Luận án nghiên cứu phát triển công nghệ IC tuần hoàn nội xử lý nước thải giàu hữu cơ

Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, khoảng 80% lượng nước thải có thể xử lý được bằng công nghệ sinh học [1], bao gồm: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp chứa các hợp chất hữu cơ sinh hủy được, ở mức độ nhất định công nghệ sinh học xử lý được cả các hóa chất độc. Trong xử lý nước thải, công nghệ sinh học luôn được ưu tiên do chi phí thấp, sản sinh ít bùn, ít sử dụng hóa chất, … đặc biệt là còn thu được năng lượng tái tạo dưới dạng khíbiogas. Như vậy, xử lý yếm khí không chỉ là công cụ để bảo vệ môi trường mà còn là bảo vệ tài nguyên. Trong lịch sử phát triển, kỹ thuật vi sinh yếm khí đã phát triển dần từ các hệ đơn giản (bồn kín, bể phốt,.

làcác công trình xử lý chỉ sử dụng các hiện tượng tự nhiên) đến những kỹ thuật mang nhiều yếu tố “bể phản ứng” hơn và hiệu quả hơn. Theo bước phát triển của công nghệ, có 4 loại kỹ thuật xử lý yếm khí đã được ứng dụng là: (1) bồn phản ứng khuấy trộn đều – CSTR, (2) kỹ thuật phản ứng tiếp xúc - AC, (3) kỹ thuật dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí – UASB và (4) kỹ thuật tầng bùn hạt giãn nở - EGSB vàkỹ thuật tuần hoàn nội - IC. Trong khoảng 40 năm trở lại đây nhiều công trình áp dụng kỹ thuật yếm khí cao tải với các thiết kế khác nhau được áp dụng [2]. Các tài liệu tham khảo cho thấy IC cùng với EGSB là 2 thiết bị xử lý yếm khí cónăng suất cao nhất và tiên tiến nhất hiện nay, kỹ thuật IC có khả năng chịu tải và cónăng suất cao nhất trong các kỹ thuật hiện có [3].

Do vậy tốc độ tăng trưởng của các hệ IC rất cao. Năm 1997 cả thế giới mới có 32 hệ IC, tới năm 2007 trên thế giới đã có tới 2266 hệ, đến năm 2015 ước tính số lượng các hệ yếm khícao tải được lắp đặt đã vượt quá 4000 hệ [4]. Một yếu tố quan trọng của các kỹ thuật xử lý vi sinh là sự khuấy trộn, tăng khuấy trộn làm tăng khả năng tiếp xúc của vi sinh vật với chất ô nhiễm nên hiệu quả chuyển hóa tăng. Các kỹ thuật UASB và EGSB sử dụng năng lượng của khí sinh ra và dòng chất lỏng tuần hoàn (bằng bơm tuần hoàn) để tăng khả năng khuấy trộn.

Kỹ thuật IC sử dụng khí sinh ra để tuần hoàn nước. Đây chính là ưu thế làm cho IC có hiệu quả xử lý cao trong khi lại tiêu thụ ít năng lượng hơn (vìkhông dùng bơm tuần hoàn). Để nghiên cứu chế tạo thành công hệ IC, điểm mấu chốt là cần nghiên cứu chế tạo các cơ cấu tự tuần hoàn không cần năng lượng bên ngoài (bơm tuần hoàn), sử dụng quá trình kéo nước bằng khí tự sinh để tuần hoàn hỗn hợp bùn và nước thải. 2 Hiện nay, các tài liệu hướng dẫn thiết kế hệ UASB tương đối phổ biến nhưng tài liệu về các kỹ thuật tuần hoàn nước như IC được công bố rất ít.

Ví dụ, trong cuốn sách chuyên khảo mới nhất về công nghệ sinh học xử lý nước thải “Handbook of Biological Wastewater Treatment, 2012” [5] có tới 14 ví dụ tính thiết kế hệ UASB kèm lời giải chi tiết mà không có ví dụ nào về các hệ tiên tiến kiểu EGSB và IC. Do vậy, để thúc đẩy ứng dụng hệ IC ở Việt Nam cần phải có các nghiên cứu để xác định các thông số cơ bản phục vụ việc thiết kế và chế tạo thiết bị. Trong luận án này tập trung mô phỏng quá trình tuần hoàn nội (khí kéo nước) nhằm xác định lượng nước (QN) được kéo lên bởi mỗi lượng khí (QK) (K = QN/QK) và khả năng khuấy trộn của khí sinh ra và nước tuần hoàn nhằm phục vụ tính toán cơ cấu khí kéo nước (airlift) trong hệ IC. Trong luận án cũng trình bày kết quả thử nghiệm chế tạo và vận hành mô hình hệ IC quy mô phòng thí nghiệm nhằm xác định năng lực xử lý của hệ IC khi vận hành hệ thống với nước thải chăn nuôi lợn.

Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng hệ xử lý yếm khí tuần hoàn nội (IC) trong xử lý nước thải giàu hữu cơ, cụ thể là: (i) Xác lập quan hệ giữa các thông số thiết kế thường dùng (ví dụ: tải lượng, tốc độ nước dâng) với các thông số thiết kế hệ IC (ví dụ: kích thước ống -nước lên, chiều cao vùng phản ứng). khí (ii) Xác định mối tương quan giữa tải lượng và năng suất xử lý của hệ yếm khíIC trong trường hợp NTCNL. (iii) Xác định khả năng khuấy trộn trong hệ bằng khí sinh ra. (iv) Xác định giá trị các thông số (chiều cao thiết bị, chiều cao vùng phản ứng, đường kính thiết bị, kích thước ống lên) phục vụ thiết kế hệ yếm khíIC.

Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Thực nghiệm xác định tỷ lệ lượng nước được kéo lên bởi mỗi QN lượng khí ( K  ) ở các mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2) vàtiết diện QK ống dẫn lên khác nhau ở độ nhớt và khối lượng riêng xác định của dung dịch. 3 QN Nội dung 2: Thiết lập phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa K  với QK các thông số: mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2), tiết diện ống dẫn lên (S) ở độ nhớt và khối lượng riêng xác định của dung dịch. Nội dung 3: Chế tạo và vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn nhằm xác định năng suất xử lý của hệ IC. Nội dung 4: Tính toán xác định khả năng khuấy trộn của khí nội sinh và nước tuần hoàn để xác định các thông số thiết kế hệ IC.

Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án Với mục tiêu nghiên cứu xác định giá trị các thông số thiết kế công nghệ hệ thống IC, các kết quả thu được từ nghiên cứu gồm: (i) Phương trình lý thuyết tính toán đại lượng K = QN/QK (tỷ lệ lượng nước được kéo lên bởi mỗi lượng khí) phụ thuộc vào tiết diện ống lên (S), mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2), độ nhớt (µ) vàkhối lượng riêng của dung dịch (ρ). Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án Trong xử lý nước thải thì xử lý yếm khí ngày càng đóng vai trò quan trọng không chỉ bởi chi phí đầu tư và vận hành thấp mà còn bởi năng lực xử lý ngày càng cao và tiềm năng thu hồi năng lượng. Hệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội (IC) đang ngày càng được áp dụng rộng rãi. Nghiên cứu này cung cấp các thông tin liên quan đến thiết kế hệ IC và khả năng ứng dụng của hệ IC.

4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Các quá trình vi sinh yếm khí Mặc dù hiện tượng phân hủy yếm khí chất hữu cơ thành khí cháy được (ngày nay gọi là biogas) đã được Van Helmont phát hiện từ thế kỷ 17 nhưng mãi tới những năm 1890 Omelianski mới phân lập thành công các vi khuẩn tạo hyđrô, axit axetic và butyric trong quá trình lên men xellulo. Ông cũng là người đầu tiên giả định về phản ứng vi sinh tạo metan từ hyđrô và carbon đioxit, điều mà tới 1910 mới được Sohngen khẳng định, đồng thời với phản ứng tạo metan từ axit axetic qua con đường giải phóng CO2 [6]. Vấn đề phân hủy yếm khí bắt đầu được quan tâm thực sự từ những năm 1930, các nghiên cứu về vấn đề này dẫn tới sự phát hiện các loại vi khuẩn yếm khí có khả năng phân hủy chất hữu cơ.

Tiếp theo là các nghiên cứu về các điều kiện mà vi khuẩn yếm khí có thể phát triển và sinh trưởng tốt [7]. Tới những năm 1970, do các vấn đề địa chính trị ở Trung Cận Đông, khủng hoảng năng lượng kéo theo sự gia tăng đột biến của giá dầu mỏ thì tiềm năng năng lượng từ biogas - một nguồn năng lượng tái tạo bắt đầu được chú ý hơn nên bản chất của quá trình XLYK cũng như các kỹ thuật XLYK trở thành đề tài nóng trong giới nghiên cứu. Hơn nữa, những năm 1970 chính là thời điểm mà Luật môi trường được thông qua ở hàng loạt các nước phát triển, đây chính là những động lực chính để phát triển các công nghệ XLYK, nhất là với những nguồn nước thải giàu hữu cơ. Kết quả của các nỗ lực này là sự hệ thống hóa, lượng hóa cơ chế phân hủy chất hữu cơ vốn rất phức tạp thành sơ đồ Hình 1.1, dưới tác dụng của các tổ hợp vi sinh vật khác nhau các chất hữu cơ sẽ phân hủy qua bốn công đoạn chuyển hóa: (1) thủy phân, (2) axit hóa, (3) axetat hóa và(4) metan hóa.

Theo Gujer vàZehnder (1983) [8], 70% metan sẽ hình thành từ chất trung gian là axetat theo phản ứng (a) và 30% metan còn lại là sản phẩm chuyển hóa của chất trung gian rất quan trọng là hyđrô theo phản ứng (b). CH3COOH  CH4 + CO2 (a) 4H2 + CO2  CH4 + 2H2O (b) 5 Theo một số tác giả khác tỷ lệ này có chút khác biệt, cụ thể là 72/28 [9] song bản chất các giai đoạn không thay đổi. Các phản ứng trung gian khác và nhiệt động học của các quá trình yếm khí có thể tham khảo chi tiết hơn ở [10]. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí Ngay từ 1982 Mc Carty [11] đã liệt kê các bước tiến hóa của công nghệ này.

Bắt đầu của các hệ thống xử lý năng suất cao là “bồn phản ứng khuấy trộn hoàn toàn” cho tới bồn phản ứng có kiểm soát nhiệt độ thường sử dụng cho “nước” thải có nồng độ hữu cơ rắn cao (thực chất là bùn thải và các chất thải hữu cơ), cuối cùng là những hệ phản ứng có năng suất rất cao nhờ mật độ cao của vi sinh hoạt tính. So với quá trình hiếu khí thì quá trình yếm khí tiêu tốn ít năng lượng hơn, sinh ra ít bùn thải hơn, chi phíxử lý thấp hơn, hơn nữa lại có tiềm năng thu hồi năng lượng ở dạng năng lượng tái tạo. Trong điều kiện yếm khí, các chất hữu cơ được chuyển đổi thành khíCH4, mỗi 1 kg COD được loại bỏ sinh ra khoảng 13,5 MJ CH4 năng lượng, đem lại 1,5 kWh điện (với hiệu suất chuyển đổi điện đạt 40%) [4]. Trong lĩnh vực công nghệ vi sinh xử lý nước thải, động học của phản ứng phân hủy yếm khí nói riêng và các phản ứng vi sinh nói chung tuân theo phương trì nh Monod [12]: 6 𝑘.