Việt Nam là một quốc gia giàu tài nguyên thiên nhiên với lợi thế “rừng vàng, biển bạc, đất phì nhiêu”. Đây là điều kiện thuận lợi để phát triển các ngành chăn nuôi và chế biến thực phẩm. Tuy nhiên, sự phát triển của các ngành này cũng kéo theo sự gia tăng một lượng lớn chất thải, đặc biệt là nước thải. Hiện nay, xu hướng ứng dụng các công nghệ xanh trong xử lý chất thải từ các ngành nói trên nhận được nhiều sự quan tâm từ phía các nhà khoa học cũng như các nhà quản lý. Hai công nghệ thường được sử dụng rộng rãi là công nghệ phân hủy hiếu khí và công nghệ phân hủy kỵ khí. Việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp với đặc tính của nguồn thải là vấn đề rất cần thiết nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa hiệu quả xử lý và tác động tới môi trường. Để lựa chọn được công nghệ xử lý phù hợp, việc xác định các đặc tính của nguồn thải là rất cần thiết. Đặc tính nổi trội được các nhà xử lý quan tâm là nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) đối với quá trình hiếu khí và tiềm năng metan sinh học (BMP) đối với quá trình kỵ khí. Các phép đo BOD và BMP có thể được xem như một quá trình xử lý sinh học thu nhỏ, trong đó vi sinh vật sử dụng nguồn hữu cơ trong chất thải làm thức ăn, tiêu thụ O₂ và giải phóng CO₂ (phép đo BOD) hoặc giải phóng biogas (hỗn hợp CH₄ và CO₂ trong phép đo BMP).

Các công nghệ xử lý hiện nay đều đòi hỏi ứng dụng các mô hình toán học để mô phỏng, vận hành và tối ưu hóa quá trình xử lý. Các mô hình toán học được sử dụng rộng rãi có thể kể tới mô hình bùn hoạt tính hiếu khí (ASM) đối với quá trình xử lý hiếu khí và mô hình phân hủy kỵ khí (ADM) đối với quá trình xử lý kỵ khí, đều do Hiệp hội Nước Quốc tế (IWA) xây dựng. Đây có thể được coi như một nền tảng chuẩn để các nhà khoa học phát triển các mô hình khác phù hợp với điều kiện thực tế của quá trình xử lý. Trong các mô hình trên, BOD (đối với các mô hình ASM) và BMP (đối với mô hình ADM) thường không được sử dụng, thay vào đó là các thông số đặc tính mới như nhu cầu oxy hóa học (COD) phân hủy nhanh, chậm. Trong khi BOD và BMP là những thông số truyền thống được xác định rộng rãi và tương đối đơn giản trong các phòng thí nghiệm môi trường, các đặc tính mới (COD phân hủy nhanh, COD phân hủy chậm…) lại rất khó xác định bằng phương pháp đo thông thường. Việc sử dụng các dữ liệu về BOD (kết hợp với pH) và BMP cùng với các mô hình toán học (được phát triển dựa trên nền tảng mô hình ASM3 và ADM1) là một giải pháp đột phá có thể đơn giản hóa việc xác định các thông số đặc tính cần thiết khác cho quá trình xử lý.

Để có thể hiện thực hóa giải pháp trên, việc thu thập các dữ kiện liên tục về BOD-pH và BMP trong thời gian dài là điều kiện tiên quyết cần được tiến hành. Mặc dù vậy, các thiết bị đo BOD và BMP thương mại hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu kể trên. Hầu hết các thiết bị đo BOD thương mại hiện nay được thiết kế để xác định BOD5 (giá trị BOD truyền thống, sau 5 ngày) và không có khả năng theo dõi đồng thời cả pH. Trong khi đó, số lượng thiết bị đo BMP lại khá hạn chế với chi phí cao và chỉ xác định được một trong hai thông số hoặc metan hoặc biogas, nói cách khác không thể xác định được tỉ lệ CH4/CO2 trong biogas tạo thành.

Nhằm chế tạo thiết bị tự động đo đồng thời, liên tục hai thông số BOD và pH (gọi là thiết bị đo BOD-pH); Chế tạo thiết bị đo BMP vận hành đơn giản nhưng có khả năng xác định đồng thời thể tích metan và biogas cũng như xác định được tỉ lệ CH₄/CO₂ (gọi là thiết bị đo BMP); Ứng dụng thiết bị do BMP để xác định được những nguồn thải có tiềm năng trong việc sản xuất metan và thu hồi năng lượng, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội do GS.TS. Phạm Hùng Việt làm chủ nhiệm đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng hệ thiết bị đo pH/đo hô hấp và thiết bị đo khả năng sinh khí metan từ chất thải công nghiệp chế biến thực phẩm”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận như sau:

Đề tài đã phát triển thành công hai thiết bị có tiềm năng áp dụng trong thực tế cao, bao gồm thiết bị đo tự động đồng thời hai chỉ tiêu BOD và pH (thiết bị đo BOD-pH) và thiết bị đo BMP vận hành đơn giản nhưng có khả năng xác định đồng thời thể tích metan và biogas cũng như xác định được tỉ lệ CH4/CO2 thiết bị đo BMP). Hoạt động của hai thiết bị này đã được kiểm tra qua các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với các mẫu kiểm soát cũng như mẫu thật. Kết quả thu được cho thấy các thiết bị hoạt động ổn định trong thời gian dài (20 ngày đối với thiết bị đo BOD-pH và 30 ngày đối với thiết bị đo BMP) với độ tin cậy tốt khi sai số giữa các kết quả từ thiết bị đã phát triển với thiết bị đối chứng (BOD Trak II của HACH và các thiết bị GC) nằm trong khoảng dưới 10%. Việc ứng dụng thiết bị đo BMP để xác định được những nguồn thải có tiềm năng trong việc sản xuất metan và thu hồi năng lượng cũng được tiến hành và đã đưa ra được danh sách ban đầu về tiềm năng sinh khí metan của một số loại chất thải khác nhau.

Các kết quả nghiên cứu đạt được trong đề tài là đáng khích lệ. Các thiết bị được phát triển trong đề tài đã được chứng minh có khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài và cho kết quả đáng tin cậy thông qua các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Các thiết bị này có tiềm năng cao không chỉ giới hạn trong nghiên cứu khoa học mà còn có khả năng ứng dụng trong thực tế, đăng ký sáng chế cũng như tiến tới thương mại hóa. Đề tài được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác Việt - Bỉ giữa Đại học Quốc gia Hà Nội và Vùng Wallonie - Bruxelles (WBI) thông qua dự án số 15 do WBI tài trợ và đề tài QG.17.18 là đối ứng của ĐHQGHN. Trong dự án, đối tác phía Bỉ đóng vai trò đề xuất ý tưởng, tư vấn và định hướng nghiên cứu. Phía Việt Nam, cụ thể là Trung tâm CETASD, là đơn vị chính trong mọi các vấn đề thực nghiệm, bao gồm chế tạo, thử nghiệm thiết bị và đo mẫu thật.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17555/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)