Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xử lý nước thải bằng bể phản ứng EGSB sử dụng giá thể PVA

• Tác giả: Vũ Đình Khang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tấn Phong
• Trường học: Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải bằng Expanded Granular Sludge Bed Reactor (EGSB) sử dụng giá thể Polyvinyl Alcohol (PVA)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nghiên cứu xử lý nước thải bằng bể phản ứng EGSB

Nghiên cứu xử lý nước thải bằng bể phản ứng EGSB là một hướng tiếp cận mới trong lĩnh vực công nghệ môi trường. Bể phản ứng EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) là một dạng cải tiến của bể UASB, được phát triển để xử lý nước thải có nồng độ COD thấp và trung bình. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng giá thể PVA (Polyvinyl Alcohol) làm vật liệu dính bám, giúp hình thành các hạt bùn kỵ khí trong bể EGSB. Giá thể PVA có cấu trúc tổ ong, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí phát triển và ổn định sinh khối. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý COD của bể EGSB sử dụng giá thể PVA cao hơn so với bể EGSB sử dụng bùn hạt thông thường, đặc biệt ở các tải trọng hữu cơ cao.

1.1. Ứng dụng giá thể PVA trong xử lý nước thải

Giá thể PVA được sử dụng làm vật liệu dính bám trong bể phản ứng EGSB nhờ cấu trúc tổ ong với các lỗ rỗng, tạo điều kiện cho vi sinh vật kỵ khí cư trú và phát triển. Nghiên cứu cho thấy sau 37 ngày vận hành, bề mặt giá thể PVA chuyển từ màu trắng sang màu nâu đậm do sự hình thành lớp màng sinh học. Hiệu quả xử lý COD của bể EGSB sử dụng giá thể PVA đạt 92,6% ở tải trọng 10kgCOD/m³.ngày, cao hơn so với bể EGSB sử dụng bùn hạt thông thường (88,7%). Điều này chứng minh tính ưu việt của giá thể PVA trong việc nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

II. Công nghệ EGSB trong xử lý nước thải công nghiệp

Công nghệ EGSB được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải từ ngành chế biến thủy sản. Nghiên cứu này sử dụng nguồn nước thải thủy sản có hàm lượng COD dao động từ 0,8-1g/L. Bể phản ứng EGSB được thiết kế để xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao, với hiệu quả xử lý COD ổn định trong khoảng 80-90%. So với các phương pháp truyền thống như UASB, công nghệ EGSB cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình lắng và nén bùn, giảm thiểu thất thoát sinh khối bùn ra ngoài. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả xử lý mà còn giảm chi phí vận hành và bảo trì hệ thống.

2.1. So sánh hiệu quả giữa EGSB và UASB

Nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý nước thải giữa bể phản ứng EGSB và bể UASB cho thấy công nghệ EGSB vượt trội hơn về khả năng xử lý COD và ổn định sinh khối bùn. Bể EGSB sử dụng giá thể PVA đạt hiệu suất xử lý COD cao hơn 4% so với bể UASB ở cùng tải trọng hữu cơ. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của công nghệ EGSB trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là các ngành có nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao.

III. Giải pháp môi trường bền vững với công nghệ EGSB

Nghiên cứu này đề xuất giải pháp môi trường bền vững thông qua việc ứng dụng công nghệ EGSB trong xử lý nước thải. Bể phản ứng EGSB không chỉ mang lại hiệu quả xử lý cao mà còn giảm thiểu chi phí năng lượng và lượng bùn thải ra môi trường. Việc sử dụng giá thể PVA giúp tăng cường khả năng xử lý sinh học, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng công nghệ EGSB phù hợp với các hệ thống xử lý nước thải quy mô vừa và lớn, đặc biệt là trong các khu công nghiệp và nhà máy chế biến thủy sản.

3.1. Tính bền vững của công nghệ EGSB

Công nghệ EGSB được đánh giá là một giải pháp môi trường bền vững nhờ khả năng xử lý hiệu quả nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao, đồng thời giảm thiểu lượng bùn thải và tiêu thụ năng lượng. Nghiên cứu cho thấy bể EGSB sử dụng giá thể PVA có thể xử lý nước thải với hiệu suất ổn định trong thời gian dài, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt. Điều này khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ EGSB trong việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng tại Việt Nam, vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, ngày càng trở nên nghiêm trọng. Nước thải từ ngành chế biến thủy sản với hàm lượng chất hữu cơ cao (COD dao động khoảng 0,8-1 g/L) là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính. Việc xử lý nước thải hiệu quả không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho các nhà máy chế biến thủy sản. Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải bằng bể phản ứng bùn hạt kỵ khí tầng bùn mở rộng (Expanded Granular Sludge Bed - EGSB) sử dụng giá thể Polyvinyl Alcohol (PVA) nhằm nâng cao hiệu quả xử lý COD và các chỉ số môi trường khác.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình EGSB sử dụng hạt PVA làm giá thể dính bám so với mô hình EGSB sử dụng bùn hạt kỵ khí thông thường. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với thời gian vận hành kéo dài 152 ngày, qua 6 bước tải trọng hữu cơ khác nhau từ 4 đến 20 kg COD/m³.ngày. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ EGSB với giá thể PVA vào xử lý nước thải thủy sản, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế cho các nhà máy chế biến thủy sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết về quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải, bao gồm bốn giai đoạn chính: thủy phân, acid hóa, acetate hóa và methane hóa. Quá trình này được thực hiện bởi các nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau, trong đó vi khuẩn methan đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn cuối cùng tạo khí methane. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kỵ khí gồm nhiệt độ, pH, độ kiềm, chất dinh dưỡng và các chất độc hại.

Bể phản ứng EGSB là dạng cải tiến của bể UASB, với đặc điểm vận tốc dòng chảy ngược cao (4-10 m/giờ), giúp tăng cường tiếp xúc giữa bùn hạt và nước thải, nâng cao hiệu quả xử lý ở tải trọng hữu cơ cao. Bùn hạt kỵ khí có cấu trúc rắn chắc, kích thước lớn (2-4 mm), chứa hệ vi sinh vật đa dạng, phân bố theo cấu trúc hạt với vi khuẩn acid hóa ở ngoài và vi khuẩn methan ở lõi trong.

Giá thể Polyvinyl Alcohol (PVA) được sử dụng làm vật liệu dính bám trong mô hình EGSB1 với cấu trúc tổ ong, kích thước hạt 3-4 mm, trọng lượng riêng 1,025 g/cm³, có khả năng giữ vi sinh vật phát triển ổn định, tăng tốc độ hình thành bùn hạt và giảm thất thoát sinh khối. PVA có tính kết dính cao, độ bền cơ học và khả năng chống thấm tốt, phù hợp làm giá thể trong xử lý nước thải sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trên hai mô hình EGSB quy mô phòng thí nghiệm: EGSB1 sử dụng hạt PVA làm giá thể dính bám và EGSB2 sử dụng bùn hạt kỵ khí thông thường. Cả hai mô hình có thể tích 6 lít, chiều cao 1 m, đường kính 86 mm, vận hành song song trong cùng điều kiện.

Nguồn nước thải thủy sản được thu thập từ khu chế biến cá nước ngọt tại TP. Hồ Chí Minh, có nồng độ COD ban đầu khoảng 2-4 g/L, được lọc và pha loãng để đạt nồng độ phù hợp. Bùn kỵ khí lấy từ các bể xử lý nước thải chăn nuôi và giết mổ gia súc, có chỉ số MLVSS và MLSS tương đồng.

Phương pháp vận hành gồm 6 giai đoạn tải trọng hữu cơ tăng dần: 4, 6, 10, 14, 18 và 20 kg COD/m³.ngày, mỗi giai đoạn kéo dài cho đến khi hiệu quả xử lý COD ổn định trên 80%. Các chỉ số môi trường như COD, pH, độ kiềm, VFA, TSS, TP, TKN được lấy mẫu tại 3 vị trí trong bể và phân tích định kỳ. Thể tích khí sinh học được đo bằng bộ đếm khí. Tổng thời gian nghiên cứu là 152 ngày.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp so sánh hiệu quả xử lý giữa hai mô hình, đánh giá mối quan hệ giữa các chỉ số môi trường và hiệu quả xử lý, đồng thời quan sát sự hình thành và phát triển bùn hạt trên giá thể PVA.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Quá trình hình thành bùn hạt trên giá thể PVA: Sau 37 ngày vận hành, hạt PVA chuyển từ màu trắng sang nâu đậm do hình thành lớp màng sinh học vi sinh vật. Sinh khối dính bám trên hạt PVA tăng dần, thể hiện qua chỉ số tổng chất rắn (TS) và chất rắn bay hơi (VS), cho thấy quá trình tạo bùn hạt diễn ra nhanh và ổn định.

2. Hiệu quả xử lý COD: Ở tải trọng 10 kg COD/m³.ngày, mô hình EGSB1 đạt hiệu quả xử lý COD cao nhất 92,6%, vượt trội so với EGSB2 đạt 88,7%. Ở các tải trọng cao hơn (18 và 20 kg COD/m³.ngày), EGSB1 duy trì hiệu quả ổn định trong khoảng 80-90%, trong khi EGSB2 có lúc giảm xuống còn 66,4%. Điều này chứng tỏ giá thể PVA giúp tăng khả năng chịu tải và ổn định quá trình xử lý.

3. Loại bỏ chất rắn lơ lửng (TSS): Mô hình EGSB1 có biên độ TSS đầu ra dao động từ 14 đến 171 mg/L, thấp hơn nhiều so với EGSB2 dao động từ 15 đến 412 mg/L, đặc biệt ở tải trọng cao. Điều này cho thấy PVA giúp giữ lại sinh khối tốt hơn, giảm thất thoát bùn và cải thiện chất lượng nước đầu ra.

4. Biến động pH, độ kiềm và VFA: pH trong mô hình EGSB1 duy trì ổn định trong khoảng 6,6-7,6, phù hợp với điều kiện tối ưu cho vi sinh vật methan. Độ kiềm và nồng độ VFA biến động thấp hơn so với EGSB2, cho thấy quá trình phân hủy acid và methane hóa diễn ra hiệu quả hơn, hạn chế tích tụ acid béo bay hơi gây ức chế.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện hiệu quả xử lý COD và TSS của mô hình EGSB1 so với EGSB2 có thể giải thích bởi cấu trúc tổ ong của hạt PVA tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí bám dính và phát triển ổn định. Lớp màng sinh học trên bề mặt và bên trong hạt PVA giúp tăng mật độ vi sinh vật, nâng cao khả năng phân hủy chất hữu cơ.

So với các nghiên cứu trước đây về bể UASB và EGSB không sử dụng giá thể, kết quả này cho thấy việc ứng dụng PVA làm giá thể là một bước tiến mới, giúp rút ngắn thời gian hình thành bùn hạt và tăng khả năng chịu tải của bể phản ứng. Biểu đồ thể hiện hiệu suất xử lý COD theo thời gian và tải trọng cho thấy mô hình EGSB1 có đường cong ổn định và cao hơn rõ rệt so với EGSB2.

Ngoài ra, việc duy trì pH và độ kiềm ổn định trong mô hình EGSB1 giúp hạn chế sự tích tụ VFA, giảm nguy cơ ức chế vi sinh vật methan, từ đó đảm bảo quá trình methane hóa hiệu quả. Điều này phù hợp với các lý thuyết về sinh học kỵ khí và các nghiên cứu tương tự trong lĩnh vực xử lý nước thải.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng rộng rãi giá thể PVA trong bể EGSB: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải thủy sản áp dụng công nghệ EGSB sử dụng hạt PVA để nâng cao hiệu quả xử lý COD và giảm thất thoát bùn, đặc biệt ở các tải trọng hữu cơ cao. Thời gian triển khai có thể bắt đầu trong vòng 6-12 tháng.

2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành: Đề xuất duy trì pH trong khoảng 6,6-7,6 và kiểm soát tải trọng hữu cơ tăng dần theo từng giai đoạn để đảm bảo sự phát triển ổn định của bùn hạt và vi sinh vật methan. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư vận hành và quản lý nhà máy.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật về công nghệ EGSB và vai trò của giá thể PVA trong xử lý nước thải, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống. Thời gian đào tạo nên được thực hiện trong 3-6 tháng đầu sau khi lắp đặt.

4. Nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tế: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai các dự án thí điểm quy mô lớn tại các khu công nghiệp chế biến thủy sản để đánh giá hiệu quả lâu dài và khả năng nhân rộng công nghệ. Thời gian thực hiện dự án thí điểm khoảng 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường tại các nhà máy chế biến thủy sản: Giúp hiểu rõ về công nghệ xử lý nước thải kỵ khí EGSB và ứng dụng giá thể PVA để nâng cao hiệu quả xử lý, giảm chi phí vận hành.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành công nghệ môi trường: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về quá trình sinh học kỵ khí, cấu trúc bùn hạt và vai trò của vật liệu dính bám trong xử lý nước thải.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, thân thiện môi trường.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xử lý nước thải: Tham khảo để phát triển và cải tiến các loại giá thể sinh học phù hợp với các hệ thống xử lý nước thải kỵ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. EGSB là gì và khác gì so với UASB?
   EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) là bể phản ứng kỵ khí cải tiến của UASB với vận tốc dòng chảy ngược cao hơn (4-10 m/giờ so với 0,5-1 m/giờ), giúp tăng tiếp xúc giữa bùn hạt và nước thải, nâng cao hiệu quả xử lý và khả năng chịu tải.

2. Vai trò của giá thể PVA trong bể EGSB là gì?
   PVA có cấu trúc tổ ong giúp vi sinh vật bám dính và phát triển ổn định, tăng tốc độ hình thành bùn hạt, giảm thất thoát sinh khối và nâng cao hiệu quả xử lý COD, đặc biệt ở tải trọng cao.

3. Tại sao cần kiểm soát pH trong quá trình xử lý kỵ khí?
   pH ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của vi sinh vật methan. pH thấp (<6) làm tích tụ acid béo bay hơi, ức chế vi sinh vật methan, giảm hiệu quả xử lý. pH tối ưu là 6,6-7,6.

4. Hiệu quả xử lý COD của mô hình EGSB1 so với EGSB2 như thế nào?
   EGSB1 sử dụng giá thể PVA đạt hiệu quả xử lý COD lên đến 92,6% ở tải trọng 10 kg COD/m³.ngày, cao hơn và ổn định hơn so với EGSB2 chỉ đạt 88,7% và có lúc giảm xuống 66,4% ở tải trọng cao.

5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại nước thải khác không?
   Công nghệ EGSB sử dụng giá thể PVA phù hợp với nước thải có nồng độ COD thấp đến trung bình, đặc biệt là nước thải thủy sản. Với các loại nước thải khác có tính chất tương tự, công nghệ cũng có tiềm năng ứng dụng hiệu quả.

Kết luận

• Nghiên cứu thành công trong việc ứng dụng giá thể Polyvinyl Alcohol (PVA) trong bể phản ứng EGSB xử lý nước thải thủy sản, nâng cao hiệu quả xử lý COD và giảm thất thoát bùn.
• Mô hình EGSB1 sử dụng PVA đạt hiệu quả xử lý COD ổn định từ 80-90% ở các tải trọng hữu cơ cao, vượt trội so với mô hình không sử dụng PVA.
• Quá trình hình thành bùn hạt trên giá thể PVA diễn ra nhanh và ổn định, giúp rút ngắn thời gian vận hành thích nghi.
• Các chỉ số môi trường như pH, độ kiềm và VFA được duy trì ổn định trong mô hình EGSB1, đảm bảo điều kiện tối ưu cho vi sinh vật methan phát triển.
• Đề xuất áp dụng công nghệ EGSB sử dụng giá thể PVA trong xử lý nước thải thủy sản quy mô công nghiệp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng và đào tạo nhân lực vận hành.

Hành động tiếp theo là triển khai các dự án thí điểm quy mô lớn và đào tạo kỹ thuật viên vận hành để nhân rộng công nghệ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành chế biến thủy sản.