1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KĨ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ
1.2.4. Giới thiệu kĩ thuật tuần hoàn nội
Kĩ thuật tuần hoàn nội (Internal Circulation - IC) được hãng Paques (Hà Lan) nghiên cứu phát triển [102]. Hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc của hai hệ thống UASB xếp chồng lên nhau (Hình 1.2), trong đó hệ UASB thuộc loại cao tải (áp dụng tải lượng hữu cơ cao) đặt ở phía dưới và hệ UASB chịu tải thấp hơn đặt ở phía trên. Khí tách ra từ bộ phận tách pha phía dưới được thu lại, chuyển động lên phía trên vào khoang thu khí qua đường ống dẫn lên. Khi dòng
khí chuyển động lên sẽ cuốn theo nước và bùn từ vùng phân hủy cao tải. Sau khi tách khí, nước và vi sinh được đưa trở lại vào vùng phản ứng, xuống đáy bể, hòa trộn với dòng vào qua đường ống dẫn xuống. Dòng nước và vi sinh quay ngược lại vùng phản ứng cao tải là tính chất đặc trưng của kĩ thuật IC và vì vậy có tên là tuần hoàn nội.
Hình 1.2. Sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội bộ [102]
Điểm nổi bật của kĩ thuật IC là mật độ vi sinh rất cao và do đóng góp của dòng tuần hoàn nội nên tốc độ dòng chảy ngược rất lớn, tới 20 m/h, qua đó tăng cường khả năng khuấy trộn của hệ. Dòng tuần hoàn nội có tính chất tự điều chỉnh: nồng độ cơ chất cao sinh ra lượng khí lớn kéo theo lưu lượng lớn của dòng tuần hoàn, tăng khả năng khuấy trộn và pha loãng dòng vào.
Đường hỗn hợp bùn + nước xuống
Tách khí 1 Tách khí 2
Phân bố dòng vào Dòng vào
Dòng ra
Đường khí lên Biogas
Tách khí lỏng
Vùng thấp tải
Vùng cao tải
Hệ IC cũng có khả năng đáp ứng tốt trước sự biến động của nồng độ cơ chất trong dòng vào: dòng tuần hoàn chứa nhiều bicacbonat có tác dụng đệm, ngăn chặn giảm pH trong vùng phản ứng cao tải. Mặt khác, do khí phần lớn đã được tách trong bộ phận tách khí số 1 và tốc độ dòng chảy của vùng trên thấp tạo điều kiện để giữ vi sinh lại trong khối phản ứng tốt hơn các hệ khác.
Một số nghiên cứu xử lý nước thải bằng kĩ thuật IC được áp dụng với các đối tượng nước thải giàu hữu cơ như nhóm nghiên cứu của Pengyi sử dụng kĩ thuật IC để xử lý nước thải bột giấy (Cotton Pulp) với nồng độ COD hòa tan pha loãng là 3.500 mg/l thì hiệu quả xử lý đạt 68% ở tải lượng 18 kgCOD /m3.ngày, còn đối với nước thải thô có nồng độ COD hòa tan là 6.600 mg/l thì hiệu quả xử lý đạt 60% ở tải lượng 16 kgCOD/m3.ngày [83].
Nhóm tác giả Jiade Wang nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng để xử lý nước thải dệt nhuộm đối với hệ IC và hệ IC cải tiến (MIC) bằng cách bổ sung thêm hệ thống tuần hoàn bên ngoài. Hiệu suất xử lý COD thu được ở thời gian lưu (HRT = 5 giờ) và tải lượng 15 kgCOD/m3.ngày đối với hệ IC là 73%, còn đối với hệ MIC là 87% [60].
Theo kết quả nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sử dụng kĩ thuật IC của nhóm nghiên cứu Deng, hệ IC hoạt động với thời gian lưu 0,8 - 2 ngày và tải lượng từ 3 - 7 kg/m3.ngày thì hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 80%. Mặt khác, Deng sử dụng hệ IC với SBR (Sequencing Batch Reactor) để xử lý nước thải chăn nuôi lợn thì hiệu suất lên tới 95,5% [68].
Đề tài Nghiên cứu và 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 của các trang trại chăn nuôi lợn, Mã số KC08.04/11-15, thuộc Chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.08/11-15 do TS. Trần Văn Tựa (Viện Công nghệ Môi trường -VAST) là Chủ nhiệm đề tài đã xây dựng và đưa vào vận hành mô hình tổng thể bao gồm kĩ thuật yếm khí (trong đó có phần
nghiên cứu xử lý yếm khí trong phòng thí nghiệm là kết quả của luận án) kết hợp với kĩ thuật thiếu-hiếu khí và thực vật thủy sinh để xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô 30m3/ngày (tương đương 1.000 đầu lợn). Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý COD đạt 98%, TSS đạt 99,9%, TN đạt 96,8% và TP đạt 88,9%, nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải loại B của QCVN 40/2011 BTNMT về COD, TN và có thể tái sử dụng cho tưới cây, rửa chuồng ... [19].
Trong khi đó, đề tài Luận án tiến sĩ (Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội - IC) của tác giả Trần Mạnh Hải tập trung nghiên cứu vào khả năng khuấy trộn (tỷ lệ khí và nước) và ảnh hưởng của tốc độ dâng nước trong hệ IC. Ở cùng điều kiện tốc độ dâng 0,9 m/giờ, với tải lượng đầu vào từ 1,23 - 1,4 kgCOD/m3.ngày thì hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 60%, với tải lượng đầu vào từ 2,0 - 2,41 kgCOD/m3.ngày thì hiệu suất xử lý đạt 75 - 80%, với tải lượng đầu vào từ 2,79 - 5,3 kgCOD/m3.ngày thì hiệu suất đạt khoảng 80%, còn đối với tải lượng đầu vào từ 6,4 - 9,7 kgCOD/m3.ngày thì hiệu suất xử lý COD ở giai đoạn này ổn định và đạt khoảng 82%, tiếp tục tăng tải lượng lên trên 10 kgCOD/m3.ngày thì hiệu suất xử lý COD có xu hướng giảm dần xuống [6]. Nguyên nhân tính không ổn định của IC ở tải lượng cao được cho là do ảnh hưởng của TSS đầu vào.
Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần hoàn nội (IC) – thực chất là hệ UASB cải tiến có những ưu điểm như: hệ thống có khả năng tự khuấy trộn cao nên tiêu tốn ít năng lượng, năng suất xử lý cao phù hợp với nước thải có hàm lượng hữu cơ cao và tải lượng lớn. Mặt khác, 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 (từ 3 đến 20 mét) và khó khăn cho việc vận hành và bảo trì, hơn nữa hệ này cũng chỉ hoạt động hiệu quả với vi sinh dạng hạt. Do đó, hệ này cũng cần phải được cải tiến về mặt kĩ thuật cho phù hợp - tức là cải tiến hệ thống nhằm giảm chiều cao để khắc phục các
hạn chế nêu trên. Việc đánh giá khả năng xử lý thành phần hữu cơ và các yếu tố ảnh hưởng trên hệ thống cải tiến so với hệ nguyên mẫu cần phải được đặt ra. Đây là một phần trong nội dung nghiên cứu của luận án.
Đối với 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 sẽ có điểm yếu là bùn yếm khí dễ bị rửa trôi ra ngoài dẫn đến giảm hiệu quả xử lý và nước thải đầu ra chứa nhiều vi sinh và cặn bùn. Cả 2 kĩ thuật này vận hành hiệu quả nhất và giải quyết được vấn đề mật độ bùn yếm khí cao khi duy trì được bùn vi sinh dạng hạt (activated sludge granule) và đã được một số tác giả nghiên cứu. Việc nuôi được bùn vi sinh dạng hạt đòi hỏi điều kiện nuôi rất phức tạp (ổn định thành phần COD, khoáng, điều kiện yếm khí chặt chẽ, thành phần cơ chất cho - nhận điện tử, bùn vi sinh dạng hạt mồi (seeding) và đặc biệt thời gian nuôi rất dài (có thể đến khoảng 6 tháng).
Để có thể khắc phục vấn đề mật độ vi sinh mà vẫn sử dụng được bùn yếm khí lơ lửng là sử dụng vật liệu mang vi sinh. Do đó, các thông tin và lý thuyết về màng vi sinh cũng được quan tâm trong phần Tổng quan này.