Luận án tiến sĩ: Xử lý nước thải chăn nuôi sinh học kết hợp lọc màng | Nguyễn Sáng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN SÁNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN SÁNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC MÃ SỐ: 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Trần Hùng Thuận Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ của đề tài cấp Bộ Khoa học và Công nghệ “Nghiên cứu chế tạo môđun màng lọc polyme hợp khối phục vụ xử lý nước thải chăn nuôi” do TS. Trần Hùng Thuận làm chủ nhiệm đề tài, mà trong đó tôi là thành viên tham gia và đã trực tiếp thực hiện. Các kết quả trong luận án này là trung thực và đã được chủ nhiệm đề tài TS.

Trần Hùng Thuận cho phép sử dụng. Tác giả luận án Nguyễn Sáng LỜI CẢM ƠN Tôi cảm ơn sâu sắc PGS. Trần Văn Quy – Giảng viên cao cấp Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và TS. Trần Hùng Thuận – Giám đốc Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ, đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi cảm ơn TS. Chu Xuân Quang – Trưởng phòng Công nghệ và Vật liệu môi trường, các đồng nghiệp Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, đã luôn quan tâm, chia sẻ và góp ý về chuyên môn, cũng như động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi gửi lời tri ân tới quý thầy, cô giáo bộ môn Công nghệ Môi trường cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong và ngoài Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cơ quan bố mẹ và gia đình tôi … đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt mọi công việc trong nghiên cứu và học tập.

Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án Nguyễn Sáng MỤC LỤC MỤC LỤC. 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. 4 DANH MỤC CÁC BẢNG. 6 DANH MỤC CÁC HÌNH.

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Tình hình phát triển chăn nuôi tại Việt Nam. Khối lƣợng và đặc tính nƣớc thải chăn nuôi. Ảnh hƣởng của chất thải chăn nuôi đến môi trƣờng.

Các nghiên cứu xử lý nƣớc thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam. Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng.

Các giai đoạn xử lý. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lọc của màng lọc. Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc và giải pháp làm sạch màng lọc. Hiện trạng ứng dụng công nghệ MBR ở Việt Nam.

ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Đối tƣợng nghiên cứu. Nước thải chăn nuôi lợn. Môđun màng lọc.

Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu. Phạm vi, quy mô nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Phương pháp luận nghiên cứu.

Phương pháp điều tra và thu thập tài liệu. Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu. Xác định thành phần, đặc tính nước thải chăn nuôi lợn. Khảo sát sự thích nghi và đặc tính của bùn hoạt tính.

Lắp ghép môđun màng lọc polyme. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tắc nghẽn màng lọc. Khảo sát xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng xử lý nước thải chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm. Khảo sát các điều kiện vận hành mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi.

Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình hệ thống khi vận hành với các điều kiện đã lựa chọn. Tính toán sản lượng bùn dư trong hệ thống lọc màng. Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN. Đặc tính nƣớc thải chăn nuôi lợn khu vực nghiên cứu. Sự thích nghi và đặc tính bùn hoạt tính. Ảnh hƣởng của một số các yếu tố vận hành lọc đến quá trình tắc màng.

Ảnh hưởng của vật liệu màng lọc dạng tấm phẳng. Ảnh hưởng của hình thái môđun màng lọc sợi rỗng. Ảnh hưởng của cường độ sục khí. Ảnh hưởng của năng suất lọc.

Ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính. Xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng xử lý nƣớc thải chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm. Lựa chọn thời gian lưu nước các bể theo kiểu mẻ. Xây dựng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm 96 3.

Ảnh hƣởng của các điều kiện vận hành mô hình hệ thống đến hiệu quả xử lý 98 3. Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tuần hoàn nước đến hiệu quả xử lý nitrat. Đánh giá chung quá trình vận hành của mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm.

Khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng. Năng xuất xử lý và tải lượng COD, NH4+ của mô hình hệ thống. Khả năng loại bỏ chất rắn và vi khuẩn. Sản lƣợng bùn dƣ trong hệ thống lọc màng.

Quá trình lọc màng và xử lý tắc nghẽn màng lọc. Quá trình lọc màng và hiện tượng tắc nghẽn màng lọc. Phương pháp khắc phục tắc nghẽn màng lọc. Tính toán chi phí và khả năng ứng dụng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng vào xử lý nƣớc thải chăn nuôi.

136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 139 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 151 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AO Yếm khí kết hợp hiếu khí (Anaerobic Oxic) AUBF Bể với giá thể yếm khí dòng chảy ngược (Anaerobic Upflow Bed Filter) Anammox Phản ứng ôxy hóa yếm khí amoni (Anaerobic Ammonium Oxdation) BNNPTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn BOD Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) BHT Bùn hoạt tính BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường COD Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) DO Ôxy hòa tan (Dissolved Oxygen) HRT Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time) JICA Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International Cooperation Agency) MBR Bể sinh học kết hợp lọc màng (Membrane Bioreactor) MLSS Nồng độ chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp chất lỏng/rắn/huyền phù (Mixed Liquor Suspended Solids) MLVSS Nồng độ chất rắn dễ bay hơi trong hỗn hợp chất lỏng/rắn/ huyền phù (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids) Ncs Nhóm cộng sự QCVN Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia SBR Bể phản ứng hoạt động theo mẻ kế tiếp (Sequencing Batch Reactor) 4 SS Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid) SRT Thời gian lưu bùn (Solid Retention Time) SVI Chỉ số thể tích lắng của bùn (Sludge Volume Index) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Tổng nitơ TP Tổng phôtpho UASB Bể với lớp bùn yếm khí dòng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) VSV Vi sinh vật XLNT Xử lý nước thải 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.

Sự thay đổi về số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2012 – 2015. Thành phần hóa học của phân lợn từ 70 – 100 kg. Thành phần hóa học của nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg. Hiệu suất xử lý của hệ thống đất ngập nước Cooper County Hog Farm, Australia.

Hiệu suất và tải lượng xử lý của hệ thống đất ngập nước ở Leping, Trung Quốc. Đặc điểm các loại vật liệu màng. Phương pháp phân tích và thiết bị sử dụng. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sử dụng trong nghiên cứu.

Độ bền kéo của các loại vật liệu màng. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể yếm khí đến hiệu quả xử lý COD. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể hiếu khí đến hiệu quả xử lý COD và NH4+-N. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể thiếu khí.

95 đến hiệu quả xử lý NO3- - N và COD. Lưu lượng đầu vào các bể. Thời gian lưu nước trong các bể và toàn hệ với các lưu lượng đầu vào khác nhau. Lưu lượng vào các bể với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau.

Thời gian lưu nước trong các bể và toàn hệ với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau. Mật độ coliform trước và sau khi xử lý. Độ đục của nước thải trước và sau khi xử lý. Áp suất qua màng sau khi ngâm màng với các nồng độ NaOCl khác nhau.

134 6 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Mô hình Ludzack – Ettinger. Mô hình Bardenpho. Sơ đồ hệ thống Nix-MBR-HT.

Sơ đồ quy trình công nghệ MBR trong xử lý nước thải. Sơ đồ tổng quát phương pháp nghiên cứu. Sơ đồ hệ thống nuôi bùn hoạt tính hiếu khí. Môđun màng tấm phẳng đã được lắp ghép.

Khung đầu gắn màng và đĩa đục lỗ. Môđun màng sợi rỗng. Khung đỡ môđun màng. Môđun màng sợi rỗng đã được lắp ghép.

Mô hình bể hiếu khí tích hợp màng lọc. Một số hình thái môđun màng lọc dạng sợi rỗng đã được lắp ghép. Sơ đồ cấu tạo hệ thống xử lý. Sơ đồ cấu tạo bể thiếu khí và hình ảnh giá thể sử dụng trong bể.

Sự thay đổi MLSS và SVI theo thời gian. Sự thay đổi của MLSS và tỉ số MLVSS/MLSS theo thời gian. Sự thay đổi của pH theo thời gian. Sự thay đổi của COD và hiệu suất xử lý COD theo thời gian.

Sự thay đổi của nồng độ NH4+ - N và hiệu suất xử lý theo thời gian. Sự thay đổi áp suất qua màng dạng tấm phẳng theo thời gian với từng loại vật liệu màng khác nhau. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian với các hình thái môđun màng sợi rỗng khác nhau. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian với cường độ sục khí khác nhau .