Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thu hồi photpho từ nước thải heo bằng kết tủa struvite

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus study on phosphorus recovery from digested piggery wastewater by struvite precipitation, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Vu Phuong Thuy
• Người hướng dẫn: Professor Cao The Ha
• Trường học: Hanoi University of Science, Technische Universität Dresden
• Chuyên ngành: Environmental Engineering/Wastewater Treatment
• Đề tài: Study on Phosphorus Recovery from Digested Piggery Wastewater by Struvite Precipitation
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• 1. REVIEW OF LITERATURE
• 1.1. Introduction to phosphorus and its applications
• 1.2. Impacts of excessive phosphorus in water streams
• 1.3. Recovery of phosphorus
• 1.4. Phosphorus removal and recovery techniques
• 1.5. Struvite chemistry in wastewater
• 2. GOAL AND OBJECTIVES
• 3. MATERIALS AND METHODS
• 3.1. Wastewater collection and analysis
• 3.2. Jar-test experiment procedure
• 3.2.1. Impact of pH
• 3.2.2. Impact of magnesium addition
• 3.2.3. Impact of Calcium ions
• 3.2.4. Impact of stirring speed
• 3.3. Bench-scale experiments
• 3.3.1. Reactor design and batch mode experiment
• 3.3.2. Accumulation device design and continuous mode experiment
• 3.4. Analytical and assessment methods
• 3.5. Kinetic model design for phosphorus removal
• 4. RESULTS AND DISCUSSIONS
• 4.1. Characteristics of the digested piggery wastewater
• 4.2. Jar-test experiments - Impact of factors
• 4.3. Bench-scale experiments
• 4.3.1. Batch mode experiment
• 4.3.2. Continuous mode experiment
• 5. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thu hồi photpho từ nước thải heo

Nghiên cứu thu hồi photpho từ nước thải heo bằng kết tủa struvite là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Nước thải từ ngành chăn nuôi heo chứa hàm lượng photpho cao, gây ra ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Việc thu hồi photpho không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn tài nguyên quý giá cho nông nghiệp.

1.1. Tại sao cần thu hồi photpho từ nước thải heo

Việc thu hồi photpho từ nước thải heo giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cung cấp nguồn photpho cho nông nghiệp. Nước thải heo chứa nhiều chất dinh dưỡng, trong đó có photpho, có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng trong các nguồn nước nếu không được xử lý.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng struvite trong thu hồi photpho

Struvite là một loại khoáng chất có thể được sử dụng như một loại phân bón chậm tan. Việc thu hồi photpho dưới dạng struvite không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cho nông nghiệp.

II. Vấn đề ô nhiễm từ nước thải heo và thách thức trong xử lý

Nước thải heo là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn nhất trong ngành chăn nuôi. Hàm lượng photpho và ammonium cao trong nước thải có thể dẫn đến ô nhiễm nguồn nước và gây ra các vấn đề về sức khỏe cộng đồng. Việc xử lý nước thải heo hiện nay vẫn gặp nhiều khó khăn do công nghệ chưa hiệu quả và chi phí cao.

2.1. Tác động của ô nhiễm photpho đến môi trường

Ô nhiễm photpho có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, làm giảm chất lượng nước và ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Các loài thủy sinh có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng do thiếu oxy trong nước.

2.2. Thách thức trong việc xử lý nước thải heo

Các phương pháp xử lý hiện tại như biogas và hồ chứa thường không đủ hiệu quả trong việc loại bỏ photpho. Cần có các giải pháp mới và hiệu quả hơn để xử lý nước thải heo.

III. Phương pháp thu hồi photpho bằng kết tủa struvite

Kết tủa struvite là một phương pháp hiệu quả để thu hồi photpho từ nước thải heo. Phương pháp này dựa trên việc tạo ra struvite từ các ion photpho, ammonium và magnesium trong nước thải. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng pH, tỷ lệ mol ion và tốc độ khuấy có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi photpho.

3.1. Quy trình kết tủa struvite

Quy trình kết tủa struvite bao gồm việc điều chỉnh pH và thêm các ion magnesium vào nước thải. Khi các điều kiện này được tối ưu hóa, struvite sẽ kết tủa và có thể được thu hồi dễ dàng.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi

Nghiên cứu cho thấy rằng pH tối ưu cho quá trình kết tủa struvite là khoảng 9.25. Tỷ lệ mol Mg:P cũng cần được điều chỉnh để đạt hiệu suất thu hồi cao nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thu hồi photpho từ nước thải heo bằng kết tủa struvite có thể đạt hiệu suất cao. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh pH và tỷ lệ mol ion là rất quan trọng. Sản phẩm thu hồi có thể được sử dụng như phân bón, giúp cải thiện chất lượng đất.

4.1. Hiệu suất thu hồi photpho trong thí nghiệm

Các thí nghiệm cho thấy rằng hiệu suất thu hồi photpho có thể đạt tới 90% khi điều chỉnh đúng các yếu tố như pH và tỷ lệ mol ion.

4.2. Ứng dụng của struvite trong nông nghiệp

Struvite có thể được sử dụng như một loại phân bón chậm tan, giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách hiệu quả và bền vững.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu thu hồi photpho từ nước thải heo bằng kết tủa struvite không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn tài nguyên quý giá cho nông nghiệp. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

5.1. Tương lai của công nghệ thu hồi photpho

Công nghệ thu hồi photpho bằng kết tủa struvite có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường. Cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần nghiên cứu thêm về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tủa struvite và phát triển các công nghệ mới để nâng cao hiệu quả thu hồi photpho từ nước thải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ với quy mô tổng đàn đạt 27,6 triệu con vào năm 2009 và xu hướng gia tăng nhanh chóng trong các năm tiếp theo. Cả nước có hơn 6.000 trang trại chăn nuôi lợn quy mô tập trung, phát sinh khoảng 20 đến 30 triệu mét khối chất thải lỏng mỗi năm. Trong số đó, có tới 80% lượng nước thải chưa qua xử lý triệt để xả thẳng ra môi trường tự nhiên, đe dọa nghiêm trọng đến hệ thống sông ngòi và các thủy vực tiếp nhận.

Nước thải sau hầm biogas vẫn chứa hàm lượng rất cao các hợp chất dinh dưỡng, đặc biệt là photpho và nitơ amoni, gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa nghiêm trọng nguồn nước mặt. Theo khuyến nghị của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA), tổng photpho không được vượt quá 0,1 mg/L đối với dòng chảy tự nhiên và không quá 0,05 mg/L khi đổ vào hồ chứa để ngăn chặn sự bùng phát của tảo độc. Mặt khác, photpho là tài nguyên không thể tái tạo từ quặng photphat tự nhiên và đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt trong 60 đến 100 năm tới. Hệ tiêu hóa của lợn chỉ hấp thụ khoảng 14% lượng photpho trong ngô và 31% trong đậu nành, khiến phần lớn khoáng chất quý giá này bị đào thải ra ngoài.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Vũ Phương Thùy, dưới sự hướng dẫn khoa học của Giáo sư Tiến sĩ Cao Thế Hà tại Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội phối hợp cùng Đại học Công nghệ Dresden (Đức), được thực hiện nhằm giải quyết đồng thời hai thách thức lớn: xử lý ô nhiễm photpho và thu hồi nguồn tài nguyên này dưới dạng khoáng struvite sạch. Nghiên cứu triển khai trên nguồn nước thải sau biogas thực tế tại Trung tâm Nghiên cứu Lợn Thụy Phương (Từ Liêm, Hà Nội) với quy mô xả thải 200 mét khối/ngày từ đàn lợn 1.000 con. Kết quả mở ra hướng đi bền vững với hiệu suất thu hồi photpho đạt trên 92%, tạo ra sản phẩm phân bón nhả chậm có độ tinh khiết cao xấp xỉ 95%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên nhiệt động học quá trình kết tủa tinh thể struvite (magie amoni photphat hexahydrat, công thức hóa học MgNH4PO4.6H2O, tích số tan pKsp xấp xỉ 13,26). Phản ứng kết tủa diễn ra theo tỷ lệ mol 1:1:1 giữa các ion Mg2+, NH4+ và PO43- khi tích số hoạt độ ion trong dung dịch vượt qua ngưỡng bão hòa ở môi trường kiềm (pH tối ưu từ 8,5 đến 9,5).

Lý thuyết cạnh tranh pha và động học kết tinh giữa photphat canxi và struvite cũng được tích hợp chặt chẽ. Do tích số tan của CaHPO4 (Ksp = 2,7 nhân 10 mũ -7) lớn hơn nhiều so với struvite (Ksp = 2,5 nhân 10 mũ -13), canxi có xu hướng phản ứng tạo kết tủa nhanh ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên, khi kiểm soát tỷ lệ mol Mg:Ca ở mức từ 2:1 đến 4:1, các tinh thể struvite dạng hình sao (star-shape) có kích thước 250 đến 500 micromet vẫn hình thành và phát triển ưu thế.

Khái niệm công nghệ thu hồi photpho bền vững đặt ra sự so sánh giữa phương pháp kết tủa struvite với các giải pháp truyền thống. Khác với kết tủa hóa học bằng muối sắt hay nhôm chỉ loại bỏ photpho đơn thuần và làm phát sinh khối lượng bùn thải lớn, kết tủa struvite đồng thời loại bỏ cả photpho lẫn amoni, giảm thể tích bùn thải lên tới 49%, tạo ra nguồn phân bón chậm tan có giá trị thương mại cao mà không gây cháy rễ cây trồng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ nước thải sau bể biogas của Trung tâm Nghiên cứu Lợn Thụy Phương. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 200 lít nước thải thực tế, được lấy theo phương pháp mẫu hỗn hợp đại diện tại rãnh thoát, để lắng cơ học 24 giờ và chiết phần nước trong bảo quản ở 4 độ C trước khi tiến hành thí nghiệm. Các chỉ tiêu ban đầu gồm pH dao động quanh 7,1; COD trung bình 220 mg/L; TSS đạt 58 mg/L; P-PO4 đạt 52 mg/L; N-NH4 đạt 153 mg/L; Mg2+ đạt 27 mg/L và Ca2+ đạt 53 mg/L.

Phương pháp thí nghiệm Jar-test được tiến hành trên các bình phản ứng 200 đến 400 mL để đánh giá 4 biến số độc lập: 9 mức pH từ 8,0 đến 9,5 điều chỉnh bằng dung dịch NaOH 3M; 6 tỷ lệ mol Mg:P từ 1:1 đến 2,5:1 bằng dung dịch MgCl2 0,1M; 6 dải tỷ lệ Mg:Ca từ 4:1 đến 1:2 trên nước thải tổng hợp có nồng độ 100 mg/L photphat và 139 mg/L amoni; cùng 3 mức tốc độ khuấy là 50, 80 và 100 vòng/phút trong thời gian 120 phút.

Thí nghiệm trên mô hình cột bench-scale bằng vật liệu Plexiglass có đường kính trong 90 mm, chiều cao 1.000 mm và dung tích làm việc 6 lít. Quá trình vận hành khảo sát ở hai chế độ: Chế độ gián đoạn (mẻ) với 5 lít nước thải, kết hợp sục khí 20 L/phút trong 40 phút và bổ sung 2.916 mg MgCl2.6H2O; và chế độ liên tục vận hành trong 5 ngày với lưu lượng 2 L/giờ (48 L/ngày), thời gian lưu thủy lực 3 giờ, sử dụng cụm lưới thép không gỉ SUS304L có diện tích bề mặt 2.637 cm2 để thu gom tinh thể.

Các chỉ tiêu hóa lý hòa tan được phân tích theo Tiêu chuẩn Chuẩn APHA (1998). Hình thái và cấu trúc tinh thể được nhận diện thông qua kính hiển vi quang học và phân tích nhiễu xạ tia X (XRD). Tốc độ tách photpho được mô hình hóa theo phương trình động học bậc một để xác định hằng số tốc độ phản ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thí nghiệm đã xác lập 4 phát hiện quan trọng về mặt công nghệ và động học phản ứng:

Hiệu suất loại bỏ photpho chịu ảnh hưởng quyết định bởi giá trị pH môi trường. Hiệu suất tăng mạnh từ 54,3% ở pH 8,0 lên mức cao nhất 93,5% ở pH 9,25. Tuy nhiên, tại ngưỡng pH 8,80, hiệu suất xử lý đã đạt 89,2% đến 90,1%, chỉ kém khoảng 4% so với giá trị cực đại nhưng tiết kiệm đáng kể lượng hóa chất kiềm hóa bổ sung.

Tỷ lệ mol Mg:P và cường độ khuấy trộn đóng vai trò thúc đẩy phản ứng. Khi nâng tỷ lệ Mg:P từ 1:1 lên 2,5:1, hiệu suất loại bỏ photpho tăng từ 81,2% lên 91,4%. Tốc độ khuấy ở mức 80 và 100 vòng/phút giúp quá trình đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 40 đến 60 phút với hiệu suất tách đạt 85% đến 87% (nồng độ photpho dư khoảng 7 mg/L), vượt trội so với tốc độ khuấy 50 vòng/phút (nồng độ dư 10 mg/L sau 120 phút).

Ion canxi thể hiện tác động kép đến quá trình kết tinh. Ở tỷ lệ Mg:Ca từ 3:1 đến 4:1, hiệu suất tách photpho đạt 93% đến 94%, kích thích hình thành các cụm tinh thể struvite dạng sao phân nhánh lớn với kích thước 250 đến 500 micromet. Ngược lại, khi tỷ lệ Mg:Ca hạ xuống 1:2, ion canxi chiếm ưu thế tạo kết tủa CaHPO4 vô định hình và triệt tiêu hoàn toàn sự kết tinh của struvite.

Vận hành mô hình cột đạt hiệu quả thu hồi vượt trội. Trong chế độ mẻ, nồng độ P-PO4 giảm mạnh từ 50,81 mg/L xuống 10,2 mg/L chỉ trong 20 phút đầu và đạt 3,6 mg/L sau 180 phút (tương ứng hiệu suất 93,89%), đồng thời loại bỏ 29,8% amoni dư thừa. Trong chế độ liên tục 5 ngày, hiệu suất tách photpho trung bình đạt 92,96% với nồng độ dòng ra ổn định ở mức 8,6 đến 14,2 mg/L, tích tụ lượng tinh thể đồng nhất trên bề mặt lưới thép.

Thảo luận kết quả

Mô hình động học phản ứng bậc một mô tả sự suy giảm nồng độ photpho theo thời gian với độ tin cậy rất cao, thể hiện qua hệ số tương quan tuyến tính R2 = 0,975 trên đồ thị quan hệ giữa biến số ln(C - Ceq) và thời gian t. Hằng số tốc độ phản ứng k được xác định xấp xỉ 3,0 h-1. Đường cong suy giảm nồng độ phản ánh tốc độ chuyển hóa diễn ra mạnh mẽ nhất trong 20 phút đầu nhờ lực dẫn siêu bão hòa ban đầu rất lớn khi cấp khí và kiềm hóa.

Biện pháp sục khí cưỡng bức với lưu lượng 5 L/phút trong 40 phút đầu tiên đã chứng minh hiệu quả kinh tế rõ rệt khi làm bay hơi khí CO2 hòa tan, giúp nâng pH tự nhiên của nước thải từ 7,1 lên 7,62 trước khi bổ sung hóa chất kiềm. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận sản phẩm bám dính trên lưới thép SUS304L là tinh thể khoáng struvite nguyên chất với độ tinh khiết xấp xỉ 95%.

Bảng cân bằng vật chất cho thấy lượng kết tủa khô thu hồi đạt mức 388 mg trên mỗi lít nước thải sau biogas. Tinh thể dạng hình sao bám chắc vào các mắt lưới 1,37 mm của thiết bị gom, giúp đơn giản hóa khâu thu hoạch và chỉ cần làm khô tự nhiên mà không tốn chi phí ép lọc bùn hay sấy nhiệt phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

Ứng dụng công nghệ kết tủa struvite tại các cơ sở chăn nuôi lợn tập trung: Thiết kế và lắp đặt hệ thống phản ứng cột sục khí kết hợp lưới thu gom SUS304L cho các trang trại nuôi trên 1.000 con lợn; đặt mục tiêu loại bỏ trên 90% photpho và thu hồi 350 đến 400 gam phân bón struvite khô/m3 nước thải; thời gian triển khai từ 6 đến 12 tháng do chủ trang trại phối hợp với các đơn vị tư vấn môi trường thực hiện.

Chuẩn hóa quy trình điều khiển thông số vận hành tự động: Tích hợp hệ thống cảm biến kiểm soát pH cố định ở ngưỡng 8,80 và châm hóa chất tự động duy trì tỷ lệ mol Mg:P từ 1,2:1 đến 1,5:1 cùng tỷ lệ Mg:Ca ở mức 3:1; giúp cắt giảm 15% đến 20% chi phí kiềm NaOH và muối magie; lộ trình hoàn thiện trong 3 tháng đầu vận hành do kỹ sư trạm xử lý đảm trách.

Xây dựng cơ chế chính sách và tiêu chuẩn chất lượng phân bón tái chế: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cùng Bộ Tài nguyên và Môi trường cần ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia cho sản phẩm phân bón struvite thu hồi từ chất thải chăn nuôi, cung cấp gói tín dụng xanh và chính sách ưu đãi thuế giai đoạn 2026-2030 cho các dự án kinh tế tuần hoàn nông nghiệp.

Thử nghiệm các nguồn cung cấp magie chi phí thấp: Nghiên cứu thay thế hóa chất MgCl2 tinh khiết bằng nước ót sau khai thác muối biển hoặc khoáng đôlômit nung nhằm hạ thấp 40% đến 50% chi phí vận hành xử lý; thời gian thực hiện nghiên cứu chuyên sâu 12 tháng do các trường đại học và viện nghiên cứu môi trường phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Chủ trang trại và doanh nghiệp chăn nuôi lợn quy mô công nghiệp: Cung cấp giải pháp xử lý triệt để hàm lượng dinh dưỡng sau hầm biogas, giúp đáp ứng nghiêm ngặt các quy chuẩn xả thải môi trường và tạo thêm nguồn doanh thu đáng kể từ việc thu gom 388 mg phân bón sạch trên mỗi lít nước thải.

Kỹ sư môi trường và nhà thiết kế công trình xử lý nước thải: Cung cấp thông số công nghệ chi tiết từ mô hình cột 6 lít phục vụ thiết kế mở rộng trạm xử lý quy mô pilot 200 m3/ngày, bao gồm lưu lượng nạp 2 L/h, thời gian lưu 3 giờ và cấu tạo cụm lưới thu gom SUS304L diện tích 2.637 cm2.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Hóa học: Tài liệu tham khảo học thuật giá trị về mô hình động học bậc một (k = 3,0 h-1), cơ chế tương tác phức hợp giữa các ion Mg-Ca-NH4-PO4 và các phương pháp phân tích khoáng học qua kính hiển vi quang học và giản đồ XRD.

Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách nông nghiệp xanh: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm vững chắc để hoạch định chính sách phát triển kinh tế tuần hoàn trong nông nghiệp, hướng tới bảo tồn nguồn tài nguyên photpho chiến lược đang cạn kiệt nhanh chóng trên quy mô toàn cầu.

Câu hỏi thường gặp

Tỷ lệ pH tối ưu nhất cho quá trình thu hồi photpho dạng struvite là bao nhiêu? Nghiên cứu chỉ ra hiệu suất tách photpho đạt cực đại 93,5% ở pH 9,25. Tuy nhiên, mức pH khuyến nghị tối ưu nhất cho thực tế là 8,80 với hiệu suất đạt 90,1%, giúp tiết kiệm đáng kể hóa chất NaOH và giảm chi phí trung hòa nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Ion canxi trong nước thải ảnh hưởng thế nào đến quá trình kết tinh struvite? Khi tỷ lệ Mg:Ca duy trì ở mức 3:1 đến 4:1, canxi kích thích tinh thể struvite phát triển thành dạng sao phân nhánh lớn từ 250 đến 500 micromet với hiệu suất tách 94%. Tuy nhiên, nếu tỷ lệ Mg:Ca giảm xuống 1:2, canxi sẽ cạnh tranh tạo kết tủa vô định hình CaHPO4 và ngăn cản hoàn toàn sự hình thành tinh thể struvite.

Sản phẩm struvite thu hồi có sử dụng trực tiếp làm phân bón nông nghiệp được không? Có, sản phẩm khoáng struvite thu hồi trên lưới thép SUS304L đạt độ tinh khiết xấp xỉ 95% sau khi phơi khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng. Khoáng chất này chứa hàm lượng magie, amoni và photpho cân đối, có đặc tính hòa tan chậm trong đất, chống rửa trôi và cung cấp dinh dưỡng an toàn cho cây trồng.

Tốc độ khuấy trộn trong thiết bị phản ứng nên duy trì ở mức bao nhiêu? Tốc độ khuấy trộn tối ưu là từ 80 đến 100 vòng/phút, giúp nồng độ photpho dư giảm nhanh về mức ổn định 7 mg/L sau 40 đến 60 phút (hiệu suất đạt 87%). Nếu khuấy quá mạnh sẽ làm vỡ liên kết tinh thể mịn, trong khi khuấy yếu 50 vòng/phút sẽ kéo dài thời gian lắng và giảm hiệu suất xuống 82%.

Hiệu quả loại bỏ đồng thời nitơ amoni trong quá trình kết tủa đạt mức nào? Trong thí nghiệm mẻ với 5 lít nước thải sau biogas, nồng độ N-NH4 giảm từ 141,2 mg/L xuống 99,1 mg/L sau 180 phút phản ứng, tương ứng hiệu suất loại bỏ amoni đạt 29,8%. Quá trình này giúp giảm tải đáng kể hàm lượng nitơ cho các công trình xử lý sinh học phía sau.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn nổi bật:

• Xác định toàn diện đặc tính hóa lý của nước thải chăn nuôi lợn sau hầm biogas với tỷ lệ mol PO4:Mg:NH4 đạt 1:0,67:5,47, chứng minh tiềm năng kết tủa struvite lý tưởng.
• Làm sáng tỏ ảnh hưởng cốt lõi của 4 thông số công nghệ trọng yếu gồm pH 8,80, tỷ lệ Mg:P từ 1,2:1 đến 1,5:1, tỷ lệ Mg:Ca ở mức 3:1 và tốc độ khuấy 80 đến 100 vòng/phút, giúp hiệu suất loại bỏ photpho luôn đạt trên 90%.
• Xác lập thành công mô hình động học bậc một mô tả tốc độ phản ứng với hằng số k = 3,0 h-1 và hệ số tương quan R2 = 0,975, cho phép phản ứng kết tủa hoàn tất nhanh chóng trong 20 đến 40 phút.
• Chế tạo và vận hành thành công mô hình phản ứng liên tục 6 lít trang bị lưới thép không gỉ SUS304L, thu hồi sản phẩm struvite có độ tinh khiết cao 95% ở công suất 48 L/ngày.
• Khẳng định tính khả thi của lộ trình thương mại hóa và nhân rộng công nghệ trong giai đoạn 2026-2030, đóng góp giải pháp kinh tế tuần hoàn thiết thực cho ngành chăn nuôi Việt Nam. Bạn đọc và các đơn vị quan tâm hãy tham khảo toàn văn luận văn để tiếp cận toàn bộ dữ liệu chi tiết cùng các bản vẽ kỹ thuật chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN Master Thesis STUDY ON PHOSPHORUS RECOVERY FROM DIGESTED PIGGERY WASTEWATER BY STRUVITE PRECIPITATION Vu Phuong Thuy Supervisor: Professor. Cao The Ha Hanoi, November 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ACKNOWLEDGEMENTS I would like to thank Professor Doctor Cao The Ha, my supervisor, and greatly appreciate his supervision, advice, and guidance from the early stage of this research as well as giving me experiences throughout the work. During the time I was doing the research, he also gave the great opportunity, the best support and conditions in many ways for me to go to National Institute for Environment Studies, Japan to participate in the training course “Sustainable Landfill Management”. Many thanks to all the staffs in the Center for Environmental Technology and Sustainable Development and the Faculty of Chemistry of Hanoi University of Science for helping me with analytical techniques.

I would like to thank to Dr. Kazuyoshi Suzuki, Dr. Anton Perera, Prof. Phil Westerman for your helps with answering my questions.

Finally, I would like to thank to my family, my friends who are always supportive and encourage me during difficult times, especially my mom who helped me to take care of the experiment that was performed in my house. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ABSTRACT This research studied on struvite precipitation as a method to remove and recovery phosphorus in the real digested piggery wastewater to form a product as fertilizer. There are many factors that affect to the precipitation of struvite such as pH, ion molar ratios, aeration, mixing energy, temperature… In this study, series of jar-test experiments were conducted to investigate the influence of pH, Mg:P molar ratio, Ca ions and mixing speed to the phosphorus removal efficiency and the crystallization of struvite. Experiments with lab-scale reactor in batch and continuous mode were also conducted to investigate the kinetic of phosphorus removal, the controlled struvite crystallization and the quality of the generated product.

The results showed that, a) At pH at 9.25, the phosphorus removal efficiency was the highest. b) Increasing Mg:P molar ratio (from 1 to 2.5) and stirring speed (from 50 rpm to 100 rpm) led to enhanced phosphorus removal efficiency. c) Ca ions play important role in both phosphorus removal efficiency and crystallization of struvite. A presence of Ca ions at Mg:Ca of 4:1 to 2:1 will increase the phosphorus removal efficiency and affect the morphology of struvite crystals compared to Mg:Ca of 1:1, 2:1 or 1:0.

d) The rate constant of phosphorus removal in the pilot-scale experiment with digested piggery wastewater when Mg ions added estimated as 0. e) It is possible to attach and grow struvite crystals on stainless steel mesh in order to recover it as fertilizer. KEYWORDS Struvite, stirring speed, digested piggery wastewater, phosphorus removal, crystallization. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] TABLE OF CONTENTS Page List of figures.3 List of tables.5 1 REVIEW OF LITERATURE .1 Introduction to phosphorus and its applications.2 Impacts of excessive phosphorus in water streams.3 Recovery of phosphorus.4 Phosphorus removal and recovery techniques.2 Struvite chemistry in wastewater.14 2 GOAL AND OBJECTIVES.17 3 MATERIALS AND METHODS.1 Wastewater collection and analysis.2 Jar-test experiment procedure.1 Impact of pH.2 Impact of magnesium addition.3 Impact of Calcium ions.21 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Impact of stirring speed.3 Bench-scale experiments.1 Reactor design and batch mode experiment.2 Accumulation device design and continuous mode experiment.4 Analytical and assessment methods.2 Kinetic model design for phosphorus removal.28 4 RESULTS AND DISCUSSIONS.1 Characteristics of the digested piggery wastewater.2 Jar-test experiments - Impact of factors.3 Bench-scale experiments.1 Batch mode experiment.2 Continuous mode experiment.46 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS.55 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF FIGURES Figure 3-1 Schematic diagram of batch mode experiment.23 3-2 Photo of batch mode experiment.24 3-3 Schematic diagram of continuous mode experiment.26 4-1 Effect of pH to %P-Removal.32 4-2 Effect of magnesium addition to %P-removal.33 4-3 Effect of Mg:Ca ratio to %P-removal.36 4-4 (a), (b), (c) Photos of struvite crystals by light microscope.

Photos of struvite crystals by light microscope.40 4-5 Residual P-PO4 concentration at different stirring speed versus time.42 4-6 Residual P-PO4 concentration and pH value versus time.44 4-7 Linear of kinetic model of phosphate removal.45 4-8 (a), (b), (c) Photos of struvite crystal growth on stainless steel mesh.48 4-9 Photos of struvite crystals on inner and outer mesh.49 4-10 (a), (b) Photos of struvite crystals taken out of the mesh.50 4-11 X-RAY diffraction of recovered struvite crystals.52 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF TABLES Table 1-1 Summary of phosphorus removal technologies, Morse et al.10 1-2 Summary of phosphorus recovery technologies, Morse et al.11 4-1 Characteristic of the digested piggery wastewater (19/07/2011).30 4-2 Effect of pH to %P-Removal.31 4-3 Effect of magnesium addition to %P-removal.33 4-4 Solid species examined and selected as primary precipitation.34 4-5 Effect of Mg:Ca ratio to %P-removal.35 4-6 Residual P-PO4 concentration at different stirring speed versus time.42 4-7 Residual P-PO4 concentration and pH value versus time.43 4-8 Characteristic of wastewater before and after the experiment.45 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] INTRODUCTION Livestock industry is a very important sector of Vietnam which has the strong growth especially in pork production in recent years. However, this can lead to many serious environmental issues as well. According to Department of Livestock Husbandry, Ministry of Agriculture and Rural Development, until October 2009, the number of pigs in over Vietnam was 27.6 mil and predicted to be 36. In 2006, there were 18,000 castle farms in Vietnam in which 6,000 were piggery farms.

Each year, 20-30 mil m3 liquid waste is discharged from pig farms and 80% of that is discharged directly into the environment without any pretreatment and caused many pollutions. Livestock wastewater contains high content of nutrients. In Vietnam, the most common treatment method for livestock wastewater is biogas tank and lagoon. Biogas tanks can treat COD and lagoons can treat N, P but with long retention time.

The wastewater quality after treatment by these methods is not good enough for discharging into the environment yet. Especially, there are lack of management of phosphorus and ammonium which are elements that can cause pollutions of surface water bodies by extra eutrophication. Besides, phosphorus is an irreplaceable element essential for every living thing on earth which global reserve is going to run out in 60-100 years. Removal of phosphorous by precipitation of struvite has been studied and used somewhere in Europe and Asia for both animal manures and municipal wastewater.

Struvite is a mineral formed from three specific components: magnesium, ammonium and phosphate. Struvite (magnesium ammonium phosphate) precipitates as a compact crystal. Therefore, a small amount of easily settleable solids is generated in a struvite precipitation process. Unlike other chemical phosphorus precipitation methods (e.

using aluminum or ion salt etc.) where only phosphorus alone is removed, in struvite 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] precipitation both phosphorus and ammonium are removed, this this important in the case of piggery wastewater containing large amount of both phosphorus and ammonium. In addition, struvite is easily transported and can be used as a slow-release fertilizer. (NYSERDA, 2006) This report presents the study on struvite precipitation from digested piggery wastewater. The study includes discussion of the relevant background information and a literature review of struvite (Section 1), Goals and objectives of the study (Section 2); Material and methods with series of jar-test experiments and lab-scale reactor experiments (Section 3); Results and discussions (Section 4); and Conclusions and recommendation (Section 5).

6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 REVIEW OF LITERATURE 1.1 Introduction to phosphorus and its applications Together with Nitrogen and Potassium, Phosphorus is an important element for living organisms. The vast majority of phosphorus sources are consumed as fertilizers in agriculture in over the world. Phosphorus is necessary for the promotion of plant growth and hence, improves crop yield, seed formation and quality of fruit. To balance the nutrients in soils, phosphorus can be added periodically under the form of inorganic fertilizers or manures.

Phosphorus is also one of the vital elements needed for livestock as well. It is consumed through the diet of animals. Phosphorus has the function in preventing health problems, improve bone strength and muscle production in animal bodies. Besides, phosphorus is also used in other applications such as detergent production, food processing, chemical production,… However, phosphorus can be lost from the source and discharged into the environment by different ways naturally or due to the lack of proper management.

For example, it can be lost from soils by some ways such as crop uptake and removal, runoff and erosion, or leaching. Or it can also be lost from animal feeding source through the waste streams because not 100% of intake phosphorus will remain in animal bodies. According to ICM, 2000 (http://www.edu/ipm/icm/2000/8-7- 2000/pbasics.html), 14% of phosphorus in corn and 31% of phosphorus in soybean can be digested by swine, hence, a large percentage of intake phosphorus is excreted into 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] waste streams. Due to the mismanagement of this mineral element, there are many issues related to environmental problems, especially water environment.2 Impacts of excessive phosphorus in water bodies Phosphorus is not toxic, but it can affect the biological activity in clean water bodies.

Once phosphorus level in surface water exceeds the critical value for aquatic plant growth, it can cause eutrophication to happen and degrade the water quality. Advanced eutrophication can also lower dissolved oxygen and increasing the BOD (biological oxygen demand) and hence, reduce the aquatic wildlife populations and species diversity in the water body. The USEPA (United States Environmental Protection Agency) recommends that total phosphorus should not exceed 0.1 mg/L in streams and that should not exceed 0.05 mg/L in streams where they enter a lake or reservoir.3 Recovery of phosphorus Phosphorus in phosphate rocks is an irreplaceable resource. In order to meet the increasing demand of fertilizers for agriculture and other purposes, phosphate resources are mined with an increasing rate.

In order to contribute to the security of phosphate resource on earth as well as to prevent the potential environmental issues, phosphate should be removed and recovered from waste streams before discharged into the surface water. This includes extracting phosphates from the sources in the forms that can be used in industry as a renewable resource or as fertilizers in agriculture. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Numerous of studies and applications of phosphorus recovery have been conducted with effort of recovery this resource from waste streams of which precipitation is the most common concerned method. Phosphorus can be extracted from the waste streams (i., sewage treatment plant, livestock waste…) in the forms of precipitated compounds such as calcium phosphate, magnesium phosphate, magnesium ammonium phosphate or struvite.

Recovery of phosphorus in waste streams will help to minimize environmental damages, contribute to balance phosphate rock resource on earth and offer economic returns of the recovered products. Phosphorus removal and recovery has been the concerned topic all over the world for several decades. Many methods and technologies have been researched and introduced until now, however its applications in reality are still limited. In the world, the industrial use of recovered phosphorus from waste streams has been successfully implied in several plants in developed countries (Japan, Netherland).

Phosphorus removal and recovery techniques still continue to be an attractive subject all over the world for national and international authorities, scientific institutions, industry and other interested parties… In the next part of this report, an overview of existing techniques on phosphorus removal and recovery will be described in details.4 Phosphorus removal and recovery techniques According to Morse et al. 1998, a wide range of technologies for phosphorus removal and recovery were developed including chemical precipitation, biological phosphorus removal, crystallization, novel chemical precipitation approaches and a number of wastewater and sludge-based methods. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.