LOẠI BỎ NITƠ BẰNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX SỬ DỤNG HẠT PVAGEL LÀM VẬT LIỆU MANG (VI-EN)

Héi nghÞ Khoa häc C«ng nghÖ §¹i häc X©y dùng lÇn thø 15

LOẠI BỎ NITƠ BẰNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX SỬ DỤNG HẠT PVA-GEL LÀM VẬT LIỆU MANG TS. Trần Thị Hiền Hoa KS. Lương Ngọc Khánh, Trường Đại học Tổng hợp Kumamoto, Nhật Bản GS.TS. Kenji Furukawa, Trường Đại học Tổng hợp Kumamoto, Nhật Bản Tóm tắt: Sử dụng vật liệu mang cho việc nuôi cấy bùn ôxy hóa kỵ khí amôni hay còn gọi là bùn anammox (anaerobic ammonium oxidation) đang được quan tâm. Trong nghiên cứu này, các hạt PVA-gel được lựa chọn làm vật liệu mang cho bùn anammox và ứng dụng trong một cột phản ứng với tầng vật liệu mang lưu động hay được gọi là FBR (fluidized-bed reactor). Một bơm tuần hoàn được sử dụng với lưu lượng 6 - 7 L/phút nhằm duy trì điều kiện lưu động. Nồng độ NH4-N và NO2-N tại điểm vào cột phản ứng tăng dần đến 300 mg N/L. Với thời gian lưu nước từ 16 h đến 9 h trong pha 1, hiệu quả loại bỏ trung bình NH4-N và NO2-N lần lượt khoảng 81 % và 92 %. Với thời gian lưu nước từ 9 h đến 4 h trong pha 2, hiệu quả loại bỏ trung bình NH4-N là 77 % và NO2-N là 89 %. Tỷ lệ loại bỏ amôni và tổng nitơ trong pha 1 lần lượt tăng đến 0,71 và 1,35 kg N/m3/day. Tỷ lệ loại bỏ của amôni và tổng nitơ khá cao trong pha 2 lần lượt là 1,5 và 3,0 kg N/m3/day. Vi khuẩn anammox bám trên bề mặt và lớp mỏng phía trong hạt PVA-gel. Tuy nhiên, vi khuẩn anammox đã không bám được vào trong lõi của hạt PVAgel.

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

P

P

P

P

Từ khóa: anammox, amôni, tầng lưu động, FBR, nitrit, hạt PVA-gel

1. Giới thiệu Loại bỏ nitơ bằng quá trình sinh học truyền thống nitrat hóa tự dưỡng và khử nitrat dị dưỡng đã được áp dụng phổ biến. Tuy nhiên, một quá trình anammox (ôxy hóa kỵ khí amôni) mới đã được phát hiện cách đây hơn 10 năm1). Quá trình này dựa trên sự chuyển hóa năng lượng từ việc ôxy hóa kỵ khí amôni sử dụng nitrit làm chất nhận electron và sản phẩm chính tạo thành là khí nitơ dưới điều kiện tự dưỡng2). Trong quy trình chuyển hóa anammox, hydroxylamine (NH2OH) và hydrazine (N2H4) đóng vai trò là chất trung gian quan trọng3). Phản ứng hóa học lượng pháp của quá trình anammox được mô tả như sau4): NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13H+ → 1.02 N2 + 0.26 NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O P

P

P

B

P

P

B

PB

P

B

B

B

B

P

B

P

P

B

PB

P

B

B

B

PB

P

B

P

PB

P

P

B

B

B

B

B

B

B

B

Toàn bộ quá trình này chỉ cần 50% lượng ôxy so với phương pháp nitrat hóa – khử nitrat truyền thống, và không cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ. Đây là quá trình loại bỏ nitơ phù hợp với loại nước thải chứa ít cacbon5); hơn nữa, bùn sinh ra không đáng kể, vì vậy đây là sự lựa chọn có hiệu quả và kinh tế trong việc loại bỏ nitơ.

P

P

Héi nghÞ Khoa häc C«ng nghÖ §¹i häc X©y dùng lÇn thø 15

Trong nghiên cứu này, hạt PVA-gel được sử dụng làm vật liệu mang cho bùn anammox trong một cột phản ứng có tầng vật liệu lưu động (FBR). FBR được thiết kế nhằm mục đích giảm nồng độ chất nền tại điểm vào cột phản ứng bằng cách sử dụng lưu lượng nước tuần hoàn lớn. Thêm vào đó, hạt PVA-gel có thể duy trì sự tiếp xúc tốt với chất nền dưới điều kiện lưu động. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá khả năng loại bỏ amôni của bùn anammox sử dụng hạt PVA-gel trong hệ thống FBR. 2. Phương pháp luận 2.1. Mô hình thí nghiệm Nitrogen gas controller

Pre column

Effluent outlet

Port 1

Recycling pipe

Water seal

Peristaltic pump

Tổng thể tích của cột phản ứng là 4,06 L và thể tích phần chất lỏng, bao gồm vùng phản ứng và vùng lắng là 3,55 L. Vùng phản ứng chứa vật liệu mang có đường kính 7,4 cm và cao 50 cm với thể tích 2,15 L, đây là thể tích được sử dụng để xác định thời gian lưu nước. Mô hình hệ thống FBR được thể hiện trong Hình 1. Khí nitơ được thu lại bằng túi plastic trong pha 1 và bình thu khí trong pha 2. Các hạt PVA-gel lưu động trong vùng phản ứng.

Nước thải tổng h ợp được đưa vào từ đáy cột phản ứng bằng bơm nhu Effluent tank động (Eyela Co., Ltd., Tokyo). Một b ơm truyền động từ (Iwaki Co., Ltd., Influent tank Recycling Tokyo) được dùng để tuần hoàn nước Influent pump inlet nhằm duy trì điều kiện lưu động với lưu lượng 6 – 7 L/min và vận tốc tuần Hình 1. Sơ đồ hệ thống cột phản ứng với tầng vật liệu mang lưu động hoàn 84 - 98 m/h. Nhiệt độ cột phản o o ứng là 33 C to 35 C được duy trì bằng thiết bị ổn nhiệt. Hàng ngày, khí nitơ được sục vào bể chứa nước thải tổng hợp nhằm đẩy ôxy ra khỏi bể và giữ nồng độ ôxy hòa tan trong bể nhỏ hơn 0,5 mg/L. R

R

R

R

R

R

P

P

P

P

2.2. Đặc tính vật liệu mang Các hạt PVA-gel có đường kính 4 mm (Hình 2a) với thể tích rắn khoảng 10% và trọng lượng riêng là 1.025, làm cho chúng dễ dàng lưu động trong nước. Các hạt này có tính thấm nước và có cấu trúc lỗ rỗng như Hình 2b (Kuraray Co., Osaka, Japan).

Héi nghÞ Khoa häc C«ng nghÖ §¹i häc X©y dùng lÇn thø 15

Hình 2b. Cấu trúc vi mô của hạt PVA-gel. Vạch kẻ ngang chỉ 10 μm

Hình 2a. Các hạt PVA-gel.

Vạch kẻ ngang chỉ 2 mm

2.3. Nguồn nuôi cấy hạt PVA-gel Các hạt PVA-gel được nuôi cấy từ một cột phản ứng tầng vật liệu cố định rồi đưa vào hệ thống FBR. Trong pha 1, tổng dung tích các hạt PVA-gel là 0,8 L với 0,7 L hạt PVA-gel đã nuôi cấy và 0,1 L hạt PVA-gel mới. Trong pha 2, 0,2 L hạt PVA-gel đã nuôi cấy được bổ sung vào và tổng dung tích hạt lúc này là 1,0 L. 2.4. Nước thải tổng hợp

Bảng 1. Thành phần nước thải tổng hợp

Nước thải tổng hợp chứa các thành phần amôni và nitrit được chuẩn bị bằng các hợp chất (NH4)2SO4 và NaNO2, với các thành phần khoáng như trong Bảng 1.

B

B

B

B

B

B

B

B

Thành phần (NH4)2SO4 NaNO2 KHCO3 KH2PO4 FeSO4.7H2O EDTA Nước máy B

B

B

B

B

B

Nồng độ 25-300 (mg N/L) 25-300 (mg N/L) 125 (mg/L) 54 (mg/L) 9 (mg/L) 5 (mg/L) 1,0 L

B

B

B

B

B

B

B

3. Kết quả và thảo luận

B

B

B

B

B

3.1. Hiệu quả loại bỏ của các hợp chất chứa nitơ Hình 3 mô tả nồng độ tại điểm vào và điểm ra của các hợp chất chứa nitơ trong quá trình nghiên cứu.

Vào ngày 73 (Hình 3, vùng 1), nồng độ NH4-N và NO2-N tại điểm ra khá cao lần lượt khoảng 70 mg N/L và 40 mg N/L, do vi khuẩn anammox chưa kịp thích nghi khi tăng nồng độ NH4-N và NO2-N tại điểm vào và giảm thời gian lưu nước từ 16 xuống 12 h. Vào ngày 280 (vùng 4), khi giảm thời gian lưu nước từ 11 xuống 9 h, nồng độ NH4-N và NO2-N tại điểm vào phải giảm từ 250 mg N/L xuống 200 mg N/L để tránh tình trạng sốc cho vi khuẩn khi tải trọng quá cao. Do đó, nồng độ NH4-N và NO2-N tại điểm ra lần lượt giảm từ 84 mg N/L và 62 mg N/L (ngày 287) xuống 35 mg N/L và 9 mg N/L (ngày 309). Hơn nữa, việc vận hành hệ thống gặp trục trặc tại 4 vùng 2, 3, 5 và 6 (do sự cố kỹ thuật) gây ảnh hưởng xấu cho vi khuẩn và cần giảm ngay tải trọng để cho phép hệ thống B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Héi nghÞ Khoa häc C«ng nghÖ §¹i häc X©y dùng lÇn thø 15

B

B

Với thời gian lưu nước từ 9 h đến 4 h trong pha 2, hiệu quả loại bỏ trung bình của NH4-N và NO2-N thấp hơn trước với 77% và 89%. Khi thời gian lưu nước giảm từ 4 h xuống 3 h, hiệu quả loại bỏ trung bình của NH4-N chỉ còn 70% và NO2-N là 86%.

B

B

B

B

B

B

16h h

300

8h hrs 7h hrs 6h h5h 4h h 3h.5h h hrs 3h

11h

12h

9h

3

6

4

250

5 2

200

1

150 100 50 0 0

100

200

300

400

500

600

Th ời gian (ngày) Time (days) R

B

Hình 3. Biến đổi về nồng độ các hợp chất chứa nitơ

B

▲NH4-N điểm vào, U NH4-N điểm ra, NO2-N điểm vào, ¡ NO2-N điểm ra, + NO3-N điểm ra R

R

B

B

B

R

B

R

16h

Khởi động

700 T-N Concentration (mgN/L)

Nồng độ tổng nitơ (mg N/L) N/L)

Hình 4 cho thấy sự biến đổi về nồng độ tổng nitơ tại điểm vào và điểm ra cũng như hiệu quả loại bỏ tổng nitơ. Trong pha 1, hiệu quả loại bỏ trung bình của tổng nitơ khoảng 77% (không tính các vùng 3 và 4). Vào ngày 361, với thời gian lưu nước 9 h, nồng độ tổng nitơ tại điểm vào là 606 mg N/L và tại điểm ra là 101 mg/L, do đó hiệu quả loại bỏ tổng nitơ là 83%. Tuy nhiên, vào ngày 365, hệ thống FBR đã phải khởi động lại do hỏng bơm tuần hoàn.

Pha 2

R

B

R

B

B

B

B

Pha 2

Pha 1 11h

12h

B

9h

5

6

600

100 80

500

60

3

400

1

300

4 2

40

200 20

100 0

HiệuT-N quảremoval loại bỏefficiency tổng nitơ(%) (%)

B

350

Pha 1

8h 7h 6h 5h 4h 3.5h 3h

B

Khởi động

Nồng độ (mg N/L) (mg/L) Nitrogen concentration

có thể phục hồi. Với thời gian lưu nước từ 12 h đến 9 h trong pha 1, hiệu quả loại bỏ trung bình của NH4-N và NO2-N lần lượt là 81% và 92%.

0 0

100

200

300 400 Th ời(days) gian (ngày) Time

500

600

R

Hình 4. Biến đổi về nồng độ và hiệu quả loại bỏ tổng nitơ. Tổng nitơ điểm vào,

Tổng nitơ điểm ra, UHiệu quả loại bỏ tổng nitơ Trong pha 2 từ ngày 365 đến 564 (không tính các vùng 5 và 6), hiệu quả loại bỏ trung bình của tổng nitơ khoảng 75%. Vào ngày 459, với thời gian lưu nước 9 h, nồng độ tổng nitơ tối đa tại điểm vào là 611 mg/L và hiệu quả loại bỏ tối đa của tổng nitơ là 85%, do đó tại thời điểm này đã đạt được kết quả

Héi nghÞ Khoa häc C«ng nghÖ §¹i häc X©y dùng lÇn thø 15

tương tự như ngày 361 trước đó. Các kết quả này cho thấy hệ thống FBR đã phục hồi sau 3 tháng khởi động lại.

Trong pha 2 từ ngày 565 đến 617, hiệu quả loại bỏ trung bình của tổng nitơ thấp hơn trước khoảng 70% với nồng độ tổng nitơ tại điểm vào là 550 và 500 mg N/L. Kết quả đạt được này thấp hơn so với kết quả trong pha 1 và thời gian đầu của pha 2. Điều này có thể do thời gian lưu nước quá ngắn với 3,5 h và 3 h. Nói chung trong các nghiên cứu khác, thời gian lưu nước cũng không nhỏ hơn 4 h1,6).

P

P

3.2. Tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ và amôni

P

P

Pha 2

11h

12h

8h hrs 7h hrs 6h hrs 5h 4h h3.5h hrs 3h hrs

16h hrs

3.5

Pha 1 9h

3.0

P

2.5

P

P

P

Khởi động

3 Tải trọng (kg N/m T-N loại R Rbỏ(kgN /m3/ngày) /day)

Tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ và amôni được trình bày trong Hình 5. Trong 244 ngày của pha 1, tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ tăng từ 0,27 đến 1,35 kg N/m3/ngày với nồng độ tổng nitơ tăng dần từ 200 đến 600 mg N/L và thời gian lưu nước từ 12 h đến 9 h. Tỷ lệ loại bỏ amôni tăng từ 0,13 đến 0,71 kg N/m3/ngày.

2.0 1.5 1.0

1

2

4

5

3

6

0.5 0.0

Tỷ lệ loại bỏ tổng 0 100 200 300 400 500 600 nitơ và amôni đạt được Th ời gian (ngày) Time (days) khá cao trong nghiên cứu Hình 5. Biến đổi về tải trọng loại bỏ tổng nitơ và này lần lượt là 3,0 kg amôni. ¡ Tổng nitơ, cAmôni N/m3/ngày và 1,5 kg 3 N/m /ngày, xảy ra trong pha 2. Tuy nhiên, trong 53 ngày cuối cùng của pha 2 (từ ngày 565 đến 617), tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ và amôni cũng là 3,0 kg N/m3/ngày và 1,6 kg N/m3/ngày nhưng hiệu quả loại bỏ tổng nitơ lại thấp hơn so với thời gian đầu của pha 2 (chỉ 70%) là do thời gian lưu nước quá ngắn với 3,5 h và 3 h.

R

P

P

P

P

P

P

P

P

3.3. Quan sát sự dính bám vi khuẩn anammox trên hạt PVA-gel bằng kính hiển vi điện tử quét Hình 6 thể hiện rằng có thể quan sát thấy vi khuẩn anammox bám trên bề mặt (Hình 6a) và lớp mỏng phía trong hạt PVA-gel (Hình 6b). Tuy nhiên, vi khuẩn anammox đã không bám được vào trong lõi của hạt PVA-gel (Hình 6c). Hiện tượng này có thể là do vi khuẩn hình thành một lớp màng kín tại mặt ngoài và hơn nữa đường kính lỗ rỗng tại mặt ngoài (10 µm) nhỏ hơn đường kính lỗ rỗng tại lõi hạt (20 µm) có thể đã làm cho vi khuẩn khó xâm nhập vào lõi hạt.

Héi nghÞ Khoa häc C«ng nghÖ §¹i häc X©y dùng lÇn thø 15

(a)

(b

Hình 6. Vi khuẩn anammox bám trên hạt

(c)

PVA-gel sau 15 tháng vận hành hệ thống (a) Bề mặt hạt PVA-gel; (b) Lớp mỏng phía trong hạt PVA-gel; (c) Lõi hạt PVA-gel

4. Kết luận Trong pha 1, hiệu quả loại bỏ trung bình của tổng nitơ khoảng 77%. Với thời gian lưu nước 9 h và nồng độ tổng nitơ tại điểm vào là 606 mg N/L, hiệu quả loại bỏ tổng nitơ là 83%. Trong pha 2, với thời gian lưu nước từ 9 h đến 4 h, hiệu quả loại bỏ tổng nitơ đạt được khoảng 75% hoặc cao hơn. Hơn nữa, với thời gian lưu nước là 4 h và nồng độ tổng nitơ tại điểm vào là 605 mg/L, hiệu quả loại bỏ tổng nitơ đạt được là 83%.

Tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ tổng nitơ giảm còn 70% khi thời gian lưu nước giảm từ 4 h xuống 3 h. Tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ đạt được khá cao với 1,35 kg N/m3/ngày (tỷ lệ loại bỏ amôni là 0,71 kg N/m3/ngày) trong pha 1 và 3,0 kg N/m3/ngày (tỷ lệ loại bỏ amôni là 1,5 kg N/m3/ngày) trong pha 2. Vi khuẩn anammox bám trên bề mặt và lớp mỏng phía trong hạt PVA-gel nhưng không bám được vào trong lõi của hạt PVA-gel. Hiện tượng này có thể là do vi khuẩn hình thành một lớp màng kín tại mặt ngoài và đường kính lỗ rỗng tại mặt ngoài nhỏ hơn đường kính lỗ rỗng tại lõi hạt làm cho vi khuẩn không thể xâm nhập vào lõi hạt. Thời gian lưu nước không nên quá ngắn và nên duy trì ở mức từ 4 h trở lên. Việc vận hành hệ thống cột phản ứng với tầng vật liệu mang lưu động duy trì bởi điều kiện nước tuần hoàn là khá khó khăn và phức tạp. Vì vậy đòi hỏi phải giám sát chặt chẽ hoạt động của hệ thống này đề phòng các sự cố kỹ thuật có thể xảy ra.

P

P

P

P

P

P

P

P

Héi nghÞ Khoa häc C«ng nghÖ §¹i häc X©y dùng lÇn thø 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Mulder A., Van de Graaf A.A., Robertson L.A. & Kuenen J.G. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol., 16, 177–183 (1995).

Jetten, M.S.M, Strous, M., van de Pas-Schoonen, K.T., Schalk, J., van Dongen, U.G.J.M., van de Graaf, A.A., Logemann, S., Muyzer, G., van Loosdrecht, M.C.M. and Kuenen, J.G. The anaerobic oxidation of ammonium. FEMS Microbiol. Rev. 22, 421-37 (1999).

Jetten M.S.M., Schmid M., Schmidt I., Wubben M., Van Dongen U., Abma W., Sliekers O. et al. Improved nitrogen removal by application of new nitrogen-cycle bacteria. Reviews in Environmental Science & Bio/Technology, 1, 51–63, (2002).

Strous M., Heijnen J.J., Kuenen J.G. and Jetten M.S.M. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammoniumoxidizing microorganisms. Appl. Microbiol. Biotechnol., 50, 589–596 (1998).

Van de Graaf A.A., De Bruijn P., Robertson L.A., Jetten M.S.M. and Kuenen, J.G. Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms in a fluidized bed reactor. Microbiology, 142, 2187–2196 (1996).

Strous M., Van Gerven E., Zheng P., Gijs Kuenen J. and Jetten M. S. M. Ammonium removal from concentrated waste streams with the anaerobic ammonium oxidation (Anammox) process in different reactor configurations. Wat. Res., 31, 1955-1962 (1997).

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/236961043

Nitrogen Removal by Immobilized Anammox Sludge Using PVA Gel as Biocarrier Article in Japanese Journal of Water Treatment Biology · January 2006

CITATIONS

READS

14

301

6 authors, including: Zhijun Liu

Takao Fujii

Dalian University of Technology

Sojo University

30 PUBLICATIONS 147 CITATIONS

90 PUBLICATIONS 1,574 CITATIONS

SEE PROFILE

SEE PROFILE

Joseph D. Rouse University of Guam 45 PUBLICATIONS 913 CITATIONS SEE PROFILE

Some of the authors of this publication are also working on these related projects:

Beneficial use of piggery waste with a focus on energy production View project

anammox process redesign based on N2O emissions View project

All content following this page was uploaded by Joseph D. Rouse on 20 May 2014.

The user has requested enhancement of the downloaded file.

View publication stats