Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của màng vi sinh trong hệ MBBR yếm khí đến hiệu quả sinh khí metan

Bài viết đánh giá ảnh hưởng của màng vi sinh trong hệ MBBR yếm khí đến hiệu quả sinh khí metan, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải.

• Tác giả: Nguyễn Thị Nga
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Đánh giá ảnh hưởng của màng vi sinh trong hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động (MBBR) yếm khí đến hiệu quả sinh khí metan
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ NƯỚC THẢI HÌNH THÀNH KHÍ METAN
• 1.1. Ô nhiễm thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải
• 1.2. Quá trình phân hủy yếm khí nước thải giàu hữu cơ
• 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ PHẢN ỨNG MÀNG VI SINH CHUYỂN ĐỘNG (MBBR) VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH MÀNG SINH HỌC
• 2.1. Hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động (MBBR) và màng sinh học
• 2.2. Quá trình hình thành và vai trò của màng sinh học trong xử lý nước thải
• 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành màng sinh học
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3.3.1. Hóa chất và thiết bị
• 3.3.2. Phương pháp thu thập tài liệu
• 3.3.3. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản, phân tích mẫu
• 3.3.4. Phương pháp tổng hợp, phân tích và xử lý số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đánh giá diễn biến của thành phần hữu cơ, dinh dưỡng và TSS trong hệ MBBR theo thời gian vận hành
• 4.1.1. Diễn biến của COD
• 4.1.2. Diễn biến của tổng NN
• 4.1.3. Diễn biến của tổng PP
• 4.1.4. Diễn biến của TSS
• 4.2. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình tạo màng vi sinh trong hệ MBBR
• 4.2.1. Kết quả đánh giá màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang
• 4.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đầu vào
• 4.2.3. Ảnh hưởng của thời gian vận hành
• 4.2.4. Ảnh hưởng của tuần hoàn (hồi lưu) nước thải đầu ra
• 4.3. Kết quả đánh giá mối tương quan giữa quá trình tạo màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan trong hệ MBBR
• 4.3.1. Kết quả thể tích và lưu lượng khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí trong hệ MBBR
• 4.3.2. Kết quả hàm lượng metan trong khí sinh học sinh ra từ hệ MBBR
• 4.3.3. Kết quả đánh giá mối tương quan giữa quá trình tạo màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan trong hệ MBBR
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về quá trình phân hủy yếm khí nước thải hình thành khí metan

Quá trình phân hủy yếm khí nước thải là một quá trình sinh học phức tạp, trong đó các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Màng vi sinh đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu quả của quá trình này. Nước thải chăn nuôi, với hàm lượng chất hữu cơ cao, là một trong những nguồn chính gây ô nhiễm môi trường. Việc xử lý nước thải này bằng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) đã cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu ô nhiễm. Quá trình này không chỉ giúp loại bỏ các chất ô nhiễm mà còn tạo ra khí metan, một nguồn năng lượng tái tạo có giá trị. Theo nghiên cứu, việc tối ưu hóa các yếu tố như tải trọng hữu cơ và thời gian vận hành có thể nâng cao hiệu quả sinh khí metan. "Quá trình phân hủy yếm khí không chỉ giúp xử lý nước thải mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch".

1.1. Ô nhiễm thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải

Nước thải chăn nuôi chứa nhiều thành phần hữu cơ và dinh dưỡng, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường. Các chỉ tiêu như COD, BOD, và tổng nitơ (TN) trong nước thải chăn nuôi thường cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép. Màng vi sinh trong hệ MBBR giúp tăng cường khả năng xử lý các chất ô nhiễm này. Nghiên cứu cho thấy rằng, với sự hiện diện của màng sinh học, hiệu suất xử lý các chất hữu cơ có thể đạt tới 90%. "Việc kiểm soát ô nhiễm từ nước thải chăn nuôi là một thách thức lớn đối với môi trường hiện nay".

II. Công nghệ xử lý nước thải bằng hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động MBBR

Công nghệ MBBR là một trong những phương pháp tiên tiến trong xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải chăn nuôi. Hệ thống này sử dụng màng vi sinh bám dính trên các vật liệu mang để tăng cường quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Màng sinh học không chỉ giúp tăng cường hiệu suất xử lý mà còn tạo ra khí metan trong quá trình phân hủy yếm khí. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc tối ưu hóa các yếu tố như tải trọng hữu cơ và thời gian vận hành có thể nâng cao hiệu quả sinh khí metan. "Công nghệ MBBR không chỉ giúp xử lý nước thải mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, góp phần bảo vệ môi trường".

2.1. Hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động MBBR và màng sinh học

Hệ MBBR hoạt động dựa trên nguyên lý màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang, giúp tăng cường quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Màng vi sinh đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật phát triển. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc tối ưu hóa các yếu tố như tải trọng hữu cơ và thời gian vận hành có thể nâng cao hiệu quả sinh khí metan. "Màng sinh học không chỉ giúp xử lý nước thải mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, góp phần bảo vệ môi trường".

III. Đánh giá ảnh hưởng của màng vi sinh đến hiệu quả sinh khí metan

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, màng vi sinh có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả sinh khí metan trong hệ MBBR. Các yếu tố như tải trọng hữu cơ đầu vào, thời gian vận hành và tuần hoàn nước thải đầu ra đều có tác động đến quá trình tạo màng vi sinh và hiệu suất sinh khí metan. Kết quả cho thấy rằng, khi tối ưu hóa các yếu tố này, hiệu suất sinh khí metan có thể tăng lên đáng kể. "Việc hiểu rõ mối tương quan giữa quá trình tạo màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan là rất quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả".

3.1. Kết quả đánh giá mối tương quan giữa quá trình tạo màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, có mối tương quan chặt chẽ giữa quá trình tạo màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan trong hệ MBBR. Khi màng vi sinh phát triển tốt, hiệu suất sinh khí metan cũng tăng lên. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các yếu tố như tải trọng hữu cơ đầu vào và thời gian vận hành có thể nâng cao hiệu quả sinh khí metan. "Mối tương quan này cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát quá trình tạo màng vi sinh trong hệ thống xử lý nước thải".

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phát triển kinh tế gắn liền với bảo vệ môi trường ngày càng trở thành mục tiêu quan trọng của nhiều quốc gia. Trong đó, nước thải chăn nuôi lợn là một trong những nguồn ô nhiễm nghiêm trọng do chứa hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng cao, như COD dao động từ 3.200 đến hơn 5.000 mg/L, tổng nitơ (TN) từ 220 đến 460 mg/L và tổng photpho (TP) từ 32 đến 181 mg/L. Nước thải này nếu không được xử lý hiệu quả sẽ gây ra hiện tượng cạn kiệt oxy trong nước, làm mất cân bằng sinh thái và phát sinh mùi hôi khó chịu, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động yếm khí (AnMBBR) quy mô phòng thí nghiệm, nhằm đánh giá ảnh hưởng của màng vi sinh đến hiệu quả sinh khí metan – một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các yếu tố như tải trọng hữu cơ đầu vào, thời gian vận hành và tuần hoàn nước thải đầu ra ảnh hưởng đến quá trình tạo màng vi sinh, đồng thời đánh giá mối tương quan giữa màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan trong hệ MBBR. Nghiên cứu được thực hiện với mẫu nước thải lấy từ trang trại chăn nuôi lợn tại Vĩnh Phúc, trong điều kiện nhiệt độ 35 ± 2°C và pH duy trì từ 7,0 đến 7,5.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và khai thác hiệu quả nguồn khí metan sinh học, hỗ trợ phát triển bền vững ngành chăn nuôi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: quá trình phân hủy yếm khí nước thải giàu hữu cơ và công nghệ hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động (MBBR).

1. Quá trình phân hủy yếm khí: Quá trình này gồm bốn pha chính: thủy phân, axit hóa, axetat hóa và methan hóa, trong đó vi sinh vật yếm khí phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp thành khí metan và CO₂. Các yếu tố ảnh hưởng quan trọng gồm pH (tối ưu 6,5–7,8), nồng độ axit béo dễ bay hơi (VFA), amoniac, sunfua, kim loại nặng và nhiệt độ (tối ưu khoảng 35°C). Thời gian lưu thủy lực (HRT) cũng đóng vai trò quyết định, với khoảng 5–12 giờ phù hợp cho hệ MBBR.

2. Công nghệ MBBR yếm khí: MBBR sử dụng vật liệu mang vi sinh có diện tích bề mặt lớn (800–1000 m²/m³) để tạo màng sinh học, giúp tăng mật độ vi sinh vật và hiệu quả xử lý. Vật liệu mang polyetylen (PE) dạng bánh xe được sử dụng trong nghiên cứu với tỷ lệ lấp đầy 33,3% thể tích cột phản ứng. Màng sinh học hình thành trên vật liệu mang gồm các vi sinh vật bám dính nhờ các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) và DNA ngoại bào (eDNA), đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý sinh học và sinh khí metan.

Các khái niệm chính bao gồm: COD (Nhu cầu oxy hóa học), TN (Tổng Nitơ), TP (Tổng Photpho), TSS (Tổng chất rắn lơ lửng), MLSS (Mật độ bùn vi sinh), OLR (Tải trọng hữu cơ), HRT (Thời gian lưu thủy lực), EPS (Chất cao phân tử ngoại bào), eDNA (DNA ngoại bào), và QS (Quorum Sensing).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nước thải chăn nuôi lợn lấy tại trang trại ở Vĩnh Phúc, mẫu nước thải tươi được thu thập 2 tuần/lần, pha loãng để đạt COD khoảng 1.000 mg/L trước khi đưa vào hệ MBBR.

• Thiết kế thí nghiệm: Hệ MBBR quy mô phòng thí nghiệm gồm cột phản ứng yếm khí thể tích 12 lít, vật liệu mang PE chiếm 33,3% thể tích, nhiệt độ duy trì 35 ± 2°C, pH 7,0–7,5, lưu lượng nước thải 1 lít/giờ (HRT = 12 giờ). Bùn vi sinh yếm khí được nuôi dưỡng trước 10–14 ngày để thích nghi.

• Phương pháp phân tích: Các chỉ tiêu COD (tổng và hòa tan), TN, NH₄⁺-N, TP, TSS được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam và phương pháp so màu, chuẩn độ, đo phổ UV-VIS. Khí sinh học được thu thập và phân tích thành phần metan, CO₂ bằng thiết bị đo khí BIOGAS 5000.

• Phân tích màng vi sinh: Khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang được xác định bằng cân khô sau khi lấy mẫu. Mật độ bùn vi sinh (MLSS) tính theo tổng khối lượng bùn trong cột phản ứng chia cho thể tích.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện qua 4 chế độ khảo sát với tải trọng hữu cơ đầu vào từ 2 đến 6 g COD/L.ngày, có và không có tuần hoàn nước thải đầu ra, trong khoảng thời gian vận hành liên tục 7 tuần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả xử lý nước thải: Hệ MBBR đạt hiệu suất loại bỏ COD tổng từ 67% đến 72,6% khi tải trọng hữu cơ tăng từ 4 đến 6 g/L.ngày. Hiệu suất loại bỏ TN và TP dao động trong khoảng 55–65%, TSS đạt khoảng 67%. So với vật liệu mang PU, vật liệu PE cho hiệu quả xử lý COD và TSS cao hơn khoảng 3–5%.

2. Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ: Tải trọng hữu cơ đầu vào tăng từ 2 đến 6 g/L.ngày làm tăng khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang từ khoảng 0,5 đến 1,2 g/m², đồng thời mật độ bùn vi sinh trong cột phản ứng tăng từ 3,5 đến 6,8 g/L. Tuy nhiên, tải trọng quá cao có thể làm giảm tốc độ phát triển màng vi sinh do ức chế cơ chất.

3. Ảnh hưởng của tuần hoàn nước thải đầu ra: Việc tuần hoàn nước thải đầu ra giúp tăng khối lượng màng vi sinh và mật độ bùn vi sinh, cải thiện hiệu quả xử lý và sinh khí metan. Ở chế độ không tuần hoàn, khối lượng màng vi sinh giảm khoảng 20%, hiệu suất sinh khí metan giảm tương ứng.

4. Mối tương quan giữa màng vi sinh và sinh khí metan: Độ dày và khối lượng màng vi sinh có mối tương quan thuận với hiệu suất sinh khí metan, với hàm lượng metan chiếm 55–70% trong khí sinh học. Năng suất sinh khí metan đạt khoảng 0,35 NmL CH₄/mg COD phân hủy, phù hợp với tiềm năng lý thuyết.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy màng vi sinh đóng vai trò trung tâm trong quá trình xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ MBBR. Sự phát triển màng vi sinh trên vật liệu mang PE với diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật yếm khí phát triển, tăng khả năng phân hủy hữu cơ và sinh khí metan. Việc tuần hoàn nước thải đầu ra giúp duy trì mật độ vi sinh vật cao, tăng cường trao đổi chất và ổn định hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất xử lý COD và sinh khí metan tương đương hoặc cao hơn nhờ tối ưu hóa tải trọng hữu cơ và điều kiện vận hành. Biểu đồ diễn biến COD, TN, TP và TSS theo thời gian vận hành thể hiện xu hướng giảm ổn định, minh họa hiệu quả xử lý của hệ. Bảng số liệu khối lượng màng vi sinh và mật độ bùn vi sinh theo từng chế độ khảo sát cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của các yếu tố vận hành.

Kết quả này góp phần làm rõ cơ chế hình thành màng vi sinh và mối liên hệ với hiệu quả sinh khí metan trong hệ MBBR yếm khí, hỗ trợ phát triển công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi hiệu quả và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu tải trọng hữu cơ đầu vào: Đề xuất duy trì tải trọng hữu cơ trong khoảng 4–6 g COD/L.ngày để đảm bảo sự phát triển ổn định của màng vi sinh và hiệu quả xử lý cao. Chủ thể thực hiện: các nhà quản lý trang trại và nhà máy xử lý nước thải. Thời gian: áp dụng ngay trong vận hành.

2. Áp dụng tuần hoàn nước thải đầu ra: Khuyến nghị sử dụng bơm tuần hoàn để tăng mật độ vi sinh vật và cải thiện hiệu suất sinh khí metan, giảm thiểu thất thoát bùn vi sinh. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành hệ thống. Thời gian: trong vòng 3 tháng đầu vận hành.

3. Lựa chọn vật liệu mang phù hợp: Ưu tiên sử dụng vật liệu mang polyetylen (PE) với diện tích bề mặt lớn và độ bền cơ học cao để tăng diện tích bám dính màng vi sinh. Chủ thể thực hiện: nhà thiết kế và đầu tư công nghệ. Thời gian: trong giai đoạn thiết kế và nâng cấp hệ thống.

4. Kiểm soát điều kiện vận hành: Duy trì nhiệt độ 35 ± 2°C, pH 7,0–7,5 và thời gian lưu thủy lực khoảng 12 giờ để tối ưu hoạt động vi sinh vật yếm khí. Chủ thể thực hiện: đội ngũ vận hành và giám sát kỹ thuật. Thời gian: liên tục trong quá trình vận hành.

5. Theo dõi và phân tích định kỳ: Thực hiện lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu COD, TN, TP, TSS và khí sinh học định kỳ để điều chỉnh kịp thời các thông số vận hành. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và quản lý chất lượng. Thời gian: hàng tuần hoặc theo chu kỳ vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm chi tiết về công nghệ xử lý nước thải yếm khí, giúp nâng cao kiến thức và phát triển nghiên cứu sâu hơn.

2. Kỹ sư và chuyên gia xử lý nước thải: Thông tin về vật liệu mang, điều kiện vận hành và ảnh hưởng các yếu tố đến hiệu quả xử lý giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống MBBR.

3. Quản lý trang trại chăn nuôi và nhà máy xử lý nước thải: Hướng dẫn thực tiễn về xử lý nước thải chăn nuôi lợn, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và khai thác hiệu quả khí metan sinh học.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý chất thải chăn nuôi và phát triển bền vững ngành nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ MBBR yếm khí có ưu điểm gì so với công nghệ xử lý khác?
   Hệ MBBR yếm khí có ưu điểm như chi phí vận hành thấp, hiệu quả xử lý cao, diện tích chiếm dụng nhỏ, khả năng thu hồi khí metan làm năng lượng tái tạo, và ít sinh bùn thải hơn so với công nghệ hiếu khí truyền thống.

2. Tại sao vật liệu mang polyetylen (PE) được ưu tiên sử dụng?
   PE có diện tích bề mặt lớn (800–1000 m²/m³), độ bền cơ học cao, tỷ trọng phù hợp để lơ lửng trong nước thải, giúp tăng diện tích bám dính màng vi sinh và nâng cao hiệu quả xử lý.

3. Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến quá trình tạo màng vi sinh như thế nào?
   Tải trọng hữu cơ tăng giúp màng vi sinh phát triển nhanh hơn và dày hơn, nhưng nếu quá cao sẽ gây ức chế vi sinh vật do độc tính cơ chất, làm giảm hiệu quả xử lý.

4. Làm thế nào để duy trì pH và nhiệt độ ổn định trong hệ MBBR?
   Có thể sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ và hệ thống bơm tuần hoàn để duy trì pH và nhiệt độ trong khoảng tối ưu (pH 7,0–7,5; 35 ± 2°C), đảm bảo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật yếm khí.

5. Khí metan sinh ra trong quá trình xử lý có thể sử dụng như thế nào?
   Khí metan thu hồi từ hệ MBBR có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học cho sản xuất điện, sưởi ấm hoặc nhiên liệu cho phương tiện giao thông, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

Kết luận

• Hệ MBBR yếm khí sử dụng vật liệu mang polyetylen hiệu quả trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn, đạt hiệu suất loại bỏ COD trên 70% và sinh khí metan ổn định.
• Tải trọng hữu cơ đầu vào và tuần hoàn nước thải đầu ra là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan.
• Mối tương quan tích cực giữa khối lượng màng vi sinh và năng suất khí metan cho thấy vai trò thiết yếu của màng sinh học trong công nghệ xử lý yếm khí.
• Đề xuất duy trì tải trọng hữu cơ 4–6 g COD/L.ngày, áp dụng tuần hoàn nước thải và kiểm soát điều kiện vận hành để tối ưu hiệu quả xử lý.
• Nghiên cứu mở hướng phát triển công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và khai thác năng lượng tái tạo.

Để tiếp tục phát triển, cần mở rộng quy mô nghiên cứu thực nghiệm tại các trang trại quy mô lớn và ứng dụng công nghệ trong thực tế. Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và quản lý môi trường cùng hợp tác để nâng cao hiệu quả xử lý và phát triển bền vững ngành chăn nuôi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Nga LUẬN VĂN THAC SY KHOA HỌC Hà Nội - 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Nga Chuyên ngành: Khoa hoc Môi trường Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. Nguyễn Thị Hà TS. Nguyễn Trường Quân Hà Nội - 2024 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS. Nguyễn Thị Hà — Bộ môn Công nghệ môi trường, Khoa Môi trường, Truong Dai hoc Khoa học Tự nhiên — Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn thạc sỹ khoa học này.

Tiếp theo, em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trường Quân — Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên — Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, quan tâm, góp ý và động viên em trong quá trình thực hiện đề tài tại trung tâm. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giảng dạy và cung cấp cho em các kiến thức chuyên môn và các kỹ năng cần thiết và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập tại khoa. Em xin gửi lời cảm ơn tới đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số động học trong mô phỏng dé thiết kế hệ thống xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi lợn” mã số QG.07 đã hỗ trợ về trang thiết bị, điều kiện nghiên cứu cho em trong quá trình thực hiện luận văn.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã khuyến khích và hỗ trợ em trong quá trình học tập và hoàn thiện luận văn của mình. Trong quá trình hoàn thành luận văn, không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý từ thầy cô dé có được các nghiên cứu hoàn chỉnh hơn trong tương lai. Em xin chân thành cảm on! Hà Nội, thang 01 năm 2024 Học viên Nguyễn Thị Nga MỤC LỤC DANH MỤC TU VIET TẮT. 2-2 2+SE£+EE+SEE£EEEEEEEEEEEEEE2212221711271221 21.

iii DANH MUC HINH 000577. TONG QUAN VỀ QUÁ TRINH PHAN HUY YÉM KHÍ NƯỚC THAI HÌNH THÀNH KHÍ METAN.---- 2-2 E+E£+EE+EE£EEEEEEE2E122171 7112112112 crxe 3 1. Ô nhiễm thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải. Quá trình phân hủy yếm khí nước thải giàu hữu cơ.

Các yếu tổ anh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THAI BANG HE PHAN UNG MANG VI SINH CHUYEN DONG (MBBR) VA QUA TRINH HINH THANH MANG SINH HOC woieeccccsscssessessessessesscssesscsvcsessssesussussussucsessessesucssesnssessesaeseesuesssnsseseesneaees 13 1. Hệ phản ứng màng vi sinh chuyén động (MBBR) và mang sinh hoc. Quá trình hình thành và vai trò của màng sinh học trong xử lý nước thải ¬ 19 1.

Các yếu tổ ảnh hưởng tới quá trình hình thành màng sinh học. DOI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. DOI TƯỢNG VA PHAM VI NGHIÊN CUU. Đối tượng nghiên cứu.---s- 2 5¿+2x+2EE‡EE2EkEEEEEEE221 211221221 cEEecree29 2.

Phạm vi nghiÊn CỨU. Phương pháp nghiên CỨU.- --- c1 E113 19311 111 111 1 9 ng ng ngư 30 2. Hóa chất và thiết bị. - ¿St tSE+ESEEEESESEEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkrrerrree 30 2.

Phương pháp thu thập tài lIỆU. Phương pháp thực nghiỆm.-- - - 1x3 939 ng ng ngư 31 2. Phương pháp lay mẫu và bảo quản, phân tích mẫu. Phương pháp tổng hợp, phân tích và xử lý số liệu.

KET QUA VÀ THẢO LUẬN.- --¿- + SsSSE‡EvEEeErEerxekerxereree Al 3. ĐÁNH GIA DIEN BIEN CUA THÀNH PHAN HỮU CƠ, DINH DƯỠNG VA TSS TRONG HE MBBR THEO THỜI GIAN VAN HANH. Diễn biến của COD. Diễn biến của tổng NN.

Diễn biến của tổng PP. Diễn biến của TSS. KET QUA DANH GIA ANH HUONG CUA MOT SO YEU TO TỚI QUA TRINH TAO MÀNG VI SINH TRONG HE MBBR. Kết quả đánh giá màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang.

Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đầu vào. Ảnh hưởng của thời gian vận hành. Ảnh hưởng của tuần hoàn (hồi lưu) nước thải đầu ra. KET QUÁ DANH GIA MOI TƯƠNG QUAN GIỮA QUÁ TRÌNH TẠO MANG VI SINH VÀ HIEU QUA SINH KHÍ METAN TRONG HỆ MBBR.

Kết quả thé tích và lưu lượng khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí trong hé MBBR 07. Kết quả hàm lượng metan trong khí sinh học sinh ra từ hệ MBBR. Kết quả đánh giá mối tương quan giữa quá trình tạo màng vi sinh và hiệu qua sinh khí metan trong hệ MBBIR.-- ee -- 5c S2 2k *Hn HH HH re,66 KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊ TÀI LIEU THAM KHẢO. DANH MỤC TỪ VIET TAT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Anaerobic Moving Bed Biofilm Hệ phan ứng mang vi sinh AnMBBR , , Reactor chuyên động yêm khí BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa COD Chemical Oxygen Demand Nhu cau oxy héa hoc eDNA Extracellular DNA DNA ngoai bao EPS Extracellular Polymeric Substances | Các chất cao phân tử ngoại bào HSXL Removal efficiency Hiệu suất xử ly HRT Hydraulic Retention Time Thoi gian luu thuy luc Membrane — Aerated Biofilm Hệ phản ứng màng sinh hoc có MABR Reactor sục khí Hệ phan ứng màng vi sinh MBBR Moving Bed Biofilm Reactor „ chuyên động ; Hỗn hop chat ran lo lửng (mật MLSS Mixed Liquor Suspended Solids độ bùn vi sinh) OLR Organic Load Rate Tai trong hữu co PE Polyethylene Polyetylen PP Polypropylene Polypropylen PU Polyurethane Polyurethane PVC Polyvinyl Chloride Polyvinyl clorua QS Quorum Sensing Cam bién dai biéu RBCs Rotating biological contactors B6 tiép xtic sinh hoc quay TF Trickling Filters Bộ lọc nhỏ giọt TN Total Nitrogen Tong nito TP Total Phosphorus Tổng phốt pho TSS Total Suspended Solids Tổng chat ran lo lửng UAFE Up Flow — Anaerobic Floating Bộ lọc nồi ky khí dòng chảy Filter ngược UASB Up Flow - Anaerobic Sludge Hệ phan ứng bùn ky khí dòng Blanket Reactor chảy ngược VFA Volatile Fatty Acid Axit béo dé bay hoi ii DANH MỤC BANG Bảng 1.

Đặc tính của nước thải chăn nuôi [4]. Các đặc tính lý hóa của nước thải chăn nuôi lợn được chứng minh trong các NGHIEN CUU 0001. Đặc trưng của một số loại vật liệu mang vi sinh sử dụng trong công nghệ xử )Â/208400i 17077. Kế hoạch lay mẫu nước thải, vật liệu mang và khí sinh học.

Khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang ở các tải trọng. Khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang trong hệ Moving — bed )2:1E 0=. Mật độ bùn vi sinh trong hệ Moving — bed SBR [80]. Kết quả khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang theo thời gian vận hành tại chế độ khảo sát 3.--- ¿+ St SE+E+EEEEEE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrkrkerrs 60 Bảng 9.

Kết quả khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang theo thời gian vận hành tại chế độ khảo sát 4.--- ---G S2 1121 ng ngay61 1H DANH MỤC HÌNH Hình 1. Một số loại vật liệu ¡550. Các bước minh hoa quá trình hình thành màng sinh học [86]. Cơ chế hình thành màng sinh học [34] .-- ----«++-«<+++sx+seexsseesssees 21 Hình 4.

Hình ảnh vật liệu mang vi sinh PE. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm MBBR [1 I]. Cấu tạo hệ thống thí nghiệm thực tẾ. Diễn biến và hiệu quả loại bỏ COD tổng trong hệ MBBR.

Diễn biến và hiệu quả loại bỏ COD hòa tan trong hệ MBBR. Diễn biến và hiệu quả xử lý tổng N trong hệ MBBR. Diễn biến và hiệu quả xử ly N hòa tan trong hệ MBBR. Diễn biến của NH¿*-N tong trong hệ MBBR.

Diễn biến của NH¿*-N hòa tan trong hệ MBBR. Diễn biến và hiệu quả xử lý tong P trong hệ MBBR. Diễn biến và hiệu quả xử lý P hòa tan trong hệ MBBR. Diễn biến và hiệu quả xử ly TSS trong hệ MBBR.

(a) Trước khi hình thành mang vi sinh va (b) sau khi hình thành màng vi 1V Hình 21. Thể tích và hàm lượng metan trong khí sinh học sinh ra từ quá trình yếm khí trong hệ MBBR.-- -- 5 +1 11 1*H “KH HH kh 65 Hình 22. Mối tương quan giữa độ dày màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan trong DAT VAN DE Phát triển kinh tế gắn liền với bao vệ môi trường ngày càng trở thành mục tiêu của nhiều quốc gia trên thé giới. Với sự phát triển của các ngành công nghiệp, những nguôn khí thải, nước thải, chất thải ngày càng nhiều, gây tác động xấu tới môi trường.

Nước thải giàu thành phần hữu cơ và dinh dưỡng như nước thải chăn nuôi lợn, nước thải sản xuất tinh bột sắn, mía đường, tinh bột dong riềng, sản xuất giấy là một trong những loại nước thải rất được quan tâm hiện nay bởi những tác động tới chất lượng môi trường và sức khỏe cộng đông. Nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng nói chung và nước thải chăn nuôi nói riêng có chứa nhiều cặn, hàm lượng nito, phốt pho và vi sinh vật đều rất cao. Loại nước thải này được thải ra môi trường với tải trọng lớn gây cạn nguồn oxy trong nước khiến các sinh vật khó tồn tại, gây mat cảnh quan, mắt cân bằng sinh thái và tạo mùi hôi thối khó chịu. Do vậy, việc áp dụng công nghệ phù hợp để xử lý nước thải giàu hữu cơ là một van đê rat quan trọng va cap thiệt hiện nay.

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và ứng dung dé xử lý nước thải giàu hữu cơ với những ưu điểm về kinh tế và hiệu quả xử lý, trong đó phải kế tới phương pháp xử lý sinh học. Một trong những công nghệ xử lý sinh học đã và đang được áp dụng là công nghệ hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động (MBBR) yếm khí. Màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang đóng vai trò quan trọng đối với xử lý các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí của hệ MBBR, và ảnh hưởng tới quá trình sinh khí metan — nguồn tài nguyên được thu hồi để phục vụ một số mục đích khác. Dé hiểu rõ hơn về công nghệ MBBR, quá trình tạo màng vi sinh trong hệ, hiệu quả sinh khí metan trong quá trình xử lý nước thải giàu hữu cơ, luận văn nghiên cứu với hệ MBBR quy mô phòng thí nghiệm với tên dé tài: “Đánh giá ảnh hưởng của màng vi sinh trong hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động (MBBR) yếm khí đến hiệu quả sinh khí metan”.

Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá được ảnh hưởng của một số yếu tổ tới quá trình tao màng vi sinh trong hệ phản ứng màng vi sinh chuyên động (MBBR) yếm khí. Từ đó, đánh giá mối tương quan giữa quá trình tạo màng và hiệu quả sinh khí metan. Nội dung nghiên cứu: 1.