Bùn giống có thể là bùn từ bể tự hoại, bùn cống và bùn từ hệ thống xử lý kỵ khí của nhà máy. Hệ thống UASB cũng được khởi động bằng bùn hạt để rút ngắn giai đoạn khởi động [98]. Quá trình tạo bùn hạt diễn ra nhanh chóng cùng với việc làm giàu tập đoàn vi sinh vật sinh metan trong chuỗi thức ăn (làm giàu chi Methanosaeta và Methanosarcina). Tuy nhiên, quá trình hình thành bùn hạt chậm lại khi bùn giống chứa nhóm acidogen với tỷ lệ cao. Tốc độ tăng kích thước hạt bùn là 31 µm/ngày đối với bùn giống chứa tất cả vi sinh vật trong chuỗi thức ăn, 21 µm/ngày với chi Methanosaeta, 18 µm/ngày với chi Methanosarcina và 7 µm/ngày với nhóm acidogen [45]. Tập hợp các vi sinh vật trong chuỗi thức ăn và chủng
Methanosaeta đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo bùn hạt. Người ta mong đợi sự hình thành bùn hạt có thể xúc tiến bằng cách điều khiển các thành phần vi sinh vật trong bùn giống [170]. Tuy nhiên vẫn chưa có chỉ dẫn chi tiết về các loài chủ yếu trong thành phần bùn giống và cách kiểm soát chúng để thúc đẩy sự hình thành bùn hạt.
1.6.4. Các chất dinh dưỡng
Các công bố về tác động của hàm lượng nitơ và photpho đến quá trình hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB không rõ ràng. Một số tác giả cho rằng việc bổ sung một lượng dư nitơ và photpho hữu ích cho quá trình hình thành bùn hạt và ngừng bổ sung khi hạt bùn hình thành mà không có tác động tiêu cực đến sự phát triển hạt bùn [59]. Sự tăng trưởng tế bào vi sinh vật giảm đáng kể khi hàm lượng nitơ nhỏ hơn 300 mg/L [160]. Nitơ, photpho và kali được sử dụng để kiểm soát sự quá tải và ngăn chặn bùn nổi [15]. Sự có mặt sunfua có thể hỗ trợ cho quá trình khử nitơ amon, chúng đóng vai trò như chất cho điện tử để tạo thành N2 [25]. Sự tích tụ các ion amon làm thay đổi độ pH nội bào và ức chế các enzym tổng hợp metan [59].
1.6.5. Các nguyên tố khoáng
Các ion dương như Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ và Al3+ liên kết với các tế bào mang điện tích âm để tạo thành cụm vi sinh vật thúc đẩy sự hình thành bùn hạt. Quá trình hình thành bùn hạt được cải thiện đáng kể khi thêm Ca2+
với hàm lượng trong khoảng 100 - 200 mg/L [102, 145]. Quá trình này cũng được cải thiện khi bổ sung 80 mg/L Ca2+ nhưng khi tăng hàm lượng Ca2+ đến 320 mg/L thì mất khả năng cải thiện. Khi hàm lượng Ca2+ tăng đến 500 – 600 mg/L gây bất lợi cho quá trình tạo hạt do hàm lượng Ca2+ cao sẽ kết tủa trên bề mặt hạt bùn và làm giảm hoạt tính vi sinh vật [145, 191].
Al3+ tác động tốt đến sự hình thành hạt bùn. Hiệu quả tạo hạt bùn tốt nhất khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L [9, 30, 190]. Ion Al3+ cải thiện việc lưu giữ sinh khối và tăng tốc độ loại bỏ COD. Tuy nhiên, khi OLR vượt quá 5,3 kg COD /m3.ngày, bổ sung Al3+ khiến SMA giảm nhẹ trong khi SMA của mẫu đối chứng vẫn tiếp tục tăng. Việc bổ sung AlCl3 chỉ có vai trò quan trọng
30
trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành hạt (từ ngày 1 – 60) và giảm hiệu quả khi hạt trưởng thành [190]. Khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L vào thiết bị UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Thái Lan, hạt bùn có kích thước 0,8 mm xuất hiện vào ngày 35, trong khi không bổ sung AlCl3 kích thước này xuất hiện vào ngày 63. Hơn nữa, các thiết bị có bổ sung AlCl3 ổn định trong vòng 45 ngày, sớm hơn thiết bị đối chứng 10 ngày [30]. Tóm lại, bổ sung AlCl3 rút ngắn thời gian tạo bùn hạt. Hàm lượng thích hợp nhất là 300 mg-AlCl3/L.
1.6.6. Các vitamin
Các nghiên cứu đầu tiên về vai trò của vitamin trong quá trình hình thành bùn hạt đã được thực hiện trong hệ thống UASB. Hai vitamin B3 và C có ảnh hưởng tốt đến kích cỡ hạt và SVI của bùn hạt. Khi bổ sung vitamin, hiệu suất xử lý COD đạt trên 85%. Sự hình thành bùn hạt cũng nhanh hơn và tốt hơn khi bổ sung các vitamin với hàm lượng ≤ 1 mg/L [8].
1.6.7. Các chất tạo keo
Bổ sung các polime có thể xúc tiến quá trình hình thành bùn hạt. Tốc độ tạo bùn hạt tăng 2,5 lần và SVI không thay đổi khi bổ sung kitosan [46]. Kitosan đóng vai trò tương tự ECP. Bổ sung kitosan có thể thay đổi tính chất bề mặt của vi sinh vật và tạo mạng lưới không gian 3 chiều, nơi mà các vi sinh vật có thể cư trú và phát triển. Polime tích điện dương AA180H cũng đã nâng cao khả năng tạo bùn hạt với nồng độ tối ưu là 80 mg/L, thời gian tạo hạt giảm 43% tại OLR là 12 kg-COD/(m3.ngày) [157].
1.6.8. Nhiệt độ
Sự hình thành bùn hạt có quan hệ chặt chẽ với sự thay đổi nhiệt độ. Nhóm methanogen là thành phần chủ chốt trong quá trình tạo bùn hạt, chúng phát triển chậm với thời gian thế hệ là 2,6 ngày ở 35 oC và 50 ngày ở 10 oC [29]. Khi nhiệt độ dưới 30 oC, nhóm methanogen bị kìm hãm. Khi nhiệt độ tăng đến 55 oC, hiệu quả chuyển hóa COD giảm nhanh và bùn dễ bị rửa trôi. Hầu hết hệ thống UASB vận hành ở nhiệt độ 22 - 40 oC, nhiệt độ tối ưu là 35 oC [164].
1.6.9. pH
Các nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến sự hình thành bùn hạt kỵ khí chỉ ra rằng: độ bền của bùn hạt giảm khi pH 8,5 – 11,0; độ bền của bùn hạt kỵ không thay đổi khi pH 5,5 - 8,0; độ bền của bùn hạt giảm rõ rệt khi pH 3,0 - 5,0 [170]. Như vậy, điều kiện thuận lợi để duy trì cấu trúc bùn hạt là môi trường hơi axit.
31
1.7. Các thông số đánh giá hạt bùn kỵ khí