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.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nguyễn Trường Quân
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ KẾT HỢP MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN
NUÔI GIÀU HỮU CƠ
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 9440301.01
(DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Hà Nội - 2020
Trang 2Công trình được hoàn 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
Vào hồi giờ ngày tháng năm 2020
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, ĐHQGHN
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề, lý do lựa chọn đề tài
Ô nhiễm môi trường nước đang là vấn đề đáng lo ngại không những đối với các nước phát triển mà còn là sự thách thức đối với các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam Nước thải chưa qua xử lý được thải ra môi trường là tình trạng phổ biến ở các đô thị Đặc biệt là nước thải của các cơ sở sản xuất thực phẩm, các trang trại chăn nuôi, cơ sở giết mổ gia súc, các làng nghề bún, bánh đa, … Nước thải chưa được xử lý mà thải trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm môi trường nước, ô nhiễm môi trường xung quanh làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người
Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải giàu chất hữu cơ, cặn, nitơ và phốt pho, vì vậy để xử lý nước thải chăn nuôi việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp và hiệu quả đối với nước thải giàu hữu cơ nói chung và nước thải chăn nuôi lợn nói riêng là rất quan trọng và đang là một nhu cầu bức thiết hiện nay Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải giàu hữu cơ này Đối với các loại nước thải này thì phương pháp đóng vai trò chủ chốt, hiệu quả và thân thiện với môi trường được lựa chọn nhiều nhất là một trong các phương pháp xử lý sinh học như: xử
lý chất thải lỏng bằng Biogas, lọc sinh học, hệ ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí (UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket) và các biến thể của công nghệ UASB như EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt trương nở), IC (Internal Circulation - Kĩ thuật tuần hoàn nội), … Vấn
đề đặt ra là làm sao có thể áp dụng một cách hiệu quả, kiểm soát được các kĩ thuật xử lý cao tải này; các yếu tố như cấu hình hệ
Trang 4thống, mật độ bùn, chế độ vận hành ảnh hưởng đến năng lực và hiệu quả xử lý
Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần hoàn nội - IC có những ưu điểm như: thứ nhất là hệ thống có khả năng khuấy trộn tự thân cao nên tiêu tốn ít năng lượng, thứ hai là hệ có năng suất xử lý cao phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi có hàm lượng hữu cơ cao và tải lượng lớn Bên cạnh đó, hệ IC sinh ra ít bùn - giảm chi phí xử lý bùn và có thể thu hồi năng lượng Tuy nhiên,
kĩ thuật IC gặp phải một số hạn chế về mặt chế tạo yêu cầu cột phản ứng có chiều cao lớn (3 đến 20 mét) và khó khăn cho việc vận hành và bảo trì Do đó nó cần phải được cải tiến về mặt kĩ thuật cho phù hợp - tức là hệ thống cải tiến giảm chiều cao để khắc phục các hạn chế nêu trên Việc đánh giá khả năng xử lý
và các yếu tố ảnh hưởng đối với một loại nước thải cụ thể trong
hệ thống cải tiến so với hệ nguyên mẫu cần phải được đặt ra Đây là một phần tính mới trong đề tài nghiên cứu của luận án
Bên cạnh đó, kĩ thuật UASB cũng như kĩ thuật IC khi vận hành ở mật độ bùn vi sinh lơ lửng quá cao (trên 10 g/l) thì
có điểm yếu là dễ bị rửa trôi ra ngoài cùng với nước thải ở cuối cột dẫn đến giảm hiệu quả xử lý và nước thải đầu ra chứa nhiều
vi sinh và cặn bùn Một trong các giải pháp tăng mật độ bùn hiệu quả là sử dụng vật liệu mang vi sinh và đánh giá được năng lực xử lý hữu cơ ở chế độ màng vi sinh cố định (FBBR - Fixed Bed Biofilm Reactor) và chuyển động (MBBR - Moving Bed Biofilm Reactor) được quan tâm trong luận án này
Việc bước đầu áp dụng mô hình hóa và mô phỏng một
số quá trình xử lý các thành phần hữu cơ nhằm đưa ra được một
mô hình quá trình phù hợp giữa kết quả tính toán và thực
Trang 5nghiệm cũng được đặt ra đối với loại nước thải chăn nuôi giàu hữu cơ trên thực tế Mô hình thu được sẽ cho phép tính toán được kết quả các chỉ tiêu quan tâm đối với thành phần nước thải đầu vào biết trước; làm giảm được một số lượng lớn thực nghiệm, rút ngắn thời gian, công sức, chi phí nghiên cứu và vận hành hệ thống thí nghiệm; cho phép nhanh chóng đánh giá diễn biến và kiểm soát quá trình, và góp phần thiết kế hệ thống xử lý qui mô nhỏ đến qui mô lớn đối với loại nước thải chăn nuôi giàu hữu cơ đã được nghiên cứu
Với những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu cải tiến công
nghệ yếm khí kết hợp mô hình hóa quá trình xử lý nước thải chăn nuôi giàu hữu cơ” được lựa chọn nhằm mục đích giải
quyết các yêu cầu nêu trên
2 Mục tiêu nghiên cứu
1) Nghiên cứu cải tiến và đánh giá được khả năng xử lý nước thải của hệ xử lý yếm khí tuần hoàn nội cải tiến (MIC - Modified Internal Cỉculation)
2) 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
3) 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
3 Đối tƣợng nghiên cứu
- Nước thải giàu hữu cơ (nước thải chăn nuôi lợn được lấy ở Thanh Trì, Hà Nội và Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc)
Trang 6- Kĩ thuật yếm khí tuần hoàn nội cải tiến (MIC) giảm chiều cao cột phản ứng, kĩ thuật bồn phản ứng ngược dòng yếm khí qua lớp vật liệu mang vi sinh cố định (FBBR) và chuyển động (MBBR)
- Mô hình phân hủy yếm khí (ADM1) đã được Nhóm nhiệm vụ thuộc Hiệp hội chất lượng nước quốc tế phát triển mô hình toán học cho quá trình phân hủy kỵ khí (IWA) sử dụng phần mềm GPS-X nhằm mô phỏng các quá trình thí nghiệm
4 Phạm vi nghiên cứu
- Nước thải chăn nuôi lợn được lấy ở huyện Thanh Trì,
Hà Nội và huyện Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc
- Bốn kĩ thuật phản ứng yếm khí cao tải quy mô phòng thí nghiệm: IC, MIC, FBBR và MBBR
- Sử dụng vật liệu mang xốp polyuretan (PU) và vật liệu polyetylen (PE) hình bánh xe
- Mô hình phân hủy yếm khí ADM1 bao gồm 19 quá trình và 22 thông số (10 thông số của thành phần hòa tan và 12 thông số của thành phần rắn)
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài
Trang 7có trong nước thải làm cơ sở cho việc mô hình hóa các quá trình phân hủy yếm khí nước thải chăn nuôi Đã xác định được 5 hệ
số tỉ lệ sinh (f) của cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ
và thành phần hòa tan chậm phân hủy từ cơ chất (COD tổng) bằng thực nghiệm
- Đã xác định được các giá trị hằng số tốc độ phân hủy (k) của COD tổng, cacbonhidrat, protein, lipit và các giá trị hằng số tốc độ tăng trưởng cực đại (m) của đường, axit amin, axit béo, lactat, butyrat, propionat, axetat và hidro bằng thuật toán “vét cạn” (thuật toán giải bài toán tối ưu)
- Đã kiểm chứng kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm quá trình xử lý yếm khí bằng kĩ thuật MBBR và đưa ra được mô hình phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn
Ý nghĩa thực tiễn
Cải tiến được hệ IC để thuận tiện cho việc chế tạo và vận hành
Dựa vào mối quan hệ giữa năng suất xử lý và hiệu suất
xử lý với tải lượng COD đầu vào làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống xử lý thực tế theo mô hình đã 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
Mô hình quá trình phân hủy yếm khí tìm được giúp cho hiểu rõ bản chất, kiểm soát quá trình, phục vụ hiệu quả cho việc nghiên cứu, tiết kiệm thời gian, chi phí và có khả năng áp dụng trong thiết kế các hệ thống xử lý ở quy mô thực tế
Trang 8CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn
Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trung, bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật nuôi Thành phần các chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tuổi vật nuôi, chế
độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng, cách xử lý chất thải
Theo số liệu của Tổng cục thống kê, năm 2018 cả nước
ta có khoảng 28,2 triệu con lợn Trung bình cứ một đầu lợn thải
ra 25 lít nước thải trong một ngày, ước tính hàng năm ngành chăn nuôi lợn thải ra môi trường khoảng 257,3 triệu m3
nước thải, đây là một số lượng nước thải rất lớn nếu như không được
xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người
1.2 Tổng quan về công nghệ xử lý yếm khí
Xử lý yếm khí là công nghệ lâu đời và gần đây khi biogas được coi là một nguồn năng lượng tái tạo nó trở nên hấp dẫn và rất được quan tâm phát triển Theo Lettinga, do tốc độ sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp và có năng suất kém hệ hiếu khí Tuy nhiên với những kĩ thuật yếm khí hiện đại, yếu điểm này đã dần được khắc phục Các kĩ thuật yếm khí ngày nay chấp nhận tải lượng hàng chục kgCOD/(m3.ngày) với hiệu suất
xử lý thường là 70 - 90% Nghiên cứu của Kassam Z.A cho thấy khi BOD trong nước thải vượt 1.000 mg/l thì hệ yếm khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Kĩ thuật phản ứng ngược dòng qua lớp đệm vi sinh) có ý nghĩa kinh tế hơn hệ bùn hoạt tính hiếu khí cả về mặt chi phí xây dựng cơ bản lẫn phí vận hành và bảo trì Theo Eckenfelder, về nguyên tắc có ba nhóm kĩ
Trang 9thuật yếm khí: (i) hệ phản ứng với vi sinh phân tán; (ii) hệ phản ứng với vi sinh cố định trên vật liệu mang và (iii) hệ phản ứng với lớp bùn giả lỏng hoặc giãn nở
Bên cạnh chức năng ban đầu là xử lý môi trường, công nghệ yếm khí là nguồn năng lượng tái tạo ổn định, không phụ thuộc vào tự nhiên như điện gió, điện mặt trời, công nghệ yếm khí còn là bắt đầu thuận lợi cho việc áp dụng các công nghệ thu hồi dinh dưỡng, sản xuất phân hữu cơ an toàn phục vụ phát triển nông nghiệp
Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần hoàn nội - IC có những ưu điểm như: thứ nhất là hệ thống có khả năng khuấy trộn tự thân cao nên tiêu tốn ít năng lượng, thứ hai là hệ có năng suất xử lý cao phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi có hàm lượng hữu cơ cao và tải lượng lớn Bên cạnh đó, hệ IC sinh ra ít bùn - giảm chi phí xử lý bùn và có thể thu hồi năng lượng dưới dạng biogas Tuy nhiên, kĩ thuật IC gặp phải một số hạn chế về mặt chế tạo yêu cầu cột phản ứng có chiều cao lớn (đến 20 mét hoặc hơn) và khó khăn cho việc vận hành và bảo trì Do đó nó cần phải được cải tiến về mặt kĩ thuật cho phù hợp - tức là hệ thống cải tiến theo hướng giảm chiều cao để khắc phục hạn chế đã nêu Việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng như nồng độ đầu vào, thời gian lưu, tải lượng lên khả năng xử lý đối với một loại nước thải cụ thể trong hệ thống IC cải tiến so với
IC cần được đặt ra Đây là một phần trong nội dung nghiên cứu của luận án
Bên cạnh đó, kĩ thuật UASB cũng như kĩ thuật IC khi vận hành ở mật độ bùn vi sinh lơ lửng quá cao (trên 10 g/l) thì
có điểm yếu là dễ bị rửa trôi ra ngoài dẫn đến giảm hiệu quả xử
Trang 10lý và nước thải đầu ra chứa nhiều vi sinh và cặn bùn Giải pháp
là dùng vi sinh dạng hạt, điều này được nhiều tác giả áp dụng Một khả năng khác là sử dụng vật liệu mang vi sinh Vì vậy, đánh giá được năng lực xử lý hữu cơ ở chế độ màng vi sinh cố định (FBBR) và chuyển động (MBBR) cũng được quan tâm trong luận án này
Vật liệu mang vi sinh là vật liệu được chế tạo bằng nhựa PE, PVC hoặc PU , nó có tác dụng là nơi để vi sinh bám vào và làm tăng mật độ vi sinh trong hệ thí nghiệm xử lý nước thải bằng vi sinh
Hình 1.3 Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí
Trang 11Theo Hình 1.3 giai đoạn đầu là quá trình phân rã/phân hủy, tiếp đến là giai đoạn thủy phân Trong giai đoạn đầu, dưới tác dụng của các enzym được tập hợp vi khuẩn tiết ra, các mảnh hữu cơ được thủy phân tạo thành các phân tử-monome Giai đoạn tiếp theo là axit hóa Trong giai đoạn này hợp chất hữu cơ được axit hóa thành các chất trung gian là các axit cacboxylic, alcol; H2, CO2 và N–amôni, tiếp theo là axetat hóa: các vi sinh chuyển hóa các chất trung gian này thành axetat Như vậy, thực chất giai đoạn hai là hai giai đoạn, một số tài liệu khác cũng diễn giải theo hướng này Giai đoạn cuối là quá trình chuyển hóa các chất này thành metan (CH4) và CO2 nên còn được gọi là metan hóa
Các phản ứng tạo thành metan từ axit axetic, CO2 và H2thành CH4 được cho dưới dạng các phương trình
CH3COOH CH4 + CO2 (II)
CH3COOH + 4H2 2CH4 + 2H2O (III) 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O (IV)
1.4 Mô hình mô phỏng ADM1
Mô hình này do các nhà khoa học trình bày tại hội thảo quốc tế về môi trường ở Sendai – Nhật Bản vào năm 1997 Đây
là mô hình nghiên cứu về quá trình phân hủy yếm khí trong xử
lý nước thải Trong mô hình này, sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ được thể hiện trong sơ đồ chuyển hóacác quá trình sinh
hóa ở Error! Reference source not found Trong mô hình
ADM1 có 24 thành phần khác nhau (bao gồm 12 cấu tử hòa tan
và 12 cấu tử dạng rắn) trong đó có 7 loại sinh khối phân hủy 8 thành phần khác nhau gồm các axit béo chuỗi dài, các axit amin, đường, axetat, propionat, butyrat, và hydro
Trang 12CHƯƠNG 2 NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án tập được trung vào các nội dung chính như sau:
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và COD hòa tan của hệ xử
lý yếm khí tuần hoàn nội - IC ở các chế độ tải lượng khác nhau Thiết lập mối quan hệ giữa Tải lượng với Năng suất xử lý và Hiệu suất xử lý COD
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và COD hòa tan của hệ xử
lý yếm khí tuần hoàn nội cải tiến - MIC ở các chế độ tải lượng khác nhau Thiết lập mối quan hệ giữa Tải lượng với Năng suất
xử lý và Hiệu suất xử lý COD
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý FBBR
ở các tải lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang PU
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý FBBR
ở các tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang
PE
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý MBBR ở các tải lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang PU
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý MBBR ở các tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang PE
- Trong thí nghiệm với hệ MBBR: xác định các thành phần trong giá trị COD tổng đầu vào và đầu ra (đường, protein, lipit, VFAs, TSS)
- Nghiên cứu, xác định các thông số động học (hệ số chuyển hóa y, f và các giá trị hằng số tốc độ k, m, b) của các quá trình
Trang 13sinh học phục vụ cho mô phỏng dựa vào mô hình ADM1 trên phần mềm mô phỏng GPS-X
các yếu tố, tính toán các thông số cần thiết để đạt hiệu suất nhất định cho thiết kế các hệ thống xử lý nước thải thực tế
- Kiểm tra, so sánh và đánh giá các kết quả mô phỏng với các kết quả thực nghiệm của hệ thống xử lý yếm khí màng vi sinh chuyển động - MBBR trên thực tế
2.2 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập tài liệu
- Phương pháp thực nghiệm: Các thực nghiệm được tiến hành trên các hệ thống thí nghiệm (IC, MIC, FBBR và MBBR)
để phân tích, đánh giá và so sánh
- Quy trình thí nghiệm
Hệ IC và hệ MIC được khảo sát liên tục ở các tải lượng khác nhau khi tăng dần tải lượng đầu vào và vận hành ở tốc độ dâng nước không đổi (0,9m/giờ) và có mật độ bùn yếm khí ban đầu là 13,3 g/l
Hệ FBBR và hệ MBBR được khảo sát liên tục trên các
hệ thống thí nghiệm FBBR và MBBR với lưu lượng đầu vào Q
= 1 l/h (HRT = 12 h, tốc độ dâng = 0,9 m/h) ở các tải lượng COD đầu vào từ 4 - 6 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang vi sinh Polyuretan (PU) và từ 4 - 10 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang Polyetylen (PE) để phân tích, đánh giá COD tổng và TSS đầu ra trong điều kiện vận hành ở nhiệt độ 35oC và có mật độ bùn yếm khí ban đầu là 20 g/l
- Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu
- Phương pháp phân tích mẫu