Luận án Nghiên cứu đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) kết hợp thu hồi năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ  BÙI HỒNG HÀ NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC KỴ KHÍ (AnMBR) KẾT HỢP THU HỒI NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. Hồ Chí Minh – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ  BÙI HỒNG HÀ NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG KỴ KHÍ (AnMBR) KẾT HỢP THU HỒI NĂNG LƯỢNG Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS Nguyễn Phước Dân 2. TS Nguyễn Thế Tiến TP. Hồ Chí Minh - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả và số liệu trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. TP.HCM, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Bùi Hồng Hà ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Nhiệt đới môi trường/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. Trong quá trình thực hiện, tôi đã nhận được sự giúp đỡ quí báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS. Nguyễn Phước Dân và TS. Nguyễn Thế Tiến, đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận án này. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Ban Chỉ huy Viện Nhiệt đới môi trường đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các cán bộ đã và đang công tác tại Phòng Nghiên cứu môi trường Không khí & Chất thải rắn đã có nhiều ý kiến đóng góp, giúp đỡ, động viên, khích lệ trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, đang công tác trong và ngoài quân đội, đã hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận án. Sau cùng, xin bày tỏ lời tri ân sâu sắc, tới bố, mẹ, gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Trân trọng Bùi Hồng Hà iii MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... xiii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 8 1.1. Chất thải sinh hoạt và các phương pháp xử lý .......................................... 8 1.1.1. Chất thải rắn sinh hoạt ............................................................................. 8 1.1.2. Nước thải sinh hoạt ................................................................................ 11 1.2. Công nghệ đồng phân hủy ...................................................................... 14 1.2.1. Quá trình phân hủy kỵ khí ..................................................................... 14 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng ............................................................................ 16 1.2.3. Các công nghệ đồng phân hủy ............................................................... 20 1.2.4. Nhận xét chung ...................................................................................... 25 1.3. Công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR) .................................... 26 1.3.1. Công nghệ màng MBR sinh học ............................................................ 26 1.3.2. Các loại màng lọc .................................................................................. 28 1.3.3. Nhận xét chung ...................................................................................... 39 1.4. Một số nghiên cứu về công nghệ đồng phân hủy kết hợp màng lọc kỵ khí ................................................................................................... 40 1.4.1. Nghiên cứu trong nước .......................................................................... 40 1.4.2. Nghiên cứu ngoài nước .......................................................................... 41 1.5. Tình hình xử lý chất thải sinh hoạt tại các đơn vị quân đội đóng quân độc lập ................................................................................................... 42 1.6. Đánh giá chung ....................................................................................... 44 Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 46 iv 2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................. 46 2.1.1. Nước thải sinh hoạt ................................................................................ 46 2.1.2. Chất thải rắn hữu cơ ............................................................................... 48 2.1.3. Hỗn hợp chất thải phối trộn ................................................................... 49 2.1.4. Bùn hoạt tính kỵ khí .............................................................................. 50 2.1.5. Vật liệu mô hình .................................................................................... 50 2.1.6. Thiết bị đo và thiết bị phân tích ............................................................. 57 2.2. Phương pháp nghiên cứu......................................................................... 59 2.2.1. Phương pháp điều tra khảo sát điển hình và xác định tỉ lệ phát thải ..... 59 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .................................................. 59 2.2.3. Phương pháp lấy mẫu ............................................................................ 68 2.2.4. Phương pháp đo các chỉ tiêu .................................................................. 71 2.2.5. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ....................................................... 71 2.2.6. Phương pháp xác định các thông số động học của quá trình ................ 72 2.2.7. Phương pháp đo trở lực màng ............................................................... 74 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 77 3.1. Kết quả khảo sát tại các đơn vị đóng quân độc lập ................................. 77 3.1.1. Tình hình phát sinh chất thải ................................................................. 77 3.1.2. Tỉ lệ phát thải ......................................................................................... 78 3.2. CSTR-AnMBR quy mô phòng thí nghiệm – TN1 .................................. 80 3.2.1. Ảnh hưởng của SRT – TN1.1 ................................................................ 80 3.2.2. Ảnh hưởng của HRT – TN1.2 ............................................................... 95 3.3. UASB-AnMBR quy mô phòng thí nghiệm – TN2 ............................... 101 3.3.1. Ảnh hưởng của HRT – TN2 ................................................................ 101 3.3.2. Đánh giá bẩn màng .............................................................................. 108 3.4. CSTR-ANMBR quy mô Pilot – TN3.................................................... 114 3.4.1. Tính toán, thiết kế mô hình – TN3 ...................................................... 114 3.4.2. Đánh giá hiệu quả đồng phân hủy – TN3 ............................................ 114 v KẾT LUẬN ................................................................................................... 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 125 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 141 PHỤ LỤC 1: HÌNH ẢNH CÁC THÍ NGHIỆM ............................................ P.1 PHỤ LỤC 2: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM .......................................................... P.8 PHỤ LỤC 3: BẢN VẼ CÁC MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ............................ P.44 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ∆P : Áp suất chuyển màng [Pa] µ : Độ nhớt theo nhiệt độ [Pa.s] J : Thông lượng lọc [m3/m3.giờ, L/m2.giờ] k : Hệ số sử dụng cơ chất tối đa [mg/mg.ngày] kd : Hệ số phân hủy nội bào [mgVSS/mgVSS.ngày] KS : Hằng số bán tốc độ NT : Lượng nước thải sinh hoạt phát sinh [m3/người.ngày] pH : Chỉ số đo độ hoạt động của ion H+ Q : Lưu lượng dòng thấm [L/giờ] Qb : Lượng bùn rút ra hàng ngày [m3/ngày, L/ngày] Qn : Lưu lượng nước thải sinh hoạt [m3/ngày, L/ngày] Qr : Khối lượng rác thải được xử lý [kgướt/ngày, gướt/ngày] Ra : Trở lực do chất bẩn chui vào lỗ màng Rc : Trở lực do lớp bẩn bám bên ngoài màng Rm : Trở lực bẩn thân màng rsu : Tốc độ tiêu thụ cơ chất tối đa [mg/L.giờ] RT : Khối lượng rác thải phát sinh [kg/người.ngày] Rt : Tổng trở lực màng S : Diện tích màng lọc [m2] S0 : Nồng độ cơ chất trước phản ứng [mg/L] Se : Nồng độ cơ chất sau phản ứng [mg/L] t : Nhiệt độ [oC] TL : Tỉ lệ phát thải [kg/m3, g/L] U : Tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa [mgCOD/mgVSS.ngày] V : Thể tích [m3, L] X : Nồng độ sinh khối trong bể [mg/L] vii Xe : Nồng độ bùn đầu ra [mg/L] Y : Hệ số sản lượng sinh khối [mgVSS/mgCOD] θ : Thời gian lưu nước [giờ] θc : Thời gian lưu bùn [ngày] AcD : Đồng phân hủy kỵ khí (Anaerobic co-Digestion) AD : Phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion) AeMBR : Bể màng sinh học hiếu khí (Aerobic Membrane Bioreactor) AnMBR : Bể màng sinh học kỵ khí (Anaerobic Membrane Bioreactor) BMP : Tiềm năng sinh khí mê tan (Biological methane potential) BOD : Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) BTNMT : Bộ Tài nguyên môi trường BVMT : Bảo vệ môi trường BW : Nước thải đen (Black wastewater) C/N : Tỉ lệ ni tơ trên phốt pho CD : Phân bò (Cow dung) CIP : Ciprofloxacin CM : Phân gà (Chicken manure) COD : Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) CTR : Chất thải rắn CTRSH : Chất thải rắn sinh hoạt CSTRs : Bể phản ứng xáo trộn liên tục (Continuous Stirred Tank Reactors) DM : Phân bò sữa (Dairy manure) DMF : N, N-dimethylformamide DS : Vỏ sầu riêng (Durian shell) EPS : Các chất polymer ngoại bào (Extracellular Polymeric Substances) viii FO-AnMBR : Hệ thống màng kỵ khí sử dụng thẩm thấu thuận (Forward Osmosis Anaerobic Membrane Bioreactor) FW : Chất thải thực phẩm (Food waste) G-AnMBR : Hệ thống màng kỵ khí sử dụng bùn hoạt tính dạng hạt (Granular Anaerobic Membrane Bioreactor) GAC : Than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon) GG : Cỏ vườn (Garden grass) GW : Chất thải xanh (Green waste) HH : Hemicelluloses HRT : Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time) KW : Chất thải nhà bếp (Kitchen waste) LCA : Phân tích vòng đời (Life cycle analysis) MBR : Công nghệ màng lọc sinh học (Membrane Bio-Reactor) MEC- AnMBR : Hệ thống màng kỵ khí sử dụng màng điện phân (Microbial Electrolysis Cell-Anaerobic Membrane Bioreactor) MLSS : Hàm lượng sinh khối (Mixed Liquor Suspended Solids) MF : Màng vi lọc (Microfiltration) MOWFAST : Quản lý chất thải hữu cơ đô thị bằng cách kết hợp xử lý chất thải thực phẩn và hệ thống xử lý nước thải (Municipal Organic Waste management by combined Food waste disposal and Sewage Treatment) NF : Màng lọc nano (Nanofiltration) NTSH : Nước thải sinh hoạt OLR : Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate) PD : Phân lợn (Pig dung) PVDF : Polyvinylidene fluoride QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam ix RO : Màng lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) RS : Bùn dư (Residual sludge) SAnMBR : Bể màng sinh học kỵ khí nhúng chìm (Submerged Anaerobic Membrane Bioreactor) SBFA : Tro bay từ bã mía (Sugarcane bagasse fly ash) sCOD : Nhu cầu oxy hóa học hòa tan (Soluble Chemical Oxygen Demand) SM : Phân cừu (Sheep manure) SMP : Sản phẩm sinh học hòa tan (Soluble microbial products) SRB : Vi sinh vật khử sun phát (Sulfate reducing bacteria) SRT : Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time) tCOD : Nhu cầu oxy hóa học tổng cộng (Total Chemical Oxygen Demand) TIPS : Tách pha cảm ứng nhiệt(Thermally induced phase separation) TKN : Tổng Ni tơ Kjeldahl (Total Kjeldahl Nitrogen) TMP : Áp suất chuyển màng (Trans-membrane Pressure) TP.HCM : Thành phố Hồ Chí Minh TP : Tổng phốt pho (Total Phospho) T-N : Tổng Ni tơ (Total Nitrogen) TS : Tổng hàm lượng chất rắn (Total Solids) TSS : Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solids) UASB : Bể kỵ khí dòng chảy ngược qua tầng bùn (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) UF : Màng siêu lọc (Ultrafiltration) UWW : Nước thải đô thị (Urban wastewater) VFAs : Các acid béo hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Fatty Acids) x VLR : Tải trọng thể tích (Volumetric Loading Rate) VS : Chất rắn bay hơi (Volatile Solids) WAS : Quá trình bùn hoạt tính (Waste activated sludge) WS : Rơm lúa mì (Wheat straw) XLNT : Xử lý nước thải YE : Yeast extract xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Thành phần CTRSH tại một số địa phương ...................................... 9 Bảng 1.2 Khối lượng CTRSH được xử lý theo các phương pháp .................. 10 Bảng 1.3 Thành phần của phân và nước tiểu .................................................. 11 Bảng 1.4 Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt ....................................... 12 Bảng 1.5 Nồng độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại ................ 12 Bảng 1.6 Thông số các loại màng lọc ............................................................. 28 Bảng 1.7 Khả năng xử lý của các loại màng ................................................... 30 Bảng 1.8 Lượng phát thải tại một số đơn vị đóng quân độc lập ..................... 43 Bảng 2.1 Tính chất của nước thải sinh hoạt đầu vào ...................................... 48 Bảng 2.2. Thành phần, tính chất hỗn hợp nước và rác thải ............................ 49 Bảng 2.3 Kích thước bể kỵ khí xáo trộn hoàn toàn ........................................ 51 Bảng 2.4 Kích thước bể màng kỵ khí ............................................................. 52 Bảng 2.5 Kích thước bể UASB ....................................................................... 54 Bảng 2.6 Kích thước bể màng kỵ khí ............................................................. 55 Bảng 2.7 Kích thước bể kỵ khí xóa trộn hoàn toàn quy mô pilot ................... 55 Bảng 2.8 Kích thước bể màng kỵ khí quy mô pilot ........................................ 56 Bảng 2.9 Thiết bị đo các chỉ tiêu .................................................................... 58 Bảng 2.10 Thông số thiết kế bình marriot ...................................................... 58 Bảng 2.11 Thông số vận hành CSTR-AnMBR quy mô PTN (SRT) – TN1.1 62 Bảng 2.12 Thông số vận hành CSTR-AnMBR quy mô PTN (HRT) – TN1.2 ......................................................................................................................... 63 Bảng 2.13 Thông số vận hành UASB-AnMBR (HRT) – TN2 ....................... 65 Bảng 2.14 Thông số vận hành CSTR-AnMBR quy mô Pilot – TN3 ............. 67 Bảng 2.15 Phương pháp lấy mẫu chất thải cho TN1, TN2 ............................. 68 Bảng 2.16 Phương pháp lấy mẫu chất thải cho TN3 ...................................... 70 Bảng 2.17 Phương pháp đo các chỉ tiêu .......................................................... 71 xii Bảng 2.18 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ............................................... 71 Bảng 2.19 Các biến số của 2 phương trình động học ..................................... 74 Bảng 3.1 Kết quả từ thí nghiệm TN1.1 với các thời gian lưu bùn khác nhau 90 Bảng 3.2 Kết quả tính toán tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa ...................... 91 Bảng 3.3 Các biến số của 2 phương trình động học ....................................... 92 Bảng 3.4 Bảng tính các giá trị x, y cho phương trình (2.6) ............................ 92 Bảng 3.5 Bảng tính các giá trị x, y cho phương trình (2.7) ............................ 93 Bảng 3.6 Tóm tắt các thông số động học đã tính toán .................................... 94 xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí ...................................................... 15 Hình 1.2 Bể xáo trộn hoàn toàn ...................................................................... 22 Hình 1.3 Bể dòng chảy ngược qua đệm bùn ................................................... 23 Hình 1.4 Mô tả nguyên lý hoạt động của màng lọc ........................................ 26 Hình 1.5 Bể phản ứng kỵ khí sử dụng màng đặt ngoài ................................... 33 Hình 1.6 Bể phản ứng kỵ khí sử dụng màng nhúng chìm .............................. 33 Hình 1.7 Bể phản ứng kỵ khí kết hợp bể chứa màng riêng ............................ 34 Hình 2.1 Quy trình nghiên cứu và thực nghiệm ............................................. 47 Hình 2.2 Cấu tạo bể kỵ khí xáo trộn hoàn toàn .............................................. 51 Hình 2.3 Cấu tạo bể màng kỵ khí .................................................................... 52 Hình 2.4 Cấu tạo bể UASB ............................................................................. 53 Hình 2.5 Cấu tạo bể UASB ............................................................................. 54 Hình 2.6 Cấu tạo bể kỵ khí xáo trộn hoàn toàn quy mô pilot ......................... 56 Hình 2.7. Cấu tạo bể chứa màng kỵ khí quy mô pilot .................................... 57 Hình 2.8 Cấu tạo bình Marriott thu khí sinh học ............................................ 58 Hình 2.9 Sơ đồ mô hình CSTR-AnMBR quy mô PTN .................................. 61 Hình 2.10 Sơ đồ mô hình UASB-AnMBR quy mô PTN ............................... 64 Hình 2.11 Sơ đồ mô hình CSTR-AnMBR quy mô Pilot – TN3 ..................... 66 Hình 3.1 Sự biến thiên nhiệt độ - TN1.1 ......................................................... 80 Hình 3.2 Sự biến thiên pH (a), nồng độ VFAs (b), độ kiềm (c) - TN1.1 ....... 81 Hình 3.3 Sự biến thiên tỉ lệ VFA/Alk – TN1.1 ............................................... 82 Hình 3.4 Sự biến thiên COD tại các SRT khác nhau – TN1.1 ....................... 83 Hình 3.5 Hiệu quả xử lý COD tại các SRT khác nhau – TN1.1 ..................... 84 Hình 3.6 Giá trị COD trung bình – TN1.1 ...................................................... 84 Hình 3.7 Sự biến thiên T-N tại các SRT khác nhau – TN1.1 ......................... 85 Hình 3.8 Giá trị T-N trung bình – TN1.1 ........................................................ 86 xiv Hình 3.9 Sự biến thiên T-P tại các SRT khác nhau – TN1.1 .......................... 87 Hình 3.10 Giá trị T-P trung bình – TN1.1 ...................................................... 87 Hình 3.11 Khả năng xử lý dinh dưỡng – TN1.1 ............................................. 88 Hình 3.12 Khả năng thu hồi khí sinh học – TN1.1 ......................................... 89 Hình 3.13 Sự biến thiên của 1/U theo 1/S ....................................................... 93 Hình 3.14 Sự biến thiên của 1/SRT theo U ..................................................... 94 Hình 3.15 Sự biến thiên pH – TN1.2 .............................................................. 95 Hình 3.16 Hiệu quả xử lý COD tại các HRT khác nhau – TN1.2 .................. 96 Hình