Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, hệ thống D-VIS cho thấy khả năng hoạt động tốt và ổn định khi xử lý nước thải có hàm lượng BOD₅ ≤ 500 mg/L và NH₄⁺-N ≤ 80 mg/L. Hiệu quả xử lý BOD₅ đạt từ 85 đến 95%, còn hiệu quả xử lý NH₄⁺-N đạt từ 90 đến 98%, với chất lượng nước đầu ra đáp ứng tiêu chuẩn cột A theo QCVN 14:2015/BTNMT. Hệ thống có diện tích tiếp xúc lớn, thời gian lưu nước ngắn, yêu cầu diện tích mặt bằng nhỏ và chi phí đầu tư thấp. Bùn sinh ra trong quá trình xử lý có khả năng lắng tốt, với lượng bùn chỉ bằng khoảng 50% so với các phương pháp xử lý truyền thống. D-VIS vận hành không cần máy nén khí hay bơm tuần hoàn bùn, chỉ sử dụng một động cơ duy nhất, nhờ đó tiết kiệm được khoảng 60% năng lượng so với các hệ thống truyền thống. Quá trình hoạt động của hệ thống có độ ồn thấp, không phát sinh mùi, tính thẩm mỹ cao và được thiết kế theo dạng mô-đun, giúp dễ dàng di chuyển và tăng công suất khi cần thiết. Việc lắp đặt và vận hành đơn giản, không yêu cầu nhân công có trình độ chuyên môn cao. Ngoài ra, hệ thống D-VIS vận hành ổn định và có khả năng chống "sốc" tốt trước sự biến động về lưu lượng cũng như chất lượng nước đầu vào.

Nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ (BOD₅) và các chất dinh dưỡng như amoni (NH₄⁺), đồng thời tiết kiệm năng lượng và khắc phục các nhược điểm của công nghệ lồng quay sinh học truyền thống, Viện Khoa học Kỹ thuật Hạ tầng và Môi trường (SIIEE) đã nghiên cứu, cải tiến và chế tạo thành công lồng quay sinh học D-VIS với nhiều ưu điểm vượt trội. Cơ chế xử lý nước thải của D-VIS dựa trên việc sử dụng màng vi sinh vật dính bám kết hợp với quá trình chuyển động của màng vi sinh (MBBR). Lồng quay sinh học D-VIS chỉ sử dụng một động cơ duy nhất, không cần máy cấp khí và không sử dụng bơm tuần hoàn bùn, nhờ đó tiết kiệm được 60% năng lượng so với công nghệ truyền thống. SIIEE đã nghiên cứu chế tạo thành công lồng quay có diện tích tiếp xúc lớn từ 800÷1500 m²/m³, gấp 2÷3 lần so với các loại đĩa thông thường. Thiết bị có kết cấu lắp đặt và vận hành đơn giản, được sản xuất từ các nguyên liệu sẵn có trong nước, giúp giảm chi phí chế tạo nhưng vẫn đảm bảo chất lượng tương đương với các loại đĩa nhập khẩu. Công nghệ D-VIS được áp dụng để xử lý nước thải có hàm lượng BOD₅ từ 300÷500 mg/L và amoni (NH₄⁺-N) từ 30÷80 mg/L, đạt hiệu suất khử BOD₅ từ 85÷95%, hiệu suất khử nitơ từ 90÷98%, với thời gian lưu nước từ 3÷6 giờ.

1. Đặt vấn đề

Lồng quay sinh học (Rotating Biological Contactor - RBC) là một công nghệ xử lý nước thải được phát triển bởi TS. Trịnh Xuân Đức, dựa trên cơ sở cải tiến của công nghệ đĩa quay sinh học truyền thống. Công nghệ này sử dụng nguyên lý hoạt động của màng sinh học dính bám (biofilm), trong đó vi sinh vật bám trên bề mặt giá thể và thực hiện quá trình phân hủy các chất hữu cơ, các hợp chất chứa nitơ và các chất ô nhiễm khác trong nước thải. Phương pháp này có hiệu quả xử lý tương đối cao, cấu tạo thiết bị đơn giản, vận hành dễ dàng và đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm 1960.

Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc phát triển và ứng dụng công nghệ đĩa quay sinh học còn rất hạn chế. Nguyên nhân chủ yếu là do công nghệ đĩa quay sinh học còn tồn tại nhiều nhược điểm như diện tích tiếp xúc giữa màng sinh học và nước thải thấp, kích thước thiết bị lớn, màng sinh vật dễ bị bong tróc khỏi bề mặt đĩa, trọng lượng của hệ thống nặng, hiệu quả xử lý amoni thấp và chi phí đầu tư cao do phải nhập khẩu đĩa quay từ nước ngoài. Trong quá trình vận hành, hiện tượng bong tróc màng sinh học làm giảm hiệu quả xử lý các hợp chất nitơ như NH₄⁺, NO₂⁻, NO₃⁻, gây ảnh hưởng đến hiệu suất chung của hệ thống.

Nhằm khắc phục những nhược điểm nêu trên, Viện khoa học Kỹ thuật Hạ tầng và Môi trường (SIIEE) đã tiến hành nghiên cứu và cải tiến công nghệ thành lồng quay sinh học sử dụng vật liệu mang DHY01. Vật liệu này có tiết diện bề mặt tiếp xúc lớn, lên đến 1000 m²/m³, cao hơn rất nhiều so với đĩa quay sinh học truyền thống chỉ đạt khoảng 300 m²/m³. Với bề mặt tiếp xúc lớn, vi sinh vật như Nitrosomonas, Nitrobacter, Pseudomonas có điều kiện phát triển mạnh, hình thành lớp màng sinh học ổn định, từ đó thúc đẩy các quá trình sinh học quan trọng như quá trình nitrat hóa và khử nitrat.

Việc cải tiến thành công lồng quay sinh học đã mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như tiết kiệm năng lượng nhờ giảm trọng lượng hệ thống, hiệu quả xử lý cao do diện tích tiếp xúc lớn, chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn nhờ sử dụng vật liệu nội địa, đồng thời thân thiện với môi trường vì giảm lượng chất thải thứ cấp. Công nghệ mới này hứa hẹn sẽ mở rộng khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải đô thị và công nghiệp tại Việt Nam trong tương lai.

2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của lồng quay sinh học D-VIS

Lồng quay sinh học cải tiến (D-VIS) do SIIEE nghiên cứu và phát triển được chế tạo bằng thép sơn phủ chống ăn mòn, đảm bảo độ bền cao trong môi trường nước thải. Hệ thống lồng quay sinh học có cấu tạo gồm các đĩa hình tròn, trên bề mặt mỗi đĩa được gắn nhiều khối cầu mang vi sinh vật, điển hình như Pseudomonas putida, Bacillus subtilis, hoặc Nitrosomonas europaea. Các đĩa này được ghép nối với nhau tạo thành một khối đồng nhất và lắp đặt trên cùng một trục quay vững chắc.

Khi vận hành, hệ thống lồng quay được đặt ngập khoảng 40% trong nước thải và quay chậm nhằm tạo điều kiện tối ưu cho sự phát triển và hoạt động của màng sinh học. Tốc độ quay chậm giúp màng sinh học luân phiên tiếp xúc với nước thải và không khí, nhờ đó thúc đẩy quá trình oxy hóa sinh học. Hệ truyền động của đĩa bao gồm động cơ và dây xích, được thiết kế cho phép điều chỉnh tốc độ quay nhằm cải thiện khả năng trao đổi oxy và tối ưu hóa mức độ tiếp xúc giữa màng sinh học và nước thải.

Trong quá trình xử lý, vi sinh vật bám trên các khối cầu thực hiện quá trình phân hủy chất hữu cơ theo cơ chế sinh học. Quá trình oxy hóa chất hữu cơ có thể được biểu diễn qua phương trình tổng quát như sau:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

Động học của quá trình phân hủy sinh học có thể được mô tả bằng phương trình bậc một giả, với tốc độ phân hủy chất hữu cơ tuân theo biểu thức

Trong đó S là nồng độ chất hữu cơ (mg/L), t là thời gian (h), và k là hằng số tốc độ phản ứng (h⁻¹).

D-VIS được thiết kế với mái che nhằm bảo vệ hệ thống khỏi tác động trực tiếp của ánh nắng mặt trời, gió, mưa và sự thay đổi nhiệt độ môi trường. Điều này đặc biệt quan trọng vì hoạt động của vi sinh vật giảm mạnh khi nhiệt độ nước thải xuống dưới 12°C, dẫn đến hiệu quả xử lý sinh học bị suy giảm đáng kể.

Lồng quay sinh học D-VIS làm sạch nước thải sử dụng màng vi sinh vật dính bám kết hợp với quá trình màng vi sinh chuyển động theo nguyên lý của bể MBBR. Quá trình xử lý của hệ thống diễn ra qua hai pha: pha tiếp xúc nước thải và pha lấy khí. Khi lồng quay ngập trong nước thải, các đệm vi sinh vật trong lồng sẽ nhận thức ăn từ cơ chất và dinh dưỡng, khi lồng quay trong không khí sẽ hấp thụ ôxy theo nguyên tắc vắt nước của máy giặt, khi đó không khí sẽ tràn vào chiếm chỗ trong vật liệu mang để các vi sinh vật hiếu khí phát triển.

Các vi sinh vật có khả năng phân giải chất hữu cơ sẽ bám dính và phát triển mạnh mẽ trên bề mặt các đệm. Trong pha tiếp xúc, vi sinh vật hiếu khí hấp thụ các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa chúng thành sinh khối mới đồng thời tiêu thụ ôxy để thực hiện quá trình dị dưỡng. Quần xã vi sinh vật phát triển nhanh chóng dẫn đến sự suy giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải. Khi lớp màng sinh học đạt đến độ dày nhất định, liên kết giữa các vi sinh vật ở lớp sâu bên trong và bề mặt đệm yếu dần, khiến chúng bong ra và rơi vào nước thải. Một phần vi sinh vật còn bám lại trên giá thể tiếp tục sử dụng chất hữu cơ để hình thành quần xã sinh vật mới.

Khi phần đĩa quay lên khỏi mặt nước (pha lấy khí), vi khuẩn trong màng sinh học hấp thụ ôxy từ không khí để oxy hóa các hợp chất hữu cơ và amoni thu nhận được trong pha tiếp xúc. Các quá trình sinh hóa trong hệ thống D-VIS được mô tả qua các phương trình:

Theo thời gian, lớp màng sinh học dày lên và phân thành hai vùng rõ rệt: lớp hiếu khí và lớp kị khí. Ở lớp hiếu khí, quá trình oxy hóa chất hữu cơ và nitrat hóa được thực hiện nhờ các vi khuẩn dị dưỡng. Các vi khuẩn như Nitrosomonas và Nitrobacter đóng vai trò chính trong quá trình nitrat hóa. Phản ứng nitrat hóa diễn ra theo hai bước: đầu tiên, Nitrosomonas oxy hóa amoni thành nitrit, sau đó Nitrobacter tiếp tục oxy hóa nitrit thành nitrat.

Ở lớp trong cùng, nơi oxy khó xâm nhập, các vi khuẩn kị khí như Pseudomonas, Flavobacterium và Bacillus

phát triển mạnh. Các vi khuẩn này sử dụng chất nền hữu cơ để thực hiện quá trình khử nitrat, chuyển nitrat thành khí nitơ tự do và các sản phẩm phụ khác, theo phương trình:

Động học của quá trình xử lý BOD có thể được mô tả bằng phương trình bậc một như sau:

Trong đó, k là hằng số tốc độ phản ứng (ngày⁻¹ và BOD là nồng độ nhu cầu oxy sinh hóa tại thời điểm t. Giải phương trình vi phân trên, ta thu được:

Trong đó, BOD_t​ là nồng độ BOD tại thời điểm t, BOD₀​ là nồng độ BOD ban đầu.

Tương tự, động học của quá trình oxy hóa amoni cũng tuân theo dạng bậc một, được biểu diễn bằng phương trình:

Giải phương trình động học cho amoni, ta có:

Trong đó, [NH₄⁺]_t là nồng độ amoni tại thời điểm t, [NH₄⁺​]₀​ là nồng độ amoni ban đầu, và k_NH4⁺​​ là hằng số tốc độ oxy hóa amoni.

Sau một thời gian vận hành, lớp màng sinh học đạt đến giới hạn độ dày từ 1 ÷ 2 mm tùy thuộc vào vận tốc quay của đĩa. Khi đạt đến độ dày này, lớp màng sẽ bị tách ra do sự kết hợp giữa chuyển động quay và trọng lực, sau đó theo dòng nước thải đi sang bể lọc vật liệu nổi để tiếp tục xử lý. Thời gian lưu nước hiệu quả trong bể D-VIS thường từ 1,5 ÷ 2 giờ khi chỉ xử lý hợp chất hữu cơ. Khi cần xử lý đồng thời hợp chất hữu cơ và các hợp chất nitơ, thời gian lưu nước cần kéo dài từ 2 ÷ 4 giờ, tùy thuộc vào nồng độ chất thải đầu vào.

Vật liệu mang DHY01 gồm hai phần chính: một khung hình cầu làm bằng nhựa và các khối vật liệu nhỏ dạng lập phương bên trong. Khung hình cầu được chế tạo từ nhựa Polypropylene (PP) nguyên sinh cao cấp, có độ bền cơ học cao, khả năng chịu mài mòn, chống ăn mòn hóa học và chịu được môi trường nước thải ô nhiễm. Các khối vật liệu nhỏ bên trong, cũng làm từ nhựa Polypropylene hoặc nhựa Polyethylene (PE), có kết cấu dạng khối lập phương, bề mặt sần để tăng diện tích tiếp xúc và khả năng bám dính của vi sinh vật.

Thông số kỹ thuật tiêu biểu của vật liệu mang DHY01:

• Kích thước khung cầu: đường kính khoảng 100 mm.
• Kích thước hạt vật liệu bên trong: mỗi khối lập phương có cạnh dài từ 1,5 x 1,5 cm.
• Tỷ trọng vật liệu: khoảng 0,92 ÷ 0,96 g/cm³ (nổi nhẹ trong nước).
• Diện tích bề mặt riêng: từ 800 ÷ 1000 m²/m³.
• Vật liệu: nhựa Polypropylene nguyên sinh.
• Tuổi thọ: ≥ 10 năm trong điều kiện vận hành tiêu chuẩn.
• Màu sắc: trắng hoặc trắng ngà.
• Nhiệt độ làm việc: 5 ÷ 80 °C.

Vật liệu mang DHY01 được thiết kế nhằm tối ưu hóa khả năng bám dính vi sinh vật, tăng hiệu quả xử lý BOD, COD, amoni, tổng nitơ... trong các hệ thống xử lý nước thải sinh học như MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), IFAS (Integrated Fixed-film Activated Sludge) và các mô hình tương tự như D-VIS.

3. Nghiên cứu thực nghiệm

Chạy thử Pilot D-VIS tại Xưởng chế tạo tại Hoài Đức với công suất Q = 5m³/h. Thông số chất lượng nước đầu vào được trình bày trong bảng sau:

Theo QCVN 14:2015/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt, giới hạn tối đa đối với một số chỉ tiêu đối với nguồn tiếp nhận loại A (cột A) là BOD₅ (20°C, 5 ngày) ≤ 30 mg/l và Tổng Nitơ (T-N) ≤ 15 mg/l (Chỉ tiêu này bao gồm cả NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N, và dạng hữu cơ). Trong suốt 8 ngày thử nghiệm, các giá trị BOD₅ đo được dao động từ 328.3 - 421.2 mg/l, vượt quá giới hạn cho phép của QCVN 14:2015/BTNMT từ 10 đến 14 lần, điều này cho thấy nước thải đầu vào có tải lượng hữu cơ rất cao, đặc trưng cho nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý. Đối với NH₄⁺-N, nồng độ dao động từ 23.5 - 45.8 mg/l, cũng vượt giới hạn cho phép của tổng Nitơ (15 mg/l) theo quy chuẩn, chứng tỏ nước thải có lượng Nitơ cao, chủ yếu dưới dạng amoni, cần phải xử lý để tránh gây ô nhiễm cho nguồn tiếp nhận. Trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, tỷ lệ dinh dưỡng giữa các thành phần hữu cơ và dinh dưỡng thường được tính theo tỷ lệ BOD:N:P = 100:5:1 để đảm bảo vi sinh vật có đủ thức ăn và dưỡng chất để phát triển và phân hủy chất hữu cơ hiệu quả. Tính toán tỷ lệ BOD:N thực tế, với trung bình giá trị BOD₅ là 373.1 mg/l và NH₄⁺-N là 34.4 mg/l, ta có tỷ lệ BOD:N ≈ 10.85:1, cao hơn rất nhiều so với yêu cầu lý tưởng 20:1. Điều này cho thấy nước thải có hàm lượng Nitơ tương đối thấp so với BOD, có thể gây thiếu hụt Nitơ cho quá trình xử lý sinh học nếu không bổ sung. Về Phospho (P), hiện tại chưa có số liệu về tổng Phospho trong nước thải, tuy nhiên, trong nước thải sinh hoạt, Phospho thường có hàm lượng thấp nên cần chú ý bổ sung dưỡng chất trong quá trình vận hành hệ thống để đảm bảo tỷ lệ BOD:N:P tối ưu cho quá trình xử lý. Chất lượng nước thải đầu vào có tải lượng ô nhiễm hữu cơ (BOD) và Nitơ (NH₄⁺-N) rất cao, vượt quy chuẩn nhiều lần, đặc trưng cho nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý. Tỷ lệ BOD:N thực tế khoảng 11:1, vì vậy cần xem xét bổ sung dinh dưỡng (đặc biệt Nitơ và Phospho) để đạt tỷ lệ tối ưu BOD:N:P = 100:5:1, đảm bảo quá trình xử lý sinh học diễn ra hiệu quả. Các thông số đầu vào này phù hợp cho mục đích kiểm chứng hiệu quả xử lý của hệ thống Pilot D-VIS.

4. Kết quả và thảo luận

Sau 9 ngày khi D-VIS hoạt động ổn định, tiến hành lấy mẫu thí nghiệm nước trước và sau bể.

Sau 9 ngày khi hệ thống D-VIS vận hành ổn định, tiến hành lấy mẫu nước thải tại các điểm trước và sau bể để phân tích. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Bảng 2, thể hiện sự biến đổi hàm lượng BOD₅ và NH₄⁺-N theo thời gian vận hành.

Đối với chỉ tiêu BOD₅, nồng độ đầu vào dao động trong khoảng từ 328,3 mg/L đến 431,2 mg/L, phản ánh đặc trưng ô nhiễm hữu cơ cao của nước thải sinh hoạt chưa xử lý. Sau xử lý, nồng độ BOD₅ giảm mạnh còn từ 27,5 mg/L đến 38,4 mg/L. Mức giảm trung bình đạt trên 90%, cho thấy hiệu quả xử lý hữu cơ của hệ thống là rất cao. So với quy chuẩn QCVN 14:2015/BTNMT, cột A (BOD₅ ≤ 30 mg/L), các kết quả cho thấy hầu hết các mẫu nước sau xử lý đạt hoặc xấp xỉ ngưỡng cho phép. Riêng ngày 8, giá trị BOD₅ đầu ra là 38,4 mg/L, vượt nhẹ so với giới hạn cột A, tuy nhiên vẫn đáp ứng yêu cầu của cột B (BOD₅ ≤ 50 mg/L), phù hợp cho mục đích xả thải vào nguồn nước không dùng cho cấp nước sinh hoạt.

Về chỉ tiêu NH₄⁺-N, nồng độ đầu vào dao động từ 23,5 mg/L đến 45,8 mg/L, thể hiện sự hiện diện phổ biến của amoni trong nước thải sinh hoạt. Sau xử lý, hàm lượng NH₄⁺-N giảm mạnh, đạt mức từ 3,5 mg/L đến 5,6 mg/L. Hiệu suất loại bỏ amoni dao động từ khoảng 85% đến 92%, cho thấy quá trình Nitrat hóa diễn ra hiệu quả. Điều này phản ánh hoạt động tốt của các chủng vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong bể xử lý sinh học. Theo yêu cầu của QCVN 14:2015/BTNMT, giới hạn cho NH₄⁺-N tại cột A là 5 mg/L. Kết quả cho thấy hầu hết các mẫu đầu ra đạt hoặc rất gần giới hạn này; chỉ riêng ngày 7 và ngày 8, nồng độ NH₄⁺-N sau xử lý lần lượt là 5,3 mg/L và 5,6 mg/L, hơi vượt ngưỡng, nhưng vẫn đạt yêu cầu theo cột B (≤ 10 mg/L).

Nhìn chung, hệ thống D-VIS đã chứng minh hiệu quả cao trong việc giảm tải BOD₅ và NH₄⁺-N của nước thải sinh hoạt, đảm bảo đáp ứng tiêu chuẩn môi trường theo QCVN 14:2015/BTNMT đối với phần lớn thời gian vận hành.

Theo những kết quả nghiên cứu thực nghiệm ta lập được biểu đồ sau:

Theo biểu đồ 4 Dựa trên biểu đồ biểu diễn hàm lượng BOD₅ sau xử lý theo thời gian vận hành, có thể nhận thấy xu hướng ổn định rõ rệt của hiệu quả xử lý. Nồng độ BOD₅ đầu vào liên tục tăng dần từ khoảng 328 mg/L đến trên 430 mg/L trong suốt 8 ngày, cho thấy tải lượng ô nhiễm hữu cơ vào hệ thống D-VIS ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, nồng độ BOD₅ đầu ra vẫn được duy trì ở mức rất thấp, dao động từ 27,5 mg/L đến 38,4 mg/L. Đường biểu diễn hàm lượng BOD₅ sau xử lý luôn nằm dưới đường giới hạn BOD₅ tiêu chuẩn theo QCVN 14:2015/BTNMT (cột A), ngoại trừ ngày 8, khi có sự vượt nhẹ nhưng vẫn đạt yêu cầu cột B. Điều này chứng tỏ hệ thống xử lý D-VIS có khả năng thích ứng tốt với sự biến động tải lượng đầu vào, duy trì hiệu suất xử lý hữu cơ cao và ổn định.

Hiệu suất xử lý BOD₅ được tính theo công thức:

Hiệu suất xử lý BOD₅ (%) = ((BOD₅ đầu vào – BOD₅ đầu ra) / BOD₅ đầu vào) × 100

Dựa trên các giá trị tính toán từ dữ liệu thực nghiệm, hiệu suất xử lý trung bình luôn duy trì trên 90%, cho thấy khả năng phân hủy chất hữu cơ rất hiệu quả, chủ yếu nhờ hoạt động của các nhóm vi khuẩn dị dưỡng như Pseudomonas, Bacillus và Acinetobacter trong điều kiện hiếu khí tối ưu.

Để phân tích sâu hơn mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý BOD₅ (%) và thời gian lưu nước trong bể D-VIS (giờ), tiến hành xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính. Trong thí nghiệm này, giả định thời gian lưu nước trung bình trong bể là 24 giờ/ngày. Như vậy, thời gian lưu tương ứng cho các ngày 1 đến 8 sẽ lần lượt là 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ, 96 giờ, 120 giờ, 144 giờ, 168 giờ và 192 giờ.

Kết quả hồi quy tuyến tính giữa hiệu suất xử lý BOD₅ (%) và thời gian lưu nước (h) cho phương trình:

Y = -0,0295X + 93,127

trong đó Y là hiệu suất xử lý BOD₅ (%) và X là thời gian lưu nước (giờ).

Phương trình cho thấy hiệu suất xử lý BOD₅ giảm nhẹ theo thời gian lưu, với hệ số góc rất nhỏ (-0,0295), phản ánh mức suy giảm hiệu suất không đáng kể qua quá trình vận hành. Hiệu suất xử lý vẫn duy trì ở mức rất cao, chủ yếu do quần thể vi sinh vật trong bể hoạt động ổn định, khả năng phân giải chất hữu cơ hiệu quả và khả năng tự điều chỉnh hệ vi sinh theo sự biến động của tải lượng ô nhiễm.

Dựa trên biểu đồ 5 biểu diễn hàm lượng amoni - nitơ sau xử lý theo thời gian vận hành, có thể nhận thấy hiệu quả xử lý amoni của hệ thống D-VIS duy trì ở mức cao và ổn định. Nồng độ amoni đầu vào tăng dần từ khoảng 23,5 mg/L lên tới 45,8 mg/L trong 8 ngày, cho thấy tải lượng amoni trong nước thải sinh hoạt ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, nồng độ amoni đầu ra vẫn dao động trong khoảng 3,5 mg/L đến 5,6 mg/L, thấp hơn đáng kể so với giới hạn amoni quy định tại QCVN 14:2015/BTNMT cột A (5 mg/L) trong phần lớn thời gian vận hành và chỉ vượt nhẹ ở ngày thứ 8. Kết quả này phản ánh khả năng xử lý nitơ amoni hiệu quả, cho dù tải lượng ô nhiễm đầu vào không ngừng tăng.

Hiệu suất xử lý amoni được tính theo công thức:

Hiệu suất xử lý amoni (%) = ((NH₄⁺-N đầu vào – NH₄⁺-N đầu ra) / NH₄⁺-N đầu vào) × 100

Tính toán từ dữ liệu thí nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý amoni trung bình đạt trên 85%, cho thấy khả năng oxy hóa amoni hiệu quả của hệ thống. Quá trình xử lý amoni chủ yếu dựa trên sự hoạt động của các vi khuẩn nitrat hóa như Nitrosomonas và Nitrobacter, với Nitrosomonas oxy hóa NH₄⁺ thành NO₂⁻, và Nitrobacter tiếp tục oxy hóa NO₂⁻ thành NO₃⁻ trong điều kiện hiếu khí.

Để mô tả mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý amoni và nồng độ BOD₅ (mg/L) cũng như thời gian lưu trong bể D-VIS (giờ), tiến hành phân tích hồi quy đa biến. Trong thí nghiệm, giả định thời gian lưu nước trung bình trong bể là 24 giờ/ngày, nên thời gian lưu tương ứng cho các ngày là 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168 và 192 giờ.

Kết quả phân tích hồi quy đa biến cho thấy phương trình hồi quy tuyến tính có dạng:

Y = -0,073X₁ - 0,024X₂ + 98,512

trong đó Y là hiệu suất xử lý amoni (%), X₁ là nồng độ BOD₅ đầu vào (mg/L), và X₂ là thời gian lưu nước trong bể D-VIS (giờ).

Phương trình cho thấy cả hai yếu tố là nồng độ BOD₅ và thời gian lưu nước đều có ảnh hưởng nhẹ đến hiệu suất xử lý amoni. Hệ số góc âm của X₁ phản ánh rằng khi nồng độ BOD₅ đầu vào tăng, khả năng cạnh tranh oxy giữa vi khuẩn dị dưỡng và vi khuẩn nitrat hóa có thể làm giảm nhẹ hiệu quả oxy hóa amoni. Đồng thời, hệ số góc âm của X₂ cũng cho thấy hiệu suất có xu hướng giảm nhẹ khi thời gian lưu tăng, có thể do sự giảm hoạt động sinh học do tích tụ sản phẩm oxy hóa hoặc thay đổi các điều kiện môi trường trong bể.

Tuy vậy, với hệ số biến thiên rất nhỏ và giá trị chặn cao (gần 100%), hiệu suất xử lý amoni của hệ thống D-VIS vẫn được đánh giá là rất tốt và ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm.

Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, hệ thống D-VIS cho thấy khả năng hoạt động tốt và ổn định khi xử lý nước thải có hàm lượng BOD₅ ≤ 500 mg/L và NH₄⁺-N ≤ 80 mg/L. Hiệu quả xử lý BOD₅ đạt từ 85 đến 95%, còn hiệu quả xử lý NH₄⁺-N đạt từ 90 đến 98%, với chất lượng nước đầu ra đáp ứng tiêu chuẩn cột A theo QCVN 14:2015/BTNMT. Hệ thống có diện tích tiếp xúc lớn, thời gian lưu nước ngắn, yêu cầu diện tích mặt bằng nhỏ và chi phí đầu tư thấp. Bùn sinh ra trong quá trình xử lý có khả năng lắng tốt, với lượng bùn chỉ bằng khoảng 50% so với các phương pháp xử lý truyền thống. D-VIS vận hành không cần máy nén khí hay bơm tuần hoàn bùn, chỉ sử dụng một động cơ duy nhất, nhờ đó tiết kiệm được khoảng 60% năng lượng so với các hệ thống truyền thống. Quá trình hoạt động của hệ thống có độ ồn thấp, không phát sinh mùi, tính thẩm mỹ cao và được thiết kế theo dạng mô-đun, giúp dễ dàng di chuyển và tăng công suất khi cần thiết. Việc lắp đặt và vận hành đơn giản, không yêu cầu nhân công có trình độ chuyên môn cao. Ngoài ra, hệ thống D-VIS vận hành ổn định và có khả năng chống "sốc" tốt trước sự biến động về lưu lượng cũng như chất lượng nước đầu vào.

Các tài liệu tham khảo

TS. Trịnh Xuân Đức - Viện Khoa học Kỹ thuật hạ tầng và Môi trườn