Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam giữ vai trò quan trọng trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp và an ninh thực phẩm. Cùng với xu thế hiện đại hóa, các trang trại chăn nuôi quy mô công nghiệp tập trung xuất hiện ngày càng nhiều. Đi kèm với sự gia tăng quy mô đàn là áp lực chất thải rất lớn, đặc biệt là nước thải chăn nuôi phát sinh từ quá trình tắm rửa, vệ sinh chuồng trại và nước tiểu của gia súc.

Tại hầu hết các trang trại chăn nuôi tập trung, phương pháp xử lý kỵ khí bằng hầm/hồ phủ bạt biogas thường được ứng dụng để thu hồi khí sinh học. Tuy nhiên, nước thải chăn nuôi sau quá trình phân hủy yếm khí trong hồ biogas vẫn chứa hàm lượng rất cao các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và chất dinh dưỡng khoáng (nitơ, photpho), vượt xa giới hạn tiếp nhận của các quy chuẩn môi trường hiện hành. Thực tế tại các cơ sở chăn nuôi, nguồn nước này thường được lưu giữ tạm thời tại các hồ sinh học tự nhiên hoặc ao lắng để tưới tiêu, tiềm ẩn nguy cơ gây phú dưỡng hóa và ô nhiễm nguồn nước mặt cũng như nước ngầm.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi giàu nitơ, photpho bằng hệ kết hợp bùn hoạt tính và vi tảo sinh trưởng bám dính" được thực hiện nhằm khai thác cơ chế cộng sinh giữa vi khuẩn hiếu khí trong bùn hoạt tính (oxy hóa chất hữu cơ) và vi tảo lục Chlorella (đồng hóa triệt để nitơ, photpho) dưới dạng sinh trưởng bám dính trên giá thể cố định.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tuyển chọn chủng vi tảo Chlorella có khả năng sinh trưởng và phát triển tốt nhất trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí trong hồ biogas.
  2. So sánh và đánh giá hiệu quả xử lý các thông số ô nhiễm (COD, Nitơ, Photpho) của vi tảo Chlorella, bùn hoạt tính riêng rẽ và hệ kết hợp vi tảo - bùn hoạt tính trên hai mô hình xử lý sinh học bám dính: bể phản ứng màng sinh học giá thể chuyển động (MBBR) và hệ thống màng sinh học gắn trên trục quay.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định theo 5 nội dung:

  1. Khảo sát, đánh giá đặc tính ô nhiễm của nước thải chăn nuôi lợn sau hồ biogas tại Trại lợn giống Thanh Hưng (Thanh Oai, Hà Nội).
  2. Tuyển chọn chủng tảo Chlorella thích hợp dựa trên các chỉ số động học sinh trưởng (tốc độ tăng trưởng cực đại $\mu_{max}$ và thời gian nhân đôi $T_{db}$).
  3. Đánh giá khả năng bám dính và kết hợp của vi tảo Chlorella và bùn hoạt tính trên hệ thống MBBR và hệ màng sinh học trục quay.
  4. Đánh giá hiệu quả chuyển hóa và loại bỏ các chất ô nhiễm (COD, $N\text{-}NH_4^+$, $N\text{-}NO_3^-$, $P\text{-}PO_4^{3-}$) theo các chế độ vận hành gián đoạn (mẻ), luân phiên và các tỷ lệ nạp tải lượng nước thải khác nhau.
  5. Đề xuất các định hướng nghiên cứu hoàn thiện và ứng dụng hệ kết hợp tảo - bùn hoạt tính bám dính.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải sau hồ biogas của trại chăn nuôi lợn; 05 chủng vi tảo (Chlorella H6, Chlorella vulgaris VACC 0035, Chlorella pyrenoidosa VACC 0082, Chlorella pyrenoidosa VACC 0111, Scenedesmus bijugatus VACC 0125); bùn hoạt tính hiếu khí từ bể Aeroten.
  • Phạm vi không gian: Thu thập mẫu nước thải tại Trại lợn giống Thanh Hưng (thôn Bùi Xá, xã Tam Hưng, huyện Thanh Oai, Hà Nội); các thí nghiệm nuôi cấy, phân tích hóa lý và vận hành mô hình được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Quá trình lấy mẫu, phân tích và thực nghiệm diễn ra từ tháng 10/2016 đến tháng 05/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và nguyên lý công nghệ

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý tương tác cộng sinh giữa vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí trong bùn hoạt tính và vi tảo quang dưỡng. Vi khuẩn phân hủy các hợp chất hữu cơ hòa tan, tiêu thụ oxy ($O_2$) và giải phóng khí cacbonic ($CO_2$), amoni ($NH_4^+$) cùng photphat ($PO_4^{3-}$). Ngược lại, vi tảo sử dụng $CO_2$ và hấp thụ trực tiếp các muối khoáng chứa nitơ và photpho làm nguồn dinh dưỡng để sinh tổng hợp tế bào, đồng thời quang hợp giải phóng $O_2$ hòa tan cung cấp ngược lại cho vi khuẩn. Việc áp dụng sinh trưởng bám dính trên giá thể (biofilm) giúp duy trì mật độ sinh khối cao trong công trình, hạn chế hiện tượng rửa trôi sinh khối và tạo thuận lợi cho quá trình thu gom, tách sinh khối sau xử lý so với hệ sinh trưởng lơ lửng truyền thống.

Quy chuẩn kỹ thuật áp dụng để đối chiếu đánh giá chất lượng nước thải là Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chăn nuôi QCVN 62-MT:2016/BTNMT (Cột B).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Hoạt hóa và nuôi cấy vi tảo: Tảo được giữ giống trên môi trường thạch và nhân nuôi trong môi trường dinh dưỡng khoáng lỏng BBM-2N (Bold's Basal Medium double Nitrate) bổ sung vitamin, cấp nguồn cacbon vô cơ bằng $2\text{ g/L } NaHCO_3$. Điều kiện nuôi cấy: chiếu sáng nhân tạo 24/24 giờ bằng bóng huỳnh quang (cường độ 2000 ÷ 2500 lux), nhiệt độ phòng thí nghiệm 25 ÷ 35 °C.
  • Phương pháp xác định động học sinh trưởng vi tảo: Đo mật độ quang học (độ hấp thụ quang - OD) của dịch tảo bằng máy quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV/VIS) ở bước sóng $\lambda = 680\text{ nm}$. Tốc độ tăng trưởng cực đại $\mu_{max}$ ($\text{ngày}^{-1}$) và thời gian nhân đôi $T_{db}$ (ngày) được tính toán dựa trên sự biến thiên mật độ quang trong pha tăng trưởng logarit: $$\mu = \frac{\ln(A_2 / A_1)}{t_2 - t_1}, \quad T_{db} = \frac{\ln 2}{\mu_{max}}$$
  • Nuôi bùn hoạt tính: Bùn hoạt tính được nhân sinh khối trong bình dung tích 10 ÷ 20 L có sục khí liên tục bằng môi trường tổng hợp gồm Fe(III) Citrate, đường mía, $KNO_3$, $K_2HPO_4$, $KH_2PO_4$ và $MgSO_4$.
  • Bố trí mô hình MBBR: Sử dụng bình nhựa PP hình trụ dung tích 7.5 L (kích thước $18.5 \times 28\text{ cm}$), bổ sung 150 hạt giá thể vi sinh PE05 (kích thước $25 \times 12\text{ mm}$, 19 lỗ, diện tích tiếp xúc $> 500\text{ m}^2/\text{m}^3$, tỷ trọng $0.98\text{ g/cm}^3$, thể tích lớp giá thể chiếm 1.0 L). Khí được phân phối ở đáy bình qua đầu sục gắn ống PP, bổ sung $5\text{ g/L } NaHCO_3$, thời gian lưu nước 48 giờ. Khảo sát theo 2 chế độ:
    • Chế độ gián đoạn (mẻ): 3 hệ gồm Bùn riêng, Tảo riêng và Tảo - Bùn kết hợp (tỷ lệ thể tích tảo/bùn = 5/1).
    • Chế độ luân phiên: Nước thải nạp vào hệ bùn hoạt tính bám dính lưu 8 giờ, sau đó lắng tách lấy nước trong chuyển sang hệ tảo lưu tiếp 40 giờ; so sánh đối chứng với hệ hỗn hợp tảo - bùn lưu liên tục 48 giờ.
  • Bố trí mô hình màng sinh học gắn trên trục quay: Màng làm từ vải 100% cotton ép 1 lớp nilon PE ở giữa (nhiệt độ ép 200 °C, chu vi ống màng 85 ÷ 86 cm, rộng 22 cm). Màng gắn trên hệ 3 trục PVC (trục chính đường kính 48 mm bọc cao su dày 1 mm, 2 trục phụ đường kính 27 mm) nối mô-tơ quay với tốc độ 5/3 vòng/phút. Khay chứa nước thải bằng nhựa PP dung tích 10 L (kích thước $43 \times 28 \times 15\text{ cm}$) đặt trên máy lắc tịnh tiến (biên độ 1.5 cm, chu kỳ 1.5 s). Hệ thống chiếu sáng bằng dàn đèn LED (2000 ÷ 2500 lux). Khảo sát ở 3 tỷ lệ thể tích nước thải không pha loãng / hỗn hợp tảo - bùn (NT/TB) gồm: 1.0/3.5, 1.5/3.5 và 2.0/3.5.

Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường

Tất cả các thông số được phân tích theo các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Phương pháp tiêu chuẩn phân tích nước và nước thải (SMEWW / HACH):

  • Nhu cầu oxy hóa học (COD): Phương pháp hồi lưu kín theo TCVN 6491:1999.
  • Nhu cầu oxy sinh hóa ($BOD_5$): Đo áp suất bằng cảm biến điện tử trên thiết bị Oxitop.
  • Amoni ($N\text{-}NH_4^+$): Phương pháp chưng cất và chuẩn độ theo TCVN 5988:1995.
  • Nitrat ($N\text{-}NO_3^-$): Phương pháp khử Cadmium theo tiêu chuẩn HACH 8039 (tương đương SMEWW-4500-$NO_3^-$ E).
  • Tổng Nitơ (TN): Phương pháp phân hủy Persulfate theo tiêu chuẩn HACH 10071 (tương đương SMEWW-4500-N B).
  • Photphat hòa tan ($P\text{-}PO_4^{3-}$): Phương pháp đo phổ tạo phức amoni molipdat theo TCVN 6202:2008.
  • Chất rắn lơ lửng (SS): Phương pháp lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh và sấy khô ở 105 °C theo TCVN 6625:2000.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu chung về ngành chăn nuôi lợn và nước thải từ chăn nuôi lợn

Chương này tổng quan về tình hình chăn nuôi lợn, phân loại và nguồn gốc các dòng chất thải phát sinh trong trang trại. Tác giả tổng hợp cơ sở lý thuyết về các phương pháp xử lý sinh học yếm khí (UASB, hầm biogas phủ bạt), hiếu khí (bùn hoạt tính, aeroten, SBR, USBF), đặc tính sinh học và nhu cầu dinh dưỡng của vi tảo Chlorella, cũng như nguyên lý vận hành của thiết bị MBBR và thiết bị màng sinh học quay nuôi tảo.

Phần khảo sát thực địa mô tả chi tiết Trại lợn giống Thanh Hưng tại xã Tam Hưng, huyện Thanh Oai, Hà Nội. Trang trại có tổng diện tích 17 ha (khai thác 6.7 ha cho sản xuất), quy mô đàn thường xuyên đạt 3000 ÷ 4000 con/năm (gồm khoảng 300 lợn đẻ, trên 1000 lợn thịt và 120 ÷ 130 lợn cai sữa/tuần). Lượng nước cấp cho trang trại từ giếng khoan ước tính 200 ÷ 220 $\text{m}^3/\text{ngày}$, trong đó lượng nước thải chăn nuôi phát sinh cần xử lý khoảng 200 $\text{m}^3/\text{ngày}$. Dây chuyền xử lý hiện trạng gồm: Bể thu gom $\rightarrow$ Hồ phủ bạt biogas $\rightarrow$ Hồ chứa sau biogas để trữ nước phục vụ tưới tiêu.

Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết các nguyên vật liệu, chủng giống vi sinh vật và phương pháp luận thực nghiệm:

  • Nguồn gốc 5 chủng vi tảo: Chlorella H6 (phân lập từ ao chăn nuôi tại xã Cổ Đông, Sơn Tây, Hà Nội); C. vulgaris VACC 0035 (nguồn gốc Đông Anh, Hà Nội); C. pyrenoidosa VACC 0082 (hồ Ba Mẫu); C. pyrenoidosa VACC 0111 (hồ Hoàn Kiếm); S. bijugatus VACC 0125 (Hải Dương).
  • Bùn hoạt tính lấy từ hệ thống Aeroten tại PTN Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường.
  • Quy trình lấy mẫu nước thải sau hồ biogas Thanh Hưng trong khung giờ 8 ÷ 10 giờ sáng sau khi rửa chuồng 30 ÷ 60 phút, lọc thô tách cặn yếm khí và vận chuyển về phòng thí nghiệm trong vòng 1 giờ.
  • Thiết kế chi tiết cấu tạo, thông số kỹ thuật của mô hình MBBR (150 hạt giá thể PE05, $V_{giá thể} = 1.0\text{ L}$) và mô hình màng sinh học trục quay (vải cotton ép màng PE, diện tích nhúng nước bằng 1/8 tổng diện tích màng, tốc độ quay 5/3 vòng/phút).
  • Toàn bộ quy trình phân tích chỉ tiêu hóa lý tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn TCVN và HACH.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

1. Đặc tính nước thải sau hồ biogas

Nước thải sau xử lý yếm khí tại hồ biogas Thanh Hưng có mức độ ô nhiễm cao, vượt nhiều lần quy chuẩn xả thải QCVN 62-MT:2016/BTNMT (Cột B):

Thông số Đơn vị Giá trị phân tích QCVN 62-MT:2016 (Cột B) Mức độ vượt chuẩn
pH - 6.5 ÷ 9.0 5.5 ÷ 9.0 Đạt chuẩn
COD mg/L 396 ÷ 893 300 Vượt 1.2 ÷ 3.0 lần
$\text{BOD}_5$ mg/L 110 ÷ 150 100 Vượt nhẹ
SS mg/L 300 ÷ 402 150 Vượt 2.0 ÷ 2.7 lần
Tổng Nitơ (TN) mg/L 565 ÷ 585 150 Vượt 3.8 ÷ 3.9 lần
$N\text{-}NH_4^+$ mg/L 359 ÷ 476 - Chiếm 60 ÷ 84% TN
$N\text{-}NO_2^-$ mg/L < 1.0 - Rất thấp
$N\text{-}NO_3^-$ mg/L < 1.0 - Rất thấp
$P\text{-}PO_4^{3-}$ mg/L 51.0 ÷ 118.8 - Rất cao

Tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ đạt khoảng $0.38/1$ phản ánh phần lớn chất hữu cơ còn lại trong dòng thải sau biogas là các hợp chất khó phân hủy sinh học (chất hữu cơ dễ phân hủy chỉ chiếm 10 ÷ 40%). Tỷ lệ $N\text{-}NH_4^+/\text{TN} = 0.84/1$, cho thấy nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng muối amoni vô cơ.

2. Kết quả tuyển chọn chủng vi tảo

Trong môi trường khoáng BBM-2N bổ sung vitamin, chủng VACC 0111 có thời gian nhân đôi ngắn nhất (2.626 ngày, $\mu_{max} = 0.2639\text{ ngày}^{-1}$), nhưng mật độ tế bào cực đại thấp. Khi nuôi cấy trong môi trường nước thải sau biogas không pha loãng:

  • Chủng Chlorella H6 thích nghi nhanh (pha lag 1 ÷ 2 ngày, đạt cân bằng ở ngày thứ 5), đạt mật độ sinh khối cao nhất, tốc độ tăng trưởng cực đại $\mu_{max} = 0.2434\text{ ngày}^{-1}$ và thời gian nhân đôi ngắn nhất ($T_{db} = 2.85\text{ ngày}$).
  • Các chủng đối chứng: VACC 0035 ($T_{db} = 3.66\text{ ngày}$), VACC 0082 ($T_{db} = 3.62\text{ ngày}$), VACC 0111 ($T_{db} = 3.03\text{ ngày}$), VACC 0125 ($T_{db} = 3.68\text{ ngày}$).
  • Chủng Chlorella H6 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu cho toàn bộ các mô hình thực nghiệm tiếp theo.

3. Hệ sinh trưởng bám dính trên giá thể chuyển động (MBBR)

  • Chế độ làm việc gián đoạn (mẻ):
    • Xử lý Amoni ($N\text{-}NH_4^+$): Tốc độ xử lý nhanh nhất trong 29 giờ đầu. Hệ kết hợp Tảo - Bùn cho hiệu quả cao nhất, hàm lượng amoni giảm từ $106\text{ mg/L}$ xuống $11\text{ mg/L}$ (29 giờ) và đạt $6\text{ mg/L}$ ở 48 giờ (hiệu suất đạt 94.7%). Hệ Tảo riêng giảm từ $95\text{ mg/L}$ xuống $6\text{ mg/L}$ (hiệu suất 93.7%). Hệ Bùn riêng đạt hiệu suất thấp nhất là 66.3% (từ $101\text{ mg/L}$ xuống $34\text{ mg/L}$).
    • Xử lý Nitrat ($N\text{-}NO_3^-$): Hàm lượng nitrat giảm ở cả 3 hệ. Hệ Tảo - Bùn giảm mạnh nhất ($58\text{ mg/L}$, từ 149 xuống $91\text{ mg/L}$), Tảo riêng giảm $55\text{ mg/L}$, Bùn riêng giảm $42\text{ mg/L}$. Tổng nitơ ($NH_4^+ + NO_3^-$) tiêu thụ bởi hệ Tảo - Bùn đạt $158\text{ mg N/L}$, Tảo riêng đạt $144\text{ mg N/L}$ và Bùn riêng đạt $109\text{ mg N/L}$.
    • Xử lý Photphat ($P\text{-}PO_4^{3-}$): Trong 29 giờ đầu, $P\text{-}PO_4^{3-}$ giảm sâu (hệ Bùn đạt hiệu suất 57%, Tảo đạt 63%, Tảo - Bùn đạt 58%). Tuy nhiên, từ 29 ÷ 48 giờ, $PO_4^{3-}$ tăng nhẹ 5 ÷ 8 mg/L do sinh khối vi sinh vật bắt đầu phân hủy nội bào. Hiệu suất xử lý chung sau 48 giờ của hệ Tảo - Bùn đạt cao nhất là 43.1% ($34\text{ xuống } 19\text{ mg/L}$), Tảo riêng đạt 34.5%, Bùn riêng đạt 29.6%.
    • Xử lý COD: Giảm nhanh trong 5 giờ đầu (Bùn giảm 38%, Tảo - Bùn giảm 24%, Tảo giảm 16%). Giai đoạn 5 ÷ 29 giờ, COD tăng mạnh trở lại do lượng hữu cơ dễ phân hủy đã cạn kiệt, sinh khối bùn phân hủy giải phóng chất hữu cơ hòa tan. Sau 48 giờ, hiệu suất COD hệ Bùn đạt 23.1%, Tảo - Bùn đạt 12.0%, Tảo đạt 9.1%.
  • Chế độ làm việc luân phiên:
    • Hệ Tảo - Bùn liên tục 48 giờ đạt hiệu suất xử lý $N\text{-}NH_4^+$ là 99.3% (từ $138\text{ mg/L}$ xuống $1\text{ mg/L}$) với tốc độ giảm $5.7\text{ mg/L/h}$ trong 24 giờ đầu. Hệ luân phiên Bùn (8 giờ) $\rightarrow$ Tảo (40 giờ) cũng đưa $N\text{-}NH_4^+$ về $1\text{ mg/L}$ (hiệu suất 99.2%).
    • Tổng nitơ ($NH_4^+ + NO_3^-$) tiêu thụ ở hệ Tảo - Bùn đạt $231\text{ mg N/L}$, cao hơn hệ luân phiên ($14\text{ mg N/L}$ ở pha bùn và $177\text{ mg N/L}$ ở pha tảo, tổng $191\text{ mg N/L}$).
    • Hàm lượng $P\text{-}PO_4^{3-}$ đạt mức thấp nhất ở thời điểm 24 giờ, sau đó tăng trở lại ở mốc 48 giờ khiến hiệu suất hệ Tảo - Bùn chỉ còn 15.2% ($33\text{ xuống } 28\text{ mg/L}$) và hệ luân phiên đạt hiệu suất âm -25.8% ($31\text{ lên } 39\text{ mg/L}$).
  • Đánh giá vận hành MBBR: Giá thể nhựa PE05 có bề mặt trơn nhẵn và diện tích tiếp xúc nhỏ ($> 500\text{ m}^2/\text{m}^3$), các lỗ rỗng lớn làm bọt khí dễ gây bong tróc màng, dẫn đến thời gian hình thành màng biofilm quan sát được kéo dài tới 4 ÷ 5 tuần.

4. Hệ màng sinh học gắn trên trục quay

  • Thời gian tạo màng: Màng vải cotton bám dính tảo - bùn rất nhanh, màu xanh nhận thấy rõ sau vài giờ đến 1 ngày. Sau 7 ngày, lớp màng đạt độ dày khoảng 0.5 mm và có thể thu gom cơ học dễ dàng.
  • Hiệu quả xử lý theo tỷ lệ NT/TB:
    • Khả năng khử $N\text{-}NH_4^+$ đạt mức tối đa ở tất cả các tỷ lệ nạp: sau 24 giờ hàm lượng đã giảm xuống $< 10\text{ mg/L}$ và sau 48 giờ duy trì ở mức $1\text{ mg/L}$. Tỷ lệ $\text{NT/TB} = 2.0/3.5$ cho tốc độ khử cao nhất ($5.0\text{ mg/L/h}$, từ $127\text{ mg/L}$ xuống $6\text{ mg/L}$ trong 24 giờ, hiệu suất 48 giờ đạt 99.2%).
    • Với $N\text{-}NO_3^-$, tỷ lệ $\text{NT/TB} = 1.0/3.5$ giảm mạnh nhất ($82\text{ mg/L}$, từ 90 xuống $8\text{ mg/L}$). Tỷ lệ 2.0/3.5 giảm $42\text{ mg/L}$, tỷ lệ 1.5/3.5 không ghi nhận sự suy giảm nitrat.
    • Với $P\text{-}PO_4^{3-}$, nồng độ giảm sâu nhất ở 5 giờ đầu (tỷ lệ 2.0/3.5 giảm từ $51\text{ xuống } 26\text{ mg/L}$, tương đương giảm 49%), sau đó tăng trở lại do hiện tượng phân hủy sinh khối. Hiệu suất chung ở 48 giờ của tỷ lệ 2.0/3.5 đạt 19.6% ($51\text{ xuống } 41\text{ mg/L}$).
    • Với COD, do quá trình bay hơi nước làm cô đặc dung dịch kết hợp với hiện tượng bong tróc màng sinh học, giá trị COD sau 48 giờ tăng so với ban đầu (hiệu suất âm từ -4% đến -35%). Điểm cực tiểu của COD xuất hiện ở mốc 24 giờ.
  • Đánh giá vận hành màng quay: Do chỉ có 1/8 diện tích màng ngập trong nước thải và bề mặt màng tiếp xúc trực tiếp với không khí nên tốc độ bốc hơi ẩm diễn ra nhanh (lượng nước trong khay giảm 1.0 ÷ 1.5 L sau 48 giờ trong điều kiện khô nóng). Cần duy trì thể tích tối thiểu 2 L để tránh khô chết màng biofilm và tối đa 6 L để tránh trào nước khi máy lắc vận hành.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

Bảng tổng hợp hiệu suất xử lý cao nhất giữa các mô hình thí nghiệm:

Hệ thống và chế độ xử lý Tỷ lệ phối trộn Thời gian lưu Hiệu suất khử $N\text{-}NH_4^+$ (%) Lượng $N\text{-}NO_3^-$ giảm (mg/L) Hiệu suất khử $P\text{-}PO_4^{3-}$ (%) Hiệu suất khử COD (%)
MBBR gián đoạn (Tảo - Bùn) 2L NT / 4L TB 48 giờ 94.7% 58 43.1% 12.0%
MBBR luân phiên (Tảo - Bùn liên tục) 2L NT / 4L TB 48 giờ 99.3% 94 15.2% 45.0%
MBBR luân phiên (Bùn 8h $\rightarrow$ Tảo 40h) 2L NT / 4L TB 48 giờ 99.2% Bùn: 4; Tảo: 138 -25.8% 22.0%
Màng sinh học trục quay 2.0L NT / 3.5L TB 48 giờ 99.2% 42 19.6% -4.0%

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật

  1. Điều chỉnh thời gian lưu thủy lực ($HRT$): Tác giả kiến nghị rút ngắn thời gian lưu từ 48 giờ xuống khoảng 24 giờ cho cả hai hệ thống MBBR và màng sinh học trục quay. Mốc 24 giờ là thời điểm $N\text{-}NH_4^+$ đã được loại bỏ $> 95%$ ($< 10\text{ mg/L}$), COD ở mức thấp nhất và ngăn chặn được hiện tượng photpho bị tái hòa tan trở lại môi trường nước do quá trình tự phân hủy nội bào của sinh khối.
  2. Cải tiến vật liệu giá thể MBBR: Cần thay thế giá thể nhựa PE05 bằng các loại giá thể có diện tích bề mặt riêng lớn hơn (dạng chip $3000 \div 4000\text{ m}^2/\text{m}^3$) hoặc sử dụng vật liệu có độ nhám, độ xốp tự nhiên cao (bông ép, bọt xốp, giá thể gỗ) nhằm rút ngắn thời gian tạo màng vi sinh từ 4 ÷ 5 tuần xuống vài ngày.
  3. Tối ưu hóa vận hành màng sinh học trục quay: Điều chỉnh tốc độ quay của trục màng nhanh hơn khi độ ẩm môi trường thấp để duy trì độ ẩm liên tục cho lớp biofilm tảo - bùn; luôn duy trì thể tích nước tối thiểu trong khay chứa từ 2 L trở lên để ngăn ngừa nguy cơ chết màng sinh học do khô kiệt.

Đóng góp của đề tài

  • Chứng minh tính hiệu quả của mô hình kết hợp vi tảo lục (Chlorella H6) và bùn hoạt tính hiếu khí ở dạng sinh trưởng bám dính trong việc loại bỏ gần như triệt để thành phần amoni ($> 99%$) và giảm mạnh photphat trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas mà không cần pha loãng quá mức.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm so sánh trực diện giữa cơ chế sinh trưởng bám dính trên giá thể chuyển động (MBBR) và màng sinh học sợi gắn trên trục quay, chỉ ra các đặc tính động học loại bỏ dưỡng chất và quy luật biến thiên $COD, N, P$ theo thời gian.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với thể tích nhỏ, vận hành theo mẻ hoặc bán liên tục dưới điều kiện nhân tạo (nhiệt độ phòng, nguồn sáng đèn huỳnh quang/LED liên tục 24/24h), chưa phản ánh đầy đủ dao động tải lượng và thời tiết tự nhiên ngoài thực địa.
  • Chưa khảo sát sâu ảnh hưởng của các biến số công nghệ như nồng độ oxy hòa tan (DO), tốc độ sục khí tối ưu, mật độ giá thể trên một đơn vị thể tích, cũng như các tỷ lệ phối trộn sinh khối tảo/bùn khác nhau.
  • Giá thể nhựa PE05 sử dụng trong MBBR bộc lộ hạn chế lớn về khả năng bám dính vi sinh vật; hệ thống màng quay gặp tổn thất nước lớn do hiện tượng bốc hơi tự nhiên.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Nghiên cứu khả năng bám dính và phát triển biofilm của hỗn hợp tảo - bùn trên các dạng giá thể mới (giá thể dạng cầu có nẹp chắn, giá thể vi sinh dạng chip bề mặt cao, vật liệu bông, xốp xơ dừa, gỗ).
  2. Khảo sát hệ thống MBBR đồng nuôi cấy tảo - bùn trong các điều kiện vận hành biến thiên: khuấy trộn cơ học kết hợp sục khí gián đoạn, kiểm soát dải nhiệt độ và nồng độ DO khác nhau.
  3. Hoàn thiện thiết kế hệ thống màng sinh học trục quay với các cấu trúc màng sợi dệt mới, nghiên cứu vận hành hệ thống ở chế độ liên tục và bán liên tục dài ngày để đánh giá độ bền cơ học và tuổi thọ của màng vi sinh.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Môi trường, Công nghệ Sinh học Môi trường và Kỹ thuật Nước - Nước thải trong việc thiết kế mô hình thực nghiệm nuôi cấy vi tảo đồng xử lý nước thải.
  • Nghiên cứu viên và kỹ sư công nghệ môi trường quan tâm đến các giải pháp xử lý dòng thải sau biogas có hàm lượng amoni cao, tải lượng hữu cơ khó phân hủy và các giải pháp thu hồi sinh khối vi sinh bám dính.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Quy trình hoạt hóa và phương pháp xác định tốc độ tăng trưởng cực đại ($\mu_{max}$), thời gian nhân đôi ($T_{db}$) của các chủng vi tảo trong môi trường nước thải đậm đặc (Chương 2 và 3); các chuỗi số liệu động học phân hủy theo thời gian của $NH_4^+, NO_3^-, PO_4^{3-}$ trên mô hình MBBR và màng quay (Chương 3 và Phụ lục A).

Câu hỏi thường gặp

1. Chủng vi tảo nào sinh trưởng tốt nhất trong nước thải sau biogas và các chỉ số động học đạt bao nhiêu?
Chủng Chlorella H6 (phân lập từ ao chăn nuôi tại xã Cổ Đông, Sơn Tây, Hà Nội) sinh trưởng tốt nhất trong nước thải chăn nuôi lợn sau hồ biogas không pha loãng. Chủng này có thời gian thích nghi ngắn (1 ÷ 2 ngày), đạt tốc độ tăng trưởng cực đại $\mu_{max} = 0.2434\text{ ngày}^{-1}$ và thời gian nhân đôi ngắn nhất $T_{db} = 2.85\text{ ngày}$ (so với 3.03 ÷ 3.68 ngày của các chủng đối chứng).

2. Vì sao hiệu quả loại bỏ COD của hệ vi tảo - bùn hoạt tính không cao trong các thí nghiệm?
Nước thải sau hồ biogas có tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ thấp (khoảng 0.38/1), phản ánh phần lớn chất hữu cơ còn lại là chất khó phân hủy sinh học (chất hữu cơ dễ phân hủy chỉ chiếm 10 ÷ 40%). Bên cạnh đó, sau 5 ÷ 24 giờ lưu nước, lượng hữu cơ dễ phân hủy đã cạn kiệt, sinh khối bùn hoạt tính bắt đầu bị phân hủy nội bào và giải phóng các hợp chất hữu cơ hòa tan vào nước, khiến giá trị COD đo được tăng lên.

3. Tại sao thời gian tạo màng trên giá thể MBBR PE05 kéo dài tới 4 ÷ 5 tuần trong khi hệ màng quay chỉ mất vài giờ đến 1 ngày?
Giá thể PE05 làm bằng nhựa Polyetylen (PE) có bề mặt trơn nhẵn, diện tích bề mặt riêng tương đối nhỏ ($> 500\text{ m}^2/\text{m}^3$) và các khoang lỗ lớn khiến bọt khí sục từ đáy dễ dàng cuốn trôi lớp màng mới bám dính. Ngược lại, màng sợi cotton 100% có độ nhám, độ thấm hút và cấu trúc sợi xơ dày đặc giúp tế bào vi tảo và bông bùn dễ dàng bám dính cố định ngay khi tiếp xúc.

4. Tại sao tác giả khuyến nghị thời gian lưu nước tối ưu cho các mô hình là 24 giờ thay vì 48 giờ?
Tại thời điểm 24 giờ, hàm lượng $N\text{-}NH_4^+$ trong các hệ đã giảm $> 95%$ (đạt $< 10\text{ mg/L}$) và COD đạt giá trị thấp nhất. Nếu kéo dài thời gian lưu sang 48 giờ, quá trình phân hủy nội bào của sinh khối vi sinh vật sẽ xảy ra, làm photpho ($P\text{-}PO_4^{3-}$) và chất hữu cơ hòa tan tái giải phóng vào nguồn nước, dẫn đến suy giảm hiệu suất xử lý chung của hệ thống.

5. Hiệu suất xử lý Nitơ dạng Amoni ($N\text{-}NH_4^+$) và Photpho ($P\text{-}PO_4^{3-}$) cao nhất đạt được là bao nhiêu?
Hiệu suất xử lý $N\text{-}NH_4^+$ cao nhất đạt 99.3% trên hệ MBBR luân phiên (giảm từ $138\text{ mg/L}$ xuống $1\text{ mg/L}$) và đạt 99.2% trên hệ màng sinh học trục quay với tỷ lệ $\text{NT/TB} = 2.0/3.5$ (giảm từ $127\text{ mg/L}$ xuống $1\text{ mg/L}$). Hiệu suất xử lý $P\text{-}PO_4^{3-}$ cao nhất sau 48 giờ đạt 43.1% trên hệ MBBR gián đoạn (giảm từ $34\text{ mg/L}$ xuống $19\text{ mg/L}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã tuyển chọn thành công chủng vi tảo Chlorella H6 có khả năng sinh trưởng ưu việt trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí tại hồ biogas. Việc kết hợp vi tảo Chlorella H6 và bùn hoạt tính hiếu khí trên hai mô hình sinh trưởng bám dính (MBBR và màng sinh học trục quay) đã chứng minh hiệu quả loại bỏ amoni vượt trội đạt trên 99% và xử lý đáng kể photphat trong thời gian lưu 24 ÷ 48 giờ. Công trình cung cấp các cơ sở dữ liệu động học thực nghiệm và định hướng công nghệ quan trọng cho việc ứng dụng hệ sinh học bám dính đồng nuôi cấy vi tảo - vi khuẩn trong xử lý triệt để chất dinh dưỡng khoáng từ nước thải chăn nuôi.