Trong thời kỳ khởi động hệ thống UASB với cơ chất có năng lượng cao như hydratcacbon đã tạo điều kiện cho các nhóm sinh axít phát triển và thúc đẩy sự hình thành các polime ngoại bào tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành bùn hạt. Việc sử dụng nước thải có bổ sung rỉ đường đã rút ngắn thời gian hình thành bùn hạt so với nước thải giàu axit béo bay hơi [97]. Rỉ đường là một trong những cơ chất giàu hydratcacbon, rẻ và phổ biến ở Việt Nam. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung rỉ đường đến sự hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB. Các thông số đánh giá trong quá trình hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung rỉ đường là kích thước và hình thái hạt bùn, SVI và khả năng sinh khí metan.
a. Kích thước hạt bùn
Trong quá trình vận hành UASB với nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung 1 g/L rỉ đường, bùn phân tán đã hình thành hạt. Hình thái bùn hạt được hình thành theo thời gian được chỉ ra trong hình 3.13.
67
(A): 20 ngày (B): 38 ngày
Hình 3.13. Hình thái bùn hạt trong hệ thống UASB có bổ sung rỉ đường
Bùn hạt được quan sát vào ngày thứ 20. Hạt bùn có màu đen, hình tròn hoặc oval, kích thước hạt tăng dần theo thời gian. Để đánh giá quá trình hình thành bùn hạt khi khởi động hệ thống UASB, tỷ lệ phân bố kích thước của bùn hạt cũng được đánh giá. Tỷ lệ phân bố kích thước của bùn hạt khi bổ sung rỉ đường được biểu diễn trong hình 3.14.
Hình 3.14. Phân bố kích thước hạt bùn vào ngày 20 và ngày 38 khi bổ sung rỉ đường Vào ngày 20, phân bố đường kích bùn hạt từ 1-2 mm chiếm 9,02%, từ 0,5-1 mm chiếm 35,45% và nhỏ hơn 0,5 mm chiếm 55,5%. Vào ngày 38, phân bố kích thước bùn hạt đã thay đổi trong đó đường kích hạt lớn hơn 2 mm chiếm 13,8%, từ 1-2 mm chiếm 24,9%, từ 0,5-1 mm chiếm 42,4% và nhỏ hơn 0,5 mm chiếm 19%. So với bùn ở dạng phân tán ban đầu, sau 20 ngày khởi động hạt bùn đã xuất hiện và tăng dần kích thước theo thời gian vận hành.
68
Việc bổ sung rỉ đường đã rút ngắn thời gian hình thành hạt bùn từ 45 ngày xuống còn 20 ngày và kích thước hạt bùn cũng lớn hơn. So với việc bổ sung 300 mg-AlCl3/L trong quá trình tạo bùn hạt, mặc dù thời gian xuất hiện hạt bùn tương đương nhau (20 ngày) nhưng quá trình tạo bùn hạt khi bổ sung rỉ đường đã xuất hiện các hạt bùn kích thước từ 1,0 – 2,0 mm trong khi bổ sung AlCl3 kích thước hạt bùn khoảng 0,2 mm. Hơn nữa, sau 38 ngày khởi động cùng với việc bổ sung rỉ đường, các hạt bùn có kích thước lớn hơn 2 mm chiếm 13,8% trong khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L tỷ lệ các hạt bùn có kích thước này đến ngày thứ 60 mới đạt 13,0%. Do đó trong quá trình khởi động hệ thống UASB, việc bổ sung rỉ đường đã cải thiện quá trình tạo bùn hạt tốt hơn việc bổ sung 300 mg-AlCl3/L.
Jawjit và Liengcharernsit (2013) cũng nghiên cứu quá trình xử lý nước thải sơ chế mủ cao su ở Thái Lan bằng hệ thống UASB với nước thải được chuẩn bị từ 10% nước thải sơ chế mủ cao su và 90% D-glucoza. Kết quả chỉ ra rằng bùn hạt được hình thành sau ngày 89 với kích thước hạt trong khoảng 1,0 – 2,0 mm [79]. So với nghiên cứu này, việc hình thành hạt bùn trong hệ thống UASB đã rút ngắn thời gian khi bổ sung 1 g/L rỉ đường vào nước thải sơ chế mủ cao su. Do đó, việc bổ sung 1g/L rỉ đường vào nước thải sơ chế mủ cao su đã nâng cao hiệu quả hình thành bùn hạt trong quá trình khởi động UASB.
b. Chỉ số SVI
Hình 3.15 chỉ ra SVI của bùn hạt trong các mẫu đối chứng (không bổ sung gì), bổ sung AlCl3 và bổ sung rỉ đường.
Hình 3.15. Chỉ số SVI cùa bùn hạt khi bổ sung AlCl3 và rỉ đường
Kết quả chỉ ra rằng chỉ số SVI của bùn hạt được hình thành trong quá trình bổ sung rỉ đường thấp nhất (12,03 mL/g). Jawjit và Liengcharernsit (2013) cũng chỉ ra SVI của hạt bùn được tạo ra trong quá trình khởi động hệ thống có bổ sung 90% D-glocose là 7,71 mL/g [79].
69
Như vậy, việc bổ sung hydratcacbon nói chung và rỉ đường nói riêng đã đưa đến việc hình thành bùn hạt có chỉ số lắng thấp hay bùn có khả năng lắng cao
c. Hiệu suất sinh khí metan
Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan trong quá trình tạo hạt có bổ sung AlCl3 và bổ sung rỉ đường được biểu diễn trong hình 3.16.
Hình 3.16. Hiệu suất sinh khí và tỷ lệ khí metan khi vận hành UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su bổ sung AlCl3 và rỉ đường
Hiệu suất sinh khí metantrung bình trong 38 ngày đầu có bổ sung rỉ đường là 0,289 ± 0,07 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa và trong 22 ngày tiếp theo khi không bổ sung rỉ đường là 0,324 ± 0,037 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa với tỷ lệ CH4 chiếm 85,0 ± 3,1%. Trong 38 ngày đầu, bổ sung rỉ đường hiệu suất sinh khí metan thấp hơn bổ sung AlCl3 có thể do rỉ đường cũng là một
70
loại cơ chất chứa chủ yếu là hydratcacbon được các vi sinh vật chuyển hóa thành ECP nên làm giảm hiệu suất sinh khí metan. Những ngày tiếp theo khi không bổ sung rỉ đường vào nước thải sơ chế mủ cao su, hiệu suất sinh khí metan tăng lên rõ rệt, cao hơn mẫu đối chứng và tương đương với mẫu bổ sung AlCl3. So với bùn phân tán, hiệu suất sinh khí metan tăng 25,6%.
Khi bổ sung rỉ đường với liều lượng là 1 g/L vào nước thải sơ chế mủ cao su đã rút ngắn thời gian hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB. Hạt bùn đã hình thành sau 20 ngày vận
hành trong điều kiện nước thải dòng vào OLR từ 3,19 ± 0,68 kg-COD/(m3.
ngày), HRT là 12 giờ. Sau 38 ngày kích thước hạt bùn lớn hơn 2 mm là 13,8%. Chỉ số SVI giảm đến 12,03 mL/g và được duy trì ổn định trong suốt quá trình vận hành. Hiệu suất sinh khí metan là 0,324 ± 0,037 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa và tỷ lệ khí metan 85,0 ± 3,1%.
Các phương án tạo bùn hạt và tính chất của bùn hạt khi tăng OLR, bổ sung AlCl3 và rỉ đường được tổng hợp trong bảng 3.6.
Bảng 3.6. Tính chất bùn hạt kỵ khí ở các điều kiện khác nhau
Thông số kiểm soát
Điều kiện vận hành
OLR: 3,16 ± 0,78 kg-COD/(m3.ngày)
Đối chứng Bổ sung 300 mg-AlCl3/L
Bổ sung 1 g/L rỉ đường SVI hạt bùn (mL/g) 16,64 17,1 12,03 Hiệu suất sinh metan trong 60 ngày (m3
-
CH4/kg-CODchuyển hóa ) 0,260 ± 0,093 0,322 ± 0,091 0,324 ± 0,037* Thời gian xuất hiện hạt bùn (ngày) 45 20 20 Kích thước hạt khi xuất hiện (mm) d < 1 d < 0,5 d < 2 Thời gian hạt bùn đạt kích thước ≥ 2 mm
(ngày) 60 60 38
Tỷ lệ hạt bùn kích thước ≥ 2 mm (%) 5,1 13,0 13,8
* Xác định từ ngày 38 đến ngày 60
Như vậy, quá trình tạo bùn hạt bằng nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung 1 g/L rỉ đường đã rút ngắn được thời gian, hiệu suất sinh khí metan trong nước thải sơ chế mủ cao su
71
của bùn hạt bổ sung rỉ đường cao nhất và chỉ số lắng SVI thấp nhất. Với các tính chất này, bùn hạt khi bổ sung rỉ đường sẽ đưa đến hiệu quả xử lý và sự ổn định của hệ thống UASB trong điều kiện vận hành tại OLR cao.
Quy trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB trên quy mô 20L được trình bày trên sơ đồ hình 3.17.
Hình 3.17. Quy trình tạo bùn hạt trong UASB (quy mô phòng thí nghiệm)
Tạo hạt bùn
Thể tích UASB: 20L
MLSS: 48,85 g/L
HRT: 12 giờ
Nhiệt độ: 35oC Thời gian: 38 ngày Nước thải cao su
(OLR: 3,16 ± 0,78 kg-COD/(m3.ngày), pH: 6,0 – 8,0) Rỉ đường 1g/L Đánh giá sự hình thành bùn hạt Bùn hạt Bùn phân tán: SMA: 0,310 ± 0,007 (gCH4- COD/gVSS.ngày) Hoạt hóa bùn Thể tích UASB: 20L MLSS: 53,10 g/L HRT: 18 giờ
Thời gian:70 ngày Nước thải cao su
(OLR 0,72 – 2,61 kg-COD/(m3.ngày), pH: 6,8 –7,2) MLSS: 58,87 g/L SMA: 0,831 ± 0,013 (gCH4-COD/gVSS.ngày) Kích thước hạt ≥ 2mm: 13,8%
Hình thái hạt: tròn hoặc oval
SVI: 12 (mL/g)
Hiệu suất sinh metan: 0,324 ± 0,037 (m3-CH4/kg-CODchuyển hóa) Sàng cỡ lỗ: 0,2 mm, lấy
72