luận văn thạc sĩ nghiên cứu áp dụng và mô hình hóa công nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - - Nguyễn Trường Qn NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG VÀ MƠ HÌNH HĨA CƠNG NGHỆ UASB CẢI TIẾN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - - Nguyễn Trường Quân NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG VÀ MƠ HÌNH HĨA CƠNG NGHỆ UASB CẢI TIẾN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 9440301.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Văn Chiều PGS.TS Cao Thế Hà Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu áp dụng mơ hình hóa cơng nghệ UASB cải tiến xử lý nước thải chăn nuôi lợn” thực với hướng dẫn khoa học thầy PGS.TS Lê Văn Chiều PGS.TS Cao Thế Hà Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực, xác từ đề tài nghiên cứu tơi Tơi xin chịu trách nhiệm hồn tồn nội dung mà tơi trình bày luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Nguyễn Trường Quân i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Văn Chiều PGS.TS Cao Thế Hà - người Thầy định hướng nghiên cứu tận tình hướng dẫn cho tơi suốt q trình thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy cô Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội truyền đạt bổ sung kiến thức quý báu để tơi thực tốt hướng nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy cô, anh chị em đồng nghiệp đơn vị: (i) Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường Phát triển bền vững - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; (ii) Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (iii) Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến phù hợp với điều kiện Việt Nam để xử lý ô nhiễm môi trường kết hợp với tận dụng chất thải trang trại chăn nuôi lợn - Mã số: KC.08.04/11-15” Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật mơ hình hóa cơng nghệ xử lý yếm khí nước thải giàu hữu vào thực tiễn Việt Nam - Mã số NĐT 31.JPA/17” hỗ trợ tơi q trình thực đề tài Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình bạn bè tơi - người ln ln ủng hộ nhiệt tình, chia sẻ động viên lúc tơi gặp khó khăn tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Nghiên cứu sinh Nguyễn Trường Quân ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU… .9 CHƯƠNG TỔNG QUAN .15 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN .15 1.1.1 Giới thiệu chung ngành chăn nuôi lợn 15 1.1.2 Tổng quan nước thải chăn nuôi lợn 16 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KĨ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ .20 1.2.1 Quá trình phân hủy yếm khí 20 1.2.2 Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí .23 1.2.2.1 Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí giới 23 1.2.2.2 Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí Việt Nam 27 1.2.3 Giới thiệu kĩ thuật UASB 28 1.2.4 Giới thiệu kĩ thuật tuần hoàn nội 30 1.2.5 Giới thiệu công nghệ màng sinh học 34 1.2.5.1 Khái niệm màng sinh học 34 1.2.5.2 Giới thiệu số loại vật liệu mang vi sinh 35 1.2.5.3 Ứng dụng công nghệ màng sinh học 37 1.2.6 Một số công nghệ khác xử lý nước thải chăn nuôi lợn .38 1.3 MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ 40 1.3.1 Khái niệm mơ hình hố .40 1.3.2 Các bước thiết lập mơ hình mơ 41 1.3.3 Một số mơ hình q trình xử lý sinh học 42 1.3.4 Một số nghiên cứu ứng dụng mơ hình mơ nghiên cứu xử lý nước thải phương pháp sinh học CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 2.2.2.1 Sơ đồ thiết kế cấu tạo hệ thống thí nghiệm 2.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động quy trình thí nghiệm 2.2.2.3 Vật liệu mang sử dụng nghiên cứu 2.2.3 Phương pháp lấy mẫu phân tích mẫu 2.2.3.1 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 2.2.3.2 Phương pháp lấy mẫu bảo quản mẫu 2.2.3.3 Các phương pháp phân tích 2.2.3.3 Hóa chất thiết bị 2.2.4 Phương pháp phân tích, xử lý đánh giá số liệu 2.2.4.1 Xác định mật độ bùn vi sinh sử dụng vật liệu mang 2.2.4.2 Xác định thông số động học 2.2.4.3 Xử lý đánh giá số liệu 2.2.5 Phương pháp mô 2.2.5.1 Phần mềm mô 2.2.5.2 Các bước mô CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN VÀ BÙN SINH HỌC YẾM KHÍ 3.2 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN CỦA KĨ THUẬT UASB CƠ BẢN 3.3 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA HỆ UASB CẢI TIẾN 3.3.1 Khảo sát hiệu xử lý hệ yếm khí tuần hồn nội (IC) hệ yếm khí tuần hoàn nội cải tiến (MIC) 3.3.1.1 Diễn biến hiệu xử lý COD tổng 3.3.1.2 Diễn biến hiệu xử lý CODht 76 3.3.1.3 Diễn biến hiệu xử lý TSS 81 3.3.2 Khảo sát hiệu xử lý hệ UASB cải tiến sử dụng vật liệu mang vi sinh 83 3.3.2.1 Sử dụng vật liệu mang PU-K30 .83 3.3.2.2 Sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15 87 3.3.2.3 Tổng hợp đánh giá kết khảo sát 91 3.4 MƠ HÌNH HĨA CÁC Q TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ 95 3.4.1 Đặc tính nước thải đầu vào, đầu hệ thí nghiệm 95 3.4.1.1 Thành phần hữu nước thải đầu vào 95 3.4.1.2 Thành phần hữu nước thải đầu 97 3.4.2 Thông số động học q trình phân hủy yếm khí 99 3.4.2.1 Các thông số động học y, f f’ 99 3.4.2.2 Các thông số động học k, k′, m, K b .100 3.4.3 Kết mô .102 3.4.3.1 Số liệu mô 102 3.4.3.2 Mô kết thực nghiệm 104 KẾT LUẬN 118 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 PHỤ LỤC Ký hiệu AD ADM1 AnFBBR AnMBBR ASM b BOD Bộ NN&PTNT Bộ TN&MT COD CODt CODht EGSB f f’ GPS-X HSXL IC K k k′ m MIC Modi Circu MPN Most NSXL OLR Orga PE Polye PTN PU Polyu QCVN TCVN TL TN Total TP Total TSS Total UASB Upflo Blank VFAs Volat VSV y Yield YK DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Số lượng vật nuôi giai đoạn 2014 - 2018 15 Bảng 1.2 Thành phần hóa học phân lợn có trọng lượng từ 70 - 100 kg 19 Bảng 1.3 Thành phần hóa học nước tiểu lợn có trọng lượng 70 - 100 kg 19 Bảng 1.4 Đặc trưng số vật liệu mang vi sinh kĩ thuật yếm khí 36 Bảng 1.5 Các phương trình động học trình phân hủy yếm khí .45 Bảng 3.1 Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn 66 Bảng 3.2 Đặc tính bùn sinh học yếm khí 67 Bảng 3.3 Tổng hợp hiệu xử lý CODt hệ IC 71 Bảng 3.4 Tổng hợp hiệu xử lý CODt hệ MIC 72 Bảng 3.5 Tổng hợp hiệu xử lý CODht hệ IC 78 Bảng 3.6 Tổng hợp hiệu xử lý CODht hệ MIC .78 Bảng 3.7 Đánh giá hiệu xử lý COD tổng hệ UASB, AnFBBR AnMBBR 92 Bảng 3.8 Thành phần hữu có nước thải đầu vào 96 Bảng 3.9 Thành phần hữu có nước thải đầu 98 Bảng 3.10 Giá trị thông số động học f 99 Bảng 3.11 Giá trị thông số động học k, k′, m K 101 Bảng 3.12 Các giá trị kết mô thành phần hữu tính theo COD tổng 103 Thời gian (ngày) CODt (mgCOD/l) 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 6.091 6.099 6.121 6.170 6.173 6.199 6.065 6.137 6.071 6.111 6.096 6.373 6.151 6.124 6.096 26 Bảng PL7 Thành phần nước thải đầu lưu lượng khí mêtan sinh Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 CODt (mgCOD/l) 65 699 621 714 714 675 834 658 853 615 748 810 677 908 1.160 1.250 1.150 1.370 1.040 1.470 1.230 1.230 922 Thời gian (ngày) 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 CODt (mgCOD/l) 1.150 1.540 1.350 1.470 1.350 1.620 1.420 1.360 1.540 1.430 1.290 1.330 1.300 1.450 1.340 1.400 1.400 1.590 1.380 1.520 1.420 1.220 1.340 2.230 2.240 2.520 Thời gian (ngày) 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 CODt (mgCOD/l) 2.120 2.310 2.280 2.110 2.210 2.360 2.010 2.000 2.040 2.460 2.440 2.360 2.350 2.550 2.130 2.330 2.310 2.310 2.190 2.210 2.080 2.430 2.400 2.420 2.400 2.290 Thời gian (ngày) 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 CODt (mgCOD/l) 2.460 2.330 2.210 2.120 2.040 2.020 2.010 1.980 1.930 1.890 1.820 2.360 2.150 2.120 1.960 2.160 2.390 1.780 2.160 1.760 1.990 2.320 2.210 2.140 1.800 1.820 Thời gian (ngày) 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 CODt (mgCOD/l) 1.800 2.080 2.350 2.170 2.050 2.340 2.500 2.140 2.270 2.180 2.160 1.920 1.820 2.030 1.980 2.020 2.000 2.390 2.210 2.330 2.220 2.110 2.350 2.360 1.830 1.870 Thời gian (ngày) 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 CODt (mgCOD/l) 2.000 2.230 2.310 1.790 2.340 1.920 2.290 1.940 2.130 1.940 1.830 2.320 1.810 2.540 2.400 2.410 2.570 2.710 2.240 2.450 2.520 2.690 2.660 2.620 2.560 2.760 Thời gian (ngày) CODt (mgCOD/l) 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 2.410 2.800 2.640 2.520 2.460 2.390 2.770 2.400 2.770 2.560 2.450 2.710 2.530 2.310 2.550 33 Bảng PL8 Bảng giá trị kết mơ thí nghiệm Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 CODt (mgCOD/l) 9,5 844 899 920 1.020 935 845 841 1.010 899 1.060 1.030 982 894 1.020 1.410 1.370 1.450 1.450 1.310 1.360 1.390 1.030 Thời gian (ngày) 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 CODt (mgCOD/l) 1.220 1.350 1.300 1.300 1.310 1.310 1.300 1.330 1.310 1.300 1.300 1.300 1.330 1.330 1.320 1.350 1.360 1.370 1.370 1.370 1.310 1.270 1.310 1.970 2.420 2.380 Thời gian (ngày) 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 CODt (mgCOD/l) 2.360 2.150 2.180 2.210 2.140 2.220 2.200 2.110 2.130 2.170 2.140 2.150 2.130 2.140 2.160 2.140 2.130 2.140 2.130 2.150 2.170 2.170 2.100 2.100 2.140 2.150 Thời gian (ngày) 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 CODt (mgCOD/l) 2.160 2.160 2.160 2.100 2.170 2.140 2.130 2.130 2.120 2.120 2.100 2.130 2.130 2.140 2.130 2.150 2.150 2.150 2.140 2.150 2.140 2.170 2.210 2.160 2.100 2.180 Thời gian (ngày) 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 CODt (mgCOD/l) 2.170 2.130 2.130 2.130 2.130 2.130 2.150 2.130 2.130 2.120 2.110 2.140 2.140 2.140 2.140 2.150 2.180 2.180 2.180 2.100 2.120 2.120 2.160 2.150 2.140 2.140 Thời gian (ngày) 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 CODt (mgCOD/l) 2.140 2.160 2.150 2.190 2.140 2.140 2.160 2.140 2.150 2.160 2.140 2.160 2.150 2.160 2.530 2.550 2.590 2.530 2.560 2.570 2.540 2.550 2.570 2.590 2.570 2.560 Thời gian (ngày) CODt (mgCOD/l) 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 2.540 2.540 2.550 2.560 2.580 2.580 2.590 2.530 2.560 2.530 2.550 2.550 2.660 2.570 2.560 40 ... hệ thống xử lý quy mơ nhỏ đến quy mô lớn loại nước thải chăn nuôi giàu hữu nghiên cứu Với lý trên, đề tài ? ?Nghiên cứu áp dụng mơ hình hóa cơng nghệ UASB cải tiến xử lý nước thải chăn nuôi lợn”... Nguyễn Trường Qn NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG VÀ MƠ HÌNH HĨA CƠNG NGHỆ UASB CẢI TIẾN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NI LỢN Chun ngành: Khoa học mơi trường Mã số: 9440301.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI... Dựa vào mối quan hệ suất xử lý hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào làm sở cho việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn thực tế theo công nghệ cải tiến nghiên cứu - Hệ UASB sử dụng