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 Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn nội dung mà tơi trình bày luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Nguyễn Trường Quân i LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng 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 Tơi 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 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 tơi suốt q trình thực luận án Tôi 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.08.04/1115” 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 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU… 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 Q trình phân hủy yếm khí 20 1.2.2 Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí 23 1.2.2.1 Q trình phát triển kĩ thuật yếm khí giới 23 1.2.2.2 Q 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 mô hình mơ nghiên cứu xử lý nước thải phương pháp sinh học 46 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 50 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 51 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 52 2.2.2.1 Sơ đồ thiết kế cấu tạo hệ thống thí nghiệm 52 2.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động quy trình thí nghiệm 57 2.2.2.3 Vật liệu mang sử dụng nghiên cứu 58 2.2.3 Phương pháp lấy mẫu phân tích mẫu 58 2.2.3.1 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 58 2.2.3.2 Phương pháp lấy mẫu bảo quản mẫu 59 2.2.3.3 Các phương pháp phân tích 59 2.2.3.3 Hóa chất thiết bị 61 2.2.4 Phương pháp phân tích, xử lý đánh giá số liệu 61 2.2.4.1 Xác định mật độ bùn vi sinh sử dụng vật liệu mang 61 2.2.4.2 Xác định thông số động học 62 2.2.4.3 Xử lý đánh giá số liệu 62 2.2.5 Phương pháp mô 64 2.2.5.1 Phần mềm mô 64 2.2.5.2 Các bước mô 64 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 66 3.1 ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NI LỢN VÀ BÙN SINH HỌC YẾM KHÍ 66 3.2 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN CỦA KĨ THUẬT UASB CƠ BẢN 68 3.3 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA HỆ UASB CẢI TIẾN 69 3.3.1 Khảo sát hiệu xử lý hệ yếm khí tuần hồn nội (IC) hệ yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC) 69 3.3.1.1 Diễn biến hiệu xử lý COD tổng 69 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 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Thuật ngữ viết tắt Phân hủy yếm khí AD Anaerobic Digestion ADM1 Anaerobic Digestion Model Mơ hình phân hủy yếm khí số No.1 AnFBBR Anaerobic Fixed Bed Biofilm Reactor Bể phản ứng yếm khí màng vi sinh cố định AnMBBR Anaerobic Moving Bed Biofilm Reactor Bể phản ứng yếm khí màng vi sinh chuyển động ASM Activated Sludge Model Mơ hình bùn hoạt tính Hệ số tốc độ phân hủy vi sinh b BOD Nhu cầu ơxy sinh hóa Biochemical Oxygen Demand Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Bộ TN&MT Bộ Tài nguyên Môi trường COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu ơxy hóa học CODt COD tổng CODht COD hòa tan EGSB Expanded Granular Sludge Bed Đệm vi sinh dạng hạt trương nở f Tỉ lệ thành phần chất có hợp chất hữu tổng f’ Tỉ lệ sinh sản phẩm từ chất hữu thành phần q trình chuyển hóa GPS-X Water & Wastewater Modelling and Simulation Software Hiệu suất xử lý HSXL IC Phần mềm mơ hình mơ nước nước thải Kĩ thuật phản ứng tuần hoàn nội Internal Circulation K Hằng số bán bão hòa k Hệ số tốc độ thủy phân k′ Hệ số tốc độ phân rã m Hằng số tốc độ phát triển sinh khối riêng cực đại MIC Modified Internal Circulation Kĩ thuật phản ứng tuần hoàn nội cải tiến MPN Most Probable Number Số lượng vi sinh xảy Năng suất xử lý NSXL OLR Organic Loading Rate Tải lượng hữu PE Polyethylene Polyetylen Phịng thí nghiệm PTN PU Polyurethane Polyuretan QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TL Tải lượng TN Total Nitrogen Tổng nitơ TP Total Phosphorus Tổng phốt TSS Total Suspended Solids Tổng cặn lơ lửng UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Hệ ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí VFAs Volatile Fatty Acids Các axit béo dễ bay VSV y Vi sinh vật Hệ số suất chuyển hóa sinh khối từ chất Yield Yếm khí 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 q trình phân hủy yếm khí 45 Bảng 3.1 Đặc tính nước thải chăn ni 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 ... 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... 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... NƯỚC THẢI CHĂN NI LỢN VÀ BÙN SINH HỌC YẾM KHÍ 66 3.2 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN CỦA KĨ THUẬT UASB CƠ BẢN 68 3.3 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA HỆ UASB CẢI TIẾN