Luận án tiến sĩ về công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn IC

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn IC, ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải hiệu quả.

• Tác giả: Trần Mạnh Hải
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Thế Hà
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Công Nghệ Yếm Khí Cao Tải Tuần Hoàn Nội- IC (Internal Circulation)
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các quá trình vi sinh yếm khí
• 1.2. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt
• 1.3. Các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm bùn vi sinh và vi sinh dạng hạt
• 1.4. Hệ yếm khí tiếp xúc AC và Bồn/bể lọc yếm khí AF
• 1.5. Bồn/bể phản ứng kiểu UASB
• 1.6. Bồn phản ứng kiểu FB
• 1.7. Bồn/bể phản ứng kiểu EGSB
• 1.8. Kỹ thuật tuần hoàn nội IC
• 1.8.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 1.8.2. Thiết bị phản ứng khí nâng – ALR
• 1.8.3. Thông số thiết kế hệ IC
• 1.8.4. Những vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu thiết kế hệ IC
• 1.9. Công nghệ xử lý yếm khí cao tải ở Việt Nam
• 1.10. Chất lượng nước thải chăn nuôi lợn
• 1.11. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Thực nghiệm xác định đại lượng K (K = QN/QK)
• 2.2.2. Thiết lập 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
• 2.2.3. Phương pháp tìm mô hình thực nghiệm thống kê
• 2.2.4. Thực nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi lợn
• 2.2.5. Phương pháp đánh giá tiềm năng tạo biogas
• 2.2.6. Tính công suất và cường độ khuấy trộn trong vùng phản ứng từ lượng biogas phát sinh
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định K bằng thực nghiệm (KTN)
• 3.2. Các điều kiện thí nghiệm
• 3.3. Kết quả thí nghiệm
• 3.4. 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
• 3.5. Đánh giá sự phù hợp của phương trình với kết quả thực nghiệm
• 3.6. Đánh giá sự thay đổi của K khi tăng tiết diện ống lên
• 3.7. Đánh giá sự thay đổi của K theo độ nhớt và khối lượng riêng
• 3.8. Lựa chọn mô hình biểu diễn
• 3.9. Mô hình thực nghiệm thống kê
• 3.10. Kết quả vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn
• 3.10.1. Hệ IC thí nghiệm
• 3.10.2. Mối quan hệ giữa năng suất và hiệu suất xử lý với tải lượng
• 3.10.3. Kết quả thử nghiệm tách rắn lỏng
• 3.10.4. Kết quả đo lượng biogas và metan
• 3.10.5. Tính toán khả năng khuấy trộn do khí biogas sinh ra
• 3.10.6. Tính thông số công nghệ hệ IC
• 4. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• Danh mục các công trình đã công bố
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của luận án

Công nghệ yếm khí đang ngày càng trở nên quan trọng trong xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải chứa nhiều chất hữu cơ. Theo thống kê, khoảng 80% lượng nước thải có thể xử lý bằng công nghệ sinh học. Công nghệ này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tạo ra năng lượng tái tạo dưới dạng khí biogas. Các hệ thống tuần hoàn IC (Internal Circulation) đã chứng minh hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải, với khả năng chịu tải lớn và năng suất cao. Sự phát triển của các hệ thống này từ những năm 1990 đến nay cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của chúng. Tuy nhiên, tài liệu hướng dẫn thiết kế cho hệ thống IC còn hạn chế, điều này tạo ra nhu cầu cấp thiết cho các nghiên cứu nhằm xác định các thông số thiết kế cơ bản cho hệ thống này.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là ứng dụng công nghệ yếm khí tuần hoàn nội (IC) trong xử lý nước thải giàu hữu cơ. Cụ thể, nghiên cứu sẽ xác lập mối quan hệ giữa các thông số thiết kế như tải lượng và tốc độ nước dâng với các thông số thiết kế của hệ IC. Nghiên cứu cũng sẽ xác định khả năng khuấy trộn trong hệ thống bằng khí sinh ra và các thông số thiết kế cần thiết cho hệ thống IC. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý và nâng cao khả năng ứng dụng của công nghệ này trong thực tiễn.

III. Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm bốn phần chính. Phần đầu tiên là thực nghiệm xác định tỷ lệ lượng nước được kéo lên bởi mỗi lượng khí ở các mức ngập nước khác nhau. Phần thứ hai sẽ thiết lập phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa các thông số thiết kế và các thông số vận hành. Phần thứ ba sẽ tập trung vào việc chế tạo và vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn nhằm xác định năng suất xử lý. Cuối cùng, nghiên cứu sẽ tính toán khả năng khuấy trộn của khí sinh ra và nước tuần hoàn để xác định các thông số thiết kế cho hệ IC.

IV. Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án

Luận án này đóng góp vào việc xác định giá trị các thông số thiết kế cho công nghệ hệ thống IC. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ lượng nước được kéo lên bởi mỗi lượng khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tiết diện ống dẫn, mức ngập nước, chiều cao xả nước, độ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch. Những phát hiện này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể áp dụng thực tiễn trong thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước thải yếm khí cao tải.

V. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án

Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về thiết kế hệ thống IC và khả năng ứng dụng của nó trong xử lý nước thải. Công nghệ xử lý yếm khí cao tải không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành mà còn có tiềm năng thu hồi năng lượng từ biogas. Việc áp dụng công nghệ này sẽ góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững trong lĩnh vực xử lý nước thải, đặc biệt là trong bối cảnh gia tăng ô nhiễm môi trường hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 luan an 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: 9.20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Cao Thế Hà 2. Nguyễn Hoài Châu Hà Nội, 2019 luan an 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. Cao Thế Hà và PGS. 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 luan an ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. 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. 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. Phạm Hồng Hải và TS. Hoàng Văn Hàđã hỗ trợ trong việc xử lý số liệu thực nghiệm. Nghiên cứu sinh Trần Mạnh Hải luan an iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH . vi DANH MỤC BẢNG . viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT . Tính cấp thiết của luận án . Mục tiêu nghiên cứu . Nội dung nghiên cứu . Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án . Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án .3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN . Các quá trình vi sinh yếm khí . Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt . Các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm bùn vi sinh và vi sinh dạng hạt . Hệ yếm khí tiếp xúc AC và Bồn/bể lọc yếm khí AF . Bồn/bể phản ứng kiểu UASB . Bồn phản ứng kiểu FB . Bồn/bể phản ứng kiểu EGSB . Kỹ thuật tuần hoàn nội IC . Cấu tạo và nguyên lý hoạt động . Thiết bị phản ứng khí nâng – ALR . Thông số thiết kế hệ IC . Những vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu thiết kế hệ IC . Công nghệ xử lý yếm khí cao tải ở Việt Nam . Chất lượng nước thải chăn nuôi lợn .34 Kết luận chương 1 .41 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .42 luan an iv 2. Phương pháp nghiên cứu . Thực nghiệm xác định đại lượng K (K = QN/QK) . 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. Phương pháp tìm mô hình thực nghiệm thống kê. Thực nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Phương pháp đánh giá tiềm năng tạo biogas . 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 . Xác định K bằng thực nghiệm (KTN) . Các điều kiện thí nghiệm: . Kết quả thí nghiệm . 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 . Đánh giá sự phù hợp của phương trình với kết quả thực nghiệm . Đánh giá sự thay đổi của K khi tăng tiết diện ống lên . Đánh giá sự thay đổi của K theo độ nhớt và khối lượng riêng . Lựa chọn mô hình biểu diễn . Mô hình thực nghiệm thống kê . Kết quả vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn . Hệ IC thí nghiệm . Mối quan hệ giữa năng suất và hiệu suất xử lý với tải lượng. Kết quả thử nghiệm tách rắn lỏng . Kết quả đo lượng biogas và metan . Tính toán khả năng khuấy trộn do khí biogas sinh ra . Tính thông số công nghệ hệ IC .103 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .108 Danh mục các công trình đã công bố .109 luan an v Tài liệu tham khảo .132 luan an vi DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí . Sơ đồ hệ xử lý UASB . Sơ đồ nguyên lý hệ EGSB . Sơ đồ nguyên lý hệ IC . Sơ đồ ALR với ống lên đồng trục . Thiết diện để nước chảy vào ống lên . Tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian . Sơ đồ hệ thí nghiệm xác định K . Sơ đồ hệ IC thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi . Sơ đồ hệ thí nghiệm tách rắn-lỏng . Sơ đồ hệ thu và đo khí biogas . Các thành phần khuấy trộn trong hệ IC . Sự thay đổi của K khi vk tăng (tại H1 = 285 vàH2 = 50 cm) . Sự thay đổi của K khi H1/H2 tăng (tại vk = 582 m/h; H1 = 285 cm) . Xu hướng sự thay đổi giá trị của QN khi vận tốc khí vk tăng (tại H1 = 285 vàH2 = 50 m) . 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) . 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) . Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN (tại H1 = 285 và185 cm) . Sự thay đổi giá trị của K ở các độ nhớt khác nhau . Độ giảm giá trị của K ở các giá trị độ nhớt khác nhau . Sự thay đổi giá trị của K khi tăng khối lượng riêng. Mức giảm của K khi khối lượng riêng dung dịch tăng . Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 50 cm) . Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 10 cm) .76 luan an vii Hình 3. Xu hướng của Ktn vàKMH . Một số cơ cấu tách 3 pha phổ biến . Mô hình hệ IC và bộ tách pha . OLRvào, OLRra và hiệu suất xử lý . Mối quan hệ giữa năng suất với tải lượng COD đầu vào . Mối quan hệ giữa Hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào . Hiệu quả tách rắn - lỏng sử dụng polyme C525 . Thử nghiệm tạo bông với các loại polime khác nhau . Diễn biến OLRlọc vào-ra và hiệu suất xử lý . Diễn biến OLRtổng vào-ra và hiệu suất xử lý . Lượng khí biogas và metan sinh ra theo thực nghiệm và theo lý thuyết .97 luan an viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Đặc trưng của bùn hạt tốt. Hiệu quả xử lý của kỹ thuật IC và UASB . Các thông số thiết kế các hệ XLYK . Một số thông số kỹ thuật của hệ tuần hoàn nội . Đặc tính chất thải chăn nuôi lợn từ bể chứa dưới sàn . Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn. Thống kê chất thải chăn nuôi lợn ở Singapo. Chất lượng NTCNL tại hố thu gom ở Singapo, Trung Quốc và Ý . Chất lượng NTCNL từ bể điều hòa (sau tách SS) . Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung . Tổng hợp chất lượng NTCNL tại trang trại. Các nội dung thực nghiệm và tính toán . Thành phần nước thải các chuồng ở trại Hòa bình xanh . Sai số của các phương pháp xác định COD . Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 4,45 cm2 . Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 15,76 cm2 . Giá trị của K và mức giảm (%) ở các độ nhớt khác nhau tại H1=285 cm vàH2 = 50 cm. Giá trị của K và mức giảm K (%) khi khối lượng riêng của dung dịch () tăng . Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và H2=50). Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và H2=10). Giá trị các hệ số b0,bj, bu,j vàbjj . Thông số hệ IC thí nghiệm . Tổng hợp chế độ thí nghiệm . Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn ra khỏi bình phản ứng .84 luan an ix Bảng 3. 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 . 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 . 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 . Kết quả tách TSS bằng bộ lọc thô . Cường độ và công suất khuấy trộn do khí biogas sinh ra . Thông số công nghệ của hệ IC ở các năng suất xử lý khác nhau . Giá trị của Ktn=QN/QK, Ktính theo phương trình 3.10 và sai số (%). Mối liên hệ giữa độ nhớt của dung dịch đường và nước tại 200C . Kết quả tính KMH và mức sai số so với Ktn.