Sự xuất hiện các ion dương hóa trị 2 và 3 như Ca2+ , Mg2+ , Fe2+ và Al3+ có thể liên kết với các tế bào mang điện tích âm tại pH trung tính để tạo thành một hạt nhân vi sinh vật. Các nghiên cứu gần đây cho thấy nồng độ 300 mg- AlCl3/L đã nâng cao hiệu quả tạo hạt bùn trong nước thải tổng hợp và nước thải sơ chế mủ cao su tự nhiên ở Thái Lan [30]. Tuy nhiên quy trình sơ chế mủ cao su ở Thái Lan khác ở Việt Nam nên tính chất nước thải cũng khác nhau. Ảnh hưởng của AlCl3 tới hạt bùn trong môi trường nước thải sơ chế cao su của Việt Nam chưa được công bố. Trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của AlCl3 đến quá trình hình thành hạt bùn trong nước thải sơ chế mủ cao su. Tác động của AlCl3 đến quá trình hình thành bùn hạt được đánh giá qua các thông số kích thước hạt bùn, khả năng lắng (SVI) và khả năng sinh khí metan.
a. Kích thước hạt bùn
Sự thay đổi về hình thái bùn giống và bùn hạt trong hệ thống UASB khi vận hành với nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung 300 mg-AlCL3/L sau 60 và 103 ngày được chỉ ra trong hình 3.9.
Khi bổ sung 300mg-AlCl3/L, bùn hạt hình thành sau 20 ngày với kích thước hạt khoảng 0,2mm (hình ảnh không đưa vào). Bùn hạt có kích thước trên 2 mm xuất hiện vào ngày 60. Tỷ lệ bùn hạt kích thước lớn hơn 1 mm tiếp tục tăng và đạt xấp xỉ 78% vào ngày 103.
63
Bùn giống (A), bùn hạt sau 60 (B) và 103 ngày (C) Hình 3.7. Hình thái bùn hạt khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L
Hình 3.10 mô tả phân bố kích thước bùn hạt trong quá trình khởi động hệ thống UASB không bổ sung và bổ sung AlCl3 vào ngày 60 và 103.
Hình 3.8. Phân bố kích thước hạt bùn bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 và 103 Sau 60 ngày bổ sung AlCl3 bùn hạt có kích thước trên 2,0 mm; 1,0 – 2,0 mm; 0,5 - 1,0 mm và dưới 0,5 mm có tỷ lệ lần lượt là 13,0%; 28,1%; 26,6% và 32,3%. Khi không bổ sung AlCl3 tỷ lệ này lần lượt là 5,1%; 9,8%; 44,6% và 59,5%. Kết quả này chỉ ra rằng khi bổ sung AlCl3 rút ngắn được thời gian hình thành bùn hạt và tỷ lệ bùn hạt kích thước từ 1,0 mm trở lên đã được cải thiện.
Sự phát triển của bùn hạt khi bổ sung AlCl3 vẫn tiếp tục tăng. Sau 103 ngày bổ sung AlCl3, bùn hạt có kích thước hạt trên 2,0 mm chiếm 36,9%, hạt bùn có kích thước 1,0 – 2,0 mm chiếm 39,9%, hạt có kích thước 0,5 -1,0 mm chiếm 11,2% và dưới 0,5 mm chiếm 12,1%.
64
Tỷ lệ kích thước bùn hạt lớn hơn 2,0mm tăng 2,84 lần so với ngày 60. Như vậy, kích thước bùn hạt tiếp tục phát triển theo thời gian khi bổ sung AlCl3.
Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng khi vận hành hệ thống UASB có bổ sung 300 mg/L AlCl3 vào nước thải tổng hợp (cơ chất là glucoza) với OLR được tăng từ 2,0 – 8,0 kg- COD/(m3.ngày), sau 30 ngày bùn hạt hình thành với kích thước lớn từ 0,2 – 0,6 mm [190]. Boonsawang và công sự (2008) cũng công bố bùn hạt có kích thước lớn từ 0,5 - 0,8 mm xuất hiện trong nước thải sơ chế mủ cao su sau 28 ngày khi bổ sung AlCl3 với liều lượng là 300 mg/L vào nước thải có hàm lượng COD là 4000 mg/L và OLR là 1 kg-COD/(m3.ngày) [30]. Nghiên cứu về tác động của AlCl3 đến quá trình hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB với nước thải từ nhà máy bánh kẹo cho thấy với liều lượng 300 mg-AlCl3/L,bùn hạt quan sát được sau 15 ngày với kích thước hạt 0,5 – 1,0 mm [9]. Mặc dù bổ sung với liều lượng AlCl3 như nhau nhưng thời gian tạo bùn hạt rất khác nhau đối với mỗi loại nước thải. Các loại nước thải giàu hidratcacbon đưa đến việc hình thành hạt bùn nhanh hơn. Trong nghiên cứu này, khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L bùn hạt hình thành sau 20 ngày với kích thước từ 0,2 - 0,5mm và sau 60 ngày kích thước hạt đạt trên 1 mm là 41%.
b. Chỉ số lắng của bùn (SVI)
Hình 3.11 chỉ ra sự thay đổi chỉ số SVI trong quá trình tạo bùn hạt trong nước thải sơ chế mủ cao su không bổ sung AlCl3 và có bổ sung 300mg- AlCl3/L.
Hình 3.9. Chỉ số SVI của bùn bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60
Kết quả cho thấy sau ngày 60, SVI của bùn trong hệ thống UASB khi vận hành với chế độ bổ sung và không bổ sung AlCl3 lần lượt là 17,68 mL/g và 16,64 mL/g. Chỉ số SVI của cả mẫu thí nghiệm và đối chứng đều thấp hơn bùn giống, nói cách khác bùn hạt có khả năng lắng tốt hơn. Kết quả này cũng phù hợp với công bố của Abbasi và cộng sự (2013) khi cho rằng các giá trị SVI giảm khi kích cỡ hạt tăng trong quá trình hình thành bùn hạt có bổ sung AlCl3 [9]. Trái lại, những nghiên cứu của Boonsawang và cộng sự (2008) lại cho rằng sau 30 ngày vận
65
hành UASB với nước thải sơ chế mủ cao su chỉ số SVI của mẫu bùn hạt có bổ sung 300mg- AlCl3/L tăng từ 77 mL/g đến 91 mL/g trong khi mẫu đối chứng chỉ tăng nhẹ (từ 77 mL/g đến 79 mL/g) [30]. Trong nghiên cứu này chỉ số SVI của cả mẫu bổ sung AlCl3 vàkhông bổ sung đều giảm mạnh và đều nhỏ hơn 20 mL/g. Kết quả này khẳng định thêm rằng sau 60 ngày vận hành hệ thống với nước thải sơ chế mủ cao su, bùn hạt đã hình thành và việc bổ sung 300mg- AlCl3/L đã rút ngắn thời gian thình thành bùn hạt. Kết quả này cho phép nâng tải trọng hữu cơ cho hệ thống UASB cao hơn mà quá trình vận hành vẫn ổn định.
c. Hiệu suất sinh khí metan
Hình 3.12 biểu diễn hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi vận hành UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su không bổ sung AlCl3 và bổ sung AlCl3 với HRT là 18 giờ, OLR tăng từ 1,2 – 4,2 kg-COD/(m3
.ngày).
66
Kết quả chỉ ra rằng khi không bổ sung AlCl3 và bổ sung AlCl3, tỷ lệ khí metan thu được lần lượt là 80,6 ± 4,1% và 81,8 ± 11,3%. Hiệu suất sinh khí metan khi không bổ sung AlCl3 và bổ sung AlCl3 lần lượt là 0,260 ± 0,093 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa và 0,322 ± 0,091 m3-CH4/kg- CODchuyển hóa. Kết quả này chỉ ra rằng khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L, tỷ lệ khí metan trong hỗn hợp khí sinh học tương đương nhau nhưng hiệu suất sinh khí metan đều cao hơn khi không bổ sung AlCl3.
Các nghiên cứu của Yu và các cộng sự (2001) cũng chỉ ra rằng hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan tăng khi bổ sung 300 mg- AlCl3/L vào hệ thống UASB trong quá trình tạo hạt bùn [190]. Các thí nghiệm của Boonsawang và cộng sự (2008) chỉ ra khi bổ sung 300 mg- AlCl3/L đã nâng cao hiệu suất sinh khí metan [30]. Như vậy, việc bổ sung 300mg-AlCl3/L trong quá trình tạo bùn hạt đã cải thiện khả năng sinh khí metan và tỷ lệ khí metan của hệ bùn trong hệ thống UASB.
Khi vận hành UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung 300 mg-AlCl3/L bùn hạt xuất hiện sau 20 ngày vận hành. Tại thời điểm 60 ngày, kích thước bùn hạt có kích thước trên 2mm chiếm 13%, cao hơn mẫu không bổ sung AlCl3 (5,1%). Kích thước bùn hạt vẫn tiếp tục tăng theo thời gian (ngày 103, các hạt có kích thước trên 2mm là 36,9%). SVI đạt 17,6 mL/g. Hiệu suất sinh khí metan đạt 0,322 ± 0,091 m3
-CH4/kg-CODchuyển hóa và tỷ lệ khí metan đạt 81,8 ± 11,3%.