VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU PHẠM HẢI BẰNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG HỆ THỐNG BỂ SINH HỌC KẾT HỢP MÀNG LỌC KHÍ NÂNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Trang 1VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
PHẠM HẢI BẰNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG
HỆ THỐNG BỂ SINH HỌC KẾT HỢP MÀNG LỌC KHÍ NÂNG
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
Hà Nội - 2021
Trang 2VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
PHẠM HẢI BẰNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG
HỆ THỐNG BỂ SINH HỌC KẾT HỢP MÀNG LỌC KHÍ NÂNG
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN
Ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
Mã số: 9850101
LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
Tác giả luận án
Phạm Hải Bằng
Giáo viên hướng dẫn 1
TS Đỗ Tiến Anh
Giáo viên hướng dẫn 2
TS Bạch Quang Dũng
Hà Nội – 2021
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Tiến Anh và TS Bạch Quang Dũng
Các số liệu, kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định
Tác giả xin chịu trách nhiệm trước pháp luật cũng như đạo đức khoa học về lời cam đoan này
Tác giả luận án
Phạm Hải Bằng
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Luận án này được thực hiện tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên và Môi trường Đây không chỉ là nơi đào tạo giúp nghiên cứu sinh trưởng thành hơn trong hoạt động nghiên cứu khoa học, nghề nghiệp mà còn là nơi để nghiên cứu sinh chia sẻ những khúc mắc gặp phải trong quá trình học tập, thực hiện Luận án
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai thầy hướng dẫn là TS Đỗ Tiến Anh và TS Bạch Quang Dũng đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đầu tiên xây dựng hướng nghiên cứu, cũng như luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án
Tác giả trân trọng cảm ơn Lãnh đạo, chuyên gia, các nhà khoa học của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ môn Quản lý tài nguyên và môi trường và các cơ quan hữu quan đã có những góp ý về khoa học cũng như hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS Trần Thục, PGS.TS Nguyễn Văn Thắng, PGS.TS Huỳnh Thị Lan Hương, PGS.TS Trịnh Thị Thanh, TS Chu Xuân Quang, TS Trần Thị Thu Lan đã có những ý kiến đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thành Luận án
Tác giả xin gửi lời tri ân tới mọi thành viên trong gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp về những động viên tinh thần, chia sẻ và những khó khăn mà mọi người đã có thể phải gánh vác trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án của của nghiên cứu sinh
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Tác giả luận án
Phạm Hải Bằng
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN, CÔNG NGHỆ SINH HỌC SỬ DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ VÀ CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC KHÍ NÂNG 13
1.1 Tổng quan nghiên cứu về xử lý nước thải giết mổ lợn 13
1.1.1. Nước thải giết mổ lợn ở Việt Nam 13
1.1.2. Đặc tính và ảnh hưởng của nước thải giết mổ lợn tới môi trường và sức khỏe con người 17
1.1.3. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về công nghệ sinh học trong xử lý nước thải giết mổ 21
1.1.4. Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ sinh học trong xử lý nước thải giết mổ 40
1.2 Tổng quan về công nghệ sinh học sử dụng vi sinh vật tại chỗ 44
1.2.1. Cơ sở khoa học 44
1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu về công nghệ sinh học bổ sung các vi sinh vật tại chỗ trên thế giới 46
1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu về công nghệ sinh học bổ sung các vi sinh vật tại chỗ tại Việt Nam 50
1.3 Tổng quan công nghệ sinh học kết hợp màng lọc khí nâng (Gaslift- MBR) trong xử lý nước thải 52
1.3.1. Công nghệ màng lọc khí nâng 52
1.3.2. Tình hình nghiên cứu màng lọc sinh học khí nâng trong xử lý nước thải trên thế giới và tại Việt Nam 55
Trang 61.4 Tiểu kết chương 1 58
Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 61
2.1 Phương pháp tiếp cận 61
2.2 Vật liệu 62
2.2.1. Nước thải giết mổ lợn 62
2.2.2. Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu 64
2.2.3. Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 64
2.2.4. Địa điểm thực hiện nghiên cứu 65
2.3 Phương pháp nghiên cứu 65
2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu 65
2.3.2. Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu nước thải và bùn hoạt tính 65
2.3.3. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 67
2.4 Thiết kế hệ thống và phương pháp nghiên cứu 68
2.4.1. Thiết kế và xây dựng hệ thống MBR khí nâng 68
2.4.2. Nghiên cứu hiệu quả sử dụng vi sinh vật tại chỗ trong việc cải thiện hoạt động của công trình xử lý sinh học trong hệ thống MBR khí nâng 72
2.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ tới hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng 75
2.4.4. Nghiên cứu xác định điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống MBR khí nâng sử dụng vi sinh vật tại chỗ 76
2.5 Tiểu kết chương 2 78
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG CÔNG NGHỆ MBR KHÍ NÂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN 80
3.1 Khảo sát đặc tính của nước thải giết mổ lợn từ cơ sở giết mổ Thịnh An 80
3.2 Nghiên cứu khả năng ứng dụng vi sinh vật tại chỗ cho hệ thống MBR khí nâng xử lý nước thải giết mổ lợn 83
Trang 73.2.1. Đánh giá khả năng sử dụng vi sinh vật tại chỗ cho bể sinh học hiếu khí xử lý nước thải giết mổ lợn và xác định thời gian khởi động (nghiên
cứu 1) 83
3.2.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả hoạt động của bể sinh học hiếu khí sử dụng vi sinh vật tại chỗ 93
3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ tới hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng (nghiên cứu 5) 112
3.4 Nghiên cứu khảo sát các thông số vận hành tối ưu của hệ thống MBR khí nâng được sử dụng vi sinh vật tại chỗ ứng dụng trong xử lý nước thải giết mổ lợn 115
3.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành tới hoạt động của hệ MBR khí nâng (nghiên cứu 6) 115
3.4.2. Nghiên cứu xác định các thông số vận hành màng tối ưu cho hệ MBR khí nâng được sử dụng vi sinh vật tại chỗ (nghiên cứu 7) 123
3.5 Đề xuất các giải pháp kỹ thuật giúp quản lý và giám sát xử lý nước thải giết mổ 139
3.6 Tiểu kết chương 3 145
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 148
TÀI LIỆU THAM KHẢO 151
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 162
PHỤ LỤC 163
Trang 8DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tỷ lệ nước tiêu thụ trong cơ sở giết mổ [10] 17
Bảng 1.2 Bảng thông số ô nhiễm của nước thải giết mổ gia súc trên thế giới 18
Bảng 1.3 Thông số ô nhiễm của một số cơ sở giết mổ tại Việt Nam 19
Bảng 1.4 Tiêu chuẩn xả thải của Việt Nam và một số tổ chức trên thế giới [31] 20
Bảng 1.5 Thành phần các khí trong biogas [23] 24
Bảng 1.6 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kỵ khí xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới 29
Bảng 1.7 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học hiếu khí xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới 39
Bảng 1.8 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải lò giết mổ tại Việt Nam 43
Bảng 1.9 Tổng quan một số nghiên cứu về công nghệ bổ sung vi sinh vật tại chỗ trên thế giới 49
Bảng 1.10 Khung mục tiêu, nội dung nghiên cứu 59
Bảng 2.1 Các phương pháp phân tích 66
Bảng 2.2 Các thiết bị kết nối với bể sinh học hiếu khí 70
Bảng 2.3 Điều kiện hoạt động của màng ở quy mô phòng thí nghiệm 71
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của modul màng (UF) quy mô phòng thí nghiệm 72
Bảng 3.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải tại cơ sở giết mổ lợn Thịnh An tại xã Vạn Phúc, huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội 80
Bảng 3.2 Năng suất lọc (L/m2/giờ) của màng khi chưa cấp khí nâng đối với nước sạch 116
Bảng 3.3 Năng suất lọc của màng khi cấp khí nâng 119
Bảng 3.4 Bảng so sánh các đặc điểm và kết quả 136
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Thống kê cơ sở giết mổ nhỏ lẻ tại các tỉnh, thành phố trên cả nước
năm 2019 14
Hình 1.2 Sơ đồ phát sinh chất thải theo các công đoạn giết mổ gia súc [9] 16
Hình 1.3 Phân loại các phương pháp xử lý sinh học kỵ khí 22
Hình 1.4 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý sinh học kỵ khí [83] 23
Hình 1.5 Lượng CH4 thất thoát trong các quá trình xử lý [41] 25
Hình 1.6 Mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất và sự phát triển của vi sinh vật [24] 33
Hình 1.7 So sánh các chỉ số trong hệ thống có BOD cao và BOD thấp [24] 34 Hình 1.8 So sánh sơ bộ phương pháp xử lý sinh học hiếu khí và kỵ khí [35] 35
Hình 1.9 Công nghệ màng đặt ngoài (side stream MBR) sử dụng khí nâng 53
Hình 1.10 Màng đặt ngập nước (submerged MBR) kết hợp khí nâng [42] 54
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của phương pháp nghiên cứu khoa học 62
Hình 2.2 Vị trí của cơ sở giết mổ Thịnh An, huyện Thanh Trì, Hà Nội (nằm trong vùng bãi của sông Hồng) 63
Hình 2.3 Sơ đồ tổng quát hệ thống xử lý công suất 50L/ngày 69
Hình 2.4 Hệ thống thử nghiệm kiểm tra hoạt động của Module màng lọc đơn 71
Hình 2.5 Hệ Module màng hoàn thiện 72
Hình 2.6 Mô hình bể xử lý sinh học quy mô phòng thí nghiệm 73
Hình 3.1 Diễn biến nồng độ COD theo thời gian 85
Hình 3.2 Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian 85
Hình 3.3 Nồng độ NH4+-N qua các mẻ xử lý 88
Hình 3.4 Nồng độ NO2--N và NO3--N qua các mẻ xử lý 88
Hình 3.5 Hiệu suất xử lý TN của bể xử lý hiếu khí VSVTT và VSVTC 89
Hình 3.6 Kết quả theo dõi nồng độ MLSS 91
Hình 3.7 Mỗi liên hệ giữa thời gian lưu và nồng độ COD trong bể xử lý 93
Trang 10Hình 3.8 Mối liên hệ giữa thời gian lưu và nồng độ TN trong bể xử lý 94 Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý NH4+, NO2-, NO3 -trong bể xử lý hiếu khí được sử dụng vi sinh vật tại chỗ 95 Hình 3.10 Nồng độ MLSS và hiệu suất xử lý COD trong bể xử lý hiếu khí có
sử dụng vi sinh vật tại chỗ 98 Hình 3.11 Nồng độ MLSS và hiệu suất xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 99 Hình 3.12 Nồng độ NH4+-N, NO3--N, NO2--N và hiệu suất xử lý TN trong bể
xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 100 Hình 3.13 Mối quan hệ giữa MLSS và hiệu quả xử lý COD với giá trị SRT trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 103 Hình 3.14 Mối quan hệ giữa MLSS và hiệu suất xử lý TN với giá trị SRT trong xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 104 Hình 3.15 Ảnh hưởng của tải lượng COD tới hiệu suất xử lý COD trong bể xử
lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 105 Hình 3.16 Ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý COD trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 106 Hình 3.17 Ảnh hưởng của tải lượng TN tới hiệu quả xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 107 Hình 3.18 Biến thiên tải lượng TN và hiệu suất xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 108 Hình 3.19 Nồng độ NH4+-N trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 109 Hình 3.20 Nồng độ NO2--N, NO3--N trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 110 Hình 3.21 Theo dõi hoạt động của hệ màng MBR khí nâng tại các giá trị MLSS khác nhau 112
Trang 11Hình 3.22 Hiệu suất xử lý của hệ màng MBR khí nâng tại các giá trị MLSS
khác nhau 112
Hình 3.23 Thông lượng màng khi thay đổi áp suất và tốc độ hút (khi chưa cấp khí) 116
Hình 3.24 Năng suất lọc của hệ màng (lưu lượng khí nâng Qkhí =0,3 l/ph) 119 Hình 3.25 Năng suất lọc của hệ màng (Qkhí=0,5 l/phút) 121
Hình 3.26 Hiệu quả của quá trình rửa màng bằng hóa chất và nước sạch 122
Hình 3.27 Khảo sát năng suất lọc tại áp suất vận chuyển và lưu lượng sục khí khác nhau 124
Hình 3.28 Khảo sát vận tốc nước chảy trong ống màng (m/giây) 124
Hình 3.29 Diễn biến lưu lượng lọc và áp suất màng 126
Hình 3.30 Nồng độ COD trong hệ MBR khí nâng 130
Hình 3.31 Hiệu suất xử lý COD trong hệ MBR khí nâng 131
Hình 3.32 Hiệu quả xử lý COD trước và sau khi vận hành hệ thống màng MBR khí nâng 132
Hình 3.33 Nồng độ TN theo thời gian xử lý trong hệ MBR khí nâng 133
Hình 3.34 Hiệu suất xử lý TN trong hệ MBR khí nâng 134
Hình 3.35 Nồng độ NH4+-N, NO2--N và NO3--N trong hệ MBR khí nâng 135
Hình 3.36 Hiệu suất xử lý TN trong hệ MBR khí nâng 136
Trang 12DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BOD Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5
ngày
Biochemical oxygen Demand
COD Nhu cầu oxy hóa học Chemical Oxygen Demand
DO Oxy hòa tan Dissolved Oxygen
F/M Thức ăn/mật độ vi sinh Food/Microorganism
GL-MBR Bể sinh học kết hợp với màng
khí nâng
Gaslift membrane bioreactor
HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic retention time SRT Thời gian lưu bùn Sludge retention time
MBR Bể phản ứng kiểu màng sinh
học
Membrane bioreactor
MLSS Chất rắn lơ lửng trong bể phản
ứng Mixed Solid Liquor Suspended MLVSS Tổng chất lơ lửng bay hơi trong
bể phản ứng
Mixed Liquor Volatile Suspended Solid
SBR Bể phản ứng hoạt động theo mẻ Sequencing Batch Reactor
SS Cặn lơ lửng Suspended Solid
SV30 Thể tích bùn lắng sau 30 phút
SVI Chỉ số thể tích bùn Sludge Volume Index
TN Tổng nitơ Total nitrogen
TP Tổng phốt pho Total phosphorus
TSS Tổng cặn lơ lửng Total Suspendid Solid
VSVTT Kí hiệu bể xử lý được bổ sung
vi sinh vật thông thường VSVTC Kí hiệu bể xử lý được bổ sung
vi sinh vật tại chỗ SWW Nước thải lò mổ Slaughterhouse wastewater VSV Vi sinh vật Microorganism
Trang 13Kí hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh
HSXL Hiệu suất xử lý Removal effeciency
MBBR Bể xử lý dùng giá thể vi sinh
chuyển động
Moving Bed Biofilm Reactor
ASBR Bể phản ứng theo mẻ kỵ khí Anaerobic sequence batch
reactor UASB Bể xử lý sinh học dòng chảy
ngược qua tầng bùn kỵ khí Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor
MF Màng vi lọc Microfiltration
UF Màng siêu lọc Ultrafiltration
ESP Chất cao phân tử ngoại bào Extracellular polymeric
substance
SMP sản phẩm vi sinh hòa tan Soluble microbial products
AOB Vi sinh vật oxy hóa amoni Ammonia-oxidizing bacteria
NOB Vi sinh vật oxy hóa nitrit Nitrite-oxidizing bacteria
SOUR Tốc độ tiêu thụ oxy riêng phần Specific oxygen uptake rate ABR Yếm khí có vách ngăn Anaerobic Baffled Reactor HAFBR Bể phản ứng kỵ khí giá thể cố
định dòng chảy đứng
Anaerobic fixed bed reactor
AGS Bùn hạt hoạt tính Activated granular sludge