Nghiên cứu ở quy mô-thí điểm về hệ thống A/O-MBBR nhiều giai đoạn để loại bỏ nitơ ở nhiệt độ trung bình-thấp
Tổng quan
Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã đạt được những kết quả đáng kể trong quản lý môi trường nước nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đề như thiếu hụt tài nguyên nước, ô nhiễm môi trường nước và hủy hoại môi trường sinh thái nước. Từ góc độ bảo vệ tài nguyên nước, ngăn ngừa ô nhiễm nước và phục hồi hệ sinh thái nước, việc liên tục thúc đẩy nâng cao hiệu suất và hiệu quả xử lý nước thải có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng tỷ lệ sử dụng tài nguyên nước, cải thiện chất lượng môi trường nước, nâng cao chất lượng cuộc sống quốc gia, đẩy nhanh xây dựng môi trường sinh thái và giành chiến thắng trong cuộc chiến vì nước sạch. Hiện tại, dựa trên "Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải đô thị" (GB18918-2002) quốc gia hiện hành, chính quyền địa phương đã liên tiếp đề xuất các yêu cầu mới về chất lượng nước thải của các nhà máy xử lý nước thải đô thị, với yêu cầu đặc biệt khắt khe hơn về các chỉ số như chất hữu cơ, nitơ amoniac và tổng nitơ. Các công nghệ xử lý nước truyền thống được thể hiện bằng quy trình bùn hoạt tính phải đối mặt với những hạn chế như quá trình nitrat hóa sinh học bị hạn chế ở nhiệt độ thấp. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất nitrat hóa của quy trình bùn hoạt tính giảm đáng kể trong điều kiện nhiệt độ-thấp, kèm theo các vấn đề như cặn bùn nghiêm trọng và cặn sinh học. Do đó, việc vượt qua nút cổ chai ở nhiệt độ thấp và đạt được khả năng loại bỏ nitơ sinh học ổn định và hiệu quả đã trở thành một vấn đề cấp bách cần giải quyết trong lĩnh vực xử lý nước thải. Công nghệ Lò phản ứng màng sinh học di chuyển (MBBR) đã được áp dụng tại hàng trăm nhà máy xử lý nước thải trên toàn thế giới. Do trạng thái tăng trưởng gắn liền của màng sinh học trong lò phản ứng và khả năng tái tạo liên tục của nó, nó không chỉ sở hữu sinh khối cao mà còn duy trì hoạt động cao. Kết quả ứng dụng ở các nước Bắc Âu cũng chỉ ra rằng nó có khả năng thích ứng tốt hơn với nhiệt độ thấp so với quy trình bùn hoạt tính.
Vì lý do này, nghiên cứu này nhắm đến các đặc điểm của nước thải đô thị ở Trung Quốc, sử dụng các ưu điểm của MBBR và quy trình Anoxic/Oxic (A/O) nhiều giai đoạn để loại bỏ nitơ sinh học để xây dựnghệ thống quy mô ba-A/O-MBBR thí điểm{2}}giai đoạn ba. Khả năng loại bỏ chất hữu cơ, nitơ amoniac và tổng nitơ vô cơ của hệ thống trong điều kiện nhiệt độ trung bình-thấp đã được nghiên cứu. Khả năng nitrat hóa và những thay đổi hình thái của màng sinh học trong điều kiện thí nghiệm tĩnh đã được phân tích, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để loại bỏ nitơ ổn định và hiệu quả khỏi nước thải đô thị trong điều kiện nhiệt độ-thấp cũng như cho việc xây dựng và điều chỉnh hệ thống A/O{5}}giai đoạn nhiều{4}}MBBR.
1. Vật liệu và phương pháp
1.1 Chế độ vận hành và thiết lập thử nghiệm hệ thống ở quy mô-thử nghiệm
Quy trình xử lý của hệ thống tỷ lệ A/O-MBBR thí điểm{2}}ba giai đoạn được xây dựng được hiển thị trongHình 1. Hệ thống-quy mô thí điểm bao gồm ba giai đoạn thiếu oxy/oxic (A/O), được chia tổng cộng thành 10 vùng phản ứng.Giai đoạn-đầu tiênA/O-Hệ thống con MBBR bao gồm các vùng phản ứng thiếu khí (A1, A2) và các vùng phản ứng hiếu khí (O3, O4).Giai đoạn-thứ haiA/O-Hệ thống con MBBR bao gồm các vùng phản ứng thiếu khí (A5, A6) và các vùng phản ứng hiếu khí (O7, O8).Giai đoạn-thứ baA/O-Hệ thống con MBBR bao gồm vùng phản ứng thiếu khí (A9) và vùng phản ứng hiếu khí (O10). Khối lượng hiệu dụng củamỗi vùng phản ứng nói trên là 1,4 m³ (1m * 1m * 1,4m), với độ sâu nước hiệu quả là 1,4 m. Các chất mang màng sinh học lơ lửng (môi trường) có diện tích bề mặt cụ thể là 500 m2/m³ đã được thêm vào từng phân đoạn vùng phản ứng, với tỷ lệ lấp đầy chất mang là 35% cho tất cả các chất mang.. Trộn cơ học được sử dụng trong các vùng phản ứng thiếu khí để giữ cho chất mang ở trạng thái sôi, trong khi sục khí bằng ống đục lỗ được sử dụng trong các vùng phản ứng hiếu khí, kiểm soátnồng độ oxy hòa tan ở mức 3-9 mg/L.
Tốc độ dòng vào thực tế của hệ thống quy mô-thí điểm là (23.6 + 5.4) m³/d, sử dụng phân phối dòng nước chảy vào hai-điểm, với các điểm đầu vào được đặt ở vùng phản ứng A1 và O5 và tỷ lệ nước vào là 1:1. Hệ thống-cân thí điểm có hai bộ tuần hoàn chất lỏng nitrat hóa (từ O4 đến A1 và từ O8 đến A5), với tỷ lệ tuần hoàn từ 100% đến 200% (dựa trên tốc độ dòng vào của từng giai đoạn). Để đảm bảo quá trình khử nitrat sau{15}}thích hợp, 50-90 mg/L natri axetat (được tính bằng COD) đã được thêm vào làm nguồn carbon bên ngoài trong vùng phản ứng A9. Toàn bộ nghiên cứu thực nghiệm được chia thành 2 giai đoạn: Giai đoạn I - Nhiệt độ bình thường (18-29 độ ); Giai đoạn II - Nhiệt độ trung bình thấp (10-16 độ ).
1.2 Nước thử nghiệm
Thử nghiệm thí điểm được tiến hành tại-tại nhà máy xử lý nước thải đô thị ở Thành phố Thanh Đảo. Nước thử nghiệm được lấy từ nước thải của bể lắng sơ cấp của nhà máy này và đi vào hệ thống thí điểm sau khi xử lý sơ bộ tăng cường bằng tuyển nổi. Các điều kiện chất lượng nước sau khi xử lý sơ bộ tuyển nổi nâng cao được thể hiện trongBảng 1.
1.3 Các chỉ số và phương pháp phát hiện
1.3.1 Các chỉ số thông thường
Các chỉ số thông thường như SCOD, NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, SS, MLSS và MLVSS được đo bằng các phương pháp tiêu chuẩn từ "Phương pháp phân tích và giám sát nước và nước thải". Oxy hòa tan, nhiệt độ, pH và ORP được đo bằng máy đomáy đo oxy hòa tan cầm tay (HACH HQ40d). Độ dày màng sinh học được đo bằng máykính hiển vi huỳnh quang đảo ngược (Olympus, IX71).
1.3.2 Thí nghiệm tĩnh nitrat hóa
Trong quá trình vận hành hệ thống, chất mang từ vùng hiếu khí được lấy mẫu định kỳ để đo khả năng nitrat hóa của màng sinh học trong điều kiện phản ứng tĩnh. Chất mang từ mỗi vùng phản ứng hiếu khí được đặt vào lò phản ứng 5L, với tỷ lệ lấp đầy giống với hệ thống thí điểm ở mức 35%. Nước thử nghiệm là dung dịch NH₄Cl được cấu hình nhân tạo với nồng độ khối lượng là 20{10}}25 mg/L (được tính bằng N). Trong quá trình thí nghiệm, một máy bơm không khí nhỏ được sử dụng để sục khí nhằm giữ cho chất mang ở trạng thái lỏng đồng thời kiểm soát lượng oxy hòa tan ở mức 7-11 mg/L. Thời gian thử nghiệm là 2 giờ, với khoảng thời gian lấy mẫu là 30 phút, đo sự thay đổi nồng độ NH₄⁺-N để tính toán khả năng nitrat hóa của màng sinh học trong điều kiện phản ứng tĩnh.
2. Kết quả và phân tích
2.1 Hiệu suất hoạt động của Hệ thống thí điểm A/O{2}}MBBR ba-giai đoạn
Hiệu suất hoạt động của hệ thống thí điểm A/O{1}}MBBR ba giai đoạn-giai đoạn được thể hiện trongHình 2. Ở pha nhiệt độ bình thường (Giai đoạn I), với nhiệt độ phản ứng là 18-29 độ, tốc độ dòng xử lý là (23.6+5.4) m³/d và liều lượng nguồn carbon là 50 mg/L (được tính bằng COD, tương tự bên dưới) trong vùng anoxic của hệ thống con A/O-MBBR giai đoạn thứ ba, nồng độ SCOD, NH₄⁺-N và TIN của hệ thống lần lượt là (160±31), (35,0±7,2) và (35,8±7,0) mg/L và nồng độ nước thải được xử lý lần lượt là (27±8), (0,6±0,5) và (2,7±2,2) mg/L.tỷ lệ loại bỏ trung bình đạt 83,1%, 98,3% và 92,5%. Ở pha trung bình-nhiệt độ thấp (Giai đoạn II), với nhiệt độ phản ứng là 10-16 độ, cùng tốc độ dòng xử lý là (23.6+5.4) m³/d và liều lượng nguồn carbon là 50-90 mg/L trong vùng anoxic của hệ thống con A/O-MBBR giai đoạn thứ ba-, SCOD dòng vào của hệ thống, NH₄⁺-N và Nồng độ TIN lần lượt là (147±30), (38,3±2,1) và (39,6±2,3) mg/L và nồng độ nước thải lần lượt là (26±6), (0,4±0,6) và (6,8±3,6) mg/L.tỷ lệ loại bỏ trung bình đạt 82,3%, 99,0% và 82,8%. Hơn nữa, trong ngày thứ 56-62 vận hành hệ thống, khi liều lượng nguồn carbon là 50 mg/L, sự tích lũy NO₂⁻-N đáng kể đã xuất hiện trong vùng phản ứng A9. Tuy nhiên, sau khi tăng dần liều lượng nguồn carbon lên 90 mg/L, sự tích lũy NO₂⁻-N trong vùng phản ứng A9 dần biến mất và nồng độ TIN trong nước thải giảm xuống mức hợp lý.
2.2 Những thay đổi về khả năng nitrat hóa màng sinh học ở từng vùng phản ứng hiếu khí ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau
Để đánh giá sự thay đổi về khả năng nitrat hóa của hệ thống MBBR ba{0}}giai đoạn A/O{1}} từ góc nhìn tổng thể, tốc độ đóng góp của quá trình nitrat hóa NH₄⁺-N và khả năng nitrat hóa của màng sinh học ở từng vùng phản ứng hiếu khí ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau đã được phân tích, với kết quả được trình bày trongHình 3 và 4, tương ứng.
Hình 4 Tải lượng loại bỏ nitrat hóa và đường cong phù hợp trong vùng hiếu khí của hệ thống con A/O-MBBR giai đoạn 1 và 2 dưới các nhiệt độ phản ứng khác nhau
TừHình 3, có thể thấy rằng trong hệ thống MBBR ba-giai đoạn A/O{1}}, do có hai-điểm chảy vào, các vùng phản ứng O3 và O4 của hệ thống con MBBR-giai đoạn A/O{6}}đầu tiên và các vùng phản ứng O7 và O8 của hệ thống con MBBR-giai đoạn A/O{10}}thứ hai chịu tải trọng nitrat hóa chính của hệ thống. Trong cả điều kiện nhiệt độ thấp{12}}bình thường và trung bình,NH₄⁺-Tỷ lệ đóng góp quá trình nitrat hóa N của hai hệ thống con này lần lượt là 43,1%, 49,6% và 33,8%, 54,0%. Điều này cho thấy rằng trong điều kiện nhiệt độ trung bình-thấp, tốc độ đóng góp quá trình nitrat hóa NH₄⁺-N của hệ thống con giai đoạn thứ hai-cao hơn 20,2% so với hệ thống con giai đoạn một-.
TừHình 4(a) và (c), có thể thấy rằng đối với các màng sinh học trong vùng phản ứng hiếu khí O3 và O7 ở nhiệt độ bình thường, chúng là vùng phản ứng chính trong hệ thống MBBR ba-giai đoạn A/O-để phân hủy chất hữu cơ kết hợp với chức năng nitrat hóa. Khi tải loại bỏ SCOD trên diện tích bề mặt chất mang (viết tắt là "tải loại bỏ SCOD", tính bằng COD) nhỏ hơn 2,0 g/(m2·d) và tải lượng loại bỏ nitrat hóa trên diện tích bề mặt chất mang (viết tắt là "tải nitrat hóa", tính bằng N) nhỏ hơn 1,6 g/(m²·d), mối quan hệ giữa tải loại bỏ nitrat hóa trên diện tích bề mặt chất mang (viết tắt là "tải loại bỏ nitrat hóa", được tính bằng N) và quá trình nitrat hóa tải tuân theo phản ứng tuyến tính bậc nhất-với hệ số góc lần lượt là 0,83 và 0,84. Khi tải lượng nitrat hóa tăng lên 1,6{12}}6,0 g/(m²·d), mối quan hệ giữa tải lượng loại bỏ nitrat hóa và tải lượng nitrat hóa diễn ra theo phản ứng bậc 0{18}}, với tải lượng loại bỏ nitrat hóa trung bình tương ứng là 1,31 và 1,34 g/(m²·d). Khi tải loại bỏ SCOD là 2,0{24}}4,0 g/(m²·d) và tải lượng nitrat hóa là 1,6-6,0 g/(m²·d), mặc dù mối quan hệ phản ứng bậc 0 giữa tải loại bỏ nitrat hóa và tải lượng nitrat hóa không thay đổi, tải lượng loại bỏ nitrat hóa trung bình tương ứng giảm xuống lần lượt là 0,95 và 0,97 g/(m²·d). Đối với màng sinh học trong vùng phản ứng hiếu khí O3 và O7 ở nhiệt độ trung bình thấp, khi tải loại bỏ SCOD nhỏ hơn 2,0 g/(m2·d) và tải lượng nitrat hóa nhỏ hơn 1,1 g/(m2·d), độ dốc tuyến tính của tải lượng loại bỏ nitrat hóa so với tải lượng nitrat hóa giảm xuống tương ứng là 0,71 và 0,81. Khi tải lượng nitrat hóa tăng lên 1,1-6,0 g/(m2·d), tải lượng loại bỏ nitrat hóa trung bình tương ứng giảm xuống lần lượt là 0,78 và 0,94 g/(m2·d), tương ứng giảm 40,4% và 19,4% so với điều kiện nhiệt độ bình thường. Khi tải lượng loại bỏ SCOD tăng lên 2,0-4,0 g/(m2·d), tải lượng loại bỏ nitrat hóa trung bình tương ứng giảm xuống lần lượt là 0,66 và 0,91 g/(m2·d), tương ứng với mức giảm 30,5% và 6,2% so với điều kiện nhiệt độ bình thường. Khả năng nitrat hóa của màng sinh học ở vùng phản ứng O3 phù hợp với kết quả nghiên cứu của HEM et al. trong điều kiện tương ứng. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là trong điều kiện nhiệt độ trung bình thấp, so với màng sinh học vùng phản ứng O3, màng sinh học vùng phản ứng O7 thể hiện khả năng nitrat hóa mạnh hơn.
TừHình 4(b) và (d), có thể thấy rằng đối với các màng sinh học trong vùng phản ứng hiếu khí O4 và O8 ở nhiệt độ bình thường, chúng là các vùng phản ứng trong hệ thống MBBR ba-giai đoạn A/O-chủ yếu phục vụ chức năng nitrat hóa bổ sung. Khi tải loại bỏ SCOD nhỏ hơn 1,0 g/(m²·d) và tải lượng nitrat hóa nhỏ hơn 1,3 g/(m²·d), mối quan hệ giữa tải lượng loại bỏ nitrat hóa và tải lượng nitrat hóa tuân theo phản ứng tuyến tính bậc một-với hệ số góc tương ứng là 0,86 và 0,88. Khi tải lượng nitrat hóa tăng lên 1,3{12}}3,0 g/(m²·d), mối quan hệ giữa tải lượng loại bỏ nitrat hóa và tải lượng nitrat hóa diễn ra theo phản ứng bậc 0{16}}, với tải lượng loại bỏ nitrat hóa trung bình tương ứng là 1,11 và 1,13 g/(m²·d). Trong điều kiện nhiệt độ trung bình thấp, khi tải loại bỏ SCOD nhỏ hơn 1,0 g/(m2·d) và tải lượng nitrat hóa nhỏ hơn 1,0 g/(m²·d), độ dốc tuyến tính của tải loại bỏ nitrat hóa so với tải lượng nitrat hóa giảm xuống lần lượt là 0,72 và 0,84. Khi tải lượng nitrat hóa tăng lên 1,0-3,0 g/(m²·d), tải lượng loại bỏ nitrat hóa trung bình tương ứng lần lượt là 0,72 và 0,86 g/(m²·d), tương ứng với mức giảm 35,1% và 23,9% so với điều kiện nhiệt độ bình thường.
Từ phân tích trên, có thể thấy rằng ở nhiệt độ-thấp trung bình, các điểm uốn của mối quan hệ giữa tải lượng loại bỏ nitrat hóa và tải lượng nitrat hóa cho màng sinh học ở mỗi vùng phản ứng xảy ra sớm hơn so với nhiệt độ bình thường. Hiện tượng này tương đối phù hợp với kết quả nghiên cứu của SAFWAT. Nhìn chung, mặc dù khả năng nitrat hóa của màng sinh học ở từng vùng hiếu khí của hệ thống có xu hướng giảm ở nhiệt độ-thấp trung bình,khả năng nitrat hóa của màng sinh học trong vùng phản ứng O7 của hệ thống con MBBR giai đoạn thứ hai-A/O{2}}MBBR tăng 20,5%-37,9% so với vùng phản ứng O3 và khả năng nitrat hóa của màng sinh học trong vùng phản ứng O8 tăng khoảng 19,4% so với vùng phản ứng O4. Điều này cho thấy rằng việc thiết lập vùng phản ứng-giai đoạn thứ hai trong hệ thống MBBR-giai đoạn A/O{3}}ba giai đoạn là có lợi cho việc cải thiện khả năng nitrat hóa tổng thể của hệ thống.
2.3 Những thay đổi về khả năng khử nitơ của màng sinh học ở từng vùng phản ứng thiếu oxy ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau
Để đánh giá những thay đổi về khả năng khử nitrat của hệ thống MBBR ba{0}}giai đoạn A/O{1}} từ góc độ tổng thể, nghiên cứu này đã phân tích khả năng khử nitrat của màng sinh học ở từng vùng phản ứng thiếu oxy ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau, với kết quả được hiển thị trongHình 5.
Hình 5 Tải lượng loại bỏ khử nitrat trong từng vùng anoxic của hệ thống MBBR ba-giai đoạn A/O{2}}ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau
TừHình 5(a) và (c), có thể thấy rằng đối với các vùng phản ứng thiếu oxy A1 và A5, chúng là các vùng khử nitrat chính trong hệ thống MBBR ba-giai đoạn A/O-MBBR sử dụng nguồn carbon nước thô làm chất nền. Trong cả điều kiện nhiệt độ thấp-bình thường và trung bình, khi tỷ lệ carbon khử nitrat hóa{6}}trên-nitơ tương ứng (ΔCBSCOD / CNOx{13}}-N) lớn hơn 5,0 và tải lượng khử nitrat trên diện tích bề mặt chất mang (viết tắt là "tải lượng khử nitrat", được tính bằng NOx{27}}-N) nhỏ hơn 0,95 g/(m²·d), mối quan hệ giữa tải loại bỏ khử nitrat trên diện tích bề mặt chất mang (viết tắt là "tải loại bỏ khử nitrat", được tính bằng NOx--N) và tải lượng khử nitrat theo phản ứng tuyến tính bậc nhất-với độ dốc lần lượt là 0,87, 0,88 và 0,82, 0,84. Khi tải lượng khử nitrat tăng lên trên 0,95 g/(m²·d), mối quan hệ giữa tải lượng khử nitrat và tải lượng khử nitrat diễn ra theo phản ứng bậc 0, với tải lượng khử nitrat hóa trung bình tương ứng là 0,82, 0,82 g/(m²·d) và 0,78, 0,77 g/(m²·d). Khi ΔCBSCOD / CNOx--N giảm, điểm uốn của mối quan hệ giữa tải loại bỏ nitrat hóa và tải lượng khử nitrat dịch chuyển về phía trước, độ dốc tuyến tính trong điều kiện tải thấp cho thấy xu hướng giảm, đồng thời, tải lượng loại bỏ khử nitrat trung bình trong điều kiện tải cao cũng cho thấy xu hướng giảm. Những kết quả này chỉ ra rằng đối với quá trình khử nitrat ở màng sinh học ở vùng phản ứng A1 và A5 sử dụng nguồn carbon nước thô, tỷ lệ carbon-nitơ là yếu tố chính quyết định chức năng khử nitrat và trong điều kiện chất lượng nước thử nghiệm, tỷ lệ carbon-nitơ lý tưởng cho vùng phản ứng thiếu oxy A1 và A5 phải lớn hơn 5.
Từ Hình 5(b) và (d), có thể thấy rằng đối với các vùng phản ứng thiếu oxy A2 và A6, do các vùng phản ứng thiếu oxy A1 và A5 đã loại bỏ và tiêu thụ các nguồn carbon trong nước thải thô và phần lớn nitrat được mang theo bởi dòng tuần hoàn, nên các vùng phản ứng thiếu khí A2 và A6 ở trạng thái tải-thiếu chất nền-thấp{8}}thấp về lâu dài. Do đó, trong cả điều kiện nhiệt độ thấp{10}}bình thường và trung bình, khi ΔCBSCOD / CNOx--N nằm trong khoảng 1,0-2,0 và tải khử nitrat nhỏ hơn 0,50 g/(m²·d), độ dốc tuyến tính của tải loại bỏ nitrat so với tải khử nitrat lần lượt chỉ là 0,51, 0,40 và 0,47, 0,37. Hơn nữa, khi tải lượng khử nitrat tăng lên 0,50-1,50 g/(m2·d), tải lượng khử nitrat trung bình tương ứng chỉ là 0,25, 0,20 và 0,20, 0,17 g/(m2·d). Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm tĩnh trong nghiên cứu này cho thấy trong điều kiện có đủ nguồn carbon và chất nền nitrat, tải lượng loại bỏ nitrat của màng sinh học ở vùng phản ứng anoxic A2 và A6 có thể đạt lần lượt là (0,66±0,14) và (0,68±0,11) g/(m2·d). Kết quả này phản ánh rằng màng sinh học ở vùng phản ứng anoxic A2 và A6 thực sự có khả năng khử nitrat tương đối mạnh, điều này bị hạn chế do thiếu nguồn carbon và chất nền nitrat trong hệ thống thí điểm này.
TừHình 5(e), có thể thấy rằng đối với vùng phản ứng anoxic A9, nó chịu tải lượng khử nitrat cho tất cả nitrat chảy ra từ hai giai đoạn đầu tiên của hệ thống MBBR ba-giai đoạn A/O{2}}, sử dụng natri axetat được bổ sung từ bên ngoài làm nguồn cacbon khử nitrat. Trong cả điều kiện nhiệt độ thấp-bình thường và trung bình, khi ΔCBSCOD / CNOx--N lớn hơn 5 và tải khử nitrat nhỏ hơn 2,5 g/(m²·d), mối quan hệ giữa tải loại bỏ khử nitrat và tải khử nitrat tuân theo phản ứng tuyến tính bậc nhất{16}}với độ dốc tương ứng là 0,93 và 0,94. Tuy nhiên, khi ΔCBSCOD / CNOx{17}}-N giảm, độ dốc tuyến tính của mối quan hệ giữa tải loại bỏ khử nitrat và tải lượng khử nitrat có xu hướng giảm. Kết quả này cũng chỉ ra rằng đối với quá trình khử nitrat ở màng sinh học ở vùng phản ứng A9 sử dụng nguồn carbon bên ngoài, tỷ lệ carbon-nitơ cũng là yếu tố chính quyết định chức năng khử nitrat, với tỷ lệ carbon-nitơ khử nitrat cần thiết lớn hơn 3. Đồng thời, ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ phản ứng đến chức năng khử nitrat của nó là tương đối nhỏ.
2.4 Khả năng nitrat hóa và đặc điểm hình thái của màng sinh học ở từng vùng phản ứng hiếu khí trong điều kiện thí nghiệm tĩnh
Khả năng nitrat hóa của màng sinh học ở từng vùng phản ứng hiếu khí trong điều kiện thí nghiệm tĩnh được thể hiện ởHình 6. Từ Hình 6, có thể thấy rằng ở nhiệt độ bình thường, khả năng nitrat hóa của màng sinh học ở các vùng phản ứng hiếu khí O3, O4, O7 và O8 lần lượt là (1,37±0,21), (1,23±0,15), (1,40±0,20) và (1,25±0,13) g/(m²·d). Ở nhiệt độ{15}thấp trung bình, khả năng nitrat hóa của màng sinh học trong các vùng phản ứng hiếu khí tương ứng lần lượt là (1,07±0,01), (1,00±0,04), (1,08±0,09) và (1,03±0,05) g/(m²·d), giảm 21,9%, 18,7%, 22,9% và 17,6% so với nhiệt độ bình thường. Các kết quả thí nghiệm tĩnh này phù hợp với xu hướng của các giá trị đo được trong hệ thống thí điểm. Hơn nữa, có thể nhận thấy rằng khả năng nitrat hóa đo được của màng sinh học ở từng vùng hiếu khí trong điều kiện thí nghiệm tĩnh cao hơn một chút so với giá trị thực tế trong hệ thống thí điểm. Phân tích cho rằng điều này là do việc sử dụng một chất nền nitơ amoni duy nhất và các điều kiện oxy hòa tan cao gần như bão hòa trong các thí nghiệm tĩnh, dẫn đến khả năng nitrat hóa màng sinh học ở mức cao hơn. Ở nhiệt độ bình thường, công suất nitrat hóa thực tế trong các vùng phản ứng O3, O4, O7 và O8 của hệ thống MBBR ba-giai đoạn A/O{38}}lần lượt là 95,6%, 90,6%, 95,7% và 90,4% công suất nitrat hóa tối đa trong các thí nghiệm tĩnh. Ở nhiệt độ thấp-trung bình, công suất nitrat hóa thực tế ở các vùng phản ứng O3, O4, O7 và O8 giảm xuống lần lượt là 72,9%, 72,0%, 87,0% và 84,5%.
Phân tích sâu hơn cho thấy rằng ở nhiệt độ bình thường, tốc độ oxy hóa amoniac cụ thể (tốc độ nitrat hóa trên một đơn vị khối lượng MLVSS, tính bằng N) của màng sinh học trong các vùng phản ứng hiếu khí O3, O4, O7 và O8 lần lượt là (0,062±0,0095), (0,059±0,0072), (0,060±0,0086) và (0,060±0,0063) g/(g·d). Ở nhiệt độ{13}thấp trung bình, tốc độ oxy hóa amoniac cụ thể của màng sinh học trong vùng phản ứng hiếu khí O3 và O4 lần lượt chỉ là (0,046±0,0004) và (0,041±0,0016) g/(g·d), giảm 25,8% và 30,5% so với nhiệt độ bình thường. Ngược lại, tốc độ oxy hóa amoniac cụ thể của màng sinh học trong vùng phản ứng hiếu khí O7 và O8 lần lượt là (0,062±0,0051) và (0,060±0,0029) g/(g·d). So với điều kiện nhiệt độ bình thường, khả năng oxy hóa amoniac của màng sinh học vùng phản ứng O8 không thay đổi, trong khi khả năng oxy hóa amoniac của màng sinh học vùng phản ứng hiếu khí O7 thậm chí còn tăng 3,3%. Kết quả tốt này chứng minh rằng trong điều kiện nhiệt độ trung bình thấp{34}}, màng sinh học ở vùng phản ứng giai đoạn thứ hai của hệ thống thí điểm có khả năng nitrat hóa tốt hơn và tính hợp lý của sự đóng góp của hệ thống con giai đoạn thứ hai đối với quá trình nitrat hóa tổng thể của hệ thống.
Các kết quả quan sát hình thái màng sinh học trong từng vùng phản ứng hiếu khí của hệ thống con A/O{0}}MBBR giai đoạn một và giai đoạn hai được trình bày trongHình 7. Ở nhiệt độ bình thường, độ dày màng sinh học ở các vùng phản ứng hiếu khí O3, O4, O7 và O8 lần lượt là (217,6±54,6), (175,7±38,7), (168,1±38,2) và (152,4±37,8) μm. Ở nhiệt độ{14}thấp trung bình, độ dày màng sinh học ở vùng phản ứng O3 và O4 lần lượt là (289,4±59,9) và (285,3±61,9) μm, thể hiện mức tăng 33,0% và 62,4% so với độ dày màng sinh học ở nhiệt độ bình thường. Ngược lại, độ dày màng sinh học ở vùng phản ứng O7 và O8 lần lượt là (173,1±40,2) và (178,3±31,2) μm, chỉ tăng 3,0% và 17,0% so với nhiệt độ thường. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng sinh học mỏng hơn có khả năng oxy hóa amoniac mạnh hơn, điều này tương đối phù hợp với kết quả thực nghiệm của nghiên cứu này. Phân tích cho rằng điều này là do vi khuẩn nitrat hóa trong màng sinh học được phân bố theo chiều dọc trong cấu trúc phân lớp của màng sinh học; độ dày màng sinh học quá mức dẫn đến giảm hiệu quả chuyển khối cơ chất và ái lực cơ chất. Hơn nữa, trong điều kiện nhiệt độ thấp-trung bình, nồng độ oxy hòa tan trong từng vùng hiếu khí của hệ thống thí điểm thấp hơn nhiều so với nồng độ trong lò phản ứng thử nghiệm tĩnh (chênh lệch 3,0-5,0 mg/L). Đặc biệt đối với các màng sinh học dày hơn ở vùng phản ứng O3 và O4, khả năng truyền khối oxy trong màng sinh học giảm dẫn đến giảm khả năng nitrat hóa thực tế của chúng (chỉ khoảng 70% khả năng nitrat hóa tối đa đo được trong điều kiện tĩnh). Do đó, đối với màng sinh học MBBR tinh khiết, cần tăng cường đổi mới màng sinh học bằng cách tăng cường cường độ cắt và kiểm soát hợp lý độ dày màng sinh học để duy trì khả năng nitrat hóa màng sinh học.
3. Kết luận
① Trong các điều kiện nhiệt độ phản ứng là 10-16 độ (nhiệt độ trung bình-thấp), tốc độ dòng xử lý là (23,6±5,4) m³/d và liều lượng nguồn carbon là 50-90 mg/L (được tính bằng COD) trong vùng anoxic của hệ thống con A/O-MBBR giai đoạn thứ ba, SCOD nước thải, Nồng độ NH₄⁺-N và TIN của hệ thống thí điểm A/O-MBBR ba giai đoạn lần lượt là (26±6), (0,4±0,6) và (6,8±3,6) mg/L vớitỷ lệ loại bỏ trung bình đạt 82,3%, 99,0% và 82,8%.
② Trong điều kiện nhiệt độ thấp-trung bình, do sự khác biệt về màng sinh học của các vùng phản ứng hiếu khí giữa các hệ thống con MBBR ở giai đoạn-đầu tiên và giai đoạn thứ hai{2}}A/O{3}}MBBR, nên sự khác biệt về khả năng nitrat hóa của màng sinh học giữa hai hệ thống con đã được hình thành. Đặc biệt đối với hệ thống con MBBR-giai đoạn A/O{6}}đầu tiên, khả năng nitrat hóa giảm do độ dày màng sinh học tăng lên. Để duy trì khả năng nitrat hóa màng sinh học, cần kiểm soát hợp lý độ dày màng sinh học.
③ Trong hệ thống thí điểm MBBR ba-giai đoạn A/O{1}}, ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ phản ứng đến chức năng khử nitrat là tương đối nhỏ. Trong các nhiệt độ phản ứng khác nhau, tỷ lệ cacbon khử nitrat-trên-nitơ sử dụng nước thô làm nguồn cacbon cần phải lớn hơn 5 và tỷ lệ cacbon khử nitrat-trên-nitơ sử dụng natri axetat được bổ sung từ bên ngoài làm nguồn cacbon cần phải lớn hơn 3.