Dự thảo tóm tắt Luận án - Nghiên cứu cải tiến công nghệ yếm khí kết hợp mô hình hóa quá trình xử lý nwớc thải chăn nuôi giàu hữu cơ

Phản biện: .......................................................... Phản biện: .......................................................... Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 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 MỞ 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 1 thống, 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 2 nghiệm 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). 3 - 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 Ý nghĩa khoa học - Đánh giá được hiệu quả xử lý thành phần COD đối với nước thải chăn nuôi của 4 kĩ thuật IC, MIC, FBBR và MBBR, và sự phụ thuộc của hiệu quả vào các thông số vận hành hệ phản ứng (nồng độ COD đầu vào, tải lượng, thời gian lưu...). Đã xác định được năng lực xử lý thông qua mối quan hệ giữa năng suất xử lý và hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào. - Xác định được các thành phần cacbonhydrat, protein, lipit, VFAs, thành phần trơ, thành phần hòa tan chậm phân hủy 4 có 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. 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nƣớc 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 6 thuật 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 7 lý 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. 1.3. Động học quá trình xử lý yếm khí Phương trình tổng quát của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau: CcHhOoNnSs + H2O  CO2 + CH4 + NH3 + H2S (1) Tính chung cho các chất thải, quá trình yếm khí bao gồm 3 giai đoạn với sản phẩm cuối chính là biogas (CH4 + CO2) được mô tả như sơ đồ trong Hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí 8 Theo 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 H2 thành 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. 9 CHƢƠNG 2. NỘI DUNG, PHƢƠNG 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 10 sinh học phục vụ cho mô phỏng dựa vào mô hình ADM1 trên phần mềm mô phỏng GPS-X. - Áp dụng mô hình mô phỏng cho sự tác động tổ hợp của 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. Phƣơng 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 11 - Phương pháp xác đinh các hệ số chuyển hóa và các giá trị hằng số - Phương pháp phân tích, xử lý và đánh giá số liệu 2.3. Quy trình mô phỏng - Xây dựng sơ đồ mô phỏng - Cài đặt các thông số vào từng modul trong sơ đồ: Lưu lượng đầu vào, thể tích bồn phản ứng, lưu lượng tuần hoàn... - Nhập giá trị các hệ số chuyển hóa và tỉ lệ các chất - Nhập giá trị các hằng số. - Nhập dữ liệu đầu vào (kết quả phân tích thực nghiệm) - Tiến hành mô phỏng - Chiết suất, lưu giữ kết quả - Kiểm tra và đánh giá kết quả mô phỏng. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát hệ xử lý yếm khí tuần hoàn nội (IC) * Hiệu quả xử lý COD tổng Hệ IC được khảo sát ở các tải lượng COD tổng đầu vào khác nhau với thời gian lưu HRT giảm dần (24, 20, 16, 12 và 6 giờ), duy trì tốc độ dâng nước không đổi v = 0,9 m/giờ và có mật độ bùn yếm khí ban đầu là 13,3 g/l. Theo kết quả khảo sát hệ IC (Bảng 3.1) khi tăng dần tải lượng COD tổng đầu vào từ 0,55 đến 22,55 gCOD/l.ngày thì năng suất xử lý tăng từ 0,26 đến 16,62 gCOD/l.ngày với hiệu suất đạt được dao động trong khoảng 63,2 - 74,7%, giá trị trung bình là 69,2%. Hiệu suất xử lý COD tổng đạt giá trị cao nhất là 74,7% ở tải lượng đầu vào từ 4,48 - 5,61gCOD/l.ngày với năng suất xử lý từ 2,86 - 4,91 gCOD/l.ngày. 12 Bảng 3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng của hệ IC TL COD tổng TL COD tổng Năng suất HSXL TT đầu vào đầu ra xử lý tb (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (%) 1 0,55 - 1,77 0 - 0,66 0,26 - 1,15 69,8 2 3,0 - 4,42 0,57 - 1,90 2,13 - 3,39 71,1 3 4,48 - 5,61 0,81 - 2,59 2,86 - 4,91 74,7 4 5,77 - 7,37 0,68 - 4,11 3,26 - 5,79 71,7 5 7,98 - 9,98 1,02 - 5,65 4,33 - 7,75 67,8 6 10,10 - 14,78 0,79 - 8,90 4,36 - 10,99 63,2 7 17,62 - 22,55 4,12 - 9,35 8,28 - 16,62 66,3 0,55 - 22,55 0,26 - 16,62 69,2 * Hiệu quả xử lý COD hòa tan Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD hòa tan của hệ xử lý yếm khí IC thu được ở Bảng 3.2. Bảng 3.2. Khảo sát hiệu quả xử lý COD hòa tan của hệ IC TL COD tổng TL COD tổng Năng suất HSXL TT đầu vào đầu ra xử lý tb (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (%) 1 0,19 - 0,84 0,03 - 0,74 0,12 - 0,58 53,9 2 1,68 - 2,69 0,45 - 1,08 0,96 - 2,61 72,3 3 2,77 - 4,03 0,52 - 2,05 1,18 - 3,25 69,5 4 4,14 - 5,18 0,91 - 2,83 2,35 - 3,92 68,2 5 5,60 - 6,58 0,48 - 3,88 2,35 - 5,71 62,3 6 6,74 - 7,81 1,64 - 3,18 4,26 - 5,68 66,2 0,19 - 7,81 0,12 - 5,68 65,4 13 Bảng 3.2 cho thấy, kết quả khảo sát hệ IC khi tăng dần tải lượng COD hòa tan đầu vào từ 0,19 đến 7,81 gCOD/l.ngày thì năng suất xử lý tăng từ 0,12 đến 5,68 gCOD/l.ngày với hiệu suất đạt được dao động trong khoảng 53,9 - 72,3%, giá trị trung bình là 65,4%. Hiệu suất xử lý COD hòa tan đạt giá trị cao nhất là 72,3% ở tải lượng đầu vào từ 1,68 - 2,69gCOD/l.ngày với năng suất xử lý từ 0,96 - 2,61 gCOD/l.ngày. 3.2. Khảo sát hệ xử lý yếm khí tuần hoàn nội cải tiến (MIC) * Hiệu quả xử lý COD tổng Hệ MIC được khảo sát ở điều kiện vận hành tương đương với hệ IC, với thời gian lưu HRT giảm dần (24, 20, 16, 12 và 6 giờ), tốc độ dâng nước không đổi v = 0,9 m/giờ, có mật độ bùn yếm khí ban đầu là 13,3 g/l và giá trị COD đầu vào tương đương nhau. Kết quả khảo sát thu được ở Bảng 3.3. Bảng 3.3. Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng của hệ MIC TL COD tổng TL COD tổng Năng suất HSXL TT đầu vào đầu ra xử lý tb (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (%) 1 0,55 - 1,06 0,19 - 0,81 0,23 - 0,48 42,3 2 2,92 - 3,08 0,87 - 1,0 2,0 - 2,13 68,9 3 4,22 - 4,95 0,84 - 2,57 2,38 - 3,94 69,8 4 5,55 - 7,77 0,74 - 3,47 3,43 - 5,80 70,4 5 7,98 - 9,90 1,12 - 4,65 5,26 - 7,86 74,6 6 10,0 - 12,7 0,69 - 5,35 5,58 - 9,47 66,9 7 13,41 - 17,62 3,50 - 5,57 8,63 - 12,58 69,1 8 19,38 - 22,55 3,82 - 7,15 15,36 - 16,99 76,7 0,55 - 22,55 0,23 - 16,99 70,9 14 Theo kết quả khảo sát hệ MIC khi tăng dần tải lượng COD tổng đầu vào từ 0,55 đến 22,55 gCOD/l.ngày thì năng suất xử lý tăng từ 0,23 đến 16,69 gCOD/l.ngày với hiệu suất đạt được dao động trong khoảng 66,9 - 76,7%, giá trị trung bình là 70,9% (trừ giá trị HS = 42,3% tại thời điểm ban đầu là giai đoạn khởi động có tải lượng trung bình 0,8 gCOD/l.ngày). Hiệu suất xử lý COD tổng đạt giá trị cao và ổn định là 74,6% ở tải lượng đầu vào từ 7,98 - 9,90 gCOD/l.ngày với năng 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 là cao nhất, đạt trung bình 76,7%. Tuy nhiên, giai đoạn này kết quả đầu ra thu được không ổn định và hệ thống xử lý thường xuyên xảy ra tắc đường ống, đây có thể coi là ngưỡng xử lý của hệ MIC. * Hiệu quả xử lý COD hòa tan Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD hòa tan của hệ xử lý yếm khí MIC thu được ở Bảng 3.4. Bảng 3.4. Khảo sát hiệu quả xử lý COD hòa tan của hệ MIC TL COD tổng TL COD tổng Năng suất HSXL TT đầu vào đầu ra xử lý tb (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (gCOD/l.ngày) (%) 1 0,19 - 1,00 0,06 - 0,88 0,10 - 0,33 33,0 2 1,68 - 2,44 0,48 - 1,54 0,63 - 1,80 59,6 3 2,48 - 3,64 0,55 - 2,58 0,62 - 3,25 70,8 4 3,84 - 4,64 0,54 - 2,33 1,93 - 3,39 64,7 5 4,91 - 5,94 0,40 - 2,94 2,32 - 4,51 65,3 6 5,95 - 7,32 0,55 - 3,17 2,95 - 6,77 63,2 0,19 - 7,32 0,10 - 6,77 64,7 15 Bảng 3.4 cho thấy, kết quả khảo sát hệ MIC khi tăng dần tải lượng COD hòa tan đầu vào từ 0,19 đến 7,32 gCOD/l.ngày thì năng suất xử lý tăng từ 0,10 đến 6,77 gCOD/l.ngày với hiệu suất xử lý dao động trong khoảng 59,6 đến 70,8% (trừ giai đoạn ban đầu hệ vận hành ở tải lượng 0,19 - 1,0 gCOD/l.ngày hiệu suất chỉ đạt 33%) và có giá trị trung bình đạt được là 64,7% tương đương với hệ IC (65,4%). 3.3. Khảo sát hệ FBBR * Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PU Các kết quả khảo sát COD tổng đầu vào và đầu ra của hệ FBBR sử dụng vật liệu mang PU ở các tải lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày (giá trị COD tổng đầu vào tương ứng là 2.015 - 2.553 mg/l và 2.932 - 3.635 mg/l) thì hiệu suất xử lý COD trung bình ở chế độ tải lượng 4 gCOD/l.ngày cao hơn chế độ tải lượng 6 gCOD/l.ngày với giá trị tương ứng là 73,5% và 67,4%, hiệu suất xử lý COD trung bình của hệ FBBR khi sử dụng vật liệu mang PU đạt 70,8%. * Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PU Kết quả khảo sát TSS với vật liệu mang PU ở các tải lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày. TSS trung bình đầu vào tương ứng là 755 - 1.550 mg/l và 1.727 - 2.558 mg/l thì hiệu xuất xử lý ở chế độ tải lượng 4 gCOD/l.ngày thấp hơn so với chế độ 6 gCOD/l.ngày, giá trị tương ứng là 57,4 và 65,9%. * Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PE Các kết quả khảo sát COD tổng đầu vào và đầu ra của hệ FBBR sử dụng vật liệu mang PE ở các tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày tương ứng với các giá trị trung bình COD đầu vào là 2.029; 3.149 và 5.224 mg/l, khi nước thải đi qua hệ FBBR sử 16 dụng vật liệu mang PE thu được giá trị COD đầu ra tương ứng là 894; 1.367 và 1.907 mg/l. Hiệu suất xử lý COD dao động trong khoảng từ 56,6 đến 66,2%, giá trị trung bình là 59,6% thấp hơn khi hệ FBBR sử dụng vật liệu PU (70,8%), điều này cho thấy vật liệu mang PE khi sử dụng ban đầu khó tạo màng vi sinh hơn PU, nên cần phải có thời gian đủ dài để vi sinh có thể bám vào và tạo thành màng sinh học. * Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PE Kết quả khảo sát TSS với vật liệu mang PE ở các tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày với các giá trị TSS đầu vào tương ứng là 1.147; 1.878 và 3.404 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS có xu hướng tăng lên và ở chế độ tải lượng 10 gCOD/l.ngày, hiệu suất xử lý đạt khoảng 73%. 3.4. Khảo sát hệ MBBR * Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PU Hệ MBBR vận hành ở khoảng tải lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày (giá trị COD tổng đầu vào tương ứng là 2.015 - 2.553 mg/l và 2.932 - 3.635 mg/l) thì hiệu suất xử lý COD tổng trung bình ở hai chế độ là tương đương nhau với hiệu suất trong khoảng từ 68 - 70%. Kết quả này tương đương với hệ FBBR khi sử dụng vật liệu mang vi sinh PU thì hiệu suất xử lý cũng đạt 70,8%. * Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PU Ở hai tải lượng 4 và 6 g COD/l.ngày, TSS trung bình đầu vào tương ứng là 755 - 1.550 mg/l và 1.727 - 2.558 mg/l thì hiệu xuất xử lý ở chế độ tải lượng 4 gCOD/l.ngày thấp hơn so với chế độ 6 gCOD/l.ngày, giá trị tương ứng là 54,9 và 65,5%. 17 Các kết quả này tương đương với hệ FBBR khi sử dụng vật liệu mang vi sinh PU. * Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PE Giá trị trung bình COD đầu vào tương ứng với 3 chế độ tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày là 2.029; 3.149 và 5.224 mg/l, giá trị COD đầu ra tương ứng là 523 - 751; 833 - 1.033 và 1.284 - 1.498 mg/l. Hiệu suất xử lý COD dao động từ 65 đến 73%, cao hơn hệ FBBR (59,6%). * Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PE Kết quả khảo sát TSS với vật liệu mang PE ở các tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày ở trong hình 3.12 cho thấy, giá trị TSS đầu vào tương ứng với 3 chế độ tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày là 1.147; 1.878 và 3.404 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS có xu hướng tăng lên và ở chế độ tải lượng 10 gCOD/l.ngày, hiệu suất xử lý TSS trung bình đạt 72%. 3.5. Kết quả mô phỏng thực nghiệm * Kết quả xác định các hệ số chuyển hóa dựa theo tài liệu tham khảo và kết quả phân tích thực nghiệm được thể hiện trong bảng 3.5 Bảng 3. . Bảng kết quả xác đ nh các hệ số chuyển hóa TT Kí hiệu Giá tr Giá tr Đơn v tham khảo xác đ nh 1 fca 0,2 0,1 gCOD/gCOD 2 fpr 0,2 0,3 gCOD/gCOD 3 fli 0,25 0,001 gCOD/gCOD 4 fxi 0,25 0,06 gCOD/gCOD 5 fsi 0,1 0,539 gCOD/gCOD 18 Chỉ có 5 giá trị được thay đổi so với giá trị trong tài liệu tham khảo (chữ đậm, màu đỏ) là 5 giá trị hệ số tỉ lệ (f) của cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ và thành phần hòa tan chậm phân hủy (tương ứng là fca = 0,1; fpr = 0,3; fli = 0,001; fxi = 0,06; fsi = 0,539 gCOD/gCOD) từ cơ chất (COD tổng) được tính toán từ kết quả phân tích đặc tính nước thải đầu vào so với giá trị của 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 trong nước thải chăn nuôi rất thấp (chiếm 0,1%), nhưng hàm lượng các chất tan chậm phân hủy sinh học lại chiếm tỷ lệ rất lớn (53,9%) - có thể đây là đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn. * Kết quả xác định các giá trị hằng số dựa theo các giá trị mặc định (default) có trong phần mềm mô hình và xác định theo thuật toán “vét cạn” được thể hiện trong bảng 3.6. Bảng 3. . Bảng kết quả xác đ nh các h ng số động học TT Kí hiệu Giá tr Giá tr K Đơn v tham khảo xác đ nh 1 kdis 0,5 2,88 l/ngày 2 kcar 10 8,98 l/ngày 3 kprr 10 4,92 l/ngày 4 klir 10 5 l/ngày 5 mrmd 30 100 l/ngày 6 mrad 50 150 l/ngày 7 mrfd 6 30 l/ngày 8 mrla 10 30 l/ngày 19 9 mrbu 10 0,1 l/ngày 10 mpd 13 130 l/ngày 11 mum 8 84 l/ngày 12 mhm 35 105 l/ngày Các giá trị thay đổi được xác định theo 02 nhóm: Nhóm 1 là những chất tuân theo phương trình tốc độ bậc 1: bao gồm các phương trình tốc độ phân hủy COD, tốc độ thủy phân cacbonhydrat, tốc độ thủy phân protein và tốc độ thủy phân lipit. Các giá trị hằng số tốc độ được thay đổi (tăng hoặc giảm) đến khi kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm, có nghĩa là mối quan hệ giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm tuân theo phương trình y = ax, khi giá trị của a = 1 thì được coi là phù hợp. Nhóm 2 là những chất tuân theo phương trình động học monod (phương trình tiêu thụ các chất): bao gồm đường, axit amin, axit béo, lactat, butyrat, propionat, axetat và hidro. Các giá trị hằng số tốc độ tăng trưởng tối đa được thay đổi (tăng hoặc giảm) dựa trên thuật toán “vét cạn” [12], tức là giữ nguyên một giá trị và cho thay đổi lần lượt các giá trị liên quan còn lại đến khi kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm. * Kết quả mô phỏng COD tổng từ số liệu thực nghiệm của hệ MBBR khi thay đổi những giá trị của tốc độ phân hủy, tốc độ thủy phân cacbonhidrat, tốc độ thủy phân protein, tốc độ thủy phân lipit và các hằng số của VFAs cũng như các hằng số chuyển hóa axetat và hidro, kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm khi thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm. 20 COD tổng Nhận xét: Sự phù hợp của kết quả mô phỏng được thể hiện ở mối quan hệ giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng thông qua phương trình y = ax, tức là khi a = 1 thì hai bộ kết quả là tương đương nhau. Qua kết quả mô phỏng cho thấy COD tổng và khí mêtan cho giá trị a rất phù hợp (0,998 và 1,003), còn TSS tương đối phù hợp (0,9329). Đánh giá trên các kết quả cơ sở hệ số hồi quy R2 cho thấy COD tổng và khí mêtan có hệ số hồi quy cao (R2 = 0,77 - 0,81), trong khi đó hệ số hồi quy của TSS đạt 0,61. 21 Các kết quả mô phỏng thu được cho thấy hệ số a rất tốt nhưng các hệ số hồi quy R2 không cao có thể là do nước thải chăn nuôi lợn là đối tượng xử lý có đặc tính phức tạp (nhóm nghiên cứu lấy nước thải trực tiếp sau khi vệ sinh chuồng) nên có các thành phần khó xử lý như cặn, thức ăn dư thừa, chất xơ, lông lợn rụng, vôi, cát... trong quá trình vệ sinh chuồng. Nhìn chung, kết quả mô phỏng các quá trình phân hủy yếm khí của các chất: COD tổng, đường, protein, lipit, VFAs, TSS và lưu lượng khí mêtan sinh ra cho thấy phù hợp với