ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH METHANE RIÊNG VÀ CỘNG ĐỒNG VI KHUẨN CỦA HỆ THỐNG ĐỒNG PHÂN HỦY KỴ KHÍ MÀNG HAI GIAI ĐOẠN CHO NƯỚC THẢI VÀ RÁC HỮU CƠ NHÀ BẾPEVALUATION OF SPECIFIC METHANOGENTIC ACTIVITY AND MICROBIAL COMMUNITY OF THE LABSCALE TWOSTAGE ANAEROBIC MEMBRANCE BIOREACTOR FOR CODIGESTION OF KITCHEN WATSEWATER AND FOOD WATSENghiên cứu này được thực hiện nhằm mục đích nâng cao hiệu suất xử lý COD và khả năng sản sinh khí methane của quá trình đồng phân hủy kỵ khí màng hai giai đoạn (2s – AnMBR) để xử lý nước thải và rác hữu cơ nhà bếp. Mô hình được đánh giá ở 2 tải trọng khác nhau (9 kg COD.m3.ngày1 và 12 kg COD.m3.ngày1) thông qua các thông số nồng độ COD, độ pH, nồng độ axit béo dễ bay hơi (VFA), áp suất chuyển màng (TMP), tổng chất rắn (TS) và chất rắn bay hơi (VS). Kết quả cho thấy rằng hiệu suất xửlý COD ở tải trọng 9 kg COD.m3.ngày1(83%) cao hơn ở tải trọng 12 kg COD.m3.ngày 1(59%) và khả năng loại bỏ TS và VS tăng lần lượt là 15% và 2% khi tải trọng hữu cơ giảm từ 12 kg COD.m3.ngày1 đến 9 kg COD.m3.ngày1. Cộng đồng vi khuẩn được đo bởi công ty KTEST bằng phương pháp 16s rRNA Metagenomics nhằm đánh giá thành phần vi sinh vật trong hệ thống 2s – AnMBR. Đồng thời thí nghiệm SMA được tiến hành trong điều kiện thí nghiệm là 35 oC và tỷ lệ FM = 1:1 để tìm ra cơ chất sản sinh khí biogas nhiều nhất. Khảo sát được tiến hành trong 30 ngày với 4 loại cơ chất bao gồm nước thải, dịch thủy phân, hỗn hợp nước thải và dịch thủy phân, dung dịch glucose. Trong đó, dịch thủy phân là cơ chất sản sinh nhiều khí CH4 nhất và bùn hạt có khả năng tự phân hủy sinh học theo thời gian.
GIỚI THIỆU
Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam đang đặt ra nhiều thách thức về môi trường, đặc biệt trong xử lý nước thải sinh hoạt Hiện nay, hầu hết các nhà máy xử lý nước thải đô thị lớn tập trung sử dụng phương pháp sinh học hiếu khí quy mô lớn để loại bỏ các thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhằm đảm bảo chất lượng nước phù hợp tiêu chuẩn xả thải Việt Nam Tuy nhiên, cách xử lý “cuối đường ống” này không bền vững do tiêu tốn nhiều năng lượng và đi ngược lại nguyên lý của nền kinh tế xanh, khi xem nước thải như nguồn tài nguyên cần được thu hồi thay vì lãng phí Thách thức trong tương lai là phát triển các hệ thống xử lý nước thải tích hợp khả năng tái sử dụng tài nguyên, đảm bảo vệ sinh và tiết kiệm chi phí Bên cạnh đó, chất thải rắn sinh hoạt như rác sân vườn, rác nhà bếp cũng là nguồn tài nguyên tiềm năng bị bỏ lỡ, vì thường được đốt, làm phân compost hoặc chôn lấp dẫn đến lãng phí năng lượng cần được khai thác hiệu quả hơn.
Nhiều dự án đã được triển khai nhằm tối đa hóa việc thu hồi năng lượng từ dòng cô đặc của nước thải sinh hoạt, sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như ly tâm, lọc màng và tạo bông sinh học để làm giàu và cô đặc nước thải Sau quá trình cô đặc, nước thải được trộn với bùn sinh học và chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học, rồi xử lý trong bể phản ứng kỵ khí sinh học để thu hồi năng lượng hiệu quả Sự ra đời của khái niệm này, kết hợp với công nghệ màng sinh học kỵ khí AnMBR, đã trở thành giải pháp tối ưu cho vấn đề thu hồi năng lượng từ chất thải, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt.
Bể phản ứng màng sinh học (AnMBR) là công nghệ tiên tiến trong xử lý nước thải nhờ khả năng tách sinh khối khỏi nước qua quá trình lọc màng, giúp giảm thiểu các vấn đề vận hành và tối ưu hóa quá trình sinh học Quá trình xử lý sinh học kỵ khí trong AnMBR bao gồm các phản ứng sinh học phức tạp, dưới sự tham gia của nhiều loại vi sinh vật đa dạng Nhờ đó, công nghệ AnMBR không chỉ nâng cao hiệu quả xử lý nước thải mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 2 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Nguyễn Duy Sơn (1813850) nhận định rằng sự phức tạp của các yếu tố này làm cho việc áp dụng công nghệ phân tách màng kết hợp với quá trình kỵ khí gặp nhiều thách thức Do đó, việc nghiên cứu kỹ lưỡng về ứng dụng của các bể phản ứng sinh học dạng màng trong quá trình kỵ khí là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả và ổn định của hệ thống [4].
Chất thải rắn hữu cơ dễ bị thủy phân dẫn đến axit hóa trong bể phân hủy kỵ khí, gây ức chế quá trình methane hóa Tốc độ thủy phân nhanh các chất thải rắn hữu cơ dễ phân hủy sinh học đóng vai trò quyết định trong việc tạo ra các axit và VFAs làm giảm pH Sự giảm pH này gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của vi khuẩn methane hóa, vì yêu cầu sinh trưởng của chúng khác với vi khuẩn không methane hóa, làm hạn chế hiệu quả của quá trình phân hủy kỵ khí.
Năm 1971, Poland và Shish lần đầu tiên đề xuất phương pháp tách quá trình phân hủy kỵ khí thành hai giai đoạn riêng biệt, nhằm tạo điều kiện phát triển tối ưu cho hai nhóm vi khuẩn trong quá trình phân hủy sinh học.
Luận văn của Luân (2021) nghiên cứu hiệu quả của hệ thống 2s-AnMBR tại tải trọng 12 kg COD.m⁻³.ngày⁻¹, đạt hiệu quả xử lý COD lên đến 91% Kết quả cho thấy tỷ lệ thu hồi khí sinh học tăng khi tải trọng hữu cơ tăng và thời gian lưu nước giảm, chứng tỏ hệ thống hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng cao.
Luận văn của Văn, Hoàng, Trang (2022) đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng phân hủy kỵ khí hai giai đoạn ở tải trọng 12 kg COD/m³/ngày, đồng thời thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà bếp và nước thải sinh hoạt cho 50 hộ gia đình ở nông thôn Nghiên cứu chỉ ra rằng nồng độ pH và lượng VFA có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng xử lý COD trong hệ thống cũng như tỷ lệ sản sinh khí sinh học.
Các nghiên cứu trước đây chưa đề cập đến hoạt tính methanogen cụ thể (SMA) và cộng đồng vi khuẩn trong hệ thống đồng phân hủy khí màng hai giai đoạn Do đó, đề tài “Đánh giá hoạt tính methane riêng và cộng đồng vi khuẩn của hệ thống đồng phân hủy khí màng hai giai đoạn cho nước thải và rác hữu cơ nhà bếp” nhằm cung cấp cơ sở khoa học mới và giải quyết vấn đề thu hồi năng lượng từ nguồn thải Đây là nghiên cứu cần thiết để nâng cao hiểu biết về quá trình sinh học và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất methane từ nguồn rác thải sinh hoạt.
1.2 - Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Việc xác định loại cơ chất phù hợp cho mô hình 2S-AnMBR là yếu tố then chốt để tối ưu hóa lượng biogas sinh ra Phương pháp đo độ hoạt tính methane riêng (SMA) được sử dụng để đánh giá chính xác khả năng sinh biogas của các cơ chất khác nhau Đồng thời, nghiên cứu còn tập trung vào việc đánh giá hiệu suất xử lý COD ở hai tải trọng cao lần lượt là 9 kg COD.m-3.ngày-1 và 12 kg COD.m-3.ngày-1 Kết quả cho thấy việc lựa chọn cơ chất phù hợp cùng phương pháp đo SMA đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xử lý và sản lượng biogas của hệ thống AnMBR.
Trong mô hình 2s-AnMBR, ngày -1 đóng vai trò quan trọng trong việc tối đa hóa hiệu suất xử lý trong quá trình đồng phân hủy kỵ khí Công nghệ IC (Internal Circulation) được ứng dụng nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống màng hai giai đoạn, giúp cải thiện quá trình xử lý sinh học và giảm thiểu các tổn thất năng lượng Việc tối ưu hóa ngày -1 trong mô hình này góp phần nâng cao khả năng sinh khí trong quá trình phân hủy, tối ưu hóa hoạt động của hệ thống AnMBR, từ đó đảm bảo hiệu quả và bền vững cho quá trình xử lý nước thải.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 3 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
1.2.2 - Nội dung nghiên cứu Đề tài được thực hiện với các nội dung sau:
Đánh giá hiệu suất xử lý COD của quá trình đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải nhà bếp trong mô hình 2s-AnMBR tại quy mô phòng thí nghiệm cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc giảm hàm lượng COD, góp phần nâng cao hiệu suất xử lý môi trường Nghiên cứu này tập trung phân tích khả năng xử lý đồng thời chất thải rắn hữu cơ và nước thải bằng công nghệ AnMBR, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong xử lý chất thải Kết quả cho thấy quá trình đồng xử lý giúp tối ưu hóa việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm, đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn môi trường theo quy định Đây là giải pháp tiềm năng cho các hệ thống xử lý chất thải tại quy mô phòng thí nghiệm, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và bền vững trong xử lý môi trường.
Đánh giá khả năng thu hồi khí sinh học của quá trình đồng phân hủy kỵ khí bằng phương pháp SMA
Đánh giá áp suất chuyển màng (TMP), đặc tính bẩn màng của quá trình xử lý với thời gian lưu, tải trọng hữu cơ khác nhau
Đánh giá cộng đồng vi khuẩn trong hệ thống
Đối tượng nghiên cứu của bài viết là nước thải và rác hữu cơ, đặc biệt là thực phẩm thừa, được thu thập từ nhà bếp C6 và khu vực ăn uống BK Food Court tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phòng thí nghiệm với tải trọng nghiên cứu thực hiện ở 12 kg COD.m -3 ngày -1 và 9 kg COD.m -3 ngày -1
1.4 - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết nhằm đánh giá loại cơ chất cho ra lượng khí sinh học tối đa, giúp xác định hiệu quả của quá trình đồng phân hủy kỵ khí theo phương pháp màng hai giai đoạn 2S Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất khí sinh học từ các loại cơ chất khác nhau Các phát hiện này hỗ trợ tối ưu hoá quá trình đồng phân hủy kỵ khí hai giai đoạn nhằm tăng năng suất khí sinh học một cách bền vững.
AnMBR được ứng dụng để xử lý hiệu quả nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ, góp phần bảo vệ môi trường Phân tích cộng đồng vi khuẩn trong hệ thống giúp xác định thành phần các nhóm vi sinh vật kỵ khí, từ đó cải thiện quá trình xử lý sinh học Ngoài ra, phương pháp SMA được sử dụng để đo lượng khí sinh học CH4 phát sinh từ các cơ chất khác nhau, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình xử lý chất thải.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 4 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
TỔNG QUAN
Quá trình phản ứng sinh học kỵ khí liên quan đến vi khuẩn cổ sử sử dụng chất nhận electron trong điều kiện không có oxy để sản xuất năng lượng Quá trình này được ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải bao gồm khử nitrat/nitrit thành khí nitơ, lên men tạo axit béo dễ bay hơi (VFAs) dùng trong loại bỏ photphor, hấp thụ acetate và propionate qua tiếp xúc kỵ khí, phân hủy kỵ khí bùn thải cùng các chất thải hữu cơ khác Các quy trình xử lý nước thải kỵ khí như tăng trưởng lơ lửng, tăng trưởng bám dính theo dòng chảy lên xuống, tăng trưởng bám dính với tầng sôi, đầm phá, và tách màng đều mang lại hiệu quả cao trong xử lý chất thải.
Đồng phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy đồng thời nhiều loại cơ chất trong các bể phân hủy kỵ khí, giúp biến chất thải hữu cơ thành năng lượng và giảm phát thải CO2, đồng thời tận dụng khí CH4 trở thành nguồn nhiên liệu bền vững Nghiên cứu từ 2010 đến 2013 cho thấy đồng phân hủy kỵ khí chiếm hơn 50% các nghiên cứu về quá trình này, phản ánh tầm quan trọng của phương pháp trong xử lý chất thải Theo Baldi và cộng sự, quá trình đồng phân hủy kỵ khí của rác thải thực phẩm và nước thải đô thị giúp ổn định quá trình phân hủy, tăng năng suất khí sinh học, cải thiện hiệu quả kinh tế và thu hồi năng lượng, dinh dưỡng từ cơ chất, góp phần thúc đẩy chuyển đổi năng lượng sạch và bền vững.
Ban đầu, mục đích nghiên cứu của đồng phân hủy kỵ khí là tập trung vào việc trộn chất nền có lợi cho quá trình xử lý chất thải nhằm cân bằng độ ẩm, dưỡng chất, và pha loãng các hợp chất ức chế hoặc độc hại trong chất thải Tuy nhiên, kết quả thu được vượt xa mong đợi khi năng suất khí methane tăng cao hơn so với từng cơ chất xử lý riêng lẻ, nhờ việc bổ sung chất nền trong quá trình đồng phân hủy kỵ khí Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu sâu hơn về tỷ lệ, thành phần cơ chất nhằm tối ưu hóa năng suất khí sinh ra mà không gây ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra của hệ thống xử lý sinh học.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 5 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Quá trình đồng phân hủy kỵ khí giúp tăng sản lượng khí methane từ các thành phần khó phân hủy, vượt trội hơn so với quá trình phân hủy kỵ khí thông thường Để tối ưu hóa quá trình, cần lựa chọn cẩn thận đầu vào nhằm tăng khả năng sản xuất khí methane và tránh các thành phần gây ức chế sản xuất khí Trong nông nghiệp, quá trình đồng phân hủy kỵ khí thường được ứng dụng để nâng cao sản lượng khí methane từ phân chuồng Các nguồn nguyên liệu phổ biến bao gồm chất thải thực phẩm từ nhà hàng, chất thải chế biến thực phẩm, chất béo, dầu mỡ RFA từ nhà hàng, và sản phẩm phụ từ trồng trọt Nghiên cứu của Kaosol và cộng sự cho thấy, quá trình đồng phân hủy kỵ khí cho tỷ lệ sản xuất khí sinh học cao hơn, đạt sản lượng khí methane tối đa 1,87 L/ngày, tỷ lệ khí methane là 64,5%, và hiệu suất sản xuất là 0,321 L CH4/g COD loại bỏ.
Các hệ thống đồng phân hủy kỵ khí như Biothane UASB, EGSB, BioPaQ® UASB và PAQ IC hiện được ứng dụng rộng rãi trong xử lý chất thải của các ngành công nghiệp như nhà máy bia, chế biến khoai tây, bột giấy và giấy, sữa và rau quả, mang lại hiệu quả cao trong việc giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng.
Kassam và cộng sự đã thành công trong việc xử lý chất thải có hàm lượng COD cao lên tới 60.000 mg/L bằng các hệ thống phản ứng kỵ khí, đạt hiệu quả loại bỏ COD lên đến 85% trong thời gian HRT dưới 5 ngày Các hệ thống này còn có tỷ lệ sản xuất khí sinh học khoảng 500 L/kg COD, cho thấy hiệu quả cao trong xử lý chất thải và sản xuất năng lượng từ khí sinh học.
Trong các nghiên cứu khoa học từ năm 2010 đến 2013, đồng phân hủy kỵ khí chủ yếu sử dụng phân động vật làm chất nền, chiếm tỷ lệ 54%, trong đó phân bò và phân lợn là các loại phổ biến nhất Bùn thải and chất hữu cơ từ rác thải đô thị cũng góp phần đáng kể, lần lượt chiếm 20% và 11% Các đồng cơ chất được phối hợp thường là các chất thải công nghiệp, chiếm 41%, tiếp theo là chất thải nông nghiệp với 23% và chất thải đô thị với 20%, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đồng phân hủy kỵ khí hiệu quả.
2.1.2 - Phân hủy kỵ khí hai giai đoạn
Quá trình đồng phân hủy kỵ khí hai giai đoạn diễn ra qua hai bể phản ứng nối tiếp nhau, giúp tối ưu hóa quá trình phân hủy sinh học Trong bể phản ứng đầu tiên, pha lên men đóng vai trò chính trong việc tạo ra khí sinh học giàu năng lượng, giúp thu gom khí metan và các khí có giá trị khác Quá trình này là bước quan trọng trong hệ thống xử lý chất thải sinh học, góp phần chuyển đổi chất thải thành năng lượng xanh bền vững.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 6 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Nguyễn Duy Sơn đã phân tích vai trò của bể phản ứng trong quá trình chuyển đổi chất dễ bay hơi (VFA) và các hợp chất dễ phân hủy sinh học thành khí methane (CH4) và CO2 Bể phản ứng lên men nhằm tạo ra khí sinh học giàu hydro đồng thời hoạt động như một quá trình tiền xử lý, giúp giảm kích thước hạt bằng cách cắt nhỏ các mạch polymer lớn, từ đó mở rộng khả năng tiếp cận của vi khuẩn lên men và tăng hiệu suất sản xuất methane trong bể thứ hai.
Quá trình đồng phân hủy theo hai giai đoạn tạo ra khí CH4 hiệu quả hơn so với phương pháp đồng phân hủy truyền thống Điều này nhờ vào quá trình thủy phân đầu tiên, tạo ra lượng axit béo dễ bay hơi (VFA) giúp các chất sinh methane trong giai đoạn thứ hai hoạt động tối ưu hơn.
Quá trình đồng phân hủy kỵ khí 2 giai đoạn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố giống như quá trình phân hủy kỵ khí thông thường Trong nghiên cứu về đồng phân hủy kỵ khí 2 giai đoạn, đặc biệt chú trọng đến thông số C:N của hỗn hợp cơ chất và tỷ lệ phần trăm giữa hai loại cơ chất Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất phân hủy, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý chất thải sinh học.
Thông thường, tỷ lệ giữa các chất thải đã được đơn giản hóa để tối ưu hóa tỷ lệ C:N, nhưng vẫn cần chú trọng các yếu tố khác như chất dinh dưỡng, pH, độ kiềm, chất ức chế, hợp chất độc hại và các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học Nhiều nghiên cứu đã kiểm tra hiệu suất của quá trình đồng phân hủy kỵ khí dựa trên tỷ lệ C:N tối ưu, ví dụ như Wu và cộng sự nhận thấy hiệu quả tối đa khi hỗn hợp phân lợn và chất thải ngũ cốc có tỷ lệ C:N là 20 Panichnumsin và cộng sự cũng cho thấy sản lượng khí methane đạt tối đa khi nguyên liệu có tỷ lệ C:N là 33 từ bột sắn và phân lợn Trong khi đó, Zhang và cộng sự (2011) xác định tỷ lệ C:N tối ưu là 16 khi sử dụng phân bò và chất thải đô thị, giúp nâng cao hiệu quả của quá trình đồng phân hủy kỵ khí.
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng cần chú ý trong quá trình đồng phân hủy kỵ khí hai giai đoạn Theo nghiên cứu của Budiastuti và cộng sự (2017), việc duy trì nhiệt độ quanh mức 35°C giúp tối đa hóa hiệu quả xử lý COD và tăng sản lượng khí CH4, trong khi nhiệt độ không đổi ở khoảng 25 ± 10°C chỉ gây ra xu hướng tăng MLVSS trong bể phản ứng.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 7 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Trong quá trình xử lý sinh học 1s-AD, bốn giai đoạn phân hủy kỵ khí gồm thủy phân, axid hóa, acetatee hóa và methane hóa diễn ra đồng thời trong cùng một bể phản ứng Ngược lại, trong hệ thống xử lý kỵ khí 2 giai đoạn, quá trình thủy phân và axid hóa diễn ra ở giai đoạn đầu trong bể thủy phân, còn các quá trình còn lại chủ yếu diễn ra trong bể methane hóa thứ hai Điều kiện pH trong các bể này khác nhau do hệ vi sinh vật hoạt động riêng biệt, với pH lý tưởng trong bể thủy phân là từ 4.5 đến 6.5, còn trong bể methane hóa phù hợp cho hoạt động của vi khuẩn methane hóa là từ 6.5 đến 7.0.
Nghiên cứu của Budiasturi cho thấy, quá trình đồng phân hủy kỵ khí hai giai đoạn dễ bị ảnh hưởng bởi tải trọng hữu cơ, đặc biệt là hiện tượng sốc tải, nhiều hơn so với quá trình một giai đoạn Các nghiên cứu sau này đã chỉ ra rằng để giảm thiểu hiện tượng này, việc cố định nồng độ đầu vào một cách phù hợp và chú trọng đến tỷ lệ của hai cơ chất trong dòng chảy là phương pháp hiệu quả.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu này tập trung vào xác định hoạt tính methane riêng (SMA) và cộng đồng vi khuẩn tại hai mức tải trọng hữu cơ là 9 kg COD/m³ ngày và 12 kg COD/m³ ngày Kết quả cho thấy, hoạt tính methane riêng của hệ thống biến đổi theo tải trọng hữu cơ, ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất methane Đồng thời, phân tích cộng đồng vi khuẩn cung cấp cái nhìn sâu về các loại vi sinh vật tham gia quá trình xử lý, góp phần tối ưu hóa hoạt động của hệ thống sinh học vi sinh Các phát hiện này giúp nâng cao hiệu quả xử lý chất thải hữu cơ và tăng cường sự bền vững của công nghệ xử lý sinh học.
3.ngày -1 cho quá trình đồng phân hủy kị khí màng 2 giai đoạn ứng dụng công nghệ IC
Trong thí nghiệm, tải trọng cao nhất đạt 12 kg COD/m³/ngày với thời gian lưu nước 2 ngày cho bể thủy phân và cột IC, nhưng sau 4 tháng vận hành, hiệu quả xử lý COD còn thấp Do đó, nhóm quyết định giảm tải trọng xuống còn 9 kg COD/m³/ngày bằng cách pha loãng nước thải để giảm nồng độ COD đầu vào, đồng thời giữ nguyên thời gian lưu nước là 2 ngày cho cả bể thủy phân và cột IC để nâng cao hiệu quả xử lý hệ thống.
Nội dung thí nghiệm được mô tả trong hình sau:
3.2 - Thí nghiệm mô hình 2s - AnMBR
Mô hình nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm trọng điểm của Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, chuyên về công nghệ xử lý chất thải cao cấp tại Trường ĐH Bách Khoa Mô hình 2s - AnMBR được áp dụng trong quy mô phòng thí nghiệm, bao gồm các thành phần chính như bể thủy phân và bể sinh học kị khí dòng chảy nội tuần hoàn, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất thải.
IC và một bể màng sinh học kị khí AnMBR
Sơ đồ hoạt động mô hình màng sinh học kị khí 2 giai đoạn được thể hiện cụ thể trong hình 3.1:
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 23 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Hình 3.1: Mô hình màng sinh học kỵ khí 2 giai đoạn ở OLR 12 và 9 kg COD.m -3 ngày -1
Nước thải sau khi thu gom được chứa trong thùng nhựa 220L để lắng cặn và tách dầu mỡ, đồng thời rác thực phẩm được xay nhuyễn cùng nước trước khi đưa vào bể thủy phân trong thời gian lưu nước 2 ngày Dịch thủy phân và nước thải sau đó được đưa xuống đáy cột IC để tiến hành quá trình xử lý sinh học Bơm tuần hoàn trong bể IC giúp vi sinh vật tiếp xúc hiệu quả với cơ chất, trong khi khí biogas sinh ra phía trên được đo đếm qua hộp lật khí, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh khí Nước thải ra từ cột IC tự chảy sang bể màng nhờ chênh lệch độ cao, nơi quá trình phân hủy kỵ khí, loại bỏ chất rắn và vi sinh gây bệnh vẫn tiếp tục diễn ra để nâng cao hiệu quả xử lý Hệ thống bơm tuần hoàn và bơm nhu động phía trong bể màng giúp giảm nguy cơ tắc nghẽn màng và tối ưu hóa quá trình xử lý dòng chảy, đảm bảo hiệu quả cao trong xử lý nước thải sinh hoạt.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 24 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Kích thước chi tiết bể thể hiện như trong bảng sau 3.1:
Bảng 3.1: Kích thước chi tiết bể xử lý
Bể phân hủy kị khí xáo trộn liên tục sử dụng cánh khuấy bằng vật liệu mica có thể tích thực là 6 L và thể tích hoạt động 3 L, với chiều cao 300 mm và đường kính 150 mm Nguyên liệu thải rác được đưa trực tiếp vào bể sau khi xay nhuyễn, giúp quá trình phân hủy diễn ra hiệu quả hơn Bể thủy phân được xáo trộn liên tục bằng máy khuấy công suất 20 W, hoạt động với tốc độ 20 vòng/phút, đảm bảo sự hòa trộn đều của các chất hữu cơ trong dung dịch.
Hoạt động liên tục nhằm tăng khả năng tiếp xúc giữa vi sinh vật và chất thải rắn hữu cơ, thúc đẩy quá trình phân huỷ sinh học hiệu quả Cánh khuấy, làm bằng thép không gỉ có diện tích tiếp xúc 5 mm × 410 mm, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự trộn đều và tối ưu hóa quá trình xử lý chất thải hữu cơ.
Cột sinh học IC có hình dạng trụ với chiều cao khoảng 2,4 m, đường kính ngoài 0,11 m và đường kính trong 0,1 m, với tổng thể tích bể kỵ khí là 22,8 L và thể tích hữu ích là 16 L Bơm tuần hoàn bùn vận hành với vận tốc nước đi lên là 1,1 m/giờ, giúp duy trì quá trình phân giải Cột IC gồm hai phễu tách khí - rắn tạo thành hai ngăn: ngăn phản ứng dài 1,4 m từ đáy đến phễu thứ nhất và ngăn hoàn thiện dài 0,3 m từ phễu thứ nhất đến phễu thứ hai, đảm bảo hoạt động hiệu quả của quy trình xử lý sinh học.
Cấu trúc của bộ phận phân phối dòng vào có dạng hình nón, giúp tạo ra dòng chảy xoáy khi hòa trộn với dòng vào trong cấu trúc Dòng tuần hoàn nội bộ hướng từ trên xuống dưới theo phương tiếp tuyến với hình nón, với lưu lượng đạt-Q = 0,62 L/phút, đảm bảo phân bố đều dòng chảy Trên lớp vỏ của cấu trúc hình nón, cần thiết kế khoảng cách và khoảng trống để nước trong phân bố ra đáy bể xử lý một cách đồng đều, theo phương tiếp tuyến so với lớp bùn Khí biogas sinh ra trong quá trình vận hành được đo chính xác bằng hộp lật khí.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 25 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Bể chứa màng UF được làm bằng tấm acrylic dạng hình hộp chữ nhật với kích thước dài 300 mm, rộng 50 mm, cao 360 mm, tương ứng thể tích hữu ích 4 lit Thí nghiệm sử dụng module màng UF dạng sợi rỗng do Mitsubishi Chemical sản xuất, làm từ vật liệu polyvinylidene fluoride (PVDF) Các thông số kỹ thuật của màng gồm khe rỗng rộng 0,05 μm, tổng số sợi 106, chiều dài mỗi sợi 0,4 m, diện tích bề mặt mỗi sợi 0,0045 m², và tổng diện tích bề mặt màng đạt 0,2 m².
Bể màng có kích thước dài × rộng × cao là 250 mm × 40 mm × 460 mm, phù hợp cho các ứng dụng xử lý nước Màng vận hành với áp lực chuyển màng (TMP) từ 3 kPa đến 45 kPa, giới hạn tối đa không vượt quá 50 kPa, đảm bảo hiệu quả lọc tối ưu Thông lượng vận hành của màng đạt 3 L/m² giờ, giúp duy trì quá trình xử lý hiệu quả và tiết kiệm năng lượng Hệ thống hoạt động theo chu kỳ liên tục, gồm 6 phút chạy và 1 phút nghỉ để giảm thiểu độ bẩn dề màng, nâng cao tuổi thọ của hệ thống Ngoài ra, bơm tuần hoàn được lắp trực tiếp vào bể màng khí để giảm thiểu độ bẩn của màng, vận hành với lưu lượng 6,8 L/phút giúp duy trì áp lực ổn định và tối ưu hóa hiệu suất xử lý.
Nước thải từ nhà bếp của nhà C6 và khu ẩm thực BK Food Court tại Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM gồm nước rửa rau, nước lèo và các loại nước phục vụ nấu ăn, với tần suất thu mẫu là 1 lần/tuần Sau khi thu, nước thải được lưu trữ tại phòng thí nghiệm khoa Môi Trường và Tài Nguyên để phân tích, đồng thời xử lý các cặn trước khi tiến hành các bước kiểm tra và sử dụng tiếp theo.
3.2.2.2 – Rác hữu cơ nhà bếp
Chất thải rắn hữu cơ từ nhà bếp tại nhà C6 và BK Food Court, trường Đại học Bách khoa TP.HCM, được thu gom hàng ngày để đảm bảo vệ sinh và an toàn Các thành phần cứng như vỏ trứng, xương và dầu mỡ được loại bỏ nhằm giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm, sau đó rác thải được xay nhuyễn cùng nước theo tỷ lệ 1:1 bằng máy xay Philips công suất 600W trong 3 phút Quá trình này giúp chuẩn bị nguyên liệu cho bước tiếp theo là chuyển vào bể thủy phân để phân hủy sinh học hiệu quả.
Bùn nuôi cấy ban đầu được lấy từ bể UASB của nhà máy giấy để đảm bảo nguồn vi sinh ổn định Tiếp theo, bùn được nuôi bằng nước thải nhà bếp nhằm duy trì và phát triển lượng vi sinh có lợi trong hệ thống Dung dịch bùn sau đó được châm vào bể IC với thể tích 4L và nồng độ sinh khối đạt 4 g/L, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý chất thải sinh học.
Phan Lê Hạnh Uyên – 1814733 26 Trần Phùng Phương Yến – 1814877
Mô hình được vận hành ở điều kiện sau: nhiệt độ môi trường dao động từ 30 –
Nhiệt độ cao 37°C cùng với giá trị pH trong bể IC duy trì trong khoảng 6 – 6.5, đảm bảo quá trình xử lý diễn ra hiệu quả Trong bể thủy phân, pH được kiểm soát trong khoảng 3 – 3.5 nhờ việc bổ sung NaOH 3%, giúp duy trì môi trường tối ưu cho phản ứng Thời gian lưu bùn được giữ ở mức 14 ngày để tối ưu hóa hiệu suất phân huỷ sinh học và đạt hiệu quả xử lý cao nhất.
Nước thải được thu gom từ nhà bếp C6 và BK Food Court, sau đó pha loãng với nước để đạt nồng độ COD 1000 mg/L trước khi nạp vào hệ thống IC Việc điều chỉnh nồng độ COD giúp đảm bảo quá trình xử lý nước thải hiệu quả vàTuân thủ các tiêu chuẩn môi trường.