Nước thải giàu hữu cơ có tiềm năng lớn để thu hồi năng lượng

Nhóm nghiên cứu tham quan mô hình xử lý nước thải giàu hữu cơ tại trang trại xã Kim Xá, huyện Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc

Để xử lý loại nước thải "cứng đầu" này, các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Thị Hà từ năm 2017 bắt đầu triển khai ứng dụng mô hình hóa trong tính toán thiết kế và tối ưu quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải. Phần mềm mô phỏng được phát triển với sự hỗ trợ chuyển giao từ các chuyên gia của Đại học Kitakyushu, Nhật Bản.

Nhóm nghiên cứu đã điều tra khảo sát về hiện trạng sản xuất, nguyên liệu và lưu lượng các dòng nước thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi ở Vĩnh Phúc, Hà Tĩnh và Đồng Nai. Chín cơ sở chăn nuôi tại đây được lấy mẫu nước thải nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm và tiềm năng thu hồi năng lượng. Kết quả phân tích cho thấy, hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải rất cao (COD trong khoảng 5000-6500 mg/L).

Để xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi lợn, nhóm sử dụng hai hệ phản ứng FBR (đệm vi sinh học cố định) và MBR (đệm vi sinh học di động) với vật liệu mang PE (polyetylen). Trong hệ phản ứng FBR và MBR, khi lượng sinh khối đủ lớn (sau giai đoạn khởi động), nước thải được đưa vào hệ để xử lý. Các vi sinh vật sẽ tiêu thụ chất ô nhiễm như nguồn thức ăn, sinh trưởng, phát triển (tạo ra sinh khối) và chết đi để tạo thành bùn thải. Các chất ô nhiễm hữu cơ sẽ phân hủy thành metan, CO2 và các khí khác.

Để thiết kế các thông số kỹ thuật cho một hệ thống xử lý nước thải, thông thường phải thực hiện hàng chục thí nghiệm. Nhóm ứng dụng phát triển phần mềm mô hình hóa để giảm chi phí và thời gian. Phần mềm sẽ mô phỏng quá trình thực nghiệm xử lý yếm khí nước thải giàu hữu cơ kết hợp thu hồi khí mê tan. Đây là phần mềm mô phỏng dựa trên mã nguồn có sẵn, được nhóm phát triển, ứng dụng trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam với các thông số đầu vào đặc thù.

Khi đưa các thông số đầu vào, phần mềm sẽ cho ra kết quả tính toán tốc độ của phản ứng, tối ưu các điều kiện vận hành hệ thống. Ví dụ muốn xử lý đạt 80% hay 90% thì thời gian lưu nước là bao lâu, các thông số vận hành khác cần kiểm soát như thế nào... Ước tính phần mềm mô phỏng giúp giảm khoảng 50% số thí nghiệm, nghiên cứu cơ bản cần thực hiện. Phần mềm có thể ứng dụng để tính toán, thiết kế cho mô hình xử lý nước thải chăn nuôi lợn nói riêng và phát triển cho các loại nước thải khác.

Nhóm nghiên cứu đã lắp đặt, xây dựng, vận hành thử nghiệm hệ thống xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi lợn qui mô 10 m3/ngày tại trang trại xã Kim Xá, huyện Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc. Kết quả, COD (thông số đại diện của ô nhiễm hữu cơ) sau hệ yếm khí giảm 80-90%, hiệu suất sinh khí đạt 0,28 lít biogas/gCOD đầu vào (% CH4 đạt 65-70%).

Nhóm sử dụng kết quả phân tích, đo đạc từ hệ mô hình quy mô 10 m3/ngày làm căn cứ kiểm chứng hiệu quả của phần mềm tính toán. Giải pháp sử dụng mô hình mô phỏng sẽ tiết kiệm chi phí, dự báo được hiệu quả xử lý yếm khí so với các phương pháp xử lý truyền thống.

Theo PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải, Khoa Môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, hoạt động chăn nuôi tại Việt Nam chủ yếu vẫn ở quy mô trang trại nhỏ lẻ nên nước thải phần lớn không được xử lý hoặc xử lý thô sơ, không đạt yêu cầu. Sau ba năm nghiên cứu, kết quả nghiên cứu đáp ứng yêu cầu cấp thiết về kiểm soát ô nhiễm do chăn nuôi lợn nói riêng và chăn nuôi nói chung ở Việt Nam.

Điểm mới trong nghiên cứu này đã nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mô hình hóa để đánh giá, tối ưu hóa quá trình xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi. Mô hình giúp nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

PV