Nghiên cứu đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) kết hợp thu..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) kết hợp thu..

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BÙI HỒNG HÀ NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC KỴ KHÍ (AnMBR) KẾT HỢP THU HỒI NĂNG LƯỢNG Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9520320 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP.HCM – 2023
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BQP Người hướng dẫn khoa học 1. GS TS Nguyễn Phước Dân 2. TS Nguyễn Thế Tiến Phản biện 1: GS. TS Phan Đình Tuấn Phản biện 2: GS.TS Lê Thanh Hải Phản biện 3: PGS.TS Lê Anh Kiên Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sỹ cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ ngày .tháng .năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hiện nay, đa số các đô thị tại các quốc gia phát triển đều đầu tư các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung quy mô lớn sử dụng phương pháp sinh học hiếu khí để loại bỏ thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhằm tạo ra chất lượng nước phù hợp để xả thải vào nguồn tiếp nhận. Phương pháp này được xem là không bền vững do một lượng lớn năng lượng và chất dinh dưỡng sẵn có trong nước thải bị mất đi qua các quá trình xử lý. Hơn nữa, công nghệ xử lý nước thải sử dụng quá trình sinh học hiếu khí tiêu thụ một lượng lớn nguồn năng lượng bên ngoài (cụ thể là điện năng) để vận hành và xử lý nước thải, từ đó làm gia tăng chi phí xử lý nước thải [33]. Ngoài nguồn nước thải sinh hoạt cần xử lý thì những dòng chất thải khác như chất thải rắn hữu cơ phát sinh từ hoạt động sinh hoạt của con người như rác nhà bếp, rác sân vườn, rác chợ, là nguồn chất thải cần quan tâm xử lý. Việc phân hủy kỵ khí các thành phần hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt đã được chứng minh là một biện pháp ít tốn chi phí, bền vững và có thể sản sinh nguồn năng lượng sinh học thân thiện môi trường. Bên cạnh đó, công nghệ phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ nhà bếp cũng được chứng minh là dễ vận hành ở các nước châu Á, đặc biệt các vùng có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam [64]. Tuy phương pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt kỵ khí bằng chôn lấp có thể thu hồi khí sinh học nhưng dẫn đến tổn thất tiềm năng thu hồi năng lượng tái tạo cao hơn từ chất thải sinh hoạt và gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng, như mùi khó chịu, ô nhiễm nước rò rỉ từ bãi rác, thời gian phân hủy dài, tốn diện tích chôn lấp và hiệu quả thu hồi năng lượng không cao, thất thoát nhiều. Chính vì vậy, cần có một phương pháp xử lý phù hợp, làm tăng hiệu quả xử lý chất ô nhiễm này hướng tới thu hồi được nguồn năng lượng từ khí sinh học.
4. 2 Đồng phân hủy nước thải và phần hữu cơ của rác thải là một cách tiếp cận thiết thực cho các hệ thống quản lý chất thải phân tán ở các khu vực bán đô thị và nông thôn, nơi không có hệ thống thu gom chất thải rắn đô thị hoặc nước thải sinh hoạt tập trung. Hơn nữa, đồng xử lý có thể giảm thiểu đáng áp lực chôn lấp rác thải của các bãi chôn lấp chất thải và tối đa hóa thu hồi năng lượng từ nước thải. Vì thế, từ năm 2007, các nghiên cứu đồng phân hủy nước thải và chất thải hữu cơ được tập trung nghiên cứu bởi các học giả khắp nơi trên thế giới. Phương pháp đồng phần hủy có thể nâng cao hiệu quả xử lý và thu hồi được năng lượng, điển hình như: Xử lý kỵ khí của hỗn hợp nước đen và chất thải hữu cơ ứng dụng phân hủy hai pha kết hợp bể tự hoại và UASB [95]. Trong một nghiên cứu khác, chất thải nhà bếp được thêm vào để xử lý nước thải đen, làm tăng gấp đôi lượng khí sinh học. Sau khi xử lý, nước thải được thu hồi phốt pho và loại bỏ COD, ni tơ [92]. Ngoài ra, còn có các nghiên cứu đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ như: nghiên cứu của Zeeman G [41], nghiên cứu của Guneet Kaur [42], nghiên cứu của Loustarinen [96], Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp đồng phân hủy là chất lượng nước đầu ra còn thấp và hiệu quả thu hồi năng lượng sinh học chưa cao. Từ năm 2013 đến nay, các công nghệ xử lý nước thải mới, tiên tiến được quan tâm nhiều hơn hướng tới thu hồi năng lượng và tái sử dụng nước thải sau xử lý. Công nghệ bể phản ứng sinh học màng kỵ khí (AnMBR - Anaerobic Membrane Bioreactor) đang được xem là một lựa chọn tốt trong xử lý nước thải do những ưu điểm vượt trội so với xử lý kỵ khí thông thường và công nghệ bể phản ứng sinh học màng hiếu khí. Vì thế, các nhà khoa học đã khẳng định, so với bùn hoạt tính thông thường và bãi chôn lấp hoặc ủ phân hiếu khí, đồng quản lý chất thải rắn sinh hoạt và nước thải bằng cách sử dụng bể phản ứng sinh học màng kỵ khí (AnMBR) là một cách tiếp cận hấp dẫn [49]. AnMBR có thể cô đặc nước thải đã pha loãng và bằng cách đồng phân hủy nó với chất thải nhà bếp,
5. 3 từ đó có thể tạo ra khí sinh học bằng cách tải trọng hữu cơ (OLR) xử lý 2− và tỷ lệ COD đầu vào/SO4 , do đó thúc đẩy tính khả thi về mặt kinh tế của toàn bộ quá trình xử lý. Hơn nữa, chất lượng nước đầu ra sau bể sinh học màng cao, có thể tái sử dụng hoặc xả thải an toàn [50]. Tại Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu về đồng phân hủy nước thải với chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ màng AnMBR như: nghiên cứu ứng dụng cô đặc nước thải sinh hoạt bằng màng lọc UF nhằm tạo ra dòng đậm đặc để sử dụng làm nguồn cơ chất cho quá trình đồng phân hủy kỵ khí có kết hợp với chất thải nhà bếp hướng đến thu hồi khí sinh học [7], [8], [11]. Việt Nam là một quốc gia đang trên đà phát triển, với nhiều khu dân cư phân tán và các đơn vị đóng quân độc lập, nơi không có hệ thống thu gom và xử lý chất thải tập trung (như hệ thống xử lý nước thải tập trung, bãi chôn lấp chất thải sinh hoạt tập trung). Vì thế công nghệ đồng phân hủy xử lý chất thải sinh hoạt nhà bếp và nước thải sinh hoạt là khả thi và phù hợp với điều kiện Việt Nam. Việc ứng dụng công nghệ đồng phân hủy cho những khu vực này vừa xử lý được chất thải sinh hoạt và rác thải sinh hoạt nhà bếp, vừa thu hồi được năng lượng vừa giảm thiểu được ô nhiễm môi trường và chi phí vận chuyển chất thải và nước thải thường gặp phải như phương pháp xử lý cuối đường ống. Tuy nhiên, tại các khu dân cư phân tán hay các đơn vị đóng quân độc lập có tỷ lệ phát thải giữa phần hữu cơ của rác thải sinh hoạt và nước thải thấp, chỉ khoảng 5 g chất thải sinh hoạt/1 lít nước thải sinh hoạt. Bên cạnh đó,hỗn hợp chất thải này có nồng độ ô nhiễm COD thấp, chỉ khoảng 2.000 mg/L, vì thế công nghệ đồng phân hủy hướng tới thu hồi khí sinh học từ hỗn hợp này sẽ cho sản lượng khí sinh học thấp. Công nghệ đồng phân huỷ kỵ khí kết hợp màng ( AnMBR) xử lý chất thải sinh hoạt kết hợp nước thải có thể giải quyết các vấn đề này do khả năng cô đặc được dòng nước thải, từ đó nâng cao tải trọng hữu cơ xử lý, và cho sản lượng thu hồi khí sinh học cao. Bên
6. 4 cạnh đó, hiệu quả xử lý hữu cơ, dinh dưỡng N, P, TSS cũng được thúc đẩy sau bể sinh học màng dẫn tới giảm thiểu chi phí và cải thiện chất lượng nước đầu ra. Như vậy, rõ ràng trong những năm gần đây, công nghệ đồng phân hủy kỵ khí kết hợp màng đang được quan tâm nghiên cứu. Tại Việt Nam, bước đầu cũng đã có các nghiên cứu trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng chỉ dừng lại ở việc đồng phân hủy kỵ khí thông thường nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và thu hồi năng lượng trên các loại nước thải và chất thải khác nhau với các tỷ lệ pha trộn có nồng độ cao. Các nghiên cứu chuyên sâu về đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và phần hữu cơ rác thải nhà bếp với nồng độ thấp trong bể xử lý sinh học màng kỵ khí còn hiếm. Đặc biệt, chưa có nghiên cứu đồng phân hủy kỵ khí kết hợp màng nào được triển khai quy mô thực tế dựa trên các số liệu khảo sát lượng phát thải thực tế về nước thải sinh hoạt và rác thải nhà bếp tại đơn vị đóng quân độc lập hay các khu dân cư phân tán. Vì thế “Nghiên cứu đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) kết hợp thu hồi năng lượng” được thực hiện nhằm đạt được mục tiêu kép bao gồm quản lý chất thải rắn và xử lý nước thải sinh hoạt hiệu quả hướng tới thu hồi năng lượng sạch cho các khu dân cư phân tán và các đơn vị đóng quân độc lập. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và phần hữu cơ hữu cơ rác thải sinh hoạt bằng công nghệ AnMBR quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu bao gồm: chất thải sinh hoạt (chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt) và công nghệ đồng phân hủy kết hợp màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).
7. 5 Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ lọc màng sinh học kỵ khí (AnMBR) đối với chất thải sinh hoạt tại Trung đoàn 294 và Trạm ra đa 33. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu quá trình đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ lọc màng kỵ khí AnMBR. - Nghiên cứu ảnh hưởng của SRT và tải trọng hữu cơ OLR (HRT) đến quá trình xử lý trên các mô hình CSTR-AnMBR quy mô phòng thí nghiệm, UASB-AnMBR quy mô phòng thí nghiệm và CSTR-AnMBR quy mô pilot. - Đánh giá khả năng xử lý và và thu hồi năng lượng cùa các mô hình đồng phân hủy kết hợp màng kỵ khí - Xây dựng và tính toán động học cho quá trình đồng phân hủy. 5. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng 5.1. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án bao gồm: phương pháp kế thừa, phương pháp thống kê, phương pháp thực nghiệm, phương pháp tính toán thông số động học. 5.2. Kỹ thuật sử dụng - Sử dụng các kỹ thuật phân tích hóa học và hóa lý tiêu chuẩn để đo đạc, đánh giá hiệu quả xử lý nước thải. - Đề tài nghiên cứu dựa trên các cơ sở khoa học: lý thuyết thực nghiệm trong lĩnh vực môi trường, lý thuyết phân tích và tiếp cận hệ thống, lý thuyết điều khiển và kiểm soát qui trình, lý thuyết mô hình hóa, phương pháp mô hình hóa, các cơ sở lý thuyết toán học. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Kết quả của luận án đem lại các ý nghĩa về mặt khoa học: - Luận án đưa ra một giải pháp công nghệ đồng phân hủy nước thải
8. 6 sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ màng kỵ khí nhằm tăng hiệu quả xử lý và thu hồi năng lượng từ khí sinh học. - Xác định được các thông số thiết kế và điều kiện vận hành phù hợp cho hệ thống đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ. - Nghiên cứu chuyên sâu công nghệ lọc màng kỵ khí (AnMBR) trong điều kiện Việt Nam. Ngoài ra, kết quả của luận án có ý nghĩa thực tiễn ở những nội dung sau: - Giải pháp công nghệ đồng phân hủy không chỉ xử lý triệt để vấn đề ô nhiễm nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ mà còn có thể tái sử dụng các nguồn sau xử lý như nước sau xử lý có thể tái sử dụng cho tưới tiêu, bùn thải làm phân bón, và có thể thu hồi năng lượng từ khí sinh học (biogas). - Mô hình công nghệ này đặc biệt phù hợp với các khu vực biệt lập như các vùng dân cư, các đơn vị đóng quân độc lập, v.v. 7. Bố cục của luận án Luận án gồm 141 trang được phân bố như sau: Mở đầu, 7 trang; Chương 1 – Tổng quan, 38 trang; Chương 2 – Vật liệu và phương pháp nghiên cứu, 31 trang; Chương 3 – Kết quả và thảo luận, 42 trang; Kết luận, 4 trang; Danh mục các công trình khoa học đã công bố, 2 trang và 112 tài liệu tham khảo. Chương 1. TỔNG QUAN Tổng quan về chất thải sinh hoạt: nước thải sinh hoạt, chất thải rắn hữu cơ và các phương pháp xử lý; Quá trình phân hủy kỵ khí và các yếu tố ảnh hưởng; Công nghệ đồng phân hủy, các loại công trình đồng phân hủy, một số nghiên cứu về công nghệ đồng phân hủy trong và ngoài nước; Công nghệ màng lọc, công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí, một số nghiên cứu về công nghệ màng lọc trong và ngoài nước; Một số nghiên cứu về công nghệ đồng phân hủy kết hợp màng lọc sinh học kỵ khí; Tình hình
9. 7 phát thải và xử lý chất thải tại các đơn vị quân đội đóng quân độc lập; Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu nghiên cứu 2.1.1. Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt được lấy từ 2 nguồn để thực hiện các loạt thí nghiệm khác nhau: Nguồn 1: Nước thải sinh hoạt lấy từ dòng ra của bể tự hoại của Trung đoàn 294, quận Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh. Nguồn 2: Nước thải sinh hoạt lấy từ dòng ra của bể tự hoại của Trạm ra đa 33, xã Bưng Riềng, huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. 2.1.2. Chất thải rắn hữu cơ Chất thải rắn hữu cơ cũng được lấy từ 2 nguồn để thực hiện các loạt thí nghiệm khác nhau: Nguồn 1: Chất thải rắn hữu cơ được thu gom tại nhà bếp của Trung đoàn 294; Nguồn 2: Chất thải rắn hữu cơ được thu gom tại nhà bếp của Trạm ra đa 33. 2.1.3. Hỗn hợp chất thải phối trộn 2.1.3.1. Tỉ lệ phối trộn Tỷ lệ phối trộn cho các thí nghiệm đồng phân hủy phụ thuộc vào kết quả khảo sát thực tế tại các đơn vị đóng quân độc lập. Căn cứ vào kết quả khảo sát và tính toán ở mục 3.1 (chương 3) thì tỷ lệ phát là 5 kg/m3. Đây cũng là giá trị để phối trộn rác thải với nước thải cho thí nghiệm của các mô hình trong nghiên cứu này. 2.1.3.2. Thành phần, tính chất nước thải sau phối trộn Để phân tích thành phần, tính chất của hỗn hợp, ta lấy 5g rác hữu cơ đã xay nhiễm cho vào 01 lít nước thải sinh hoạt lấy từ các nguồn trên. Sau đó cho vào máy khuấy khuấy đều rồi lấy mẫu phân tích các chỉ tiêu. 2.1.4. Bùn hoạt tính kỵ khí Bùn hoạt tính kỵ khí phòng thí nghiệm Bùn vi sinh nuôi cấy ban đầu là bùn kỵ khí được lấy từ bể sinh học kỵ khí tại hệ thống xử lý nước thải tại Công Ty Cổ Phần Thực Phẩm Thiên
10. 8 Hương Số 1 Lê Đức Thọ, Khu Phố 02, phường Tân Thới Hiệp, quận 12, thành phố Hồ Chí Minh. Bùn sau khi lấy về được đưa vào mô hình thí nghiệm để nuôi cấy. Bắt đầu thí nghiệm sau khi bùn ổn định với chất thải đầu vào. Bùn hoạt tính kỵ khí pilot Bùn kỵ khí nuôi cấy được lấy từ nhà máy xử lý nước thải KCN Mỹ Xuân A (vị trí lấy bùn: đáy bể kỵ khí). Quá trình nuôi cấy bùn kỵ khí được thực hiện bằng cách vận hành hệ thống theo dạng mẻ, đến khi bùn ổn định với chất thải đầu vào thì tiến hành thí nghiệm. 2.1.5. Vật liệu mô hình NCS thực hiện thí nghiệm trên 3 mô hình: (i) Mô hình Đồng phân hủy xáo trộn hoàn toàn – kết hợp màng kỵ khí quy mô PTN (CSTR-AnMBR quy mô PTN) – TN1 (ii) Mô hình Đồng phân hủy dòng chảy ngược qua đệm bùn – kết hợp màng kỵ khí quy mô PTN (UASB-AnMBR quy mô PTN) – TN2 (iii) Mô hình Đồng phân hủy xáo trộn hoàn toàn – kết hợp màng kỵ khí quy mô Pilot (CSTR-AnMBR quy mô Pilot) – TN3 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp điều tra khảo sát điển hình và xác định tỉ lệ phát thải Nghiên cứu sinh tiến hành lựa chọn các đơn vị đóng quân độc lập, khó khăn trong việc thu gom chất thải để xử lý tập trung. Công việc điều tra, khảo sát được tiến hành bao gồm các bước sau: - Khảo sát thực địa, đo đạc, xác định khối lượng các loại chất thải phát sinh. - Lấy mẫu chất thải, phân tích thành phần, tính chất. - Tính toán tỷ lệ phát thải chất thải tại các nơi khảo sát 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Các thí nghiệm trong nghiên cứu này gồm:
11. 9 (1) Loạt thí nghiệm CSTR – AnMBR quy mô PTN – ký hiệu TN1 Gồm 2 thí nghiệm: - Thí nghiệm 1.1 nghiên cứu ảnh hưởng của SRT đến hiệu quả xử lý của mô hình – ký hiệu TN 1.1. Thí nghiệm TN1.1 nhằm xác định các thông số động học cho quá trình, lựa chọn SRT phù hợp cho quá trình đồng phân hủy kỵ khí kết hợp màng lọc sinh học kỵ khí. - Thí nghiệm 1.2 nghiên cứu ảnh hưởng của HRT đến hiệu quả xử lý của mô hình - ký hiệu TN 1.2. Thí nghiệm TN1.2 nhằm xác định HRT (OLR) phù hợp cho quá trình đồng phân hủy xáo trộn hoàn toàn – kết hợp màng kỵ khí. (2) Loạt thí nghiệm UASB – AnMBR quy mô PTN – ký hiệu TN2 Loạt thí nghiệm TN2 được thực hiện nhằm so sánh hiệu quả xử lý, thu hồi năng lượng qua thu hồi khí sinh học và hoạt động của màng lọc sinh học kỵ khí (bẩn màng) giữa mô hình TN1 với TN2 (3) Loạt thí nghiệm CSTR – AnMBR quy mô Pilot – ký hiệu TN3 Loạt thí nghiệm TN3 được thực hiện nhằm so sánh hiệu quả xử lý, thu hồi năng lượng qua thu hồi khí khí sinh học giữa mô hình TN1 với TN3 2.2.3. Phương pháp lấy mẫu Phương pháp lấy mẫu được trình bày trong luận án bao gồm các thông tin: tên mẫu, vị trí lẫy mẫu và cách thức lấy mẫu. Các thí nghiệm TN1, TN2 có phương pháp lấy mẫu giống nhau và khác với TN3. 2.2.4. Phương pháp đo các chỉ tiêu Các chỉ tiêu sử dụng phương pháp đo: pH, nhiệt độ, khí sinh học, khí mê tan. Các thiết bị đo online, thiết bị đo cầm tay đều có chứng nhận kỹ thuật từ nhà sản xuất. 2.2.5. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu Các chỉ tiêu được phân tích bao gồm: COD, TN, TP, VFA, độ kiềm, v.v. Phần lớn các phương pháp thực hiện tham khảo theo SMEWW hoặc
12. 10 các TCVN tương ứng. 2.2.6. Phương pháp xác định các thông số động học của quá trình Các thông số động học được xác định gồm: Y, kd , KS, k. NCS vận hành mô hình quy mô phòng thí nghiệm, thu thập các số liệu ở các thời gian lưu bùn khác nhau. Sử dụng số liệu thu thập được ở các điều kiện trong trạng thái ổn định để xác định các giá trị cần thiết cho 2 phương trình sau: 1 휃 KS 1 1 = = + (2.6) U So-S 푆 1 rsu = −푌 − kd = 푌푈 − kd (2.7) θc Hai phương trình trên có dạng phương trình đường thẳng y = ax + b. Cần xác định các hệ số a, b để tính toán các thông số động học. 2.2.7. Phương pháp đo trở lực màng Các thành phần bẩn màng được xác định qua 2 bước sau: Bước 1: Xác định trở lục màng ban đầu Rm Bước 2: Xác định các trở lực màng thành phần: trở lực tổng (Rm + Rc + Ra), trở lực do lớp bẩn bám bên ngoài màng (Rc), trở lực do chất bẩn chui vào lỗ màng (Ra) Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả khảo sát tại các đơn vị đóng quân độc lập 3.1.1. Tình hình phát sinh chất thải Kết quả khảo sát cho thấy lượng nước thải phát sinh tại một số đơn vị đóng quân độc lập có giá trị trung bình khoảng 7 m3/ngày, giá trị lớn nhất đạt 9 m3/ngày và giá trị nhỏ nhất đạt 5 m3/ngày. Ngoài ra, lượng chất thải rắn hữu cơ phát sinh có giá trị trung bình đạt 34,5 kg/ngày, giá trị lớn nhất đạt 42,5 kg/ngày và giá trị nhỏ nhất đạt 28 kg/ngày. hiện nay các đơn vị đóng quân độc lập chưa có các hệ thống xử lý môi trường đạt yêu cầu. 3.1.2. Tỉ lệ phát thải
13. 11 Dựa trên tỉ lệ phát thải tại các đơn vị đóng quân đã khảo sát, tính toán tỉ lệ phát sinh chất thải đạt giá trị trung bình là 4,92 kg chất thải rắn hữu cơ/m3 nước thải sinh hoạt. Ngoài ra, tốc độ phát sinh rác hữu cơ và nước thải sinh hoạt 720 g/người.ngày rác thải hữu cơ [1] với 150 lít nước thải sinh hoạt/người/ngày [Nghị định 123/2003/NĐ-CP], [14]. Tỉ lệ rác thải: nước thải trung bình được tính có giá trị là 4,8 g/L. NCS lựa chọn tỉ lệ phối trộn là 5 g chất thải rắn hữu cơ / 1 L nước thải sinh hoạt. 3.2. CSTR-ANMBR quy mô phòng thí nghiệm – TN1 3.2.1. Ảnh hưởng của SRT – TN1.1 3.2.1.1. Biến thiên nhiệt độ – TN1.1 Các giá trị ghi nhận được cho thấy có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong bể phản ứng đồng phân hủy kỵ khí và bên ngoài môi trường, nhiệt độ chênh lệch trung bình là 0,5oC (chênh lệch lớn nhất đạt 0,7oC, chênh lệch nhỏ nhất đạt 0,3oC). Sự chênh lệch nhiệt độ này được xác định bởi năng lượng tỏa ra từ phản ứng kỵ khí bên trong bể phản ứng. Nhiệt độ trong bể phản ứng khá gần với khoảng nhiệt độ Mesophilic. 3.2.1.2. Biến thiên pH, VFAs và độ kiềm – TN1.1 Tương ứng với thời gian lưu bùn 120 ngày, 90 ngày, 60 ngày và 30 ngày, chỉ tiêu pH đầu vào có giá trị trung bình lần lượt là 7,1 ± 0,1, 7,1 ± 0,1, 7,2 ± 0,1 và 7,1 ± 0,2, dao động trong khoảng từ 6,9 – 7,4. Chỉ tiêu pH đầu ra có giá trị trung bình lần lượt là 7,2 ± 0,1, 7,1 ± 0,1, 7,2 ± 0,1, 7,1 ± 0,2, dao động trong khoảng 7,0 – 7,3. Tỉ lệ VFA/Alk tối ưu trong việc vận hành hệ thống xử lý sinh học kỵ khí nằm trong khoảng hiệu quả là < 0,4 và tối ưu nhất đạt giá trị 0,1 [48]. Điều này cho thấy tại thời gian lưu bùn 90 ngày, lượng chất hữu cơ bị phân hủy tạo thành VFAs đạt giá trị cân bằng tối ưu so với lượng kiềm sinh ra trong mô hình, dẫn đến pH trong mô hình được kiểm soát, không thay đổi đột ngột, không làm ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật kỵ khí. Tóm lại, mô hình thí nghiệm được vận hành trong môi trường rất thuận lợi cho quá trình phân hủy kỵ khí khi
14. 12 được vận hành trong điều kiện nhiệt độ ở gần giá trị Mesophilic, pH tối ưu và tỉ lệ VFA/Alks < 0,4. Đặc biệt tại SRT 90 ngày thì môi trường phân hủy kỵ khí tốt hơn cả. 3.1.1.3. Hiệu quả xử lý COD – TN1.1 Kết quả chỉ ra rằng tổng hiệu quả loại bỏ COD tăng khi SRT tăng lần lượt từ SRT 30 ngày, SRT 60 ngày, SRT 90 ngày là 78%, 79%, 85%. Hiệu quả loại bỏ COD tại SRT 120 ngày thì giảm nhẹ còn 84%. Kết quả này cũng khá tương đồng với kết quả của nhóm nghiên cứu của Rubia, khi SRT càng tăng thì hiệu quả xử lý COD cũng tăng, tương ứng với SRT 15d, 20d, 27d, 40d, 75d đạt được 35,2%, 29,3%, 34,9%, 72,5%, 72,0% [82]. Hình 3.6. Giá trị COD trung bình – TN1.1 Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của Halasheh và cộng sự cũng cho thấy hiệu quả loại bỏ COD tăng khi thời gian lưu bùn tăng: tương ứng với các thời gian lưu bùn 5 ngày, 15 ngày, 30 ngày, 50 ngày, 75 ngày, hiệu quả loại bỏ COD (nghiên cứu này thí nghiệm với các nồng độ lipid, protein và carbohydrate) tăng theo thời gian lưu bùn [83]. 3.1.1.4. Thu hồi dinh dưỡng – TN1.1 Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng tổng hiệu quả loại bỏ TN đạt lần lượt: 33%, 32%, 28%, 28% và hiệu quả loại bỏ TP đạt lần lượt: 58%, 64%, 51%, 54%. TN, TP giảm trong quá trình phân hủy kỵ khí chủ yếu là do vi sinh vật sử dụng dinh dưỡng để tổng hợp tế bào và mất đi do rút
15. 13 bùn khỏi bể là chính. Dựa theo kết quả thí nghiệm về nồng độ COD, TN, TP, NCS tính toán tỉ lệ tiêu thụ dinh dưỡng của hệ thống đồng phân hủy theo các chế độ thời gian lưu bùn khác nhau. Tỉ lệ này được so sánh với tỉ lệ tiêu thụ dinh dưỡng của vi sinh vật kỵ khí [73]. Trong quá trình nuôi cấy, tỉ lệ tiêu thụ dinh dưỡng tối ưu là COD : N : P = 350 : 5 : 1; trong quá trình hệ thống hoạt động ổn định thì tỉ lệ này sẽ là 600 : 5 : 1. Với nồng độ COD được cố định tại tỉ lệ 600, nồng độ N được tiêu thụ tương ứng với SRT 120 ngày, 90 ngày, 60 ngày, 30 ngày lần lượt là 9,89, 10,05, 9,35, 9,48. Tỉ lệ này cao hơn tỉ lệ theo nghiên cứu của Metcalf and Eddy gần gấp 2 lần. Tương tự, tỉ lệ P trung bình lần lượt có giá trị 1,89, 2,09, 1,76, 4,44. Qua kết quả phân tích, hệ thống đồng phân hủy có khả năng tiêu thụ nhiều dinh dưỡng hơn so với hệ thống kỵ khí thông thường. 3.1.1.5. Khả năng thu hồi năng lượng – TN1.1 Năng lượng sinh ra từ quá trình đồng phân hủy kỵ khí được thu hồi thông qua việc thu hồi khí sinh học. Lưu lượng khí sinh học sinh ra tương ứng với các thời gian lưu bùn 120 ngày, 90 ngày, 60 ngày và 30 ngày lần lượt có giá trị trung bình là 7,66 ± 0,43 L/ngày, 7,72 ± 0,48 L/ngày, 6,93 ± 0,50 L/ngày và 6,62 ± 0,48 L/ngày. Lưu lượng khí mê tan đo được tương ứng với các thời gian lưu trên có giá trị trung bình lần lượt là 5,04 ± 0,32 L/ngày (66%), 5,08 ± 0,33 L/ngày (66%), 4,54 ± 0,35 L/ngày (66%) và 4,10 ± 0,27 L/ngày (62%), tỉ lệ sinh khí sinh học thay đổi không lớn (trung bình tại các thời gian lưu 120 ngày, 90 ngày, 60 ngày, 30 ngày: 0,146 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý, 0,150 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý, 0,141 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý, 0,136 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý). Bên cạnh đó, tỉ lệ lưu lượng khí mê tan thu được trung bình lần lượt 0,096 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý, 0,098 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý, 0,092 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý, 0,084 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý. Các giá trị trên cũng tương đồng với nghiên cứu của M. Minale và cộng sự đạt sản lượng khí mê tan tối đa là 110 mLCH4/gCODxử lý, tương đương với 0,11
16. 14 LCH4/gCODxử lý [77]; nghiên cứu của Cheerawit R và cộng sự đạt sản lượng khí mê tan tối đa là 61,72 mLCH4/gCODxử lý , tương đương với 0,062 LCH4/gCODxử lý [93]. 3.1.1.6. Tính toán thông số động học của quá trình – TN1.1 Kết quả thu được từ thí nghiệm với các thời gian lưu bùn khác nhau, tính toán các giá trị x, y cho phương trình (2.6), ta vẽ đường tuyến tính và được phương trình: y = 1013x + 0,5146. Từ thông số a, b của phương trình hồi qui, tìm được giá trị k và Ks: 1/k = 0,5146 => k = 1,9433 Ks/k = 1013 => Ks = 1969 mg/L Mặt khác, từ phương trình (2.7), ta lập được phương trình biến thiên của 1/SRT theo U như sau: y = 0,1567x – 0,0313. Từ thông số a, b của phương trình hồi qui, tìm được giá trị Y và kd: Y = 0,1567 mgVSS/mgCOD - kd = - 0,0313 => kd = 0,0313 1/d Từ các kết quả tính toán, ta được các thông số động học được tóm tắt trong bảng sau: Bảng 3.6 Tóm tắt các thông số động học đã tính toán STT Thông số Giá trị Metcalf & Eddy [73] Đơn vị 1 k 1,9433 - mgCOD/mgVSS.ngày 2 Ks 1969 300 – 500 mgCOD/L 3 Y 0,1567 0,05 – 0,10 mgVSS/mgCOD 4 kd 0,0313 0,02 – 0,04 1/ngày 3.2.2. Ảnh hưởng của HRT – TN1.2 3.2.2.1. Sự biến thiên pH - TN1.2 Sự thay đổi pH giữa đầu vào và đầu ra qua các thời gian lưu nước khác nhau được thể hiện trong hình 3.15. Chỉ tiêu pH đầu vào dao động trong khoảng từ 6,8 – 7,9. Chỉ tiêu pH đầu ra dao động trong khoảng 6,7 – 7,8.
17. 15 3.2.2.2. Hiệu quả xử lý COD – TN1.2 Giá trị trung bình của thông số COD được thể hiện trong hình 3.17. Hình 3.17. Giá trị COD trung bình – TN1.2 Nồng độ COD của nước thải sau khi được pha trộn với rác thải hữu cơ theo tỉ lệ pha trộn 5 g trên 1 lít nước thải có giá trị COD trung bình đạt 1996 mg/L. Kết quả chỉ ra rằng tổng hiệu quả loại bỏ COD tăng khi HRT tăng và hiệu quả loại bỏ COD tại HRT 72h và 48h, đạt trên 95%. Tại HRT 36h và 24h, cho hiệu quả loại bỏ COD thấp hơn, đạt khoảng trên 80%. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Wadera và cộng sự (tại thời gian lưu nước 3 ngày, đạt hiệu quả xử lý 85% trong bể AnMBR và 95% trong bể CSTR) [103]. Ngoài ra, thí nghiệm này có hiệu quả xử lý COD cao hơn so với thí nghiệm của Kuscu và cộng sự, tương ứng HRT 24 giờ, 36 giờ và 48 giờ đạt lần lượt là 63%, 61% và 62% [87]. Tại HRT = 48 giờ và 72 giờ, giá trị COD đầu ra đạt tương ứng là 102 mg/L và 81 mg/L, BOD cũng được phân tích có giá trị lần lượt là 42 mg/L và 38 mg/L (đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột B). 3.2.2.3. Khả năng xử lý dinh dưỡng – TN1.2 TN, TP giảm trong quá trình phân hủy kỵ khí chủ yếu là do vi sinh vật sử dụng dinh dưỡng để tổng hợp tế bào và mất đi do rút bùn khỏi bể là chính. Tại thời gian lưu nước 72 giờ, 48 giờ, 36 giờ, 24 giờ, tỉ lệ COD : N : P của mô hình tương ứng là 600 : 9,16 : 0,17, 600 : 8,77 : 0,24,
18. 16 600 : 9,18 : 0,25, 600 : 9,81 : 0,43. Điều này cho thấy mô hình vận hành khá ổn định. Lượng N tiêu thụ cao hơn so với nhu cầu gấp 1,8 – 2,0 lần. Tuy nhiên, lượng P sử dụng hơi thấp so với nhu cầu cần thiết. 3.2.2.4. Khả năng thu hồi năng lượng – TN1.2 Lưu lượng khí sinh học sinh ra tương ứng với các thời gian lưu nước 72 giờ, 48 giờ, 36 giờ và 24 giờ lần lượt có giá trị trung bình là 3,43 L/ngày, 5,32 L/ngày, 7,16 L/ngày và 10,53 L/ngày. Lưu lượng khí mê tan đo được tương ứng với các thời gian lưu trên có giá trị trung bình lần lượt là 2,14 L/ngày (62,65%), 3,33 L/ngày (62,58%), 4,46 L/ngày (62,33%) và 6,63 L/ngày (62,94%). Qua đó, tỉ lệ khí mê tan trung bình chiếm 62,62% thành phần khí sinh học sinh ra. Tỉ lệ sinh khí sinh học thay đổi không lớn (trung bình tại các thời gian lưu 72 giờ, 48 giờ, 36 giờ, 24 giờ: 0,110 L CH4/gCODxử lý, 0,117 L CH4/gCODxử lý, 0,131 L CH4/gCODxử lý, 0,117 L CH4/gCODxử lý). Ứng với các thời gian lưu nước khác nhau, tải trọng hữu cơ cũng khác nhau. Thời gian lưu nước cao thì tải trọng hữu cơ thấp. Điều này ảnh hưởng đến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày trong các thời gian lưu nước khác nhau. 3.3. UASB-ANMBR quy mô phòng thí nghiệm – TN2 3.3.1. Ảnh hưởng của HRT – TN2 3.3.1.1. Sự biến thiên pH - TN2 Sự thay đổi pH giữa đầu vào và đầu ra qua các thời gian lưu nước khác nhau được thể hiện trong hình 3.41. Chỉ tiêu pH đầu vào tại các thời gian lưu khác nhau có giá trị trung bình là 7,2, dao động trong khoảng từ 6,7 – 7,5. Chỉ tiêu pH đầu ra có giá trị trung bình là 7,1, dao động trong khoảng 6,7 – 7,5. 3.3.1.2. Hiệu quả xử lý COD – TN2 Nồng độ COD đầu vào có giá trị trung bình là 2040 mg/L (cao nhất là 2217 mg/L và thấp nhất là 1893 mg/L); nồng độ COD đầu ra có giá trị
19. 17 trung bình đạt 173 mg/L (giá trị cao nhất là 329 mg/L, giá trị thấp nhất là 62 mg/L). Giá trị COD đầu vào và đầu ra trung bình được thể hiện trong hình sau: Hình 3.26. Giá trị COD trung bình – TN2 Kết quả chỉ ra rằng tổng hiệu quả loại bỏ COD tăng khi HRT tăng và hiệu quả loại bỏ COD tại HRT 72h và 48h, đạt trên 96% (lần lượt là 97% và 96%). Tại HRT 36h và 24h, cho hiệu quả loại bỏ COD thấp hơn, đạt khoảng trên 80% (lần lượt đạt 89% và 85%). 3.3.1.3. Khả năng xử lý dinh dưỡng – TN2 Hiệu quả xử lý TN nằm trong khoảng 12,41% - 14,40% với giá trị TN đầu vào trong khoảng 83 mg/L – 91 mg/L, giá trị TN đầu ra vào khoảng 70 mg/L – 88 mg/L. Hiệu quả xử lý tổng phốt pho tại các thời gian lưu tương đối giống nhau. Giá trị trung bình nồng độ phốt pho đầu vào là 9,38 mg/L, giá trị trung bình nồng độ phốt pho đầu ra là 6,23 mg/L. Hiệu quả xử lý trung bình là 30,05%. TN, TP giảm trong quá trình phân hủy kỵ khí chủ yếu là do vi sinh vật sử dụng dinh dưỡng để tổng hợp tế bào và mất đi do rút bùn khỏi bể là chính. Tại thời gian lưu nước 72 giờ, 48 giờ, 36 giờ, 24 giờ, tỉ lệ COD : N : P của mô hình tương ứng là 600 : 4,0 : 0,94, 600 : 3,66 : 1,05, 600 : 4,29 : 0,91, 600 : 4,46 : 1,04. Điều này cho thấy mô hình vận hành khá ổn định. Lượng N tiêu thụ cao hơn so với nhu cầu gấp 1,8 đến 2,0 lần. Tuy nhiên,
20. 18 lượng P sử dụng hơi thấp so với nhu cầu cần thiết. 3.3.1.4. Khả năng thu hồi năng lượng – TN2 Lưu lượng khí sinh học sinh ra tương ứng với các thời gian lưu nước 72 giờ, 48 giờ, 36 giờ và 24 giờ lần lượt có giá trị trung bình là 1,43 L/ngày, 2,31 L/ngày, 3,31 L/ngày và 5,04 L/ngày. Lưu lượng khí mê tan đo được tương ứng với các thời gian lưu trên có giá trị trung bình lần lượt là 0,91 L/ngày (63,36%), 1,51 L/ngày (65,49%), 2,18 L/ngày (65,86%) và 3,33 L/ngày (66,02%). Qua đó, tỉ lệ khí mê tan trung bình chiếm 62,62% thành phần khí sinh học sinh ra. Tại các HRT khác nhau, tỉ lệ sinh khí sinh học trên lượng COD xử lý thay đổi không lớn (trung bình tại các thời gian lưu 72 giờ, 48 giờ, 36 giờ, 24 giờ lần lượt là 0,176 ± 0,014 L Biogas/gCODxử lý, 0,188 ± 0,008 L Biogas/gCODxử lý, 0,210 ± 0,018 L Biogas/gCODxử lý, 0,216 ± 0,017 L Biogas/gCODxử lý). Tương ứng, tỉ lệ khí mê tan trên lượng COD xử lý đạt lần lượt là 0,110 L CH4/gCODxử lý, 0,117 L CH4/gCODxử lý, 0,131 L CH4/gCODxử lý, 0,117 L CH4/gCODxử lý). 3.3.2. Đánh giá bẩn màng 3.3.2.1. Lựa chọn chế độ vận hành màng lọc Qua hình 3.33, 3.34 cho thấy áp suất lọc màng tại chế độ 1,2,3,4,5,6 lần lượt đạt ngưỡng tối đa tại thời điểm lần lượt 2,8, 2,5, 1,7, 1,3, 0,8, 0,25 ngày. Từ các đánh giá trên, lựa chọn tỉ lệ Q lọc = 2,5 Q rửa để vận hành màng lọc trong mô hình đồng phân hủy quy mô phòng thí nghiệm, mang lại chu kỳ lọc màng dài nhất. 3.3.2.2. So sánh hiệu quả vận hành màng lọc Đối với mô hình CSTR-AnMBR, mỗi chu kỳ hoạt động có độ dài trung bình 2,8 ± 0,2 ngày (n=6). Đối với mô hình UASB-AnMBR, mỗi chu kỳ hoạt động có độ dài trung bình là 9,8 ± 0,3 ngày (n=3). Từ các số liệu trên, ta thấy được chu kỳ hoạt động của màng lọc UF đối với bể UASB dài hơn 3,5 lần so với chu kỳ hoạt động đối với bể CSTR. 3.2.2.3. So sánh hiệu quả loại bỏ TSS
21. 19 Hiệu quả loại bỏ TSS của mô hình TN2 cao hơn TN1.2 trung bình 2% (cao nhất là 4% và thấp nhất là 1%). Mô hình TN1.2 được khuấy trộn hoàn toàn, làm cho lượng TSS phân tán đều trong bể, làm cho lượng TSS đi qua bể màng cao, dẫn đến hiệu quả xử lý của màng kém, thời gian bẩn màng ngắn (Mục 3.2.2.2). Mô hình TN2 có lượng TSS phân bố giảm dần theo chiều cao bể, lượng TSS đi qua bể màng thấp hơn so với mô hình TN1.2, do đo, hiệu quả xử lý TSS cao hơn, và chu kỳ vận hành màng dài hơn so với mô hình TN1.2. 3.3.2.4. Phân bố trở lực màng Kết quả ghi nhận tại HRT 24 giờ giá trị trở lực màng do Rc bằng 0,62×109 m-1 liên quan đến hình thành lớp bánh bùn trên bề mặt màng cao hơn trở lực màng Ra 0,62×109 m-1 do các hạt hấp phụ trong lỗ màng. Tuy nhiên tại HRT 36 thì ngược lại, Trở lực do Rc bằng 0,58×109 m-1 nhỏ hơn trở lực Ra 0,72×109 m-1. Trở lực do chính bản thân màng chiếm 15 – 16 % trên tổng trở lực màng cả 2 thí nghiệm. Tại HRT 24 giờ, trở lực màng do lớp bánh bùn bám trên màng chiếm đến 55% tổng giá trị trở lực màng, cho thấy cần cải thiện HRT mô hình AnMBR lâu hơn để hạn chế bẩn do bánh bùn. Tại HRT 36 giờ, trở lực màng do Ra các hạt hấp phụ bên trong lỗ màng chiếm tỉ lệ 47% tổng giá trị trở lực cao hơn so với trở lực do Rc chiếm 38%. 3.4. CSTR-ANMBR quy mô pilot – TN3 3.4.2. Tính toán, thiết kế mô hình – TN3 Ta lựa chọn các thông số thiết kế như sau: - Q = 5 m3/ngày - COD đầu vào = 2000 mg/L - COD đầu ra = 100 mg/L - SRT = 90 ngày Tính toán: - Tính hiệu quả xử lý:
22. 20 H = (COD v – COD r)/CODv * 100% = 95% Theo thí nghiệm N1.2 thì hiệu quả xử lý này nằm trong khoảng HRT = 48 – 72 giờ. Để có thể so sánh với thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, NCS chọn HRT là 48 giờ tương đương với tải trọng hữu cơ xấp xỉ 1kgCOD/m3.ngày. Như vậy thể tích bề phàn ứng sẽ là: Q * HRT/24 = 10 m3. 3.4.2. Đánh giá hiệu quả đồng phân hủy – TN3 3.4.2.1. Biến thiên pH - TN3 Giá trị pH cao nhất của hỗn hợp nước thải đầu vào và nước thải đầu ra là 7,9 và 7,8. Giá trị pH thấp nhất của hỗn hợp nước thải đầu vào và nước thải đầu ra là 6,8 và 6,7. Giá trị pH đầu ra dao động trong khoảng 6,7 đến 7,8 là nằm trong giá trị cho phép của QCVN 14:2008/BTNMT. 3.3.2.2. Hiệu quả xử lý COD – TN3 Hiệu quả xử lý COD được thể hiện trong hình sau: Hình 3.40. Hiệu quả xử lý COD – TN3 Nồng độ COD của hỗn hợp đầu vào có giá trị cao hơn so với COD của nước thải được lấy từ bể. Rác thải hữu cơ được pha trộn vào làm cho nồng độ COD tăng cao (Giá trị COD của hỗn hợp đầu vào cao nhất 2300 mg/L và thấp nhất là 1807 mg/L). Tuy vậy, nước thải đầu ra có giá trị COD thấp (cao nhất 182 mg/L, thấp nhất là 103 mg/L). Mô hình đạt hiệu quả xử lý COD trên 90% (thấp nhất 90,48% và cao nhất 95,30%). 3.4.2.3. Khả năng xử lý dinh dưỡng – TN3
23. 21 Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, TN đầu vào có giá trị trung bình là 188 mg/L (cao nhất 223 mg/L, thấp nhất 155 mg/L), TN đầu ra có giá trị trung bình là 170 mg/L (cao nhất 203 mg/L, thấp nhất 143 mg/L), hiệu quả xử lý đạt 10% (cao nhất 13%, thấp nhất 7%). Lượng TP đầu vào trung bình đạt 6,0 mg/L (cao nhất 6,5 mg/L, thấp nhất 5,5 mg/L). Nồng độ TP đầu ra không giảm nhiều so với đầu vào, trung bình đạt 3,9 mg/L (cao nhất 4,9 mg/L và thấp nhất là 3,0 mg/L). TN, TP giảm trong quá trình phân hủy kỵ khí chủ yếu là do vi sinh vật sử dụng dinh dưỡng để tổng hợp tế bào và mất đi do rút bùn khỏi bể là chính. 3.4.2.4. Khả năng thu hồi năng lượng – TN3 Sản lượng khí sinh học sinh ra trung bình 1,33 m3/ngày. Tỉ lệ thể tích 3 khí sinh học trên khối lượng COD xử lý trung bình là 0,14 m /kgCODxử lý. Giá trị này cũng tương đương với giá trị tại mô hình phòng thí nghiệm với cùng thời gian lưu nước là 48 giờ. KẾT LUẬN Bằng phương pháp kết hợp thực nghiệm và tính toán lý thuyết, luận án đã đạt được các kết quả sau: 1. Luận án đã xác định được tỉ lệ phát thải trên thực tế cho các đơn vị đóng quân độc lập, với tỷ lệ phát thải ~ 5 kg rác sinh hoạt/m3 nước thải sinh hoạt làm cơ sở cho việc lựa chọn tỷ lệ phối trộn giữa rác thải hữu cơ sinh hoạt và nước thải sinh hoạt trong các mô hình thí nghiệm tại cả quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot. 2. Nghiên cứu đã xây dựng được 02 mô hình quy mô PTN đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ sinh hoạt và nước thải sinh hoạt trong bể kỵ khí xáo trộn hoàn toàn và bể UASB kết hợp công nghệ màng lọc nhúng chìm (AnMBR). Các kết quả đạt được cụ thể như sau: - Thông qua thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của SRT đến hiệu quả đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng mô hình đồng phân hủy xáo trộn hoàn toàn kết hợp màng kỵ khí quy mô
24. 22 phòng thí nghiệm (TN1.1) cho thấy: hiệu quả xử lý COD tại SRT 90 ngày và 120 ngày đạt trên 85%, tại SRT 60 ngày và 30 ngày đạt trên 75%; tỉ lệ lưu lượng khí sinh học thu được trung bình lần lượt đạt 0,146 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý, 0,150 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý, 0,141 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý, 0,136 ± 0,003 L Biogas/gCODxử lý và tỉ lệ lưu lượng khí mê tan thu được trung bình lần lượt 0,096 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý, 0,098 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý, 0,092 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý, 0,084 ± 0,003 LCH4/gCODxử lý. Bên cạnh đó, dựa trên các số liệu thực nghiệm đạt được, nghiên cứu đã xây dựng mô hình và tính toán các thông số động học cho bể AnMBR xáo trộn hoàn toàn đồng phân hủy rác thải hữu cơ sinh hoạt và nước thải sinh hoạt, bao gồm: hệ số sử dụng cơ chất tối đa k = 1,94, hằng số bán tốc độ Ks = 1969 mg/L, hệ số sản lượng tế bào Y = 0,1567 mgVSS/mgCOD, hệ số phân hủy nội bào kd = 0,0313 1/d; - Thông qua thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của HRT đến hiệu quả đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng mô hình đồng phân hủy xáo trộn hoàn toàn kết hợp màng kỵ khí quy mô phòng thí nghiệm (TN1.2) cho thấy: hiệu quả xử lý COD tại HRT 72 giờ và 48 giờ đạt trên 95%, tại HRT 36 giờ và 24 giờ đạt trên 80%; tỉ lệ lưu lượng khí sinh học thu được trung bình lần lượt 0,176 ± 0,014 L Biogas/gCODxử lý, 0,188 ± 0,008 L Biogas/gCODxử lý, 0,210 ± 0,018 L Biogas/gCODxử lý, 0,216 ± 0,017 L Biogas/gCODxử lý và tỉ lệ lưu lượng khí mê tan thu được trung bình lần lượt 0,110 ± 0,007 LCH4/gCODxử lý, 0,117 ± 0,005 LCH4/gCODxử lý, 0,131 ± 0,010 LCH4/gCODxử lý, 0,136 ± 0,010 LCH4/gCODxử lý; - Thông qua thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của HRT đến hiệu quả đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng mô hình đồng phân hủy có dòng chảy ngược qua đệm bùn lơ lửng (bể UASB) kết hợp màng kỵ khí nhúng chìm (TN2) cho thấy: hiệu quả xử lý COD tại HRT 72 giờ và 48 giờ đạt trên 96%, tại HRT 36 giờ và 24 giờ đạt trên
25. 23 85%; tỉ lệ lưu lượng khí sinh học thu được trung bình lần lượt 0,144 ± 0,091 L Biogas/gCODxử lý, 0,158 ± 0,104 L Biogas/gCODxử lý, 0,185 ± 0,122 L Biogas/gCODxử lý, 0,194 ± 0,128 L Biogas/gCODxử lý và tỉ lệ lưu lượng khí mê tan thu được trung bình lần lượt 0,091 ± 0,009 LCH4/gCODxử lý, 0,104 ± 0,010 LCH4/gCODxử lý, 0,122 ± 0,012 LCH4/gCODxử lý, 0,128 ± 0,012 LCH4/gCODxử lý; chu kỳ hoạt động của màng lọc UF đối với mô hình UASB-AnMBR dài hơn 3,5 lần so với chu kỳ hoạt động của màng lọc UF đối với mô hình CSTR-AnMBR, điều này cho thấy khả năng vận hành màng lọc khi sử dụng dạng bể UASB đem lại hiệu quả hơn so với khi sử dụng dạng bể CSTR; 3. Luận án đã xây dựng được 1 mô hình thí nghiệm đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt quy mô pilot, áp dụng xử lý hỗn hợp nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ nhà bếp tại Trạm Rada 33. Kết quả vận hành thí nghiệm được tóm tắt như sau: - Mô hình đạt hiệu quả xử lý COD trung bình là 90% (thấp nhất 90,48% và cao nhất 95,30%) - Sản lượng khí sinh học sinh ra trung bình 1,32 m3/ngày. Tỉ lệ thể tích khí sinh học trên khối lượng COD xử lý trung bình là 0,13 3 m /kgCODxử lý. Các kết quả này có giá trị tương đồng với thí nghiệm đồng phân hủy bằng mô hình quy mô phòng thí nghiệm với cùng điều kiện vận hành. Điều này cho thấy khả năng ứng dụng công nghệ đồng phân hủy kết hợp màng kỵ khí với các thông số thiết kế đã xác định rất phù hợp với thực tế. Như vậy, rõ ràng bể phản ứng sinh học màng kỵ khí đã được sử dụng để đồng phân hủy rác thải hữu cơ sinh hoạt và nước thải sinh hoạt có thể đạt được hiệu quả loại bỏ COD cao cùng với việc thu hồi năng lượng khí CH4 từ quá trình phân hủy hiệu quả. Hiệu quả loại bỏ COD cao đã giảm thiểu sự tích tụ tổng số axit béo dễ bay hơi trong AnMBR. Bể phân hủy kỵ khí kết hợp màng đã gia tăng cô đặc được dòng thải, từ đó
26. 24 gia tăng tải trọng hữu cơ xử lý và sản lượng khí sinh học thu được. Cấu hình của AnMBR sử dụng UASB có thể giảm thiểu sự tắc nghẽn màng gây ra do bánh bùn bằng cách giảm thiểu lượng chất rắn bị rửa trôi vào các lỗ màng. Nghiên cứu đã tiến hành trên cả quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot với tỷ lệ phát thải thực tế tại các các doanh trại bộ đội, vì thế kết quả của nghiên cứu có triển vọng để áp dụng triển khai trong thực tế xử lý cả hỗn hợp nước thải sinh hoạt và phần hữu cơ rác thải sinh hoạt, đặc biệt cho các khu dân cư phân tán và các đơn vị đóng quân độc lập. Những đóng góp mới của luận án: - Đã đưa ra giải pháp công nghệ đồng xử lý nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) nhằm tăng cường hiệu quả xử lý nước thải, chất thải rắn hữu cơ, kết hợp thu hồi năng lượng từ khí sinh học phù hợp với khu vực đô thị phân tán và khu vực nông thôn, biển đảo. - Đã xác định được các thông số thiết kế và điều kiện vận hành phù hợp cho hệ thống đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR), kết hợp thu hồi năng lượng. Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu xử lý Amoni sau quá trình đồng phân hủy kỵ khí. - Nghiên cứu đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ quy mô pilot qua kiểu bể UASB-AnMBR. - Nghiên cứu về các tải trọng khác nhau (2 kg/m3.ngày, 4 kg/m3.ngày, v.v.), xem xét thêm về các điều kiện ảnh hưởng của quá trình kỵ khí để nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng.
27. DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Bùi Hồng Hà, Nguyễn Tấn Thông, Trần Minh Sơn, Thái Huỳnh Chân Phương, Lê Văn Tân, Hà Minh Anh, Võ Thanh Hằng, Nguyễn Phước Dân, “Đồng phân hủy xử lý chất thải hữu cơ có thể phân hủy sinh học và nước thải sinh hoạt sử dụng công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR)”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự - Đặc san NĐMT, p.p 212-219, 2017. 2. Bui Hong Ha, The Tien Nguyen, Thanh Tri Nguyen, Lan Huong Nguyen, Phuoc Dan Nguyen, “Co-digestion of food waste and domestic wastewater by using upflow anaerobic sludge blanket (UASB) couped with a microfiltration membrane (MF)”, Vietnam Journal of Science and Technology, vol. 56 (2C), p.p 118-125, 2018. 3. Bùi Hồng Hà, Nguyễn Thành Trí, “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ màng kỵ khí AnMBR xử lý nước thải và rác thải hữu cơ, ứng dụng điển hình tại trạm ra đa 33/trung đoàn 294/sư đoàn 367”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự - Đặc san HHVL, p.p 224-231, 2020. 4. Lan Huong Nguyen, Hong Ha Bui, Xuan Truong Nguyen, “Removal of ammonia from anaerobic co-digestion effluent of organic fraction of food waste and domestic wastewater using air stripping process”, Vietnam Journal of Science and Technology, vol. 62 (2), p.p 19-23, 2020. 5. Hong Ha Bui, Lan Huong Nguyen, Thanh Tri Nguyen, Phuoc Dan Nguyen, “Co-digestion of domestic wastewater and organic fraction of food waste using anaerobic membrane bioreactor: a pilot scale study”, Vietnam Journal of Science, Technology and Engineering, vol. 63 no.1, p.p 71-76, 2021. 6. Bùi Hồng Hà, “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu bùn đến hiệu quả xử lý chất thải sinh hoạt thông qua hệ thống đồng phân hủy sử dụng công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí.”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Hội nghị khoa học dành cho nghiên cứu sinh và cán bộ nghiên cứu trẻ, p.p 207- 215, 2021. 7. Bui Hong Ha, Huynh Tran Uy Lam, Nguyen Xuan Hung, Nguyen Phuoc Dan, Nguyen Quang Loc, Bui Xuan Thanh, Le Quang Do Thanh, “Application of the single-stage anaerobic membrane bioreactor (1S-AnMBR) for the co- digestion of organic kitchen waste and sewage”, Science & Technology Development Journal – Engineering and Technology, 4(SI1):SI108-SI118, 2022. 8. Bùi Hồng Hà, Nguyễn Thành Trí, Nguyễn Thị Xuân Hồng, Nguyễn Phước Dân, Nguyễn Huỳnh Đức Nhã, “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu quả xử lý chất thải sinh hoạt bằng công nghệ đồng phân hủy kết hợp lọc màng kỵ khí qua các kiểu bể phản ứng khác nhau”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Hội thảo khoa học Phát triển và ứng dụng công nghệ tiên tiến vào kỹ thuật nhiệt đới, bảo vệ môi trường và ứng phó biến đổi khí hậu, p.p 159-166, 2022.