Công thức cấu tạo của PVA gel được trình bày trong Hình 2.2.
Hình 2.2 Công thức cấu tạo Polyvinyl alcohol (VectorStock.com)
Hạt PVA gel lần đầu được cung cấp bởi công ty Kuraray (Nhật Bản), từ đó nó được phổ biến trên thế giới. Những ưu điểm của hạt PVA Gel trong lĩnh vực xử lý nước thải được nhà sản xuất công bố như sau (kuraray.co.jp):
PVA gel dạng hạt có đường kính 4 mm, trọng lượng riêng 1.025 ± 0.01 và đặc biệt cần ít năng lượng để xáo trộn;
PVA gel cú mạng lưới cỏc lỗ cú đường kớnh khoảng 20 àm;
PVA gel sinh ra ít bùn hơn phương pháp sinh học truyền thống;
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
PVA gel có hàm lượng nước cao do độ xốp lớn, do đó cho phép các chất cần thiết thấm qua màng để nuôi dưỡng bùn;
PVA gel cơ bản không bị tan trong nước và phân hủy sinh học;
Tùy thuộc vào đặc tính nước thải mà khả năng xử lý của PVA gel có thể tăng cường gấp 5 lần bùn hoạt tính thông thường;
PVA gel cho phép nâng cấp các hệ thống thông qua các bể hiện hữu hoặc thiết kế các đơn vị xử lý mới.
Theo nghiên cứu về PVA gel để cố định bùn kỵ khí trong bể phản ứng UASB của Tài và cộng sự (2016), PVA gel ở dạng keo nồng độ 8% (w/v) được biến tính bằng cách nhỏ giọt vào dung dịch axit boric bão hòa (6%, w/v) và ngâm trong 2 giờ.
Để tăng độ bền, hạt được ngâm trong dung dịch natri sulfate 1M trong 1 giờ. Giá thể PVA dạng hạt có đường kính 3.5 - 5 mm, tỉ trọng 1.03 - 1.08, hạt có độ bền cơ học cao và tính đàn hồi tốt. Cấu trúc bề mặt hạt và lỗ xốp bên trong đã được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM). Nghiên cứu đã tiến hành cố định bùn hoạt tính yếm khí trong ba hệ thống UASB xử lý nước thải cao su lên giá thể PVA với các tỉ lệ bùn/hạt PVA là 1/1, 2/1, 3/1 (v/v). Kết quả thu được ở tỉ lệ bùn/hạt là 1/1 (v/v) thì hoạt tính sinh metan (SMA) của hạt là 0.133 g COD/g VSS.ngày, đạt 17 % so với hoạt tính SMA của bùn phân tán trong cùng hệ thống và lượng sinh khối bám dính trên giá thể là 0.936 g VSS/g hạt PVA khô sau 90 ngày.
Eszter và cộng sự (2010) đã so sánh hiệu quả sản xuất khí sinh học giữa bể kị khí giá thể PVA gel di động và bể kị khí thông thường. Ở giai đoạn khởi chạy mô hình, việc khuấy trộn liên tục nhầm mục đích đảm bảo điều kiện tiếp xúc bề mặt PVA Gel với các thành phần nước thải. Lượng protein hình thành sau 10, 20, 50 ngày hoạt động tương ứng là 0.002, 0.009 và 0.01 g protein/ g hạt. Điều này cho thấy sự hình thành màng ở các hạt PVA gel đã đạt được. Các bể phản ứng đã hoạt động ổn định trong 50 ngày và kết quả là hiệu quả của việc sản xuất khí sinh học trong lên men kỵ khí có thể tăng ít nhất 28% với sự hình thành màng sinh học trong PVA gel.
Wenjie và cộng sự (2008) nghiên cứu về việc nâng cao sự hình thành bùn hạt trong bể UASB khi sử dụng hạt PVA gel. Trước khi xử lý, hạt PVA Gel có màu
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
trắng và bùn màu vàng. Những sự thay đổi bên ngoài được ghi nhận liên tục từ 15 - 20 ngày. Chỉ sau 5 ngày hoạt động, một số hạt PVA Gel đã chuyển sang màu vàng nhạt và sau 1 tháng, hạt PVA Gel chuyển sang đen trong khi bông bùn bên ngoài vẫn còn màu vàng nhạt. Hạt PVA Gel đen có vận tốc lắng trung bình 200 m/h và dính bám lượng sinh khối 0.93 g VSS/g PVA. Các sinh khối bám trên bề mặt PVA Gel được mô tả như trong báo cáo của Zhou và cộng sự (2006). Khi vi sinh kỵ khí bám vào PVA Gel theo thời gian, màu sắc các hạt PVA Gel dần chuyển sang màu đen.
Hoa và cộng sự (2006) đã thực hiện nghiên cứu đánh giá hiệu quả loại bỏ Nitơ khi sử dụng PVA gel làm chất mang bùn anammox và ứng dụng trong 1 bể phản ứng FBR. Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ TN là 83% tại nồng độ 606 mg N/l và thời gian lưu nước là 9h. Với thời gian lưu nước là 9 - 4h tại nồng độ là 605 mg N/l thì hiệu suất xử lý đạt 75% trở lên. Trong đó, tại HRT = 4h thì hiệu quả loại bỏ đạt 83%. Tuy nhiên hiệu quả loại bỏ tổng nitơ giảm xuống còn 70% khi giảm thời gian lưu nước từ 4h về còn 3h. Tỷ lệ loại bỏ TN khá cao là 1.35 kg N/m3.ngày (ứng với hiệu quả loại bỏ NH4+ đạt 0.71 kg N/m3.ngày) tại thời gian lưu nước 9h và 3.0 kg N/m3.ngày (ứng với hiệu quả loại bỏ NH4+ đạt 1.5 kg N/m3.ngày) tại thời gian lưu nước từ 9 - 4h. Vi khuẩn anammox bám trên bề mặt và lớp mỏng phía trong hạt PVA Gel nhưng không bám được vào trong lõi của hạt PVA Gel. Hiện tượng này có thể là do vi khuẩn hình thành một lớp màng kín tại mặt ngoài và đường kính lỗ rỗng tại mặt ngoài nhỏ hơn đường kính lỗ rỗng tại lõi hạt làm cho vi khuẩn không thể xâm nhập vào lõi hạt. Thời gian lưu nước không nên quá ngắn và nên duy trì ở mức từ 4h trở lên.
Cho và cộng sự (2018) đã thực nghiệm với 4 cột phản ứng liên tục sử dụng PVA gel làm chất mang, với bùn nuôi cấy từ các nguồn khác nhau có cấu trúc cộng đồng vi sinh riêng biệt. Khi nhóm nghiên cứu cho mô hình chạy với tải trọng Nitơ cao (1.0 kg-N/m3.ngày) và ổn định trong một thời gian dài (182 ngày), thì một chủng loại Anammox, “Candidatus Brocadia sinica”, đã chiếm ưu thế trong tất cả các cột. Các kết quả cho thấy rõ ràng rằng điều kiện NLR cao là một yếu tố quan
NGUYỄN HOÀNG DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
trọng hơn quyết định cộng đồng Anammox cuối cùng hơn là loại hình nguồn bùn nuôi cấy ban đầu.
Quá trình cố định bùn anammox vào PVA Gel được Quan và cộng sự (2010) thực hiện theo Hình 2.3.
Hình 2.3 Quy trình sản xuất PVA Gel (Quan và cộng sự, 2010)