Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu áp dụng và mô hình hóa công nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn

Chia sẻ: Mao A Mẫn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:174

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm khắc phục một số hạn chế của 2 kĩ thuật xử lý yếm khí cao tải (UASB và IC) theo hướng chia nhỏ chiều cao cột phản ứng đối với IC và nâng cao mật độ vi sinh bằng cách sử dụng vật liệu mang đối với UASB. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của luận văn này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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 Quân NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG VÀ MÔ HÌNH HÓA CÔNG 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 MÔ HÌNH HÓA CÔNG 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 và mô hình hóa công nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của các thầy PGS.TS. Lê Văn Chiều và PGS.TS. Cao Thế Hà. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực, chính xác từ đề tài nghiên cứu của tôi. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về những nội dung mà tôi trình bày trong luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Nguyễn Trường Quân i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Văn Chiều và PGS.TS. Cao Thế Hà - những người Thầy đã định hướng nghiên cứu và tận tình hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt và bổ sung những kiến thức quý báu để tôi thực hiện tốt hướng nghiên cứu của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô, anh chị em đồng nghiệp ở các đơn vị: (i) Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; (ii) Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và (iii) Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn 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: KC.08.04/11- 15” và Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật mô hình hóa trong công nghệ xử lý yếm khí nước thải giàu hữu cơ vào thực tiễn Việt Nam - Mã số NĐT 31.JPA/17” đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè của tôi - những người luôn luôn ủng hộ nhiệt tình, chia sẻ và động viên trong những lúc tôi gặp khó khăn cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh Nguyễn Trường Quân ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... 4 DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... 7 MỞ ĐẦU…. ...................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 15 1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN ........................ 15 1.1.1. Giới thiệu chung về ngành chăn nuôi lợn ..................................... 15 1.1.2. Tổng quan về 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. Quá trình phân hủy yếm khí.......................................................... 20 1.2.2. Quá trình phát triển của các kĩ thuật yếm khí ............................... 23 1.2.2.1. Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí trên thế giới .................. 23 1.2.2.2. Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí ở 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 một 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. MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ .................... 40 1.3.1. Khái niệm mô hình hoá ................................................................. 40 1.3.2. Các bước thiết lập mô hình mô phỏng .......................................... 41 1.3.3. Một số mô hình quá trình xử lý sinh học ...................................... 42 1
1.3.4. Một số nghiên cứu ứng dụng mô hình và mô phỏng trong nghiên cứu xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học .......................... 46 CHƯƠNG 2. 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 và cấu tạo các hệ thống thí nghiệm .................. 52 2.2.2.2. Nguyên tắc hoạt động và quy trình thí nghiệm ....................... 57 2.2.2.3. Vật liệu mang được sử dụng trong nghiên cứu ....................... 58 2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và 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 và bảo quản mẫu .................................. 59 2.2.3.3. Các phương pháp phân tích ..................................................... 59 2.2.3.3. Hóa chất và thiết bị .................................................................. 61 2.2.4. Phương pháp phân tích, xử lý và đánh giá số liệu ........................ 61 2.2.4.1. Xác định mật độ bùn vi sinh khi sử dụng vật liệu mang ......... 61 2.2.4.2. Xác định các thông số động học .............................................. 62 2.2.4.3. Xử lý và đánh giá số liệu ......................................................... 62 2.2.5. Phương pháp mô phỏng ................................................................ 64 2.2.5.1. Phần mềm mô phỏng ............................................................... 64 2.2.5.2. Các bước mô phỏng ................................................................. 64 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 66 3.1. ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI 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 quả xử lý của hệ yếm khí tuần hoàn nội (IC) và hệ yếm khí tuần hoàn nội cải tiến (MIC) ........................................... 69 3.3.1.1. Diễn biến và hiệu quả xử lý COD tổng ................................... 69 2
3.3.1.2. Diễn biến và hiệu quả xử lý CODht ........................................ 76 3.3.1.3. Diễn biến và hiệu quả xử lý TSS ............................................. 81 3.3.2. Khảo sát hiệu quả xử lý của các hệ UASB cải tiến khi 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 và đánh giá kết quả khảo sát ................................... 91 3.4. MÔ HÌNH HÓA CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ........... 95 3.4.1. Đặc tính nước thải đầu vào, đầu ra hệ thí nghiệm ........................ 95 3.4.1.1. Thành phần hữu cơ trong nước thải đầu vào ........................... 95 3.4.1.2. Thành phần hữu cơ trong nước thải đầu ra .............................. 97 3.4.2. Thông số động học của các quá trình phân hủy yếm khí .............. 99 3.4.2.1. Các thông số động học y, f và f’ .............................................. 99 3.4.2.2. Các thông số động học k, k′, m, K và b ................................. 100 3.4.3. Kết quả mô phỏng ....................................................................... 102 3.4.3.1. Số liệu mô phỏng ................................................................... 102 3.4.3.2. Mô phỏng kết quả thực nghiệm ............................................. 104 KẾT LUẬN .................................................................................................. 118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ................................................. 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 121 PHỤ LỤC 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Thuật ngữ viết tắt AD Anaerobic Digestion Phân hủy yếm khí ADM1 Anaerobic Digestion Model Mô hình phân hủy yếm khí số 1 No.1 AnFBBR Anaerobic Fixed Bed Bể phản ứng yếm khí màng vi Biofilm Reactor sinh cố định AnMBBR Anaerobic Moving Bed Bể phản ứng yếm khí màng vi Biofilm Reactor sinh chuyển động ASM Activated Sludge Model Mô hình bùn hoạt tính b Hệ số tốc độ phân hủy vi sinh BOD Biochemical Oxygen Nhu cầu ôxy sinh hóa Demand Bộ Bộ Nông nghiệp và Phát triển NN&PTNT nông thôn Bộ Bộ Tài nguyên và Môi trường TN&MT COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu ôxy hóa học CODt COD tổng CODht COD hòa tan EGSB Expanded Granular Sludge Đệm vi sinh dạng hạt trương nở Bed f Tỉ lệ từng thành phần cơ chất có trong hợp chất hữu cơ tổng f’ Tỉ lệ sinh ra sản phẩm từ chất hữu cơ thành phần trong quá trình chuyển hóa GPS-X Water & Wastewater Phần mềm mô hình và mô phỏng Modelling and Simulation đối với nước và nước thải Software HSXL Hiệu suất xử lý IC Internal Circulation Kĩ thuật phản ứng tuần hoàn nội 4
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 Kĩ thuật phản ứng tuần hoàn nội Circulation cải tiến MPN Most Probable Number Số lượng vi sinh có thể xảy ra nhất NSXL Năng suất xử lý OLR Organic Loading Rate Tải lượng hữu cơ PE Polyethylene Polyetylen PTN Phòng thí nghiệm 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 pho TSS Total Suspended Solids Tổng cặn lơ lửng UASB Upflow Anaerobic Sludge Hệ ngược dòng qua lớp đệm vi Blanket sinh yếm khí VFAs Volatile Fatty Acids Các axit béo dễ bay hơi VSV Vi sinh vật y Yield Hệ số năng suất chuyển hóa của sinh khối từ cơ chất YK Yếm khí 5
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2014 - 2018 .............................. 15 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của 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 một số vật liệu mang vi sinh trong kĩ thuật yếm khí ..... 36 Bảng 1.5. Các phương trình động học của quá trình phân hủy yếm khí ........ 45 Bảng 3.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn.................................................... 66 Bảng 3.2. Đặc tính bùn sinh học yếm khí ....................................................... 67 Bảng 3.3. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODt của hệ IC ...................................... 71 Bảng 3.4. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODt của hệ MIC .................................. 72 Bảng 3.5. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODht của hệ IC .................................... 78 Bảng 3.6. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODht của hệ MIC ................................ 78 Bảng 3.7. Đánh giá hiệu quả xử lý COD tổng của hệ UASB, AnFBBR và AnMBBR ..................................................................................... 92 Bảng 3.8. Thành phần hữu cơ chính có trong nước thải đầu vào ................... 96 Bảng 3.9. Thành phần hữu cơ chính có trong nước thải đầu ra ...................... 98 Bảng 3.10. Giá trị của thông số động học f .................................................... 99 Bảng 3.11. Giá trị các thông số động học k, k′, m và K ............................... 101 Bảng 3.12. Các giá trị kết quả mô phỏng các thành phần hữu cơ chính tính theo COD tổng ........................................................................... 103 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí ............. 21 Hình 1.2. Sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội bộ ..................................................... 31 Hình 1.3. Một số loại vật liệu mang phổ biến ................................................. 37 Hình 2.1. Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án .......................................... 50 Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm UASB...................................... 52 Hình 2.3. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm IC ............................................ 53 Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm MIC ......................................... 54 Hình 2.5. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm AnFBBR ................................. 55 Hình 2.6. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm AnMBBR ................................ 56 Hình 2.7. Hình ảnh vật liệu mang vi sinh PU-K30 và PE-ĐTS15 ................. 58 Hình 2.8. Hình ảnh giao diện phần mềm GPS-X ............................................ 64 Hình 2.9. Lựa chọn sơ đồ mô phỏng hệ thí nghiệm........................................ 65 Hình 3.1. Diễn biến COD đầu vào, đầu ra và HSXL CODt ........................... 68 Hình 3.2. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL CODt của hệ IC.......... 70 Hình 3.3. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL CODt của hệ MIC ...... 70 Hình 3.4. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODt của hệ IC ......... 74 Hình 3.5. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODt của hệ MIC ...... 74 Hình 3.6. Diễn biến CODht đầu vào, đầu ra và HSXL CODht của hệ IC ...... 76 Hình 3.7. Diễn biến CODht đầu vào, đầu ra và HSXL CODht của hệ MIC .. 77 Hình 3.8. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODht của hệ IC ....... 80 Hình 3.9. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODht của hệ MIC .... 80 Hình 3.10. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ IC ............. 81 Hình 3.11. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ MIC ......... 82 Hình 3.12. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnFBBR sử dụng vật liệu mang PU-K30..................................................... 84 Hình 3.13. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnMBBR sử dụng vật liệu mang PU-K30..................................................... 84 Hình 3.14. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnFBBR sử dụng vật liệu mang PU-K30 ......................................................... 86 7
Hình 3.15. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnMBBR sử dụng vật liệu mang PU-K30..................................................... 86 Hình 3.16. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnFBBR sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15 ................................................ 88 Hình 3.17. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnMBBR sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15 ................................................ 88 Hình 3.18. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnFBBR sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15 ................................................ 90 Hình 3.19. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnMBBR sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15 ................................................ 90 Hình 3.20. Kết quả mô phỏng COD tổng theo giá trị xác định .................... 104 Hình 3.21. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng COD tổng ............................ 105 Hình 3.22. Kết quả mô phỏng cacbonhydrat ................................................ 106 Hình 3.23. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng cacbonhydrat ....................... 106 Hình 3.24. Kết quả mô phỏng Protein .......................................................... 107 Hình 3.25. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng Protein ................................. 107 Hình 3.26. Kết quả mô phỏng Lipit .............................................................. 108 Hình 3.27. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng Lipit ..................................... 109 Hình 3.28. Kết quả mô phỏng axit Butyric ................................................... 109 Hình 3.29. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng axit Butyric .......................... 110 Hình 3.30. Kết quả mô phỏng axit Propionic ............................................... 111 Hình 3.31. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng axit Propionc ....................... 111 Hình 3.32. Kết quả mô phỏng axit Axetic .................................................... 112 Hình 3.33. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng axit Axetic ........................... 112 Hình 3.34. Kết quả mô phỏng TSS ............................................................... 114 Hình 3.35. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng TSS ...................................... 114 Hình 3.36. Kết quả mô phỏng lưu lượng khí mêtan sinh ra ......................... 115 Hình 3.37. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng khí mêtan ............................. 116 8
MỞ ĐẦU 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề rất quan trọng trên toàn thế giới, đặc biệt là ô nhiễm môi trường nước. Trong số các ngành sản xuất, chế biến và lắp ráp thì ngành chăn nuôi đóng góp một lượng nước thải và mức độ ô nhiễm vào môi trường rất lớn. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê [15], năm 2018 cả nước ta có khoảng 28,2 triệu con lợn, trung bình cứ một đầu lợn thải ra 25 lít nước thải/ngày, tương đương khoảng 257,3 triệu m3 nước thải/năm, đây là một khối 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. Các cơ sở chăn nuôi quy mô trang trại hoặc nhỏ lẻ của nhiều địa phương chưa được quy hoạch đầy đủ, vẫn mang tính tự phát và chủ yếu là áp dụng công nghệ hầm biogas. Theo thống kê của Viện Khoa học Môi trường (2015), khoảng 67% trang trại chăn nuôi tập trung quy mô lớn có hệ thống xử lý nước thải với các loại công nghệ khác nhau, nhưng nhiều hệ thống có hiệu quả xử lý không cao và chưa đạt các tiêu chuẩn, quy chuẩn xả thải ra môi trường [22]. Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải giàu hữu cơ, cặn, nitơ, phốt pho và vi sinh vật, các giá trị COD, TN, TP, SS và coliform trong nước thải chăn nuôi lợn rất cao, vượt rất nhiều lần so với tiêu chuẩn xả thải [19, 21]. Do đó, việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp và hiệu quả đối với nước thải chăn nuôi lợn là rất quan trọng và đang là một nhu cầu bức thiết hiện nay. Có nhiều phương pháp để xử lý loại nước thải này, trong đó phổ biến nhất là xử lý sinh học yếm khí. 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 thống, mật độ bùn, chế độ vận hành ảnh hưởng đến năng lực và hiệu quả xử lý. Hiện nay, trên thế giới kĩ thuật UASB được áp dụng rộng rãi nhưng nó gặp khó khăn trong việc xử lý nước thải chăn nuôi lợn do thành phần nước thải 9
chứa nhiều cặn, hệ UASB vận hành tối ưu với dạng bùn hạt - là loại bùn khó nuôi và tốn nhiều thời gian khởi động, đòi hỏi điều kiện vận hành phải chặt chẽ. Hệ UASB cần phải cải tiến và khắc phục các nhược điểm này nhằm phù hợp với đối tượng nước thải ô nhiễm hữu cơ cao. 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 IC 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. 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) bộc lộ hạn chế là bùn yếm khí 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 nâng mật độ bùn hiệu quả là sử dụng vật liệu mang vi sinh, đồng thời đánh giá được năng lực xử lý hữu cơ ở chế độ màng vi sinh cố định (AnFBBR) và chuyển động (AnMBBR) được quan tâm trong luận án này. Việc bước đầu áp dụng mô hình hóa và mô phỏng một số quá trình xử lý yếm khí đối với các thành phần hữu cơ nhằm đưa ra được một mô hình quá trình phù hợp giữa kết quả tính toán và thực 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 10
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, góp phần thiết kế và kiểm soát được hệ thống xử lý quy mô nhỏ đến quy 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 áp dụng và mô hình hóa công nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn” được lựa chọn nhằm mục đích giải quyết các yêu cầu nêu trên. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU a. Mục đích - Khắc phục một số hạn chế của 2 kĩ thuật xử lý yếm khí cao tải (UASB và IC) theo hướng chia nhỏ chiều cao cột phản ứng đối với IC và nâng cao mật độ vi sinh bằng cách sử dụng vật liệu mang đối với UASB. - Áp dụng mô hình ADM1 để mô phỏng kết quả thực nghiệm của các quá trình xử lý yếm khí bằng kĩ thuật AnMBBR và đưa ra được mô hình mô phỏng phù hợp với mô hình ADM1 (đi kèm với bộ số liệu các thông số) áp dụng cho hệ bùn yếm khí lơ lửng với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn. b. Nhiệm vụ nghiên cứu - So sánh khả năng xử lý chất hữu cơ tính theo COD (gọi tắt là COD), TSS của hệ thống yếm khí tuần hoàn nội cải tiến (MIC) so với hệ yếm khí tuần hoàn nội thông thường (IC) khi thay đổi tải lượng COD đầu vào. - Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu mang vi sinh đến hiệu quả xử lý COD, TSS trong bể phản ứng yếm khí màng vi sinh cố định (AnFBBR) và chuyển động (AnMBBR) so với hệ UASB cơ bản. - Chuẩn hóa mô hình bằng cách thay đổi các thông số trong các quá trình sinh học thành phần thuộc mô hình yếm khí ADM1 nhằm tính toán các kết quả thành phần (trên cở sở tài liệu tham khảo và thực nghiệm). 11
- Kiểm chứng kết quả mô hình mô phỏng với kết quả thực nghiệm quá trình xử lý yếm khí bằng kĩ thuật AnMBBR và đánh giá sự phù hợp của mô hình thu được. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a. Đối tượng nghiên cứu - Nước thải chăn nuôi lợn giàu hữu cơ. - Các kĩ thuật UASB cơ bản, IC, IC cải tiến bằng cách chia nhỏ cột phản ứng nhằm hạ thấp chiều cao hệ phản ứng (MIC) và hệ UASB sử dụng vật liệu mang vi sinh ở chế độ cố định (AnFBBR) và chuyển động (AnMBBR). - Các quá trình sinh học trong Mô hình phân hủy yếm khí (Anaerobic Digestion Model No. 1 - ADM1) đã được nhóm nhiệm vụ của Hiệp hội quốc tế về chất lượng nước IAWQ phát triển. Mô hình này được tích hợp trong phần mềm GPS-X phục vụ mô phỏng các quá trình phân hủy yếm khí. b. Phạm vi nghiên cứu - Nước thải chăn nuôi lợn được lấy tại hộ gia đình ở xã Đông Mỹ, Thanh Trì, Hà Nội và trang trại chăn nuôi lợn ở xã Kim Xá, Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc. - 05 kĩ thuật phản ứng yếm khí cao tải quy mô PTN bao gồm: i) UASB - kĩ thuật ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí ii) IC - kĩ thuật phản ứng tuần hoàn nội iii) MIC - kĩ thuật IC được cải tiến về mặt kĩ thuật bằng cách chia nhỏ cột phản ứng nhằm hạ thấp chiều cao hệ phản ứng iv) AnFBBR - bể phản ứng yếm khí màng vi sinh cố định v) AnMBBR - bể phản ứng yếm khí màng vi sinh chuyển động - Sử dụng vật liệu mang polyuretan hình khối xốp (PU-K30) và vật liệu mang polyetylen hình bánh xe (PE-ĐTS15) đối với hệ AnFBBR và AnMBBR. - 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). 12
4. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Cải tiến kĩ thuật yếm khí tuần hoàn nội để xử lý nước thải chăn nuôi lợn quy mô phòng thí nghiệm. - Xác định 5 thành phần cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ không tan và thành phần hữu cơ tan chậm phân hủy sinh học trong chất hữu cơ thông qua COD tổng, trên cơ sở đó xác định các tỉ lệ thành phần tương ứng phục vụ mô hình hóa các quá trình phân hủy yếm khí nước thải chăn nuôi. - Áp dụng mô hình phân hủy yếm khí mô phỏng các quá trình xử lý sinh học trong bể phản ứng yếm khí màng vi sinh chuyển động (AnMBBR) nhằm đề xuất được mô hình phân hủy yếm khí dựa trên mô hình ADM1 phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI a. Ý nghĩa khoa học - Đánh giá được hiệu quả xử lý thành phần COD, TSS đối với nước thải chăn nuôi của 5 kĩ thuật xử lý yếm khí: UASB, IC, MIC, AnFBBR và AnMBBR, và sự phụ thuộc của hiệu quả xử lý vào các thông số vận hành hệ phản ứng (giá trị 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 tỉ lệ của 5 thành phần cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ không tan, thành phần hữu cơ tan chậm phân hủy sinh học từ chất hữu cơ (COD tổng) có trong nước thải đầu vào bằng thực nghiệm làm cơ sở tính toán các hệ số chuyển hóa phục vụ mô hình hóa các quá trình phân hủy yếm khí nước thải chăn nuôi. - Xác định được giá trị hệ số tốc độ phân rã (k′) của COD tổng, các giá trị hệ số tốc độ thủy phân (k) của cacbonhydrat, protein, lipit và các giá trị hằng số tốc độ phát triển sinh khối riêng cực đại (m) của axit propionic, axit axetic, 13
hiđrô và hằng số bán bão hòa (K) của axit axetic bằng thuật toán “Vét cạn” (Brute-Force Algorithm - thuật toán giải bài toán tối ưu). - Kiểm chứng kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm quá trình xử lý yếm khí bằng kĩ thuật AnMBBR và đưa ra được mô hình mô phỏng và các thông số động học phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn. b. Ý nghĩa thực tiễn - Hệ MIC dựa trên cơ sở cải tiến hệ IC bằng cách chia nhỏ cột phản ứng và được lắp đặt nối tiếp nhau nhằm làm giảm chiều cao, nó có ưu điểm thuận tiện cho việc chế tạo và vận hành trên thực tế. - 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 nước thải chăn nuôi lợn trên thực tế theo các công nghệ cải tiến đã nghiên cứu. - Hệ UASB sử dụng vật liệu mang để làm tăng mật độ vi sinh trong hệ thí nghiệm xử lý nước thải bằng vi sinh và có thể làm giảm thời gian khởi động. - Mô hình quá trình phân hủy yếm khí thu được (gồm các phương trình động học theo mô hình phân hủy yếm khí ADM1 và các thông số động học) giúp 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. 14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN 1.1.1. Giới thiệu chung về ngành chăn nuôi lợn Để đáp ứng nhu cầu thực phẩm của con người, ngành chăn nuôi trên thế giới đã phát triển rất nhanh và đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi thế giới có nhiều biến động về tốc độ phát triển, mức độ phân bố và phương thức sản xuất. Theo báo cáo của Văn phòng Phân tích toàn cầu của Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA) về sản xuất và tiêu thụ thịt lợn ở một số quốc gia trên thế giới những năm gần đây, trong đó Việt Nam luôn luôn đứng ở vị trí thứ 6 trên thế giới về số lượng sản xuất khoảng 2,7 triệu tấn, đối với tiêu thụ thịt lợn thì chúng ta đứng ở vị trí thứ 7 trong năm 2019 với số lượng khoảng 2,4 triệu tấn và dự báo đến tháng 10 năm 2020 chúng ta sẽ xuống thứ 8 với số lượng tiêu thụ khoảng 2,3 triệu tấn [70]. Theo báo cáo của Tổng cục Thống kê về số lượng các loại vật nuôi trong giai đoạn từ năm 2014 - 2018 được trình bày trong Bảng 1.1. Bảng 1.1. Số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2014 - 2018 Đơn vị tính: triệu con Năm Trâu Bò Lợn Gia cầm 2014 2,5 5,2 26,8 327,7 2015 2,5 5,4 27,8 341,9 2016 2,5 5,5 29,1 361,7 2017 2,5 5,7 27,4 385,5 2018 2,4 5,8 28,2 408,9 (Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2019) 15
Theo kết quả thống kê (Bảng 1.1), số lượng lợn có sự thay đổi nhẹ trong khoảng 26,8 đến 28,2 triệu con và được phân bố trên cả nước, trong đó tập trung chính ở vùng Đồng bằng sông Hồng và vùng Miền núi và Trung du. Theo ước tính, tổng đàn lợn cả nước tháng 6/2019 giảm 10,3% và đến tháng 8/2019 giảm khoảng 18,5% so với cùng thời điểm năm 2018 [15]. Phương thức chăn nuôi hiện nay là chăn nuôi theo quy mô trang trại, nông hộ, chăn nuôi lợn gia công và liên kết chăn nuôi theo chuỗi liên kết giữa doanh nghiệp và trang trại, hợp tác xã để đảm bảo chia sẻ trách nhiệm, lợi ích giữa các bên, tránh rủi ro, giúp truy xuất được nguồn gốc sản phẩm và cân đối cung cầu các sản phẩm chăn nuôi. Về quy mô, chăn nuôi với quy mô nhỏ lẻ tại các hộ gia đình hiện vẫn chiếm tỷ trọng lớn chiếm 65 - 70% về số lượng và sản lượng. Nhìn chung, ngành chăn nuôi Việt Nam trong những năm gần đây duy trì được sự phát triển ổn định và đã có những bước chuyển dịch từ chăn nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi tập trung theo mô hình trang trại, phù hợp với xu hướng của thế giới. Theo Quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê quyệt chiến lược phát triển chăn nuôi đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang phương thức trang trại công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chất lượng cho tiêu dùng và xuất khẩu [13]. 1.1.2. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn * Nguồn phát sinh và lưu lượng xả thải Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật nuôi. Trong nước thải chăn nuôi còn có thể chứa một phần hay toàn bộ lượng phân được vật nuôi thải ra. Theo khảo sát của tổ chức JICA và Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, tại 5 trang trại chăn nuôi lợn điển hình cho thấy lượng nước tiêu thụ từ 10-40 lít/đầu lợn/ngày, trong khi đó tại Nhật Bản con số này là 20-30 lít [20]. 16