32 Ung dung bun hat hieu khi co chat mang

Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG BÙN HẠT HIẾU KHÍ (AEROBIC GRANULE) CĨ CHẤT MANG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Bùi Xuân Thành(1), Nguyễn Phước Dân(2), Lê Thanh Hải(1) (1) (2) Viện Môi Trường Tài Nguyên – ðại Học Quốc Gia TPHCM Khoa Môi Trường - ðại Học Báck Khoa – ðại Học Quốc Gia TPHCM TĨM TẮT Hai loại bùn hạt hiếu khí (Aerobic granule) hình thành hai bể sinh học dạng mẻ SBAR (Sequencing Batch Airlift Reactor) với hai loại chất mang bao gồm (1) chất mang làm từ vỏ sò huyết có kích thước 150-212 µm (CR) (2) bùn hạt kị khí anaerobic granules (AR) Sau granules hình thành, tải trọng ñược tăng dần từ 2.5 ñến 30 kg COD/m3.ngày Tải trọng tối ưu ñược xác ñịnh 10 kg COD/m3.ngày cho SBAR với CR loại chất mang tốt làm tăng tính chất hố lý bùn hạt hiếu khí Granule với chất mang từ vỏ sò cho thấy có nhiều ưu điểm chất mang bùn hạt kỵ khí với số tính chất khả nén chặt hơn, vận tốc lắng cao (nồng ñộ bùn lắng sau 30 phút 25-49 mg/Lgranule, SVI luôn nhỏ 26 mL/g, vận tốc lắng bùn hạt từ 21-103 m/h) ABSTRACT Two types of aerobic granule were cultivated by Sequencing Batch Airlift Reactor (SBAR) with two types of support media (1) bivalve shell carrier with size of 150-212 µm (CR) and (2) anaerobic granules (AR) Afterter aerobic granule matured, loading rate was increased from 2.5 to 30 kg COD/m3.day Optimum loading rate was identified to be 10 kg COD/m3.day and shell carrier was good media which could enhance physico-chemical its characteristics Shell carrier media granule was more advantageous than anaerobic granule one such as more compacted, greater settleability (settled biomass concentration of 25-49 mg/Lgranule, SVI less than 26 mL/g, settling velocity of 21-103 m/h) GIỚI THIỆU Bùn hoạt tính thơng thường đóng vai trò quan trọng lĩnh vực xử lý nuớc thải nhiều thập niên qua Ngày xu hướng bảo vệ tài nguyên thiên nhiên thông qua việc tuần hoàn, tái chế, tái sử dụng nước thải tiêu chuẩn phát thải ngày nghiêm khắc cơng nghệ bùn hoạt tính thơng thường khơng đáp ứng nhu cầu tải trọng xử lý bùn hoạt tính thơng thường thấp (0.5-2 kg COD/m3.ngày), nồng ñộ chất rắn lơ lửng đầu cao, diện tích xây dựng cơng trình lớn, v.v Gần ñây loại bùn ñược phát minh ra, bùn hạt hiếu khí (aerobic granule) có nhiều ưu điểm hẳn bùn hoạt tính thơng thường vận tốc lắng cao lớn 10 m/h, SVI nhỏ 30 mL/g (Linlin cộng sự, 2005)) tải trọng cao 15 kg COD/m3.ngày (Moy cộng sự, 2002) Qua ta thấy khả xử lý bùn hạt bùn hoạt tính thơng thường lần Trong tương lai bùn hạt hiếu khí giải pháp thay khả thi cho q trình bùn hoạt tính thơng thường Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -283- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nước thải Nước thải dùng thí nghiệm nguồn nước thải tổng hợp với Glucose nguồn hữu Khi tải trọng tăng thành phần tăng lên tương ứng trừ medium E F Nước thải ñầu vào ñược chỉnh khoảng pH = 7.2 ± 0.2 Medium A: Glucose 664.3 g/L; Medium B: NaHCO3 450 mg/L; Medium C: NH4Cl 150 mg/L; Medium D: KH2PO4 43 mg/L; Medium E: CaCl2.2H2O 30 mg/L, MgSO4.7H2O 12 mg/L, FeCl3 3.6 mg/L; Medium F: nguyên tố vi lượng 1ml/L Wang cộng sự, 2004 2.2 Mơ hình thí nghiệm Bể SBAR với thể tích làm việc 2.5 L, Nước thải vào đường kính ống ngồi 6.2 cm, cao 130 cm ống cm (Beun cộng sự, 2002) (hình 1) Chiều cao Khơng khí đưa vào thiết bị lắng phân tán khí với lưu lượng 4.5 L/phút tốc độ thổi khí 95 m/h SBAR Valve vận hành tự động nạp liệu, tháo liệu liên tục với chu trình mẻ Trong phút nạp liệu, 170 phút thổi khí, phút lắng, phút tháo liệu Nước sau xử lý ñược tháo van ñiện từ cách ñáy 50 cm Nước Lưu lượng kế Khơng khí vào Hình Mơ hình SBAR dùng thí nghiệm 2.3 Khảo sát đặc tính bùn hạt hiếu khí COD, SVI, DO, pH, vận tốc lắng ñược xác ñịnh theo APHA, 1992 Khả nén bùn hạt ñược xác ñịnh tương tự phương pháp Beun cộng sự, 1999 Nồng ñộ bùn hạt xác định mơ theo phương pháp đo tổng cacbon hữu Tijhuis cộng sự, 1994 Cấu tạo bề mặt granule ñược quan sát thiết bị Scanning Electron Microscope (SEM) KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 So sánh tính chất bùn hạt CR AR 3.1.1 Tăng trưởng kích thước hạt Từ hình 2, bùn ni cấy ban đầu có đường kính nhỏ 90 µm bùn kị khí dùng làm chất mang có đường kính 1-2 mm Kích thước hạt tăng dần theo thời gian vận hành hai SBAR Tuần ñầu tiên màng vi sinh (biofilm) sinh bám vào chất mang (CR, AR) thành bể Tuy nhiên bùn kị khí ngày nhỏ đi, màu đen Khoa Mơi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -284- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” nhạt dần sau tuần gần biến trở thành vi sinh hiếu khí Do chế tạo hạt từ bùn hạt kị khí hồn tồn tương tự tạo hạt bùn hoạt tính thơng thường Sau tuần vận hành, hai loại bùn hạt hồn tồn trưởng thành Sau hệ thống ổn ñịnh tải trọng ñược tăng lên từ 2.5 ñến 5, 10, 15 30 kg COD/m3.ngày Tăng trưởng kích thước hạt theo thời gian mơ tả hình có kích thước biến động khoảng 1-4 mm Tại tải trọng kg COD/m3.ngày, kích thước bùn hạt AR suy giảm đột ngột hệ thống bi sốc tải thay ñổi trọng ñột ngột Khi tải trọng cao kích thước hạt dường tăng lên theo 5 OLR of 2.5 10 15-30 kích thướ c hạ t (mm) 4 CR1 CR2 AR1 AR2 AR bắt ñầu vỡ 2 Bùn seed seed 0.9 0.8 0.5 0.09 0.1 0.65 0.5 0.2 1.2 1 1.5 1.4 1.6 1.5 0.2 0.2 0.3 0.2 0.25 0.1 0.2 0.5 0.5 0.5 0.15 12 tuầ n 13 14 15 16 *Khoảng kích thước hạt CR AR (từ CR1 ñến CR2) (từ AR1 đến AR2) Hình Biến đổi kích thước bùn hạt theo thời gian CR AR 3.1.2 Nồng độ bùn hạt Sau giai đoạn thích nghi, nồng độ bùn hoạt tính thơng thường CR AR khoảng 4200 – 4900 mg/L Khi bắt ñầu tiến hành loại bùn nhẹ tức ñiều chỉnh thời gian lắng sau phút hầu hết hạt bùn có tốc độ lắng nhỏ 10 m/h theo van xả ngồi Nồng độ bùn bể nhỏ từ tuần ñến tuần Sau vượt qua ñược giá trị thấp bùn bể tiếp tục tăng dần bùn hạt bắt ñầu tăng trưởng ñến ổn ñịnh nồng ñộ bùn hạt bể khoảng 15 g/L Tại tuần 11-12 nồng ñộ bùn giảm nhẹ thời gian lắng ñược giảm xuống phút nhằm giữ lại hạt có vận tốc lắng cao SBAR a Cấu tạo bùn hạt CR b Vi khuẩn hình que hạt bề mặt CR c Bề mặt bùn hạt CR Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -285- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” d Cấu tạo bùn hạt AR e Bề mặt bùn hạt AR f Liên kết mạng nhện bề mặt AR Hình Cấu tạo bề mặt bùn hạt CR, AR quan sát SEM Biomass concentration 16000 2.5 MLVSS (mg/L) 14000 CR 12000 10 15-30 AR 10000 8000 6000 4000 2000 0 10 11 12 13 week Tuần Hình Nồng độ bùn hạt CR & AR Khoa Mơi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -286- 14 15 16 17 Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” 3.1.3 Khả nén bùn hạt Khả nén ñược ñịnh nghĩa khối lượng chất rắn ñơn vị thể tích bùn lắng sau 30 phút Khả nén thay ñổi ñáng kể sau tuần vận hành từ 2.7 g/Lsludge bùn ni cấy đến 49 62 g/Lgranule ñối với CR AR tải trọng 30 kg COD/m3.ngày (hình 5) Kết tương tự với kết Beun cộng sự, 1999 & 2002 (48 & 60 g/L) cao Arrojo cộng sự, 2004 (10-15 g/L) Trong hầu hết trường hợp khả nén CR cao AR Ta nhận thấy ñây ưu ñiểm chất mang chế tạo từ vỏ sò huyết 70 CR Khả nă ng neù n (g/L) 60 AR 2.5 10 15-30 50 40 Bùn seed sludge 30 20 10 0 Tuaà n 10 11 12 13 14 15 16 17 Hình Khả nén CR & AR Tương tự nồng ñộ bùn, khả nén bùn hạt tỉ lệ thuận với tải trọng hữu nói tải trọng cao làm cho bùn hạt nén chặt 3.1.4 Khả lắng bùn hạt Khi có dấu hiệu bùn hạt hình thành tuần thứ 3, SVI giảm ñáng kể từ 243 mL/g (bùn ni cấy) đến 24 43 mL/g CR AR (hình 6) Sau SVI ln ln thấp 30 40 mL/g tương ứng cho CR AR Khi bùn hạt trưởng thành SVI ổn định giá trị 18 35 mL/g cho CR AR Qua giá trị SVI, ta thấy bùn hạt có khả lắng thật tuyệt vời ðặc biệt chất mang lại tăng cường khả lắng bùn hạt thân chất mang có vận tốc lắng cao từ 100-300 m/h ðây ưu ñiểm tuyệt vời chất mang ứng dụng cho q trình tạo hạt Ngồi vận tốc lắng bùn hạt cao bùn hoạt tính thơng thường nhiều lần Theo Beun cộng sự, 2002, vận tốc lắng bùn hoạt tính thơng thường ln nhỏ 10 m/h bùn hạt tải trọng 2.5 kgCOD/m3.ngày 21 16 m/h tương ứng cho CR AR Khi bùn hạt trưởng thành tải trọng tăng lên bùn hạt đạt đến giá trị cực ñại 103 51 m/h tương ứng với CR AR (hình 7) Khoa Mơi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -287- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” 250 CR SVI (mL/g) 200 AR Bùn seed 150 2.5 100 10 15-30 50 0 10 Tuần week 11 12 13 14 15 16 17 Hình SVI CR AR 160 2.5 10 15-30 Vaä n tố c lắ ng (m/h) 140 120 103 100 87 80 73 CR 60 AR 72 64 56 51 44 40 49 31 20 21 16 10 17 22 23 15 0 10 11 12 13 14 15 16 17 Tuầ n Hình Vận tốc lắng bùn hạt theo tải trọng, OLR 3.2 Khả xử lý bùn hạt Tại tải trọng 2.5, 5, 10, 15 30kg COD/m3.ngày, hiệu suất xử lý chất hữu ln đạt 96% thường 98% (hình 8) Hơn hầu hết chất hữu bị phân huỷ hoặc/và hấp phụ bùn hạt sau 10 phút thổi khí Từ cho thấy hoạt tính bùn hạt cao bùn hoạt tính thơng thường nhiều lần Trong thực tế thí nghiệm khả xử lý bùn hạt tăng thường xảy nghẹt bùn hệ thống ñộ nhớt cao nước thải ñầu vào nên trình tăng tải dừng tải trọng 30 kg COD/m3.ngày Từ ñây ta thấy khả xử lý bùn hạt cao gấp 15 lần so với bùn hoạt tính thơng thường Khoa Mơi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -288- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” 120 35 2.5 30 100 10 15-30 80 25 loading rate CR-efficiency AR-efficiency 20 60 15 40 Hiệ u suấ t (%) OLR (kg COD/m3.ngà y 40 10 20 0 10 20 30 40 50 60 ngaø y 70 80 90 100 110 120 Hình Tải trọng xử lý loại bùn hạt KẾT LUẬN ١) Bùn hạt hiếu khí (aerobic granule) tạo thành tải trọng 2.5 kg COD/m3.ngày hay tải trọng cao với loại chất mang khác ٢) Cả hai loại chất mang (làm vỏ sò huyết hay bùn kị khí) đề làm chất mang để tạo hạt chất mang làm từ vỏ sò huyết có nhiều ưu điểm sau: • Tăng cường lực cắt chuyển động chất mang mà lực cắt moat yếu tố quan trọng việc hình thành bùn hạt theo Tay cơng sự, 2001 • Tự động loại bỏ biofilm thành bể lực ma sát chúng thành bể ðiều loại trừ ñược cạnh tranh phát triển sinh trưởng dính bám sinh trưởng tạo hạt • ðóng vai trò chất mang ñể vi sinh sinh trưởng bề mặt khe rỗng vật liệu; • Tạo nên hạt rắn chắc, đề đặn • Tạo nên bề mặt mịn với khe rỗng nhỏ so với bùn hạt tạo nên từ bùn kị khí • Tăng vận tốc lắng bùn hạt vận tốc lắng cao sẵn có chất mang Vận tốc bùn hạt ñạt ñến giá trị cực ñại 103 m/h CR Dựa ưu ñiểm chất mang làm từ vỏ sò loại chất mang thực giá thể tốt cho trình tạo hạt a ðường kính bùn hạt dao động khoảng 0.5-4.0 mm tải trọng khác kích thước tăng lên theo tăng tải trọng b Khả nén bùn hạt CR, AR tăng theo tải trọng Nó dao động tương ứng khoảng 20-25 g/Lgranule 49-62 g/Lgranule tải trọng từ 2.5 ñến 30 kg COD/m3.ngày Các giá trị cao so với gián trị bùn nuôi cấy ban ñầu 2.7 g/Lsludge Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -289- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp ðô thị Việt Nam” c Bùn hạt kị khí đạt tải trọng xử lý tương ñương với khả xử lý q trình xử lý kị khí Tải trọng cao 30 kg COD/m3.ngày với hiệu loại bỏ chất hữu cao 96% ñã ñề cập trên, khả xử lý bùn hạt hiếu khí cao bùn hoạt tính thơng thường 15 lần TÀI LIỆU THAM KHẢO APHA, AWWA, WPCF (1992) Standard methods for the Examination of Water and Wastewater, 18th Edition, Washington DC: APHA Beun, J.J., van Loosdrecht M.C.M, Heijnen, J.J (2002) Aerobic Granulation in a Sequencing Batch Airlift Reactor, Water Research, 36 (4-5), 702-712 Linlin, H., Jianlong, W., Xianghua W., Yi, Q (2005) The Formation and Characteristics of Aerobic Granules in Sequencing Batch Reactor (SBR) by Seeding Anaerobic Granules, Process Biochemistry, 40, 1-7 Moy, B.Y., Tay, J.H., Toh, S.K., Liu, Y., Tay, S.T (2002) High organic loading influences the physical characteristics of aerobic sludge granules, Letter of Applied Microbiology, 34, 407-412 Tay, J.-H., Liu, Q.S., Liu, Y (2001) Microscopic observation of aerobic granulation in sequential aerobic sludge reactor, Journal of Applied Microbiology, 91, 168-175 Tijhuis, L., Van Loosdrecht, M.C.M., Heijnen, J.J (1994) Formation and Growth of Heterotrophic Aerobic biofilms on Small Suspended Particles in Airlift Reactors, Biotechnology and Bioengineering, 44, 595-608 Wang, Q., Du, G., Chen, J (2003) Aerobic Granular Sludge Cultivated Under The Selective Pressure as a Driving Force, Process Biochemistry, 39, 557-563 Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -290- ... chất mang khác ٢) Cả hai loại chất mang (làm vỏ sò huyết hay bùn kị khí) đề làm chất mang ñể tạo hạt chất mang làm từ vỏ sò huyết có nhiều ưu điểm sau: • Tăng cường lực cắt chuyển ñộng chất mang. .. hợp với Glucose nguồn hữu Khi tải trọng tăng thành phần tăng lên tương ứng trừ medium E F Nước thải ñầu vào ñược chỉnh khoảng pH = 7.2 ± 0.2 Medium A: Glucose 664.3 g/L; Medium B: NaHCO3 450 mg/L;... khả lắng thật tuyệt vời ðặc biệt chất mang lại tăng cường khả lắng bùn hạt thân chất mang có vận tốc lắng cao từ 100-300 m/h ðây ưu ñiểm tuyệt vời chất mang ứng dụng cho q trình tạo hạt Ngồi