THÔNG TIN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU "Nghiên cứu chế tạo vật liệu mao quản cố định vi sinh vật nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao"

- Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

- Chủ nhiệm: TS. Phan Thế Anh

- Cộng sự: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm, PGS. TS. Đoàn Thị Thu Loan, TS. Nguyễn Hoàng Trung Hiếu, TS. Nguyễn Thị Đông Phương, TS. Nguyễn Thị Minh Xuân, ThS. Hoàng Ngọc Ân

- Đơn vị áp dụng: Công ty Cổ phần Hóa chất và Dịch vụ Ngân Hải

- Đơn vị phối hợp đánh giá sản phẩm: Công ty TNHH MTV Đồ hộp Hạ Long

1. Giới thiệu và tóm tắt nội dung công trình

Nước thải của một số ngành như: chế biến nông sản, thực phẩm, thuộc da, thủy sản…thường chứa một lượng lớn các chất hữu cơ dễ phân hủy ở dạng mảnh vụn nhỏ dễ lắng hoặc phân tán nhỏ dạng lơ lửng, hệ keo hoặc dạng các chất dinh dưỡng hòa tan [1][2]–[4]. Nước thải từ quá trình chế biến thủy sản (CBTS) là một hệ nước thải đặc trưng với hàm lượng chất hữu cơ cao có khả năng phân hủy sinh học. Theo khảo sát của Tổng cục môi trường, công nghệ xử lý nước thải hiện đang được áp dụng đối với ngành CBTS chủ yếu vẫn là công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính [5].

Trong quá trình xử lý bằng sinh học hiếu khí bùn hoạt tính các vi sinh vật là nhân tố đóng vai trò quyết định. Thông thường để xử lý nước thải đầu vào có BOD cao cần phải tăng kích thước của hệ thống xử lý. Một số nhà máy chọn giải pháp là tăng hàm lượng bùn để có được nồng độ sinh khối cao cho quá trình phân giải chất hữu cơ nhằm tăng tải BOD đầu vào. Tuy nhiên việc làm này sẽ dẫn đến khả năng lắng bùn của bể lắng thứ cấp bị hạn chế, chất lượng nước đầu ra không đảm bảo quy chuẩn. Bên cạnh đó, việc tăng nồng độ bùn có thể dẫn đến hiện tượng tắt nghẽn hệ thống phân phối khí, ảnh hưởng đến quá trình xử lý. Để tăng hiệu quả xử lý cho bể sinh hóa hiếu khí (aerotank), hạn chế mở rộng khu vực xử lý khi quỹ đất không còn, người ta thường sử dụng các giá thể bổ sung vào bể aerotank nhằm gia tăng hàm lượng sinh khối. Trong số các vật liệu làm giá thể, PVA gel được đánh giá là có hiệu quả vượt trội bởi loại giá thể này có những tính năng ưu việt sau: (1) PVA là loại nhựa có khả năng tương thích sinh học cao nên thuận lợi cho quá trình phát triển bám dính của vi sinh vật, (2) giá thể PVA-gel có cấu trúc mao quản liên thông nên sở hữu một diện tích bề mặt riêng lớn khoảng 2500 m²/m³ [8] làm tăng mật độ vi khuẩn cố định trên bề mặt đó. Cấu trúc liên thông còn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán hay vận chuyển oxy cũng như các chất hữu cơ cần phân hủy đến vị trí tập trung vi khuẩn bên trong cấu trúc vật liệu, (3) nhựa PVA có khả năng phân hủy sinh học khi được chôn trong môi trường đất nên được đánh giá là loại nhựa thân thiện với môi trường, (4) giá thể PVA-gel có khối lượng riêng (d = 1,025 g/cm³) gần bằng nước nên thuận lợi cho quá trình đối lưu, (5) đường kính của các lỗ xốp mao quản dao động trong khoảng 4-20 µm nên cho phép các vi khuẩn (có kích thước 0,3 - 5 µm [1]) chui vào bên trong cấu trúc để phát triển. Theo báo cáo của Công ty Hiyoshi, việc bổ sung giá thể PVA gel trong các hệ thống sinh học hiếu khí cho phép giảm 38 % so với đầu tư xây mới để mở rộng, giảm 20% chi phí vận hành và giảm 30% chi phí xử lý bùn dư. Tuy nhiên, hiện nay giá thành của loại vật liệu này còn quá cao (500 000 Yên cho 1 m³) và đang phải nhập khẩu nên chưa có một công ty nào trên địa bàn thành phố ứng dụng nó cho hệ thống xử lý nước thải mà chỉ mới dừng lại ở quy mô pilot.

Qua quá trình nghiên cứu chúng tôi đã tạo ra được vật liệu PVA gel với các tính chất đặc trưng tương tự và hiệu suất xử lý chất hữu cơ tương đương vật liệu PVA gel thương mại của hãng Kuraray, Nhật Bản. Sản phẩm tạo thành có giá thành sản xuất thấp hơn nhiều so với giá của sản phẩm thương mại, tạo điều kiện thuận lợi để sản phẩm có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Quá trình nghiên cứu đã đề xuất được dây chuyền sản xuất thử nghiệm vật liệu PVA gel năng suất 50 lít/mẻ chuyển giao cho Công ty Cổ phần Hóa chất và Dịch vụ Ngân Hải.

2. Tính mới của công trình

Nghiên cứu nhắm đến việc tạo ra được vật liệu PVA gel cố định vi sinh vật ứng dụng để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao trên địa bàn thành phố Đà Nẵng. Điểm mới của đề tài là sử dụng các nguồn nguyên liệu giá rẻ, đơn giản hóa quá trình sản xuất để tạo ra sản phẩm có giá thành thấp, có khả năng thay thế được sản phẩm nhập ngoại tương đương.

3. Kết quả và khả năng ứng dụng

Từ các kết quả nghiên cứu chúng tôi đã thiết kế và xây dựng thành công dây chuyền sản xuất thử nghiệm vật liệu PVA gel năng suất 50lít/mẻ. Dây chuyền vận hành đơn giản, ổn định và đã chế tạo ra hơn 2m³ sản phẩm. Vật liệu PVA gel tạo ra từ dây chuyền có các tính chất đặc trưng tương tự như sản phẩm PVA gel thương mại của hãng Kuraray (Nhật Bản). Hiệu quả xử lý nước thải có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao của vật liệu được khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm, ở mô hình pilot 1 m³ và mô hình trình diễn công suất 120L/ngày. Kết quả thu được chứng minh rằng vật liệu PVA gel có khả năng xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, hiệu quả càng rõ ràng khi tải nạp đầu vào tăng lên. Sử dụng 20% thể tích vật liệu có thể tăng hiệu suất xử lý chất hữu cơ lên 7-20% khi khảo sát ở phòng thí nghiệm, 2-6% ở mô hình pilot 1 m³ và 3,9-5,2% ở mô hình trình diễn. Khi so sánh cùng hiệu suất xử lý, vật liệu PVA gel có thể tăng tải nạp hữu cơ lên 1,65¸ 1,76 lần với kết quả thu được ở phòng thí nghiệm, tăng 1,5 lần ở mô hình pilot. Vật liệu PVA gel tổng hợp có thể đạt hiệu suất xử lý khoảng 94% so với PVA gel Nhật Bản. Với cùng hiệu suất xử lý 85-87%, khi sử dụng vật liệu PVA gel tổng hợp tải trọng có thể đạt 3,48 kgBOD₅/m³/ngày (tương ứng 5,48 kgCOD/m³/ngày) xấp xỉ với giá trị 3,73 kgBO₅/m³/ngày (tương ứng 5,87 kgCOD/m³/ngày) khi sử dụng vật liệu PVA gel của Kuraray.

Với công nghệ đơn giản cho phép tạo ra sản phẩn có giá thành thấp, có chất lượng tương đồng với sản phẩm thương mại của Nhật Bản, chúng tôi rất hy vọng sản phẩm có thể thương mại hóa thành công.

4. Hiệu quả: kỹ thuật – kinh tế - xã hội

a. Đối với lĩnh vực KH&CN có liên quan: Cho đến nay vật liệu làm giá thể có hiệu quả cao như PVA gel vẫn chưa được nghiên cứu và sản xuất ở trong nước. Việc phối hợp với doanh nghiệp sẽ tạo điều kiện thuận lợi để sản phẩm của công trình nghiên cứu đi vào thực tế, nâng cao sức cạnh tranh với các sản phẩm ngoại nhập và làm chủ được công nghệ.

b. Đối với lĩnh vực kinh tế - xã hội: Thành công của công trình nghiên cứu sẽ là cơ hội để doanh nghiệp hợp tác nghiên cứu phát triển sản phẩm mới có tiềm năng ứng dụng lớn, có thị trường tiêu thụ rộng rãi. Với các doanh nghiệp chế biến thủy sản, việc sử dụng vật liệu PVA gel có thể giúp cho doanh nghiệp nâng cao năng suất mà không sợ bị quá tải hệ thống xử lý nước thải. Vật liệu PVA gel cũng có thể sử dụng tại các trạm xử lý nước thải tập trung của thành phố góp phần giải quyết vấn đề quá tải và cải thiện chất lượng bầu khí quyển.

ẢNH THỰC HIỆN CÔNG TRÌNH

Hình 1: Các công đoạn sản xuất trên dây chuyển sản xuất thử nghiệm vật liệu PVA gel năng suất 50 lít/mẻ (a), ảnh SEM (b)

Hình 2: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của vật liệu PVA gel ở mô hình pilot 1 m³ (a) và ở mô hình trình diễn công suất 120 lít/ngày (b)