Trong quá trình vận hành hệ thống UASB, tập hợp vi sinh vật sử dụng cơ chất và các sản phẩm ngoại bào như nguồn thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Các vi sinh vật này có thể bám dính vào nhau và hình thành nên các cụm tế bào dẫn đến hình thành bùn hạt. Sự phát triển của vi sinh vật bị giới hạn bởi hàm lượng cơ chất. Nếu cung cấp lượng cơ chất không đủ dẫn đến việc suy vong các tế bào vi sinh vật làm mất đi sự liên kết giữa chúng trong hạt bùn và làm giảm mật độ vi sinh vật. Việc cung cấp đủ lượng cơ chất sẽ phát triển số lượng tế bào và hình thành nên các cụm tế bào. Các vi sinh vật trong các cụm tế bào này sinh trưởng và phát triển dẫn đến làm tăng kích thước bùn hạt tương tự như mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom (1994) [126].
Tác động của OLR đến quá trình hình thành bùn hạt trong nước thải sơ chế mủ cao su được đánh giá thông qua các thông số: kích thước hạt bùn, SVI và hiệu suất sinh khí metan.
a. Kích thước hạt bùn
Kích thước hạt bùn là một trong những thông số quan trọng nhất trong vận hành hệ thống UASB thành công. Khi vận hành hệ thống UASB với OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg- COD/(m3.ngày), bùn hạt không được hình thành (như bùn giống hình 3.5A). Trong khi đó, vận hành UASB với OLR trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg-COD/(m3.ngày) bùn hạt đã hình thành.
(A)-Bùn giống, (B)-Bùn khi OLR đạt 3,75 kg-COD/(m3.ngày), (C)-Bùn khi OLR đạt 3,95 kg-COD/(m3.ngày)
59
Bùn hạt được quan sát sau 45 ngày (hình 3.5B) tại OLR là 3,75 kg-COD/(m3.ngày) và sau 60 ngày (hình 3.5C) tại OLR là 3,95 kg-COD/(m3.ngày). Bùn giống ngày thứ nhất ở dạng phân tán (hình 3.5A). Sau 45 và 60 ngày vận hành với sự tăng dần OLR, bùn hạt đã xuất hiện. Bùn hạt có màu đen, hình cầu hoặc oval. Kích thước bùn hạt phân bố trong một dải rộng. Sự phân bố kích thước hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg-COD/(m3.ngày) được biểu diễn trên hình 3.6.
Hình 3.4. Phân bố kích thước hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg-COD/(m3.ngày)
Hạt bùn đã hình thành khi OLR đạt 3,75 kg-COD/(m3.ngày) với kích thước hạt < 1 mm, trong đó các hạt có kích thước 0,5 – 1,0 mm chiếm 40,9%. Khi OLR đạt 3,95 kg- COD/(m3.ngày), tỷ lệ phân bố kích thước đã được cải thiện, các hạt có kích thước lớn hơn 2 mm đã xuất hiện với tỷ lệ 5,1%, các hạt có kích thước 1 - 2 mm chiếm 9,8% và các hạt có kích thước 0,5 - 1 mm chiếm 44,6%. Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng quá trình hình thành hạt bùn tốt khi OLR từ 2 – 4,5 kgCOD/(m3
.ngày) [55] và khi OLR < 1,5 kgCOD/(m3.ngày) sự hình thành hạt không rõ rệt [8].
Trong một số hệ thống UASB, kích thước hạt bùn kỵ khí có thể phát triển đến 5 mm hoặc thậm chí lớn hơn nhưng chúng dễ bị nổi [37, 126, 161]. Do đó, trong quá trình vận hành trên quy mô công nghiệp, phân bố kích thước bùn hạt dao động trong khoảng hẹp là thích hợp và bùn hạt có kích thước trung bình từ 1,0 - 2,0 mm được ưa chuộng nhất. Bùn hạt có kích thước trong khoảng này thường đưa đến khả năng lắng tốt [97].
b. Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI)
Chỉ số SVI của bùn khi OLR (1,01±0,32 kg-COD/(m3.ngày)) và OLR (3,1±0,92 kg- COD/(m3.ngày)) tại ngày 60 được chỉ ra trong hình 3.7.
60
Hình 3.5. SVI của bùn giống và bùn trong hệ thống UASB ứng với các OLR
Kết quả cho thấy sau 60 ngày vận hành hệ thống UASB với OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg-COD/(m3.ngày), SVI của bùn giống được giảm từ 42,6 mL/g xuống 26,4 mL/g. Trong khi đó, vận hành với OLR trong khoảng 3,1 ± 0,92 kgCOD/m3
.ngày, SVI giảm đến 16,6 mL/g. Ghangrekar và cộng sự (2005) cho rằng vận hành hệ thống UASB với OLR nhỏ hơn 5,0 kg-COD/(m3.ngày), chỉ số SVI sau giai đoạn khởi động nhỏ hơn 16mL/g [55]. Yoochatchaval và cộng sự (2008) đã khởi động hệ thống UASB bằng nước thải tổng hợp có hàm lượng COD thấp (0,6 – 0,8 g/L) với OLR tăng từng bước đến 6,0 kg COD/m3.ngày trong 76 ngày, tác giả chỉ ra rằng chỉ số SVI của bùn hạt đã tăng từ 12,5 mL/g lên 17,4 mL/g và duy trì ổn định ở mức 17,3±1,2 mL/g [189]. Như vậy, thành phần và hàm lượng cơ chất khác nhau đã tác động đến chỉ số SVI và điều chỉnh giá trị của chỉ số này. Kết quả trong thí nghiệm này chỉ ra rằng vận hành hệ thống UASB với việc tăng dần OLR trong khoảng 3,1 ± 0,92 kg COD/(m3.ngày), SVI của hệ bùn giảm rất nhiều so với bùn giống. Chỉ số SVI khi vận hành hệ thống với OLR trong khoảng 3,1 ± 0,92 kg COD/(m3.ngày) cũng nằm trong khoảng SVI của các loại bùn hạt [55]. Do đó, bùn hạt khi vận hành ở chế độ này đưa đến kết quả về khả năng lắng tốt hơn. Điều này chứng tỏ điều kiện vận hành hệ thống UASB ở tải trọng trong khoảng 3,1 ± 0,92 kg COD/(m3.ngày) thuận lợi cho sự hình thành bùn hạt.
c. Hiệu suất sinh khí metan
Hình 3.8 biểu diễn thông số về tỷ lệ khí metan và hiệu suất sinh khí metan khi vận hành hệ thống UASB với các OLR khác nhau.
61
Hình 3.6. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi thay đổi OLR
Kết quả chỉ ra rằng khi vận hành hệ thống UASB với OLR là 1,01 ± 0,32 kg COD/m3.ngày, tỷ lệ khí metan là 79,8 ± 7,7%. Hiệu suất sinh khí metan đạt 0,258 ± 0,066 m3- CH4/kg-CODchuyển hóa (ở nhiệt độ 0oC, áp suất khí quyển). Khi vận hành hệ thống UASB với OLR là 3,1 ± 0,92 kg COD/m3.ngày, tỷ lệ khí metan từ 80,6 ± 4,1%. Hiệu suất sinh khí metan đạt 0,260 ± 0,093 m3
-CH4/kg-CODchuyển hóa. Kết quả này chỉ ra rằng hiệu suất sinh khí metan cũng như tỷ lệ khí metan trong quá trình vận hành hệ thống UASB với OLR là 3,1 ± 0,92 kg COD/m3.ngày tăng nhẹ so với quá trình vận hành hệ thống UASB với OLR là 1,01 ± 0,32 kg COD/m3.ngày. Như vậy khả năng thích ứng của bùn tốt khi tăng dần tải trọng từ 1,16 kg COD/m3.ngày đến 4,16 kg COD/m3
62
nhiều đến hiệu suất sinh khí metan cũng như tỷ lệ khí metan thu được tuy nhiên thể tích khí sinh ra trong ngày cao hơn (kết quả không trình bày).
Khi nghiên cứu quá trình xử lý nước thải cao su tại Thái Lan bằng hệ thống hai UASB mắc nối tiếp, bùn hạt đã hình thành trong thiết bị sau 89 ngày và hiệu suất sinh khí metan của bùn là 0,116 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa [79]. Trong nghiên cứu này bùn hạt đã hình thành sớm hơn, hiệu suất sinh khí metan lớn hơn.
Khi vận hành hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su với OLR trong khoảng 3,1± 0,92 kg-COD/(m3.ngày); thời gian lưu nước thải (HRT) 18 giờ, bùn hạt được hình thành sau 45 ngày khởi động. Sau 60 ngày vận hành hệ thống UASB, hạt bùn có kích thước lớn hơn 2 mm chiếm 5,1%, chỉ số lắng của bùn 16,6 mL/g, hiệu suất sinh khí metan đạt 0,260 ± 0,093 m3/kg-CODchuyển hóa với tỷ lệ metan đạt 80,6 ± 6,1%.