Luận văn thạc sĩ về xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình kỵ khí kết hợp gel beads

• Tác giả: Đào Hữu Tý
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tấn Phong
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình kị khí kết hợp với giá thể PEG gel beads
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cần thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
• 1.6. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN VÀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỊ KHÍ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
• 2.1. Tổng quan về công nghệ chế biến thủy sản
• 2.1.1. Quy trình sản xuất
• 2.1.2. Thuyết minh quy trình sản xuất cá tra, basa fillet đông lạnh
• 2.2. Nguồn gốc phát sinh và đặc tính nước thải thủy sản
• 2.3. Các công nghệ ứng dụng xử lý nước thải thủy sản
• 2.4. Tổng quan về quá trình sinh học kị khí xử lý nước thải
• 2.4.1. Định nghĩa quá trình sinh học kị khí
• 2.4.2. Cơ chế quá trình phân hủy sinh học kị khí
• 2.4.2.1. Giai đoạn thủy phân
• 2.4.2.2. Giai đoạn acetic hóa và hình thành axit
• 2.4.2.3. Giai đoạn methane hóa
• 2.4.3. Vi sinh vật quá trình phân hủy sinh học kị khí
• 2.4.4. Các yếu tố môi trường
• 2.4.4.1. Amonia và sulfide
• 2.4.4.2. Hàm lượng muối
• 2.4.4.3. Thời gian lưu bùn
• 2.4.4.4. Phân tích mô hình chung cho quy trình kị khí
• 2.5. Các công trình sinh học bùn hạt kị khí đã được nghiên cứu
• 2.5.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 2.5.1.1. Upflown Anaerobic Sludge Blanket (UASB)
• 2.5.1.2. Expanded granular sludge bed (EGSB)
• 2.5.1.3. Anaerobic Fluidized bed reactor (AFBR) và Expanded bed reactor (AEBR)
• 2.5.1.4. Bể UASB với giá thể PVA gel beads
• 2.5.1.5. Bể phản ứng AFB với PVA gel beads
• 2.5.2. Các nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2. Nước thải thủy sản
• 3.3. Hạt poly ethylene glycol (PEG) gel beads
• 3.4. Mô hình nghiên cứu
• 3.4.1. Cài đặt mô hình
• 3.5. Phương pháp lấy mẫu, phân tích và xử lý số liệu
• 3.5.1. Phương pháp phân tích
• 3.5.1.1. Nhu cầu oxi sinh hóa (SMEWW 5210 – B – 5 -Day BOD Test)
• 3.5.1.2. Nhu cầu oxy hóa học COD (SMEWW 5220 – C - Closed Reflux, Titrimetric Method)
• 3.5.1.3. Chất dinh dưỡng TN (TCVN 6638 -2000)
• 3.5.1.4. Chất dinh dưỡng TP (SMEWW 4500 – P- Ascorbic Acid Method)
• 3.5.1.5. Axit béo bay hơi VFAs (SMEWW 5560C Distillation Method)
• 3.5.1.6. Hàm lượng Amonia N-NH3 (TCVN 5988 - 1995)
• 3.5.1.7. Chất rắn lơ lửng TSS (SMEWW 2540 B – Total Solids Dried at 103 – 1050C)
• 3.5.1.8. Hàm lượng sunfat (SMEWW 4500 – SO42- - 2005)
• 3.6. Hiệu suất xử lý và tải trọng hữu cơ
• 3.7. Nội dung thí nghiệm
• 3.7.1. Giai đoạn thích nghi
• 3.7.2. Giai đoạn khảo sát chính
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đặc tính bùn vi sinh và khả năng bám dính của bùn lên hạt PEG gel beads
• 4.2. Giai đoạn thích nghi của mô hình nghiên cứu
• 4.2.1. Kết quả khảo sát giai đoạn thích nghi trong nghiên cứu 1
• 4.2.2. Giai đoạn nuôi cấy hạt PEG gel beads
• 4.3. Giai đoạn khảo sát chính
• 4.3.1. Kết quả nghiên cứu xử lý COD ở các tải trọng khác nhau
• 4.3.2. Kết quả nghiên cứu xử lý BOD ở các tải trọng khác nhau
• 4.3.3. Kết quả nghiên cứu axit béo bay hơi (VFAs) đầu ra và biến thiên pH
• 4.3.4. Biến thiên hàm lượng ammonia
• 4.3.5. Sản lượng khí metan sinh ra qua các tải trọng khác nhau
• 4.3.6. Đánh giá khả năng trôi bùn của hệ thống
• 4.3.7. Lựa chọn các thông số thiết kế công trình thực tế
• PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Tính cần thiết của đề tài

Ngành chế biến thủy sản tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, đóng góp lớn vào nền kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, sự phát triển này cũng kéo theo vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là từ nước thải. Nước thải từ ngành chế biến thủy sản chứa nhiều chất ô nhiễm, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả là rất cần thiết. Đề tài "Nghiên cứu xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình kỵ khí kết hợp với giá thể PEG gel beads" nhằm tìm ra giải pháp xử lý hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm từ nước thải thủy sản.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định tải trọng tối ưu cho mô hình xử lý nước thải thủy sản, đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình kỵ khí kết hợp với giá thể PEG gel beads, và xác định các thông số thiết kế cho công trình thực tế. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc so sánh khả năng xử lý COD và BOD5 giữa mô hình có và không có giá thể, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho việc áp dụng công nghệ này trong thực tiễn.

II. Tổng quan về nước thải chế biến thủy sản

Nước thải từ ngành chế biến thủy sản thường chứa nhiều chất hữu cơ, vi sinh vật và các chất độc hại. Các quy trình sản xuất cá tra, basa fillet đông lạnh tạo ra lượng nước thải lớn, đòi hỏi phải có các biện pháp xử lý hiệu quả. Quá trình sinh học kỵ khí là một trong những phương pháp được áp dụng để xử lý nước thải này. Quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra khí methane, một nguồn năng lượng tái tạo. Việc nghiên cứu và phát triển các mô hình xử lý kỵ khí kết hợp với giá thể như PEG gel beads có thể nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu chi phí vận hành.

2.1. Các công nghệ xử lý nước thải thủy sản

Có nhiều công nghệ được áp dụng để xử lý nước thải thủy sản, bao gồm các hệ thống kỵ khí như UASB, EGSB và AFBR. Những công nghệ này có khả năng xử lý nước thải với tải trọng ô nhiễm cao, đồng thời tạo ra khí methane. Việc kết hợp các công nghệ này với giá thể PEG gel beads có thể cải thiện khả năng bám dính của vi sinh vật, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý. Nghiên cứu cho thấy rằng mô hình kỵ khí kết hợp với giá thể PEG gel beads có thể đạt hiệu suất xử lý cao hơn so với mô hình không có giá thể.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình kỵ khí kết hợp với giá thể PEG gel beads có khả năng xử lý COD và BOD5 hiệu quả. Hiệu suất xử lý đạt khoảng 91.7% theo COD và 90.1% theo BOD5 ở tải trọng 6 kg COD/m3/ngày. Mô hình không có giá thể chỉ đạt hiệu suất tương tự ở tải trọng tối đa 4 kg COD/m3/ngày. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng giá thể PEG gel beads không chỉ cải thiện hiệu suất xử lý mà còn giảm thiểu khả năng trôi bùn, một vấn đề thường gặp trong các hệ thống xử lý nước thải.

3.1. Đánh giá khả năng xử lý

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng bám dính của vi sinh vật lên hạt PEG gel beads là rất tốt, giúp tăng cường hiệu quả xử lý. Sau 70 ngày nuôi cấy, hạt PEG gel beads cho thấy tốc độ lắng cao và khả năng giữ lại vi sinh vật tốt hơn so với mô hình không có giá thể. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất xử lý mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho các hệ thống xử lý nước thải trong ngành chế biến thủy sản.

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến thủy sản tại Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, với sản lượng xuất khẩu ngày càng tăng và đa dạng về chủng loại sản phẩm. Tuy nhiên, quá trình sản xuất này đồng thời tạo ra lượng lớn nước thải chứa hàm lượng ô nhiễm cao, đặc biệt là các chỉ tiêu COD (Chemical Oxygen Demand) và BOD5 (Biochemical Oxygen Demand) với nồng độ trung bình lần lượt từ 1000 đến 1400 mg/l và 688 đến 830 mg/l. Nước thải thủy sản còn chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) cao, dao động từ 150 đến 200 mg/l, cùng các chất dinh dưỡng như tổng Nitơ (TN) và phốt pho (TP), cũng như muối và dầu mỡ động thực vật, gây khó khăn cho việc xử lý sinh học truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển và đánh giá hiệu quả mô hình xử lý nước thải thủy sản bằng quá trình sinh học kị khí kết hợp với giá thể Polyethylene Glycol (PEG) gel beads nhằm nâng cao hiệu suất xử lý chất hữu cơ và giảm thiểu hiện tượng trôi bùn. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian vận hành mô hình từ 84 đến 187 ngày, với các tải trọng hữu cơ (OLR) từ 1 đến 8 kg COD/m³/ngày, tương ứng với thời gian lưu nước (HRT) từ 24 đến 4 giờ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ xử lý nước thải thủy sản hiệu quả, thân thiện môi trường và tiết kiệm năng lượng, góp phần bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững ngành thủy sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình xử lý sinh học kị khí, trong đó quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra qua ba giai đoạn chính: thủy phân, acetic hóa và methane hóa. Vi sinh vật kị khí đóng vai trò trung tâm trong việc chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành khí methane (CH4) và carbon dioxide (CO2). Các yếu tố môi trường như pH (6-8), nhiệt độ (30-40°C), độ kiềm, hàm lượng amonia, sulfide và muối ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả quá trình.

Mô hình nghiên cứu sử dụng bể phản ứng kị khí dòng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB) kết hợp với giá thể PEG gel beads nhằm tăng cường khả năng bám dính và phát triển sinh khối vi sinh vật. PEG gel beads có vận tốc lắng cao (32 mm/s) giúp giảm thiểu hiện tượng trôi bùn, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể. Các khái niệm chính bao gồm tải trọng hữu cơ (OLR), thời gian lưu nước (HRT), hiệu suất xử lý COD và BOD5, cũng như các thông số chất lượng nước như TSS, VFAs (Volatile Fatty Acids), ammonia và sản lượng khí methane.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ nước thải thủy sản lấy tại chợ Bà Hạt, Quận 10, TP. Hồ Chí Minh, với nồng độ COD đầu vào dao động từ 1000 đến 1400 mg/l. Nghiên cứu thực hiện hai giai đoạn chính: giai đoạn thích nghi và giai đoạn khảo sát chính. Mô hình thí nghiệm gồm hai nghiên cứu liên tiếp: nghiên cứu 1 vận hành mô hình với bùn vi sinh tự do; nghiên cứu 2 vận hành mô hình với bùn vi sinh tự do kết hợp 0.5 lít hạt PEG gel beads.

Phương pháp phân tích sử dụng các tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam như SMEWW 5210-B (BOD5), SMEWW 5220-C (COD), TCVN 6638 (Tổng Nitơ), SMEWW 4500-P (Tổng Phốt pho), SMEWW 5560C (VFAs), TCVN 5988 (Amonia), SMEWW 2540B (TSS). Cỡ mẫu được lựa chọn phù hợp với quy mô mô hình thí nghiệm, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel để tính toán hiệu suất xử lý, tải trọng tối ưu và biểu diễn biến thiên các thông số theo thời gian vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng bám dính và lắng của bùn vi sinh trên hạt PEG gel beads: Sau 70 ngày nuôi cấy, vi sinh vật kị khí bám dính tốt trên bề mặt hạt PEG gel beads, hạt có màu đen đặc trưng và vận tốc lắng đạt 32 mm/s, cao hơn nhiều so với bùn vi sinh tự do, giúp giảm thiểu hiện tượng trôi bùn.

2. Hiệu suất xử lý COD và BOD5: Ở tải trọng 6 kg COD/m³/ngày với thời gian lưu nước 4 giờ, mô hình có giá thể PEG gel beads đạt hiệu suất xử lý COD khoảng 91.7% và BOD5 khoảng 90.1% sau 187 ngày vận hành. Trong khi đó, mô hình không sử dụng giá thể chỉ đạt hiệu suất tương tự ở tải trọng tối đa 4 kg COD/m³/ngày với thời gian lưu nước 6 giờ sau 84 ngày vận hành.

3. Biến thiên các thông số môi trường: Nồng độ VFAs đầu ra giảm đáng kể khi tăng tải trọng đến 6 kg COD/m³/ngày, pH duy trì ổn định trong khoảng 6.5-7.5, phù hợp cho hoạt động của vi sinh vật methanogens. Hàm lượng ammonia được kiểm soát dưới ngưỡng gây ức chế (<2000 mg/l), đảm bảo hiệu quả quá trình kị khí.

4. Sản lượng khí methane: Sản lượng khí methane tăng theo tải trọng hữu cơ, đạt mức tối ưu tại 6 kg COD/m³/ngày, góp phần tạo ra nguồn năng lượng tái tạo có thể sử dụng trong các công đoạn sản xuất.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của mô hình kết hợp giá thể PEG gel beads được giải thích bởi khả năng tăng sinh khối vi sinh vật và cải thiện sự tiếp xúc giữa vi sinh và chất hữu cơ nhờ bề mặt giá thể lớn và vận tốc lắng cao. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng giá thể PVA gel beads, PEG gel beads cũng cho thấy ưu thế về khả năng bám dính và ổn định sinh học trong điều kiện nước thải thủy sản có hàm lượng muối và chất hữu cơ cao.

Biểu đồ thể hiện hiệu suất xử lý COD và BOD5 theo các tải trọng hữu cơ cho thấy sự tăng trưởng hiệu quả đến mức tải trọng 6 kg COD/m³/ngày, sau đó hiệu suất giảm nhẹ ở tải trọng 8 kg COD/m³/ngày do quá tải sinh học. Bảng so sánh nồng độ VFAs, ammonia và pH giữa hai mô hình cũng minh chứng cho sự ổn định sinh học tốt hơn khi sử dụng giá thể PEG gel beads.

Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về xử lý nước thải công nghiệp bằng công nghệ kị khí kết hợp giá thể, đồng thời khẳng định tính khả thi và hiệu quả của mô hình trong điều kiện thực tế nước thải thủy sản tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng mô hình kị khí kết hợp giá thể PEG gel beads trong các nhà máy chế biến thủy sản: Đề xuất áp dụng mô hình với tải trọng hữu cơ tối ưu 6 kg COD/m³/ngày và thời gian lưu nước 4 giờ nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp chế biến thủy sản, thời gian triển khai trong vòng 12 tháng.

2. Tăng cường giám sát và kiểm soát các thông số môi trường: Định kỳ theo dõi pH, ammonia, VFAs và TSS để đảm bảo điều kiện vận hành ổn định, tránh hiện tượng ức chế vi sinh vật. Các cơ quan quản lý môi trường phối hợp với doanh nghiệp thực hiện hàng quý.

3. Nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống: Đào tạo nhân viên vận hành về kỹ thuật xử lý kị khí và quản lý giá thể PEG gel beads nhằm duy trì hiệu suất xử lý và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo dự kiến 3 tháng, do các chuyên gia môi trường thực hiện.

4. Khuyến khích nghiên cứu phát triển giá thể mới và tối ưu hóa công nghệ: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu tiếp tục cải tiến vật liệu giá thể và mô hình vận hành nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí đầu tư. Các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện trong 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp chế biến thủy sản: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện công nghệ xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đáp ứng các quy định về bảo vệ môi trường.

2. Cơ quan quản lý môi trường: Sử dụng thông tin để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn vận hành các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp hiệu quả.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và phân tích để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến xử lý nước thải công nghiệp và công nghệ sinh học kị khí.

4. Nhà đầu tư và tư vấn kỹ thuật: Đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của công nghệ xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình kị khí kết hợp giá thể PEG gel beads để tư vấn và triển khai dự án.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình xử lý nước thải thủy sản bằng PEG gel beads có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Mô hình này tăng khả năng bám dính vi sinh vật, giảm hiện tượng trôi bùn, nâng cao hiệu suất xử lý COD và BOD5 lên đến hơn 90% ở tải trọng cao, đồng thời tạo ra khí methane có thể tái sử dụng làm năng lượng.

2. Tải trọng hữu cơ tối ưu cho mô hình là bao nhiêu?
   Tải trọng hữu cơ tối ưu được xác định là 6 kg COD/m³/ngày với thời gian lưu nước 4 giờ, đạt hiệu quả xử lý cao và ổn định trong vận hành dài hạn.

3. Giá thể PEG gel beads có ảnh hưởng như thế nào đến quá trình xử lý?
   PEG gel beads cung cấp bề mặt lớn cho vi sinh vật bám dính, giúp tăng sinh khối và ổn định sinh học, đồng thời có vận tốc lắng cao giúp giảm thiểu trôi bùn, cải thiện hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

4. Các yếu tố môi trường nào cần kiểm soát trong quá trình vận hành mô hình?
   Các yếu tố quan trọng gồm pH duy trì trong khoảng 6.5-7.5, nồng độ ammonia dưới 2000 mg/l, kiểm soát VFAs để tránh tích tụ gây ức chế vi sinh vật, và duy trì nhiệt độ ổn định khoảng 30-40°C.

5. Mô hình có thể áp dụng cho các loại nước thải công nghiệp khác không?
   Mô hình có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại nước thải công nghiệp có hàm lượng hữu cơ cao và đặc tính tương tự, tuy nhiên cần nghiên cứu bổ sung để tối ưu hóa thiết kế và vận hành phù hợp từng loại nước thải.

Kết luận

• Mô hình xử lý nước thải thủy sản bằng quá trình kị khí kết hợp giá thể PEG gel beads đạt hiệu suất xử lý COD và BOD5 trên 90% ở tải trọng 6 kg COD/m³/ngày.
• Giá thể PEG gel beads giúp tăng khả năng bám dính vi sinh vật và giảm hiện tượng trôi bùn nhờ vận tốc lắng cao 32 mm/s.
• Quá trình vận hành ổn định trong khoảng 187 ngày với các thông số môi trường được kiểm soát tốt như pH, ammonia và VFAs.
• Sản lượng khí methane sinh ra có thể tận dụng làm nguồn năng lượng tái tạo, góp phần giảm chi phí vận hành.
• Đề xuất triển khai ứng dụng mô hình trong thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ và đào tạo nhân lực vận hành.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường nên phối hợp triển khai mô hình xử lý này, đồng thời đầu tư nghiên cứu mở rộng quy mô và tối ưu hóa công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải thủy sản tại Việt Nam.