Luận án Tiến sĩ Môi trường: Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội IC (internal circulation)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án này tập trung mô phỏng quá trình tuần hoàn nội (khí kéo nước) để xác định: Lượng nước (QN) được kéo lên bởi mỗi lượng khí (QK); và khả năng khuấy trộn của khí sinh ra và nước tuần hoàn. Từ đó, tính toán cơ cấu tuần hoàn trong hệ IC. Trong luận án cũng trình bày kết quả thử nghiệm chế tạo 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Môi trường: Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội IC (internal circulation)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRẦN MẠNH HẢI NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ CAO TẢI TUẦN HOÀN NỘI- IC (INTERNAL CIRCULATION) LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRẦN MẠNH HẢI NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ CAO TẢI TUẦN HOÀN NỘI- IC (INTERNAL CIRCULATION) 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. Cao Thế Hà 2. PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu Hà Nội, 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội IC (Internal Circulation)” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS. Cao Thế Hà và PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu. 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 15 tháng 6 năm 2019 Nghiên cứu sinh Trần Mạnh Hải
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Cao Thế Hà (Trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững CETASD- Trường Đại học Khoa học tự nhiên) và PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu (Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tận tình hướng dẫn vàđịnh hướng cho tôi những hướng nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm 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 Ứng dụng và chuyển giao công nghệ - IET đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng Công nghệ môi trường (Trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững) đã hỗ trợ và cùng với tôi thực hiện các nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phạm Hồng Hải và TS. Hoàng Văn Hàđã hỗ trợ trong việc xử lý số liệu thực nghiệm. Nghiên cứu sinh Trần Mạnh Hải
iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................x MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của luận án ...................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................2 4. Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án ...........................................3 5. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án ...........................................3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................4 1.1. Các quá trình vi sinh yếm khí ..........................................................................4 1.2. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt ...........................................6 1.3. Các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm bùn vi sinh và vi sinh dạng hạt ..........................................................................................................................11 1.3.1. Hệ yếm khí tiếp xúc AC và Bồn/bể lọc yếm khí AF ..............................12 1.3.2. Bồn/bể phản ứng kiểu UASB .................................................................12 1.3.3. Bồn phản ứng kiểu FB ............................................................................15 1.3.4. Bồn/bể phản ứng kiểu EGSB .................................................................16 1.4. Kỹ thuật tuần hoàn nội IC ..............................................................................18 1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .............................................................18 1.4.2. Thiết bị phản ứng khí nâng – ALR .........................................................23 1.4.3. Thông số thiết kế hệ IC ..........................................................................29 1.4.4. Những vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu thiết kế hệ IC ..................31 1.5. Công nghệ xử lý yếm khí cao tải ở Việt Nam ...............................................33 1.6. Chất lượng nước thải chăn nuôi lợn ..............................................................34 Kết luận chương 1 .................................................................................................41 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....42 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................42
iv 2.2. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................42 2.2.1. Thực nghiệm xác định đại lượng K (K = QN/QK) ..................................43 2.2.2. Thiết lập phương trình biểu diễn liên hệ giữa các thông số thiết kế hệ airlift vàcác thông số vận hành-lưu lượng nước và tỷ lệ khí/nước. .................45 2.2.3. Phương pháp tìm mô hình thực nghiệm thống kê. .................................46 2.2.4. Thực nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi lợn. .........................................48 2.2.5. Phương pháp đánh giá tiềm năng tạo biogas ..........................................54 2.2.6. Tính công suất và cường độ khuấy trộn trong vùng phản ứng từ lượng biogas phát sinh ................................................................................................57 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................61 3.1. Xác định K bằng thực nghiệm (KTN) .............................................................61 3.1.1. Các điều kiện thí nghiệm: .......................................................................61 3.1.2. Kết quả thí nghiệm .................................................................................61 3.2. Phương trình biểu diễn liên hệ giữa các thông số thiết kế hệ airlift và các thông số vận hành-lưu lượng nước và tỷ lệ khí/nước ...........................................65 3.2.1. Đánh giá sự phù hợp của phương trình với kết quả thực nghiệm ..........66 3.2.2. Đánh giá sự thay đổi của K khi tăng tiết diện ống lên ...........................68 3.2.3. Đánh giá sự thay đổi của K theo độ nhớt và khối lượng riêng ...............69 3.2.4. Lựa chọn mô hình biểu diễn ...................................................................74 3.2.5. Mô hình thực nghiệm thống kê ..............................................................78 3.3. Kết quả vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn ....................................81 3.3.1. Hệ IC thí nghiệm ....................................................................................81 3.3.2. Mối quan hệ giữa năng suất và hiệu suất xử lý với tải lượng. ...............87 3.3.3. Kết quả thử nghiệm tách rắn lỏng ..........................................................92 3.3.4. Kết quả đo lượng biogas và metan .........................................................96 3.4. Tính toán khả năng khuấy trộn do khí biogas sinh ra ....................................98 3.5. Tính thông số công nghệ hệ IC ....................................................................103 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ......................................................................................107 Kết luận ...............................................................................................................107 Kiến nghị .............................................................................................................108 Danh mục các công trình đã công bố ......................................................................109
v Tài liệu tham khảo ...................................................................................................110 PHỤ LỤC 1 .............................................................................................................120 PHỤ LỤC 2 .............................................................................................................130 PHỤ LỤC 3 .............................................................................................................132
vi DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí ..............5 nh 1. 2. Sơ đồ hệ xử lý UASB ...............................................................................14 Hì Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý hệ EGSB .......................................................................17 nh 1. 4. Sơ đồ nguyên lý hệ IC ..............................................................................19 Hì nh 1. 5. Sơ đồ ALR với ống lên đồng trục ............................................................24 Hì Hình 1. 6. Thiết diện để nước chảy vào ống lên .......................................................28 Hình 1. 7. Tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian ....................30 Hình 2. 1. Sơ đồ hệ thí nghiệm xác định K ...............................................................43 Hình 2. 2. Sơ đồ hệ IC thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi ..................................48 Hình 2. 3. Sơ đồ hệ thí nghiệm tách rắn-lỏng ...........................................................52 Hình 2. 4. Sơ đồ hệ thu và đo khí biogas ..................................................................56 Hình 2. 5. Các thành phần khuấy trộn trong hệ IC ...................................................59 Hình 3. 1. Sự thay đổi của K khi vk tăng (tại H1 = 285 vàH2 = 50 cm) ...................62 Hình 3. 2. Sự thay đổi của K khi H1/H2 tăng (tại vk = 582 m/h; H1 = 285 cm) ........62 Hình 3. 3. Xu hướng sự thay đổi giá trị của QN khi vận tốc khí vk tăng (tại H1 = 285 vàH2 = 50 m) ............................................................................................................63 Hình 3. 4. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi mức ngập nước H1 thay đổi (H2 = 50 cm; v khí= 582 m/h) ..................................................................................63 Hình 3. 5. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi chiều cao xả nước H2 thay đổi (H1 = 185 cm; v khí= 582 m/h) ..........................................................................64 nh 3. 6. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN (tại H1 = 285 và185 cm) ......64 Hì Hình 3. 7. Sự thay đổi giá trị của K ở các độ nhớt khác nhau ..................................71 Hình 3. 8. Độ giảm giá trị của K ở các giá trị độ nhớt khác nhau ............................71 Hình 3. 9. Sự thay đổi giá trị của K khi tăng khối lượng riêng.................................73 Hình 3. 10. Mức giảm của K khi khối lượng riêng dung dịch tăng ..........................74 Hình 3. 11. Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 50 cm) ............75 Hình 3. 12. Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 10 cm) ............76
vii Hình 3. 13. Xu hướng của Ktn vàKMH ......................................................................81 Hình 3. 14. Một số cơ cấu tách 3 pha phổ biến .........................................................82 Hình 3. 15. Mô hình hệ IC và bộ tách pha ................................................................83 nh 3. 16. OLRvào, OLRra và hiệu suất xử lý ..........................................................88 Hì Hình 3. 17. Mối quan hệ giữa năng suất với tải lượng COD đầu vào ......................91 Hình 3. 18. Mối quan hệ giữa Hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào .............91 Hình 3. 19. Hiệu quả tách rắn - lỏng sử dụng polyme C525 ...................................93 Hình 3. 20. Thử nghiệm tạo bông với các loại polime khác nhau ............................93 Hình 3. 21. Diễn biến OLRlọc vào-ra và hiệu suất xử lý ...........................................95 Hình 3. 22. Diễn biến OLRtổng vào-ra và hiệu suất xử lý ..........................................96 Hình 3. 23. Lượng khí biogas và metan sinh ra theo thực nghiệm và theo lý thuyết ...................................................................................................................................97
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Đặc trưng của bùn hạt tốt.........................................................................11 Bảng 1. 2. Hiệu quả xử lý của kỹ thuật IC và UASB ...............................................29 Bảng 1. 3. Các thông số thiết kế các hệ XLYK .......................................................29 Bảng 1. 4. Một số thông số kỹ thuật của hệ tuần hoàn nội .......................................30 Bảng 1. 5. Đặc tính chất thải chăn nuôi lợn từ bể chứa dưới sàn .............................34 Bảng 1. 6. Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn............................................35 Bảng 1. 7. Thống kê chất thải chăn nuôi lợn ở Singapo. ..........................................37 Bảng 1. 8. Chất lượng NTCNL tại hố thu gom ở Singapo, Trung Quốc và Ý .........38 Bảng 1. 9. Chất lượng NTCNL từ bể điều hòa (sau tách SS) ...................................39 Bảng 1. 10. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung ......40 Bảng 1. 11. Tổng hợp chất lượng NTCNL tại trang trại. ..........................................40 Bảng 2. 1. Các nội dung thực nghiệm và tính toán ...................................................42 Bảng 2. 2. Thành phần nước thải các chuồng ở trại Hòa bình xanh .........................50 Bảng 3. 1. Sai số của các phương pháp xác định COD ............................................67 Bảng 3. 2. Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 4,45 cm2 ......................................68 Bảng 3. 3. Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 15,76 cm2 ....................................68 Bảng 3. 4. Giá trị của K và mức giảm (%) ở các độ nhớt khác nhau tại H1=285 cm vàH2 = 50 cm. ...........................................................................................................70 Bảng 3. 5. Giá trị của K và mức giảm K (%) khi khối lượng riêng của dung dịch () tăng ............................................................................................................................73 Bảng 3. 6. Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và H2=50). ......................................................................................................................77 Bảng 3. 7. Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và H2=10). ......................................................................................................................77 Bảng 3. 8. Giá trị các hệ số b0,bj, bu,j vàbjj ...............................................................79 Bảng 3. 9. Thông số hệ IC thí nghiệm ......................................................................81 Bảng 3. 10. Tổng hợp chế độ thí nghiệm ..................................................................84 Bảng 3. 11. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn ra khỏi bình phản ứng ....................................................................................................................84
ix Bảng 3. 12. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 500 mg/L .....................................85 Bảng 3. 13. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 1000 mg/L ...................................86 Bảng 3. 14. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 2500 mg/L ...................................87 Bảng 3. 15. Kết quả tách TSS bằng bộ lọc thô .........................................................94 Bảng 3. 16. Cường độ và công suất khuấy trộn do khí biogas sinh ra ......................98 Bảng 3. 17. Thông số công nghệ của hệ IC ở các năng suất xử lý khác nhau ........104 Bảng 3. 18. Giá trị của Ktn=QN/QK, Ktính theo phương trình 3.10 và sai số (%). ....121 Bảng 3. 19. Mối liên hệ giữa độ nhớt của dung dịch đường và nước tại 200C .......131 Bảng 3. 20. Kết quả tính KMH và mức sai số so với Ktn. .........................................137
x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ABR Anaerobic Baffled Reactor Bồn xử lý chảy ngược qua nhiều ngăn yếm khí AC Anaerobic Contac Yếm khí tiếp xúc AF Anaerobic Filter Lọc yếm khí ALR Airlift Reactor Thiết bị phản ứng khí nâng BAS Biofilm Airlift Suspension Màng vi sinh khí nâng lơ lửng BFB Biofilm Fluidized Bed Màng vi sinh tầng sôi CNL Chăn nuôi lợn CSTR Continuous Stirred-Tank Bồn phản ứng khuấy trộn liên tục Reactor đktc Điều kiện tiêu chuẩn ECP Extra-cellular Polymer Polyme ngoại bào EGSB Expanded Granular Sludge Kỹ thuật tầng bùn hạt giãn nở Bed FB Fluidized Bed Tầng lưu thể HSXL Hiệu suất xử lý GLSS Gas-Liquid-Solid Separator Bộ tách pha R/L/K HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu thủy lực (giờ hoặc ngày) IC Internal Circulation Tuần hoàn nội OLR Organic Loading Rate Tải lượng hữu cơ (kgCOD/m3.ngày)
xi NSXL Năng suất xử lý NTCNL Nước thải chăn nuôi lợn NTSH Nước thải sinh hoạt SMA Specific Methanogenic Hoạt tính tạo metan riêng Activity SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng SRT Solids Retention Time Thời gian lưu bùn TS Total Solid Tổng chất rắn (kg/m3; mg hoặc g/L) TSS Total Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng (kg/m3; mg hoặc g/L) UASB Upflow Anaerobic Sludge Dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí Blanket USB Upflow Sludge Bed Tầng bùn dòng chảy ngược VSS Volatile Suspended Solids Chất rắn lơ lửng cháy được (kg/m3; mg hoặc g/L) VSYK Vi sinh yếm khí XLYK Xử lý yếm khí YK Yếm khí
1 MỞ ĐẦU 1. 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. 2. 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. 3. 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. 4. 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). (ii) Phương trình kinh nghiệm để 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). (iii) Từ việc định lượng khả năng khuấy trộn trong hệ xử lý bằng khí nội sinh (ở đây là khí biogas) và dòng tuần hoàn nội thông qua công suất P (W/m3) vàgradient tốc độ G (s-1) đã xác định các thông số thiết kế hệ IC (chiều cao thiết bị, tải lượng, tốc độ dâng). 5. 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 1.1. 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 [8]. Theo 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]. Hình 1. 1. 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.𝑆 𝑟𝑠𝑢 = 𝑋 (1.1) 𝐾𝑆 +𝑆 Trong đó: rsu = tốc độ tiêu thụ cơ chất (chất ô nhiễm), g/m 3 /ngày k = tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa, g cơ chất/g VSS/ngày X = nồng độ sinh khối (vi khuẩn), g VSS/m 3 S = nồng độ cơ chất (quyết định tốc độ), g/m3 Ks = hằng số bán bão hòa = nồng độ cơ chất mà ở đó tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng bằng 50% tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa, g/m3 Theo phương trình (1.1), tốc độ phản ứng (xử lý) tỷ lệ thuận với tốc độ riêng tối đa k (trong quá trình XLYK là hoạt tính tạo metan riêng - SMA (Specific Methanogenic Activity)) và nồng độ vi sinh X trong hệ phản ứng. SMA đặc trưng cho tổ hợp vi khuẩn yếm khí xúc tác cho hệ phản ứng, đây là đại lượng rất đặc thù và phụ thuộc vào nhiều yếu tố [10]: nhiệt độ; khả năng sinh hủy của chất bẩn; sự có mặt của chất độc hay chất ức chế; nồng độ và phần VSS trong nước vào; mức độ axit hóa trước của nước thải. Như vậy tốc độ phản ứng sẽ tỷ lệ thuận với mật độ vi sinh X, nghĩa là muốn giảm thể tích thiết bị phải tăng X. Tuy nhiên, khi đã tăng X cần những hệ phản ứng cho phép làm việc ở X lớn mà không ảnh hưởng đến quá trình vận hành (bùn bông lắng cũng chỉ có mật độ 6-8 g/L). Vì vậy, các kỹ thuật phản ứng mới muốn có năng suất xử lý cao phải đồng thời giải quyết được các yêu cầu: tăng X nhưng không thất thoát mất vi sinh và tiếp xúc vi sinh/nước thải tốt (khuấy trộn). Các thiết bị phản ứng “cao tải” (high - rate) thế hệ mới (AC, AF, UASB, FB, EGSB, IC, . . .) trì nh bày ở sau giải quyết được các vấn đề này. 1.2. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt Đột phá trong công nghệ XLYK đối với nước thải giàu hữu cơ là phát minh của nhóm G. Lettinga [13]. Theo ý tưởng của tác giả, khả năng lưu giữ bùn hoạt tính trong bồn phản ứng được đảm bảo nhờ sự hình thành lớp bùn bông mật độ cao dày vài mét và nhất là bùn dạng hạt có tốc độ lắng rất cao kết hợp với việc áp dụng cơ cấu tách ba pha K/L/R có dạng hình nón ở phần trên của lớp nước. Theo G. Lettinga [14], ý tưởng về UASB được kế thừa và phát triển khi nghiên cứu hệ lọc
7 yếm khí với tải lượng trên 10 kg COD/m3/ngày. Trong quá trình nghiên cứu các tác giả đã ghi nhận sự xuất hiện của bùn hoạt tính cóhoạt tính cao và lắng rất tốt. Điều này đã dẫn tới cách tiếp cận về một kỹ thuật XLYK mới mà bây giờ gọi là UASB. Năm 1971-1972 các pilot quy mô6 và30 m3 lần lượt được thử nghiệm, kết quả thu được đã chứng minh tính khả thi của UASB. Năm 1976 hệ UASB đầu tiên quy mô 200 m3 được đưa vào vận hành ở nhà máy đường, một năm sau hệ UASB quy mô 1000 m3 được xây dựng và ngay sau đó là nhà máy thứ hai ở Breda – Hà Lan. Thành công của UASB kéo theo hàng loạt những nghiên cứu về vi sinh dạng hạt. Sự hình thành vi sinh dạng hạt Trong công nghệ XLYK nước thải, nhất là nước thải giàu hữu cơ, khi các tế bào tự tập hợp lại để tạo thành các hạt bùn bền, có hoạt tính cao và có khả năng lắng rất nhanh đã trở thành đối tượng nghiên cứu hàng đầu [15]. Hạt bùn vi sinh yếm khí là tập hợp vi sinh có mật độ cao được hình thành trong mối quan hệ tương hỗ với môi trường xung quanh (đặc trưng nước thải, đặc trưng thủy động của dòng chảy). Sự phân hủy các thành phần ô nhiễm trong nước thải được thực hiện nhờ những lớp vi sinh chức năng tương ứng có mặt trong hạt bùn. Trên cơ sở các quan hệ tương hỗ này Fitzpatrick vàcs. (1989) [16] cho rằng sự hình thành bùn dạng hạt là bản năng của vi sinh, nó có thể là do (1) sự tập hợp các tế bào (tạo hạt bùn) để hình thành các quần thể vi sinh không đồng nhất dưới dạng tập hợp đa tế bào ở điều kiện sinh lý thuận lợi, điều này dẫn tới (2) tương tác tương hỗ giữa các vi sinh vật lân cận tạo thuận lợi cho trao đổi các yếu tố di truyền, (3) sự tạo hạt có thể bảo vệ các vi sinh khỏi các nguyên sinh động vật ăn vi khuẩn yếm khí, (4) trong thể tích hạt quãng đường khuếch tán của các sản phẩm lên men trung gian tới các vi khuẩn chuyển hóa tiếp theo được rút ngắn. Điều này làm giảm năng lượng tiêu tốn cho quá trình vận chuyển chất, tăng hiệu quả chuyển hóa, và (5) ở điều kiện không tốt cho sự sinh trưởng của vi sinh (ví dụ, pH vượt ngưỡng, có mặt chất độc v.v…), môi trường cục bộ trong hạt vi sinh sẽ ít bị ảnh hưởng hơn, vì vậy sự chuyển hóa ít bị ảnh hưởng. Các lý thuyết/quan điểm về sự hình thành bùn vi sinh yếm khí dạng hạt liên quan đến hoạt động của các hệ XLYK cao tải, một số quan điểm về sự tạo hạt bùn được tóm tắt dưới đây.