Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu cải tiến công nghệ yếm khí kết hợp mô hình hóa quá trình xử lý nước thải chăn nuôi giàu hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Trƣờng Qn

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN CƠNG NGHỆ
YẾM KHÍ KẾT HỢP MƠ HÌNH HĨA
Q TRÌNH XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN
NI GIÀU HỮU CƠ
Chun ngành: Khoa học mơi trường
Mã số: 9440301.01
(DỰ THẢO) TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG

Hà Nội - 2020


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Văn Chiều
PGS.TS. Cao Thế Hà

Phản biện: ..........................................................
Phản biện: ..........................................................

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học
Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên
Vào hồi

giờ

ngày

tháng

năm 2020

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, ĐHQGHN


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề, lý do lựa chọn đề tài
Ơ nhiễm mơi trường nước đang là vấn đề đáng lo ngại
không những đối với các nước phát triển mà còn là sự thách
thức đối với các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam.
Nước thải chưa qua xử lý được thải ra mơi trường là tình trạng
phổ biến ở các đô thị. Đặc biệt là nước thải của các cơ sở sản
xuất thực phẩm, các trang trại chăn nuôi, cơ sở giết mổ gia súc,
các làng nghề bún, bánh đa, … Nước thải chưa được xử lý mà
thải trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm môi trường nước, ô
nhiễm môi trường xung quanh làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới
sức khỏe của con người.
Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải giàu chất
hữu cơ, cặn, nitơ và phốt pho, vì vậy để xử lý nước thải chăn
ni việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp và hiệu quả đối với
nước thải giàu hữu cơ nói chung và nước thải chăn ni lợn nói
riêng là rất quan trọng và đang là một nhu cầu bức thiết hiện

nay. Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải giàu hữu cơ này.
Đối với các loại nước thải này thì phương pháp đóng vai trị chủ
chốt, hiệu quả và thân thiện với môi trường được lựa chọn
nhiều nhất là một trong các phương pháp xử lý sinh học như: xử
lý chất thải lỏng bằng Biogas, lọc sinh học, hệ ngược dòng qua
lớp đệm vi sinh yếm khí (UASB - Upflow Anaerobic Sludge
Blanket) và các biến thể của công nghệ UASB như EGSB
(Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt trương
nở), IC (Internal Circulation - Kĩ thuật tuần hoàn nội), … Vấn
đề đặt ra là làm sao có thể áp dụng một cách hiệu quả, kiểm soát
được các kĩ thuật xử lý cao tải này; các yếu tố như cấu hình hệ

1


thống, mật độ bùn, chế độ vận hành ảnh hưởng đến năng lực và
hiệu quả xử lý.
Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần hồn nội - IC có những ưu
điểm như: thứ nhất là hệ thống có khả năng khuấy trộn tự thân
cao nên tiêu tốn ít năng lượng, thứ hai là hệ có năng suất xử lý
cao phù hợp với đối tượng nước thải chăn ni có hàm lượng
hữu cơ cao và tải lượng lớn. Bên cạnh đó, hệ IC sinh ra ít bùn giảm chi phí xử lý bùn và có thể thu hồi năng lượng. Tuy nhiên,
kĩ thuật IC gặp phải một số hạn chế về mặt chế tạo yêu cầu cột
phản ứng có chiều cao lớn (3 đến 20 mét) và khó khăn cho việc
vận hành và bảo trì. Do đó nó cần phải được cải tiến về mặt kĩ
thuật cho phù hợp - tức là hệ thống cải tiến giảm chiều cao để
khắc phục các hạn chế nêu trên. Việc đánh giá khả năng xử lý
và các yếu tố ảnh hưởng đối với một loại nước thải cụ thể trong
hệ thống cải tiến so với hệ nguyên mẫu cần phải được đặt ra.
Đây là một phần tính mới trong đề tài nghiên cứu của luận án.

Bên cạnh đó, kĩ thuật UASB cũng như kĩ thuật IC khi
vận hành ở mật độ bùn vi sinh lơ lửng q cao (trên 10 g/l) thì
có điểm yếu là dễ bị rửa trơi ra ngồi cùng với nước thải ở cuối
cột dẫn đến giảm hiệu quả xử lý và nước thải đầu ra chứa nhiều
vi sinh và cặn bùn. Một trong các giải pháp tăng mật độ bùn
hiệu quả là sử dụng vật liệu mang vi sinh và đánh giá được
năng lực xử lý hữu cơ ở chế độ màng vi sinh cố định (FBBR Fixed Bed Biofilm Reactor) và chuyển động (MBBR - Moving
Bed Biofilm Reactor) được quan tâm trong luận án này.
Việc bước đầu áp dụng mô hình hóa và mơ phỏng một
số q trình xử lý các thành phần hữu cơ nhằm đưa ra được một
mô hình q trình phù hợp giữa kết quả tính tốn và thực

2


nghiệm cũng được đặt ra đối với loại nước thải chăn ni giàu
hữu cơ trên thực tế. Mơ hình thu được sẽ cho phép tính tốn
được kết quả các chỉ tiêu quan tâm đối với thành phần nước thải
đầu vào biết trước; làm giảm được một số lượng lớn thực
nghiệm, rút ngắn thời gian, cơng sức, chi phí nghiên cứu và vận
hành hệ thống thí nghiệm; cho phép nhanh chóng đánh giá diễn
biến và kiểm sốt q trình, và góp phần thiết kế hệ thống xử lý
qui mô nhỏ đến qui mô lớn đối với loại nước thải chăn nuôi
giàu hữu cơ đã được nghiên cứu.
Với những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu cải tiến cơng
nghệ yếm khí kết hợp mơ hình hóa q trình xử lý nước thải
chăn ni giàu hữu cơ” được lựa chọn nhằm mục đích giải
quyết các yêu cầu nêu trên.
2. Mục tiêu nghiên cứu
1) Nghiên cứu cải tiến và đánh giá được khả năng xử lý

nước thải của hệ xử lý yếm khí tuần hoàn nội cải tiến (MIC Modified Internal Cỉculation).
2) Nghiên cứu và đánh giá bồn phản ứng ngược dòng
qua lớp đệm vi sinh yếm khí sử dụng vật liệu mang vi sinh ở
chế độ chuyển động và cố định đối với nước thải chăn nuôi giàu
hữu cơ phù hợp với điều kiện ở Việt Nam.
3) Áp dụng mơ hình hóa một số q trình xử lý yếm khí
đối với thành phần hữu cơ trong hệ bùn lơ lửng, đánh giá sự
phù hợp giữa kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm nhằm
đưa ra được mơ hình q trình yếm khí.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
- Nước thải giàu hữu cơ (nước thải chăn ni lợn được
lấy ở Thanh Trì, Hà Nội và Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc).

3


- Kĩ thuật yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC) giảm
chiều cao cột phản ứng, kĩ thuật bồn phản ứng ngược dịng yếm
khí qua lớp vật liệu mang vi sinh cố định (FBBR) và chuyển
động (MBBR).
- Mơ hình phân hủy yếm khí (ADM1) đã được Nhóm
nhiệm vụ thuộc Hiệp hội chất lượng nước quốc tế phát triển mơ
hình tốn học cho q trình phân hủy kỵ khí (IWA) sử dụng
phần mềm GPS-X nhằm mơ phỏng các q trình thí nghiệm.
4. Phạm vi nghiên cứu
- Nước thải chăn nuôi lợn được lấy ở huyện Thanh Trì,
Hà Nội và huyện Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc.
- Bốn kĩ thuật phản ứng yếm khí cao tải quy mơ phịng
thí nghiệm: IC, MIC, FBBR và MBBR
- Sử dụng vật liệu mang xốp polyuretan (PU) và vật liệu

polyetylen (PE) hình bánh xe.
- Mơ hình phân hủy yếm khí ADM1 bao gồm 19 q
trình và 22 thơng số (10 thơng số của thành phần hịa tan và 12
thông số của thành phần rắn).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài
Ý nghĩa khoa học
- Đánh giá được hiệu quả xử lý thành phần COD đối với
nước thải chăn nuôi của 4 kĩ thuật IC, MIC, FBBR và MBBR,
và sự phụ thuộc của hiệu quả vào các thông số vận hành hệ
phản ứng (nồng độ COD đầu vào, tải lượng, thời gian lưu...).
Đã xác định được năng lực xử lý thông qua mối quan hệ giữa
năng suất xử lý và hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào.
- Xác định được các thành phần cacbonhydrat, protein,
lipit, VFAs, thành phần trơ, thành phần hòa tan chậm phân hủy

4


có trong nước thải làm cơ sở cho việc mơ hình hóa các q trình
phân hủy yếm khí nước thải chăn nuôi. Đã xác định được 5 hệ
số tỉ lệ sinh (f) của cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ
và thành phần hòa tan chậm phân hủy từ cơ chất (COD tổng)
bằng thực nghiệm.
- Đã xác định được các giá trị hằng số tốc độ phân hủy
(k) của COD tổng, cacbonhidrat, protein, lipit và các giá trị
hằng số tốc độ tăng trưởng cực đại (m) của đường, axit amin,
axit béo, lactat, butyrat, propionat, axetat và hidro bằng thuật
toán “vét cạn” (thuật toán giải bài toán tối ưu).
- Đã kiểm chứng kết quả mơ phỏng với kết quả thực
nghiệm q trình xử lý yếm khí bằng kĩ thuật MBBR và đưa ra

được mơ hình phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn.
Ý nghĩa thực tiễn
Cải tiến được hệ IC để thuận tiện cho việc chế tạo và vận
hành.
Dựa vào mối quan hệ giữa năng suất xử lý và hiệu suất
xử lý với tải lượng COD đầu vào làm cơ sở cho việc thiết kế hệ
thống xử lý thực tế theo mơ hình đã nghiên cứu.
Sử dụng vật liệu mang để làm tăng mật độ vi sinh đồng
thời làm giảm thời gian khởi động hệ vi sinh xử lý yếm khí.
Mơ hình q trình phân hủy yếm khí tìm được giúp cho
hiểu rõ bản chất, kiểm sốt q trình, phục vụ hiệu quả cho việc
nghiên cứu, tiết kiệm thời gian, chi phí và có khả năng áp dụng
trong thiết kế các hệ thống xử lý ở quy mô thực tế.

5


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nƣớc thải chăn nuôi lợn
Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trung,
bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật nuôi. Thành
phần các chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tuổi vật nuôi, chế
độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng, cách xử lý chất thải.
Theo số liệu của Tổng cục thống kê, năm 2018 cả nước
ta có khoảng 28,2 triệu con lợn. Trung bình cứ một đầu lợn thải
ra 25 lít nước thải trong một ngày, ước tính hàng năm ngành
chăn ni lợn thải ra môi trường khoảng 257,3 triệu m3 nước
thải, đây là một số lượng nước thải rất lớn nếu như không được
xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng nghiêm trọng tới
sức khỏe con người.

1.2. Tổng quan về công nghệ xử lý yếm khí
Xử lý yếm khí là cơng nghệ lâu đời và gần đây khi
biogas được coi là một nguồn năng lượng tái tạo nó trở nên hấp
dẫn và rất được quan tâm phát triển. Theo Lettinga, do tốc độ
sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp và có năng suất kém hệ hiếu
khí. Tuy nhiên với những kĩ thuật yếm khí hiện đại, yếu điểm
này đã dần được khắc phục. Các kĩ thuật yếm khí ngày nay
chấp nhận tải lượng hàng chục kgCOD/(m3.ngày) với hiệu suất
xử lý thường là 70 - 90%. Nghiên cứu của Kassam Z.A cho
thấy khi BOD trong nước thải vượt 1.000 mg/l thì hệ yếm khí
UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Kĩ thuật phản ứng
ngược dịng qua lớp đệm vi sinh) có ý nghĩa kinh tế hơn hệ bùn
hoạt tính hiếu khí cả về mặt chi phí xây dựng cơ bản lẫn phí vận
hành và bảo trì. Theo Eckenfelder, về ngun tắc có ba nhóm kĩ

6


thuật yếm khí: (i) hệ phản ứng với vi sinh phân tán; (ii) hệ phản
ứng với vi sinh cố định trên vật liệu mang và (iii) hệ phản ứng
với lớp bùn giả lỏng hoặc giãn nở.
Bên cạnh chức năng ban đầu là xử lý mơi trường, cơng
nghệ yếm khí là nguồn năng lượng tái tạo ổn định, không phụ
thuộc vào tự nhiên như điện gió, điện mặt trời, cơng nghệ yếm
khí cịn là bắt đầu thuận lợi cho việc áp dụng các công nghệ thu
hồi dinh dưỡng, sản xuất phân hữu cơ an tồn phục vụ phát
triển nơng nghiệp.
Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần hồn nội - IC có những ưu
điểm như: thứ nhất là hệ thống có khả năng khuấy trộn tự thân
cao nên tiêu tốn ít năng lượng, thứ hai là hệ có năng suất xử lý

cao phù hợp với đối tượng nước thải chăn ni có hàm lượng
hữu cơ cao và tải lượng lớn. Bên cạnh đó, hệ IC sinh ra ít bùn giảm chi phí xử lý bùn và có thể thu hồi năng lượng dưới dạng
biogas. Tuy nhiên, kĩ thuật IC gặp phải một số hạn chế về mặt
chế tạo yêu cầu cột phản ứng có chiều cao lớn (đến 20 mét hoặc
hơn) và khó khăn cho việc vận hành và bảo trì. Do đó nó cần
phải được cải tiến về mặt kĩ thuật cho phù hợp - tức là hệ thống
cải tiến theo hướng giảm chiều cao để khắc phục hạn chế đã
nêu. Việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng như
nồng độ đầu vào, thời gian lưu, tải lượng lên khả năng xử lý đối
với một loại nước thải cụ thể trong hệ thống IC cải tiến so với
IC cần được đặt ra. Đây là một phần trong nội dung nghiên cứu
của luận án.
Bên cạnh đó, kĩ thuật UASB cũng như kĩ thuật IC khi
vận hành ở mật độ bùn vi sinh lơ lửng quá cao (trên 10 g/l) thì
có điểm yếu là dễ bị rửa trơi ra ngồi dẫn đến giảm hiệu quả xử

7


lý và nước thải đầu ra chứa nhiều vi sinh và cặn bùn. Giải pháp
là dùng vi sinh dạng hạt, điều này được nhiều tác giả áp dụng.
Một khả năng khác là sử dụng vật liệu mang vi sinh. Vì vậy,
đánh giá được năng lực xử lý hữu cơ ở chế độ màng vi sinh cố
định (FBBR) và chuyển động (MBBR) cũng được quan tâm
trong luận án này.
Vật liệu mang vi sinh là vật liệu được chế tạo bằng
nhựa PE, PVC hoặc PU..., nó có tác dụng là nơi để vi sinh bám
vào và làm tăng mật độ vi sinh trong hệ thí nghiệm xử lý nước
thải bằng vi sinh.
1.3. Động học q trình xử lý yếm khí

Phương trình tổng quát của phản ứng yếm khí phân huỷ
chất hữu cơ như sau:
CcHhOoNnSs + H2O  CO2 + CH4 + NH3 + H2S

(1)

Tính chung cho các chất thải, q trình yếm khí bao
gồm 3 giai đoạn với sản phẩm cuối chính là biogas (CH4 + CO2)
được mô tả như sơ đồ trong Hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí

8


Theo Hình 1.3 giai đoạn đầu là quá trình phân rã/phân
hủy, tiếp đến là giai đoạn thủy phân. Trong giai đoạn đầu, dưới
tác dụng của các enzym được tập hợp vi khuẩn tiết ra, các
mảnh hữu cơ được thủy phân tạo thành các phân tử-monome.
Giai đoạn tiếp theo là axit hóa. Trong giai đoạn này hợp chất
hữu cơ được axit hóa thành các chất trung gian là các axit
cacboxylic, alcol; H2, CO2 và N–amơni, tiếp theo là axetat hóa:
các vi sinh chuyển hóa các chất trung gian này thành axetat.
Như vậy, thực chất giai đoạn hai là hai giai đoạn, một số tài liệu
khác cũng diễn giải theo hướng này. Giai đoạn cuối là q trình
chuyển hóa các chất này thành metan (CH4) và CO2 nên còn
được gọi là metan hóa
Các phản ứng tạo thành metan từ axit axetic, CO2 và H2
thành CH4 được cho dưới dạng các phương trình.
CH3COOH  CH4 + CO2

(II)

CH3COOH + 4H2  2CH4 + 2H2O

(III)

4H2 + CO2  CH4 + 2H2O

(IV)

1.4. Mơ hình mơ phỏng ADM1
Mơ hình này do các nhà khoa học trình bày tại hội thảo
quốc tế về môi trường ở Sendai – Nhật Bản vào năm 1997. Đây
là mơ hình nghiên cứu về q trình phân hủy yếm khí trong xử
lý nước thải. Trong mơ hình này, sự phân hủy của các hợp chất
hữu cơ được thể hiện trong sơ đồ chuyển hóacác q trình sinh
hóa ở Error! Reference source not found.. Trong mơ hình
ADM1 có 24 thành phần khác nhau (bao gồm 12 cấu tử hòa tan
và 12 cấu tử dạng rắn) trong đó có 7 loại sinh khối phân hủy 8
thành phần khác nhau gồm các axit béo chuỗi dài, các axit
amin, đường, axetat, propionat, butyrat, và hydro.

9


CHƢƠNG 2. NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án tập được trung vào các
nội dung chính như sau:

- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và COD hòa tan của hệ xử
lý yếm khí tuần hồn nội - IC ở các chế độ tải lượng khác nhau.
Thiết lập mối quan hệ giữa Tải lượng với Năng suất xử lý và
Hiệu suất xử lý COD.
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và COD hòa tan của hệ xử
lý yếm khí tuần hồn nội cải tiến - MIC ở các chế độ tải lượng
khác nhau. Thiết lập mối quan hệ giữa Tải lượng với Năng suất
xử lý và Hiệu suất xử lý COD.
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý FBBR
ở các tải lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang PU.
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý FBBR
ở các tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang
PE.
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý
MBBR ở các tải lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày đối với vật liệu
mang PU.
- Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng và TSS của hệ xử lý
MBBR ở các tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày đối với vật liệu
mang PE.
- Trong thí nghiệm với hệ MBBR: xác định các thành phần
trong giá trị COD tổng đầu vào và đầu ra (đường, protein, lipit,
VFAs, TSS).
- Nghiên cứu, xác định các thơng số động học (hệ số chuyển
hóa y, f và các giá trị hằng số tốc độ k, m, b) của các quá trình

10


sinh học phục vụ cho mô phỏng dựa vào mô hình ADM1 trên
phần mềm mơ phỏng GPS-X.

- Áp dụng mơ hình mơ phỏng cho sự tác động tổ hợp của
các yếu tố, tính tốn các thơng số cần thiết để đạt hiệu suất nhất
định cho thiết kế các hệ thống xử lý nước thải thực tế.
- Kiểm tra, so sánh và đánh giá các kết quả mô phỏng với
các kết quả thực nghiệm của hệ thống xử lý yếm khí màng vi
sinh chuyển động - MBBR trên thực tế..
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập tài liệu
- Phương pháp thực nghiệm: Các thực nghiệm được tiến
hành trên các hệ thống thí nghiệm (IC, MIC, FBBR và MBBR)
để phân tích, đánh giá và so sánh.
- Quy trình thí nghiệm
Hệ IC và hệ MIC được khảo sát liên tục ở các tải lượng
khác nhau khi tăng dần tải lượng đầu vào và vận hành ở tốc độ
dâng nước không đổi (0,9m/giờ) và có mật độ bùn yếm khí ban
đầu là 13,3 g/l.
Hệ FBBR và hệ MBBR được khảo sát liên tục trên các
hệ thống thí nghiệm FBBR và MBBR với lưu lượng đầu vào Q
= 1 l/h (HRT = 12 h, tốc độ dâng = 0,9 m/h) ở các tải lượng
COD đầu vào từ 4 - 6 gCOD/l.ngày đối với vật liệu mang vi
sinh Polyuretan (PU) và từ 4 - 10 gCOD/l.ngày đối với vật liệu
mang Polyetylen (PE) để phân tích, đánh giá COD tổng và TSS
đầu ra trong điều kiện vận hành ở nhiệt độ 35oC và có mật độ
bùn yếm khí ban đầu là 20 g/l.
- Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu
- Phương pháp phân tích mẫu

11

- Phương pháp xác đinh các hệ số chuyển hóa và các
giá trị hằng số
- Phương pháp phân tích, xử lý và đánh giá số liệu
2.3. Quy trình mơ phỏng
- Xây dựng sơ đồ mô phỏng
- Cài đặt các thông số vào từng modul trong sơ đồ: Lưu
lượng đầu vào, thể tích bồn phản ứng, lưu lượng tuần hồn...
- Nhập giá trị các hệ số chuyển hóa và tỉ lệ các chất
- Nhập giá trị các hằng số.
- Nhập dữ liệu đầu vào (kết quả phân tích thực nghiệm)
- Tiến hành mô phỏng
- Chiết suất, lưu giữ kết quả
- Kiểm tra và đánh giá kết quả mô phỏng.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát hệ xử lý yếm khí tuần hồn nội (IC)
* Hiệu quả xử lý COD tổng
Hệ IC được khảo sát ở các tải lượng COD tổng đầu vào
khác nhau với thời gian lưu HRT giảm dần (24, 20, 16, 12 và 6
giờ), duy trì tốc độ dâng nước không đổi v = 0,9 m/giờ và có
mật độ bùn yếm khí ban đầu là 13,3 g/l.
Theo kết quả khảo sát hệ IC (Bảng 3.1) khi tăng dần tải
lượng COD tổng đầu vào từ 0,55 đến 22,55 gCOD/l.ngày thì
năng suất xử lý tăng từ 0,26 đến 16,62 gCOD/l.ngày với hiệu
suất đạt được dao động trong khoảng 63,2 - 74,7%, giá trị trung
bình là 69,2%. Hiệu suất xử lý COD tổng đạt giá trị cao nhất là
74,7% ở tải lượng đầu vào từ 4,48 - 5,61gCOD/l.ngày với năng
suất xử lý từ 2,86 - 4,91 gCOD/l.ngày.

12

Bảng 3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng của hệ IC
TT

TL COD tổng
đầu vào
(gCOD/l.ngày)

TL COD tổng
đầu ra
(gCOD/l.ngày)

Năng suất
xử lý
(gCOD/l.ngày)

HSXL
tb
(%)

1

0,55 - 1,77

0 - 0,66

0,26 - 1,15

69,8

2

3,0 - 4,42

0,57 - 1,90

2,13 - 3,39

71,1

3

4,48 - 5,61

0,81 - 2,59

2,86 - 4,91

74,7

4

5,77 - 7,37

0,68 - 4,11

3,26 - 5,79

71,7

5

7,98 - 9,98

1,02 - 5,65

4,33 - 7,75

67,8

6

10,10 - 14,78

0,79 - 8,90

4,36 - 10,99

63,2

7

17,62 - 22,55

4,12 - 9,35

8,28 - 16,62

66,3

0,26 - 16,62

69,2

0,55 - 22,55
* Hiệu quả xử lý COD hòa tan

Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD hịa tan của hệ xử
lý yếm khí IC thu được ở Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Khảo sát hiệu quả xử lý COD hòa tan của hệ IC
TT

TL COD tổng
đầu vào
(gCOD/l.ngày)

TL COD tổng
đầu ra
(gCOD/l.ngày)

Năng suất
xử lý
(gCOD/l.ngày)

HSXL
tb
(%)

1

0,19 - 0,84

0,03 - 0,74

0,12 - 0,58

53,9

2

1,68 - 2,69

0,45 - 1,08

0,96 - 2,61

72,3

3

2,77 - 4,03

0,52 - 2,05

1,18 - 3,25

69,5

4

4,14 - 5,18

0,91 - 2,83

2,35 - 3,92

68,2

5

5,60 - 6,58

0,48 - 3,88

2,35 - 5,71

62,3

6

6,74 - 7,81

1,64 - 3,18

4,26 - 5,68

66,2

0,12 - 5,68

65,4

0,19 - 7,81

13


Bảng 3.2 cho thấy, kết quả khảo sát hệ IC khi tăng dần tải
lượng COD hòa tan đầu vào từ 0,19 đến 7,81 gCOD/l.ngày thì
năng suất xử lý tăng từ 0,12 đến 5,68 gCOD/l.ngày với hiệu
suất đạt được dao động trong khoảng 53,9 - 72,3%, giá trị trung
bình là 65,4%. Hiệu suất xử lý COD hòa tan đạt giá trị cao nhất
là 72,3% ở tải lượng đầu vào từ 1,68 - 2,69gCOD/l.ngày với
năng suất xử lý từ 0,96 - 2,61 gCOD/l.ngày.
3.2. Khảo sát hệ xử lý yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC)
* Hiệu quả xử lý COD tổng
Hệ MIC được khảo sát ở điều kiện vận hành tương đương
với hệ IC, với thời gian lưu HRT giảm dần (24, 20, 16, 12 và 6
giờ), tốc độ dâng nước khơng đổi v = 0,9 m/giờ, có mật độ bùn
yếm khí ban đầu là 13,3 g/l và giá trị COD đầu vào tương
đương nhau. Kết quả khảo sát thu được ở Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Khảo sát hiệu quả xử lý COD tổng của hệ MIC
TT

TL COD tổng
đầu vào
(gCOD/l.ngày)

TL COD tổng
đầu ra

(gCOD/l.ngày)

Năng suất
xử lý
(gCOD/l.ngày)

HSXL
tb
(%)

1

0,55 - 1,06

0,19 - 0,81

0,23 - 0,48

42,3

2

2,92 - 3,08

0,87 - 1,0

2,0 - 2,13

68,9

3

4,22 - 4,95

0,84 - 2,57

2,38 - 3,94

69,8

4

5,55 - 7,77

0,74 - 3,47

3,43 - 5,80

70,4

5

7,98 - 9,90

1,12 - 4,65

5,26 - 7,86

74,6

6

10,0 - 12,7

0,69 - 5,35

5,58 - 9,47

66,9

7

13,41 - 17,62

3,50 - 5,57

8,63 - 12,58

69,1

8

19,38 - 22,55

3,82 - 7,15

15,36 - 16,99

76,7

0,23 - 16,99

70,9

0,55 - 22,55

14


Theo kết quả khảo sát hệ MIC khi tăng dần tải lượng
COD tổng đầu vào từ 0,55 đến 22,55 gCOD/l.ngày thì năng suất
xử lý tăng từ 0,23 đến 16,69 gCOD/l.ngày với hiệu suất đạt
được dao động trong khoảng 66,9 - 76,7%, giá trị trung bình là
70,9% (trừ giá trị HS = 42,3% tại thời điểm ban đầu là giai đoạn
khởi động có tải lượng trung bình 0,8 gCOD/l.ngày). Hiệu suất
xử lý COD tổng đạt giá trị cao và ổn định là 74,6% ở tải lượng
đầu vào từ 7,98 - 9,90 gCOD/l.ngày với năng suất xử lý từ 5,26
- 7,86 gCOD/l.ngày. Ở tải lượng 19,38 - 22,55 gCOD/l.ngày,
hiệu suất xử lý COD tổng là cao nhất, đạt trung bình 76,7%.
Tuy nhiên, giai đoạn này kết quả đầu ra thu được không ổn định
và hệ thống xử lý thường xuyên xảy ra tắc đường ống, đây có
thể coi là ngưỡng xử lý của hệ MIC.
* Hiệu quả xử lý COD hòa tan
Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD hòa tan của hệ xử
lý yếm khí MIC thu được ở Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Khảo sát hiệu quả xử lý COD hòa tan của hệ MIC
TT

TL COD tổng
đầu vào

(gCOD/l.ngày)

TL COD tổng
đầu ra
(gCOD/l.ngày)

Năng suất
xử lý
(gCOD/l.ngày)

HSXL
tb
(%)

1

0,19 - 1,00

0,06 - 0,88

0,10 - 0,33

33,0

2

1,68 - 2,44

0,48 - 1,54

0,63 - 1,80

59,6

3

2,48 - 3,64

0,55 - 2,58

0,62 - 3,25

70,8

4

3,84 - 4,64

0,54 - 2,33

1,93 - 3,39

64,7

5

4,91 - 5,94

0,40 - 2,94

2,32 - 4,51

65,3

6

5,95 - 7,32

0,55 - 3,17

2,95 - 6,77

63,2

0,10 - 6,77

64,7

0,19 - 7,32

15


Bảng 3.4 cho thấy, kết quả khảo sát hệ MIC khi tăng dần
tải lượng COD hòa tan đầu vào từ 0,19 đến 7,32 gCOD/l.ngày
thì năng suất xử lý tăng từ 0,10 đến 6,77 gCOD/l.ngày với hiệu
suất xử lý dao động trong khoảng 59,6 đến 70,8% (trừ giai đoạn
ban đầu hệ vận hành ở tải lượng 0,19 - 1,0 gCOD/l.ngày hiệu
suất chỉ đạt 33%) và có giá trị trung bình đạt được là 64,7%
tương đương với hệ IC (65,4%).

3.3. Khảo sát hệ FBBR
* Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PU
Các kết quả khảo sát COD tổng đầu vào và đầu ra của hệ
FBBR sử dụng vật liệu mang PU ở các tải lượng 4 và 6
gCOD/l.ngày (giá trị COD tổng đầu vào tương ứng là 2.015 2.553 mg/l và 2.932 - 3.635 mg/l) thì hiệu suất xử lý COD trung
bình ở chế độ tải lượng 4 gCOD/l.ngày cao hơn chế độ tải
lượng 6 gCOD/l.ngày với giá trị tương ứng là 73,5% và 67,4%,
hiệu suất xử lý COD trung bình của hệ FBBR khi sử dụng vật
liệu mang PU đạt 70,8%.
* Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PU
Kết quả khảo sát TSS với vật liệu mang PU ở các tải
lượng 4 và 6 gCOD/l.ngày. TSS trung bình đầu vào tương ứng
là 755 - 1.550 mg/l và 1.727 - 2.558 mg/l thì hiệu xuất xử lý ở
chế độ tải lượng 4 gCOD/l.ngày thấp hơn so với chế độ 6
gCOD/l.ngày, giá trị tương ứng là 57,4 và 65,9%.
* Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PE
Các kết quả khảo sát COD tổng đầu vào và đầu ra của hệ
FBBR sử dụng vật liệu mang PE ở các tải lượng 4, 6 và 10
gCOD/l.ngày tương ứng với các giá trị trung bình COD đầu vào
là 2.029; 3.149 và 5.224 mg/l, khi nước thải đi qua hệ FBBR sử

16


dụng vật liệu mang PE thu được giá trị COD đầu ra tương ứng
là 894; 1.367 và 1.907 mg/l.
Hiệu suất xử lý COD dao động trong khoảng từ 56,6 đến
66,2%, giá trị trung bình là 59,6% thấp hơn khi hệ FBBR sử
dụng vật liệu PU (70,8%), điều này cho thấy vật liệu mang PE
khi sử dụng ban đầu khó tạo màng vi sinh hơn PU, nên cần phải

có thời gian đủ dài để vi sinh có thể bám vào và tạo thành màng
sinh học.
* Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PE
Kết quả khảo sát TSS với vật liệu mang PE ở các tải
lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày với các giá trị TSS đầu vào
tương ứng là 1.147; 1.878 và 3.404 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS
có xu hướng tăng lên và ở chế độ tải lượng 10 gCOD/l.ngày,
hiệu suất xử lý đạt khoảng 73%.
3.4. Khảo sát hệ MBBR
* Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PU
Hệ MBBR vận hành ở khoảng tải lượng 4 và 6
gCOD/l.ngày (giá trị COD tổng đầu vào tương ứng là 2.015 2.553 mg/l và 2.932 - 3.635 mg/l) thì hiệu suất xử lý COD tổng
trung bình ở hai chế độ là tương đương nhau với hiệu suất trong
khoảng từ 68 - 70%. Kết quả này tương đương với hệ FBBR khi
sử dụng vật liệu mang vi sinh PU thì hiệu suất xử lý cũng đạt
70,8%.
* Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PU
Ở hai tải lượng 4 và 6 g COD/l.ngày, TSS trung bình đầu
vào tương ứng là 755 - 1.550 mg/l và 1.727 - 2.558 mg/l thì
hiệu xuất xử lý ở chế độ tải lượng 4 gCOD/l.ngày thấp hơn so
với chế độ 6 gCOD/l.ngày, giá trị tương ứng là 54,9 và 65,5%.

17


Các kết quả này tương đương với hệ FBBR khi sử dụng vật liệu
mang vi sinh PU.
* Hiệu quả xử lý COD tổng với vật liệu mang PE
Giá trị trung bình COD đầu vào tương ứng với 3 chế độ
tải lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày là 2.029; 3.149 và 5.224 mg/l,

giá trị COD đầu ra tương ứng là 523 - 751; 833 - 1.033 và 1.284
- 1.498 mg/l. Hiệu suất xử lý COD dao động từ 65 đến 73%,
cao hơn hệ FBBR (59,6%).
* Hiệu quả xử lý TSS với vật liệu mang PE
Kết quả khảo sát TSS với vật liệu mang PE ở các tải
lượng 4, 6 và 10 gCOD/l.ngày ở trong hình 3.12 cho thấy, giá
trị TSS đầu vào tương ứng với 3 chế độ tải lượng 4, 6 và 10
gCOD/l.ngày là 1.147; 1.878 và 3.404 mg/l. Hiệu suất xử lý
TSS có xu hướng tăng lên và ở chế độ tải lượng 10
gCOD/l.ngày, hiệu suất xử lý TSS trung bình đạt 72%.
3.5. Kết quả mơ phỏng thực nghiệm
* Kết quả xác định các hệ số chuyển hóa dựa theo tài
liệu tham khảo và kết quả phân tích thực nghiệm được thể hiện
trong bảng 3.5
Bảng 3. . Bảng kết quả xác đ nh các hệ số chuyển hóa
TT

Kí hiệu

Giá tr
tham khảo

Giá tr
xác đ nh

Đơn v

1

fca

0,2

0,1

gCOD/gCOD

2

fpr

0,2

0,3

gCOD/gCOD

3

fli

0,25

0,001

gCOD/gCOD

4

fxi

0,25

0,06

gCOD/gCOD

5

fsi

0,1

0,539

gCOD/gCOD

18


Chỉ có 5 giá trị được thay đổi so với giá trị trong tài liệu
tham khảo (chữ đậm, màu đỏ) là 5 giá trị hệ số tỉ lệ (f) của
cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ và thành phần hòa
tan chậm phân hủy (tương ứng là fca = 0,1; fpr = 0,3; fli = 0,001;
fxi = 0,06; fsi = 0,539 gCOD/gCOD) từ cơ chất (COD tổng)
được tính tốn từ kết quả phân tích đặc tính nước thải đầu vào
so với giá trị của COD tổng.bằng thực nghiệm.
Các giá trị hệ số tỉ lệ (f) cho thấy hàm lượng
cacbonhydrat chiếm 10% giá trị COD tổng, protein chiếm 30%,
chất không tan trơ chiếm 6%, hàm lượng lipit trong nước thải

chăn nuôi rất thấp (chiếm 0,1%), nhưng hàm lượng các chất tan
chậm phân hủy sinh học lại chiếm tỷ lệ rất lớn (53,9%) - có thể
đây là đặc tính của nước thải chăn ni lợn.
* Kết quả xác định các giá trị hằng số dựa theo các giá trị
mặc định (default) có trong phần mềm mơ hình và xác định theo
thuật tốn “vét cạn” được thể hiện trong bảng 3.6.
Bảng 3. . Bảng kết quả xác đ nh các h ng số động học
TT

Kí hiệu

Giá tr
tham khảo

Giá tr K
xác đ nh

Đơn v

1

kdis

0,5

2,88

l/ngày

2

kcar

10

8,98

l/ngày

3

kprr

10

4,92

l/ngày

4

klir

10

5

l/ngày

5

mrmd

30

100

l/ngày

6

mrad

50

150

l/ngày

7

mrfd

6

30

l/ngày

8

mrla

10

30

l/ngày

19


9

mrbu

10

0,1

l/ngày

10

mpd

13

130

l/ngày

11

mum

8

84

l/ngày

12

mhm

35

105

l/ngày

Các giá trị thay đổi được xác định theo 02 nhóm:
Nhóm 1 là những chất tn theo phương trình tốc độ bậc
1: bao gồm các phương trình tốc độ phân hủy COD, tốc độ thủy
phân cacbonhydrat, tốc độ thủy phân protein và tốc độ thủy
phân lipit. Các giá trị hằng số tốc độ được thay đổi (tăng hoặc
giảm) đến khi kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thực
nghiệm, có nghĩa là mối quan hệ giữa kết quả mơ phỏng và kết
quả thực nghiệm tuân theo phương trình y = ax, khi giá trị của a

= 1 thì được coi là phù hợp.
Nhóm 2 là những chất tuân theo phương trình động học
monod (phương trình tiêu thụ các chất): bao gồm đường, axit
amin, axit béo, lactat, butyrat, propionat, axetat và hidro. Các
giá trị hằng số tốc độ tăng trưởng tối đa được thay đổi (tăng
hoặc giảm) dựa trên thuật toán “vét cạn” [12], tức là giữ nguyên
một giá trị và cho thay đổi lần lượt các giá trị liên quan cịn lại
đến khi kết quả mơ phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm.
* Kết quả mô phỏng COD tổng từ số liệu thực nghiệm
của hệ MBBR khi thay đổi những giá trị của tốc độ phân hủy,
tốc độ thủy phân cacbonhidrat, tốc độ thủy phân protein, tốc độ
thủy phân lipit và các hằng số của VFAs cũng như các hằng số
chuyển hóa axetat và hidro, kết quả mơ phỏng cho thấy sự phù
hợp giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm khi thực
hiện ở quy mô phịng thí nghiệm.

20


COD tổng

Nhận xét:
Sự phù hợp của kết quả mô phỏng được thể hiện ở mối
quan hệ giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mơ phỏng thơng
qua phương trình y = ax, tức là khi a = 1 thì hai bộ kết quả là
tương đương nhau. Qua kết quả mô phỏng cho thấy COD tổng
và khí mêtan cho giá trị a rất phù hợp (0,998 và 1,003), còn
TSS tương đối phù hợp (0,9329). Đánh giá trên các kết quả cơ
sở hệ số hồi quy R2 cho thấy COD tổng và khí mêtan có hệ số
hồi quy cao (R2 = 0,77 - 0,81), trong khi đó hệ số hồi quy của

TSS đạt 0,61.

21


Các kết quả mô phỏng thu được cho thấy hệ số a rất tốt
nhưng các hệ số hồi quy R2 khơng cao có thể là do nước thải
chăn ni lợn là đối tượng xử lý có đặc tính phức tạp (nhóm
nghiên cứu lấy nước thải trực tiếp sau khi vệ sinh chuồng) nên
có các thành phần khó xử lý như cặn, thức ăn dư thừa, chất xơ,
lông lợn rụng, vôi, cát... trong quá trình vệ sinh chuồng.
Nhìn chung, kết quả mơ phỏng các q trình phân hủy
yếm khí của các chất: COD tổng, đường, protein, lipit, VFAs,
TSS và lưu lượng khí mêtan sinh ra cho thấy phù hợp với kết
quả thực nghiệm của hệ thống yếm khí MBBR xử lý nước thải
chăn nuôi lợn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1. Đánh giá được hiệu quả xử lý thành phần COD đối với
nước thải chăn nuôi của bốn kĩ thuật IC, MIC, FBBR và
MBBR, và sự phụ thuộc của hiệu quả vào các thông số vận
hành hệ phản ứng (nồng độ COD đầu vào, tải lượng, thời gian
lưu...). Đã xác định được năng lực xử lý thông qua mối quan hệ
giữa năng suất xử lý và hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu
vào.
Khi cải tiến kĩ thuật của hệ IC thành MIC, kết quả thu
được cho thấy hiệu suất xử lý COD tổng của hệ MIC (70,9%)
tương đương với hệ IC (69,2%). Trong khi đó, với hiệu suất xử
lý cao nhất là tương đương nhau (75%) thì năng suất xử lý hiệu
quả đối với tải lượng COD đầu vào của hệ MIC cao hơn hệ IC

(Hệ MIC, tải lượng đầu vào từ 7,98 - 9,90 gCOD/l.ngày với
năng suất xử lý từ 5,26 - 7,86 gCOD/l.ngày. Hệ IC, tải lượng

22


đầu vào từ 4,48 - 5,61gCOD/l.ngày với năng suất xử lý từ 2,86 4,91 gCOD/l.ngày). Cải tiến hệ IC thành hệ MIC sẽ dễ dàng
hơn trong việc chế tạo, lắp đặt và sẽ thuận tiện hơn trong khi
vận hành hoạt động, đặc biệt là khi ứng dụng công nghệ vào
thực tế.
Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với tải lượng COD
đầu vào của hệ IC và hệ MIC có ý nghĩa rất quan trọng và là cơ
sở cho việc thiết kế hệ thống xử lý thực tế theo mơ hình đã
nghiên cứu.
Khảo sát hai hệ thống xử lý MBBR và FBBR sử dụng hai
loại vật liệu mang vi sinh (PU và PE) cho thấy: Đối với vật liệu
mang PU, hiệu suất xử lý COD trung bình của hệ MBBR đạt
68,6% tương đương hệ FBBR (70,8%). Còn hiệu suất xử lý
TSS trung bình của hệ MBBR đạt 60% tương đương hệ FBBR
(61%). Còn đối với vật liệu mang PE, hiệu suất xử lý COD
trung bình của hệ MBBR đạt 70,1% cao hơn hệ FBBR (59,6%).
Còn hiệu suất xử lý TSS trung bình của hệ MBBR đạt 67%
cũng cao hơn hệ FBBR (63,9%).
2. Xác định được các thành phần cacbonhydrat, protein,
lipit, VFAs, thành phần trơ, thành phần hịa tan chậm phân hủy
có trong nước thải làm cơ sở cho việc mơ hình hóa các q trình
phân hủy yếm khí nước thải chăn nuôi. Đã xác định được 5 hệ
số tỉ lệ sinh (f) của cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ
và thành phần hòa tan chậm phân hủy (fca = 0,1; fpr = 0,3; fli =
0,001; fxi = 0,06; fsi = 0,539 gCOD/gCOD) từ cơ chất (COD

tổng) bằng thực nghiệm.
3. Đã xác định được các giá trị hằng số tốc độ phân hủy
(k) của COD tổng, cacbonhidrat, protein, lipit với các giá trị

23