Trong thời gian qua, tốc độ phát triển kinh tế-xã hội nhanh chóng đã đặt ra nhu cầu cấp thiết trong việc xử lý nước thải giàu chất hữu cơ.

Cùng với các đồng nghiệp ở Nhật Bản, các nhà khoa học tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã thành công trong nghiên cứu mô hình hóa công nghệ yếm khí xử lý nước thải chăn nuôi, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước từ hoạt động nông nghiệp, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng cho nhiều đối tượng nước thải khác.

Chăn nuôi heo tại hộ gia đình. Ảnh: Đức Thụy/Báo Gia Lai
Chăn nuôi heo tại hộ gia đình. Ảnh: Đức Thụy/Báo Gia Lai

Đem toán ứng dụng vào tối ưu công nghệ môi trường

Nước thải chăn nuôi nói riêng và những loại nước thải giàu chất hữu cơ trong quá trình sản xuất, chế biến hoặc sinh hoạt thường ngày của con người nói chung đều tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng nếu không được xử lý đúng cách. Hiện nay, việc xử lý nước thải giàu hữu cơ chủ yếu thông qua các biện pháp sinh học, sử dụng vi sinh vật yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic) để phân hủy các thành phần hữu cơ, kết hợp với một số phương pháp khác để xử lý, đảm bảo các yêu cầu về môi trường trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Tuy nhiên, không phải lúc nào việc xử lý cũng đạt được hiệu quả như mong muốn. Các công đoạn xử lý nước thải phải được kiểm soát quá trình vận hành, thời gian, nhiệt độ và mức oxy thích hợp, đồng thời phải bổ sung những chất dinh dưỡng cần thiết như nitơ, phốtpho hoặc các thành phần vi lượng đảm bảo cho vi sinh vật phát triển. Thêm vào đó, quá trình phân hủy nhiệt động học các thành phần hữu cơ nhờ vi sinh vật cũng diễn ra rất phức tạp, liên quan đến nhiều phản ứng hóa học và tạo nhiều sản phẩm trung gian. Do vậy, việc nâng cao hiệu quả xử lý thông qua tối ưu hóa quá trình phân hủy là hết sức cần thiết.

Để góp phần giải quyết vấn đề này, từ năm 2017 đến nay, trong khuôn khổ Nhiệm vụ KH&CN theo Nghị định thư của Bộ Khoa học và Công nghệ, các nhà nghiên cứu của trường ĐH Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN) đã kết hợp với ĐH Kitakyushu (Nhật Bản) để phát triển phần mềm mô phỏng nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải. Thông qua phân tích và tính toán, phần mềm sẽ đưa ra các giải pháp giúp nâng cao hiệu suất xử lý nước thải, ví dụ như điều chỉnh lưu lượng nước, thời gian lưu trong bể yếm khí hoặc tỷ lệ thành phần đầu vào mà vẫn đảm bảo kết quả đầu ra theo yêu cầu.

“Ở Việt Nam, việc áp dụng toán vào môi trường đã được nghiên cứu áp dụng từ lâu, chủ yếu dùng để đánh giá lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường, phân bố các chất ô nhiễm hay dự báo phát thải. Tuy nhiên, xây dựng một thuật toán nhằm tối ưu hóa quá trình công nghệ môi trường để giải quyết khó khăn trong một lĩnh vực cụ thể - ở đây là công nghệ xử lý yếm khí nước thải giàu hữu cơ từ chăn nuôi - thì thực sự là một hướng đi mới,” Chủ nhiệm đề tài PGS. TS Nguyễn Thị Hà, khoa Môi trường, trường ĐH Khoa học Tự nhiên, chia sẻ. Họ đã kết hợp với các nhà toán học tại khoa Toán, trường ĐH Khoa học Tự nhiên để xây dựng phần mềm mô phỏng các phản ứng sinh hóa và quá trình nhiệt động học khi phân hủy yếm khí nước thải chăn nuôi giàu hữu cơ trong hệ MBR.

Thực nghiệm và mô phỏng

Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng việc điều tra thực địa và lấy mẫu phân tích tại chín cơ sở chăn nuôi ở ba tỉnh Vĩnh Phúc, Hà Tĩnh, Đồng Nai nhằm đánh giá đặc tính dòng của nước thải chăn nuôi lợn. Cùng với các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Môi trường (Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam), dự án đã xây dựng được một hệ thống xử lý yếm khí quy mô phòng thí nghiệm để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi (mẫu thực tế).

Hệ thống pilot này sử dụng công nghệ vật liệu mang cố định FBR và công nghệ màng lọc di chuyển MBR, có công suất 10m3/ngày đêm. Kết quả phân tích cho thấy hiệu quả xử lý yếm khí của hệ thống đạt 70 - 80 % giá trị COD trong nước thải, tạo ra 0,28 lít biogas/g COD chuyển hóa, với tỷ lệ khí metan trong khí thoát ra đạt 65-70%. Có thể nói, hiệu quả của bể yếm khí hoàn toàn đáp ứng yêu cầu để nước thải đầu ra tiếp tục được xử lý hiếu khí và đi đến một số công đoạn tiếp, đạt tiêu chuẩn xả thải hiện hành đối với nước thải chăn nuôi (QCVN 62-MT/2016-BTNMT).

PGS. TS Nguyễn Thị Hà cho biết họ đã sử dụng dữ liệu từ hệ thống pilot này để làm đầu vào cho việc xây dựng phần mềm mô phỏng bởi “các hệ thống xử lý nước thải nói chung hiện có ở Việt Nam chỉ phân tích các chỉ tiêu đầu vào, đầu ra theo yêu cầu về môi trường nhằm đáp ứng quy chuẩn mà không phân tích các thông số về sản phẩm trung gian như các loại axit béo dễ bay hơi, protein và đường. Đây lại là những thông số mà thuật toán mô phỏng rất cần”.

Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã bổ sung các thông số giả định và số liệu phân tích từ mô hình thực nghiệm. “Chúng tôi tiến hành chạy mô phỏng, đối chiếu kết quả thực tế của hệ xử lý pilot với mô hình mô phỏng, từ đó hiệu chỉnh thông số tính toán cho phù hợp thực tế. Thực tế, quá trình xây dựng, hoàn thiện phần mềm này mất gần một năm.” PGS. TS Nguyễn Thị Hà nói. Theo chị, khi hoàn thiện được mô hình mô phỏng và áp dụng mở rộng trong việc nghiên cứu thiết kế hệ thống công nghệ xử lý nước thải mới, nhóm nghiên cứu “có thể giảm đáng kể số lượng thí nghiệm khảo sát cần thực hiện, từ 100 thí nghiệm xuống còn 20-30 thí nghiệm, giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian và chi phí”.

Tuy nhiên, người đứng đầu dự án nhấn mạnh rằng mô hình này mới chỉ áp dụng cho một công đoạn cụ thể (xử lý yếm khí) của một đối tượng cụ thể (nước thải chăn nuôi). Để đạt yêu cầu đầu ra, nước thải sau đó phải tiếp tục xử lý hiếu khí và trải qua một vài công đoạn khác. “Điều may mắn là nước thải chăn nuôi sau khi xử lý yếm khí đã giảm được 70-80% mức độ ô nhiễm hữu cơ, tổng chất rắn lơ lửng và có đầu ra tương đương với nước thải sinh hoạt, phù hợp để xử lý hiếu khí”, PGS. TS Nguyễn Thị Hà tiết lộ, “Do vậy trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tiếp tục cùng đồng nghiệp ở ĐH Kitakyushu mở rộng mô hình mô phỏng cho những công đoạn xử lý nước thải chăn nuôi tiếp theo để phù hợp với tình hình thực tiễn ở Việt Nam.”

Việc mô phỏng các công nghệ xử lý nước thải giàu hữu cơ cho các ngành có nguy cơ gây ô nhiễm cao như sản xuất, chế biến tinh bột, mía đường, thủy sản… cũng có thể thực hiện tương tự. “Trên nền tảng phần mềm tối ưu đã xây dựng, chúng tôi sẽ chỉ mất khoảng 2-3 tháng để hiệu chỉnh các biến và thông số đầu vào phù hợp với đối tượng mới,” đại diện nhóm nghiên cứu nói thêm. Họ cho biết sẽ chia sẻ bản quyền sử dụng phần mềm với các đối tác của dự án và một số cơ sở có hệ thống xử lý yếm khí đủ dữ liệu đầu vào cho mô hình.