Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu và đánh giá bồn phản ứng ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí sử dụng vật liệu mang vi sinh ở chế độ chuyển động và cố định đối với nước thải chăn nuôi giàu hữu cơ phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Áp dụng mô hình hóa một số quá trình xử lý yếm khí đối với thành phần hữu cơ trong hệ bùn lơ lửng, đánh giá sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm nhằm đưa ra được mô hình quá trình yếm khí.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Trƣờng Quân NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN CƠNG NGHỆ YẾM KHÍ KẾT HỢP MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NI GIÀU HỮU CƠ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 9440301.01 (DỰ THẢO) TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG Hà Nội - 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Văn Chiều PGS.TS Cao Thế Hà Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Vào hồi ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, ĐHQGHN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề, lý lựa chọn đề tài Ơ nhiễm mơi trường nước vấn đề đáng lo ngại nước phát triển mà thách thức nước phát triển có Việt Nam Nước thải chưa qua xử lý thải mơi trường tình trạng phổ biến đô thị Đặc biệt nước thải sở sản xuất thực phẩm, trang trại chăn nuôi, sở giết mổ gia súc, làng nghề bún, bánh đa, … Nước thải chưa xử lý mà thải trực tiếp môi trường gây ô nhiễm môi trường nước, ô nhiễm môi trường xung quanh làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe người Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải giàu chất hữu cơ, cặn, nitơ phốt pho, để xử lý nước thải chăn nuôi việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp hiệu nước thải giàu hữu nói chung nước thải chăn ni lợn nói riêng quan trọng nhu cầu thiết Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải giàu hữu Đối với loại nước thải phương pháp đóng vai trị chủ chốt, hiệu thân thiện với môi trường lựa chọn nhiều phương pháp xử lý sinh học như: xử lý chất thải lỏng Biogas, lọc sinh học, hệ ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí (UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket) biến thể công nghệ UASB EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt trương nở), IC (Internal Circulation - Kĩ thuật tuần hoàn nội), … Vấn đề đặt áp dụng cách hiệu quả, kiểm soát kĩ thuật xử lý cao tải này; yếu tố cấu hình hệ thống, mật độ bùn, chế độ vận hành ảnh hưởng đến lực hiệu xử lý Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần hồn nội - IC có ưu điểm như: thứ hệ thống có khả khuấy trộn tự thân cao nên tiêu tốn lượng, thứ hai hệ có suất xử lý cao phù hợp với đối tượng nước thải chăn ni có hàm lượng hữu cao tải lượng lớn Bên cạnh đó, hệ IC sinh bùn giảm chi phí xử lý bùn thu hồi lượng Tuy nhiên, kĩ thuật IC gặp phải số hạn chế mặt chế tạo yêu cầu cột phản ứng có chiều cao lớn (3 đến 20 mét) khó khăn cho việc vận hành bảo trì Do cần phải cải tiến mặt kĩ thuật cho phù hợp - tức hệ thống cải tiến giảm chiều cao để khắc phục hạn chế nêu Việc đánh giá khả xử lý yếu tố ảnh hưởng loại nước thải cụ thể hệ thống cải tiến so với hệ nguyên mẫu cần phải đặt Đây phần tính đề tài nghiên cứu luận án Bên cạnh đó, kĩ thuật UASB kĩ thuật IC vận hành mật độ bùn vi sinh lơ lửng q cao (trên 10 g/l) có điểm yếu dễ bị rửa trơi ngồi với nước thải cuối cột dẫn đến giảm hiệu xử lý nước thải đầu chứa nhiều vi sinh cặn bùn Một giải pháp tăng mật độ bùn hiệu sử dụng vật liệu mang vi sinh đánh giá lực xử lý hữu chế độ màng vi sinh cố định (FBBR Fixed Bed Biofilm Reactor) chuyển động (MBBR - Moving Bed Biofilm Reactor) quan tâm luận án Việc bước đầu áp dụng mơ hình hóa mơ số trình xử lý thành phần hữu nhằm đưa mơ hình q trình phù hợp kết tính tốn thực nghiệm đặt loại nước thải chăn nuôi giàu hữu thực tế Mô hình thu cho phép tính tốn kết tiêu quan tâm thành phần nước thải đầu vào biết trước; làm giảm số lượng lớn thực nghiệm, rút ngắn thời gian, công sức, chi phí nghiên cứu vận hành hệ thống thí nghiệm; cho phép nhanh chóng đánh giá diễn biến kiểm sốt q trình, góp phần thiết kế hệ thống xử lý qui mô nhỏ đến qui mô lớn loại nước thải chăn nuôi giàu hữu nghiên cứu Với lý trên, đề tài “Nghiên cứu cải tiến cơng nghệ yếm khí kết hợp mơ hình hóa q trình xử lý nước thải chăn nuôi giàu hữu cơ” lựa chọn nhằm mục đích giải yêu cầu nêu Mục tiêu nghiên cứu 1) Nghiên cứu cải tiến đánh giá khả xử lý nước thải hệ xử lý yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC Modified Internal Cỉculation) 2) Nghiên cứu đánh giá bồn phản ứng ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí sử dụng vật liệu mang vi sinh chế độ chuyển động cố định nước thải chăn nuôi giàu hữu phù hợp với điều kiện Việt Nam 3) Áp dụng mơ hình hóa số q trình xử lý yếm khí thành phần hữu hệ bùn lơ lửng, đánh giá phù hợp kết mô với kết thực nghiệm nhằm đưa mơ hình q trình yếm khí Đối tƣợng nghiên cứu - Nước thải giàu hữu (nước thải chăn nuôi lợn lấy Thanh Trì, Hà Nội Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc) - Kĩ thuật yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC) giảm chiều cao cột phản ứng, kĩ thuật bồn phản ứng ngược dịng yếm khí qua lớp vật liệu mang vi sinh cố định (FBBR) chuyển động (MBBR) - Mơ hình phân hủy yếm khí (ADM1) Nhóm nhiệm vụ thuộc Hiệp hội chất lượng nước quốc tế phát triển mơ hình tốn học cho q trình phân hủy kỵ khí (IWA) sử dụng phần mềm GPS-X nhằm mơ q trình thí nghiệm Phạm vi nghiên cứu - Nước thải chăn ni lợn lấy huyện Thanh Trì, Hà Nội huyện Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc - Bốn kĩ thuật phản ứng yếm khí cao tải quy mơ phịng thí nghiệm: IC, MIC, FBBR MBBR - Sử dụng vật liệu mang xốp polyuretan (PU) vật liệu polyetylen (PE) hình bánh xe - Mơ hình phân hủy yếm khí ADM1 bao gồm 19 q trình 22 thơng số (10 thơng số thành phần hịa tan 12 thông số thành phần rắn) Ý nghĩa khoa học thực tiến đề tài Ý nghĩa khoa học - Đánh giá hiệu xử lý thành phần COD nước thải chăn nuôi kĩ thuật IC, MIC, FBBR MBBR, phụ thuộc hiệu vào thông số vận hành hệ phản ứng (nồng độ COD đầu vào, tải lượng, thời gian lưu ) Đã xác định lực xử lý thông qua mối quan hệ suất xử lý hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào - Xác định thành phần cacbonhydrat, protein, lipit, VFAs, thành phần trơ, thành phần hòa tan chậm phân hủy có nước thải làm sở cho việc mơ hình hóa q trình phân hủy yếm khí nước thải chăn ni Đã xác định hệ số tỉ lệ sinh (f) cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ thành phần hòa tan chậm phân hủy từ chất (COD tổng) thực nghiệm - Đã xác định giá trị số tốc độ phân hủy (k) COD tổng, cacbonhidrat, protein, lipit giá trị số tốc độ tăng trưởng cực đại (m) đường, axit amin, axit béo, lactat, butyrat, propionat, axetat hidro thuật toán “vét cạn” (thuật toán giải toán tối ưu) - Đã kiểm chứng kết mô với kết thực nghiệm q trình xử lý yếm khí kĩ thuật MBBR đưa mơ hình phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn Ý nghĩa thực tiễn Cải tiến hệ IC để thuận tiện cho việc chế tạo vận hành 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 thực tế theo mơ hình nghiên cứu Sử dụng vật liệu mang để làm tăng mật độ vi sinh đồng thời làm giảm thời gian khởi động hệ vi sinh xử lý yếm khí Mơ hình q trình phân hủy yếm khí tìm giúp cho hiểu rõ chất, kiểm sốt q trình, phục vụ hiệu cho việc nghiên cứu, tiết kiệm thời gian, chi phí có khả áp dụng thiết kế hệ thống xử lý quy mô thực tế CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nƣớc thải chăn nuôi lợn Nước thải chăn nuôi loại nước thải đặc trung, bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật nuôi Thành phần chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố tuổi vật nuôi, chế độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm chuồng, cách xử lý chất thải Theo số liệu Tổng cục thống kê, năm 2018 nước ta có khoảng 28,2 triệu lợn Trung bình đầu lợn thải 25 lít nước thải ngày, ước tính hàng năm ngành chăn nuôi lợn thải môi trường khoảng 257,3 triệu m3 nước thải, số lượng nước thải lớn không xử lý gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe người 1.2 Tổng quan cơng nghệ xử lý yếm khí Xử lý yếm khí cơng nghệ lâu đời gần biogas coi nguồn lượng tái tạo trở nên hấp dẫn quan tâm phát triển Theo Lettinga, tốc độ sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp có suất hệ hiếu khí Tuy nhiên với kĩ thuật yếm khí đại, yếu điểm dần khắc phục Các kĩ thuật yếm khí ngày chấp nhận tải lượng hàng chục kgCOD/(m3.ngày) với hiệu suất xử lý thường 70 - 90% Nghiên cứu Kassam Z.A cho thấy BOD nước thải vượt 1.000 mg/l hệ yếm khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Kĩ thuật phản ứng ngược dòng qua lớp đệm vi sinh) có ý nghĩa kinh tế hệ bùn hoạt tính hiếu khí mặt chi phí xây dựng lẫn phí vận hành bảo trì Theo Eckenfelder, nguyên tắc có ba nhóm kĩ thuật yếm khí: (i) hệ phản ứng với vi sinh phân tán; (ii) hệ phản ứng với vi sinh cố định vật liệu mang (iii) hệ phản ứng với lớp bùn giả lỏng giãn nở Bên cạnh chức ban đầu xử lý môi trường, công nghệ yếm khí nguồn lượng tái tạo ổn định, khơng phụ thuộc vào tự nhiên điện gió, điện mặt trời, cơng nghệ yếm khí cịn bắt đầu thuận lợi cho việc áp dụng công nghệ thu hồi dinh dưỡng, sản xuất phân hữu an toàn phục vụ phát triển nông nghiệp Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần hồn nội - IC có ưu điểm như: thứ hệ thống có khả khuấy trộn tự thân cao nên tiêu tốn lượng, thứ hai hệ có suất xử lý cao phù hợp với đối tượng nước thải chăn ni có hàm lượng hữu cao tải lượng lớn Bên cạnh đó, hệ IC sinh bùn giảm chi phí xử lý bùn thu hồi lượng dạng biogas Tuy nhiên, kĩ thuật IC gặp phải số hạn chế mặt chế tạo yêu cầu cột phản ứng có chiều cao lớn (đến 20 mét hơn) khó khăn cho việc vận hành bảo trì Do cần phải cải tiến mặt kĩ thuật cho phù hợp - tức hệ thống cải tiến theo hướng giảm chiều cao để khắc phục hạn chế nêu Việc đánh giá ảnh hưởng yếu tố quan trọng nồng độ đầu vào, thời gian lưu, tải lượng lên khả xử lý loại nước thải cụ thể hệ thống IC cải tiến so với IC cần đặt Đây phần nội dung nghiên cứu luận án Bên cạnh đó, kĩ thuật UASB kĩ thuật IC vận hành mật độ bùn vi sinh lơ lửng cao (trên 10 g/l) có điểm yếu dễ bị rửa trơi ngồi dẫn đến giảm hiệu xử lý nước thải đầu chứa nhiều vi sinh cặn bùn Giải pháp dùng vi sinh dạng hạt, điều nhiều tác giả áp dụng Một khả khác sử dụng vật liệu mang vi sinh Vì vậy, đánh giá lực xử lý hữu chế độ màng vi sinh cố định (FBBR) chuyển động (MBBR) quan tâm luận án Vật liệu mang vi sinh vật liệu chế tạo nhựa PE, PVC PU , có tác dụng nơi để vi sinh bám vào làm tăng mật độ vi sinh hệ thí nghiệm xử lý nước thải vi sinh 1.3 Động học q trình xử lý yếm khí Phương trình tổng qt phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu sau: CcHhOoNnSs + H2O CO2 + CH4 + NH3 + H2S (1) Tính chung cho chất thải, q trình yếm khí bao gồm giai đoạn với sản phẩm cuối biogas (CH4 + CO2) mô tả sơ đồ Hình 1.3 Hình 1.3 Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu hệ xử lý vi sinh yếm khí sinh học phục vụ cho mơ dựa vào mơ hình ADM1 phần mềm mô GPS-X - Áp dụng mơ hình mơ cho tác động tổ hợp yếu tố, tính tốn thơng số cần thiết để đạt hiệu suất định cho thiết kế hệ thống xử lý nước thải thực tế - Kiểm tra, so sánh đánh giá kết mô với kết thực nghiệm hệ thống xử lý yếm khí màng vi sinh chuyển động - MBBR thực tế 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập tài liệu - Phương pháp thực nghiệm: Các thực nghiệm tiến hành hệ thống thí nghiệm (IC, MIC, FBBR MBBR) để phân tích, đánh giá so sánh - Quy trình thí nghiệm Hệ IC hệ MIC khảo sát liên tục tải lượng khác tăng dần tải lượng đầu vào vận hành tốc độ dâng nước khơng đổi (0,9m/giờ) có mật độ bùn yếm khí ban đầu 13,3 g/l Hệ FBBR hệ MBBR khảo sát liên tục hệ thống thí nghiệm FBBR MBBR với lưu lượng đầu vào Q = l/h (HRT = 12 h, tốc độ dâng = 0,9 m/h) tải lượng COD đầu vào từ - gCOD/l.ngày vật liệu mang vi sinh Polyuretan (PU) từ - 10 gCOD/l.ngày vật liệu mang Polyetylen (PE) để phân tích, đánh giá COD tổng TSS đầu điều kiện vận hành nhiệt độ 35oC có mật độ bùn yếm khí ban đầu 20 g/l - Phương pháp lấy mẫu bảo quản mẫu - Phương pháp phân tích mẫu 11 - Phương pháp xác đinh hệ số chuyển hóa giá trị số - Phương pháp phân tích, xử lý đánh giá số liệu 2.3 Quy trình mơ - Xây dựng sơ đồ mô - Cài đặt thông số vào modul sơ đồ: Lưu lượng đầu vào, thể tích bồn phản ứng, lưu lượng tuần hoàn - Nhập giá trị hệ số chuyển hóa tỉ lệ chất - Nhập giá trị số - Nhập liệu đầu vào (kết phân tích thực nghiệm) - Tiến hành mô - Chiết suất, lưu giữ kết - Kiểm tra đánh giá kết mô CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát hệ xử lý yếm khí tuần hồn nội (IC) * Hiệu xử lý COD tổng Hệ IC khảo sát tải lượng COD tổng đầu vào khác với thời gian lưu HRT giảm dần (24, 20, 16, 12 giờ), trì tốc độ dâng nước khơng đổi v = 0,9 m/giờ có mật độ bùn yếm khí ban đầu 13,3 g/l Theo kết khảo sát hệ IC (Bảng 3.1) tăng dần tải lượng COD tổng đầu vào từ 0,55 đến 22,55 gCOD/l.ngày suất xử lý tăng từ 0,26 đến 16,62 gCOD/l.ngày với hiệu suất đạt dao động khoảng 63,2 - 74,7%, giá trị trung bình 69,2% Hiệu suất xử lý COD tổng đạt giá trị cao 74,7% tải lượng đầu vào từ 4,48 - 5,61gCOD/l.ngày với suất xử lý từ 2,86 - 4,91 gCOD/l.ngày 12 Bảng 3.1 Khảo sát hiệu xử lý COD tổng hệ IC TT TL COD tổng đầu vào (gCOD/l.ngày) TL COD tổng đầu (gCOD/l.ngày) Năng suất xử lý (gCOD/l.ngày) HSXL tb (%) 0,55 - 1,77 - 0,66 0,26 - 1,15 69,8 3,0 - 4,42 0,57 - 1,90 2,13 - 3,39 71,1 4,48 - 5,61 0,81 - 2,59 2,86 - 4,91 74,7 5,77 - 7,37 0,68 - 4,11 3,26 - 5,79 71,7 7,98 - 9,98 1,02 - 5,65 4,33 - 7,75 67,8 10,10 - 14,78 0,79 - 8,90 4,36 - 10,99 63,2 17,62 - 22,55 4,12 - 9,35 8,28 - 16,62 66,3 0,26 - 16,62 69,2 0,55 - 22,55 * Hiệu xử lý COD hòa tan Kết khảo sát hiệu xử lý COD hòa tan hệ xử lý yếm khí IC thu Bảng 3.2 Bảng 3.2 Khảo sát hiệu xử lý COD hòa tan hệ IC TT TL COD tổng đầu vào (gCOD/l.ngày) TL COD tổng đầu (gCOD/l.ngày) Năng suất xử lý (gCOD/l.ngày) HSXL tb (%) 0,19 - 0,84 0,03 - 0,74 0,12 - 0,58 53,9 1,68 - 2,69 0,45 - 1,08 0,96 - 2,61 72,3 2,77 - 4,03 0,52 - 2,05 1,18 - 3,25 69,5 4,14 - 5,18 0,91 - 2,83 2,35 - 3,92 68,2 5,60 - 6,58 0,48 - 3,88 2,35 - 5,71 62,3 6,74 - 7,81 1,64 - 3,18 4,26 - 5,68 66,2 0,12 - 5,68 65,4 0,19 - 7,81 13 Bảng 3.2 cho thấy, kết khảo sát hệ IC tăng dần tải lượng COD hòa tan đầu vào từ 0,19 đến 7,81 gCOD/l.ngày suất xử lý tăng từ 0,12 đến 5,68 gCOD/l.ngày với hiệu suất đạt dao động khoảng 53,9 - 72,3%, giá trị trung bình 65,4% Hiệu suất xử lý COD hòa tan đạt giá trị cao 72,3% tải lượng đầu vào từ 1,68 - 2,69gCOD/l.ngày với suất xử lý từ 0,96 - 2,61 gCOD/l.ngày 3.2 Khảo sát hệ xử lý yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC) * Hiệu xử lý COD tổng Hệ MIC khảo sát điều kiện vận hành tương đương với hệ IC, với thời gian lưu HRT giảm dần (24, 20, 16, 12 giờ), tốc độ dâng nước khơng đổi v = 0,9 m/giờ, có mật độ bùn yếm khí ban đầu 13,3 g/l giá trị COD đầu vào tương đương Kết khảo sát thu Bảng 3.3 Bảng 3.3 Khảo sát hiệu xử lý COD tổng hệ MIC TT TL COD tổng đầu vào (gCOD/l.ngày) TL COD tổng đầu (gCOD/l.ngày) Năng suất xử lý (gCOD/l.ngày) HSXL tb (%) 0,55 - 1,06 0,19 - 0,81 0,23 - 0,48 42,3 2,92 - 3,08 0,87 - 1,0 2,0 - 2,13 68,9 4,22 - 4,95 0,84 - 2,57 2,38 - 3,94 69,8 5,55 - 7,77 0,74 - 3,47 3,43 - 5,80 70,4 7,98 - 9,90 1,12 - 4,65 5,26 - 7,86 74,6 10,0 - 12,7 0,69 - 5,35 5,58 - 9,47 66,9 13,41 - 17,62 3,50 - 5,57 8,63 - 12,58 69,1 19,38 - 22,55 3,82 - 7,15 15,36 - 16,99 76,7 0,23 - 16,99 70,9 0,55 - 22,55 14 Theo kết khảo sát hệ MIC tăng dần tải lượng COD tổng đầu vào từ 0,55 đến 22,55 gCOD/l.ngày suất xử lý tăng từ 0,23 đến 16,69 gCOD/l.ngày với hiệu suất đạt dao động khoảng 66,9 - 76,7%, giá trị trung bình 70,9% (trừ giá trị HS = 42,3% thời điểm ban đầu giai đoạn khởi động có tải lượng trung bình 0,8 gCOD/l.ngày) Hiệu suất xử lý COD tổng đạt giá trị cao ổn định 74,6% tải lượng đầu vào từ 7,98 - 9,90 gCOD/l.ngày với suất xử lý từ 5,26 - 7,86 gCOD/l.ngày Ở tải lượng 19,38 - 22,55 gCOD/l.ngày, hiệu suất xử lý COD tổng cao nhất, đạt trung bình 76,7% Tuy nhiên, giai đoạn kết đầu thu không ổn định hệ thống xử lý thường xuyên xảy tắc đường ống, coi ngưỡng xử lý hệ MIC * Hiệu xử lý COD hòa tan Kết khảo sát hiệu xử lý COD hòa tan hệ xử lý yếm khí MIC thu Bảng 3.4 Bảng 3.4 Khảo sát hiệu xử lý COD hòa tan hệ MIC TT TL COD tổng đầu vào (gCOD/l.ngày) TL COD tổng đầu (gCOD/l.ngày) Năng suất xử lý (gCOD/l.ngày) HSXL tb (%) 0,19 - 1,00 0,06 - 0,88 0,10 - 0,33 33,0 1,68 - 2,44 0,48 - 1,54 0,63 - 1,80 59,6 2,48 - 3,64 0,55 - 2,58 0,62 - 3,25 70,8 3,84 - 4,64 0,54 - 2,33 1,93 - 3,39 64,7 4,91 - 5,94 0,40 - 2,94 2,32 - 4,51 65,3 5,95 - 7,32 0,55 - 3,17 2,95 - 6,77 63,2 0,10 - 6,77 64,7 0,19 - 7,32 15 Bảng 3.4 cho thấy, kết khảo sát hệ MIC tăng dần tải lượng COD hòa tan đầu vào từ 0,19 đến 7,32 gCOD/l.ngày suất xử lý tăng từ 0,10 đến 6,77 gCOD/l.ngày với hiệu suất xử lý dao động khoảng 59,6 đến 70,8% (trừ giai đoạn ban đầu hệ vận hành tải lượng 0,19 - 1,0 gCOD/l.ngày hiệu suất đạt 33%) có giá trị trung bình đạt 64,7% tương đương với hệ IC (65,4%) 3.3 Khảo sát hệ FBBR * Hiệu xử lý COD tổng với vật liệu mang PU Các kết khảo sát COD tổng đầu vào đầu hệ FBBR sử dụng vật liệu mang PU tải lượng gCOD/l.ngày (giá trị COD tổng đầu vào tương ứng 2.015 2.553 mg/l 2.932 - 3.635 mg/l) hiệu suất xử lý COD trung bình chế độ tải lượng gCOD/l.ngày cao chế độ tải lượng gCOD/l.ngày với giá trị tương ứng 73,5% 67,4%, hiệu suất xử lý COD trung bình hệ FBBR sử dụng vật liệu mang PU đạt 70,8% * Hiệu xử lý TSS với vật liệu mang PU Kết khảo sát TSS với vật liệu mang PU tải lượng gCOD/l.ngày TSS trung bình đầu vào tương ứng 755 - 1.550 mg/l 1.727 - 2.558 mg/l hiệu xuất xử lý chế độ tải lượng gCOD/l.ngày thấp so với chế độ gCOD/l.ngày, giá trị tương ứng 57,4 65,9% * Hiệu xử lý COD tổng với vật liệu mang PE Các kết khảo sát COD tổng đầu vào đầu hệ FBBR sử dụng vật liệu mang PE tải lượng 4, 10 gCOD/l.ngày tương ứng với giá trị trung bình COD đầu vào 2.029; 3.149 5.224 mg/l, nước thải qua hệ FBBR sử 16 dụng vật liệu mang PE thu giá trị COD đầu tương ứng 894; 1.367 1.907 mg/l Hiệu suất xử lý COD dao động khoảng từ 56,6 đến 66,2%, giá trị trung bình 59,6% thấp hệ FBBR sử dụng vật liệu PU (70,8%), điều cho thấy vật liệu mang PE sử dụng ban đầu khó tạo màng vi sinh PU, nên cần phải có thời gian đủ dài để vi sinh bám vào tạo thành màng sinh học * Hiệu xử lý TSS với vật liệu mang PE Kết khảo sát TSS với vật liệu mang PE tải lượng 4, 10 gCOD/l.ngày với giá trị TSS đầu vào tương ứng 1.147; 1.878 3.404 mg/l Hiệu suất xử lý TSS có xu hướng tăng lên chế độ tải lượng 10 gCOD/l.ngày, hiệu suất xử lý đạt khoảng 73% 3.4 Khảo sát hệ MBBR * Hiệu xử lý COD tổng với vật liệu mang PU Hệ MBBR vận hành khoảng tải lượng gCOD/l.ngày (giá trị COD tổng đầu vào tương ứng 2.015 2.553 mg/l 2.932 - 3.635 mg/l) hiệu suất xử lý COD tổng trung bình hai chế độ tương đương với hiệu suất khoảng từ 68 - 70% Kết tương đương với hệ FBBR sử dụng vật liệu mang vi sinh PU hiệu suất xử lý đạt 70,8% * Hiệu xử lý TSS với vật liệu mang PU Ở hai tải lượng g COD/l.ngày, TSS trung bình đầu vào tương ứng 755 - 1.550 mg/l 1.727 - 2.558 mg/l hiệu xuất xử lý chế độ tải lượng gCOD/l.ngày thấp so với chế độ gCOD/l.ngày, giá trị tương ứng 54,9 65,5% 17 Các kết tương đương với hệ FBBR sử dụng vật liệu mang vi sinh PU * Hiệu xử lý COD tổng với vật liệu mang PE Giá trị trung bình COD đầu vào tương ứng với chế độ tải lượng 4, 10 gCOD/l.ngày 2.029; 3.149 5.224 mg/l, giá trị COD đầu tương ứng 523 - 751; 833 - 1.033 1.284 - 1.498 mg/l Hiệu suất xử lý COD dao động từ 65 đến 73%, cao hệ FBBR (59,6%) * Hiệu xử lý TSS với vật liệu mang PE Kết khảo sát TSS với vật liệu mang PE tải lượng 4, 10 gCOD/l.ngày hình 3.12 cho thấy, giá trị TSS đầu vào tương ứng với chế độ tải lượng 4, 10 gCOD/l.ngày 1.147; 1.878 3.404 mg/l Hiệu suất xử lý TSS có xu hướng tăng lên chế độ tải lượng 10 gCOD/l.ngày, hiệu suất xử lý TSS trung bình đạt 72% 3.5 Kết mơ thực nghiệm * Kết xác định hệ số chuyển hóa dựa theo tài liệu tham khảo kết phân tích thực nghiệm thể bảng 3.5 Bảng Bảng kết xác đ nh hệ số chuyển hóa TT Kí hiệu Giá tr tham khảo Giá tr xác đ nh Đơn v fca 0,2 0,1 gCOD/gCOD fpr 0,2 0,3 gCOD/gCOD fli 0,25 0,001 gCOD/gCOD fxi 0,25 0,06 gCOD/gCOD fsi 0,1 0,539 gCOD/gCOD 18 Chỉ có giá trị thay đổi so với giá trị tài liệu tham khảo (chữ đậm, màu đỏ) giá trị hệ số tỉ lệ (f) cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ thành phần hòa tan chậm phân hủy (tương ứng fca = 0,1; fpr = 0,3; fli = 0,001; fxi = 0,06; fsi = 0,539 gCOD/gCOD) từ chất (COD tổng) tính tốn từ kết phân tích đặc tính nước thải đầu vào so với giá trị COD tổng.bằng thực nghiệm Các giá trị hệ số tỉ lệ (f) cho thấy hàm lượng cacbonhydrat chiếm 10% giá trị COD tổng, protein chiếm 30%, chất không tan trơ chiếm 6%, hàm lượng lipit nước thải chăn nuôi thấp (chiếm 0,1%), hàm lượng chất tan chậm phân hủy sinh học lại chiếm tỷ lệ lớn (53,9%) - đặc tính nước thải chăn ni lợn * Kết xác định giá trị số dựa theo giá trị mặc định (default) có phần mềm mơ hình xác định theo thuật tốn “vét cạn” thể bảng 3.6 Bảng Bảng kết xác đ nh h ng số động học TT Kí hiệu Giá tr tham khảo Giá tr K xác đ nh Đơn v kdis 0,5 2,88 l/ngày kcar 10 8,98 l/ngày kprr 10 4,92 l/ngày klir 10 l/ngày mrmd 30 100 l/ngày mrad 50 150 l/ngày mrfd 30 l/ngày mrla 10 30 l/ngày 19 mrbu 10 0,1 l/ngày 10 mpd 13 130 l/ngày 11 mum 84 l/ngày 12 mhm 35 105 l/ngày Các giá trị thay đổi xác định theo 02 nhóm: Nhóm chất tuân theo phương trình tốc độ bậc 1: bao gồm phương trình tốc độ phân hủy COD, tốc độ thủy phân cacbonhydrat, tốc độ thủy phân protein tốc độ thủy phân lipit Các giá trị số tốc độ thay đổi (tăng giảm) đến kết mô phù hợp với kết thực nghiệm, có nghĩa mối quan hệ kết mô kết thực nghiệm tuân theo phương trình y = ax, giá trị a = coi phù hợp Nhóm chất tuân theo phương trình động học monod (phương trình tiêu thụ chất): bao gồm đường, axit amin, axit béo, lactat, butyrat, propionat, axetat hidro Các giá trị số tốc độ tăng trưởng tối đa thay đổi (tăng giảm) dựa thuật toán “vét cạn” [12], tức giữ nguyên giá trị cho thay đổi giá trị liên quan cịn lại đến kết mơ phù hợp với kết thực nghiệm * Kết mô COD tổng từ số liệu thực nghiệm hệ MBBR thay đổi giá trị tốc độ phân hủy, tốc độ thủy phân cacbonhidrat, tốc độ thủy phân protein, tốc độ thủy phân lipit số VFAs số chuyển hóa axetat hidro, kết mô cho thấy phù hợp kết mô kết thực nghiệm thực quy mơ phịng thí nghiệm 20 COD tổng Nhận xét: Sự phù hợp kết mô thể mối quan hệ kết thực nghiệm kết mô thơng qua phương trình y = ax, tức a = hai kết tương đương Qua kết mô cho thấy COD tổng khí mêtan cho giá trị a phù hợp (0,998 1,003), TSS tương đối phù hợp (0,9329) Đánh giá kết sở hệ số hồi quy R2 cho thấy COD tổng khí mêtan có hệ số hồi quy cao (R2 = 0,77 - 0,81), hệ số hồi quy TSS đạt 0,61 21 Các kết mô thu cho thấy hệ số a tốt hệ số hồi quy R2 khơng cao nước thải chăn nuôi lợn đối tượng xử lý có đặc tính phức tạp (nhóm nghiên cứu lấy nước thải trực tiếp sau vệ sinh chuồng) nên có thành phần khó xử lý cặn, thức ăn dư thừa, chất xơ, lông lợn rụng, vôi, cát trình vệ sinh chuồng Nhìn chung, kết mơ q trình phân hủy yếm khí chất: COD tổng, đường, protein, lipit, VFAs, TSS lưu lượng khí mêtan sinh cho thấy phù hợp với kết thực nghiệm hệ thống yếm khí MBBR xử lý nước thải chăn ni lợn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đánh giá hiệu xử lý thành phần COD nước thải chăn nuôi bốn kĩ thuật IC, MIC, FBBR MBBR, phụ thuộc hiệu vào thông số vận hành hệ phản ứng (nồng độ COD đầu vào, tải lượng, thời gian lưu ) Đã xác định lực xử lý thông qua mối quan hệ suất xử lý hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào Khi cải tiến kĩ thuật hệ IC thành MIC, kết thu cho thấy hiệu suất xử lý COD tổng hệ MIC (70,9%) tương đương với hệ IC (69,2%) Trong đó, với hiệu suất xử lý cao tương đương (75%) suất xử lý hiệu tải lượng COD đầu vào hệ MIC cao hệ IC (Hệ MIC, tải lượng đầu vào từ 7,98 - 9,90 gCOD/l.ngày với suất xử lý từ 5,26 - 7,86 gCOD/l.ngày Hệ IC, tải lượng 22 đầu vào từ 4,48 - 5,61gCOD/l.ngày với suất xử lý từ 2,86 4,91 gCOD/l.ngày) Cải tiến hệ IC thành hệ MIC dễ dàng việc chế tạo, lắp đặt thuận tiện vận hành hoạt động, đặc biệt ứng dụng công nghệ vào thực tế Mối quan hệ NSXL HSXL với tải lượng COD đầu vào hệ IC hệ MIC có ý nghĩa quan trọng sở cho việc thiết kế hệ thống xử lý thực tế theo mơ hình nghiên cứu Khảo sát hai hệ thống xử lý MBBR FBBR sử dụng hai loại vật liệu mang vi sinh (PU PE) cho thấy: Đối với vật liệu mang PU, hiệu suất xử lý COD trung bình hệ MBBR đạt 68,6% tương đương hệ FBBR (70,8%) Còn hiệu suất xử lý TSS trung bình hệ MBBR đạt 60% tương đương hệ FBBR (61%) Còn vật liệu mang PE, hiệu suất xử lý COD trung bình hệ MBBR đạt 70,1% cao hệ FBBR (59,6%) Cịn hiệu suất xử lý TSS trung bình hệ MBBR đạt 67% cao hệ FBBR (63,9%) Xác định thành phần cacbonhydrat, protein, lipit, VFAs, thành phần trơ, thành phần hòa tan chậm phân hủy có nước thải làm sở cho việc mơ hình hóa q trình phân hủy yếm khí nước thải chăn nuôi Đã xác định hệ số tỉ lệ sinh (f) cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ thành phần hòa tan chậm phân hủy (fca = 0,1; fpr = 0,3; fli = 0,001; fxi = 0,06; fsi = 0,539 gCOD/gCOD) từ chất (COD tổng) thực nghiệm Đã xác định giá trị số tốc độ phân hủy (k) COD tổng, cacbonhidrat, protein, lipit với giá trị 23 tương ứng kdis = 2,88; kcar = 8,98; kprr = 4,92 klir = ngày-1) giá trị số tốc độ tăng trưởng cực đại (m) đường, axit amin, axit béo, lactat, butyrat, propionat, axetat hidro với giá trị tương ứng mrmd = 100; mrad = 150; mrfd = 30; mrla = 30; mrbu = 0,1; mpd = 130; mum = 84 mhm = 105 ngày-1) thuật toán “vét cạn” (thuật toán giải toán tối ưu) Đã kiểm chứng kết mô với kết thực nghiệm q trình xử lý yếm khí kĩ thuật MBBR đưa mơ hình mơ phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn Mơ hình q trình phân hủy yếm khí tìm giúp cho hiểu rõ chất, kiểm sốt q trình, phục vụ hiệu cho việc nghiên cứu, tiết kiệm thời gian, chi phí có khả áp dụng thiết kế hệ thống xử lý quy mô thực tế Kiến ngh Tiếp tục nghiên cứu hệ xử lý yếm khí sử dụng vật liệu mang vi sinh qui mô pilot khảo sát độ bền học vật liệu mang với đối tượng nước thải chăn ni lợn Áp dụng mơ hình để kiểm sốt đưa thơng số vận hành phù hợp hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn qui mơ pilot 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyễn Thị Trang, Nguyễn Việt Hà, Nguyễn Trƣờng Quân, Lê Văn Chiều, Cao Thế Hà (2014), “Cơng nghệ yếm khí dạng ABR xử lý nước thải giàu hữu cơ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội 30(6S), tr 597-602 Cao Thế Hà, Lê Văn Chiều, Nguyễn Việt Hà, Nguyễn Trƣờng Quân, Vũ Ngọc Duy, Võ Thị Thanh Tâm, Trần Mạnh Hải, Nguyễn Triều Dương (2015), “Vai trị cơng tác đánh giá chất lượng nước thải việc xác định cơng nghệ xử lý”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam 1(4), tr 50-54 Nguyễn Trƣờng Quân, Võ Thị Thanh Tâm, Cao Thế Hà, Lê Văn Chiều, Trần Mạnh Hải (2019), “Mối quan hệ tải trọng với suất hiệu suất xử lý COD hai kĩ thuật xử lý yếm khí nước thải giàu cặn hữu cơ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội 35(1), tr 21-26 Cao Thế Hà, Vũ Ngọc Duy, Nguyễn Thị An Hằng, Nguyễn Trƣờng Quân, Cao Thế Anh, Trần Mạnh Hải, K Fukushi, H Katayama (2019), “Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải theo hướng phát triển bền vững”, Tạp chí Khoa học công nghệ Việt Nam 61(1), tr 50-57 Truong Quan NGUYEN, Van Anh NGO, Thi Hoang Oanh LE, Huu Huan NGUYEN, Van Chieu LE, Hidenari YASUI, Thi Ha NGUYEN (2019), “Removal of organic matters from piggery wastewater in anaerobic moving bed biofilm reactor (MBBR)”, Tạp chí Khoa học Công nghệ (Đã chấp nhận đăng) ... người Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải giàu chất hữu cơ, cặn, nitơ phốt pho, để xử lý nước thải chăn nuôi việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp hiệu nước thải giàu hữu nói chung nước thải chăn. .. nghệ yếm khí kết hợp mơ hình hóa q trình xử lý nước thải chăn ni giàu hữu cơ? ?? lựa chọn nhằm mục đích giải yêu cầu nêu Mục tiêu nghiên cứu 1) Nghiên cứu cải tiến đánh giá khả xử lý nước thải hệ xử. .. chóng đánh giá diễn biến kiểm sốt q trình, góp phần thiết kế hệ thống xử lý qui mô nhỏ đến qui mô lớn loại nước thải chăn nuôi giàu hữu nghiên cứu Với lý trên, đề tài ? ?Nghiên cứu cải tiến cơng nghệ