Trong thời gian dài bảo quản, mặc dù các vi sinh vật không chết nhưng có thể gây ra sự thay đổi cấu trúc hạt. Kích thước bùn hạt là một trong những thông số quan trọng để đánh giá chất lượng bùn hạt trong quá trình bảo quản. Sự thay đổi về phân bố kích thước hạt bùn được chỉ ra trong hình 3.31.
Hình 3.31. Phân bố kích thước hạt bùn trong quá trình bảo quản bùn hạt kỵ khí
Trong 3 tháng đầu tiên của quá trình bảo quản, kích thước hạt bùn gần như không thay đổi. Sau 4 tháng bảo quản phân bố kích thước bùn hạt đã bắt đầu thay đổi. Phân bố kích thước bùn hạt sau 6 tháng bảo quản tại 4oC như sau: hạt có kích thước lớn hơn 2 mm giảm 31,2%, kích thước hạt từ 1 - 2 mm giảm 7,3%, kích thước hạt từ 0,5 – 1 mm giảm 53,3% và kích thước hạt nhỏ hơn 0,5mm tăng 21 lần. Sau 6 tháng bảo quản tại nhiệt độ phòng, phân bố kích thước hạt bùn là: hạt có kích thước lớn hơn 2 mm giảm 32,9%, kích thước hạt từ 1 - 2 mm giảm 11,7%, kích thước hạt từ 0,5 - 1mm giảm 63,5% và kích thước hạt nhỏ hơn 0,5mm tăng 25 lần. Tỷ lệ phân bố kích thước của các hạt bùn lớn giảm cho thấy đã xảy ra sự phân rã bùn hạt. Sau 6 tháng bảo quản tại 4 oC và nhiệt độ phòng, kích thước hạt bùn trên 1mm lần lượt chiếm 51,2% và 49,1% (tỷ lệ bùn hạt ban đầu 60,8%). Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra cấu trúc hạt bùn ổn định trong 3 tháng đầu tiên tại 4oC phù hợp với kết quả trong nghiên cứu của Xu và cộng sự (2001). Tuy nhiên khi bảo quản tại nhiệt độ phòng, cấu trúc bùn hạt ổn định
96
trong 3 tháng đầu trong khi Xu và cộng sự (2001) cho rằng cấu trúc bùn hạt chỉ ổn định trong 2 tháng đầu tiên [192].
Hình 3.32 miêu tả hình thái bùn hạt trong quá trình bảo quản. Kết quả chỉ ra rằng bùn hạt ban đầu có màu đen và không thay đổi trong suốt quá trình bảo quản. Bề mặt bùn hạt trước và sau quá trình bảo quản đều trơn nhẵn. Kết quả này sai lệch với các kết quả nghiên cứu của Xu và cộng sự (2001). Tác giả này cho rằng bùn hạt trước khi bảo quản có bề mặt trơn nhẵn nhưng sau 6 tháng bảo quản bề mặt hạt bùn trở nên xù xì, thậm chí có lông mỏng [192].
Hình 3.32. Hình thái bùn hạt: (A) bùn hạt trước bảo quản, (B) bùn hạt sau 6 tháng bảo quản tại 4 oC, (C) bùn hạt sau 6 tháng bảo quản ở nhiệt độ phòng
Theo lý thuyết chuyển vị proton khi khử nước, hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật là áp lực chính để duy trì cấu trúc hạt bùn [170]. Tại 4oC, nhiệt độ thấp kìm hãm hoạt tính của hệ enzym, nhưng tại nhiệt độ phòng sự thiếu hụt nguồn cơ chất cũng là nguyên nhân làm giảm hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật. Cả hai nguyên nhân này đều khiến hoạt động trao đổi chất của hạt bùn thấp hơn và đưa đến quá trình phân rã hạt bùn gây nên việc giảm kích cỡ hạt. Do đó, để duy trì cấu trúc bùn hạt và SMA nên bổ sung thêm dinh dưỡng định kỳ trong quá trình bảo quản. Tuy nhiên cần có các nghiên cữu tiếp theo cho quá trình bảo quản bùn hạt.
SMA của bùn hạt giảm trong 3 tháng đầu bảo quản tại 4 oC và nhiệt độ phòng. Sau 3
tháng bảo quản SMA tương đối ổn định. Sau 3 tháng SMA khi bảo quản tại 4 o
C và tại nhiệt độ phòng có giá trị lần lượt là 0,564 ± 0,021 và 0,634 ± 0,012 (gCH4-COD/gVSS.ngày). Cấu trúc bùn hạt duy trì tốt trong 3 tháng đầu tiên, sau 3 tháng bùn hạt bắt đầu tan rã. Sau 3 tháng bảo quản tại 4 oC và nhiệt độ phòng, kích thước hạt bùn trên 1mm lần lượt chiếm 51,2% và 49,1%. Để có thể duy trì cấu trúc hạt bùn và SMA tốt hơn trong thời gian nhà máy cao su ngừng sản xuất (khoảng 3 tháng) bùn hạt nên được bảo quản tại UASB ở nhiệt độ phòng cùng với việc bổ dinh dưỡng vào dung dịch bảo quản định kỳ.
97
KẾT LUẬN
1. Đã nghiên cứu đặc tính của nước thải tại khâu đánh đông của nhà máy cao su cho thấy nước thải có pH thấp (4,6 – 5,2), hàm lượng chất hữu cơ cao (COD: 16390 – 28940 mg/L), giàu VFA (10833 ± 3118 mg/L), hàm lượng SS cao (870 – 2020mg/L). Nước thải dạng này cần qua công đoạn tiền xử lý nhằm tách các hạt cao su dư trước khi xử lý trong hệ thống UASB tránh gây tắc đường ống.
2. Đã nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB xử lý nước thải cao su:
- Bùn phân tán được hoạt hóa trong nước thải cao su trong 73 ngày với tải trọng hữu cơ (OLR) từ 0,72 đến 0,26 kg-COD/(m3.ngày), thời gian lưu nước (HRT) 18 giờ và nhiệt độ 35o
C. Bùn sau khi hoạt hóa có chỉ số hoạt tính sinh metan riêng (SMA) 0,831 ± 0,013 gCH4-COD/gVSS.ngày, hàm lượng bùn (MLSS) 58,9 g/L và chỉ số lắng của bùn (SVI) 29,2 mL/g.
- Bùn hạt hình thành khi tăng OLR trong khoảng OLR: 3,10 ± 0,92 kg-COD/(m3.ngày). Thời gian hình thành bùn hạt rút ngắn khi bổ sung 300 mg-AlCl3 và rỉ đường. Bùn hạt hình thành tốt nhất trong điều kiện vận hành: nước thải cao su bổ sung rỉ đường 1g/L, nhiệt độ 35oC trong 38 ngày với OLR 3,19 ± 0,68 kg-COD/(m3.ngày), HRT duy trì 12 giờ. Kích thước hạt bùn lớn hơn 1 mm đạt 38,7%, SVI đạt 12,03 (mL/g), hiệu suất sinh khí metan đạt 0,324 ± 0,037 m3
-CH4/kg-CODchuyển hóa tăng 25,6% so với bùn phân tán ở cùng điều kiện.
3. Xác định được các quần thể vi sinh vật chủ yếu tham gia vào quá trình hình thành hạt bùn. Bùn hạt chứa các nhóm: thủy phân (Bacteroidales, Clostridiaceae, Acinetobacter
johnsonii), acidogen (Anaerolinceae, Comamonas, Corynebacterium), acetogen
(Syntrophomonadaceae) và methanogen (Euryarchaeota chiếm 19,0%, trong đó
Methanosaeta chiếm 13,0% và Methanobacterium chiếm 5,1%).
4. Bùn hạt được thử nghiệm cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su trong hệ thống UASB đã nâng OLR lên 15,3 kg-COD/(m3.ngày), hiệu suất sinh khí metan đạt 0,325 m3-CH4/kg- CODchuyển hóa vàhiệu suất xử lý COD đạt 95,8% tương ứng cao gấp 3,5 lần; 2,86 lần và tăng 7,6% so với bùn phân tán ở cùng điều kiện. Bùn hạt thích ứng và hoạt động tốt trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su, SVI của bùn ổn định, tỷ lệ các loài cổ khuẩn sinh metan tăng cao.
5. Bùn hạt được bảo quản tại nhiệt độ phòng trong hệ thống UASB đã duy trì tốt cấu trúc hạt và giữ ổn định hoạt tính (SMA sau 3 tháng bảo quản chỉ giảm 27,8%, đạt 0,634 ± 0,012 (gCH4-COD/gVSS.ngày).
98
KIẾN NGHỊ
1. Hoàn thiện quy trình bảo quản bùn hạt.
2. Nghiên cứu hợp khối hệ thống UASB sử dụng bùn hạt với hệ thống xử lý nitơ trong nước thải dòng ra nhằm hoàn thiện quy trình xử lý nước thải sơ chế mủ cao su, đạt tiêu chuẩn QCVN01 - MT: 2015/BTNMT.
99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Bài báo khoa học
1. Nguyễn Thi Thanh, Nguyen Minh Tan, To Kim Anh, Nguyen Lan Huong (2015)
Performance of An Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor treating natural rubber processing wastewater under low pH condition. Journal of Sicience and Technology, 105: 024 – 028
2. Nguyễn Thi Thanh, Trần PhươngThảo, Tô Kim Anh, Nguyễn Lan Hương (2015). Ảnh
hưởng của rỉ đường đến sự hình thành bùn hạt hạt ở giai đoạn khởi động của bể UASB khi xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên thiên. Tạp chí Công nghệ sinh học, 2A (13): 771 – 776.
3. Nguyễn Thi Thanh, Nguyễn Thị Trang , Tô Kim Anh, Nguyễn Lan Hương (2015) Tuyển chọn chủng vi khuẩn Paracoccus denitrificans E1 trong nước thải quá trình sơ chế mủ cao su thiên thiên.Tạp chí Công nghệ sinh học, 3(13): 901 - 906.
4. Nguyen Thi Thanh, Takahiro Watari, Tran Phuong Thao, Nguyen Minh Tan, Phan Trung Nghia, Daisuke Tanikawa, Masashi Hatamoto, Kazuaki Syutsubo, To Kim Anh, Masao Fukuda, Takashi Yamaguchi, Nguyen Lan Huong (2016). Impact of aluminum chloride on process performance and microbial community structure of granular sludge in an upflow anaerobic sludge blanket reactor for natural rubber processing wastewater treatment. Water Science & Technology, 74(2):500 – 507.
Hội thảo khoa học
5. T. Watari, N.T.Thanh, N.Tsusuoka, D. Tanikawa, K.Kuroda, N. L. Huong , N. M. Tan, H.T.Hai, M. Hatamoto, K. Syutsubo, M. Fukuda , T. Yamaguchi. Development of BR – UASB-DHS system for natural rubber processing wastewater. 9th IWA International Symposium on Waste Management Problems on Agro Industries -AGRO 2014, p.66-73, Kouchi (Japan).
6. Nguyen Thi Thanh, Takahiro Watari, Tran Phuong Thao, Nguyen Minh Tan, Phan Trung Nghia, Daisuke Tanikawa, Masashi Hatamoto, Kazuaki Syutsubo, To Kim Anh, Masao Fukuda, Takashi Yamaguchi, Nguyen Lan Huong. Evaluation of process performance of UASB reactor for natural rubber processing wastewater treament. International Conference on Sustainability Initiatives (ICSI) 2015 in conjunction with 8th ASEAN Environmental Engineering Conference (AEEC), Kuala Lumpur, Malaysia, 24- 25 August 2015.
100
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Ngọc Bích (2003) Nghiên cứu lựa chọn công nghệ xử lý nước thải ngành chế
biến cao su Việt Nam. Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Việt Nam.
2. Nguyễn Văn Phước (2014) Giáo trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.
3. Nguyễn Hữu Trí (2001) Khoa học kỹ thuật công nghệ cao su thiên nhiên. Nhà xuất bản trẻ.
4. Công ty chứng khoán Đông Nam Á (2016) Báo câp nhật ngành cao su Việt Nam: https://www.aseansc.com.vn.
5. Cục trồng trọt (2014) Hiện trạng và giải pháp phát triển cao su. Hội nghị sản xuất cao su năm 2014. TP Hồ Chí Minh.
6. TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2008) Chất lượng nước - Xác định pH
7. Trường trung học kỹ thuật nghiệp vụ cao su (2003) Lý thuyết kỹ thuật chế biến cao su. Tổng công ty cao su Việt Nam( lưu hành nội bộ). 11-23.
8. Abbasi T and Abbasi S.A (2012) Formation and impact of granules in fostering clean energy production and wastewater treatment in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16: p. 196-1708.
9. Abbasi T, Sanjeevi R, Anurad H, and Abbasi A (2013) Impact of Al3+ on sludge granulation in UASB reactor. Indian Journal of Biotechnology, 12(2): p. 254-259. 10. Ahmad M.W.A, Tichy H.V, and Schön G (1994) Characterization of Acinetobacter Type
Strains and Isolates Obtained from Wastewater Treatment Plants by PCR Fingerprinting. Applied Environmental and Microbiology, 60(11): p. 4066-4071.
11. Ahn Y.H, Song Y.J, Lee Y.J, and Park S (2002) Physicochemical characterization of UASB sludge with different size distributions. Environmental Technology, 23: p. 889 - 897.
12. Aida A, Kuroda K, Yamamoto M, Nakamura A, Hatamoto M, and Yamaguchi T (2015)
Diversity Profile of Microbes Associated with Anaerobic Sulfur Oxidation in an Upflow
Anaerobic Sludge Blanket Reactor Treating Municipal Sewage. Microbes and
101
13. Aiyuk S, Forrez I, Lieven K, Van Haandel A, and Verstraete W ( 2006) Anaerobic and complementary treatment of domestic sewage in regions with hot climates. Bioresource Technology, 97: p. 2225 - 2241.
14. Albuquerque L, França L, Rainey F.A, Schumann P, Nobre M.F, and da Costa M.S (2011) Gaiella occulta gen. nov., sp. nov., a novel representative of a deep branching phylogenetic lineage within the class Actinobacteria and proposal of Gaiellaceae fam. nov. and Gaiellales ord. nov. Systematic and Applied Microbiology, 34(8): p. 595-599. 15. Alphenaar P.A (1993) Phosphorus requirement in high - rate anearobic wastewater
treament. Water Research, 27: p. 749 - 756.
16. Alphenaar P.A (1994) Anaerobic granular sludge: Characterictics, and factors effecting its functioning. Wageningen, Dutch.
17. Malik A, Sakamoto M, Hanazaki S, Osawa M, Suzuki T, Tochigi M, and Kakii K(2003)
Coaggregation among Nonflocculating Bacteria Isolated from Activated Sludge. Applied and Environmental Microbiology, 69(10): p. 6056 - 6063.
18. APHA (American Public Health Asociation), American water works association, and water environment federation (2005) Standard methods for the examination of water and wastewater. 21st ed., Washington DC, USA.
19. Ariesyady H.D, Ito T, and Okabe S (2007) Functional bacterial and archaeal community structures of major trophic groups in a full-scale anaerobic sludge digester. Water Reseacher, 41: p. 1554–1568.
20. Azbar N, Ursillo P, and Speece R.E (2001) Effect of process configuration and substrate complexity on the performance of anaerobic processes. Water Research, 35: p. 817-829. 21. Bae B.U, Shin H.S, Paik B.C, and J.C.C. (1995) Re-activation characteristicsof
preserved anaerobic granular sludges. Bioresource Technology, 53: p. 231–235.
22. Batstone D.J, Keller J, Angelidaki I, Kalyuzhnyi S.V, Pavlostathis S.G, Rozzi A, Sanders W.T.M, Siegrist H, and Vavilin V.A (2002) Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). IWA Task Group for Mathematical Modelling of Anaerobic Digestion Processes, London.
23. Batstone D.J, Keller J, and Blackall (2004) The influent of substrate kinetics on microbial community structure in granular anaerobic biomass. Water Research, 38: p. 1390 - 1404.
102
24. Batstone D.J, Keller J, and Blackall L.L (2004) The influence of substrate kinetics on the microbial community structure in granular anaerobic biomass. Water Research, 38: p. 1390-1404.
25. Beristain-Cardoso R, Gómez J, and Méndez-Pampín R (2011) Sulfide and ammonium oxidation, cetate mineralization by denitrification in a multipurpose UASB reactor.
BioresourceTechnology, 102(3): p. 2549 – 2554.
26. Bhattacharya S.K and Parkin G.F (1989) The effect of ammonia on methane fermentation processes. Journal of the Water Pollution Control Federation, 61: p. 56 – 59.
27. Bhatti Z.I, Furukawa K, and Fujita M (1995) Methanogenic granular sludge formation in an upflow anaerobic sludge blanket reactor treating synthetic methanolic waste. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 11: p. 631-637.
28. Biavati B, Vasta M, and Ferry JG (1988) Isolation and characterization of "Methanosphaera cuniculi" sp. nov. Applied and environmental Microbiology, 54(3): p. 768-771.
29. Bitton G (1999) Wastewater Microbiology. ed. Cail R.G and Barford J.P. New York: Wiley-Liss.
30. Boonsawang P, Laeh S, and Intrasungkha N (2008) Enhancement of sludge granulation in anaerobic treatment of concentrated latex wastewater. Songklanakarin Journal of Science and Technology, 30 (1): p. 111-119.
31. Britz T.J (1999) Enhanced granulation in UASB by process induction and microbial stimulation. WRC Report, (677/1/99).
32. Britz T.J, Van Schalkwyk C, and Roos P (2002) Development of a method to enhance granulation in laboratory batch system. Water SA, 28(1): p. 49 - 54.
33. Calderón K, Gómez G.M, Silván C, Osorio F, Rodelas B, and López G (2013) Archaeal Diversity in Biofilm Technologies Applied to Treat Urban and Industrial Wastewater: Recent Advances and Future Prospects. International Journal of Molecular Sciences,
14(9): p. 18572–18598.
34. Caporaso J.G, Kuczynski J, Stombaugh J, Bittinger K, Bushman F.D, Costello E.K, Fierer N, Peña A.G, Goodrich J.K, Gordon J.I, Huttley G.A, Kelley S.T, Knights D, Koenig J.E, Ley R.E, Lozupone C.A, McDonald D, Muegge B.D, Pirrung M, Reeder J, Sevinsky J.R, Turnbaugh P.J, Walters W.A, Widmann J, Yatsunenko T, Zaneveld J, and Knight R (2010) QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data.
103
35. Caporaso J.G, Lauber C.L, Walters W.A, Berg-Lyons D, Huntley J, Fierer N, Owens S.M, Betley J, Fraser L, Bauer M, Gormley N, Gilbert J.A, Smith G, and R. K. (2012)
Ultra-high-throughput microbial community analysis on the Illumina HiSeq and MiSeq platforms. International Society for Microbial Ecology, 6: p. 1621-1624.
36. Caporasoa J.G, Lauberb C.L, Waltersc W.A, Berg-Lyonsb D, Lozuponea C.A, Turnbaughd P.J, Fiererb N, and Knight R (2011) Global patterns of 16S rRNA diversity at a depth of millions of sequences per sample. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 108 (1): p. 4516 – 4522.
37. Chen J and Lun S.Y (1993) Study on mechanism of anaerobic sludge granulation in UASB reactors. Water Science and Technology, 28: p. 171–178.
38. Chen K and Pachter L (2005) Bioinformatics for Whole-Genome Shotgun Sequencing of Microbial Communities. PLOS Computational Biology, 1(2): p. 106 - 112.
39. Chen S and Dong X (2005) Proteiniphilum acetatigenes gen. nov., sp. nov., from a UASB reactor treating brewery wastewater. International Journal Of Systematic And Evolutionary Microbiology, 55: p. 2257–2261.
40. Chernicharo L (2007) Anaerobic Reactors. IWA Publishing, Alliance House, 12 Caxton Street, London , UK.
41. Delbès C, Moletta R, and Godon J.J (2000) Monitoring of activity dynamics of an anaerobic digester bacterial community using 16S rRNA PCR-single-strand conformation polymorphism analysis (SSCP). Environmental Microbiology, 5: p. 506– 515.
42. Demire B and Scherer P (2008) The roles of acetotrophic and hydrogenotrophic
methanogens during anaerobic conversion of biomass to methane. Reviews in
Environmental Science and Bio/Technology, 7: p. 173–190.
43. Dridi B, Fardeau M.L, Ollivier B, Raoult D, and Drancourt M (2012)
Methanomassiliicoccus luminyensis gen. nov., sp. nov., a methanogenic archaeon isolated from human faeces. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 62(8): p. 1902-1907.
44. Ducey T.F and Hunt P.G (2013) Microbial community analysis of swine wastewater anaerobic lagoons by next-generation DNA sequencing. Elsevier: Anaerobe, 21: p. 50- 57.
104
45. El-Mamouni R, Leduc R, and Guiot S.R (1997) Influence of the starting microbial nucleus type on the anaerobic granulation dynamics. Applied Microbiology and Biotechnology, 47: p. 189–194.
46. El-Mamouni R, Leduc R, and Guiot S.R (1998) Influence of synthetic and natural polymers on the anaerobic granulation process. Water Science and technology of Japan,
38: p. 341–347.
47. Fang H.H.P, Chui H.K, and Li Y.Y (1995) Effect of degradation kinetics on the microstructure of anaerobic biogranules. Water Science and technology of Japan, 32: p.