Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và amoni trong một số nguồn nước thải

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường "Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và amoni trong một số nguồn nước thải" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu tạo ra sản phẩm với EBB cải tiến phù hợp với điều kiện Việt Nam nói chung và trên địa bàn Thành phố Hà nội nói riêng; Góp phần giảm thiểu các chỉ tiêu COD và Amoni có trong nguồn nước thải.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và amoni trong một số nguồn nước thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HOÀNG LƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ECO-BIO-BLOCK (EBB) CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ VÀ AMONI TRONG MỘT SỐ NGUỒN NƯỚC THẢI LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HOÀNG LƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ECO-BIO-BLOCK (EBB) CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ VÀ AMONI TRONG MỘT SỐ NGUỒN NƯỚC THẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã sỗ: 9 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.PGS.TS. TĂNG THỊ CHÍNH 2.TS. ĐẶNG THANH TÚ HÀ NỘI – 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và amoni trong một số nguồn nước thải” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS. Tăng Thị Chính và TS. Đặng Thanh Tú. Các kết quả công bố trong luận án là trung thực, chính xác. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về những nội dung mà tôi trình bày trong luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Hoàng Lương
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Tăng Thị Chính (Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và TS. Đặng Thanh Tú (Trường Đại Học Việt Nhật) đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi những hướng nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cám ơn các tập thể: (i) Học viện Khoa học và Công nghệ (GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST); (ii) Khoa Công nghệ môi trường – GUST; (iii) Viện Công nghệ Môi trường (IET) – VAST; và (iv) Phòng Công nghệ xử lý chất thải rắn và khí thải - IET đã hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn GS.TS. Trịnh Văn Tuyên - IET đã hỗ trợ địa điểm, nơi học tập, nghiên cứu, trao đổi và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm luận án. Chân thành cám ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cỗ vũ, ủng hộ tôi trong suốt quá trình làm luận án này. Nghiên cứu sinh Hoàng Lương
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................vii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1.1. Tính cấp thiết của luận án ................................................................................. 1 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 3 1.3. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 3 1.4. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 4 1.5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 4 1.6. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án ...................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 6 1.1. Thực trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam .............................................................. 6 1.2. Các quá trình và công nghệ xử lý nước thải .................................................. 14 1.2.1. Hiện trạng các công trình xử lý nước thải ở Việt Nam ............................................................... 14 1.2.2. Các quá trình hóa lí ......................................................................................................................... 16 1.2.3. Các quá trình sinh học .................................................................................................................... 17 1.2.4. Giá thể sinh học .............................................................................................................................. 27 1.2.4.1. Kỹ thuật dính bám ............................................................................................................... 27 1.2.4.2. Trên thế giới ........................................................................................................................ 28 1.2.4.3. Ở trong nước........................................................................................................................ 33
iv 1.3. Vai trò của VSV trong xử lý nước thải ................................................................. 35 1.3.1. Tảo .................................................................................................................................................. 35 1.3.2. Động vật nguyên sinh ..................................................................................................................... 36 1.3.3. Hệ VSV của nước thải .................................................................................................................... 36 1.3.4. Quá trình tham gia của VSV trong xử lí nước thải ......................................................................... 37 1.4. Tổng quan EBB và lựa chọn vật liệu chế tạo EBB cải tiến ................................. 39 1.4.1. Tổng quan EBB .............................................................................................................................. 39 1.4.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo EBB cải tiến .......................................................................................... 43 Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 45 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............. 47 2.1. Hóa chất và thiết bị................................................................................................. 47 2.2. Sơ đồ nghiên cứu tổng thể của Luận án ............................................................... 47 2.3. Vật liệu ..................................................................................................................... 48 2.3.1. Cát................................................................................................................................................... 48 2.3.2. Sỏi nhẹ Keramzit ............................................................................................................................ 48 2.3.3. Xi măng .......................................................................................................................................... 49 2.3.4. Than cacbon hóa ............................................................................................................................. 49 2.3.5. Zeolit............................................................................................................................................... 49 2.3.6. Chế phẩm Sagi – Bio 2 ................................................................................................................... 49 2.4. Phương pháp phân tích .......................................................................................... 50 2.4.1. Phương pháp xác định COD ........................................................................................................... 50 2.4.2. Phương pháp xác định Amoni ........................................................................................................ 51 2.5. Chế tạo vật liệu EBB cải tiến ................................................................................. 51 2.5.1. Phương pháp xác định độ rỗng của vật liệu .................................................................................... 51 2.5.1.1. Phương pháp xác định thể tích rỗng EBB cải tiến ............................................................... 51 2.5.1.2. Phương pháp xác định diện tích bề mặt EBB cải tiến ......................................................... 53 2.5.2. Phương pháp xác định hàm lượng phối trộn nước .......................................................................... 54 2.5.3. Thực nghiệm chế tạo EBB cải tiến ................................................................................................. 54 2.6. Đánh giá đặc trưng của vật liệu EBB cải tiến. ..................................................... 55 2.6.1. Phương pháp cấy vi sinh vào vật liệu EBB cải tiến ........................................................................ 55 2.6.2. Phương pháp xác định ảnh hưởng pH đến VSV và hiệu suất xử lý COD trong vật liệu EBB cải tiến .................................................................................................................................................................. 57 2.6.3. Phương pháp xác định hiệu quả hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến ................................... 59
v 2.6.4. Phương pháp xác định hiệu quả hoạt động VSV trong EBB cải tiến bằng kỹ thuật sinh học phân tử .................................................................................................................................................................. 62 2.6.5. Phương pháp đánh giá hiệu suất xử lý COD và Amoni của vật liệu EBB cải tiến trong phòng thí nghiệm. ..................................................................................................................................................... 65 2.7. Đánh giá khả năng xử lý của vật liệu EBB cải tiến đã chế tạo ........................... 66 2.7.1. Đánh giá hiệu quả xử lý nước hồ .................................................................................................... 66 2.7.2. Đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác................................................................................................ 67 2.7.3. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bệnh viện ................................................................................. 68 CHƯƠNG 3. KẾT QỦA VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 69 3.1. Chế tạo EBB cải tiến............................................................................................... 69 3.1.1. Kết quả xác thể tích rỗng EBB cải tiến ........................................................................................... 69 3.1.2. Kết quả xác định diện tích bề mặt của vật liệu EBB cải tiến .......................................................... 71 3.1.3. Kết quả xác định hàm lượng nước phối trộn để chế tạo EBB cải tiến ............................................ 72 3.2. Đặc trưng của vật liệu EBB cải tiến ...................................................................... 74 3.2.1. Kết quả cấy VSV vào vật liệu EBB cải tiến ................................................................................... 74 3.2.2. Kết quả xác định ảnh hưởng của pH đến hoạt động VSV và hiệu suất xử lý COD trong vật liệu EBB cải tiến. ............................................................................................................................................. 75 3.2.2.1. Kết quả xác định ảnh hưởng của pH đến hoạt động VSV ................................................... 75 3.2.2.2 Kết quả xác định ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD ............................................ 76 3.2.3. Kết quả xác định hiệu quả hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến ........................................... 78 3.2.3.1. Kết quả ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến ........... 78 3.2.3.2. Kết quả xác định cân bằng hấp phụ và ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Amoni đến hiệu quả hấp phụ ............................................................................................................................................. 79 3.2.3.3. Kết quả xác định ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ ......................................................... 79 3.2.3.4. Kết quả xác định động học hấp phụ Amoni của vật liệu ..................................................... 80 3.2.4. Kết quả đánh giá sự đa dạng của các nhóm VSV trong vật liệu EBB cải tiến bằng kỹ thuật sinh học phân tử ...................................................................................................................................................... 84 3.2.4.1. Kết quả tách chiết ADN và điện di biến tính DGGE từ các mẫu thử nghiệm ..................... 84 3.2.4.2. Kết quả tính chỉ số đa dạng Shannon (H’) và chỉ số tương quan Pielou (J’) của từng mẫu 86 3.2.4.3. Kết quả phân tích đa hình di truyền của các band trên bản điện di DGGE ......................... 89 3.2.5. Kết quả thực nghiệm sử dụng EBB cải tiến để xử lý nước thải trong phòng thí nghiệm................ 92 3.2.5.1. Kết quả đánh giá hiệu suất xử lý COD của vật liệu EBB cải tiến ..................................... 92 3.2.5.2. Kết quả đánh giá hiệu suất xử lý Amoni của vật liệu EBB cải tiến ..................................... 97 3.3. Khả năng xử lý của EBB cải tiến đã chế tạo ...................................................... 101 3.3.1. Kết quả ứng dụng EEB cải tiến để xử lý nước hồ bị ô nhiễm....................................................... 101 3.3.2. Kết quả ứng dụng EEB cải tiến để xử lý nước rỉ rác ................................................................... 103
vi 3.3.3. Kết quả ứng dụng EBB cải tiến để xử lý nước thải bệnh viện ...................................................... 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 108 1. Chế tạo vật liệu EBB cải tiến .................................................................................. 108 2. Đặc trưng vật liệu EBB cải tiến trong xử lý nước thải ......................................... 108 3. Ứng dụng của vật liệu EBB cải tiến trong xử lý nước thải ................................. 108 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN..................................................... 110 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................... 111 SỞ HỮU TRÍ TUỆ ...................................................................................................... 111 BÀI BÁO KHOA HỌC ............................................................................................... 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 112
vii DANH MỤC VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt ATP Adenosin Triphosphate Nguồn cung cấp năng lượng sinh học BOD5 Biological Oxygen Demand Nhu cầu ô xy sinh hóa COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu ô xy hóa học D Diameter Đường kính DO Oxygen Demand Nhu cầu ô xy DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis Kỹ thuật sinh học phân tử EBB Eco-Bio Block Khối mang sinh vật sinh thái EPS Polystyren Chất dẻo (mút xốp) GĐ Giai đoạn HK Hiếu khí KCN Khu Công Nghiệp KĐTM Khu đô thị mới KĐT Khu đô thị KT-XH Kinh tế - Xã hội MBBR Moving Bed BioReactor Giá thể vi sinh di động NMXLTT Nhà máy xử lý tập trung PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng khuếch đại gen
viii PP Polypropylene Vật liệu nhựa nhiệt dẻo, cứng và dai PVC Polyvinyl Clorua Nhựa dẻo nhân tạo QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCTK Tổng cục thống kê TDS Total dissolved solids Tổng chất rắn hòa tan TKN Total Nitrogen Kendal Tổng nitơ Kendal TOC Total Organic Carbon Tổng các bon hữu cơ TP Tổng phốt pho TSS Total suspended solids Tổng chất rắn lơ lửng SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét VSV Vi sinh vật XLNT Xử lý nước thải YK Yếm khí
ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Tiêu chuẩn thải nước của một số cơ sở dịch vụ và công trình công cộng. .....................................................................................................................................7 Bảng 1. 2. Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước .............................................................................................................................8 Bảng 1. 3. Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư. ............................................9 Bảng 1. 4. Thành phần nước thải bệnh viện.............................................................14 Bảng 1. 5. Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng ..........................19 Bảng 1. 6. Hiệu suất xử lý của công nghệ EBB tại Mayur Vihar, Ấn Độ [64]. ......41 Bảng 1. 7. So sánh giữa vật liệu EBB cải tiến và EBB nhập khẩu ..........................46 Bảng 2. 1. Thống kê hóa chất và thiết bị phục vụ nghiên cứu. .................................47 Bảng 2. 2. Hàm lượng phối trộn hỗn hợp vật liệu khô. ............................................52 Bảng 2. 3. Hàm lượng nước bổ sung để phối trộn ....................................................54 Bảng 2. 4. Các giai đoạn thực nghiệm ở các phạm vi pH khác nhau. ......................58 Bảng 2. 5. Tỷ lệ các dung dịch biến tính để tiến hành thực nghiệm. ........................64 Bảng 3. 1. Độ rỗng của khối chất rắn EBB chế tạo ..................................................70 Bảng 3. 2. Hàm lượng nước bổ sung để phối trộn ....................................................72 Bảng 3. 3. Mật độ VSV hiếu khí tổng số (CFU/g)....................................................74 Bảng 3. 4. Mật độ VSV kị khí tổng số (CFU/g). ......................................................75 Bảng 3. 5.Ảnh hưởng pH đến hoạt động của VSV trong vật liệu EBB ....................75 Bảng 3. 6. Số liệu thực nghiệm đẳng nhiệt hấp phụ Amoni của vật liệu. .................81 Bảng 3. 7. So sánh hiệu quả hấp phụ giữa EBB cải tiến và vật liệu khác ................82
x Bảng 3. 8. Số lượng các band xuất hiện ở các công thức thí nghiệm khác nhau trên bản điện di DGGE .....................................................................................................85 Bảng 3. 9. Số lượng các band xuất hiện ở các mẫu A1-A5 trên bàn điện di DGGE và chỉ số đa dạng H’ và J’ của các mẫu. ...................................................................86 Bảng 3. 10. Số lượng mẫu xuất hiện các band tương ứng trên bản điện di DGGE ..87 Bảng 3. 11. So sánh hiệu quả xử lý của vật liệu EBB cải tiến với một số kết quả nghiên cứu khác. .....................................................................................................101 Bảng 3. 12. Vị trí lấy mẫu tại hồ Khương Thượng .................................................102 Bảng 3. 13. Kết quả thực nghiệm nước hồ Khương Thượng..................................103
xi DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Sơ đồ các quá trình chuyển hóa bằng vi sinh Yếm khí [16]. ...................18 Hình 1. 2. Cân bằng chất và năng lượng trong quá trình vi sinh yếm khí. [16] .......19 Hình 1. 3. Cân bằng vật chất cacbon (BOD5) trong sinh học hiếu khí ....................22 Hình 1. 4. Sơ đồ công nghệ bùn hoạt tính . ..............................................................24 Hình 1. 5. Sơ đồ quá trình loại bỏ COD và ni tơ bằng vi sinh: (a) anoxic trước; (b) anoxic sau; (c) 2 giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat độc lập; (d) quá trình Bardenpho. ...................................................................................................................................26 Hình 1. 6. Sơ đồ công nghệ bùn hoạt tính xử lí COD và TN. ...................................26 Hình 1. 7. EBB được ứng dụng trong xử lý nước sông Melaka [64]........................41 Hình 1. 8. Ứng dụng EBB trong nước thải CN [64] .................................................42 Hình 1. 9. Đặt EBB ở mương thoát nước [64] ..........................................................42 Hình 1. 10. Thương mại hóa EBB [64] .....................................................................43 Hình 2. 1. Sơ đồ nghiên cứu tổng thể của Luận án ...................................................47 Hình 2. 2. Sơ đồ thực nghiệm EBB cải tiến. .............................................................52 Hình 2. 3. Sơ đồ thực nghiệm sản xuất EBB cải tiến................................................55 Hình 2. 4. Cấy VSV vào EBB cải tiến ......................................................................55 Hình 2. 5. Ảnh hưởng pH đến VSV (a): đối với EBB cải tiến, (b) mẫu đối chứng ..58 Hình 2. 6. Hệ thực nghiệm đánh giá hoạt động của VSV trong vật liệu EBB cải tiến ...................................................................................................................................62 Hình 2. 7. Mô hình thí nghiệm EBB cải tiến. ...........................................................65 Hình 2. 8. Khu vực khảo sát và lấy mẫu nước hồ Khương Thượng .........................66 Hình 2. 9. Mô hình sử dụng EBB để xử lý nước rỉ rác .............................................67
xii Hình 3. 1. Hình ảnh soi kính hiển vi điện tử (SEM) của vật liệu tạo EBB cải tiến ..69 Hình 3. 2. Hình ảnh đo BET của vật liệu EBB cải tiến ............................................71 Hình 3. 3. Lượng nước phối trộn để tạo EBB cải tiến 100ml ...................................72 Hình 3. 4. Lượng nước trộn để tạo EBB cải tiến 120 ml ..........................................73 Hình 3. 5.. Lượng nước phối trộn để tạo EBB cải tiến 150 ml. ................................73 Hình 3. 6. EBB cải tiến trước và sau khi cấy VSV 10 ngày .....................................74 Hình 3. 7. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD ở pH 4÷5 ..........................76 Hình 3. 8. Kết quả thực nghiệm ở pH 7÷8 ................................................................77 Hình 3. 9. Kết quả thực nghiệm pH 9÷10 .................................................................77 Hình 3. 10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả loại bỏ Amoni; (Nồng độ NH4+ ban đầu 30 mg/L, lượng chất hấp phụ 150 g/L. Thời gian tiếp xúc 240 phút). ...............78 Hình 3. 11. Cân bằng hấp phụ Amoni của vật liệu EBB tại pH 6 ............................79 Hình 3. 12. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến hiệu quả loại bỏ Amoni, pH 6, thời gian tiếp xúc 240 phút. .......................................................................................80 Hình 3. 13. Đường biểu diễn động học biểu kiến bậc nhất. ......................................80 Hình 3. 14. Đường biểu diễn động học biểu kiến bậc hai. .......................................80 Hình 3. 15. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir NH4+ của vật liệu, pH 6. ......................81 Hình 3. 16. Hình ảnh kết quả tách chiết mẫu ADN tổng số .....................................84 Hình 3. 17. Kết quả chạy điện di DGGE của các mẫu A1, A2, A3, A4 và A5 ........84 Hình 3. 18. Cây phát sinh thể hiện mối liên quan của các loài VSV có trong 5 mẫu nghiên cứu A1, A2, A3, A4 và A5. ............................................................................90 Hình 3. 19. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 0,5 L/giờ .......................................93 Hình 3. 20. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 1 L/giờ ..........................................93 Hình 3. 21. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 2 L/giờ ..........................................94
xiii Hình 3. 22. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 3 L/giờ ..........................................95 Hình 3. 23. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 4 L/giờ ..........................................95 Hình 3. 24. Hiệu suất xử lý COD với lưu lượng 5 L/giờ ..........................................96 Hình 3. 25. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 0,5 L/giờ ....................................97 Hình 3. 26. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 1 L/giờ .......................................98 Hình 3. 27. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 1 L/giờ .......................................98 Hình 3. 28. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 3 L/giờ .......................................99 Hình 3. 29. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 4 L/giờ .......................................99 Hình 3. 30. Hiệu suất xử lý Amoni với lưu lượng 5 L/giờ .....................................100 Hình 3. 31. Các điểm lấy mẫu hồ Khương Thượng ................................................101 Hình 3. 32. Hiệu suất xử lý COD trong nước rỉ rác bằng vật liệu EBB cải tiến .....104 Hình 3. 33. Hiệu suất xử lý Amoni trong nước rỉ rác bằng vật liệu EBB cải tiến ..104 Hình 3. 34. Ảnh hưởng lưu lượng đến hiệu quả xử lý COD...................................105 Hình 3. 35. Ảnh hưởng của lưu lượng đến hiệu quả xử lý Amoni trong ................106
1 MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của luận án Việt Nam đang trong thời điểm then chốt của quá trình phát triển đô thị, với tổng số đô thị đạt mức 862 vào năm 2020, tăng 7,5% so với năm 2016. Tỷ lệ đô thị hóa toàn quốc tăng từ 36,7% vào năm 2016, lên 39,3% vào năm 2020, và dự kiến đạt 45% vào năm 2026 [1]. Đô thị hóa đồng nghĩa với tập trung dân cư và phát triển công nghiệp, góp phần tăng trưởng kinh tế. Bên cạnh những mặt tích cực, quá trình đô thị hóa ở Việt Nam cũng tạo ra nhiều thách thức và vấn đề cấp bách liên quan đến ô nhiễm môi trường. Môi trường nước mặt ở một số thành phố lớn bị ô nhiễm do các hoạt động đô thị hóa, công nghiệp hóa. Hệ thống thoát nước tại các đô thị chỉ đáp ứng được 60% nhu cầu thoát nước. Nhiều hệ thống thoát nước không đồng bộ với hệ thống xử lý nước thải tập trung, dẫn đến hiệu quả xử lý kém chất lượng [2]. Nước thải sinh hoạt được ước tính bằng khoảng 80% lượng nước được cấp cho sinh hoạt, thường chứa các tạp chất khác nhau, trong đó 52% là các hợp chất hữu cơ và 48% là các hợp chất vô cơ. Ngoài ra, trong nước thải sinh hoạt còn chứa nhiều loại sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng. Theo thống kê, hiện trên toàn quốc chỉ có khoảng 15% nước thải sinh hoạt đô thị được thu gom và xử lý tại 43 nhà máy xử lý nước thải tập trung với tổng công suất thiết kế đạt 926.000m3/ngày đêm, chủ yếu ở các đô thị lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Quảng Ninh… Phần còn lại chưa được thu gom, xử lý hiện đang được xả thải trực tiếp, gây ô nhiễm nghiêm trọng các thủy vực tiếp nhận. Các địa phương, đặc biệt là các đô thị lớn, đã và đang có nhiều nỗ lực để đầu tư mới và nâng cấp các hệ thống xử lý nước thải sẵn có, nhằm giảm thiểu các tác động tiêu cực tới môi trường. Quy hoạch thoát nước Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 ban hành kèm theo Quyết định số 725/QĐ-TTg ngày 10/5/2013 của Thủ tướng Chính phủ đặt mục tiêu tỷ lệ dân số được phục vụ thu gom và xử lý nước thải trong phạm vi quy hoạch đạt 90% đến năm 2030 và đạt 100% đến năm 2050. Đề án chống ngập và xử lý nước thải Thành phố Hồ Chí Minh cũng hướng tới việc thu gom và xử lý đạt chuẩn 80% tổng lượng nước thải sinh hoạt của thành phố vào năm 2025.
2 Các công nghệ xử lý nước thải khá đa dạng, tùy thuộc điều kiện cụ thể từng vùng, từng địa phương, công suất cần có của nhà máy/trạm XLNT tập trung. Việc quản lý, vận hành, bảo dưỡng hiệu quả các hạng mục công trình của các nhà máy, trạm XLNT đặt ra là một vấn đề lớn, đòi hỏi các chủ đầu tư và các bên liên quan phải nghiêm túc tuân thủ quy định, quy chế và hướng dẫn kỹ thuật, đảm bảo tính bền vững của hệ thống. Hiện nay, có nhiều công nghệ xử lý nước thải đã được đưa vào thực tế và đã cho nhiều kết quả tốt. Tuy nhiên, các công nghệ truyền thống thường đòi hỏi mặt bằng khá lớn, khó đáp ứng được với những thành phố lớn có mật độ dân cư đông. Việc nghiên cứu, ứng dụng các loại vật liệu thân thiện môi trường nhằm cải tiến và nâng cao hiệu suất xử lý, giảm chi phí đầu tư, chi phí vận hành và mặt bằng cho xây dựng hệ thống đã và đang được quan tâm thực hiện. Eco-Bio-Block (EBB) là vật liệu có xuất xứ từ Nhật Bản, được chế tạo từ các hạt đá xốp zeolit có trong nham thạch của núi lửa, chứa nhiều khoáng chất, và được gắn kết bằng xi măng để tạo thành các khối chất rắn phù hợp với địa hình lắp đặt. Cơ chế hoạt động XLNT của EBB được thực hiện thông qua vai trò của các VSV gắn trong khối với mật độ cao. EBB làm sạch nguồn nước một cách tự nhiên nhờ có diện tích bề mặt cao trên 100 m2/g. Trong khối EBB còn chứa các nhóm vi sinh vật hữu ích như Bacillus subtilis nato, có khả năng phân hủy mạnh các chất hữu cơ, nitrat hóa amoni và giảm mùi hôi trong nước một cách đáng kể. EBB là một khối sinh thái, làm sạch nguồn nước nhanh mà không gây hại cho thực vật và cá, sản phẩm này là sản phẩm độc quyền của M/s, công ty TNHH Koyoh, Nhật Bản, được cấp bằng sáng chế số 4065402 năm 2008. Hiện nay, EBB được sử dụng khá rộng rãi tại nhiều nước để XLNT nhằm làm tăng hiệu suất xử lý, đồng thời giảm thời gian lưu và mặt bằng cần thiết cho xây dựng hệ thống. Tuy nhiên, suất đầu tư của hệ thống XLNT sẽ bị tăng cao nếu sử dụng vật liệu EBB nhập khẩu. Việc cải tiến vật liệu EBB bằng các vật liệu nội địa và thử
3 nghiệm hiệu quả của vật liệu cải tiến trong XLNT sẽ là cơ sở khoa học khách quan cho việc đưa loại vật liệu này vào các hệ thống XLNT tại Việt Nam. Với cách tiếp cận như trên, luận án “Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và Amoni trong một số nguồn nước thải” tập trung nghiên cứu và chế tạo các khối EBB bằng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam như cát, kezamzit, zeolit, xi măng, than cacbon và chế phẩm vi sinh Sagi - Bio 2. Trên cơ sở vật liệu EBB cải tiến, luận án sẽ đánh giá hiệu quả xử lý một số loại hình nước thải bằng vật liệu này để hướng tới việc phát triển, ứng dụng thêm công nghệ mới, thân thiện với môi trường để XLNT, phù hợp với điều kiện phát triển kinh tế - xã hội ở Việt Nam. 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ➢ Đối tượng nghiên cứu: + Luận án tập trung xác định hàm lượng các vật liệu phối trộn với nhau để tạo thành vật liệu EBB cải tiến + Đánh giá hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ và amoni của vật liệu EBB cải tiến trên 1 số đối tượng nước thải sinh hoạt, nước hồ ô nhiễm, nước rỉ rác và nước thải bệnh viện. ➢ Phạm vi nghiên cứu: + Vật liệu EBB cải tiến được nghiên cứu và chế tạo tại phòng nghiên cứu của Viện Công nghệ môi trường. + Ứng dụng vật liệu EBB cải tiến để XLNT ngoài hiện trường tại hồ Khương Thượng, nước thải nhà máy chế biến rác Phương Đình, Đan Phượng, Hà Nội và nước thải bệnh viện E Hà Nội. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu Luận án “Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và Amoni trong một số nguồn nước thải” được thực hiện nhằm các mục tiêu chính sau: ➢ Nghiên cứu tạo ra sản phẩm với EBB cải tiến phù hợp với điều kiện Việt Nam nói chung và trên địa bàn Thành phố Hà nội nói riêng, nhằm mục đích giảm giá thành
4 vật liệu và nâng cao hiệu quả xử lý, cải thiện chất lượng nước thải; Làm chủ công nghệ với nguồn nguyên liệu sẵn có, an toàn và thân thiện với môi trường; Hướng tới giảm chi phí vận hành hệ thống XLNT thông qua giảm sử dụng năng lượng, giảm chi phí lắp đặt và vận hành. ➢ Góp phần giảm thiểu các chỉ tiêu COD và Amoni có trong nguồn nước thải. 1.4. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm EBB cải tiến ➢ Xác định tỉ lệ phối trộn nguyên liệu chế tạo EBB cải tiến để đánh giá khả năng kết dính của vật liệu. ➢ Xác định độ rỗng, thể tích rỗng, diện tích bề mặt vật liệu EBB cải tiến đã chế tạo. Nội dung 2: Đánh giá các đặc trưng của EBB cải tiến đã chế tạo ➢ Nghiên cứu cấy VSV và đánh giá hoạt động của VSV trong vật liệu EBB cải tiến. ➢ Đánh giá hiệu suất xử lý COD và Amoni của vật liệu EBB cải tiến trong phòng thí nghiệm Nội dung 3: Ứng dụng vật liệu EBB cải tiến đã chế tạo trong xử lý một số loại hình nước thải ➢ Xử lý nước Hồ ➢ Xử lý nước rỉ rác ➢ Xử lý nước thải bệnh viện 1.5. Phương pháp nghiên cứu ➢ Phương pháp phân tích: COD và Amoni ➢ Phương pháp chế tạo vật liệu EBB cải tiến - Phương pháp xác định độ rỗng của vật liệu ➢ Phương pháp đánh giá đặc trưng của vật liệu EBB cải tiến. - Phương pháp xác định hiệu quả hấp phụ Amoni của vật liệu EBB cải tiến - Phương pháp xác định hiệu quả hoạt động VSV trong EBB cải tiến bằng kỹ thuật sinh học phân tử - Phương pháp đánh giá hiệu suất xử lý COD và Amoni của vật liệu EBB cải tiến trong phòng thí nghiệm
5 ➢ Phương pháp đánh giá ứng dụng của vật liệu EBB cải tiến - Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý nước hồ - Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác - Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bệnh viện 1.6. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án EBB cải tiến là một sản phẩm được sản xuất bằng nguyên liệu hoàn toàn sẵn có trong nước, kỹ thuật sử dụng đơn giản và giá thành có tính cạnh tranh rất cao. Tính sáng tạo của luận án là dựa trên sự kết hợp giữa vật liệu sử dụng trong lĩnh vực xây dựng và các chủng VSV và được phối trộn với nhau ở các tỷ lệ, thành phần và mức độ để tạo ra một sản phẩm EBB cải tiến có tính năng tương tự nhập ngoại. Hơn nữa, đặc tính của EBB cải tiến còn thể hiện một số tính ưu việt như nhẹ, chịu nén tốt và rất bền với điều kiện khí hậu Việt Nam. Với ưu thế có khả năng hoàn toàn làm chủ công nghệ với nguồn nguyên liệu sẵn có, sản phẩm EBB cải tiến được đánh giá là rất có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải tại Việt Nam. Khi sản phẩm EBB cải tiến được đưa vào áp dụng trong thực tiễn sẽ góp phần vào việc cải thiện môi trường nước với đặc thù xử lý cho nhiều kênh, lạch, sông nhỏ, ao hồ và các hệ thống xử lý nước thải tại Việt Nam.