Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của đề tài Ngành cao su là ngành công nghiệp có đóng góp đáng kể vào tổng kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam. Hiện nay cây cao su đứng thứ 2 về tỷ suất lợi nhuận (sau cây cà phê). Mặc dù ngành cao su đã tạo việc làm cho hàng ngàn người lao động và đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước nhưng ngành công nghiệp này cũng tạo ra những vấn đề đáng lo ngại về chất lượng môi trường. Nước thải sơ chế mủ cao su có mức độ ô nhiễm cao với lưu lượng lớn nếu không được xử lý triệt để sẽ tác động xấu đến chất lượng môi trường nước. Bên cạnh đó, mùi hôi phát sinh trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong nước thải cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường không khí xung quanh. Hiện nay hiệu quả xử lý nước thải tại các nhà máy sơ chế mủ cao su ở Việt Nam vẫn còn thấp hơn nhiều so với yêu cầu theo tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT. Tình trạng này do nhiều nguyên nhân, một trong những nguyên nhân đó là hệ thống xử lý nước thải được thiết kế chưa đủ công suất. Thêm vào đó lưu lượng nước thải thường xuyên biến động phụ thuộc vào điều kiện sản xuất. Nhiều hệ thống xử lý nước thải tại các nhà máy bị quá tải, đặc biệt vào những tháng sản xuất cao điểm [111], do đó đòi hỏi phải mở rộng thể tích công trình hoặc rút ngắn thời gian xử lý bằng các thiết bị cao tải. Hiện nay các địa điểm đặt nhà máy sơ chế mủ cao su thường xen kẽ với khu dân cư nên rất khó tăng diện tích công trình nên giải pháp lựa chọn tối ưu cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam là sử dụng các thiết bị cao tải. Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) là một trong những thiết bị cao tải đã được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp trong nhiều thập kỷ. Hệ thống UASB có ưu điểm là vận hành đơn giản, chịu được tải trọng hữu cơ cao và có thể điều chỉnh tải trọng hữu cơ theo từng thời kỳ sản xuất của nhà máy. Ngoài ra hệ thống này tiêu thụ năng lượng ít, diện tích xây dựng công trình nhỏ và không phát tán mùi hôi. Khí phát sinh trong quá trình xử lý nước thải có thể thu hồi và được sử dụng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, nhược điểm là thời gian khởi động hệ thống này thường kéo dài do sự phát triển của bùn kỵ khí rất chậm và bùn phân tán dễ bị rửa trôi khi xử lý ở tải trọng hữu cơ cao. Chính vì vậy nhằm rút ngắn thời gian khởi động, tăng cường sự tách bùn nước ở dòng ra, giảm sự kìm hãm của các sản phẩm thứ cấp thì việc tạo lập hệ bùn hoạt tính dạng hạt là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống UASB hướng tới ứng dụng trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên. Vì vậy đề tài luận án: "Nghiên cứu quá trình tạo hạt bùn trong hệ thống UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su" đã được thực hiện với các mục tiêu như sau: - Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB nhằm nâng cao năng lực hệ thống xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên; - Đánh giá hiệu quả sử dụng bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên. Nội dung nghiên cứu của đề tài: - Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên; - Nghiên cứu tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB; - Nghiên cứu thành phần vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí; - Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống UASB sử dụng bùn hạt kỵ khí; - Khảo sát điều kiện bảo quản bùn hạt kỵ khí. Những đóng góp mới của luận án - Là nghiên cứu khởi đầu cho hướng nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam. Bước đầu tìm hiểu sự thay đổi cấu trúc quần xã vi sinh vật trong quá trình hình thành bùn hạt nhằm tìm ra vai trò của chúng trong sự hình thành bùn hạt cũng như trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên. - Thử nghiệm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su trong hệ thống UASB bằng bùn hạt kỵ khí cho thấy đã nâng cao tải trọng hữu cơ gấp 3,5 lần với hiệu quả xử lý tăng 7,6% và hiệu suất sinh khí metan tăng 2,86 lần so với sử dụng bùn phân tán ở cùng điều kiện. Sử dụng bùn hạt trong xử lý nước thải cao su đã nâng OLR lên 15,3 kg-COD/m 3 .ngày với hiệu quả xử lý COD đạt 95,8%, hiệu suất sinh khí metan đạt 0,325 m 3 -CH 4 /kg-COD chuyển hóa . Bùn hạt có cấu trúc ổn định và hoàn toàn phù hợp cho vận hành hệ thống UASB trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THANH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT TRONG HỆ THỐNG UASB NHẰM XỬ LÝ NƯỚC

THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Mã số: 62420201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Hà Nội - 2016

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG V DANH MỤC HÌNH VI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tổng quan ngành công nghiệp sơ chế mủ cao su thiên nhiên 3

1.1.1 Cây cao su và tình hình phát triển 3

1.1.2 Thành phần và cấu trúc mủ cao su thiên nhiên 3

1.1.3 Công nghệ sơ chế mủ cao su 4

1.2 Tính chất nước thải sơ chế mủ cao su 5

1.3 Tình hình nghiên cứu về xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên 7

1.3.1 Ngoài nước 7

1.3.2 Trong nước 9

1.4 Bể kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) 11

1.4.1 Quá trình phân huỷ kỵ khí 11

1.4.2 Đặc tính chung của hệ thống UASB 14

1.4.3 Ưu, nhược điểm 15

1.5 Sự hình thành hạt bùn 16

1.5.1 Bùn kỵ khí dạng hạt 16

1.5.2 Cấu trúc hạt bùn kỵ khí 16

1.5.3 Các thành phần cơ bản của hạt bùn 18

1.5.4 Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo hạt bùn kỵ khí 22

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành bùn hạt kỵ khí 27

1.6.1 Ảnh hưởng của cơ chất 28

1.6.2 Tải trọng hữu cơ 28

1.6.3 Đặc tính của bùn giống 28

1.6.4 Các chất dinh dưỡng 29

1.6.5 Các nguyên tố khoáng 29

1.6.6 Các vitamin 29

1.6.7 Các chất tạo keo 30

1.6.8 Nhiệt độ 30

1.6.9 pH 30

1.7 Các thông số đánh giá hạt bùn kỵ khí 30

1.7.1 Hoạt tính sinh metan 30

1.7.2 Kích thước và tỷ trọng hạt bùn 31

1.7.3 Chỉ số thể tích bùn lắng 32

1.7.4 Độ bền cơ học 32

1.7.5 Màu sắc 32

1.8 Một số phương pháp sinh học phân tử ứng dụng trong xác định thành phần vi sinh vật trong bùn kỵ khí 32

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Vật liệu 35

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 35

2.1.2 Hóa chất 36

2.1.3 Thiết bị 37

2.2 Phương pháp nghiên cứu 39

2.2.1 Các phương pháp phân tích 39

2.2.2 Nội dung nghiên cứu 44

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên 47

3.1.1 Nước thải nhà máy tại khâu đánh đông 47

3.1.2 Tiền xử lý nước thải nhà máy 49

3.1.3 Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm 52

3.2 Nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB 54

3.2.1 Hoạt hóa bùn trong hệ thống UASB 54

3.2.2 Nghiên cứu một số điều kiện ảnh hưởng tới sự hình thành bùn hạt 57

3.3.1 Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ 57

3.3.2 Ảnh hưởng của AlCl 3 61

3.3.3 Ảnh hưởng của rỉ đường 65

3.3 Thành phần vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí 72

3.3.1 Thành phần vi khuẩn 74

3.3.2 Thành phần cổ khuẩn 79

3.4 Xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng UASB sử dụng bùn hoạt tính dạng hạt 84

3.4.1 Hiệu quả xử lý của bùn hạt 84

3.4.2 Đánh giá sự thay đổi cấu trúc hạt bùn 87

3.5 Điều kiện bảo quản hạt bùn 91

3.5.1 Sự thay đổi hoạt tính sinh metan riêng 92

3.5.2 Sự thay đổi COD hòa tan trong môi trường bảo quản 93

3.5.3 Sự thay đổi kích thước hạt bùn 94

KẾT LUẬN 97

KIẾN NGHỊ 98

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học

BR Baffled Reactor Thiết bị vách ngăn (bẫy cao su)

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxiribonucleic

DHS Downflow Hanging Sponge Thiết bị lọc hiếu khí với dòng chảy từ

trên xuống qua lớp mút xốp DPNR Deprotein natural ruber Cao su thiên nhiên loại protein

DRC Dry Rubber Content Hàm lượng cao su khô

ECP Extracellular Product Sản phẩm ngoại bào

HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu của nước thải

MLSS Mixed Liquor Suspended Solid Nồng độ sinh khối lơ lửng

MLVSS Mixed Liquor Volatile Suspended Solid Nồng độ sinh khối lơ lửng bay hơi NGS Next Generation Sequencing Giải trình tự gen thế hệ mới

OLR Organic Loading Rate Tải trọng hữu cơ

SBR Sequencing Batch Reactor Thiết bị xử lý tuần tự theo mẻ

SDS Sodium dodecyl sulphate CH3(CH2)11SO4Na

SMA Specific Methane Activity Hoạt tính sinh methan riêng

SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng

SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn lắng

TN Total Nitrogen Tổng nitơ

UASB Upflow Anaerobic Slugde Blanket Thiết bị xử lý kỵ khí với dòng chảy

ngược qua lớp bùn hoạt tính VFA Volatile Fatty Axit Axit béo bay hơi

VSS Volatile Suspended Solid Chất rắn lơ lửng bay hơi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên 4

Bảng 1.2 Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su ở Việt Nam 6

Bảng 1.3 Một số vi sinh vật chiếm ưu thế xuất hiện trong bùn hạt kỵ khí 19

Bảng 1.4 Hiệu suất sinh khí metan của một số loại bùn 31

Bảng 1.5 Hoạt tính sinh metan riêng của một số loại bùn 31

Bảng 1.6 Các phương pháp sinh học phân tử phân tích thành phần vi sinh vật 33

Bảng 3.1 Đặc tính nước thải khâu đánh đông của nhà máy cao su tại Thanh Hóa 47

Bảng 3.2 Hàm lượng VFA tại khâu đánh đông của nhà máy cao su tại Thanh Hóa 49

Bảng 3.3.Đặc tính nước thải trước và sau khi qua bẫy cao su 52

Bảng 3.4 Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su đánh đông trong phòng thí nghiệm 53

Bảng 3.5 Hàm lượng MLSS và MLVSS của bùn giống và bùn đã hoạt hóa 55

Bảng 3.6 Tính chất bùn hạt kỵ khí với các quá trình tạo bùn hạt 70

Bảng 3.7 Tỷ lệ các nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế trong các mẫu bùn 75

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu tạo hóa học cao su thiên nhiên 3

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sơ chế mủ cao su thiên nhiên 5

Hình 1.3 Các phương thức trao đổi chất trong quá trình lên men kỵ khí 11

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị UASB 15

Hình 1.5 Bùn hạt kỵ khí 17

Hình 1.6 Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn 18

Hình 1.7 Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom 23

Hình 1.8 Mô hình hạt nhân trơ 23

Hình 1.9 Mô hình bốn bước 24

Hình 1.10 Mô hình chuyển vị proton và khử nước 25

Hình 1.11.Mô hình liên kết ion đa hóa trị 25

Hình 1.12 Mô hình liên kết ECP 26

Hình 1.13 Mối quan hệ giữa yếu tố vi sinh vật và các thông số công nghệ trong quá trình tạo bùn hạt 27

Hình 2.1 Nước thải đánh đông mủ cao su 35

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống UASB 37

Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị bẫy cao su (BR) 38

Hình 2.4 Quy trình giải trình tự bằng metagenomics 43

Hình 3.1 Sự kết tụ cao su trong hệ thống UASB 50

Hình 3.2 Hiệu suất xử lý SS bằng bẫy cao su phụ thuộc hàm lượng SS đầu vào 51

Hình 3.3 SMA của bùn và ảnh hưởng của OLR đến SMA trong thời gian hoạt hóa 54

Hình 3.4 SVI của bùn ngày 1 và ngày 73 của quá trình hoạt hóa 56

Hình 3.5 Hình thái bùn khi tăng OLR trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg COD/m3.ngày 58

Hình 3.6 Phân bố kích thước hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg-COD/m3.ngày 58

Hình 3.7 SVI của bùn giống và bùn trong hệ thống UASB ứng với các OLR 59

Hình 3.8 Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi thay đổi OLR 60

Hình 3.9 Hình thái bùn hạt khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L 62

Hình 3.10 Phân bố kích thước hạt bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày

60 và ngày 103 62Hình 3.11 Chỉ số SVI của bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 63Hình 3.12 Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan có bổ sung và không bổ sung AlCl3 64Hình 3.13 Hình thái bùn hạt khi vận hành hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung rỉ đường 66Hình 3.14 Phân bố kích thước hạt bùn vào ngày 20 và ngày 38 trong quá trình vận hành hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung rỉ đường 66Hình 3.15 Chỉ số SVI cùa bùn hạt khi bổ sung AlCl3 và rỉ đường 67Hình 3.16 Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi vận hành UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao bổ sung AlCl3 và rỉ đường 68Hình 3.17 Quy trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB quy mô 20L 71Hình 3.18 Tỷ lệ các ngành vi sinh vật trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và bùn hạt dựa trên phân tích trình tự gen 16S rRNA 72

Hình 3.19 Các nhóm cổ khuẩn chiếm ưu thế trong ngành Euryacheaota 80

Hình 3.20 Quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa và hình thành bùn hạt 84Hình 3.21 Sự biến động COD, OLR, hiệu suất xử lý COD trong quá trình xử lý nước thải sơ chế cao su của các hệ thống UASB 85Hình 3.22 Tốc độ sinh khí trong quá trình xử lý nước thải sơ chế cao su của các hệ thống UASB 86Hình 3.23 Hiệu suất sinh khí metan trong quá trình xử lý nước thải sơ chế cao su của các hệ thống UASB 87Hình 3.24 Sự biến động SVI của bùn hạt trong quá trình xử lý nước thải sơ chế mủ cao

su 88Hình 3.25 Hình thái bùn hạt ngày 1 và ngày 98 trong hệ thống UASB xử lý nước thải

sơ chế mủ cao su 89Hình 3.26 Phân bố kích thước bùn hạt ngày 1 và ngày 98 trong hệ thống UASB xử lý

nước thải sơ chế cao su 89

Hình 3.27 Sự biến động các ngành vi sinh vật của bùn hạt trong quá trình xử lý nước thải sơ chế mủ cao su 90

Hình 3.28 Sự biến động các nhóm methanogen của bùn hạt trong quá trình xử lý nước thải sơ chế mủ cao su 91

Hình 3.29 Sự biến động SMA trong quá trình bảo quản bùn hạt 92

Hình 3.30 Sự biến động hàm lượng CODs trong quá trình bảo quản bùn hạt 93

Hình 3.31 Phân bố kích thước bùn hạt trong quá trình bảo quản 95

Hình 3.32 Hình thái bùn hạt: (A) bùn hạt trước bảo quản, (B) bùn hạt sau 6 tháng bảo quản tại 4oC, (C) bùn hạt sau 6 tháng bảo quản ở nhiệt độ phòng 96

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của đề tài

Ngành cao su là ngành công nghiệp có đóng góp đáng kể vào tổng kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam Hiện nay cây cao su đứng thứ 2 về tỷ suất lợi nhuận (sau cây cà phê) Mặc dù ngành cao su đã tạo việc làm cho hàng ngàn người lao động và đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước nhưng ngành công nghiệp này cũng tạo ra những vấn đề đáng lo ngại về chất lượng môi trường Nước thải sơ chế mủ cao su có mức độ ô nhiễm cao với lưu lượng lớn nếu không được xử lý triệt để sẽ tác động xấu đến chất lượng môi trường nước Bên cạnh đó, mùi hôi phát sinh trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong nước thải cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường không khí xung quanh

Hiện nay hiệu quả xử lý nước thải tại các nhà máy sơ chế mủ cao su ở Việt Nam vẫn còn thấp hơn nhiều so với yêu cầu theo tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT Tình trạng này

do nhiều nguyên nhân, một trong những nguyên nhân đó là hệ thống xử lý nước thải được thiết kế chưa đủ công suất Thêm vào đó lưu lượng nước thải thường xuyên biến động phụ thuộc vào điều kiện sản xuất Nhiều hệ thống xử lý nước thải tại các nhà máy bị quá tải, đặc biệt vào những tháng sản xuất cao điểm [111], do đó đòi hỏi phải mở rộng thể tích công trình hoặc rút ngắn thời gian xử lý bằng các thiết bị cao tải Hiện nay các địa điểm đặt nhà máy sơ chế mủ cao su thường xen kẽ với khu dân cư nên rất khó tăng diện tích công trình nên giải pháp lựa chọn tối ưu cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam là sử dụng các thiết bị cao tải

Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) là một trong những thiết bị cao tải đã được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp trong nhiều thập kỷ

Hệ thống UASB có ưu điểm là vận hành đơn giản, chịu được tải trọng hữu cơ cao và có thể điều chỉnh tải trọng hữu cơ theo từng thời kỳ sản xuất của nhà máy Ngoài ra hệ thống này tiêu thụ năng lượng ít, diện tích xây dựng công trình nhỏ và không phát tán mùi hôi Khí phát sinh trong quá trình xử lý nước thải có thể thu hồi và được sử dụng làm nhiên liệu Tuy nhiên, nhược điểm là thời gian khởi động hệ thống này thường kéo dài do sự phát triển của bùn kỵ khí rất chậm và bùn phân tán dễ bị rửa trôi khi xử lý ở tải trọng hữu cơ cao Chính vì vậy nhằm rút ngắn thời gian khởi động, tăng cường sự tách bùn nước ở dòng ra, giảm sự kìm hãm của các sản phẩm thứ cấp thì việc tạo lập hệ bùn hoạt tính dạng hạt là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống UASB hướng tới ứng dụng trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao

su thiên nhiên Vì vậy đề tài luận án: "Nghiên cứu quá trình tạo hạt bùn trong hệ thống

UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su" đã được thực hiện với các mục tiêu như

sau:

- Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB nhằm nâng cao năng lực hệ thống xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;

- Đánh giá hiệu quả sử dụng bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế

mủ cao su thiên nhiên

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

- Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;

- Nghiên cứu tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB;

- Nghiên cứu thành phần vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí;

- Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống UASB sử dụng bùn hạt kỵ khí;

- Khảo sát điều kiện bảo quản bùn hạt kỵ khí

Những đóng góp mới của luận án

- Là nghiên cứu khởi đầu cho hướng nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam Bước đầu tìm hiểu sự thay đổi cấu trúc quần xã

vi sinh vật trong quá trình hình thành bùn hạt nhằm tìm ra vai trò của chúng trong sự hình thành bùn hạt cũng như trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên

- Thử nghiệm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su trong hệ thống UASB bằng bùn hạt kỵ khí cho thấy đã nâng cao tải trọng hữu cơ gấp 3,5 lần với hiệu quả xử lý tăng 7,6% và hiệu suất sinh khí metan tăng 2,86 lần so với sử dụng bùn phân tán ở cùng điều kiện Sử dụng bùn hạt trong xử lý nước thải cao su đã nâng OLR lên 15,3 kg-COD/m3.ngày với hiệu quả

xử lý COD đạt 95,8%, hiệu suất sinh khí metan đạt 0,325 m3

-CH4/kg-CODchuyển hóa Bùn hạt có cấu trúc ổn định và hoàn toàn phù hợp cho vận hành hệ thống UASB trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan ngành công nghiệp sơ chế mủ cao su thiên nhiên

1.1.1 Cây cao su và tình hình phát triển

Cây cao su (Hevea brasiliensis) tiết ra chất lỏng gọi là mủ cao su hoặc latex Mủ cao su

được sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất cao su thiên nhiên Cây cao su ban đầu chỉ mọc tại khu vực rừng Amazon Năm 1873, người ta trồng thử nghiệm chúng ngoài phạm vi Brasil Ngày nay phần lớn các nước trồng cao su nằm tại khu vực Đông Nam Á và một số tại khu vực Châu Phi [3] Nhóm 5 nước sản xuất cao su thiên nhiên lớn nhất thế giới là Thái Lan, Indonesia, Malaysia, Ấn Độ và Việt Nam (chiếm hơn 92% tổng sản lượng sản xuất của thế giới) Từ 2001 sản lượng cao su thiên nhiên tăng trưởng bình quân 4,8%/năm Năm 2014, tổng diện tích trồng cây cao su trên thế giới ước tính đạt 9,57 triệu ha với sản lượng cao su đạt 12,2 triệu tấn [173] Theo báo cáo cập nhật ngành cao su thiên nhiên, Việt Nam là quốc gia đứng thứ 3 thế giới về sản lượng khai thác cao su thiên nhiên đạt 1,1 triệu tấn chiếm tỷ trọng khoảng 9% vào năm 2014 [1] Hiện nay, diện tích trồng cây cao su của Việt Nam đạt trên 955.000 ha Trong đó, tổng diện tích trồng cây cao su của tỉnh Thanh Hóa đạt 18.296 ha và hiện có hơn 6.400 ha cao su đang trong thời kỳ thu hoạch mủ với sản lượng đạt hơn 6.000 tấn mủ khô/năm (Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Thanh Hóa, 2014) Năng suất mủ cao su bình quân toàn ngành đạt 1,6 tấn/ha [2]

1.1.2 Thành phần và cấu trúc mủ cao su thiên nhiên

Cấu trúc của mủ cao su thiên nhiên gồm hai pha: lỏng và rắn Pha lỏng gồm nước và một

số chất hòa tan (serum) Phần rắn gồm những hạt cao su lơ lửng hình cầu với cấu tạo lớp trong

là cao su, lớp ngoài là protein và lipid Khi lớp ngoài bị phá hủy gây nên hiện tượng đông tụ các hạt cao su Cao su thiên nhiên là hợp chất cao phân tử (polyme) chứa các isoprene (C5H8)n Các phân tử isoprene kết nối với nhau tạo thành một chuỗi dài (cis-1,4-polyisoprene [C5H8]n) Công thức cấu tạo của cao su thiên nhiên được biểu diễn trong hình 1.1

Hình 1.1 Cấu tạo hóa học cao su thiên nhiên [7]

Thành phần mủ cao su thiên nhiên thay đổi theo giống cây, tuổi cây, tình trạng chăm sóc, khí hậu, thổ nhưỡng… Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên được biểu diễn trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên [3, 7]

Nồng độ cao su dao động từ 30 – 40% nhưng thường trong khoảng 30 – 35% DRC [3] Ngoài cao su và nước, các thành phần chủ yếu khác xuất hiện trong mủ cao su tươi là hydratcacbon, protein, lipid, muối khoáng và một lượng nhỏ axit amin, nucleotid

1.1.3 Công nghệ sơ chế mủ cao su

Mủ cao su được chống đông bằng dung dịch amoniac Sau đó chúng được sơ chế theo từng dạng sản phẩm Nhìn chung quy trình sơ chế mủ cao su khối bao gồm các công đoạn như hình 1.2

Sản xuất một tấn thành phẩm cao su cốm (từ mủ tạp và mủ skim), cao su khối (từ mủ tươi) và mủ ly tâm thải ra lượng nước thải tương ứng khoảng 30, 25 và 18 m3

Tỷ trọng

Cao su tấn/m3 0,932 – 0,952 Serum tấn/m3 1,031 – 1,035

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sơ chế mủ cao su thiên nhiên [3]

1.2 Tính chất nước thải sơ chế mủ cao su

Trong quá trình sơ chế mủ cao su, nước thải phát sinh chủ yếu ở các công đoạn đánh đông, kéo/cán, cắt và nước rửa bồn Nước thải từ bồn khuấy trộn chứa một ít hạt cao su Nước thải từ mương đông tụ chứa phần lớn là serum có hàm lượng ô nhiễm cao nhất Nước thải từ các công đoạn khác có bản chất tương tự trong mương đông tụ nhưng loãng hơn Nước thải

Pha loãng đến DRC 25％

đánh đông chứa một số thành phần đặc trưng như các axit dễ bay hơi (VFA), protein, đường, cao su; pH khoảng 5 – 5,5 Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su của một số nhà máy sản xuất cao su ở Việt Nam được thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su ở Việt Nam Chỉ tiêu Cao su ly tâm Cao su khối Cao su cốm Nước thải chung Lưu lượng

(m3/tấnDRC)

15 – 20 25 – 30 35 – 40 -

pH 9 – 11 5 – 6 5 – 6 5 – 6

BOD (mg/L) 1.500 – 12.000 1.500 – 5.500 400 – 500 2.500 – 4.000 COD (mg/L) 3.500 – 35.000 2.500 – 6.000 520 – 650 3.500 – 5.000

SS (mg/L) 400 – 6.000 200 – 6.000 4.000 – 8.000 500 – 5.000 N-NH3 (mg/L) 75,5 40,6 110 426

Nguồn: Trung tâm thống kê Môi trường -ECO, 2012

Đặc điểm nước thải

* Sản xuất mủ ly tâm:

Mủ nước được li tâm đến nồng độ 60% DRC, sau đó bổ sung amoniac để chống đông Đặc điểm chính của loại nước thải này là: độ pH cao (pH 9-11), hàm lượng BOD, COD và TN cũng rất cao

* Sản xuất cao su khối:

Cao su khối được sản xuất từ mủ nước có bổ sung amoniac và dùng axit để đánh đông

Do đó, ngoài tính chất chung là hàm lượng BOD, COD, TN và SS rất cao, nước thải còn có độ

pH thấp

* Sản xuất cao su cốm:

Cao su cốm được sơ chế từ mủ tạp lẫn khá nhiều đất cát và các loại chất lơ lửng khác Do

đó, trong quá trình ngâm, rửa mủ, nước thải chứa rất nhiều đất, cát Màu nước thải loại này thường có màu nâu, đỏ Đặc điểm của nước thải này là: pH từ 5,0 - 6,0, nồng độ SS rất cao, nồng độ BOD, COD thấp hơn

Như vậy, nước thải của quá trình sản xuất cao su li tâm và cao su khối có hàm lượng ô nhiễm cao hơn so với nước thải từ quá trình sản xuất cao su cốm Nước thải sơ chế mủ cao su

có hàm lượng chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ rất cao Thêm vào đó, nước thải của các nhà máy sơ chế mủ cao su còn phát sinh mùi hôi thối ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường không khí Vì vậy việc xử lý nước thải nhà máy sơ chế mủ cao su là một vấn đề quan trọng cần phải được giải quyết

1.3 Tình hình nghiên cứu về xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên

dù hiệu suất xử lý BOD của đĩa quay sinh học (90%) [81] và mương oxi hóa (96%) [74] cao nhưng chi phí về năng lượng và bảo trì lớn kèm theo sự phát thải khí nhà kính CO2 Để giảm bớt sự phát thải khí nhà kính công nghệ bể kỵ khí - hồ ổn định và bể kỵ khí - mương oxi hoá

đã được nghiên cứu Hiệu suất xử lý BOD của chúng lần lượt là 95% (HRT 10 ngày) [75] và 99% (HRT 7,6 ngày) [114] Tuy nhiên những hạt cao su dư trong nước thải đã tích tụ trong hệ thống làm giảm hiệu quả xử lý của bùn Để loại bỏ SS và tăng sự tiếp xúc giữa nước thải và bùn, bể lọc kỵ khí với giá thể cũng được nghiên cứu Hiệu suất xử lý COD với giá thể bằng gốm và sơ dừa tráng nhựa lần lượt là 89% (HRT 4 ngày) [73] và 70 – 90% (HRT 3 ngày) [143] Tuy nhiên các công nghệ này dễ bị sự cố tắc nghẽn bởi cao su dư Công nghệ bùn hoạt tính thổi khí chìm (SAAS) mang lại hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao nhưng phát sinh lượng bùn

dư và yêu cầu năng lượng rất lớn [74]

Các công nghệ trên cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao nhưng HRT quá dài dẫn đến quá tải khi nhà máy tăng công suất Chính vì vậy, những năm gần đây việc nghiên cứu áp dụng các thiết bị xử lý tốc độ cao đang được ưa chuộng hơn Hai công nghệ có thể chịu được tải trọng cao, đang được nghiên cứu cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tự nhiên là xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) và xử lý tuần tự theo mẻ (SBR)

Hệ thống SBR mang đến hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su cao, xử lý bằng bùn thông thường hiệu suất xử lý COD có thể đạt 89,3% với HRT 12 giờ [168] Khi sử dụng bùn hạt có đường kính trung bình 1,5 mm và SVI là 22,3 mL/g, hiệu suất xử lý của SBR đạt 96,5% COD, 94,7% N-NH3 và 89,4% TN với HRT 3h [191] Như vậy, hiệu suất xử lý COD, TN và N-NH3 của SBR có thể nâng cao và giảm thời gian lắng khi bùn ở dạng hạt Tuy nhiên, vận hành SBR tiêu tốn năng lượng lớn cho quá trình sục khí

Hệ thống UASB là một giải pháp giúp giảm chi phí vận hành đồng thời có thể thu hồi một lượng lớn năng lượng từ metan Phoolphundh và cộng sự (2004) đã nghiên cứu xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống UASB trong điều kiện pH 5,5 - 6,5 với COD dòng vào là 6000 mg/L, hiệu suất xử lý COD là 16%, và 55% với HRT lần lượt là 4 giờ và 18 giờ Mặc dù hệ vi sinh vật có thể tự điều chỉnh pH dòng ra (7,8 – 7,9) nhưng hiệu suất chuyển hóa vẫn thấp [127] Việc điều chỉnh COD, pH và chất dinh dưỡng dòng vào trong quá trình chạy thích nghi bùn hoạt tính đã cải thiện được hiệu suất xử lý COD (đạt 80,1%) của hệ thống UASB [179] Các hạt cao su bị đông tụ trong hệ thống UASB cùng với các chất rắn phân hủy chậm và các độc tố đã ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Nhằm khắc phục nhược điểm này, Jawjit

và cộng sự (2013) đã nghiên cứu điều kiện tối ưu cho xử lý nước thải cao su cốm bằng hệ thống gồm 2 thiết bị UASB mắc nối tiếp Nghiên cứu này chỉ ra rằng ở nhiệt độ 35 oC và pH 7

đã ngăn chặn sự đông tụ cao su, HRT tối ưu cho UASB1 và UASB2 lần lượt là 24h và 48h Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất xử lý COD và SS lần lượt là 82% và 92%, hiệu suất sinh khí metan

là 0,116 m3-CH4 /kg-COD chuyển hóa Mặc dù bùn giống lấy từ nhà máy cao su nhưng vẫn cần 89 ngày để bùn thích nghi và hình thành bùn hạt [78] Tanikawa và cộng sự (2016) đã phát triển hệ thống gồm: thiết bị axit hóa - hai UASB – DHS (Downflow Hanging Sponge) dưới quy mô pilot tại Thái Lan Thiết bị axit hóa có chức năng gạn mủ và điều chỉnh pH dòng vào đạt 6,8 - 72, UASB1 chuyển hóa COD thành metan và giảm SO42-

, UASB2 chuyển hóa COD thành metan, DHS chuyển hóa COD và oxi hóa H2S Dưới điều kiện vận hành OLR là 0,91 kgCOD/m3.ngày, HRT là 11,1 ngày và COD dòng vào là 10200 ± 1370 mg/L thì hiệu suất xử

lý COD của toàn hệ thống đạt 97,6 ± 1,1% Hệ thống này sẽ tiết kiệm được 95% năng lượng, giảm 95% phát thải khí nhà kính, giảm 92% diện tích vận hành và giảm 80% chi phí vận hành [162] Bên cạnh việc sản xuất cao su tiêu chuẩn, các loại cao su kỹ thuật cũng được sản xuất với nhiều tính năng khác nhau, một trong số đó là cao su khử protein (DPNR) bằng Natri dodecyl sulphat (SDS) Hatamoto và cộng sự (2012) đã thăm dò xử lý loại nước thải này, phần cao su dư và SDS được thu hồi bằng cách bổ sung CaCl2 với tỷ lệ Ca2+/SDS và Ca2+/khối lượng cao su tương ứng là: 0,070 và 0,055 Các chất hữu cơ tồn tại trong trong nước thải DPNR được chuyển hóa thành metan trong hệ thống UASB Hiệu quả xử lý COD là 92 ± 2% tại OLR là 6,8 ± 1,8 kgCOD/m3.ngày và HRT là 12 giờ Trong cùng điều kiện, nếu dòng ra được tuần hoàn trở lại để pha loãng nước thải DPNR, hiệu quả chuyển hóa COD đạt 84 ± 8%

tại OLR là 6,4 ± 1,7 kgCOD/m3.ngày và HRT 39 giờ Hệ thống UASB hứa hẹn triển vọng xử

lý nước thải DPNR [66]

Như vậy, xu hướng hiện nay sử dụng hệ thống UASB kết hợp với các công trình khác để

xử lý nước thải nhà máy sơ chế mủ cao su thiên nhiên Hệ thống UASB có chức năng chính là

xử lý các chất hữu cơ và thu hồi năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) Ưu điểm chính của công nghệ này là: sử dụng ít diện tích, chi phí vận hành thấp, không phát sinh mùi và có thể thu hồi năng lượng từ khí metan Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất trong vận hành hệ thống UASB là lượng cao su dư trong nước thải bám vào bùn gây cản trở quá trình chuyển hóa COD, các nghiên cứu về tạo lập bùn hạt trong hệ thống UASB ứng dụng cho xử lý nước thải sơ chế

mủ cao su còn hạn chế và chưa có quy trình bảo quản bùn hạt trong thời gian tạm ngừng sản xuất cao su thiên nhiên

1.3.2 Trong nước

Hiện nay, các công nghệ đang áp dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su chủ yếu là hồ

kỵ khí và hiếu khí [111] Công nghệ này có thời gian lưu chất thải dài dẫn đến cần sử dụng diện tích mặt bằng lớn Mặt khác công nghệ này thường phát sinh metan vào khí quyển, gây mùi hôi thối nên không phù hợp trong điều kiện tự nhiên Việt Nam khi mà khu dân cư thường sống xem kẽ với khu công nghiệp Để đáp ứng yêu cầu kiểm soát môi trường, các nghiên cứu

về công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên đã và đang được tiến hành

a Nghiên cứu xử lý hạt cao su dư

Việc loại bỏ cao su dư đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ hệ thống xử lý nước thải do quá trình này làm giảm hàm lượng chất gây ô nhiễm và giảm sự tắc nghẽn trong hệ thống Nhìn chung quá trình tiền xử lý bằng phương pháp vật lý là một công đoạn cần thiết trong các nhà máy nhằm bắt giữ và thu hồi cao su đông tụ trong nước thải trước khi xử lý sinh học

Bể gạn mủ

Các thiết bị gạn mủ được sử dụng để loại bỏ mủ dư đang được áp dụng trong hệ thống xử

lý nước thải của hầu hết các nhà máy cao su ở Việt Nam Hiệu suất của các bể gạn mủ truyền thống đạt từ 10 - 30% Để cải thiện hiệu quả tách mủ cao su, Nguyễn Thanh Bình (2008) đã nghiên cứu công nghệ lọc mủ bằng sơ dừa Hiệu suất xử lý SS, COD và BOD tương ứng là 64,89%, 56,25% và 59,60% với HRT 24 giờ [5] Hiệu quả của mô hình này cao hơn 2 lần so với các bể gạn mủ truyền thống Tuy nhiên độ ổn định của sơ dừa chưa được đánh giá nên cần xác định tuổi thọ của sơ dừa

Hệ thống bể gạn mủ - bể ổn định - bể thổi khí - bể keo tụ - bể tuyển nổi

Nước thải từ các công đoạn chế biến cao su được chảy đến bể gạn mủ, tại đây nước thải được chảy qua các ngăn theo đường zic zắc để các hạt cao su nổi lên mặt nước và được thu hồi

để tái sử dụng Nước thải sau tách mủ được chảy về bể ổn định và được giữ 2 ngày để các hạt cao su tiếp tục nổi lên Sau đó nước thải được đưa sang bể thổi khí Tại bể thổi khí các hạt cao

su khó tách được dòng khí đẩy lên mặt nước Nước sau quá trình thổi khí được chảy về bể keo

tụ Tại bể keo tụ nước được xáo trộn nhờ mô tơ khuấy có lắp cánh gạt để hòa trộn nước và hóa chất keo tụ (PAC), nước sau keo tụ được chảy tràn qua bể tuyển nổi để loại các bông keo Hệ thống loại bỏ mủ dư gồm: bể gạn mủ - bể ổn định - bể thổi khí - bể đông tụ - tuyển nổi mang đến hiệu suất loại bỏ SS cao (khoảng 70%) nhưng chi phí cho quá trình này cũng cao nên khó

áp dụng rộng [111]

b Xử lý chất hữu cơ

Nguyễn Trung Việt (1999) đã nghiên cứu xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống công nghệ gồm: Bể gạn mủ - UASB - sục khí - hồ tùy nghi Nghiên cứu này cho thấy hệ thống UASB là phương án thích hợp để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su Hệ thống UASB có thể hoạt động ổn định với OLR 15 – 20 kg-COD/m3.ngày, HRT từ 2-6 giờ, vận tốc 0,4 m/h, hiệu suất xử lý COD đạt 79,8 – 87,9% Tuy nhiên, các hạt cao su không được tách đã làm giảm hiệu suất xử lý trong hệ thống UASB Tốc độ phân huỷ kỵ khí của hệ thống UASB cũng

bị ảnh hưởng khi pH < 6 Khả năng xử lý nước thải sau hệ thống UASB của ao thực vật thủy

sinh như sau: COD dòng vào thích hợp với cây dạ lan hương (Hyacinthus) và tảo tương ứng là

2900 mg/L và 2280 mg/L, COD dòng ra tương ứng 300 mg/L và 100 mg/L khi OLR là 100 –

120 kg/ha.ngày Tại đây, hạt cao su lơ lửng bám vào rễ, ngăn cản sự hấp thu nước và chất dinh

dưỡng làm cho cây dạ hương và tảo chết [112]

Nguyễn Ngọc Bích (năm 2003) đã tiến hành nghiên cứu hệ thống công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su gồm: bể điều hoà - bể gạn mủ - bể kỵ khí sơ dừa - bể tảo cao tải - bể lục bình Khi COD, BOD và TN dòng vào lần lượt là 6131 mg/L, 4006 mg/L và 273 mg/L hiệu suất xử lý COD, BOD, TN và SS của bể kỵ khí sơ dừa (thể tích làm việc 12 lít) lần lượt là 94%, 95%, 19,4% và 84,3% với HRT 2 ngày Hiệu quả xử lý COD, BOD, TN và SS của bể tảo cao tải lần lượt là 11%; 69,5%, 74,2% và 38,3% Hiệu suất xử lý COD, BOD và TN của bể lục bình lần lượt là 75,5%; 52,5% và 80,9% Hàm lượng COD, BOD, TN, N-NH3 và SS dòng

ra toàn hệ thống là 65 mg/L, 29 mg/L, 9,4mg/L, 1,8mg/L và 37 mg/L [4] Như vậy, nước thải dòng ra của công nghệ này đạt theo tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015 Tuy nhiên, OLR của quá trình này thấp (OLR khoảng 3,6 kg-COD/m3.ngày) nên cần diện tích rất lớn để xây dựng công trình Chính vì vậy, công nghệ này rất hạn chế khi áp dụng tại các khu công nghiệp xen kẽ dân

cư

Tóm lại, có rất nhiều dạng công nghệ khác nhau có thể ứng dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su, trong đó có hệ thống UASB Hệ thống UASB có ưu điểm là có thể xử lý nước thải sơ chế mủ cao su có OLR cao (trên 10 kg COD/m3.ngày) và thu hồi khí metan, chi phí vận hành thấp hơn các thiết bị khác Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất trong vận hành hệ thống UASB là mủ cao su dư bám vào bề mặt bùn làm giảm hiệu suất xử lý và khả năng tách bùn thấp đã hạn chế việc nâng cao OLR

1.4 Bể kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB)

1.4.1 Quá trình phân huỷ kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí là là quá trình phân hủy sinh học không có oxy, trong đó các chất ô nhiễm hữu cơ được chuyển hoá bởi các vi sinh vật đến sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí sinh học gồm 50 – 70% metan (nhưng có thể cao hơn tùy thuộc vào cơ chất và điều kiện vận hành), 25 – 40% cacbonic và một lượng nhỏ hydro, nitơ, sulfua [30, 98]

Phân hủy kỵ khí dựa trên một chuỗi các hoạt động hợp tác của nhiều loài vi sinh vật Chúng bao gồm 2 giai đoạn với 4 bước trao đổi chất với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật

có đặc điểm sinh lý riêng biệt (hình 1.3)

Hình 1.3 Các phương thức trao đổi chất trong quá trình lên men kỵ khí [89]

Quá trình phân hủy kỵ khí có thể thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau, bao gồm vùng ưa lạnh (4 – 15 °C), ưa ấm (20 – 40 °C) và ưa nóng (45 – 70 °C) [21] Các vi khuẩn kỵ khí hoạt động nhiều nhất ở vùng nhiệt độ ưa ấm và ưa nóng Các thiết bị xử lý nước thải thường vận hành trong khoảng từ 25 – 40 °C, nhiệt độ tối ưu là 35 °C [19]

Trong quá trình phân hủy kỵ khí có bốn nhóm vi sinh vật chính tham gia vào chuyển hóa vật chất hữu cơ, bao gồm: nhóm thủy phân, nhóm lên men sinh axit, nhóm sinh axetat và nhóm sinh metan Hoạt động của các nhóm vi khuẩn này dựa trên mối quan hệ cộng sinh phụ thuộc vào hoạt tính sinh học cũng như sản phẩm trao đổi chất của nhau [23]

1.4.1.1 Nhóm vi sinh vật có hoạt tính thủy phân

Nhóm vi sinh vật có hoạt tính thủy phân thực hiện chức năng bẻ gãy các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, xenluloza, lipit) thành các đơn phân tử tan trong nước như axit amin, glucoza, glycerol và axit béo Nhóm vi sinh vật này tiết ra các enzym ngoại bào (như xenlulaza, proteaza và lipaza) xúc tác thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử [22, 39] Nhóm vi khuẩn thủy phân là nhóm ưa axit Chúng là quần thể có số lượng đông đảo nhất do

có phổ cơ chất lớn và thời gian sinh trưởng ngắn Nhóm này bao gồm các loài kỵ khí bắt buộc

(Bacteriodes, Clostridia và Bifidobacteria) và tùy tiện (Streptococci và Enterobacteriaceae)

[138] Các enzym ngoại bào khác nhau được sản xuất bởi nhóm này sẽ phân hủy các chất hữu

cơ dạng hạt và dạng keo thành dạng hòa tan tạo điều kiện cho các enzym nội bào Nhóm này phân hủy chậm trong điều kiện kỵ khí, do đó cần giữ điều kiện tối ưu trong suốt quá trình [39, 53] Quá trình thủy phân quan trọng nhưng thường không diễn ra trong hạt bùn kỵ khí

1.4.1.2 Nhóm vi khuẩn lên men sinh axit (acidogen)

Nhóm vi khuẩn lên men sinh axit chuyển hóa đường, axit amin và axit béo thành các axit hữu cơ (như axit axetic, propionic, foocmic, butyric hay succinic), rượu và keton (như etanol, metanol, glyxerol, axeton), axetat, CO2 và H2 Trong quá trình lên men các hợp chất cacbohydrat, sản phẩm chính được tạo ra là axetat Sản phẩm của quá trình lên men thay đổi phụ thuộc vào loài vi sinh vật cũng như điều kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong

các thiết bị xử lý Các nhóm sinh axit điển hình là Pseudomonas, Bacillus, Clostridium,

Micrococcus, Flavobacterium [144]

1.4.1.3 Nhóm vi khuẩn sinh axetat (acetogen)

Nhóm acetogen chuyển hóa các axit béo (như axit propionic, butyric) và rượu thành axetat, H2 và CO2 Sản phẩm trao đổi chất của nhóm acetogen là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm cổ khuẩn sinh metan Nhóm này rất nhạy cảm, chúng chỉ sống sót trong điều kiện áp suất cục bộ của H2 ở mức rất thấp [39, 52, 53] Do vậy chúng có quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các nhóm cổ khuẩn sinh metan nhằm duy trì điều kiện này

Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn cổ khuẩn sinh metan khoảng 25 lần [63] Tuy nhiên cổ khuẩn sinh metan lại sử dụng cơ chất với hiệu suất sinh năng lượng thấp nên có thể duy trì nồng độ sản phẩm trao đổi chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là H2) ở mức thấp và tạo điều kiện cho acetogen tiếp tục sinh trưởng Các loài thuộc nhóm acetogen điển hình là

Syntrophomonas và Syntrophobacter [144]

1.4.1.4 Nhóm vi sinh vật sinh metan (methanogen)

Trong xử lý nước thải các vi sinh vật này sinh trưởng với tốc độ chậm với thời gian nhân đôi tế bào là 2,6 ngày ở điều kiện nhiệt độ 35 C hoặc tới 50 ngày ở 10 C Nhóm methanogen

là các loài kỵ khí bắt buộc và là nhóm quyết định tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí [174] Tất

cả các loài trong nhóm methanogen đều là các loài tự dưỡng trên nguồn cơ chất H2 và CO2 [13] Vi sinh vật sinh metan được chia thành ba nhóm theo nguồn cơ chất: hydrogenotrophic, acetotrophic và methylotrophic

Cổ khuẩn sinh metan sử dụng hydro (hydrogenotrophic)

Nhóm hydrogenotrophic chuyển hóa H2 và CO2 thành CH4 theo phương trình sau:

CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Nhóm hydrogenotrophic thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hydro trong hệ thống ở mức thấp phù hợp cho nhóm acetogen hoạt động, đảm bảo các axit béo và rượu được

chuyển thành axetat Các chi thường gặp thuộc nhóm này bao gồm Methanobacterium,

Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanopirillum [39, 53]

Cổ khuẩn sinh metan sử dụng axetat (acetotrophic/acetoclastic)

Nhóm acetotrophic/acetoclastic chuyển hóa axetat thành CH4 và CO2 theo phương trình sau:

CH3COOH  CH4 + CO2Nhóm acetotrophic/acetoclastic là nhóm chủ đạo trong phân hủy kỵ khí với lượng metan sinh ra chiếm 60 – 70% [13] Nhóm này phát triển chậm hơn nhóm hydrogenotrophic khoảng

25 lần và cũng bị ảnh hưởng bởi sự tích tụ H2 [39, 53]

Trong các bể xử lý kỵ khí thường gặp hai chi thuộc nhóm acetoclastic là Methanosarcina

và Methanosaeta (còn gọi là Methanothrix) Trong các bể kỵ khí lên men nóng (55 C)

Methanosarcina chiếm vị trí chủ đạo ở giai đoạn đầu, sau đó dần dần xuất hiện Methanosaeta

do ái lực với cơ chất axetat của Methanosarcina cao hơn Methanosaeta [190] Trong quá trình

lên men kỵ khí, gần 2/3 metan được sinh ra từ việc chuyển hóa axetat, 1/3 còn lại có nguồn gốc từ H2 và CO2 [39]

Cổ khuẩn sinh metan sử dụng methanol (methylotrophic)

Nhóm methylotrophic phát triển trên cơ chất chứa nhóm metyl và chuyển hóa các cơ chất này thành metan

3CH3OH + 6H → 3CH4 + 3H2O 4(CH3)3– N + 6H2O → 9CH4+ 3CO2 + 4NH3 Việc các nhóm vi sinh vật sinh metan sử dụng các loại cơ chất khác nhau là kết quả của việc thu nhận năng lượng khác nhau Ví dụ nhóm vi sinh vật tiêu thụ H2 sẽ sử dụng năng lượng nhiều hơn nhóm vi sinh vật phân hủy axetat Mặc dù nhóm vi sinh vật tiêu thụ H2 thu nhận năng lượng nhiều hơn nhóm vi sinh vật phân hủy axetat nhưng số lượng nhóm này chỉ chiếm 30% trong khi nhóm vi sinh vật phân hủy axetat chiếm xấp xỉ 70% Nguyên nhân là do

sự cung cấp giới hạn hạn H2 cho quá trình phân hủy kỵ khí Lượng metan thu được chủ yếu từ

quá trình phân hủy axetat do 2 loài cổ khuẩn là Methanosarcina và Methanosaeta [53]

Việc sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật sinh metan chủ yếu là do sự phân bào, nảy chồi, tạo mảnh vỡ và sự co thắt tế bào Các vi sinh vật sinh metan sinh trưởng và phát triển rất chậm Sự phát triển chậm do methanogen sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra

ít năng lượng từ một đơn vị cơ chất) và chúng cần một lượng lớn cơ chất cho quần thể vi sinh vật sinh metan nhân đôi Do đó chỉ một lượng nhỏ tế bào hoặc bùn được sản xuất khi một đơn

vị cơ chất bị phân giải Vì vậy phân hủy kỵ khí chi sản xuất một lượng bùn rất nhỏ [53]

1.4.2 Đặc tính chung của hệ thống UASB

UASB được nhà khoa học Phần Lan Lettinga phát triển đầu tiên vào năm 1972 (hình 1.4) Trong hệ thống UASB luôn duy trì nồng độ sinh khối với sự đa dạng cao về thành phần vi sinh vật nên có thể xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao và nhanh Đặc trưng của

hẹ thống UASB có thể vận hành ổn định tại OLR cao (đến 30 kg-COD/m3

.ngày) và HRT ngắn (đến 6h) và thiết kế đơn giản [152]

Hệ thống UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn bị giữ lại Dòng vào đi qua lớp bùn kỵ khí chứa các vi sinh vật ở dạng bùn hạt Nhờ các vi sinh vật chứa trong bùn hoạt tính mà các chất hữu cơ bị phân hủy thành metan và cacbonic Sự chuyển động của dòng khí này khiến chất lỏng được khuấy trộn trong thiết bị [154] Tại phần đỉnh của thiết bị, pha nước được phân tách khỏi bùn và khí nhờ thiết bị phân tách rắn - lỏng - khí Thiết bị tách 3 pha này là mũ bẫy khí mà phần dưới mở ra, các vách làm thay đổi đường

đi của khí Các hạt bùn trong thiết bị có tốc độ lắng cao và chống lại việc rửa trôi bùn ra khỏi

hệ thống khi ở chế độ thủy lực cao Tốc độ của dòng đi lên có thể đạt 60 m/s [102]

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị UASB [90]

Trong hệ thống UASB, các vi sinh vật kỵ khí có thể hình thành hạt bùn thông qua sự tương tác của các tế bào Bùn hạt kỵ khí có mật độ vi sinh vật dày đặc bao gồm hàng triệu tế bào trong một gam sinh khối với sự đa dạng về loài, nhờ đó có thể chuyển hóa rất nhanh chất

ô nhiễm với nồng độ cao hoặc thể tích lớn mà không đòi thể tích thiết bị lớn Kích thước hạt bùn lớn và tỷ trọng hạt bùn cao làm cho chúng lắng nhanh nên dễ dàng tách sinh khối khỏi dòng ra [94]

Sự thích nghi của bùn kỵ khí ở dạng phân tán sang dạng hạt trong hệ thống UASB có thể phân chia thành 3 giai đoạn [69]:

- Giai đoạn 1: thích ứng với môi trường và cơ chất thường mất vài ngày sau quá trình khởi động

- Giai đoạn 2: hoạt tính của bùn tăng do sự phát triển của vi sinh vật và SRT của bùn cao hơn Hoạt tính sinh metan tăng trong một vài tuần đầu

- Giai đoạn 3: hình thành các pellet Kích thước của hạt đầu tiên bằng đầu kim sau 6 – 8 tuần khởi động

Các thông số đáp ứng hiệu quả xử lý của hệ thống UASB tốt là sự hình thành và kết chặt của hạt bùn mà có SMA và đặc tính lắng vượt trội

1.4.3 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

- Có thể xử lý với tải trọng ô nhiễm hữu cơ cao với yêu cầu về dinh dưỡng thấp, lượng bùn

sinh ra ít nên bùn dư thấp

- Sản xuất khí metan và có thể thu hồi như một dạng năng lượng

- Không đòi hỏi năng lượng cho quá trình thông khí nên chi phí vận hành thấp

- Bùn kỵ khí có thể bảo quản trong điều kiện không cung cấp thức ăn trong vài tháng mà

không bị hư hỏng

Nhược điểm

- Quá trình khởi động chậm nếu bùn giống khó thích nghi Thời gian khởi động hệ thống UASB quá dài: từ 2 – 8 tháng, thậm chí hàng năm để tạo bùn hạt từ bùn phân tán [95]

- Sự vận hành hệ thống UASB phụ thuộc vào sự hình thành bùn hạt kỵ khí với độ lắng cao

và hoạt tính sinh metan lớn Tiềm năng của hệ thống UASB có thể không được khai thác cho đến khi hạt bùn được hình thành [31]

1.5 Sự hình thành hạt bùn

1.5.1 Bùn kỵ khí dạng hạt

Bùn hạt là một quần xã vi sinh vật sống cộng sinh được hình thành trong quá trình xử lý nước thải với tốc độ lắng và hoạt tính sinh metan cao Hạt bùn chứa tất cả các loài vi khuẩn cần thiết cho sự phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ xuất hiện trong nước thải Chúng có thể được xem là một vi hệ sinh thái vi sinh vật [95]

Không giống như các bông bùn, các hạt bùn có tính chất cơ học ổn định, các thực thể phân tách riêng rẽ Về mặt hình thái học, hạt bùn có đặc tính như: hạt tương đối lớn (đường kính phổ biến 0,5 mm < d < 2 mm) hình dạng cân đối và có bề mặt xác định, mật độ tế bào cao dẫn đến khả năng lắng tốt Trong hệ thống UASB, việc tương tác liên tục giữa nước thải với bùn hạt dẫn đến nước thải được làm sạch Do đó, sức sống của lớp màng vi sinh vật, hình dạng, kích thước và mật độ bùn hạt kiểm soát hiệu quả xử lý nước thải trong hệ thống UASB Người ta đã xác định 1g bùn hạt có thể chuyển hóa 0,5 – 1g COD/ngày [94] Như vậy, sự hình thành các hạt bùn cực kỳ quan trọng vì chúng không chỉ hỗ trợ tích cực cho lớp màng vi sinh vật mà còn tạo sự lơ lửng và lắng cần thiết cho phép các chúng tiếp xúc tốt với chất lỏng trong các hệ thống UASB

1.5.2 Cấu trúc hạt bùn kỵ khí

1.5.2.1 Cấu trúc vật lý

Các hạt bùn có cấu trúc xốp ở phía ngoài (khoảng 0,1 mm) và dạng tinh thể ở phần lõi [170] Hình 1.5 chỉ ra bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB của nhà máy giấy Mũi tên màu đỏ

chỉ ra các lỗ thoát khí Bùn hạt kỵ khí màu đen hoặc màu xám trắng, đường kính hạt từ 0,25

mm đến 5 mm

Sự phân bố kích cỡ bùn hạt trong hệ thống UASB là kết quả của quá trình phát triển kích

cỡ hạt từ nhỏ đến lớn Sự phát triển của vi sinh vật tạo ra các lớp cấu trúc trong hạt bùn (hình 1.5) Sự khuấy trộn không làm vỡ hạt bùn, hoạt động của vi sinh vật không bị mài mòn dẫn đến giảm kích cỡ hạt Sự rửa trôi sinh khối chủ yếu từ bùn không hình thành hạt [124]

Hình 1.5 Bùn hạt kỵ khí [69]

1.5.2.2 Cấu trúc siêu vi

Khi quan sát trên kính hiển vi, mô hình cấu trúc nhiều lớp của hạt bùn được ghi nhận (hình 1.6) Lớp ngoài cùng là nhóm acidogen lên men đường tạo thành VFA Do sự chênh lệch nồng độ, các VFA này sẽ khuếch tán vào phía trong và trở thành nguồn thức ăn cho nhóm acetogen là nhóm chiếm ưu thế vượt trội ở lớp giữa Ở đây VFA được bẻ gẫy và tạo thành các

cơ chất chính cho các loài cổ khuẩn sinh metan ở trung tâm hạt [30]

Hình 1.6 cũng mô tả sơ lược về quá trình phân hủy chất hữu cơ trong hệ vi sinh vật của hạt bùn gồm các bước như sau:

Bước 1: Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng tiết ra các enzym ngoại bào phân hủy các hợp chất cao phân tử thành đơn phân từ (đường, axit amin, axit béo) và được tiêu thụ bởi các vi khuẩn ở lớp ngoài cùng Các sản phẩm đơn phân từ này cũng được khuếch tán vào phía trong

và được nhóm acidogen lên men thành VFA và alcohol

Bước 2: VFA và alcohol được nhóm acetogen ở lớp giữa chuyển hóa thành axetat, H2 và

là nguồn thức ăn cho nhóm methanogen trong lõi hạt Sản phẩm phân hủy của cổ khuẩn sinh metan (biogas) đi ra theo lỗ thoát khí

Hình 1.6 Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn [30]

Một số hạt bùn có cấu trúc không đồng nhất cũng được phát hiện Trong các hạt bùn này, các vi khuẩn có tiêm mao chiếm ưu thế không chỉ trên bề mặt mà còn ở trung tâm hạt bùn Cấu trúc phân lớp và cấu trúc đồng nhất của hạt bùn phát triển tương ứng với nguồn cơ chất là cacbohydrat và protein [48] Người ta nhận thấy phân hủy hydratcacbon nhanh hơn phân hủy của các vật chất trung gian và phân giải protein bị giới hạn tốc độ Do đó, các loại bùn hạt khác nhau hình thành trên cơ chất tương ứng Cấu trúc vi mô của hạt bùn phụ thuộc vào động học phân hủy của các cơ chất [82]

1.5.3 Các thành phần cơ bản của hạt bùn

1.5.3.1 Các chất vô cơ

Tất cả hợp chất vô cơ đều xuất hiện trong thành phần hạt bùn, trong đó canxi và photphat chiếm tỷ lệ cao nhất Ca3(PO4)2 tập trung ở lõi hạt bùn Phía ngoài hạt bùn chứa nhiều Ca2CO3 Các chất khoáng khác như Mg, Fe, S, Al, Si, K, Na và Cu cũng có mặt nhưng ít Hơn nữa, phần lõi hạt chứa hàm lượng tro cao hơn phía ngoài Do đó các thành phần vô cơ kết tinh trong lõi hạt bùn [26, 30]

1.5.3.2 Polyme ngoại bào (ECP)

Thành phần chính của ECP là protein và hydratcacbon Nhóm vi khuẩn sinh axit tham gia sản xuất ECP Cơ chất và pH đóng vai trò chính trong sản xuất ECP: pH tối ưu 6, tỷ lệ C/P tăng thuận lợi cho sự hình thành ECP Sản xuất ECP tăng sau 20 – 40 giờ và sau khoảng 100 giờ đạt đến trạng thái ổn định [30]

1.5.3.3 Thành phần vi sinh vật

Thành phần vi sinh vật trong hạt bùn rất phức tạp, biến đổi theo thời gian lưu bùn và phụ thuộc vào thành phần môi trường, pH và nhiệt độ Số loài xuất hiện trong hạt bùn có thể hơn

11000 loài, tập trung chủ yếu vào hai nhóm vi khuẩn chuyển hóa chất hữu cơ thành VFA và

cổ khuẩn chuyển hóa axetat và hidro/cacbonic thành metan [90] Leclerc và cộng sự (2001) đã phân tích và so sánh trình tự 16S rARN của 44 loại bùn trong thiết bị xử lý các loại nước thải khác nhau, tác giả nhận thấy rằng sự phân bố các loài cổ khuẩn không những bị ảnh hưởng

mạnh mẽ bởi thành phần nước thải mà còn phụ thuộc vào loại thiết bị xử lý [85] Bảng 1.4 đưa

ra danh sách một số vi khuẩn chiếm ưu thế xuất hiện trong một số loại hạt bùn kỵ khí

Bảng 1.4 chỉ ra sự phân bố thành phần vi khuẩn thay đổi khi thay đổi loại nước thải Tuy

nhiên, trong mỗi loại bùn hạt đều chứa đầy đủ các nhóm thủy phân (Bacillus/ Pseudomonas), nhóm acidogen (Bacteroidales/ Clostridia/ Leuconostoc/ Microbacterium), nhóm acetogen (Rhodocyclus/ Rhodococcus/ Syntrophobacter/ Achromobacter) và nhóm methanogen Nhóm methanogen chứa các chi chuyển hóa axetat (Methanosaeta/ Methanosarcina), H2/CO2 (Methanobacterium) và các hợp chất chứa nhóm metyl (Methanomethylovorans) Như vậy,

cấu trúc quần thể vi sinh vật trong bùn hạt bị ảnh hưởng bởi các nguồn nước thải khác nhau Hoạt động của các nhóm vi sinh vật khác nhau đóng vai trò chính trong phân hủy kỵ khí và nếu các vi sinh vật được xác định, chúng có thể được bổ sung vào bùn hạt giúp nâng cao hiệu

quả và ổn định quá trình xử lý, đồng thời làm giảm thời gian khởi động

Bảng 1.3 Một số vi sinh vật chiếm ưu thế xuất hiện trong bùn hạt kỵ khí

Bùn hạt xử lý

nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Cổ khuẩn Methanosaeta [82, 159]

Methanobacterium

Bùn hạt xử lý

nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Cổ khuẩn

Methanosaeta

[82, 98]

Methanosarcina Methanolinea Methanobacterium

Bùn hạt xử lý

nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Cổ khuẩn chưa nuôi cấy được ArcSval_5

Cổ khuẩn chưa nuôi cấy tại bãi rác Banisveld

Cổ khuẩn

Methanoregula

[98], [23]

Methanobacterium Methanosaeta Methanosarcina

Chloroflexi Sphingobacteria Verrucomicrobiae

Cổ khuẩn

Methanosaeta

[160, 163]

Methanosarcina Methanomicrobiales Methanobacteriales

Bùn hạt xử lý

nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Cổ khuẩn

Methanobacterium

[146]

Methanomethylovorans Methanosaeta

1.5.4 Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo hạt bùn kỵ khí

Sự hình thành bùn hạt kỵ khí là quá trình gồm nhiều bước phức tạp liên quan đến áp lực vật lý, hóa học và sinh học Hulshoff và cộng sự (2004) đã chia quá trình hình thành bùn hạt thành 3 cơ chế: vật lý, vi sinh vật và nhiệt động học [69]

1.5.4.1 Cơ chế vật lý

Theo cơ chế vật lý, hạt bùn được hình thành do sự phát triển của “chất rắn lơ lửng có bản chất vi sinh vật” dưới tác động của áp suất chọn lọc [57, 69]

a Chất rắn lơ lửng có bản chất vi sinh vật

Pareboom (1994) chỉ ra các hạt bùn bắt đầu hình thành từ các cụm vi sinh vật Các tế bào

vi sinh vật lơ lửng gắn kết vào nhau và hình thành lên cụm tế bào vi sinh vật Các tế bào vi sinh vật không có khả năng bám dính sẽ bị rửa trôi (hình 1.7)

Dưới các điều kiện vận hành thông thường lực cắt ngoài, áp suất khí bên trong hoặc tốc

độ tuần hoàn khí cao không làm vỡ hạt bùn Lực cắt chỉ tách các phần hạt nhỏ hơn từ các hạt bùn này [49, 69, 122]

Hình 1.7 Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom [121]

b Mô hình hạt nhân trơ

Các hạt siêu nhỏ, trơ về mặt hóa học được sử dụng làm giá thể để các vi sinh vật bám dính vào tạo thành màng sinh học [90, 137, 152] Hạt bùn được hình thành khi các vi sinh vật trên lớp màng sinh vật sinh trưởng và phát triển trong điều kiện vận hành hệ thống UASB (hình 1.8)

Hình 1.8 Mô hình hạt nhân trơ

Mô hình này đã được thực hiện bằng việc bổ sung hạt zeolite hoặc hydro-anthracite với đường kính 100µm [71], hạt polime hấp phụ nước (WAP) [76] để xúc tiến cho quá trình hình thành bùn hạt

c Áp suất chọn lọc

Áp suất chọn lọc tương đương tổng thủy lực do tốc độ chảy của nước và sự thoát khí tạo

ra Dưới áp suất chọn lọc cao, bùn phân tán nhẹ được tách khỏi hệ thống Kết quả là bùn phân tán bị giảm, sự phát triển của vi sinh vật tập trung bên trong hạt nhân tạo thành bùn hạt có tính

lắng tốt Ngược lại, áp suất chọn lọc thấp dẫn đến việc phân tán sinh khối và sinh khí kém tạo

ra bùn hạt ở trạng thái lơ lửng [95]

1.5.4.2 Cơ chế nhiệt động học

Theo cơ chế này, quá trình hình thành bùn hạt được miêu tả do sự thay đổi điện tích của các hạt diễn ra theo ba mô hình sau đây: mô hình 4 bước, mô hình chuyển vị nước và mô hình liên kết đa ion miêu tả quá trình hình thành bùn hạt

a Mô hình bốn bước

Sự hình thành bùn hạt theo mô hình 4 bước được mô tả như hình 1.9: đầu tiên, (i) các tế bào di chuyển đến bề mặt vật liệu trơ hoặc các tế bào khác; tiếp theo, (ii) các tế bào hấp phụ thuận nghịch trên bề mặt vật liệu trơ nhờ lực hóa lý; sau đó (iii) các tế bào bám dính chặt chẽ trên bề mặt vật liệu trơ nhờ sự gắn kết của các vi sinh vật và/hoặc polymer và cuối cùng (iv) các tế bào sinh trưởng và phát triển thành hạt bùn [142]

Sự di chuyển các tế bào vi sinh vật do sự chuyển dịch của dòng chất lỏng và khí mà chúng phụ thuộc vào lưu lượng dòng vào, tốc độ sinh khí và lắng cặn Khi hai tế bào va chạm với nhau, xảy ra việc hấp phụ thuận nghịch và vật liệu trơ đóng vai trò là tâm hạt Sự bám dính không thuận nghịch xảy ra khi các mối liên kết bền vững được xây dựng giữa hạt nhân và tế bào hình thành nên các cụm tế bào dưới sự trợ giúp của ECP Nhiều cụm tế bào bám dính với nhau tạo thành bùn hạt [57, 95]

Hình 1.9 Mô hình bốn bước [142]

i – Sự hấp phụ thuận nghịch của hai tế bào do ECP, ii- sự phân chia tế bào,

iii – sự hình thành hạt các cụm tế bào, iv- Hình thành hạt hoàn chỉnh

b Mô hình chuyển vị proton và khử nước

Theo cơ chế này, sự hình thành bùn hạt khởi đầu với sự khử nước trên bề mặt do hoạt động chuyển vị proton Cơ chế này gồm 4 bước (hình 1.11): a - Khử nước trên bề mặt tế bào;

b – Hình thành cụm tế bào; c- Hình thành hạt bùn trưởng thành; d –Hạt bùn sau trưởng thành [165]

Hình 1.10 Mô hình chuyển vị proton và khử nước [165]

i - Khử nước trên bề mặt tế bào; ii –Hình thành cụm tế bào; iii- Hình thành hạt bùn trưởng

c Mô hình liên kết ion đa hóa trị

Theo cơ chế này, sự hình thành hạt bùn do sự tương tác giữa các vi khuẩn tích điện âm và các ion tích dương (hình 1.11)

Hình 1.11.Mô hình liên kết ion đa hóa trị [165]

Các cation tác động tích cực đến quá trình hình thành hạt bùn bao gồm: Ca2+ [141, 186],

Mg2+[100], Al3+[9, 29, 185]và Fe3+[191] Các cation kích thích sự hình thành bùn hạt bằng cách thay đổi điện tích âm trên bề mặt vi sinh vật, kết quả làm thay đổi độ lớn của lực hấp dẫn Van der Waals mà có chức năng là cầu nối giữa các cation và các vi sinh vật [57, 95]

1.5.4.3 Cơ chế vi sinh vật

Các vi sinh vật kỵ khí có thể bài tiết ECP là chìa khóa trong quá trình hình thành bùn hạt Các mô hình sau đây mô tả cơ chế liên kết các vi khuẩn để hình thành bùn hạt

a Mô hình liên kết ECP

Theo mô hình này, ECP có thể thay đổi điện tích của bề mặt hai tế bào vi sinh vật đứng cạnh nhau nên chúng có thể kết hợp với nhau hoặc kết hợp với hạt nhân trơ (hình 1.12)

Hình 1.12 Mô hình liên kết ECP [95]

Việc tăng OLR đã thúc đẩy chi Methanosarcina phát triển đưa đến việc bài tiết ECP và

hình thành các cụm tế bào lớn hơn [36, 95] ECP có chức năng như một vật liệu bao gói và tạo màng Giả thuyết rằng ECP trong các hạt bùn được sử dụng để làm cầu nối giữa các tế bào vi sinh vật đứng gần nhau hoặc kết hợp một chất trơ với một tế bào khác theo cơ chế vật lý Các gen điều khiển quá trình tổng hợp ECP được biểu hiện trước và sau quá trình bám dính vi sinh vật, nghĩa là vi sinh vật đầu tiên tạo ECP sẽ bám dính với các vi sinh vật khác và tiếp tục sản sinh ECP [142]

b Mô hình Capetown

Trong mô hình này, người ta cho rằng nhóm methanogen sản xuất ECP Dưới điều kiện

áp suất H2 cao, các amino axit được bài tiết quá mức sẽ kích thích sự bài tiết ECP Các vi sinh vật sẽ bị bắt giữ trong mạng lưới ECP dẫn đến việc khởi tạo hạt bùn Các vi sinh vật kỵ khí khác có những đặc điểm tương tự như nhóm methanogen và cũng đóng góp vào quá trình hình

thành hạt bùn Hình 1.12 cũng xác định mô hình này tương tự với mô hình liên kết ECP [69,

95, 164]

c Cơ chế spaghetti

Cơ chế này miêu tả sự hình thành hạt bùn trong hệ thống UASB xử lý nước thải bị axit

hóa Các loài trong chi Methanosaeta có tiêm mao bị các vi sinh vật khác tấn công để hình

thành các cụm vi sinh vật Các vi sinh vật trong các cụm này tự nhân đôi và phát triển thành các quả bóng “spaghetti” Mật độ tế bào trong cấu trúc quả bóng “spaghetti” cũng tăng và hình thành nên hạt bùn [69, 95]

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành bùn hạt kỵ khí

Mối quan hệ giữa các yếu tố vi sinh vật và các thông số công nghệ trong quá trình tạo hạt bùn được mô tả trong hình 1.13

Hình 1.13 Mối quan hệ giữa yếu tố vi sinh vật và các thông số công nghệ trong quá

- Thiết bị phân tách 3 pha

- Kích thước đầu vào

và thành phần cơ chất tác động đến sự hình thành bùn hạt sẽ được chú trọng nghiên cứu để rút ngắn thời gian tạo hạt bùn kỵ khí

1.6.1 Ảnh hưởng của cơ chất

Đặc tính của cơ chất ảnh hưởng đến thành phần và cấu trúc của hạt bùn Mức độ phức tạp của cơ chất gây ra áp lực chọn lọc đến tính đa dạng của vi sinh vật trong bùn hạt mà ảnh hưởng đến vi cấu trúc của hạt Nguồn thức ăn hydratcacbon duy trì các nhóm acidogen và tạo điều kiện hình thành ECP [165] Nguồn cơ chất VFA phát triển hệ vi sinh vật dạng sợi, tạo ra hạt bùn có kích thước 5 mm và dễ vỡ Nước thải sơ chế củ cải đường và khoai tây hình thành bùn hạt chứa vi khuẩn hình que Nước thải chứa 10% (w/v) sucroza và 90 % (w/v) hỗn hợp VFA (axetat và propionat) hình thành bông bùn đưa đến việc tách bùn khỏi dòng ra không hiệu quả Cơ chất là propionat, pepton, etanol, glutamat và phenol hình thành hạt bùn có cấu trúc đồng thể [94]

1.6.2 Tải trọng hữu cơ

OLR mô tả mức độ thiếu hụt thức ăn đối với các vi sinh vật: các vi sinh vật thiếu hụt thức

ăn khi OLR thấp Khi tăng OLR đến mức độ tới hạn, VFA tích tụ và làm giảm pH đến mức thấp nhất Quá trình tạo bùn hạt được thực hiện bằng cách nâng từng bước OLR OLR được tăng khi hiệu suất xử lý COD đạt trên 80% và kiểm soát tốt sự rửa trôi SS của dòng ra [94] Khi tăng OLR có thể đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật tăng nhanh Tốc

độ sinh trưởng cao sẽ giảm độ bền cấu trúc tập hợp vi sinh vật Tốc độ sinh khí tỷ lệ thuận với OLR, tốc độ sinh khí sinh học cao có thể gây ra biến động thủy lực dẫn đến rửa trôi bùn Khi OLR < 1,5 kg-COD/m3.ngày bùn hạt bị suy thoái do thiếu hụt chất dinh dưỡng [11, 139] Tuy nhiên, Tiwari (2005) đã thành công trong việc tạo bùn hạt với OLR là 1,5 kgCOD/m3

.ngày mà cấu trúc cũng như kích cỡ hạt bùn không bị tan rã [169] Người ta khuyến cáo rằng OLR từ 2 – 4,5 kg-COD/m3

.ngày cho chất lượng hạt bùn cao [54] Việc tăng OLR phải được thực hiện một cách thận trọng để quá trình tạo hạt diễn ra nhanh và ổn định

1.6.3 Đặc tính của bùn giống

Bùn giống có thể là bùn từ bể tự hoại, bùn cống và bùn từ hệ thống xử lý kỵ khí của nhà máy Hệ thống UASB cũng được khởi động bằng bùn hạt để rút ngắn giai đoạn khởi động [95] Quá trình tạo bùn hạt diễn ra nhanh chóng cùng với việc làm giàu tập đoàn vi sinh vật sinh

metan trong chuỗi thức ăn (làm giàu chi Methanosaeta và Methanosarcina) Tuy nhiên, quá

trình hình thành bùn hạt chậm lại khi bùn giống chứa nhóm acidogen với tỷ lệ cao Tốc độ tăng kích thước hạt bùn là 31 µm/ngày đối với bùn giống chứa tất cả vi sinh vật trong chuỗi

thức ăn, 21 µm/ngày với chi Methanosaeta, 18 µm/ngày với chi Methanosarcina và 7

µm/ngày với nhóm acidogen [44] Tập hợp các vi sinh vật trong chuỗi thức ăn và chủng

Methanosaeta đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo bùn hạt Người ta mong đợi sự hình

thành bùn hạt có thể xúc tiến bằng cách điều khiển các thành phần vi sinh vật trong bùn giống [165] Tuy nhiên vẫn chưa có chỉ dẫn chi tiết về các loài chủ yếu trong thành phần bùn giống

và cách kiểm soát chúng để thúc đẩy sự hình thành bùn hạt

1.6.4 Các chất dinh dưỡng

Các công bố về tác động của hàm lượng nitơ và photpho đến quá trình hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB không rõ ràng Một số tác giả cho rằng việc bổ sung một lượng dư nitơ

và photpho hữu ích cho quá trình hình thành bùn hạt và ngừng bổ sung khi hạt bùn hình thành

mà không có tác động tiêu cực đến sự phát triển hạt bùn [58] Sự tăng trưởng tế bào vi sinh vật giảm đáng kể khi hàm lượng nitơ nhỏ hơn 300 mg/L [155] Nitơ, photpho và kali được sử dụng để kiểm soát sự quá tải và ngăn chặn bùn nổi [15] Sự có mặt sunfua có thể hỗ trợ cho quá trình khử nitơ amoni, chúng đóng vai trò như chất cho điện tử để tạo thành N2 [24] Sự tích tụ các ion amoni làm thay đổi độ pH nội bào và ức chế các enzym tổng hợp metan [58]

1.6.5 Các nguyên tố khoáng

Các ion dương như Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ và Al3+ liên kết với các tế bào mang điện tích

âm để tạo thành cụm vi sinh vật thúc đẩy sự hình thành bùn hạt Quá trình hình thành bùn hạt được cải thiện đáng kể khi thêm Ca2+

với hàm lượng trong khoảng 100 - 200 mg/L [99, 140] Quá trình này cũng được cải thiện khi bổ sung 80 mg/L Ca2+ nhưng khi tăng hàm lượng Ca2+đến 320 mg/L thì mất khả năng cải thiện Khi hàm lượng Ca2+ tăng đến 500 – 600 mg/L gây bất lợi cho quá trình tạo hạt do hàm lượng Ca2+ cao sẽ kết tủa trên bề mặt hạt bùn và làm giảm hoạt tính vi sinh vật [140, 186]

Al3+ tác động tốt đến sự hình thành hạt bùn Hiệu quả tạo hạt bùn tốt nhất khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L [9, 29, 185] Ion Al3+ cải thiện việc lưu giữ sinh khối và tăng tốc độ loại bỏ COD Tuy nhiên, khi OLR vượt quá 5,3 kg COD /m3.ngày, bổ sung Al3+ khiến SMA giảm nhẹ trong khi SMA của mẫu đối chứng vẫn tiếp tục tăng Việc bổ sung AlCl3 chỉ có vai trò quan trọng trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành hạt (từ ngày 1 – 60) và giảm hiệu quả khi hạt trưởng thành [185] Khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L vào thiết bị UASB xử lý nước thải sơ chế

mủ cao su tại Thái Lan, hạt bùn có kích thước 0,8 mm xuất hiện vào ngày 35, trong khi không

bổ sung AlCl3 kích thước này xuất hiện vào ngày 63 Hơn nữa, các thiết bị có bổ sung AlCl3

ổn định trong vòng 45 ngày, sớm hơn thiết bị đối chứng 10 ngày [29] Tóm lại, bổ sung AlCl3 rút ngắn thời gian tạo hạt bùn Hàm lượng thích hợp nhất là 300 mg AlCl3/L

1.6.6 Các vitamin

Các nghiên cứu đầu tiên về vai trò của vitamin trong quá trình hình thành hạt bùn đã được thực hiện trong hệ thống UASB Hai vitamin B3 và C có ảnh hưởng tốt đến kích cỡ hạt, SVI

của bùn hạt Khi bổ sung vitamin, hiệu suất xử lý COD đạt trên 85% Sự hình thành bùn hạt cũng nhanh hơn và tốt hơn khi bổ sung các vitamin với hàm lượng ≤ 1 mg/L [8]

1.6.7 Các chất tạo keo

Bổ sung các polyme có thể xúc tiến quá trình hình thành bùn hạt Tốc độ tạo bùn hạt tăng 2,5 lần và SVI không thay đổi khi bổ sung Kitosan [45] Kitosan đóng vai trò tương tự ECP

Bổ sung Kitosan có thể thay đổi tính chất bề mặt của vi sinh vật và tạo mạng lưới không gian

3 chiều, nơi mà các vi sinh vật có thể cư trú và phát triển Polyme tích điện dương AA180H cũng đã nâng cao khả năng tạo bùn hạt với nồng độ tối ưu là 80 mg/L, thời gian tạo hạt giảm 43% tại OLR là 12 kg-COD/m3.ngày [152]

1.6.8 Nhiệt độ

Sự hình thành bùn hạt có quan hệ chặt chẽ với sự thay đổi nhiệt độ Nhóm methanogen là thành phần chủ chốt trong quá trình tạo bùn hạt, chúng phát triển chậm với thời gian thế hệ là 2,6 ngày ở 35 oC và 50 ngày ở 10 oC [28] Khi nhiệt độ dưới 30 oC, nhóm methanogen bị kìm hãm Khi nhiệt độ tăng đến 55 oC, hiệu quả chuyển hóa COD giảm nhanh và bùn dễ bị rửa trôi Hầu hết UASB vận hành ở nhiệt độ 22 - 40 oC, nhiệt độ tối ưu là 35 oC [159]

1.6.9 pH

Các nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến sự hình thành bùn hạt kỵ khí chỉ ra rằng: (i) độ bền của bùn hạt giảm khi pH 8,5 – 11,0; (ii) độ bền của bùn hạt kỵ không thay đổi khi pH 5,5 - 8,0 ; (iii) độ bền của bùn hạt giảm rõ rệt khi pH 3,0 - 5,0 [165] Như vậy, điều kiện thuận lợi

để duy trì cấu trúc bùn hạt là môi trường hơi axit

1.7 Các thông số đánh giá hạt bùn kỵ khí

1.7.1 Hoạt tính sinh metan

Hoạt tính sinh metan được xác định thông qua thể tích metan sinh ra trên lượng COD chuyển hóa trong một đơn vị thời gian (còn gọi là hiệu suất sinh khí metan) hoặc thể tích metan sinh ra trên lượng sinh khối trong một đơn vị thời gian (còn gọi là hiệu suất sinh khí metan riêng) Hạt bùn chứa tập hợp các quần thể vi sinh vật tham gia vào chuỗi thức ăn, trong

đó methanogen đứng ở vị trí cuối cùng của chuỗi thức ăn Do đó, các hoạt động trao đổi chất của bùn được biểu diễn qua hoạt tính sinh metan riêng hoặc hiệu suất sinh khí metan Hoạt tính sinh metan riêng và hiệu suất sinh khí metan của bùn hạt được sử dụng để đánh giá sự vận hành của hệ thống Bảng 1.4 và bảng 1.5 trình bày giá hoạt tính sinh metan của một số loại bùn

Bảng 1.4 và 1.5 chỉ ra rằng thành phần nước thải khác nhau đã đưa đến hoạt tính sinh metan riêng hoặc/và hiệu suất sinh khí metan khác nhau Điều này cho thấy thành phần cơ chất trong nước thải đã tác động đến sự phát triển của nhóm methanogen

Bảng 1.4 Hiệu suất sinh khí metan của một số loại bùn

Loại bùn trong nước thải

Hiệu suất sinh khí metan

Nước thải công nghiệp 0,26 [117]

Bảng 1.5 Hoạt tính sinh metan riêng của một số loại bùn

Loại bùn trong nước thải

Hoạt tính sinh methan riêng

cỡ và tỷ trọng của hạt phụ thuộc vào các yếu tố: thủy động lực học, OLR và loại vi sinh vật,…