Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu động học quá trình nitrat hóa trong môi trường bị ức chế theo kỹ thuật màng vi sinh chuyển động

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ<br /> <br /> ……..….***…………<br /> <br /> PHẠM THỊ HỒNG ĐỨC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA<br /> TRONG MÔI TRƯỜNG BỊ ỨC CHẾ THEO KỸ THUẬT<br /> MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG<br /> Chuyên ngành: Hóa lý và Hóa lý thuyết<br /> Mã số : 62440119<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC<br /> <br /> Hà nội – 2016<br /> <br /> Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br /> <br /> Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Lê Văn Cát<br /> Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Jean-Luc VASEL<br /> <br /> Phản biện 1: TS. Lê Văn Chiều<br /> Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Việt Anh<br /> Phản biện 3: GS.TS. Đặng Thị Kim Chi<br /> Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa<br /> học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ<br /> ..’, ngày … tháng … năm 2016.<br /> Có thể tìm hiểu luận án tại:<br /> - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ<br /> - Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. Đặt vấn đề.<br /> Xử lý và tái sử dụng nước nuôi giống thủy sản là phương thức sản xuất đang<br /> được áp dụng ngày càng trở nên phổ biến để ngành kinh tế phát triển bền vững. Thành<br /> phần gây ô nhiễm trong môi trường nuôi và loài nuôi chủ yếu là hợp chất nitơ, có<br /> nguồn gốc từ nguồn thức ăn và hoạt động của chúng.<br /> Nitrat hóa là quá trình xử lý vi sinh quan trọng nhất trong hệ thống xử lý và tái<br /> sử dụng nước thải. So với xử lý các loại hình nước thải khác, nitrat hóa nước thải trên<br /> luôn phải đối mặt với những yếu tố không thuận lợi: vi sinh vật chức năng có sức hoạt<br /> động thấp, điều kiện môi trường hoạt động của vi sinh bị ức chế, mức độ làm sạch đòi<br /> hỏi rất sâu để đảm bảo an toàn cho loài nuôi.<br /> Nghiên cứu động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế chính là thiết<br /> lập mối tương quan giữa nồng độ amoni theo thời gian phụ thuộc vào các điều kiện ức<br /> chế đó, hay chính là xác định sự ảnh hưởng của độ muối, nồng độ amoni đầu vào, sự<br /> có mặt chất hữu cơ hay nhiệt độ … lên tốc độ phản ứng. Các nghiên cứu trước đây<br /> thường gán cho phản ứng theo bậc 1 (vùng nồng độ thấp) và bậc 0 (vùng nồng độ cao)<br /> gặp phải một số hạn chế không đánh giá được chi tiết khả năng cung cấp cơ chất (bậc<br /> phản ứng) khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động. Một kỹ thuật có ưu<br /> điểm hơn hẳn các kỹ thuật đang áp dụng như lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học hay lọc<br /> tầng tĩnh… Ngoài những yếu tố mang đặc trưng “kỹ thuật” trên, các yếu tố đặc thù<br /> liên quan như quy mô sản xuất, thời vụ, sự phong phú của loài nuôi cũng tác động đến<br /> hiệu quả của công nghệ xử lý.<br /> Với mục đích đóng góp vào việc thiết lập công nghệ tái sử dụng nước thải nuôi<br /> giống thủy sản có hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam, đề tài:<br /> “Nghiên cứu động học quá trình nitrat hoá trong môi trường bị ức chế theo kỹ<br /> thuật màng vi sinh chuyển động” tập trung nghiên cứu các nội dung chính:<br />  Quá trình động học nitrat hóa trong môi trường bị ức chế.<br />  Vai trò của các quá trình chuyển khối và tác động của chúng đến hiệu quả nitrat<br /> hóa khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh di động và sử dụng vật liệu mang vi sinh<br /> có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn.<br />  Nghiên cứu mô hình hóa, mô phỏng quá trình xử lý nước thải nhằm đáp ứng<br /> tính đa dạng của đối tượng nghiên cứu và giảm nhẹ công sức nghiên cứu thực<br /> nghiệm.<br />  Tiến hành thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá kết quả thu được từ thí nghiệm.<br /> 2. Mục tiêu nghiên cứu.<br />  Góp phần thiết lập kỹ thuật xử lý có hiệu quả cao, cho nguồn nước thải nuôi<br /> trồng thủy sản có nồng độ ô nhiễm amoni thấp, đòi hỏi xử lý sâu trong môi<br /> trường nước mặn.<br />  Xây dựng mô hình động học có khả năng mô tả sát quá trình nitrat hoá trong<br /> điều kiện bị ức chế (nồng độ amoni thấp, môi trường nước mặn, có mặt chất<br /> hữu cơ,…).<br />  Sử dụng công cụ mô hình hóa để tiên đoán hiệu quả của quá trình xử lý nước<br /> thải nuôi giống thủy sản, và trợ giúp khâu vận hành.<br /> 3. Đối tượng nghiên cứu.<br /> <br />  Xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải nuôi giống thủy sản.<br />  Động học quá trình nitrat hóa trong môi trường bị ức chế (độ mặn cao, nồng độ<br /> amoni thấp).<br />  Chất mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động.<br />  Các quá trình chuyển khối liên quan đến kỹ thuật màng vi sinh di động.<br /> 4. Nội dung nghiên cứu của luận án:<br />  Thu thập, hệ thống hóa các thông tin, khảo sát, đánh giá hiện trạng ứng dụng<br /> công nghệ lọc sinh học tuần hoàn (dạng tầng tĩnh và dạng tầng chuyển động).<br />  Nghiên cứu hệ thí nghiệm phù hợp cho kỹ thuật màng vi sinh di động sử dụng<br /> giá thể mang vi sinh có đặc trưng các tính chất (diện tích bề mặt lớn, xốp,<br /> nhẹ…).<br />  Nghiên cứu thủy động lực học và quá trình chuyển khối của oxy trong kỹ thuật<br /> màng vi sinh di động.<br />  Nghiên cứu quá trình nitrat hóa dưới ảnh hưởng của các yếu tố: độ mặn, nồng<br /> độ cơ chất thấp, mật độ chất mang, kích thước chất mang, chất hữu cơ, nhiệt<br /> độ....<br />  Mô hình hóa quá trình nitrat hóa theo kỹ thuật màng vi sinh di động bằng cách<br /> phát triển hai mô hình bùn hoạt tính ASM1 và ASM3 thành ASM1_MBBR,<br /> ASM3_MBBR.<br />  Đánh giá hiệu quả xử lý amoni đối với nước nuôi giống thủy sản, hiệu chỉnh bộ<br /> thông số của mô hình bằng cách so sánh kết quả giữa chạy mô hình và kết quả<br /> chạy pilot.<br /> 5. Phương pháp nghiên cứu:<br />  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.<br />  Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.<br />  Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng.<br /> 6. Những đóng góp mới của luận án:<br />  Đóng góp một số kết quả để phát triển kỹ thuật màng vi sinh di động.<br />  Đã nghiên cứu, xác định và đặc trưng loại vật liệu mang xốp polyuretan có<br /> nhiều ưu điểm trong công nghệ xử lý nước thải.<br />  Đóng góp vào vấn đề động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế.<br />  Đã nghiên cứu xử lý số liệu theo nhiều phương pháp khác nhau.<br />  Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên động học quá trình nitrat hóa. Đặc biệt<br /> đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đó lên hằng số tốc độ phản ứng (k) và bậc<br /> phản ứng (n) – hằng số mà theo các công trình nghiên cứu trước đây vẫn gán<br /> cho các giá trị bậc 0 (vùng nồng độ cao), bậc 1 (vùng nồng độ thấp).<br />  Đã mô hình hóa quá trình nitrat hóa bằng cách phát triển mô hình bùn hoạt tính<br /> cho mô hình màng vi sinh di động trong điều kiện bị ức chế bởi độ muối, một<br /> mô hình khá mới mẻ trên thế giới, và hoàn toàn mới tại Việt Nam<br /> (ASM1_MBBR; ASM3_MBBR).<br /> 7. Giá trị thực tiễn:<br />  Kết quả đạt được có thể ứng dụng công nghệ màng vi sinh di động để xử lý<br /> không chỉ nước thải nuôi trồng thủy sản mà nhiều loại hình nước thải khác.<br />  Những kết quả đạt được có thể sử dụng cho việc xử lý để tái sử dụng nước nuôi<br /> thuỷ sản, góp phần sản xuất bền vững.<br /> <br />  Chủ động kiểm soát quá trình sản xuất giống thủy sản.<br /> 8. Bố cục của luận án:<br /> Bố cục luận án gồm: phần mở đầu, ba chương nội dung và phần kết luận. Luận<br /> án được trình bày trong 135 trang A4 với 60 hình và 25 bảng cộng với phần phụ lục,<br /> tham khảo 118 tài liệu trong nước và quốc tế. Luận án được cấu tạo gồm 14 trang<br /> danh mục các chữ viết tắt, bảng biểu, hình ảnh và mục lục; 2 trang mở đầu, 43 trang<br /> tổng quan, 17 trang thực nghiệm, 59 trang kết quả và thảo luận và 6 trang kết luận.<br /> <br /> NỘI DUNG LUẬN ÁN<br /> CHƯƠNG I – TỔNG QUAN<br /> Phần tổng quan trình bày :<br />  Đặc trưng ô nhiễm nguồn nước thải trong nuôi giống thủy sản, xử lý và tái sử<br /> dụng trong hệ nuôi khép kín. Môi trường nuôi giống thường là nước lợ và mặn<br /> (10 – 30%°) bị ô nhiễm bởi các thành phần amoni, nitrit, nitrat, thành phần hữu<br /> cơ, hình thành từ nguồn thức ăn và chất bài tiết từ vật nuôi cùng với một số loại<br /> hóa chất (kháng sinh, hormon) sử dụng trong quá trình nuôi. Xử lý nước thải và<br /> tái sử dụng theo phương thức nuôi khép kín mang lại lợi ích về bảo vệ môi<br /> trường và cả kinh tế cho sản xuất bền vững.<br />  Màng vi sinh và chất mang vi sinh: Màng vi sinh có một độ dày nhất định, từ<br /> vài chục µm tới vài mm, phụ thuộc vào mật độ sinh khối: tỷ lệ thuận với mật<br /> độ sinh khối và tỷ lệ nghịch với diện tích bên trong của vật liệu mang. Chất<br /> mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh di động gồm có hai loại (xốp và<br /> không xốp), một trong những sản phẩm được sử dụng khá rộng rãi hiện nay là<br /> vật liệu Kaldnes, Biochip và polyuretan.<br />  Chuyển khối trong hệ sử dụng màng vi sinh gồm hai phần thủy động lực<br /> (chuyển khối ngoài) và khuếch tán trong màng vi sinh. Chuyển khối trong hệ<br /> thống xử lý nước thải đóng vai trò cung cấp “thức ăn” cho vi sinh vật trong lớp<br /> màng. Quá trình chuyển khối bao gồm: chuyển khối đối lưu trong nước,<br /> khuếch tán trong màng thủy lực và khuếch tán trong màng vi sinh. Khuếch tán<br /> trong màng vi sinh thường là giai đoạn có tốc độ chậm nhất và phụ thuộc vào<br /> đặc trưng của chất mang, kỹ thuật xử lý và chế độ vận hành.<br />  Nghiên cứu lý thuyết về quá trình nitrat hóa: Quá trình oxy hóa amoni với oxy<br /> là tác nhân oxy hóa thành nitrat được gọi là nitrat hóa, xảy ra trong tế bào của<br /> vi sinh vật do hai chủng vi sinh vật là Nitrosomonas và Nitrobacter. Tốc độ<br /> phát triển của vi sinh vật tự dưỡng tuân theo qui luật động học Monod đối với<br /> từng yếu tố ảnh hưởng hay đối với từng loại cơ chất cần thiết cho vi sinh vật.<br /> Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa gồm: nhiệt<br /> độ, pH, nồng độ oxy, nồng độ cơ chất, nồng độ chất hữu cơ (chất ức chế).<br />  Mô hình hóa và mô phỏng: Mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR bao<br /> gồm hai phần mô hình riêng biệt - cho thành phần vi sinh tồn tại ở dạng huyền<br /> phù (bùn hoạt tính) và cho vi sinh bám dính trong chất mang. Các phương trình<br /> cơ bản trong mô hình ASM được giữ lại và phát triển cho trường hợp màng vi<br /> sinh thành mô hình các quá trình xảy ra trong màng vi sinh hoàn toàn tương tự<br /> các quá trình xảy ra ở dung dịch huyền phù, chỉ khác nồng độ cơ chất khác<br /> (xảy ra quá trình chuyển khối), và mật độ vi sinh khác mật độ vi sinh trong<br /> <br />