Nghiên cứu hệ thống màng kỵ khí hai giai đoạn kết hợp hệ thống bể phản ứng vi tảo - vi khuẩn xử lý chất thải đô thị hướng đến thu hồi cacbon, nitơ - NCS. Lê Thanh Sơn

Tên đề tài: Nghiên cứu hệ thống màng kỵ khí hai giai đoạn kết hợp hệ thống bể phản ứng vi tảo - vi khuẩn xử lý chất thải đô thị hướng đến thu hồi cacbon, nitơ
Ngành: Kỹ thuật Môi trường
Mã ngành: 9.52.03.20
Họ và tên nghiên cứu sinh: Lê Thanh Sơn
Khóa đào tạo: 2021
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bùi Xuân Thành, PGS.TS. Lê Đức Trung
Cơ sở đào tạo: Viện Môi trường và Tài nguyên – Đại học quốc gia TP.HCM
1. Tóm tắt nội dung luận án
Việc đồng phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ và nước thải đã nổi lên như một phương pháp khả thi để thu hồi năng lượng và quản lý chất thải. Tuy nhiên, các quy trình kỵ khí truyền thống phải đối mặt với những thách thức với tốc độ tải hữu cơ (OLR) lớn trong quá trình xử lý lâu dài. Để giải quyết vấn đề này, bể phản ứng sinh học màng kỵ khí hai giai đoạn (2S-AnMBR) đã được phát triển, bao gồm bể thủy phân (HR) và bể phản ứng sinh học màng kỵ khí (AnMBR). Hoạt động ở nhiệt độ 25-32°C, hệ thống đã mở rộng giới hạn OLR để tối ưu hóa sản lượng khí sinh học, thu hồi nitơ và làm giảm tắc nghẽn màng. Sản lượng methane cụ thể đạt 249 ± 7 L CH4/kgCODloại bỏ ở mức OLR là 6.9 kg COD/m3.d. HR đạt được hiệu quả loại bỏ COD đạt 21.6% nhờ quá trình thủy phân hiệu quả mặc dù thời gian lưu nước (HRT) ngắn.
Trong một nghiên cứu song song về phân tích cộng đồng vi sinh vật của 2S-AnMBR cho thấy sự thống trị của Bacteroidetes và Firmicutes trong HR, với Lactobacillus được làm giàu nhờ quá trình lên men thực phẩm thừa. Bể UASB thể hiện sự thống trị của cổ khuẩn Methanobacterium và Methanosaeta, gợi ý con đường sinh methane trải qua cả hydrogenotrophic and acetoclastic methanogenesis. Mặc dù hydro được tạo ra trong HR góp phần sản xuất khí methane, nhưng các axit béo dễ bay hơi (VFA) bị hạn chế và các vi khuẩn cạnh tranh như Acinetobacter đã ảnh hưởng đến sự phong phú của Methanosaeta. Mặc dù vậy, UASB đã chứng minh khả năng sản xuất khí methane hiệu quả và đa dạng.
Thêm vào đó, một nghiên cứu về bể phản ứng màng sinh học tảo quay (RABR) để loại bỏ chất dinh dưỡng và sản xuất sinh khối tảo. Sử dụng nước thải tổng hợp và nước thải thực tế từ đầu ra mô hình 2S-AnMBR nghiên cứu nhằm mục đích tối ưu hóa tốc độ nạp nitơ (NLR) để tăng trưởng sinh khối và loại bỏ chất dinh dưỡng. Giai đoạn đầu tiên với nước thải tổng hợp đạt năng suất sinh khối cao nhất ở mức NLR là 0.03 kgN/m3.d, với nồng độ chlorophyll-a cao nhất tương ứng cho thấy hoạt động quang hợp được tăng cường. Trong giai đoạn thứ hai, sử dụng nước thải thực tế, năng suất sinh khối thấp hơn nhưng hiệu quả loại bỏ COD đáng chú ý đã được quan sát, với khả năng loại bỏ NH4+-N thay đổi theo NLR.
2. Những kết quả mới của luận án
Hệ thống kết hợp 2S-AnMBR và RABR mang lại những lợi thế đáng kể so với các công nghệ xử lý nước thải truyền thống, thể hiện tính ưu việt đáng kể về môi trường, kinh tế và xã hội. Về mặt môi trường, hệ thống tiên tiến này nhìn chung là tốt trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm, bao gồm chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và mầm bệnh, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn nước thải nghiêm ngặt như QCVN 14:2008/BTNMT. Hệ thống tạo ra ít bùn hơn, giảm phát thải khí nhà kính và tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các hệ thống hiếu khí thông thường. Về mặt kinh tế, nhu cầu năng lượng của hệ thống giảm, chi phí xử lý bùn thấp hơn, sinh khối tảo dễ thu hoạch và tiềm năng sử dụng khí sinh học giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành. Thiết kế nhỏ gọn của hệ thống giúp giảm chi phí cơ sở hạ tầng và bảo trì hơn nữa, điều này khiến hệ thống kết hợp trở thành một lựa chọn hấp dẫn về mặt tài chính cho cả ứng dụng trong đô thị và công nghiệp. Về mặt xã hội, chất lượng nước thải của hệ thống giúp giảm thiểu rủi ro mầm bệnh và mùi hôi đối với sức khỏe cộng đồng, nâng cao sự chấp nhận của cộng đồng
3. Khả năng ứng dụng của luận án và những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu
3.1 Khả năng ứng dụng trong thực tế
Tiềm năng kinh tế và môi trường cho việc sử dụng toàn diện các nguồn chất thải được tìm thấy trong chất thải hoặc chất thải cuối cùng được tạo ra sau quá trình phân hủy kỵ khí (digestate). Một trong những ứng dụng tiềm năng đầy hứa hẹn là sử dụng chất thải làm chất cải tạo đất hoặc làm phân bón sinh học do tính ổn định và hàm lượng dinh dưỡng phong phú của nó. Về phía mô hình nuôi cấy tảo, hiệu quả của hệ thống RABR trong việc loại bỏ các hợp chất nitơ (ammonium và nitrate) khỏi nước thải làm nổi bật tiềm năng của hệ thống này như một công nghệ loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học. Ứng dụng này đặc biệt phù hợp với các nhà máy xử lý nước thải đô thị đang tìm kiếm các giải pháp bền vững và tiết kiệm chi phí để tuân thủ các quy định nghiêm ngặt về môi trường. Sinh khối tảo có thể đóng vai trò là môi trường tự tái sinh tự nhiên để loại bỏ nitơ, giảm sự phụ thuộc vào phương pháp xử lý hóa học và nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể. Trong nông nghiệp, sinh khối tảo hứa hẹn sẽ được sử dụng làm phân bón sinh học. Thành phần giàu chất dinh dưỡng của sinh khối, đặc biệt là phốt pho, làm cho nó trở thành chất bổ sung có giá trị để tăng cường độ phì của đất.
3.2 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu
Về mô hình 2S-AnMBR, cần nghiên cứu chi tiết hơn về tác động của các thành phần cụ thể của VFA như acetic acid, propionic acid, butyric acid, v.v., đối với quá trình phân hủy và methane hóa. Các nghiên cứu này có thể giúp tối ưu hóa điều kiện vận hành để tăng cường quá trình methane hóa.
Về mô hình RABR, việc thiếu sự đánh giá về cộng đồng vi khuẩn trong nghiên cứu này cũng là một thiếu sót, đặc biệt là liên quan đến nhóm vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB). Vì vậy, trong tương lai những thay đổi của quần thể vi khuẩn trên màng sinh học trong quá trình vận hành liên tục phải được nghiên cứu đầy đủ để đánh giá đầy đủ hơn hệ thống RABR. Vật liệu bám dính được sử dụng hiện tại được làm bằng polyester, mỏng, điều này dẫn đến trong quá trình vận hành làm dãn, dẫn đến màng bị trật khỏi trục không lý tưởng. Có thể thay màng để cải thiện hiệu suất.