VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br />
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ<br />
<br />
……..….***…………<br />
<br />
PHẠM THỊ HỒNG ĐỨC<br />
<br />
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA<br />
TRONG MÔI TRƯỜNG BỊ ỨC CHẾ THEO KỸ THUẬT<br />
MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG<br />
Chuyên ngành: Hóa lý và Hóa lý thuyết<br />
Mã số : 62440119<br />
<br />
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC<br />
<br />
Hà nội – 2016<br />
<br />
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br />
<br />
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Lê Văn Cát<br />
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Jean-Luc VASEL<br />
<br />
Phản biện 1: TS. Lê Văn Chiều<br />
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Việt Anh<br />
Phản biện 3: GS.TS. Đặng Thị Kim Chi<br />
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa<br />
học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ<br />
..’, ngày … tháng … năm 2016.<br />
Có thể tìm hiểu luận án tại:<br />
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ<br />
- Thư viện Quốc gia Việt Nam<br />
<br />
MỞ ĐẦU<br />
1. Đặt vấn đề.<br />
Xử lý và tái sử dụng nước nuôi giống thủy sản là phương thức sản xuất đang<br />
được áp dụng ngày càng trở nên phổ biến để ngành kinh tế phát triển bền vững. Thành<br />
phần gây ô nhiễm trong môi trường nuôi và loài nuôi chủ yếu là hợp chất nitơ, có<br />
nguồn gốc từ nguồn thức ăn và hoạt động của chúng.<br />
Nitrat hóa là quá trình xử lý vi sinh quan trọng nhất trong hệ thống xử lý và tái<br />
sử dụng nước thải. So với xử lý các loại hình nước thải khác, nitrat hóa nước thải trên<br />
luôn phải đối mặt với những yếu tố không thuận lợi: vi sinh vật chức năng có sức hoạt<br />
động thấp, điều kiện môi trường hoạt động của vi sinh bị ức chế, mức độ làm sạch đòi<br />
hỏi rất sâu để đảm bảo an toàn cho loài nuôi.<br />
Nghiên cứu động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế chính là thiết<br />
lập mối tương quan giữa nồng độ amoni theo thời gian phụ thuộc vào các điều kiện ức<br />
chế đó, hay chính là xác định sự ảnh hưởng của độ muối, nồng độ amoni đầu vào, sự<br />
có mặt chất hữu cơ hay nhiệt độ … lên tốc độ phản ứng. Các nghiên cứu trước đây<br />
thường gán cho phản ứng theo bậc 1 (vùng nồng độ thấp) và bậc 0 (vùng nồng độ cao)<br />
gặp phải một số hạn chế không đánh giá được chi tiết khả năng cung cấp cơ chất (bậc<br />
phản ứng) khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động. Một kỹ thuật có ưu<br />
điểm hơn hẳn các kỹ thuật đang áp dụng như lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học hay lọc<br />
tầng tĩnh… Ngoài những yếu tố mang đặc trưng “kỹ thuật” trên, các yếu tố đặc thù<br />
liên quan như quy mô sản xuất, thời vụ, sự phong phú của loài nuôi cũng tác động đến<br />
hiệu quả của công nghệ xử lý.<br />
Với mục đích đóng góp vào việc thiết lập công nghệ tái sử dụng nước thải nuôi<br />
giống thủy sản có hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam, đề tài:<br />
“Nghiên cứu động học quá trình nitrat hoá trong môi trường bị ức chế theo kỹ<br />
thuật màng vi sinh chuyển động” tập trung nghiên cứu các nội dung chính:<br />
Quá trình động học nitrat hóa trong môi trường bị ức chế.<br />
Vai trò của các quá trình chuyển khối và tác động của chúng đến hiệu quả nitrat<br />
hóa khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh di động và sử dụng vật liệu mang vi sinh<br />
có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn.<br />
Nghiên cứu mô hình hóa, mô phỏng quá trình xử lý nước thải nhằm đáp ứng<br />
tính đa dạng của đối tượng nghiên cứu và giảm nhẹ công sức nghiên cứu thực<br />
nghiệm.<br />
Tiến hành thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá kết quả thu được từ thí nghiệm.<br />
2. Mục tiêu nghiên cứu.<br />
Góp phần thiết lập kỹ thuật xử lý có hiệu quả cao, cho nguồn nước thải nuôi<br />
trồng thủy sản có nồng độ ô nhiễm amoni thấp, đòi hỏi xử lý sâu trong môi<br />
trường nước mặn.<br />
Xây dựng mô hình động học có khả năng mô tả sát quá trình nitrat hoá trong<br />
điều kiện bị ức chế (nồng độ amoni thấp, môi trường nước mặn, có mặt chất<br />
hữu cơ,…).<br />
Sử dụng công cụ mô hình hóa để tiên đoán hiệu quả của quá trình xử lý nước<br />
thải nuôi giống thủy sản, và trợ giúp khâu vận hành.<br />
3. Đối tượng nghiên cứu.<br />
<br />
Xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải nuôi giống thủy sản.<br />
Động học quá trình nitrat hóa trong môi trường bị ức chế (độ mặn cao, nồng độ<br />
amoni thấp).<br />
Chất mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động.<br />
Các quá trình chuyển khối liên quan đến kỹ thuật màng vi sinh di động.<br />
4. Nội dung nghiên cứu của luận án:<br />
Thu thập, hệ thống hóa các thông tin, khảo sát, đánh giá hiện trạng ứng dụng<br />
công nghệ lọc sinh học tuần hoàn (dạng tầng tĩnh và dạng tầng chuyển động).<br />
Nghiên cứu hệ thí nghiệm phù hợp cho kỹ thuật màng vi sinh di động sử dụng<br />
giá thể mang vi sinh có đặc trưng các tính chất (diện tích bề mặt lớn, xốp,<br />
nhẹ…).<br />
Nghiên cứu thủy động lực học và quá trình chuyển khối của oxy trong kỹ thuật<br />
màng vi sinh di động.<br />
Nghiên cứu quá trình nitrat hóa dưới ảnh hưởng của các yếu tố: độ mặn, nồng<br />
độ cơ chất thấp, mật độ chất mang, kích thước chất mang, chất hữu cơ, nhiệt<br />
độ....<br />
Mô hình hóa quá trình nitrat hóa theo kỹ thuật màng vi sinh di động bằng cách<br />
phát triển hai mô hình bùn hoạt tính ASM1 và ASM3 thành ASM1_MBBR,<br />
ASM3_MBBR.<br />
Đánh giá hiệu quả xử lý amoni đối với nước nuôi giống thủy sản, hiệu chỉnh bộ<br />
thông số của mô hình bằng cách so sánh kết quả giữa chạy mô hình và kết quả<br />
chạy pilot.<br />
5. Phương pháp nghiên cứu:<br />
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.<br />
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.<br />
Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng.<br />
6. Những đóng góp mới của luận án:<br />
Đóng góp một số kết quả để phát triển kỹ thuật màng vi sinh di động.<br />
Đã nghiên cứu, xác định và đặc trưng loại vật liệu mang xốp polyuretan có<br />
nhiều ưu điểm trong công nghệ xử lý nước thải.<br />
Đóng góp vào vấn đề động học quá trình nitrat hóa trong điều kiện ức chế.<br />
Đã nghiên cứu xử lý số liệu theo nhiều phương pháp khác nhau.<br />
Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên động học quá trình nitrat hóa. Đặc biệt<br />
đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đó lên hằng số tốc độ phản ứng (k) và bậc<br />
phản ứng (n) – hằng số mà theo các công trình nghiên cứu trước đây vẫn gán<br />
cho các giá trị bậc 0 (vùng nồng độ cao), bậc 1 (vùng nồng độ thấp).<br />
Đã mô hình hóa quá trình nitrat hóa bằng cách phát triển mô hình bùn hoạt tính<br />
cho mô hình màng vi sinh di động trong điều kiện bị ức chế bởi độ muối, một<br />
mô hình khá mới mẻ trên thế giới, và hoàn toàn mới tại Việt Nam<br />
(ASM1_MBBR; ASM3_MBBR).<br />
7. Giá trị thực tiễn:<br />
Kết quả đạt được có thể ứng dụng công nghệ màng vi sinh di động để xử lý<br />
không chỉ nước thải nuôi trồng thủy sản mà nhiều loại hình nước thải khác.<br />
Những kết quả đạt được có thể sử dụng cho việc xử lý để tái sử dụng nước nuôi<br />
thuỷ sản, góp phần sản xuất bền vững.<br />
<br />
Chủ động kiểm soát quá trình sản xuất giống thủy sản.<br />
8. Bố cục của luận án:<br />
Bố cục luận án gồm: phần mở đầu, ba chương nội dung và phần kết luận. Luận<br />
án được trình bày trong 135 trang A4 với 60 hình và 25 bảng cộng với phần phụ lục,<br />
tham khảo 118 tài liệu trong nước và quốc tế. Luận án được cấu tạo gồm 14 trang<br />
danh mục các chữ viết tắt, bảng biểu, hình ảnh và mục lục; 2 trang mở đầu, 43 trang<br />
tổng quan, 17 trang thực nghiệm, 59 trang kết quả và thảo luận và 6 trang kết luận.<br />
<br />
NỘI DUNG LUẬN ÁN<br />
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN<br />
Phần tổng quan trình bày :<br />
Đặc trưng ô nhiễm nguồn nước thải trong nuôi giống thủy sản, xử lý và tái sử<br />
dụng trong hệ nuôi khép kín. Môi trường nuôi giống thường là nước lợ và mặn<br />
(10 – 30%°) bị ô nhiễm bởi các thành phần amoni, nitrit, nitrat, thành phần hữu<br />
cơ, hình thành từ nguồn thức ăn và chất bài tiết từ vật nuôi cùng với một số loại<br />
hóa chất (kháng sinh, hormon) sử dụng trong quá trình nuôi. Xử lý nước thải và<br />
tái sử dụng theo phương thức nuôi khép kín mang lại lợi ích về bảo vệ môi<br />
trường và cả kinh tế cho sản xuất bền vững.<br />
Màng vi sinh và chất mang vi sinh: Màng vi sinh có một độ dày nhất định, từ<br />
vài chục µm tới vài mm, phụ thuộc vào mật độ sinh khối: tỷ lệ thuận với mật<br />
độ sinh khối và tỷ lệ nghịch với diện tích bên trong của vật liệu mang. Chất<br />
mang sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh di động gồm có hai loại (xốp và<br />
không xốp), một trong những sản phẩm được sử dụng khá rộng rãi hiện nay là<br />
vật liệu Kaldnes, Biochip và polyuretan.<br />
Chuyển khối trong hệ sử dụng màng vi sinh gồm hai phần thủy động lực<br />
(chuyển khối ngoài) và khuếch tán trong màng vi sinh. Chuyển khối trong hệ<br />
thống xử lý nước thải đóng vai trò cung cấp “thức ăn” cho vi sinh vật trong lớp<br />
màng. Quá trình chuyển khối bao gồm: chuyển khối đối lưu trong nước,<br />
khuếch tán trong màng thủy lực và khuếch tán trong màng vi sinh. Khuếch tán<br />
trong màng vi sinh thường là giai đoạn có tốc độ chậm nhất và phụ thuộc vào<br />
đặc trưng của chất mang, kỹ thuật xử lý và chế độ vận hành.<br />
Nghiên cứu lý thuyết về quá trình nitrat hóa: Quá trình oxy hóa amoni với oxy<br />
là tác nhân oxy hóa thành nitrat được gọi là nitrat hóa, xảy ra trong tế bào của<br />
vi sinh vật do hai chủng vi sinh vật là Nitrosomonas và Nitrobacter. Tốc độ<br />
phát triển của vi sinh vật tự dưỡng tuân theo qui luật động học Monod đối với<br />
từng yếu tố ảnh hưởng hay đối với từng loại cơ chất cần thiết cho vi sinh vật.<br />
Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa gồm: nhiệt<br />
độ, pH, nồng độ oxy, nồng độ cơ chất, nồng độ chất hữu cơ (chất ức chế).<br />
Mô hình hóa và mô phỏng: Mô hình ASM1_MBBR và ASM3_MBBR bao<br />
gồm hai phần mô hình riêng biệt - cho thành phần vi sinh tồn tại ở dạng huyền<br />
phù (bùn hoạt tính) và cho vi sinh bám dính trong chất mang. Các phương trình<br />
cơ bản trong mô hình ASM được giữ lại và phát triển cho trường hợp màng vi<br />
sinh thành mô hình các quá trình xảy ra trong màng vi sinh hoàn toàn tương tự<br />
các quá trình xảy ra ở dung dịch huyền phù, chỉ khác nồng độ cơ chất khác<br />
(xảy ra quá trình chuyển khối), và mật độ vi sinh khác mật độ vi sinh trong<br />
<br />