Vật liệu này có ưu điểm về diện tích bề mặt cao, đạt khoảng 6.000–12.000 m²/m³, qua đó giúp tăng mật độ sinh khối của hệ thống xử lý. Một tính năng quan trọng khác của vật liệu là khả năng tạo ra đồng thời nhiều môi trường sinh hóa cục bộ: phần bên ngoài là vùng hiếu khí, tiếp theo là vùng chuyển tiếp giữa điều kiện hiếu khí và yếm khí, và phần bên trong là vùng yếm khí. Trong nghiên cứu này, vật liệu được áp dụng để xử lý nước ngầm có hàm lượng nitơ amoni (N–NH₄⁺) khoảng 10–12 mg/l, đạt hiệu quả xử lý trên 90%. Các khảo sát với các mức mật độ vật liệu mang và lưu lượng dòng vào khác nhau cho thấy: với lưu lượng cao, hiệu suất xử lý giảm; ngược lại, với mật độ vật liệu mang tăng, hiệu suất xử lý được cải thiện.

1. Đặt vấn đề

Nước ngầm tại Hà Nội hiện đang ở mức báo động đỏ do ô nhiễm nitơ amoni (N-NH₄⁺). Chất lượng nước dưới đất có xu hướng xấu dần theo hướng từ phía Bắc xuống phía Nam của thành phố. Đặc biệt, nồng độ nitơ amoni và các chất ô nhiễm hữu cơ tăng cao, thậm chí đạt giá trị rất cao tại một số bãi giếng ở phía Nam Hà Nội. Cụ thể:

- Bãi giếng Pháp Vân: N-NH₄⁺ = 15,0–30,0 mg/l; độ ôxy hóa = 4,0–7,6 mg/l O₂ (theo Cao, 2006; Cao và Nguyễn, 2000).

- Bãi giếng Tương Mai: N-NH₄⁺ = 5,6–15,0 mg/l; độ ôxy hóa = 2,1–4,8 mg/l O₂.

- Bãi giếng Hạ Đình: N-NH₄⁺ = 8,9–15,0 mg/l; độ ôxy hóa = 2,2–4,5 mg/l O₂.

- Bãi giếng Bách Khoa: N-NH₄⁺ = 10–12 mg/l; độ ôxy hóa = 2–5 mg/l O₂.

Trong khi đó, tiêu chuẩn QCVN 01:2018/BYT quy định nồng độ nitơ amoni cho phép phải nhỏ hơn 3 mg/l.

Hiện nay, công nghệ xử lý nước ngầm phục vụ cho mục đích sinh hoạt và uống tại Hà Nội chủ yếu chỉ tập trung vào việc xử lý sắt và mangan. Thông thường, dây chuyền công nghệ bao gồm dàn mưa làm thoáng, bể lắng tiếp xúc và bể lọc nhanh trọng lực. Trong một số trường hợp, hóa chất như clo hoặc phèn được sử dụng nhằm hỗ trợ quá trình xử lý sắt và mangan, giúp đạt tiêu chuẩn cho phép. Tuy nhiên, yêu cầu xử lý amoni hầu như chưa được đặt ra; nhiều khi tiêu chuẩn này bị lãng quên hoặc bỏ qua trong các tiêu chí thiết kế (Le and Tran, 2005). Các hợp chất chứa nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất hữu cơ, nitrit, nitrat và amoni. Thực tế, amoni không quá độc đối với con người (Bouchard, D.C., Williams, M.K. và Sarampalli, R.Y., 1988; Viet Anh N., 2004); tuy nhiên, trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hóa do thiếu oxy. Khi nước được khai thác, vi sinh vật sử dụng oxy trong không khí để chuyển đổi amoni thành nitrit (N-NO₂⁻) và nitrat (N-NO₃⁻), dẫn đến sự tích tụ của chúng trong nước uống. Các hợp chất chứa nitơ trong nước có thể gây ra một số bệnh nguy hiểm đối với người sử dụng, nhưng các nghiên cứu về xử lý amoni vẫn chưa nhận được sự quan tâm đúng mức. Phương pháp xử lý nitơ amoni bằng công nghệ màng vi sinh chuyển động ổn định trong quá trình vận hành đã cho thấy hiệu quả xử lý cao (Richard, Y, 1979). Việc sử dụng giá thể mang vi sinh có độ xốp và diện tích bề mặt lớn (vật liệu DHY-1) hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng. Để đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp màng vi sinh chuyển động kết hợp với vật liệu mang DHY-1, nghiên cứu này tập trung vào đánh giá ảnh hưởng của mật độ vật liệu mang và tải lượng đến hiệu suất cũng như thời gian xử lý amoni.

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng

- Nước ngầm giếng khoan tại trạm xử lý Bách Khoa

Đây là trạm xử lý nước ngầm đã bị đóng cửa một vài năm trước đây vì lý do nước ngầm bị ô nhiễm hàm lượng Nitơ-Amoni cao (khoảng 10-12mg/l). Nhóm nghiên cứu đã phục hồi giếng khoan hiện có và bơm nước lên để tiến hành phần tích chất lượng nước ngầm. Bảng 1 được tổng hợp các chi tiêu cơ bản phục vụ cho công tác chạy thử mô hình Pilot tại đây.

Bảng 1: Kết quả phân tích chất lượng nước ngầm tại Bách Khoa

(Nguồn: Công ty Cổ phần Xây dựng và Môi trường Việt Nam)

Kết quả phân tích chất lượng nước trên nhận thấy rằnghàm lượng sắt và amoni cao hơn tiêu chuẩn cho phép của nước cấp cho ăn uống, chỉ tiêu pH nằm trong khoảng 6,5-6,8 là hơi thấp cho việc xử lý sắt cũng như đảm bảo điều kiện cho sự phát triển của vi sinh vật xử lý Amoni (Le and Tran, 2005), do đó trong quá trình vận hành cần xem xét bổ sung NaOH.

Độ kiềm nằm trong khoảng 140-180mgCaCO₃/l đủ cung cấp cho quá trình nitrat hóa, hàm lượng phốt phát và cơ chất cũng thấp so với nhu cầu của vi sinh, do đó trong quá trình chạy thử cần theo dõi và bổ sung nếu cần.

- Vi sinh nuôi cấy

Vi sinh vật được lấy từ trạm xử lý nước thải Kim Liên và sau đó được phân lập, nuôi cấy trong phòng thí nghiệm bằng cách bổ sung các nguồn dưỡng chất gồm NaHCO₃, NH₄Cl và NaHPO₄ nhằm thúc đẩy sự phát triển của chúng (Henze, 2002). Trong điều kiện pH từ 7,5 đến 8,5, cùng với độ kiềm thích hợp và cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng, môi trường này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các vi sinh vật Nitrosomonas và Nitrobacter. Thời gian phát triển của vi sinh vật đạt khoảng 4 tuần khi nhiệt độ duy trì trong khoảng 25–30 °C, và kéo dài từ 2 đến 3 tháng khi nhiệt độ nằm trong khoảng 15–20 °C. Khi hệ sinh thái vi sinh đạt đến trạng thái ổn định, chúng được đưa vào hệ thống xử lý, với thời gian ổn định trong hệ thống xử lý khoảng từ 2 đến 4 tuần (Water Treatment Plant Design, 1990; Roberta Salvetti, 2006).

- Vật liệu mang DHY-1

Vật liệu mang được sử dụng trong kỹ thuật tầng chuyển động là polyuretan, có các đặc tính chính như sau: hình dạng lập phương với kích thước mỗi cạnh 1 cm, khối lượng riêng biểu kiến 33 g/l, khối lượng riêng thực 0,97 g/l và diện tích bề mặt dao động từ 6000 đến 12.000 m²/m³. Polyuretan có độ bền cao, không gây độc hại, đảm bảo an toàn khi sử dụng trong xử lý nước cấp phục vụ ăn uống và sinh hoạt.

So với một số vật liệu mang khác sử dụng cùng kỹ thuật, chẳng hạn như vật liệu của hãng Kaldnes có diện tích bề mặt khoảng 300–600 m²/m³, polyuretan có diện tích bề mặt và độ xốp lớn hơn đáng kể (Bjorn Rusten, 2006). Trong nghiên cứu, mật độ vật liệu mang được sử dụng dao động từ 10% đến 30% thể tích nước trong bể phản ứng.

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Mô hình thí nghiệm

Hình 2: Sơ đồ bố trí mô hình pilot tại trạm Bách Khoa

Mô tả công nghệ

Nước ngầm sau khi đi qua thiết bị sục khí được dẫn vào bể lắng lọc hợp khối. Nước sau xử lý tại cụm bể này đạt tiêu chuẩn cấp nước, ngoại trừ chỉ tiêu Nitơ-Amoni. Tiếp theo, nước được chuyển sang bể xử lý sinh học ứng dụng công nghệ MBBR, sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động DHY-01. Tại đây, các quá trình hiếu khí (nitrate hóa), thiếu khí (khử nitrate) và yếm khí diễn ra đồng thời trong các phân tầng của vật liệu mang vi sinh DHY-01 ngay trong môi trường hiếu khí. Quá trình này giúp xử lý lượng Amoni trong nước nguồn, đảm bảo đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2018/BYT.

Hình 3: Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm bể xử lý sinh học (MBBR)

Hình 4: Mô hình pilot lắp đặt tại hiện trường

Bể phản ứng có thể tích khoảng 1,2 m³, được chế tạo từ thép CT3 với kích thước dài × rộng × cao là 800 × 800 × 1800 mm. Bể được trang bị hệ thống phân phối khí đặt ở đáy, cho phép điều chỉnh lưu lượng khí cấp để phù hợp với yêu cầu vận hành của hệ thống.

Thí nghiệm được thực hiện với các mật độ vật liệu mang khác nhau, bao gồm 10%, 15%, 20%, 25% và 30%, nhằm đánh giá tốc độ oxy hóa amoni ở các thể tích vật liệu khác nhau. Mục tiêu của thí nghiệm là xác định mật độ vật liệu mang tối ưu để ứng dụng trong hệ thống xử lý.

Các thí nghiệm cũng được tiến hành với các mức lưu lượng khí khác nhau, gồm 0,5; 1; 1,5; 2,0 và 2,5 m³/h, để đánh giá ảnh hưởng của tải lượng nitơ amoni đến hiệu suất quá trình nitrat hóa. Từ kết quả phân tích N-NH₄⁺, tải lượng amoni tương ứng với từng mức mật độ vật liệu mang được tính toán và trình bày trong các bảng 3, 4, 5, 6 và 7.

Trong suốt quá trình thí nghiệm, mẫu nước được thu thập và phân tích nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của từng hệ thống. Các thông số được phân tích bao gồm pH, N-NH₄⁺, N-NO₂⁻, N-NO₃⁻, DO và độ kiềm. Các phương pháp phân tích được thực hiện theo tài liệu của Andrew et al. – SEWW.

Quá trình Thí nghiệm

Ổn định hệ thí nghiệm: Vi sinh vật được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm với mật độ ổn định trước khi được đưa ra hiện trường và cấp vào bể xử lý sinh học MBBR. Hệ thống cần một khoảng thời gian vận hành nhất định để đạt trạng thái ổn định, thường kéo dài từ 15 đến 30 ngày. Nguồn nước đầu vào của hệ thống là nước từ giếng H1 tại trạm xử lý nước ngầm Bách Khoa. Sau khi trải qua quá trình lắng lọc hợp khối nhằm loại bỏ sắt, nước được đưa vào hệ thống xử lý. Để đảm bảo điều kiện thích hợp, pH được điều chỉnh bằng NaOH trong khoảng 7,5–8,0. Các thông số NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N và độ kiềm được theo dõi nhằm đánh giá hiệu quả vận hành của hệ thống.

Quá trình nitrat hóa: Sau khi hệ thống khởi động và đạt trạng thái ổn định, một hệ thống gồm một bể với hai ngăn được vận hành bằng cách cấp nước và sục khí liên tục. Trong quá trình khảo sát, hệ thống sẽ được điều chỉnh theo các mức lưu lượng lần lượt là 0,5; 1; 1,5; 2 và 2,5 m³/h, tương ứng với các mức mật độ vật liệu mang khác nhau là 10%; 15%; 20%; 25% và 30%.

Hệ thống hoạt động trong điều kiện nhiệt độ từ 25 đến 32°C (theo Roberta Salvetti, 2006), pH dao động trong khoảng 7,5–8,0 và nồng độ oxy hòa tan (DO) trong khoảng 4–6 mg O₂/L. Lưu lượng đầu vào và thời gian lưu sẽ được tổng hợp trong bảng 2.

Bảng 2: Các điều kiện thí nghiệm

Quá trình này nhằm đánh giá khả năng xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp màng vi sinh chuyển động với các mật độ vật liệu mang khác nhau, đồng thời xác định ảnh hưởng của mật độ vật liệu mang đến tốc độ oxy hóa amoni trong nước.

Mẫu nước được thu thập theo từng ngày thí nghiệm. Các chỉ tiêu pH và DO được kiểm soát và đo trực tiếp tại hiện trường, trong khi các thông số NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N và độ kiềm được phân tích tại Phòng thí nghiệm của Công ty Cổ phần Xây dựng và Môi trường Việt Nam (Vinse).

3. Kết quả và thảo luận

Để khảo sát và đánh giá tốc độ nitrat hóa trong quá trình xử lý, lưu lượng đầu vào được điều chỉnh lần lượt ở các mức 0,5; 1; 1,5; 2,0 và 2,5 m³/h, tương ứng với sự gia tăng mật độ vật liệu mang cần khảo sát ở các mức 10%, 15%, 20%, 25% và 30%.

Nghiên cứu về ảnh hưởng của mật độ vật liệu mang và lưu lượng nước đầu vào đối với tốc độ nitrat hóa trong bể xử lý sinh học cho thấy rằng khi mật độ vật liệu mang tăng, hiệu suất xử lý nitơ amoni cũng tăng lên. Kết quả thu được từ các thí nghiệm đã chỉ ra một số đặc điểm quan trọng như sau:

Bảng 3: Mật độ vật liệu mang 10% (120 lít vật liệu)

Khi lưu lượng nước đầu vào tăng, hiệu suất xử lý amoni có xu hướng giảm, trong khi mật độ của vật liệu mang đóng vai trò quan trọng trong quá trình nitrat hóa. Cụ thể, khi mật độ vật liệu mang tăng, hiệu suất xử lý amoni cũng được cải thiện. Ở mật độ vật liệu mang 30%, hiệu suất xử lý amoni đạt 90% trong khoảng thời gian 0,8 giờ. Trong khi đó, với các mật độ vật liệu mang 10% và 15%, để đạt hiệu suất trên 80%, thời gian cần thiết kéo dài từ 1,5 đến 2 giờ. Kết quả này được thể hiện trong các biểu đồ sau.

Thời gian lưu càng lớn thì hiệu suất xử lý nitơ amoni càng cao (biểu đồ 1, biểu đồ 2). Đồng thời, khi mật độ vật liệu mang tăng, hiệu suất xử lý amoni cũng cao hơn và thời gian xử lý cần thiết giảm. Quan sát biểu đồ 1 và 2 cho thấy, với mật độ vật liệu mang 20%, 25% và 30%, chỉ cần thời gian lưu 0,8 giờ, hàm lượng amoni đã giảm xuống còn 1,08 – 2,9 mgN/L, tương ứng với hiệu suất xử lý trên 90% (bảng 7). Ngược lại, khi mật độ vật liệu mang giảm xuống 10% và 15%, cần thời gian lưu hơn 2 giờ để hàm lượng amoni giảm xuống khoảng 2 mgN/L, đạt hiệu suất xử lý 85%.

Khi tải lượng đầu vào tăng, hiệu suất xử lý có xu hướng giảm. Tuy nhiên, với mật độ vật liệu mang thấp, ngay cả khi tải lượng thấp, hiệu suất vẫn không cao do mật độ vi sinh vật ít và tốc độ nitrat hóa chậm. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý khác nhau tùy theo mật độ vật liệu mang. Khi mật độ vật liệu mang là 15% và tải lượng là 0,866 kgN/m³ vật liệu/ngày (bảng 4), hiệu suất xử lý chỉ đạt khoảng 80%. Trong khi đó, với mật độ vật liệu mang 20% và tải lượng 1,78 kgN/m³ vật liệu/ngày, hiệu suất xử lý vẫn có thể đạt trên 80%. Như vậy, có thể thấy mật độ vật liệu mang có vai trò quan trọng trong quyết định hiệu suất xử lý. Trong nghiên cứu này, tải lượng đầu vào chưa ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất xử lý amoni, vì ngay cả với tải lượng cao, khi mật độ vật liệu mang đủ lớn, hiệu suất xử lý vẫn đạt trên 90% (biểu đồ 3).

Kết quả nghiên cứu (bảng 3, 4, 5, 6, 7) và các tài liệu tham khảo cho thấy, do hàm lượng amoni đầu vào không quá cao, cùng với đặc điểm của quá trình xử lý hiếu khí, không có sự cạnh tranh đáng kể giữa vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng (do nước ngầm thường có hàm lượng chất hữu cơ thấp – bảng 1). Điều này giúp quá trình oxy hóa diễn ra nhanh hơn, đồng thời nồng độ nitrit trong suốt giai đoạn phản ứng duy trì ở mức tương đối thấp.

4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy amoni có nồng độ từ 10-12 mgN/L có thể được xử lý hiệu quả với mật độ vật liệu mang dao động trong khoảng 20-30% (tương đương 240-360 lít vật liệu mang), đạt hiệu suất xử lý từ 92-95%. Khi tải lượng N-NH4+ cao, hiệu suất xử lý vẫn duy trì ở mức 80% trong cùng khoảng mật độ vật liệu mang 20-30%. Trong điều kiện thời gian lưu 1,2 giờ, hiệu suất xử lý với mật độ vật liệu mang này vẫn đạt trên 80%, trong khi đó, các mật độ thấp hơn như 10% và 15% cần thời gian lưu lớn hơn 2 giờ để đạt hiệu suất tương đương.

Đối với hàm lượng N-NH4+ trong khoảng 10-12 mg/L, quá trình khử nitrat không cần thiết. Tuy nhiên, khi xử lý N-NH4+ với nồng độ cao hơn và cần đến khử nitrat, việc bổ sung chất hữu cơ là cần thiết, đồng thời phải có một bể chuyên dụng để thực hiện quá trình này. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào giải pháp tích hợp quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong cùng một bể, dựa trên cơ chế sinh học xảy ra đồng thời trong các lớp màng vi sinh vật với điều kiện hiếu khí, thiếu khí và yếm khí. Điều này có ý nghĩa quan trọng, giúp hạn chế việc bổ sung chất hữu cơ nhờ tận dụng cơ chất sinh ra từ quá trình phân hủy nội sinh. Tuy nhiên, các vấn đề liên quan vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để đưa ra kết luận chính xác hơn.

Kết quả thử nghiệm trên mô hình pilot cho thấy phương pháp này có thể được ứng dụng để xử lý amoni trong nước cấp sinh hoạt, đồng thời giúp tiết kiệm khoảng 20-30% thể tích bể xử lý. Nước sau xử lý đáp ứng các tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam và thế giới.

Ts. Trịnh Xuân Đức, Ts. Nguyễn Công Minh