Luận án: Nghiên cứu bùn hạt hiếu khí và khả năng giảm nghẹt màng của AGMBR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ------------- o0o ------------- TRƢƠNG THỊ BÍCH HỒNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIẢM NGHẸT MÀNG CỦA MÔ HÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ KẾT HỢP LỌC MÀNG (AGMBR) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. Hồ Chí Minh, năm 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ------------- o0o ------------- TRƢƠNG THỊ BÍCH HỒNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIẢM NGHẸT MÀNG CỦA MÔ HÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ KẾT HỢP LỌC MÀNG (AGMBR) Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số chuyên ngành: 62520320 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.

NGUYỄN THỊ THANH PHƢỢNG TP. Hồ Chí Minh, năm 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ------------- o0o ------------- TRƢƠNG THỊ BÍCH HỒNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIẢM NGHẸT MÀNG CỦA MÔ HÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ KẾT HỢP LỌC MÀNG (AGMBR) Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số chuyên ngành: 62520320 PHẢN BIỆN ĐỘC LẬP 1 PHẢN BIỆN ĐỘC LẬP 2 GS. NGUYỄN VIỆT ANH PGS.

NGUYỄN THÚY HƢƠNG TP. Hồ Chí Minh, năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu sự hình thành bùn hạt hiếu khí và đánh giá khả năng giảm nghẹt màng của mô hình bùn hạt hiếu khí kết hợp lọc màng (AGMBR)” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, đƣợc phân tích theo các phƣơng pháp tiêu chuẩn có cơ sở khoa học và độ tin cậy cao. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều đƣợc trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.

Kết quả nghiên cứu của luận án đã đƣợc công bố theo đúng quy định trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín. Nghiên cứu sinh Trƣơng Thị Bích Hồng ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án tiến sĩ “Nghiên cứu sự hình thành bùn hạt hiếu khí và đánh giá khả năng giảm nghẹt màng của mô hình bùn hạt hiếu khí kết hợp lọc màng (AGMBR)”, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Quý Thầy Cô và các cán bộ, công nhân viên Viện Môi trƣờng và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về sự giúp đỡ này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Cô PGS.

Nguyễn Thị Thanh Phƣợng, ngƣời đã nhiệt tình hƣớng dẫn và định hƣớng cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Mạnh Hà, các đồng nghiệp và các em sinh viên của trƣờng Đại học Sài Gòn, Đại học Công Nghiệp Tp. HCM đã đồng hành và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian triển khai nghiên cứu.

Lời cuối cùng, con xin cảm ơn Ba Mẹ đã sinh thành, dƣỡng dục và bên con trong suốt thời gian qua; cảm ơn tất cả các thành viên trong gia đình, toàn thể bạn bè, đồng nghiệp của tôi đang công tác tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng đã động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! NCS. Trƣơng Thị Bích Hồng iii TÓM TẮT So với bùn hoạt tính thông thƣờng, công nghệ bùn hạt hiếu khí có nhiều ƣu điểm nhƣ có khả năng lắng tốt, thích nghi với tải trọng hữu cơ cao, ít nhạy cảm với độc tố, có thể xử lý đồng thời COD và nitơ. Tuy nhiên, bản thân nó không đáp ứng quy chuẩn xả thải do có hàm lƣợng chất rắn lơ lửng trong nƣớc đầu ra cao.

Do đó sẽ rất hiệu quả khi kết hợp công nghệ bùn hạt hiếu khí với lọc màng. Nghiên cứu này tập trung vào hai quá trình chính là quá trình tạo bùn hạt hiếu khí trên mô hình sinh học theo mẻ (SBR) và quá trình bùn hạt hiếu khí kết hợp lọc màng (AGMBR). Nghiên cứu tiến hành tạo bùn hạt hiếu khí trên mô hình SBR sử dụng nƣớc thải tinh bột mì làm cơ chất. Kết quả cho thấy bể SBR với chế độ vận hành tăng dần tải trọng hữu cơ (0,5-10 kgCOD/m3.ngày) và giảm dần thời gian lắng (60-3 phút) đã tạo thành công bùn hạt hiếu khí.

Kích thƣớc và khả năng lắng của bùn hạt tăng theo tải trọng hữu cơ và đạt giá trị tối đa (kích thƣớc d=2,3-2,5 mm và chỉ số thể tích bùn SVI=50 mL/g) ở tải trọng 7,5 kgCOD/m3. Bùn hạt trƣởng thành có cấu trúc phân lớp bao gồm lớp bùn kị khí bên trong với nhiều nematode và lớp bùn hiếu khí bên ngoài đƣợc bao quanh bởi các ciliate có cuống. Bùn hạt hiếu khí có khả năng xử lý cơ chất cao với hiệu quả xử lý COD, N-NH4+, N-tổng và P-tổng đạt giá trị lần lƣợt là 90,0%-93,0%, 86,6%-92,5%, 49,4-66,1% và 46,8-62,5%. Điều kiện tối ƣu cho quá trình ổn định của bùn hạt hiếu khí đƣợc xác định là lƣu lƣợng khí 4,8 L/phút và tải trọng hữu cơ 7,5 kgCOD/m3.

Điều kiện này đã duy trì đƣợc bùn hạt hiếu khí với kích thƣớc lớn (d=2,3 mm) và hiệu quả xử lý N-tổng cao (65,5%). Khả năng lọc màng của bể AGMBR đƣợc so sánh với bể sinh học màng thông thƣờng (MBR). Kết quả lọc màng ở tốc độ lọc không đổi 12 L/m2.h cho thấy tốc độ nghẹt màng của bể AGMBR là 0,385-0,490 kPa/ngày, thấp hơn hai lần so với bể MBR. Kết quả phân tích trở lực lọc cho thấy cơ chế gây nghẹt màng chính đối với bể AGMBR là do nghẹt lỗ với trở lực nghẹt lỗ chiếm 50,3-54,8% trở lực tổng và đối với bể MBR là do nghẹt bề mặt chiếm đến 67,2%.

Bùn hạt hiếu khí duy trì đƣợc khả năng ổn định với kích thƣớc hạt lớn (d=2,1-2,3 mm) và khả năng lắng tốt (SVI=50-60 mL/g) cùng với nồng độ các hợp chất polymer ngoại bào hòa tan thấp (33,1-37,7 mg/L) là cơ sở của việc giảm nghẹt màng trong bể AGMBR. iv ABSTRACT Aerobic granular sludge has exhibited advantages compared to conventional activated sludge such as good settleability, ability to withstand high organic loading rate (OLR) and toxicity, capacity of simultaneous COD and nitrogen removal,. However, this process might not fulfill the discharge standards in terms of suspended solid. Therefore, integrated operation of aerobic granular sludge and membrane filtration could be an efficient way of combining.

This study focused on two processes including of aerobic granulation in a sequencing batch reactor (SBR) and aerobic granular sludge process combined with membrane filtration (AGMBR). Aerobic granulation was carried out in the SBR using tapioca processing wastewater as substrate. The findings showed that aerobic granules were formed in the SBR with operational mode of gradual OLR increase (0.day) and settlinge time decrease (60-3 min). The size and settleability of granular sludge increased with OLR and got the maximum value (average size of 2.5 mm, sludge volume index of 50 mL/g) at OLR of 7.

The mature granules had a layered structure consisting of anoxic sludge core with nematodes and an outer aerobic layer surrounded by stalked ciliates. Removal efficiencies of COD, NH4+-N, total-N and total-P reached 90. The optimal operational conditions for the granular stability (air flowrate of 4.8 L/min, OLR of 7.day) increased both the granular size to 2.3 mm and the total nitrogen removal efficiency to 65. Filtration performance of AGMBR was compared with that of a membrane bioreactor (MBR).

The findings of filtration at the flux of 12 L/m2.h showed that fouling rate of AGMBR was 0.490 kPa/day, twice lower than that of MBR. Resistance analysis implied that the key fouling factor in AGMBR was the pore blocking which accounted for 50.8% of total resistance and that was the surface blocking in MBR up to 67. Aerobic granules were stable with the large size (2.3 mm) and good settling ability (sludge volume index of 50-60 mL/g) along with low concentration of soluble extracellular polymeric substances (33.7 mg/L) resulted in the decrease in fouling in AGMBR. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

iv MỤC LỤC. v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. viii DANH MỤC BẢNG. x DANH MỤC HÌNH.

xi MỞ ĐẦU. TÍNH CẤP THIẾT. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

BÙN HẠT HIẾU KHÍ. Giới thiệu về bùn hạt hiếu khí. Quá trình tạo bùn hạt hiếu khí. Khả năng xử lý cơ chất của bùn hạt hiếu khí.

CÔNG NGHỆ LỌC MÀNG SINH HỌC (MBR và AGMBR). Công nghệ lọc màng sinh học (MBR). Công nghệ bùn hạt hiếu khí kết hợp lọc màng (AGMBR). Khả năng lọc màng.

Cơ chế và thành phần gây nghẹt màng. NƢỚC THẢI TINH BỘT MÌ VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ. Các nghiên cứu xử lý nƣớc thải tinh bột mì. Khả năng xử lý nƣớc thải tinh bột mì bằng công nghệ AGMBR .39 vi CHƢƠNG 2.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ (SBR). Cơ sở thiết kế mô hình thí nghiệm SBR. Mô hình thí nghiệm.

Quy trình và thông số vận hành. Vật liệu thí nghiệm. Các thông số, chỉ tiêu đánh giá. QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ KẾT HỢP LỌC MÀNG (AGMBR).

Cơ sở thiết kế mô hình thí nghiệm AGMBR và MBR. Mô hình thí nghiệm. Chế độ và thông số vận hành. Vật liệu thí nghiệm.

Các thông số, chỉ tiêu đánh giá. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH. Tính chất vật lý của bùn. Thành phần vi sinh vật trong bùn.

Quy trình tách và đo EPS trong bùn. Cấu trúc bề mặt của bùn hạt hiếu khí và màng. Khả năng lọc màng. Các thông số chất lƣợng nƣớc.

CÂN BẰNG KHỐI LƢỢNG NITƠ VÀ COD. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ (SBR).

Quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí trên mô hình SBR. Khả năng xử lý cơ chất của bùn hạt hiếu khí. Cơ chế hình thành bùn hạt hiếu khí trên mô hình SBR. Đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố vận hành đến quá trình ổn định của bùn hạt hiếu khí.

QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ KẾT HỢP LỌC MÀNG (AGMBR). Khả năng lọc màng. Khả năng ổn định của bùn hạt hiếu khí trong mô hình AGMBR. Khả năng xử lý chất ô nhiễm .127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO .