Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng chitosan

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CHITOSAN/LIGNOSULFONATE CỐ ĐỊNH BÙN KỴ KHÍ Chun ngành : Cơng nghệ mơi trường LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH VÀ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS.NGUYỄN VĂN SỨC Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày 05 tháng 11 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 14 / 04/ 1982 Nơi sinh: TP HCM Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG MSHV: 02506586 I- TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CHITOSAN/LIGNOSULFONATE CỐ ĐỊNH BÙN KỴ KHÍ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nhiệm vụ: Điều chế bùn hạt nhân tạo kết hợp Chitosan bùn kỵ khí khâu mạch Lignosulfonate Nghiên cứu hiệu trình khử COD, diễn biến mối quan hệ VFA, độ kiềm, pH, NH3 bể UASB sử dụng bùn hạt điều chế - Nội dung: + Điều chế bùn hạt nhân tạo + Nghiên cứu hiệu khử COD theo tải trọng + Khảo sát biến thiên pH, VFA, NH3, độ kiềm theo tải trọng III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN VĂN SỨC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH tháng năm 2008 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Luận văn thực với giúp đỡ nhiệt tình thầy trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh Tơi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Sức nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu phịng thí nghiệm Mơi trường, trường đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Cảm ơn sinh viên Vũ Đình Khang Nguyễn Thị Phương giúp tơi q trình nghiên cứu Cảm ơn gia đình bạn bè động viên gíup đỡ tơi chặng học tập nghiên cứu Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2008 Hồng Thị Tuyết Nhung TĨM TẮT LUẬN VĂN Nghiên cứu xử lý nước thải bùn hạt kỵ khí bể UASB nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tìm hiểu ưu điểm bùn hạt kỵ khí mang lại khả xử lý đạt hiệu cao, chịu tải trọng cao, ổn định có khả chịu mức độ chất độc hại cao Tuy nhiên, bùn hạt kỵ khí có nhược điểm cần khắc phục thời gian tạo hạt lâu, cần phải điều chỉnh thông số vận hành thích hợp,… Do vậy, đề tài nghiên cứu tạo bùn hạt kỵ khí cố định Chitosan khâu mạch lignosulfonate áp dụng xử lý nước thải chăn nuôi heo nhằm hạn chế nhược điểm trình tạo bùn hạt Quá trình tạo bùn hạt tiến hành khuấy trộn hỗn hợp Chitosan bùn kỵ khí lấy từ bể UASB với tỷ lệ : có khâu mạch lignosulfonate đảm bảo bền vững môi trường pH thấp Bùn hạt nhân tạo có kích thước 2-4 mm, thể tích ml, tốc độ lắng 80 mm/s Với hạt bùn tạo ứng dụng xử lý nước thải chăn nuôi heo COD 3000 mg/l mơ hình pilot UASB 15 lít tải trọng 1.5 ; 4.5 ; 10 kgCOD/m3/ngày thời gian lưu nước 48 ; 16 ; 10 ; 7.2 h Kết nghiên cứu cho thấy bùn hạt kỵ khí nhân tạo giúp thời gian khởi động mơ hình nhanh hiệu cao, 21 ngày hiệu đạt 90% Đồng thời đạt hiệu 85% tải trọng 4.5; 83% tải trọng tải trọng 10 hiệu khử COD giảm cịn 60% Ngồi ta, hiệu khử SS VSS cao, với SS đạt 90% (cao 96%) VSS đạt 85% (cao 89%) MỤC LỤC Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn Mục lục Danh mục hình Danh mục bảng Danh mục thuật ngữ viết tắt CHƯƠNG : PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Nội dung ý nghĩa đề tài .2 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu .2 1.2.2 Nội dung nghiên cứu .3 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 1.2.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.2.5 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn tính đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết trình kỵ khí bể UASB 2.1.1 Lý thuyết trình kỵ khí xử lý nước thải 2.1.2 Thuận lợi giới hạn hệ thống xử lý nước thải kỵ khí 12 2.1.3 Lý thuyết bể UASB 13 2.2 Lý thuyết bùn hạt kỵ khí q trình hình thành bùn hạt kỵ khí 15 2.2.1 Khái niệm bùn hạt kỵ khí 15 2.2.2 Cơ sở lý thuyết bùn hạt hình thành bùn hạt kỵ khí 16 2.2.3 Nâng cao trình tạo hạt tạo nhân 31 2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả xử lý bùn hạt kỵ khí 33 2.3 Lý thuyết Chitosan Lignosulfonate .35 2.3.1 Chitosan 35 2.3.2 Lignosulfonate 36 2.4 Một số nghiên cứu điển hình .37 2.5 Tổng quan nước thải chăn nuôi heo Tp Hồ Chí Minh .43 2.5.1 Hiện trạng nước thải chăn ni heo thành phố Hồ Chí Minh 43 2.5.2 Thành phần, tính chất nước thải chăn ni heo 44 2.5.3 Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo 46 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phương pháp tiến hành thực nghiệm 47 3.1.1 Cách tiếp cận 47 3.1.2 Phương pháp nghiên cứu 47 3.1.3 Phương pháp phân tích tiêu .47 3.2 Mô tả mơ hình ngun vật liệu sử dụng 49 3.2.1 Nguyên vật liệu sử dụng .49 3.2.2 Tiến trình thực 50 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, BÀN LUẬN 4.1 Kết thí nghiệm 56 4.1.1 Điều chế bùn hạt kỵ khí cố định Chitosan/lignosulfonate 56 4.1.2 Giai đoạn thích nghi .63 4.1.3 Giai đoạn vận hành mơ hình 65 4.2 Nhận xét 82 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận 84 5.2 Kiến nghị .85 Phụ lục Tài liệu tham khảo DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Tên hình Trang 2.1 Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên phức chất hữu 2.2 Các bước chuyển hóa phức chất hữu thành metan 10 2.3 Cấu trúc bùn hạt kỵ khí 17 2.4 Bùn hạt lấy từ bể kỵ khí (A), bùn hạt kỵ khí phóng to (x2.9K) 18 2.5 Phân bố kích thước hạt cho bùn hạt metan hóa 20 2.6 Chụp SEM vi khuẩn methanothrix phát triển 25 2.7 Cụm vi khuẩn methanosarcina đáy bể UASB 25 2.8 Thành phần bùn hạt 27 2.9 Bùn hạt hình thành theo thuyết Thaveesri đồng nghiệp 29 2.10 Cấu trúc phân tử chitosan 35 2.11 Công thức cấu tạo Lignin Lignosulfonate 36 2.12 Hạt Chitosan/lignosulfonate cố định bùn kỵ khí 38 2.13 Mơ hình nghiên cứu bể UASB 39 2.14 Khả loại bỏ COD theo thời gian 41 2.15 Khí biogas sản sinh theo thời gian 41 2.16 Kích thước hạt theo thời gian 42 3.1 Khuấy hỗn hợp bùn kỵ khí Chitosan 51 3.2 Tạo bùn hạt bình nén áp lực 51 3.3 Mơ hình thí nghiệm dự kiến 53 4.1 Đồ thị hiệu xử lý COD ngày 12 ngày mẫu bùn hạt 58 4.2 Bùn hạt nhân tạo 59 4.3 Kích thước bùn hạt nhân tạo 59 4.4 Bùn hạt chụp microscope độ phóng đại 40x phóng đại 100x 60 4.5 SEM bề mặt hạt bùn độ phóng đại x3000 61 4.6 SEM cấu trúc hạt bùn độ phóng đại x2000 61 4.7 Cấu tạo Chitosan khâu mạch lignosulfonate 62 4.8 Các thơng số đầu mơ hình UASB giai đoạn khởi động 63 4.9 4.10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ pH VFA giai đoạn khởi động Đồ thị biểu diễn N-NH4 giai đoạn khởi động bể UASB 64 65 4.11 Đồ thị biễu diễn pH đầu vào/ra theo thời gian 66 4.12 Đồ thị biến thiên COD theo thời gian 67 4.13 Đồ thị biểu diễn hiệu khử COD theo tải trọng 68 4.14 Đồ thị biễu diễn biến thiên SS theo thời gian 69 4.15 Đồ thị biểu diễn % loại bỏ SS theo tải trọng 70 4.16 Đồ thị thể VSS/TS đầu vào 70 4.17 Đồ thị thể VSS/TS đầu 71 4.18 Đồ thị biểu diễn VSS theo thời gian 72 4.19 Đồ thị mối tương quan SS 72VSS đầu bể UASB 72 4.20 Lượng thức ăn cho vi sinh vật (tỷ lệ F/M) 74 4.21 Đồ thị biểu diễn NH3 biến thiên theo thời gian 74 4.22 Mối quan hệ pH % tăng N-NH4 75 4.23 Đồ thị biểu diễn độ kiềm pH đầu vào, đầu 77 4.24 Đồ thị biểu diễn VFA theo tải trọng 78 4.25 Đồ thị biểu diễn mối tương quan pH VFA đầu vào 79 4.26 Đồ thị biểu diễn mối tương quan pH VFA đầu 79 4.27 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ VFA độ kiềm theo mg/l 80 4.28 Đồ thị biểu diễn tỷ lệ VFA/độ kiềm tổng 81 4.29 Đồ thị biểu diễn mối tương quan VFA hiệu khử COD 82 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang 2.1 So sánh yếu tố trình kỵ khí hiếu khí 12 2.2 Ảnh hưởng việc bổ sung vật chất trơ tạo bùn hạt 32 2.3 Tính chất lignosulfonate 37 2.4 Thành phần tính chất hóa lý nước thải chăn ni heo 45 3.1 Các phương pháp phân tích thiết bị phân tích 48 3.2 Tính chất nước thải chăn ni heo 50 3.3 Các mẫu bùn hạt theo tỷ lệ bùn/Chitosan khác 52 3.4 Các loại bùn nuôi cấy ban đầu cho bể xử lý kỵ khí 54 4.1 Kết tạo bùn hạt theo tỷ lệ bùn/Chitosan khác 56 4.2 Hiệu xử lý COD ngày 12 ngày hạt bùn 57 4.3 Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo đầu vào 70 4.4 Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo đầu vào 71 76 nước thải đầu vào mà hàm lượng N-NH4 thay đổi khác Trong đó, đầu ammonia tăng cao từ 5.3% (khởi động bể) đến 77% (cao nhất) (41.23 mg/l đến 201.15 mg/l) Sau tăng cao giai đoạn khởi động, hàm lượng N-NH4 đầu bị giảm đột ngột tăng tải trọng lên 4.5 kgCOD/m3/ngày Tuy nhiên, N-NH4 đầu nhanh chóng tăng lại qua tải trọng đến tải trọng kgCOD/m3/ngày tăng cao, đạt 77% (đầu vào 38.9 đầu 170 mg/l), điều chứng tỏ amino acid bị phân hủy nhiều tạo ammonia Sau đó, N-NH4 giữ mức ổn định đến mức tải trọng 10 kgCOD/m3/ngày có giảm nhẹ xuống cịn 65% Trong q trình phân hủy kỵ khí Nitơ hữu bị phân hủy tạo thành N-NH4, có tăng cao NNH4 Chính vậy, nitơ ammonia sau xử lý cao hiệu đạt bể lớn N-NH4 sinh nhiều chuyển hóa thành NO2- NO3- q trình thiếu khí kỵ khí tiếp sau bể UASB Mối Mối quan quan hệ hệ giữa N-NH4 N-NH4 và pH pH 8.8 8.8 OLR=1.5 OLR=4.5 250 250 OLR=10 OLR=7 8.4 8.4 200 200 150 150 pH pH 7.6 7.6 7.2 7.2 100 100 mg N-NH4/l N-NH4/l mg 88 6.8 6.8 50 50 6.4 6.4 66 00 77 26 26 46 46 59 59 pH pH out out 73 73 Ngày Ngày 83 83 90 90 98 98 N-NH4 N-NH4 out out Hình 4.22: Mối quan hệ pH % tăng N-NH4 Đồ thị (hình 4.22) cho thấy pH % tăng Nitơ ammonia có mối tương quan chặt chẽ Khi pH đầu giai đoạn khởi động tăng cao theo thời gian từ 6.86 đến 7.7 % N-NH4 tăng từ 5.31% đến 71.4% Và pH giảm biến động Luận văn thạc sĩ 77 tải trọng N-NH4 giảm thấp Khi tải trọng tăng cao, pH có xu hướng giảm dần từ 7.2 xuống 6.7 N-NH4 giảm theo Cuối tải trọng 10 kgCOD/m3/ngày pH giảm xuống mức 6.7 nên khả phân huỷ sinh khối giảm, N-NH4 giảm theo giảm 4.1.3.5 Độ kiềm Quá trình kỵ khí chịu ảnh hưởng độ kiềm Trong giai đoạn acid hóa độ kiềm bị giảm, cịn giai đoạn methane hóa làm cho độ kiềm tăng lên Khi pH bể giảm, độ kiềm cao môi trường đệm giữ cho pH không tụt nhanh, ảnh hưởng đến hiệu xử lý Độ kiềm thích hợp cho phân huỷ kỵ khí 1000 – 3000 mg/l để đạt hiệu tốt làm chất đệm ngăn cản biến động pH (Droste, 1997; Henze et al, 1997; Gerardi, 2003) Khi độ kiềm giảm mức vận hành bình thường dấu hiệu cho thấy q trình thất bại tiếp biến động pH Tỷ lệ VFA: Alk nên từ 0.1 – 0.2 (Blonskaja et al, 2003) Độ kiềm dòng vào cho phép trung hòa acid béo bay tự do, ngăn cản pH giảm xuống Độ kiềm nước thải đầu vào dao động khoảng 638 – 975 mg/l Trong đó, nước thải đầu có độ kiềm tăng cao nhiều, dao động từ 600 – 1445 mg/l Ở giai đoạn khởi động, độ kiềm tăng nhanh từ 600 mg/l lên đến 1260 mg/l ngày thứ 20 Cuối giai đoạn khởi động, độ kiềm giảm giữ mức ổn định khoảng 1000-1100 mg/l Điều phù hợp với khoảng độ kiềm 1000 – 3000 mg/l xử lý kỵ khí hiệu đề cập Ở giai đoạn tải trọng 4.5 kgCOD/m3/ngày, độ kiềm tăng cao giai đoạn trước giữ ổn định khoảng 1200 mg/l Tải trọng kgCOD/m3/ngày, độ kiềm có dao động lớn mức cao 1400 mg/l, không giữ mức ổn định giai đoạn trước Tuy nhiên, khoảng dao động (1020 – 1472 mg/l) nằm mức độ kiềm thích hợp cho q trình phân huỷ kỵ khí (1000 – 3000mg/l) Điều cho thấy bể hoạt động tốt (thấy rõ qua hiệu khử COD tải trọng kgCOD/m3/ngày) Luận văn thạc sĩ 78 Đồ Đồ thị thị biểu biểu diễn diễn mối mối quan quan hệ hệ giữa độ độ kiềm kiềm và pH pH 1600 1600 OLR=1.5 OLR=4.5 OLR=7 OLR=10 1400 1400 9.5 9.5 1200 1200 8.5 8.5 pH pH mgCaCO3/l mgCaCO3/l 1000 1000 800 800 600 600 7.5 7.5 400 400 200 200 00 6.5 6.5 55 20 20 31 31 Alk Alk in in 49 49 Ngày SRT SRT Alk Alk out out 63 63 pH pH in in 76 76 88 88 100 100 pH pH out out Hình 4.23 : Đồ thị biểu diễn độ kiềm pH đầu vào, đầu Giai đoạn tải trọng 10 kgCOD/m3/ngày có độ kiềm giảm nhanh đến mức 700 mg/l Hiệu khử COD giảm tương ứng Điều cho thấy hàm lượng CO32- bể gia tăng có tích luỹ acid béo bể 4.1.3.6 VFA a Biến thiên VFA theo thời gian Trong suốt thời kỳ vận hành, tải trọng ban đầu 1.5 kgCOD/m3/ngày thời gian lưu nước 48h, phân tích phần giai đoạn khởi động, VFA tăng nhanh ngày đầu sau giảm giữ mức ổn định khoảng 120 mg/l Sau đạt ổn định, tải trọng tăng dần từ 1.5, 4.5, 10 kgCOD/m3 cách giảm thời gian lưu nước xuống 48, 16, 10 7.2 h Kết cho thấy VFA tăng với tải trọng Tải trọng tăng đồng nghĩa với tỷ lệ F/M tăng, đó, vi sinh vật acid hóa lượng chất hữu nhiều hơn, phát triển mạnh mẽ Chính VFA tải trọng sau cao tải trọng trước Mức VFA ổn định tương ứng với tải trọng 4.5, 7, 110, 120 mg/l Luận văn thạc sĩ 79 Đồ Đồ thị thị biểu biểu diễn diễn VFA VFAtheo theo tải tải trọng trọng 300 300 OLR=1.5 OLR=4.5 OLR=10 OLR=7 250 250 mg/l mg/l 200 200 150 150 100 100 50 50 00 55 20 20 31 31 49 49 Ngày Ngày 63 63 VFA VFA in in 76 76 88 88 100 100 VFA VFA out out Hình 4.24: Đồ thị biểu diễn VFA theo tải trọng Acid béo bay suốt giai đoạn vận hành chủ yếu acetic acid Propionic, bytyric valeric acid tồn Những acid béo bay sản phẩm q trình acid hóa phân tán vào tế bào vi khuẩn kỵ khí ion hóa làm giảm pH Khi VFA giai đoạn tải trọng 10 kgCOD/m3/ngày tăng cao nhanh không giữ ổn định (238 mg/l) với giảm độ kiềm pH cho thấy bể có tăng nồng độ acid bay cao, đồng nghĩa với vi khuẩn metan không sử dụng tốt lượng acid béo bay sinh b Mối quan hệ pH VFA Đồ thị hình 4.25 thể mối quan hệ pH VFA nước thải đầu vào Khi pH tăng VFA giảm ngược lại Tuy nhiên, pH VFA khơng có biến động lớn thành phần đầu vào Điều thuận lợi cho trình xử lý VFA đầu vào dao động khoảng 50 – 90 mg/l Cũng mối quan hệ VFA pH đầu vào, VFA bể UASB chịu ảnh hưởng pH Tuy nhiên, VFA có biến động gia tăng lớn Trong giai đoạn khởi động có tăng cao ngày thứ 10 sau giảm dần (đã trình bày phần khởi động bể) Ở tải trọng 4.5, kgCOD/m3/ngày pH không biến động lớn, dao động khoảng 6.8 đến 7.5 nên lượng acid béo sinh Luận văn thạc sĩ 80 vi khuẩn metan sử dụng hiệu (vì vi khuẩn metan phát triển tốt pH = 6.8 – 7.4) Do đó, giai đoạn này, VFA có gia tăng nhẹ theo tải trọng nhìn chung ổn định Đến giai đoạn tải trọng 10 kgCOD/m3/ngày, pH giảm xuống mức 6.8, vi khuẩn metan bị hạn chế hoạt động phát triển, acid béo sinh không sử dụng nhiều, bị tích trữ lại bể thể qua tăng cao VFA sau ngày lưu bùn 98 hình 4.26 Đồ Đồ thị thị biểu biểu diễn diễn mối mối quan quan hệ hệ giữa pH pH và VFA VFAđầu đầu vào vào 8.9 8.9 OLR=1.5 OLR=7 OLR=4.5 90 90 OLR=10 80 80 8.5 8.5 70 70 60 60 50 50 7.7 7.7 40 40 7.3 7.3 mg/l mg/l pH pH 8.1 8.1 30 30 20 20 6.9 6.9 10 10 6.5 6.5 00 55 20 20 31 31 49 63 49 Ngày SRT SRT 63 pH pHin in 76 76 88 88 100 100 VFA VFAin in Hình 4.25: Đồ thị biểu diễn mối tương quan pH VFA đầu vào Đồ Đồ thị thị biểu biểu diễn diễn mối mối quan quan hệ hệ giữa pH pH out out và VFA VFA out out 10 10 OLR=1.5 OLR=4.5 OLR=7 300 300 OLR=10 9.5 9.5 250 250 99 VFAmg/l mg/l VFA 200 200 pH pH 8.5 8.5 150 150 88 100 100 7.5 7.5 50 50 77 6.5 6.5 00 55 20 20 31 31 49 49 Ngày SRT SRT pH pHout out 63 63 76 76 88 88 100 100 VFA VFA out out Hình 4.26: Đồ thị biểu diễn mối tương quan pH VFA đầu Luận văn thạc sĩ 81 c Mối quan hệ độ kiềm VFA Cách nhanh để xách định điều kiện vận hành tốt hay xấu dựa vào tỷ lệ VFA/TA (acid béo bay với tổng độ kiềm)( Medhat M A Saleh and Usama F Mahmood, 2003) - Dưới 0.15 : ổn định Hầu tất hợp chất hữu chuyển hóa thành acid hữu sau thành CH4 - Từ 0.15 – 0.2 :vận hành cần phải cẩn thận, bể dễ dẫn đến tải trọng - Từ 0.2 – 0.25 : cần phải lưu ý, bể bị tải nghĩa tỷ lệ tải trọng hữu lượng vi khuẩn kỵ khí bể cao nên vi sinh vật sử dụng hết phức chất hữu để chuyển thành CH4 - Trên 0.25 : Bể bị acid hóa, nghĩa tồn chuyển hóa thành acid hữu cơ, khơng thể chuyển thành CH4, acid hóa q nhiều làm giảm q trình metan hóa Mối Mối quan quan hệ hệ giữa VFA VFA và độ độ kiềm kiềm 1600 1600 300 300 1400 1400 1200 1200 200 200 1000 1000 800 800 150 150 600 600 100 100 mgCaCO3/l mgCaCO3/l mg acetic acetic acid/l acid/l mg 250 250 400 400 50 50 OLR=1.5 OLR=4.5 OLR=7 200 200 OLR=10 00 00 55 20 20 31 31 VFA VFA out out 49 63 49 Ngày 63 SRT SRT 76 76 88 88 100 100 Alk Alk out out Hình 4.27: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ VFA độ kiềm theo mg/l Hình 4.27 biểu diễn cho thấy VFA độ kiềm có mối quan hệ tương quan Khi độ kiềm tăng, VFA tăng ngược lại Điều thể rõ đồ thị Luận văn thạc sĩ 82 thời gian lưu bùn SRT 88 ngày Sau đó, độ kiềm giảm VFA khơng giảm tiếp tục tăng Để thể rõ mối tương quan VFA độ kiềm, ta thể qua tỷ lệ VFA/TA (volatile fatty acid/ Total Alkanity) hình 4.28 Trong giai đoạn khởi động, tỷ lệ tương đối cao 0.25 Điều cho thấy bể tình trạng chủ yếu diễn trình acid hóa mà khơng thực q trình metan hóa Chính thế, VFA bể tăng cao cịn độ kiềm tăng chậm hơn, theo VFA Khi SRT = 14, VFA/TA giảm xuống 0.2 cho thấy bể thích nghi SRT = 16, VFA/TA 0.128 cho thấy bể bắt đầu hoạt động ổn định Điều biểu qua khả khử COD đạt 83% Đồ Đồ thị thị biểu biểu diễn diễn mối mối quan quan hệ hệ giữa VFA VFA và độ độ kiềm kiềm đầu đầu ra (meq/l) (meq/l) 35 35 0.30 0.30 30 30 0.25 0.25 0.20 0.20 20 20 0.15 0.15 15 15 VFA/Alk VFA/Alk meq/l meq/l 25 25 0.10 0.10 10 10 OLR=1.5 OLR=4.5 OLR=7 OLR=10 55 0.05 0.05 00 0.00 0.00 55 20 20 31 31 49 49 VFA VFA out out Ngày SRT SRT 63 63 76 76 Alk Alk out out 88 88 100 100 VFA/Alk VFA/Alk Hình 4.28: Đồ thị biểu diễn tỷ lệ VFA/độ kiềm tổng Trong giai đoạn hoạt động ổn định, tải trọng 4.5, kgCOD/m3/ngày, tỷ lệ VFA/TA dao động khoảng 0.067 – 0.163 phù hợp với điều kiện hoạt động hiệu bể Ở tải trọng 10 kgCOD/m3/ngày tỷ lệ tăng cao nhanh, VFA bể tăng độ kiềm bể giảm, tỷ lệ tăng đến 0.25 Bể bị acid hóa, hiệu xử lý COD khơng cao (hình 4.29) Luận văn thạc sĩ 83 Đồ Đồ thị thị biểu biểu diễn diễn mối mối quan quan hệ hệ giữa VFA VFA out out và % % khử khử COD COD 300 300 100 100 250 250 200 200 VFA mg/l mg/l VFA % khử khử COD COD % 80 80 60 60 150 150 40 40 100 100 20 20 OLR=1.5 OLR=4.5 00 55 20 20 31 31 OLR=7 49 49 Ngày 63 63 SRT SRT % % khử khử COD COD 50 50 OLR=10 00 76 76 88 88 100 100 VFA VFA out out Hình 4.29: Đồ thị biểu diễn mối tương quan VFA hiệu khử COD 4.2 NHẬN XÉT 4.2.1 Bùn hạt nhân tạo Bùn hạt nhân tạo kết hợp chitosan khâu mạch lignosulfonate với bùn giống phương pháp đẩy nhanh q trình tạo hạt bùn kỵ khí Phương pháp tạo hạt bùn rắn từ ban đầu mà khâu tạo điều kiện cho q trình tạo bùn hạt bể kỵ khí dịng chảy ngược UASB Đối với bùn hạt kỵ khí, trình hoạt động UASB, bùn tiếp xúc với mặt vật lý, sinh học hay nhiệt động lực bên bể tạo mối liên kết vi sinh vật gắn kết thành bùn hạt, địi hỏi phải có thời gian đủ lâu để vi sinh vật liên kết lại với Trong đó, bùn hạt nhân tạo tạo điều kiện từ đầu, vi sinh vật bị bó gọn phạm vi nhỏ dễ dàng có điều kiện liên kết với chặt chẽ Và thời gian tạo hạt bùn thời gian cung cấp thức ăn cho vi sinh vật tăng trưởng khối bùn nhân tạo – thời gian ngắn Luận văn thạc sĩ 84 4.2.2 Số liệu nghiên cứu Mô hình bể UASB vận hành qua tải trọng 1.5, 4.5, 7, 10 kg COD/m3/ngày với HRT thay đổi từ 48, 16, 10 7.2 h với thông số xác định pH, COD, SS, TS, N-NH4, độ kiềm VFA diễn biến với thời gian lưu bùn SRT kéo dài đến 102 ngày Với số liệu xác định có số liệu có biến động sai số q trình thí nghiệm đánh giá hiệu hoạt động bể Những số liệu thể qua mối quan hệ với tạo thống vận hành bể Hiệu hoạt động bể đạt 90% giai đoạn thích nghi nhanh, sau 20 ngày Điều cho thấy điểm thuận lợi bể UASB sử dụng bùn hạt nhân tạo Ngồi hàm lượng SS VSS trơi khỏi bể thấp Luận văn thạc sĩ 85 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Phương pháp cố định bùn chitosan khâu mạch với lignosulfonate đem lại nhiều thuận lợi như: phương pháp cố định giá thành thấp đơn giản; điều kiện cố định ơn hịa; Khả cố định hạt sinh học cao Bùn hạt nhân tạo kết hợp bùn kỵ khí chitosan kết rắn mơi trường pH >7 với tỷ lệ bùn kỵ khí:chitosan 2:1 Chitosan khâu mạch để đảm bảo tạo mạng lưới vững lignosulfonate Hạt tạo có kích thước phụ thuộc vào kích thước lỗ thiết bị nén pittơng, nghiên cứu kích thước lựa chọn 2-4mm Hạt bùn có màng bao chitosan khâu mạch bên ngoài, giữ cho vi sinh vật cố định phạm vi hẹp Ban đầu bùn tạo, vi sinh vật phân bố ngẫu nhiên bên trong, vận hành giai đọan thích nghi, vi sinh vật có phân bố lại thành lớp: lớp vi sinh vật thủy phân lên men, vi khuẩn metan nằm lớp cùng, tiêu thụ sản phẩm acid béo từ trình acid hóa lớp ngồi Trong q trình hoạt động, số vi sinh vật nước thải tiếp tục bám vào lớp màng bao chitosan làm bùn có kích thước dày Hiệu khử COD đạt 90% trải trọng 1.5 kgCOD/m3/ngày đạt 85% tải trọng 4.5 83% tải trọng kgCOD/m3/ngày Tải trọng 10 kgCOD/m3/ngày COD giảm cịn 60% Thời gian lưu nước nhanh, ứng với tải trọng cao thời gian lưu nước giảm Tải trọng 1.5 ; 4.5 ; ; 10 kgCOD/m3/ngày thời gian lưu nước 48h ; 16h ; 10h ; 7.2h Do đó, ứng dụng thực tế giảm thể tích bể UASB đáng kể Thời gian khởi động mô hình nhanh, sau 20 ngày, COD đạt hiệu 90%, VFA, N-NH4, Alk, SS, VSS ổn định Tỷ lệ VFA/tổng kiềm đạt mức hoạt động thích hợp cho q trình kỵ khí dao động từ 0.1 đến 0.15 N-NH4 Luận văn thạc sĩ 86 tăng cao lên đến 200 mg/l cho thấy trình phân hủy amino acid bể diễn mạnh VFA tăng cao ban đầu sau giữ ổn định nhờ vi sinh vật metan sử dụng acid bay sinh bể Hàm lượng SS VSS trôi khỏi bể thấp cho thấy sinh khối thấp, hiệu loại SS đạt 90%, cao tới 96% VSS đạt 85%, cao lên đến 88% Sinh khối không bị trôi ngồi bể theo dịng nước chảy ngược 5.2 KIẾN NGHỊ Để đánh giá hiệu bùn hạt tạo chitosan – bùn kỵ khí bể UASB, cần phải nghiên cứu bổ sung lượng khí biogas sinh để đáng giá xác khả xử lý bùn hạt kỵ khí nhân tạo, xác định đượng % khí CH4, % CO2 Cần nghiên cứu sử dụng bùn hạt nhân tạo bể UASB tốc độ cao để xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm lớn Ứng dụng nghiên cứu bùn hạt nhân tạo nước thải khác nhau, có hàm lược chất độc hại, hàm lượng COD cao, khó xử lý bể kỵ khí thơng thường Luận văn thạc sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Hồng Lan Chi, Lâm Minh Triết, 2005, Vi sinh vật môi trường, NXB Đại học Quốc gia TPHCM, 211-214 [2] Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, 2004, Nguyễn Phước Dân, Xử lý nước thải thị cơng nghiệp : Tính tốn thiết kế cơng trình, NXB Đại học Quốc gia TPHCM, 57-77 [3] Lê Công Nhất Phương, 2003, Nghiên cứu tích lũy chọn lọc nhóm vi khuẩn có khả khử ammoniac nồng độ cao (50-1000mg/l) điều kiện kỵ khí qui trình cơng nghệ phù hợp điều kiện Việt Nam, Viện Sinh học Nhiệt đới [4] A.G Brito, A.C Rodrigues and L.F Melo, April 1997, Granulation during the start-up of a UASB reactor used in the treatment of low strength wastewaters, Biotechnology Letters, Vol 19, No 4, pp 363–367 [5] A Visser, P A Alphenaar, Y Gao, G van Rossum and G Lettinga, 1993, Granulation and immobilisation of methanogenic and sulfate-reducing bacteria in high-rate anaerobic reactors, Springer Berlin, Volume 40, Number 4, 575-581 [5] Banik G.C.; Ellis T.G.; Dague R.R., 1997 , Structure and methanogenic activity of granules from an ASBR treating dilute wastewater at low temperatures, Water Science and Technology, Volume 36, Number 6, 149-156(8) [7] Bileen Wolmarans, Gideon H de Villiers, January 2002, Start-up of a UASB effluent treatment plant on distillery Wastewater, Water SA Vol 28 No 1, 63-68 [8] B Tartakovsky, L Petti, J Hawari and SR Guiot, Microorganisms immobilized in chitosan crosslinked with lignosulphonate for purification of waste water, Biotechnology Research Institute, NRC, 6100 Royalmount Ave, Montreal, Quebec, Canada H4P 2A2 [9] Chen, Kuo-Cheng Lin, Ying-Feng,1994, Immobilization of microorganisms or enzymes in polyvinyl alcohol beads, United States Patent 5290693 [10] Chung, Koo-heung Davis, Gary L Verhoff, Francis H., 1986, Method of biopolymeric sludge dewatering, United States Patent 4609470 [11] Imai T.; Ukita M.; Liu J.; Sekine M.; Nakanishi H.; Fukagawa M., 1997, Advanced start up of UASB reactors by adding of water absorbing polymer, Water Science and Technology, Volume 36, Number 6, , 399-406(8) [12] Jing-Song Wang, Yong-You Hu, Chun-De Wu, 2005, Comparing the effect of bioflocculant with synthetic polymers on enhancing granulation in UASB reactors for low-strength wastewater treatment , Water SA Vol 31 No 2, 177 – 182 [13] J R Banu; S Kaliappan; I T Yeom, 2007, Treatment of domestic wastewater using upflow anaerobic sludge blanket reactor, Environ Sci Tech, 363-370 [14] Hyun Seong Jeong , Yong Hwan Kim, Sung Ho Yeom, Bong Keun Song, Sang Il Lee, 2005, Facilitated UASB granule formation using organic–inorganic hybrid polymers, Process Biochemistry 40, 89–94 [15] Lertsittichai, Sittpong; Lertsutthiwong, Pranee; Phalakornkule, Chantaraporn, 2007, Improvement of Upflow Anaerobic Sludge Bed Performance Using Chitosan, Water Environmetn Research, Volume 79, 801-807(7) [16] L.W Hulshoff Pol; S.I de Castro Lopes; G Lettinga; P.N.L Lens, 2004, Anaerobic sludge granulation, Water Research 38, 1376–1389 [17] K Buchauer, A comparison of two simple titration procedures to determine volatile fatty acids in influents to wastewater and sludge treatment processes, 1998 Water SA Vol.24 No.1, 49-56 [18] Kaseamchochoung, C.; Lertsutthiwong, P.; Phalakornkule, 2006, Influence of Chitosan Characteristics and Environmental Conditions on Flocculation of Anaerobic Sludge, Water Environ Res., 78 (11), 2210–2216 [18] Kuan-Yeow Show, Ying Wang, Shiu-Feng Foong, Joo-Hwa Tay, 2004, Accelerated start-up and enhanced granulation in upflow anaerobic sludge blanket reactors, Water Research 38, 2293–2304 [19] Manoj K Tiwari, Saumyen Guha, C.S Harendranath, Shweta Tripathi, 2005, Enhanced granulation by natural ionic polymer additives in UASB reactor treating low-strength wastewater, Water Research 39 , 3801–3810, [20] Medhat M A Saleh; Usama F Mahmood, 1-3 April 2003, UASB/EGSB applications for industrial wastewater treatment, Seventh International Water Technology Conference Egypt [21] Pablo Ligero and Manuel Soto, July 2002, Sludge granulation during anaerobic treatment of pre-hydrolysed domestic wastewater, Water SA Vol 28 No 3, 307–311 [22] Pereboom JHF, Size distribution model for methanogenic granules from full scale UASB and IC reactors, 1994, Water Sci Technol 30(12), 211–21 [23] R El-Mamouni, R Leduc, and S R Guiot , 1998, Influence of synthetic and natural polymers on the anaerobic granulation process, Water Science and Technology, Vol 38, No 8-9, 341–347 [24] Sam-Soon PALNS, Loewenthal RE, Dold PL, Marais GvR, Hypothesis for pelletisation in the upflow anaerobic sludge bed reactor, 1987, Water SA;13(2):69– 80 [25] Sittpong Lertsittichai; Pranee Lertsutthiwong; Chantaraporn Phalakornkule, 2007, Improvement of Upflow Anaerobic Sludge Bed Performance Using Chitosan, 7Water Environ Res ;79 (7):801-807 [26] Sharon McHugh, Caroline O’Reilly, Thérèse Mahony, Emer Colleran & Vincent O’Flaherty, 2003, Anaerobic granular sludge bioreactor technology, Environmental Science and Bio/Technology 2: 225–245 [27] V.P Venugopalan, Y.V Nancharaiah, T.V.K Mohan and S.V Narasimhan, 2005, Biogranulation: self immobilised microbial consortia for high performance liquid waste remediation, Barc Newsletter, No.254 [28] Weili Zhou, Tsuyoshi Imai, Masao Ukita , Fusheng Li , Akira Yuasa, 2007, Effect of loading rate on the granulation process and granular activity in a bench scale UASB reactor, Bioresource Technology 98, 1386–1392 [29] Wen-Tso Liu, On-Chim Chan, Herbert H P Fang, 2002, Microbial community dynamics during start-up of acidogenic anaerobic reactors,water Research, Volume 36, Issue 13, 3203-3210 [30] Wojnowska-Baryła1, M Zielińska1, A Babuchowski, A Debourg, 2002, The Biodegradation of Brewery Wastes in a Two-Stage Immobilized System, Polish Journal of Environmental Studies Vol 11, No (2002), 571-575 [31] Yoda M.; Nishimura S., 1997 ,Controlling granular sludge floatation in UASB reactors, Water Science and Technology, Volume 36, Number 6, pp 165-173(9) [32] Yu Liu; Hai-Lou Xu; Shu-Fang Yang; Joo-Hwa Tay, 2003, Mechanisms and models for anaerobic granulation in upflow anaerobic sludge blanket reactor, Water Research 37, 661–673 [33] Yu Liu *, Joo-Hwa Tay, 2004, State of the art of biogranulation technology for wastewater treatment, Biotechnology Advances 22, 533–563 ... dung nghiên cứu - Điều chế bùn hạt từ bùn kỵ khí Chitosan, ổn định bùn thời gian định để ứng dụng xử lý hiệu nước thải chăn nuôi heo - Khảo sát ảnh hưởng tải trọng hiệu xử lý nước thải chăn ni heo. .. khí để xử lý nước thải từ chăn ni heo đề tài ưu điểm so với q trình tạo bùn hạt bể kỵ khí truyền thống Để nâng cao hiệu cơng nghệ xử lý kỵ khí nước thải chăn nuôi heo, tiến hành nghiên cứu điều... .37 2.5 Tổng quan nước thải chăn nuôi heo Tp Hồ Chí Minh .43 2.5.1 Hiện trạng nước thải chăn nuôi heo thành phố Hồ Chí Minh 43 2.5.2 Thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi heo 44 2.5.3