1. Họ và tên: Nguyễn Trường Quân                                2.Giới tính: Nam

3. Ngày sinh: 21/11/1979                                                4. Nơi sinh: Hà Nội

5. Quyết định công nhận nghiên cứu sinh: Số 4860/QĐ-ĐHKHTN ngày 24/11/2014 của Hiệu trưởng Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

6. Các thay đổi trong quá trình đào tạo: Quyết định gia hạn số 596/QĐ-ĐHKHTN ngày 06/03/2018 và quyết định gia hạn số 4728/QĐ-ĐHKHTN ngày 28/12/2018 của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.    

7. Tên đề tài luận án: Nghiên cứu áp dụng và mô hình hóa công nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn

8. Chuyên ngành: Khoa học môi trường                         9. Mã số: 9440301.01

10. Cán bộ hướng dẫn khoa học:           Hướng dẫn chính: PGS.TS. Lê Văn Chiều          

                                                            Hướng dẫn phụ:    PGS.TS. Cao Thế Hà

11. Tóm tắt các kết quả mới của luận án:

Công nghệ phản ứng ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB) là công nghệ xử lý yếm khí cao tải trong xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ cao nhưng nó vẫn còn một số hạn chế như chỉ vận hành hiệu quả với bùn hoạt tính dạng hạt, mật độ bùn vi sinh tối đa dưới 10 g/l dẫn đến năng suất xử lý bị giới hạn. Việc cải tiến các hệ phản ứng trên cơ sở UASB được quan tâm nhằm cải thiện hiệu quả xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao. Các kết quả thu được trong luận án được trình bày tóm lược dưới đây:

- Cải tiến kĩ thuật tuần hoàn nội (Internal Circulation - IC) bằng cách chia nhỏ cột phản ứng nhằm hạ thấp chiều cao hệ phản ứng. Hệ IC thực chất là hệ UASB cải tiến với chiều cao cột phản ứng tương đối lớn kết hợp với dòng tuần hoàn nội để tăng cường khả năng khuấy trộn. Hệ tuần hoàn nội cải tiến (Modified Internal Circulation - MIC) trong nghiên cứu này cũng chính là hệ IC cải tiến bằng cách chia nhỏ cột phản ứng và được lắp nối tiếp nhau. Hệ IC và MIC cùng được khảo sát ở khoảng tải lượng (TL) CODt đầu vào từ 3,00 đến 22,55 gCOD/l.ngày, tương ứng với thời gian lưu giảm dần từ 24 đến 6 giờ. Kết quả thu được cho thấy năng suất xử lý (NSXL) CODt của 2 hệ IC và MIC là tương đương nhau (69,2% và 70,9%). Tuy nhiên, hệ MIC có hiệu suất xử lý (HSXL) TSS cao hơn hệ IC (70,6% so với 64,2%).

- Cải thiện năng suất xử lý COD của hệ UASB bằng cách bổ sung vật liệu mang vi sinh. Kết quả so sánh 2 Kĩ thuật bồn phản ứng màng vi sinh cố định (Fixed Bed Biofilm Reactor - FBBR) và Kĩ thuật bồn phản ứng màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor - MBBR) sử dụng 2 loại vật liệu mang vi sinh (Polyurethane - PU và Polyethylene - PE) với hệ UASB cơ bản như sau: 2 hệ FBBR và MBBR khi sử dụng vật liệu mang PU ở hai chế độ TL 4 và 6 g/l.ngày thu được NSXL COD trung bình là tương đương nhau (~70%) và HSXL TSS trung bình cũng tương đương nhau (~60%). Còn khi sử dụng vật liệu mang PE, NSXL COD và HSXL TSS trung bình của hệ MBBR ở ba chế độ TL trung bình 4, 6 và 10 g/l.ngày đều cao hơn hệ FBBR (các giá trị tương ứng là NSXL COD: 70,5% so với 59,6% và HSXL TSS: 67% so với 63,9%). HSXL COD trung bình của 2 hệ FBBR và MBBR khi sử dụng vật liệu mang PU và PE đều cao hơn hệ UASB cơ bản (55%).

- Mô hình và mô phỏng quá trình xử lý yếm khí của hệ MBBR

+ Xác định được hàm lượng các thành phần hữu cơ có trong giá trị COD tổng. Trong đó, hàm lượng cacbonhydrat chiếm 16,3% giá trị CODt (tương ứng với tỉ lệ thành phần cacbonhydrat fca = 0,163), protein chiếm 34,4% (fpr = 0,344), lipit chiếm 0,6%      (fli = 0,006), thành phần trơ không tan chiếm 13,1% (fxi = 0,131) và thành phần hữu cơ tan chậm phân hủy sinh học chiếm 35,6% (fsi = 0,356). Các giá trị thu được này cung cấp dữ liệu đầu vào cho phần mềm mô phỏng GPS-X đã tích hợp mô hình ADM1 các phương trình động học quá trình phân hủy yếm khí.

+ Các hệ số/hằng số trong các phương trình động học của các quá trình sinh học yếm khí phục vụ cho tính toán và mô phỏng trong mô hình ADM1 của phần mềm     GPS-X: Xác định được các hệ số tốc độ phân rã (k′) của COD tổng, tốc độ phân hủy (k) của cacbonhydrat, protein, lipit với các giá trị tương ứng là k′dis = 2,8; kcar = 15,5;         kprr = 5,2 và klir = 8,6 ngày-1, các giá trị hằng số tốc độ phát triển sinh khối riêng cực đại (m) của axit propionic, axetic và hidro tương ứng là mpd = 51,5; mum = 26; mhm = 31,5 ngày-1 và giá trị hằng số bán bão hòa (K) của axit axetic là Kum = 12 mgCOD/l.  

+ Mối tương quan giữa kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm của các thành phần COD tổng, cacbonhydrat, protein, lipit, axit butyric, axit propionic, axit axetic, TSS và khí mêtan đều tuân theo phương trình dạng y = ax. Giá trị a trong phương trình tuyến tính đối với các thành phần đạt trong khoảng từ 0,9755 ¸ 1,0053 thể hiện sự tuyến tính rất cao. Sự phù hợp giữa các kết quả thực nghiệm và mô phỏng còn thể hiện thông qua hệ số hồi quy R2 của các thành phần COD tổng, cacbonhydrat, protein, TSS và khí mêtan với R2 = 0,8212 - 0,9144, trong khi đó hệ số hồi quy của lipit, axit butyric, axit propionic và axit axetic có giá trị thấp hơn (R2 = 0,6404 ¸ 0,715) thể hiện sự phù hợp chưa cao. Các thông số này cho thấy sự phù hợp giữa các phương trình động học các quá trình sinh học yếm khí trong mô hình ADM1 của hệ bùn lơ lửng cùng với các hệ số/hằng số động học tìm được phù hợp với diễn biến các thành phần hữu cơ và TSS của hệ UASB sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động.

12. Khả năng ứng dụng thực tiễn:

- Hệ MIC thu được dựa trên cơ sở cải tiến hệ IC bằng cách chia nhỏ cột phản ứng và được lắp đặt nối tiếp nhau nhằm làm giảm chiều cao, nó có ưu điểm thuận tiện cho việc chế tạo và vận hành trên thực tế.

- 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 nước thải chăn nuôi lợn trên thực tế theo các công nghệ cải tiến đã nghiên cứu.

- Hệ UASB sử dụng vật liệu mang để làm tăng mật độ vi sinh trong hệ thí nghiệm xử lý nước thải bằng vi sinh đồng thời làm giảm thời gian vận hành khởi động.

- Mô hình quá trình phân hủy yếm khí (gồm các phương trình động học theo mô hình phân hủy yếm khí ADM1 và các hằng số động học) tìm được giúp hiểu rõ bản chất, kiểm soát quá 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.

13. Các hướng nghiên cứu tiếp theo:

- Tiếp tục nghiên cứu về quá trình phân hủy yếm khí khi sử dụng các vật liệu mang biến tính trong các hệ UASB cải tiến nhằm nâng cao năng lực xử lý hữu cơ trong nước thải chăn nuôi và kiểm soát quá trình.

- Áp dụng mô hình hóa hệ thống xử lý các đối tượng nước thải giàu hữu cơ khác.

14. Các công trình công bố liên quan đến luận án:

[1] Nguyễn Thị Trang, Nguyễn Việt Hà, Nguyễn Trường Quân, Lê Văn Chiều, Cao Thế Hà (2014), “Công nghệ yếm khí dạng ABR xử lý nước thải giàu hữu cơ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội Tập 30(6S), trang 597-602.

[2] Cao Thế Hà, Lê Văn Chiều, Nguyễn Việt Hà, Nguyễn Trường Quân, Vũ Ngọc Duy, Võ Thị Thanh Tâm, Trần Mạnh Hải, Nguyễn Triều Dương (2015), “Vai trò của công tác đánh giá chất lượng nước thải trong việc xác định công nghệ xử lý”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tập 1(4), trang 50-54.

[3] Nguyễn Trường Quân, Võ Thị Thanh Tâm, Cao Thế Hà, Lê Văn Chiều, Trần Mạnh Hải (2019), “Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD của hai kĩ thuật xử lý yếm khí nước thải giàu cặn hữu cơ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội Tập 35(1), trang 21-26.

[4] Cao Thế Hà, Vũ Ngọc Duy, Nguyễn Thị An Hằng, Nguyễn Trường Quân, Cao Thế Anh, Trần Mạnh Hải, K. Fukushi, H. Katayama (2019), “Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải theo hướng phát triển bền vững”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tập 61(1), trang 50-57.

[5] Truong Quan NGUYEN, Van Anh NGO, Thi Hoang Oanh LE, Huu Huan NGUYEN, Van Chieu LE, Hidenari YASUI, Thi Ha NGUYEN (2020), “Removal of organic matters from piggery wastewater in anaerobic moving bed biofilm reactor (MBBR)”, Vietnam Journal of Science and Technology Vol. 58(3A), pp. 211-221.