải tương đối ổn định, đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn GB 18918-2002 (nồng độ COD < 50 mg/L). Do hệ thống được vận hành ở tỷ lệ C/N thấp nên nguồn carbon trở thành chất nền hạn chế thúc đẩy quá trình trao đổi chất hiệu quả. Không có sự khác biệt đáng kể trong việc loại bỏ COD giữa R1 và R2, chứng tỏ rằng chất mang được cải tiến ít ảnh hưởng đến việc loại bỏ COD.

2.2 Hiệu suất loại bỏ NH₄⁺-N và TN

Quá trình loại bỏ TN bao gồm hai bước chính: nitrat hóa và khử nitrat. Quá trình nitrat hóa, như một quá trình hiếu khí, dựa vào đủ vi sinh vật hiếu khí để chuyển đổi nitơ amoniac thành nitrat.Hình 2 và 3hiển thị hiệu suất loại bỏ NH₄⁺-N và TN tương ứng của các lò phản ứng. NH₄⁺-N và TN chủ yếu được loại bỏ trong giai đoạn sục khí hiếu khí và tĩnh thiếu khí. Giai đoạn I là giai đoạn gắn màng sinh học và Giai đoạn II, III và IV là giai đoạn mà tỷ lệ C/N/P giảm xuống lần lượt là 100:8:1, 64:8:1 và 32:6:1. Tỷ lệ loại bỏ NH₄⁺-N trung bình của R1 lần lượt là 92,53%, 95,83%, 99,70% và 98,31%; tỷ lệ loại bỏ NH₄⁺-N trung bình đối với R2 lần lượt là 84,34%, 91,82%, 99,70% và 97,52%. Tỷ lệ loại bỏ TN trung bình của R1 lần lượt là 89,53%, 87,21%, 82,44% và 83,20%; tỷ lệ loại bỏ TN trung bình đối với R2 lần lượt là 78,3%, 78,89%, 73,26% và 76,66%. So với R2, tỷ lệ loại bỏ NH₄⁺-N trung bình của R1 tăng lần lượt là 9,7%, 4,36%, 0% và 0,82%; tỷ lệ loại bỏ TN trung bình tăng lần lượt là 14,35%, 10,55%, 12,54% và 8,3%. Có thể thấy, hệ thống R1 vượt trội hơn R2 trong việc loại bỏ nitơ ở tất cả các giai đoạn, đặc biệt là ở giai đoạn đầu vận hành hệ thống, với sự khác biệt dần dần ổn định ở các giai đoạn sau.

Trong Giai đoạn I, nồng độ NH₄⁺-N trong dòng vào thấp và nguồn carbon tương đối đủ để đáp ứng cơ bản các yêu cầu khử nitrat, do đó nồng độ TN trong nước thải thấp. Các vi sinh vật được cấy vẫn đang trong giai đoạn thích nghi và cộng đồng vi sinh vật chức năng trong hệ thống chưa được thiết lập đầy đủ, dẫn đến việc loại bỏ NH₄⁺-N không ổn định, nhưng dần dần ổn định sau đó. Không có sự khác biệt đáng kể giữa hai lò phản ứng (R1 và R2) trong giai đoạn này. Bước sang giai đoạn II, nồng độ NH₄⁺-N đầu vào tăng đột ngột nhưng điều kiện sục khí không được điều chỉnh đồng thời gây biến động đáng kể trong hệ thống, đặc biệt là trong việc loại bỏ NH₄⁺-N và TN. Sau khoảng 6 ngày vận hành, hai lò phản ứng dần ổn định trở lại. Người ta suy đoán rằng lượng nitơ amoniac cao đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của vi khuẩn nitrat hóa, do đó nâng cao hiệu quả của quá trình nitrat hóa. Khi hệ thống tiếp tục vận hành, hệ thống nitrat hóa-khử nitrat trong các lò phản ứng dần dần được thiết lập và ổn định, đồng thời sự dao động của nồng độ TN giảm. Do sự có mặt của chất mang đã được sửa đổi, hệ thống R1 đạt được TN dư thấp hơn, trong đó chất mang cải thiện tốc độ loại bỏ TN của lò phản ứng và cũng tăng cường khả năng thích ứng của hệ thống với tải trọng va đập. Vào ngày thứ 49, để cải thiện khả năng loại bỏ PO₄, cường độ sục khí đã được tăng lên, thúc đẩy quá trình nitrat hóa hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, sự gia tăng nitrat được tạo ra bởi quá trình nitrat hóa dẫn đến nhu cầu về nguồn carbon để khử nitrat cao hơn, trong khi nguồn carbon ảnh hưởng tương đối không đủ ở giai đoạn này, dẫn đến TN nước thải tăng ở mức độ nhất định. Trong Giai đoạn III, COD được giảm hơn nữa, khiến nguồn carbon sẵn có cho quá trình khử nitrat trong lò phản ứng thậm chí còn khan hiếm hơn, hạn chế hơn nữa việc loại bỏ TN và mức nồng độ TN nước thải tổng thể tăng lên. Tuy nhiên, hệ thống R1 vẫn duy trì hiệu suất loại bỏ TN tốt hơn R2, chứng tỏ hiệu quả nâng cao của chất mang. Ở giai đoạn IV, nồng độ nitơ amoniac được tăng thêm. Dựa trên kinh nghiệm từ giai đoạn trước, sục khí được tăng lên một chút và thời gian sục khí được kéo dài đến 4 giờ, thúc đẩy hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa, giúp quá trình nitrat hóa hoàn thiện hơn và nâng cao hơn nữa hiệu quả loại bỏ NH₄⁺-N. Tuy nhiên, trước thách thức thiếu hụt nguồn carbon, quá trình khử nitrat bị hạn chế và nồng độ TN tăng nhẹ ở giai đoạn sau. Nhìn chung, lò phản ứng R1 vẫn vượt trội hơn R2, cho thấy khả năng loại bỏ TN mạnh hơn, cho thấy sau khi vận hành lâu dài, cấu trúc màng sinh học ổn định và môi trường hiếu khí-anoxic tổng hợp được hình thành trong R1 đã cung cấp không gian và điều kiện tốt cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời (SND). Zhang Kefang và cộng sự. đã sử dụng quy trình SBR để xử lý nước thải có tỷ lệ C/N thấp, đạt được quá trình oxy hóa, nitrat hóa và khử nitrat chất hữu cơ trong một lò phản ứng duy nhất, với tỷ lệ loại bỏ TN vượt quá 80%. Những kết quả này chứng minh một cách hiệu quả rằng quá trình khử nitrat sinh học một giai đoạn là hoàn toàn khả thi.

2.3 Hiệu suất loại bỏ TP

Trong xử lý nước thải, việc loại bỏ phốt pho chủ yếu dựa vào các vi sinh vật cụ thể, chẳng hạn như sinh vật tích lũy phốt pho (PAO), hấp thụ phốt pho hòa tan trong điều kiện hiếu khí và giải phóng phốt pho trong điều kiện kỵ khí.Hình 4cho thấy hiệu suất loại bỏ TP của các lò phản ứng. TP đã được loại bỏ trong giai đoạn sục khí hiếu khí. Nồng độ TP ở các giai đoạn I, II và III không thay đổi, nồng độ trung bình đầu vào là 5,01 mg/L. Ở giai đoạn IV, nồng độ TP trung bình đầu vào là 10,30 mg/L. Nồng độ nước thải trung bình của R1 trong mỗi giai đoạn lần lượt là 0,27 mg/L, 0,16 mg/L, 0,13 mg/L và 1,92 mg/L với tỷ lệ loại bỏ trung bình lần lượt là 94,73%, 96,78%, 97,54% và 81,35%. Nồng độ nước thải trung bình của R2 lần lượt là 0,39 mg/L, 0,35 mg/L, 0,33 mg/L và 0,33 mg/L với tỷ lệ loại bỏ trung bình lần lượt là 92,19%, 93,01%, 93,61% và 68,79%. So với R2, tỷ lệ loại bỏ TP trung bình của R1 tăng lần lượt là 2,75%, 4,05%, 4,20% và 18,26% trong mỗi giai đoạn.

Trong hệ thống R1, chất mang cung cấp bề mặt để vi sinh vật bám vào, thúc đẩy sự phát triển và trao đổi chất của PAO, giúp hình thành màng sinh học ổn định, tăng cường hoạt động của cộng đồng vi sinh vật, từ đó nâng cao khả năng loại bỏ phốt pho của lò phản ứng và giúp quá trình loại bỏ phốt pho sinh học hiệu quả hơn. Ở Giai đoạn II, bằng cách thay đổi nồng độ NH₄⁺-N để thúc đẩy quá trình nitrat hóa, mức tiêu thụ oxy của hệ thống đã tăng lên. Vì vậy, vào ngày thứ 49, sục khí được tăng lên để đẩy nhanh quá trình loại bỏ phốt pho. Ở Giai đoạn III, COD giảm dẫn đến thiếu hụt nguồn carbon, điều này không chỉ cản trở quá trình khử nitrat mà còn ảnh hưởng đến hoạt động trao đổi chất của PAO. Ở Giai đoạn IV, hệ thống sụp đổ do tỷ lệ C/N trong lò phản ứng giảm từ 8 xuống 5,3. Sự cạnh tranh gay gắt về nguồn carbon làm giảm nguồn carbon sẵn có cho PAO trong giai đoạn yếm khí, dẫn đến giảm tổng hợp PHA, từ đó ảnh hưởng đến quá trình thủy phân polyphosphate và quá trình oxy hóa PHA trong điều kiện hiếu khí, cuối cùng cản trở sự phát triển của PAO và khả năng hấp thu phốt pho, đồng thời dẫn đến giảm hiệu quả loại bỏ phốt pho. Tuy nhiên, lượng phốt pho còn sót lại trong R1 vẫn thấp hơn trong R2, cho thấy tác dụng thúc đẩy của chất mang vẫn tồn tại.

3 Kết luận

Một thí nghiệm so sánh đã được tiến hành giữa hệ thống S-MBBR được xây dựng và hệ thống SBR để đánh giá một cách có hệ thống hiệu suất loại bỏ nitơ và phốt pho của chúng trong điều kiện nước thải có tỷ lệ C/N thấp. Kết quả cho thấy hệ thống S-MBBR vượt trội hơn hệ thống SBR thông thường trong việc loại bỏ COD, NH₄⁺-N, TN và TP. Đặc biệt trong điều kiện thiếu nguồn carbon, tốc độ loại bỏ TN và NH₄⁺-N tăng tối đa lần lượt đạt 14,35% và 8,19%. Ngoài ra, hệ thống S-MBBR còn thể hiện khả năng chống sốc tải mạnh và độ ổn định nước thải ở các giai đoạn vận hành khác nhau. Sự ra đời của các chất mang lơ lửng đã tối ưu hóa một cách hiệu quả cấu trúc môi trường vi mô của hệ thống, thúc đẩy sự xuất hiện của quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời (SND), tăng cường sự đa dạng của vi sinh vật và hoạt động trao đổi chất, đồng thời cải thiện khả năng xử lý tổng thể của hệ thống. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng công nghệ S-MBBR có triển vọng ứng dụng tốt để xử lý nước thải có tỷ lệ C/N thấp và có thể cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để tối ưu hóa và nâng cấp các quy trình xử lý nước thải hiện có.