Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su

Cây cao su và tình hình phát tri n ..... Các nguyên t khoáng .... Các vitamin .... Các ph ng pháp phân tích ..... Ngoài ra h th ng này tiêu th n ng l ng ít, di n tích xây d ng công trình

L I CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan: Lu n án này là công trình nghiên c u th c s c a cá nhân,

đ c s h ng d n khoa h c c a PGS.TS Nguy n Lan H ng vƠ PGS.TS.Tô Kim Anh

Các s li u, nh ng k t qu nghiên c u đ c trình bày trong lu n án này trung th c

vƠ ch a t ng đ c công b d i b t c hình th c nào

Tôi xin ch u trách nhi m v nghiên c u c a mình

L I C M N

L i đ u tiên, tôi xin chân thành c m n PGS.TS Nguy n Lan H ng và PGS.TS

Tô Kim Anh đƣ h ng d n và t o m i đi u ki n thu n l i nh t cho tôi th c hi n các k

ho ch h c t p, nghiên c u lu n án này v i s t n t y, sáng su t và khoa h c cao

Tôi r t bi t n vƠ trơn tr ng s giúp đ quý báu c a GS Yamaguchi Takashi, Phòng Thí nghi m Môi tr ng đ t vƠ n c, Khoa Xây d ng và K thu t Môi tr ng,

i h c K thu t Nagaoka, Nh t B n

Tôi xin trân tr ng c m n Chính ph Vi t Nam đã h tr kinh phí h c t p, nghiên

c u thông qua đ án 911 Tôi c ng trơn tr ng c m n Qu khuy n h c Thành ph Hà

N i

Tôi xin g i l i c m n đ n toàn th cán b , nhơn viên v n phòng d án “T o l p vòng tu n hoàn cacbon v i cơy cao su thiên nhiên” vƠ Vi n Nghiên c u và Phát tri n

ng d ng các h p ch t thiên nhiên, Tr ng i h c Bách Khoa Hà N i

Tôi xin g i l i c m n đ n c quan tôi đang công tác: Khoa Tài nguyên Môi

tr ng, Tr ng Cao đ ng C ng đ ng Hà Tây v s ng h , giúp đ , t o đi u ki n v

m i m t trong quá trình tôi th c hi n lu n án

Tôi xin g i l i c m n đ n các th y cô B môn Công ngh Sinh h c, Vi n Công ngh Sinh h c và Công ngh Th c ph m, Tr ng i h c Bách Khoa Hà N i v i

nh ng góp ý thi t th c trong su t quá trình tôi làm lu n án

Tôi xin g i l i c m n đ n đ n nh ng nhà khoa h c, các b n đ ng nghi p vì s giúp đ thi t th c cho lu n án này

Tôi xin đ c g i l i c m n đ c bi t nh t t i gia đình tôi Nh ng ng i đƣ luôn bên c nh, chia s nh ng khó kh n vƠ lƠ đ ng l c giúp tôi hoàn thành lu n án

M C L C DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ T VI T T T IV DANH M C B NG V DANH M C HÌNH VI

CH NG 1 T NG QUAN TÀI LI U 3

1.1 T ng quan ngành công nghi p s ch m cao su thiên nhiên 3

1.1.1 Cây cao su và tình hình phát tri n 3

1.1.2 Thành ph n và c u trúc m cao su thiên nhiên 3

1.1.3 Công ngh s ch m cao su 4

1.2 Tính ch t n c th i s ch m cao su 5

1.3 Tình hình nghiên c u v x lỦ n c th i s ch m cao su thiên nhiên 7

1.3.1 Ngoài n c 7

1.3.2 Trong n c 9

1.4 B k khí v i dòng ch y ng c qua l p bùn ho t tính (UASB) 11

1.4.1 Quá trình phân hu k khí 11

1.4.2 c tính chung c a h th ng UASB 14

1.4.3 u, nh c đi m 15

1.5 S hình thành h t bùn 16

1.5.1 Bùn k khí d ng h t 16

1.5.2 C u trúc h t bùn k khí 16

1.5.3 Các thành ph n c b n c a h t bùn 18

1.5.4 C s lý thuy t c a quá trình t o h t bùn k khí 22

1.6 Các y u t nh h ng đ n quá trình hình thành bùn h t k khí 27

1.6.1 nh h ng c a c ch t 28

1.6.2 T i tr ng h u c 28

1.6.3 c tính c a bùn gi ng 28

1.6.4 Các ch t dinh d ng 29

1.6.5 Các nguyên t khoáng 29

1.6.6 Các vitamin 29

1.6.7 Các ch t t o keo 30

1.6.8 Nhi t đ 30

1.6.9 pH 30

1.7 Các thông s đánh giá h t bùn k khí 30

1.7.1 Ho t tính sinh metan 30

1.7.2 Kích th c và t tr ng h t bùn 31

1.7.3 Ch s th tích bùn l ng 32

1.7.4 b n c h c 32

1.7.5 Màu s c 32

1.8 M t s ph ng pháp sinh h c phân t ng d ng trong xác đ nh thành ph n vi sinh v t trong bùn k khí 32

CH NG 2 V T LI U VÀ PH NG PHÁP NGHIểN C U 35

2.1 V t li u 35

2.1.1 i t ng nghiên c u 35

2.1.2 Hóa ch t 36

2.1.3 Thi t b 37

2.2 Ph ng pháp nghiên c u 39

2.2.1 Các ph ng pháp phân tích 39

2.2.2 N i dung nghiên c u 44

CH NG 3 K T QU VÀ TH O LU N 47

3.1 Kh o sát đ c tính n c th i s ch m cao su thiên nhiên 47

3.1.1 N c th i nhà máy t i khâu đánh đông 47

3.1.2 Ti n x lý n c th i nhà máy 50

3.1.3 N c th i đánh đông trong phòng thí nghi m 49

3.2 Nghiên c u t o bùn h t trong h th ng UASB 53

3.2.1 Ho t hóa bùn trong h th ng UASB 53

3.2.2 Nghiên c u m t s đi u ki n nh h ng t i s hình thành bùn h t 56

3.3.1 nh h ng c a t i tr ng h u c 56

3.3.2 nh h ng c a AlCl3 61

3.3.3 nh h ng c a r đ ng 65

3.3 Thành ph n vi sinh v t trong các lo i bùn h t k khí 71

3.3.1 Thành ph n vi khu n 74

3.3.2 Thành ph n c khu n 79

3.4 X lỦ n c th i s ch m cao su b ng UASB s d ng bùn ho t tính d ng h t 84

3.4.1 Hi u qu x lý c a bùn h t 84

3.4.2 ánh giá s thay đ i c u trúc h t bùn 87

3.5 i u ki n b o qu n h t bùn 90

3.5.1 S thay đ i ho t tính sinh metan riêng 91

3.5.2 S thay đ i COD hòa tan trong môi tr ng b o qu n 92

3.5.3 S thay đ i kích th c h t bùn 93

K T LU N 96

KI N NGH 97

DANH M C CỄC CỌNG TRỊNH Ã CỌNG B C A LU N ỄN 98

TÀI LI U THAM KH O 99

DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ T VI T T T

KỦ t Ti ng Anh Chú gi i

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu c u oxy hóa sinh h c

BR Baffled Reactor Thi t b vách ng n (b y cao su)

COD Chemical Oxygen Demand Nhu c u oxy hóa h c

DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxiribonucleic

DHS Downflow Hanging Sponge Thi t b l c hi u khí v i dòng ch y t

trên xu ng qua l p mút x p DPNR Deprotein natural ruber Cao su thiên nhiên lo i protein

DRC Dry Rubber Content HƠm l ng cao su khô

ECP Extracellular Polymer S n ph m ngo i bào

HRT Hydraulic retention time Th i gian l u c a n c th i

MLSS Mixed Liquor Suspended Solid N ng đ sinh kh i l l ng

MLVSS Mixed Liquor Volatile Suspended Solid N ng đ sinh kh i l l ng bay h i NGS Next Generation Sequencing Gi i trình t gen th h m i

N-NH3 Amonia Nit amon

OLR Organic Loading Rate T i tr ng h u c

SBR Sequencing Batch Reactor Thi t b x lý tu n t theo m

SDS Sodium dodecyl sulphate CH3(CH2)11SO4Na

SMA Specific Methane Activity Ho t tính sinh methan riêng

SS Suspended Solid Ch t r n l l ng

SVI Sludge Volume Index Ch s th tích bùn l ng

TN Total Nitrogen T ng nit

UASB Upflow Anaerobic Slugde Blanket Thi t b x lý k khí v i dòng ch y

ng c qua l p bùn ho t tính VFA Volatile Fatty Axit Axit béo bay h i

VSS Volatile Suspended Solid Ch t r n l l ng bay h i

DANH M C B NG

B ng 1.1 Thành ph n hóa h c c a m cao su thiên nhiên 4

B ng 1.2 c tính n c th i s ch m cao su Vi t Nam 6

B ng 1.3 M t s vi sinh v t chi m u th xu t hi n trong bùn h t k khí 19

B ng 1.4 Hi u su t sinh khí metan c a m t s lo i bùn 31

B ng 1.5 Ho t tính sinh metan riêng c a m t s lo i bùn 31

B ng 1.6 Các ph ng pháp sinh h c phân t phân tích thành ph n vi sinh v t 33

B ng 3.1 c tính n c th i khơu đánh đông c a nhà máy cao su t i Thanh Hóa 47

B ng 3.2 HƠm l ng VFA t i khơu đánh đông c a nhà máy cao su t i Thanh Hóa 49

B ng 3.3 c tính n c th i tr c và sau khi qua b y cao su 53

B ng 3.4 c tính n c th i s ch m cao su đánh đông trong phòng thí nghi m 50

B ng 3.5 HƠm l ng MLSS và MLVSS c a bùn gi ng vƠ bùn đƣ ho t hóa 55

B ng 3.6 Tính ch t bùn h t k khí v i các quá trình t o bùn h t 70

B ng 3.7 T l các nhóm vi khu n chi m u th trong các m u bùn 75

DANH M C HÌNH

Hình 1.1 C u t o hóa h c cao su thiên nhiên 3

Hình 1.2 S đ công ngh s ch m cao su thiên nhiên 5

Hình 1.3 Các ph ng th c trao đ i ch t trong quá trình lên men k khí 11

Hình 1.4 S đ thi t b UASB 15

Hình 1.5 Bùn h t k khí 17

Hình 1.6 Các l p vi sinh v t và quá trình phân h y trong h t bùn 18

Hình 1.7 Mô hình phát tri n h t bùn đ c đ xu t b i Pareboom 23

Hình 1.8 Mô hình h t nhơn tr 23

Hình 1.9 Mô hình b n b c 24

Hình 1.10 Mô hình chuy n v proton và kh n c 25

Hình 1.11.Mô hình liên k t ion đa hóa tr 25

Hình 1.12 Mô hình liên k t ECP 26

Hình 1.13 M i quan h gi a y u t vi sinh v t và các thông s công ngh trong quá trình t o bùn h t 27

Hình 2.1 N c th i đánh đông m cao su 35

Hình 2.2 S đ h th ng UASB 37

Hình 2.3 S đ thi t b b y cao su (BR) 38

Hình 2.4 Quy trình gi i trình t b ng metagenomics 43

Hình 3.1 S k t t cao su trong h th ng UASB 51

Hình 3.2 Hi u su t x lý SS b ng b y cao su ph thu c hƠm l ng SS đ u vào 52

Hình 3.3 SMA c a bùn và nh h ng c a OLR đ n SMA trong th i gian ho t hóa 54

Hình 3.4 SVI c a bùn ngày 1 và ngày 73 c a quá trình ho t hóa 56

Hình 3.5 Hình thái bùn khi t ng OLR trong kho ng 3,10 ± 0,92 kg COD/m3 ngày 57

Hình 3.6 Phân b kích th c h t bùn t i OLR đ t 3,75 và 3,95 kg-COD/m3.ngày 58

Hình 3.7 SVI c a bùn gi ng và bùn trong h th ng UASB ng v i các OLR 59

Hình 3.8 Hi u su t sinh khí metan và t l khí metan khi thay đ i OLR 60

Hình 3.10 Phân b kích th c h t bùn khi b sung và không b sung AlCl3 vào ngày

60 và ngày 103 62Hình 3.11 Ch s SVI c a bùn khi b sung và không b sung AlCl3 vào ngày 60 63Hình 3.12 Hi u su t sinh khí metan và t l khí metan có b sung và không b sung AlCl3 64Hình 3.13 Hình thái bùn h t khi v n hành h th ng UASB b ng n c th i s ch m cao su có b sung r đ ng 66Hình 3.14 Phân b kích th c h t bùn vào ngày 20 và ngày 38 trong quá trình v n hành h th ng UASB b ng n c th i s ch m cao su có b sung r đ ng 66Hình 3.15 Ch s SVI cùa bùn h t khi b sung AlCl3 và r đ ng 67Hình 3.16 Hi u su t sinh khí metan và t l khí metan khi v n hành UASB b ng n c

th i s ch m cao b sung AlCl3 và r đ ng 68Hình 3.17 Quy trình t o bùn h t trong h th ng UASB quy mô 20L 71Hình 3.18 T l các ngành vi sinh v t trong m u bùn phơn tán đƣ ho t hóa và bùn h t

d a trên phân tích trình t gen 16S rRNA 72Hình 3.19 Các nhóm c khu n chi m u th trong ngành Euryacheaota 80Hình 3.20 Qu n xã vi sinh v t tham gia vào quá trình chuy n hóa và hình thành bùn

h t 83Hình 3.21 S bi n đ ng COD, OLR, hi u su t x lý COD trong quá trình x lỦ n c

th i s ch cao su c a các h th ng UASB 85Hình 3.22 T c đ sinh khí trong quá trình x lỦ n c th i s ch cao su c a các h

th ng UASB 86Hình 3.23 Hi u su t sinh khí metan trong quá trình x lỦ n c th i s ch cao su c a các h th ng UASB 86Hình 3.24 SVI c a bùn h t trong quá trình x lỦ n c th i s ch m cao su 87Hình 3.25 Hình thái bùn h t ngày 1 và ngày 98 trong h th ng UASB x lỦ n c th i

s ch m cao su 88Hình 3.26 Phân b kích th c bùn h t ngày 1 và ngày 98 trong h th ng UASB x lý

n c th i s ch cao su 88

Hình 3.27 S bi n đ ng các ngành vi sinh v t c a bùn h t trong quá trình x lỦ n c

th i s ch m cao su 89

Hình 3.28 S bi n đ ng các nhóm methanogen c a bùn h t trong quá trình x lỦ n c th i s ch m cao su 90

Hình 3.29 S bi n đ ng SMA trong quá trình b o qu n bùn h t 91

Hình 3.30 S bi n đ ng hƠm l ng CODs trong quá trình b o qu n bùn h t 92

Hình 3.31 Phân b kích th c bùn h t trong quá trình b o qu n 94

Hình 3.32 Hình thái bùn h t: (A) bùn h t tr c b o qu n, (B) bùn h t sau 6 tháng b o qu n t i 4oC, (C) bùn h t sau 6 tháng b o qu n nhi t đ phòng 95

GI I THI U LU N ÁN Tính c p thi t c a đ tài

Ngành cao su là ngành công nghi p có đóng góp đáng k vào t ng kim ng ch xu t kh u

c a Vi t Nam Hi n nay cơy cao su đ ng th 2 v t su t l i nhu n (sau cây cà phê) M c dù ngành cao su đƣ t o vi c lƠm cho hƠng ngƠn ng i lao đ ng vƠ đóng góp đáng k cho ngân sách nhƠ n c nh ng ngành công nghi p này c ng t o ra nh ng v n đ đáng lo ng i v ch t

l ng môi tr ng N c th i s ch m cao su có m c đ ô nhi m cao v i l u l ng l n n u không đ c x lý tri t đ s tác đ ng x u đ n ch t l ng môi tr ng Bên c nh đó, mùi hôi phát sinh trong quá trình phân h y k khí các ch t h u c trong n c th i c ng nh h ng nghiêm tr ng đ n môi tr ng không khí xung quanh

Hi n nay hi u qu x lỦ n c th i t i các nhà máy cao su Vi t Nam r t th p, n c th i dòng ra không đ t theo tiêu chu n QCVN 01-MT:2015/BTNMT Tình tr ng này do nhi u nguyên nhân, m t trong nh ng nguyên nhơn đó lƠ h th ng x lỦ n c th i đ c thi t k ch a

đ công su t Thêm vƠo đó l u l ng n c th i th ng xuyên bi n đ ng ph thu c vào đi u

ki n s n xu t Nhi u h th ng x lỦ n c th i t i các nhà máy b quá t i, đ c bi t vào nh ng tháng s n xu t cao đi m [111], do đó đòi h i ph i m r ng th tích công trình ho c rút ng n

th i gian x lý b ng các thi t b cao t i Hi n nay các đ a đi m đ t nhà máy s ch m cao su

th ng xen k v i khu dơn c nên r t khó t ng di n tích công trình nên gi i pháp l a ch n t i

u cho x lỦ n c th i s ch m cao su t i Vi t Nam là s d ng các thi t b cao t i

H th ng x lý k khí v i dòng ch y ng c qua l p bùn ho t tính (UASB) là m t trong

nh ng thi t b cao t i đƣ đ c s d ng trong x lỦ n c th i công nghi p trong nhi u th p k

H th ng UASB có u đi m là v n hành đ n gi n, ch u đ c t i tr ng h u c cao vƠ có th

đi u ch nh t i tr ng h u c theo t ng th i k s n xu t c a nhà máy Ngoài ra h th ng này tiêu

th n ng l ng ít, di n tích xây d ng công trình nh và không phát tán mùi hôi Khí phát sinh trong quá trình x lỦ n c th i có th thu h i vƠ đ c s d ng làm nhiên li u Tuy nhiên, hi u

su t x lý ph thu c vào tr ng thái bùn Bùn phân tán d b r a trôi khi t ng t i tr ng h th ng Bùn h t có kh n ng ch ng r a trôi, t o tr ng thái l l ng lƠm t ng kh n ng ti p xúc v i c

ch t, m t đ vi sinh v t trong bùn h t cao h n bùn phơn tán nên s d ng bùn h t d dàng nâng cao OLR trong h th ng UASB Th i gian kh i đ ng h th ng UASB đ bùn h t hình thành

th ng kéo dài Do đó đ rút ng n th i gian kh i đ ng, t ng c ng s tách bùn dòng ra thì

vi c t o l p h bùn ho t tính d ng h t là r t c n thi t đ nâng cao hi u qu x lý c a h th ng UASB h ng t i ng d ng trong x lỦ n c th i s ch m cao su Vì v y đ tài lu n án:

"Nghiên c u quá trình t o h t bùn trong h th ng UASB nh m x lỦ n c th i s ch

m cao su" đƣ đ c th c hi n v i các m c tiêu nh sau:

- Nghiên c u quá trình t o bùn h t k khí trong h th ng UASB nh m nơng cao n ng l c h

th ng x lý n c th i s ch m cao su thiên nhiên;

- ánh giá hi u qu s d ng bùn h t k khí trong h th ng UASB x lỦ n c th i s ch

m cao su thiên nhiên

N i dung nghiên c u c a đ tài:

- Kh o sát đ c tính n c th i s ch m cao su thiên nhiên;

- Nghiên c u các đi u ki n t o bùn h t k khí trong h th ng UASB;

- Nghiên c u c u trúc qu n xã vi sinh v t trong các lo i bùn h t k khí;

- ánh giá hi u qu x lỦ n c th i s ch m cao su b ng h th ng UASB s d ng bùn

h t k khí;

- Kh o sát đi u ki n b o qu n bùn h t k khí

Nh ng đóng góp m i c a lu n án

- Là nghiên c u kh i đ u cho h ng nghiên c u t o bùn h t trong h th ng UASB x lý

n c th i s ch m cao su t i Vi t Nam B c đ u tìm hi u c u trúc qu n xã vi sinh v t trong bùn h t nh m tìm ra vai trò c a chúng trong s hình thành bùn h t c ng nh trong

x lỦ n c th i s ch m cao su thiên nhiên

- Th nghi m x lỦ n c th i s ch m cao su s d ng bùn h t trong h th ng UASB đƣ

đƣ nâng OLR lên 15,3 kg-COD/m3.ngƠy v i hi u su t x lỦ COD đ t 95,8%, hi u su t sinh khí metan đ t 0,325 m3

-CH4/kg-CODchuy n hóat ng ng v i t ng OLR 3,5 l n, t ng

hi u su t x lý COD 7,6% vƠ t ng hi u su t sinh khí metan 2,86 l n so v i s d ng bùn phân tán cùng đi u ki n Bùn h t có c u trúc n đ nh vƠ hoàn toàn phù h p cho h

th ng UASB x lỦ n c th i s ch m cao su

CH NG 1 T NG QUAN TÀI LI U

1.1 T ng quan ngƠnh công nghi p s ch m cao su thiên nhiên

1.1.1 Cây cao su và tình hình phát tri n

Cây cao su (Hevea brasiliensis) ti t ra ch t l ng g i là m cao su ho c latex M cao su

đ c s d ng làm nguyên li u trong s n xu t cao su thiên nhiên Cơy cao su ban đ u ch m c

t i khu v c r ng Amazon N m 1873, ng i ta tr ng th nghi m chúng ngoài ph m vi Brasil Ngày nay ph n l n các n c tr ng cao su n m t i khu v c ông Nam Á vƠ m t s t i khu

v c Châu Phi [3] Nhóm 5 n c s n xu t cao su thiên nhiên l n nh t th gi i là Thái Lan, Indonesia, Malaysia, n và Vi t Nam (chi m h n 92% t ng s n l ng s n xu t c a th

gi i) T n m 2001 s n l ng cao su thiên nhiên t ng tr ng bình quân 4,8%/n m N m 2014,

t ng di n tích tr ng cây cao su trên th gi i c tính đ t 9,57 tri u ha v i s n l ng cao su đ t 12,2 tri u t n [173] Theo báo cáo c p nh t ngành cao su thiên nhiên, Vi t Nam là qu c gia

đ ng th 3 th gi i v s n l ng khai thác cao su thiên nhiên đ t 1,1 tri u t n chi m t tr ng kho ng 9% vào n m 2014 [1] Hi n nay, di n tích tr ng cây cao su c a Vi t Nam đ t trên 955.000 ha Trong đó, t ng di n tích tr ng cơy cao su c a t nh Thanh Hóa đ t 18.296 ha vƠ

hi n có h n 6.400 ha cao su đang trong th i k thu ho ch m v i s n l ng đ t h n 6.000 t n

m khô/n m (S Nông nghi p vƠ Phát tri n nông thôn Thanh Hóa, 2014) N ng su t m cao

su bình quân toƠn ngƠnh đ t 1,6 t n/ha [2]

1.1.2 Thành ph n và c u trúc m cao su thiên nhiên

C u trúc c a m cao su thiên nhiên g m hai pha: l ng vƠ r n Pha l ng g m n c vƠ m t

s ch t hòa tan (serum) Ph n r n g m nh ng h t cao su l l ng hình c u v i c u t o l p trong

lƠ cao su, l p ngoài là protein và lipit Khi l p ngoƠi b phá h y gơy nên hi n t ng đông t các h t cao su Cao su thiên nhiên là h p ch t cao phân t (polime) ch a các isoprene (C5H8)n Các phân t isoprene k t n i v i nhau t o thành m t chu i dài (cis-1,4-polyisoprene [C5H8]n) Công th c c u t o c a cao su thiên nhiên đ c bi u di n trong hình 1.1

Hình 1.1 C u t o hóa h c cao su thiên nhiên [7]

Thành ph n m cao su thiên nhiên thay đ i theo gi ng cơy, tu i cơy, tình tr ng ch m sóc, khí h u, th nh ngầ Thành ph n hóa h c c a m cao su thiên nhiên đ c bi u di n trong

b ng 1.1

B ng 1.1 Thành ph n hóa h c c a m cao su thiên nhiên [3, 7]

N ng đ cao su dao đ ng t 30 ậ 40% nh ng th ng trong kho ng 30 ậ 35% DRC [3] NgoƠi cao su vƠ n c, các thành ph n ch y u khác xu t hi n trong m cao su t i là hydratcacbon, protein, lipit, mu i khoáng và m t l ng nh axit amin, nucleotid

1.1.3 Công ngh s ch m cao su

M cao su đ c ch ng đông b ng dung d ch amoniac Sau đó chúng đ c s ch theo

t ng d ng s n ph m Nhìn chung quy trình s ch m cao su kh i bao g m các công đo n nh hình 1.2

S n xu t m t t n thành ph m cao su c m (t m t p và m skim), cao su kh i (t m

t i) vƠ m ly tâm th i ra l ng n c th i t ng ng kho ng 30, 25 và 18 m3

T tr ng

Cao su t n/m3 0,932 ậ 0,952 Serum t n/m3 1,031 ậ 1,035

Hình 1.2 S đ công ngh s ch m cao su thiên nhiên [3]

đánh đông ch a m t s thành ph n đ c tr ng nh các axit d bay h i (VFA), protein, đ ng, cao su; pH kho ng 5 ậ 5,5 c tính n c th i s ch m cao su c a m t s nhà máy s n xu t cao su Vi t Nam đ c th hi n b ng 1.2

SS (mg/L) 400 ậ 6.000 200 ậ 6.000 4.000 ậ 8.000 500 ậ 5.000 N-NH3 (mg/L) 75,5 40,6 110 426

M n c đ c li tơm đ n n ng đ 60% DRC, sau đó b sung amoniac đ ch ng đông

c đi m chính c a lo i n c th i nƠy lƠ: đ pH cao (pH 9-11), hƠm l ng BOD, COD và TN

c ng r t cao

* S n xu t cao su kh i:

Cao su kh i đ c s n xu t t m n c có b sung amoniac và dùng axit đ đánh đông

Do đó, ngoƠi tính ch t chung là hƠm l ng BOD, COD, TN và SS r t cao, n c th i còn có đ

pH th p

* S n xu t cao su c m:

Cao su c m đ c s ch t m t p l n khá nhi u đ t cát và các lo i ch t l l ng khác Do

đó, trong quá trình ngơm, r a m , n c th i ch a r t nhi u đ t, cát MƠu n c th i lo i này

th ng có mƠu nơu, đ c đi m c a n c th i này là: pH t 5,0 - 6,0, n ng đ SS r t cao,

Nh v y, n c th i c a quá trình s n xu t cao su li tâm và cao su kh i có hƠm l ng ô nhi m cao h n so v i n c th i t quá trình s n xu t cao su c m N c th i s ch m cao su

có hƠm l ng ch t r n l l ng và ch t h u c r t cao Thêm vƠo đó, n c th i c a các nhà máy s ch m cao su còn phát sinh mùi hôi th i nh h ng nghiêm tr ng đ n môi tr ng không khí Vì v y vi c x lỦ n c th i nhà máy s ch m cao su là m t v n đ quan tr ng

d ng, không tiêu t n n ng l ng và hi u su t x lý COD cao (hi u su t x lý COD v i n c

th i cao su c m, kh i và ly tâm l n l t là 96% [106], 90% [129] và 96% [130]) Tuy nhiên, công ngh này khó ki m soát quá trình x lý và HRT dài (90 ngày) nên c n di n tích x lý l n

M c khác, công ngh này t o ra mùi hôi th i và phát th i khí metan vào khí quy n Các công ngh hi u khí c ng đ c nghiên c u và áp d ng nh : đ a quay sinh h c, m ng oxy hoá M c

dù hi u su t x lý BOD c a đ a quay sinh h c (90%) [81] vƠ m ng oxi hóa (96%) [74] cao

nh ng chi phí v n ng l ng và b o trì l n kèm theo s phát th i khí nhà kính CO2 gi m

b t s phát th i khí nhà kính công ngh b k khí - h n đ nh và b k khí - m ng oxi hoá

đƣ đ c nghiên c u Hi u su t x lý BOD c a chúng l n l t là 95% (HRT 10 ngày) [75] và 99% (HRT 7,6 ngày) [114] Tuy nhiên nh ng h t cao su d trong n c th i đƣ tích t trong h

th ng làm gi m hi u qu x lý c a bùn lo i b SS vƠ t ng s ti p xúc gi a n c th i và bùn, b l c k khí v i giá th c ng đ c nghiên c u Hi u su t x lý COD v i giá th b ng

g m vƠ s d a tráng nh a l n l t là 89% (HRT 4 ngày) [73] và 70 ậ 90% (HRT 3 ngày) [143] Tuy nhiên các công ngh này d b s c t c ngh n b i cao su d Công ngh bùn ho t tính th i khí chìm (SAAS) mang l i hi u qu x lý ch t h u c cao nh ng phát sinh l ng bùn

d và yêu c u n ng l ng r t l n [74]

Các công ngh trên cho hi u qu x lý ch t h u c cao nh ng HRT quá dƠi d n đ n quá

t i khi nhƠ máy t ng công su t Chính vì v y, nh ng n m g n đây vi c nghiên c u áp d ng các thi t b x lý t c đ cao đang đ c a chu ng h n Hai công ngh có th ch u đ c t i tr ng cao, đang đ c nghiên c u cho x lỦ n c th i s ch m cao su t nhiên là x lý k khí v i dòng ch y ng c qua l p bùn ho t tính (UASB) và x lý tu n t theo m (SBR)

H th ng SBR mang đ n hi u qu x lý n c th i s ch m cao su cao, x lý b ng bùn thông th ng hi u su t x lý COD có th đ t 89,3% v i HRT 12 gi [168] Khi s d ng bùn

h t có đ ng kính trung bình 1,5 mm và SVI là 22,3 mL/g, hi u su t x lý c a SBR đ t 96,5% COD, 94,7% N-NH3 và 89,4% TN v i HRT 3h [191] Nh v y, hi u su t x lý COD, TN và N-NH3 c a SBR có th nâng cao và gi m th i gian l ng khi bùn d ng h t Tuy nhiên, v n hành SBR tiêu t n n ng l ng l n cho quá trình s c khí

H th ng UASB là m t gi i pháp giúp gi m chi phí v n hành đ ng th i có th thu h i

m t l ng l n n ng l ng t metan Phoolphundh và c ng s (2004) đƣ nghiên c u x lý

n c th i s ch m cao su b ng h th ng UASB trong đi u ki n pH 5,5 - 6,5 v i COD dòng vào là 6000 mg/L, hi u su t x lý COD là 16%, và 55% v i HRT l n l t là 4 gi và 18 gi

M c dù h vi sinh v t có th t đi u ch nh pH dòng ra (7,8 ậ 7,9) nh ng hi u su t chuy n hóa

v n th p [127] Vi c đi u ch nh COD, pH và ch t dinh d ng dòng vào trong quá trình ch y thích nghi bùn ho t tính đƣ c i thi n đ c hi u su t x lý COD (đ t 80,1%) c a h th ng UASB [179] Các h t cao su b đông t trong h th ng UASB cùng v i các ch t r n phân h y

ch m vƠ các đ c t đƣ nh h ng đ n hi u qu x lý Nh m kh c ph c nh c đi m này, Jawjit

và c ng s (2013) đƣ nghiên c u đi u ki n t i u cho x lỦ n c th i cao su c m b ng h

th ng g m 2 thi t b UASB m c n i ti p Nghiên c u này ch ra r ng nhi t đ 35 o

C và pH 7

đƣ ng n ch n s đông t cao su, HRT t i u cho UASB1 vƠ UASB2 l n l t là 24h và 48h

đi u ki n t i u, hi u su t x lý COD và SS l n l t là 82% và 92%, hi u su t sinh khí metan

là 0,116 m3-CH4 /kg-CODchuy n hóa M c dù bùn gi ng l y t nhà máy cao su nh ng v n c n 89 ngƠy đ bùn thích nghi và hình thành bùn h t [78] Tanikawa và c ng s (2016) đƣ phát tri n

h th ng g m: thi t b axit hóa - hai UASB ậ DHS (Downflow Hanging Sponge) d i quy mô pilot t i Thái Lan Thi t b axit hóa có ch c n ng g n m vƠ đi u ch nh pH dòng vào đ t 6,8 -

72, UASB1 chuy n hóa COD thành metan và gi m SO42-, UASB2 chuy n hóa COD thành metan, DHS chuy n hóa COD và oxi hóa H2S D i đi u ki n v n hành OLR là 0,91 kgCOD/m3.ngày, HRT là 11,1 ngày và COD dòng vào là 10200 ± 1370 mg/L thì hi u su t x

lý COD c a toàn h th ng đ t 97,6 ± 1,1% H th ng này s ti t ki m đ c 95% n ng l ng,

gi m 95% phát th i khí nhà kính, gi m 92% di n tích v n hành và gi m 80% chi phí v n hành [162] Bên c nh vi c s n xu t cao su tiêu chu n, các lo i cao su k thu t c ng đ c s n xu t

v i nhi u tính n ng khác nhau, m t trong s đó lƠ cao su kh protein (DPNR) b ng natri dodecyl sulphat (SDS) Hatamoto và c ng s (2012) đƣ th m dò x lý lo i n c th i này, ph n cao su d vƠ SDS đ c thu h i b ng cách b sung CaCl2 v i t l Ca2+/SDS và Ca2+/kh i

l ng cao su t ng ng là: 0,070 và 0,055 Các ch t h u c t n t i trong trong n c th i DPNR đ c chuy n hóa thành metan trong h th ng UASB Hi u qu x lý COD là 92 ± 2%

t i OLR là 6,8 ± 1,8 kgCOD/m3.ngày và HRT là 12 gi Trong cùng đi u ki n, n u dòng ra

t i OLR là 6,4 ± 1,7 kgCOD/m3.ngày và HRT 39 gi H th ng UASB h a h n tri n v ng x

lỦ n c th i DPNR [66]

Nh v y, xu h ng hi n nay s d ng h th ng UASB k t h p v i các công trình khác đ

x lỦ n c th i nhà máy s ch m cao su thiên nhiên H th ng UASB có ch c n ng chính lƠ

x lý các ch t h u c vƠ thu h i n ng l ng d i d ng khí sinh h c (biogas) u đi m chính

c a công ngh này là: s d ng ít di n tích, chi phí v n hành th p, không phát sinh mùi và có

th thu h i n ng l ng t khí metan Tuy nhiên, h n ch l n nh t trong v n hành h th ng UASB lƠ l ng cao su d trong n c th i bám vào bùn gây c n tr quá trình chuy n hóa COD, các nghiên c u v t o l p bùn h t trong h th ng UASB ng d ng cho x lý n c th i s ch

m cao su còn h n ch và ch a có quy trình b o qu n bùn h t trong th i gian t m ng ng s n

xu t cao su thiên nhiên

1.3.2 Trong n c

Hi n nay, các công ngh đang áp d ng đ x lỦ n c th i s ch m cao su ch y u là h

k khí và hi u khí [111] Công ngh này có th i gian l u ch t th i dài d n đ n c n s d ng

di n tích m t b ng l n M t khác công ngh nƠy th ng phát sinh metan vào khí quy n, gây mùi hôi th i nên không phù h p trong đi u ki n t nhiên Vi t Nam khi mƠ khu dơn c th ng

s ng xem k v i khu công nghi p đáp ng yêu c u ki m soát môi tr ng, các nghiên c u

v công ngh x lỦ n c th i s ch m cao su thiên nhiên đƣ vƠ đang đ c ti n hành

a Nghiên c u x lý h t cao su d

Vi c lo i b cao su d đóng vai trò quan tr ng trong toàn b h th ng x lỦ n c th i do quá trình này làm gi m hƠm l ng ch t gây ô nhi m và gi m s t c ngh n trong h th ng Nhìn chung quá trình ti n x lý b ng ph ng pháp v t lý là m t công đo n c n thi t trong các nhà máy nh m b t gi và thu h i cao su đông t trong n c th i tr c khi x lý sinh h c

B g n m

Các thi t b g n m đ c s d ng đ lo i b m d đang đ c áp d ng trong h th ng x

lỦ n c th i c a h u h t các nhà máy cao su Vi t Nam Hi u su t c a các b g n m truy n

th ng đ t t 10 - 30% c i thi n hi u qu tách m cao su, Nguy n Thanh Bình (2008) đƣ nghiên c u công ngh l c m b ng s d a Hi u su t x lý SS, COD vƠ BOD t ng ng là 64,89%, 56,25% và 59,60% v i HRT 24 gi [5] Hi u qu c a mô hình nƠy cao h n 2 l n so

v i các b g n m truy n th ng Tuy nhiên đ n đ nh c a s d a ch a đ c đánh giá nên c n xác đ nh tu i th c a s d a

H th ng b g n m - b n đ nh - b th i khí - b keo t - b tuy n n i

N c th i t các công đo n ch bi n cao su đ c ch y đ n b g n m , t i đơy n c th i

đ c ch y qua các ng n theo đ ng zic z c đ các h t cao su n i lên m t n c và đ c thu h i

đ tái s d ng N c th i sau tách m đ c ch y v b n đ nh và đ c gi 2 ngƠy đ các h t cao su ti p t c n i lên Sau đó n c th i đ c đ a sang b th i khí T i b th i khí các h t cao

su khó tách đ c dòng khí đ y lên m t n c N c sau quá trình th i khí đ c ch y v b keo

t T i b keo t n c đ c xáo tr n nh mô t khu y có l p cánh g t đ hòa tr n n c và hóa

ch t keo t (PAC), n c sau keo t đ c ch y tràn qua b tuy n n i đ lo i các bông keo H

th ng lo i b m d g m: b g n m - b n đ nh - b th i khí - b đông t - tuy n n i mang

đ n hi u su t lo i b SS cao (kho ng 70%) nh ng chi phí cho quá trình này c ng cao nên khó

hi u su t x lý COD đ t 79,8 ậ 87,9% Tuy nhiên, các h t cao su không đ c tách đƣ lƠm

gi m hi u su t x lý trong h th ng UASB T c đ phân hu k khí c a h th ng UASB c ng

b nh h ng khi pH < 6 Kh n ng x lỦ n c th i sau h th ng UASB c a ao th c v t th y sinh nh sau: COD dòng vào thích h p v i cây d lan h ng (Hyacinthus) và t o t ng ng là

2900 mg/L và 2280 mg/L, COD dòng ra t ng ng 300 mg/L và 100 mg/L khi OLR là 100 ậ

120 kg/ha.ngày T i đơy, h t cao su l l ng bám vào r , ng n c n s h p thu n c và ch t dinh

d ng làm cho cây d h ng và t o ch t [112]

Nguy n Ng c Bích (n m 2003) đƣ ti n hành nghiên c u h th ng công ngh x lỦ n c

th i s ch m cao su g m: b đi u hoà - b g n m - b k khí s d a - b t o cao t i - b l c bình Khi COD, BOD và TN dòng vào l n l t là 6131 mg/L, 4006 mg/L và 273 mg/L hi u

su t x lý COD, BOD, TN và SS c a b k khí s d a (th tích làm vi c 12 lít) l n l t là 94%, 95%, 19,4% và 84,3% v i HRT 2 ngày Hi u qu x lý COD, BOD, TN và SS c a b

t o cao t i l n l t là 11%; 69,5%, 74,2% và 38,3% Hi u su t x lý COD, BOD và TN c a b

l c bình l n l t là 75,5%; 52,5% và 80,9% HƠm l ng COD, BOD, TN, N-NH3 và SS dòng

ra toàn h th ng là 65 mg/L, 29 mg/L, 9,4mg/L, 1,8mg/L và 37 mg/L [4] Nh v y, n c th i dòng ra c a công ngh này đ t theo tiêu chu n QCVN 01-MT:2015 Tuy nhiên, OLR c a quá trình này th p (OLR kho ng 3,6 kg-COD/m3.ngày) nên c n di n tích r t l n đ xây d ng công trình Chính vì v y, công ngh này r t h n ch khi áp d ng t i các khu công nghi p xen k dân

c

Tóm l i, có r t nhi u d ng công ngh khác nhau có th ng d ng đ x lỦ n c th i s

ch m cao su, trong đó có h th ng UASB H th ng UASB có u đi m là có th x lý n c

th i s ch m cao su có OLR cao (trên 10 kg COD/m3

.ngày) và thu h i khí metan, chi phí

v n hành th p h n các thi t b khác Tuy nhiên, khó kh n l n nh t trong v n hành h th ng UASB là m cao su d bám vào b m t bùn làm gi m hi u su t x lý và kh n ng tách bùn

th p đƣ h n ch vi c nâng cao OLR

1.4 B k khí v i dòng ch y ng c qua l p bùn ho t tính (UASB)

1.4.1 Quá trình phân hu k khí

Quá trình phơn h y k khí lƠ lƠ quá trình phơn h y sinh h c không có oxy, trong đó các

ch t h u c đ c chuy n hoá b i các vi sinh v t đ n s n ph m cu i cùng lƠ h n h p khí sinh

h c g m 50 ậ 70% metan (nh ng có th cao h n tùy thu c vƠo c ch t vƠ đi u ki n v n hƠnh),

25 ậ 40% cacbonic vƠ m t l ng nh hydro, nit , sulfua [30, 98]

Phân h y k khí d a trên m t chu i các ho t đ ng h p tác c a nhi u loài vi sinh v t Chúng bao g m 2 giai đo n v i 4 b c trao đ i ch t v i s tham gia c a các nhóm vi sinh v t

có đ c đi m sinh lý riêng bi t (hình 1.3)

Hình 1.3 Các ph ng th c trao đ i ch t trong quá trình lên men k khí [89]

Quá trình phân h y k khí có th th c hi n các nhi t đ khác nhau, bao g m vùng a

l nh (4 ậ 15 °C), a m (20 ậ 40 °C) vƠ a nóng (45 ậ 70 °C) [21] Các vi khu n k khí ho t

đ ng nhi u nh t vùng nhi t đ a m vƠ a nóng Các thi t b x lỦ n c th i th ng v n hành trong kho ng t 25 ậ 40 °C, nhi t đ t i u lƠ 35 °C [19]

Trong quá trình phân h y k khí có b n nhóm vi sinh v t chính tham gia vào chuy n hóa

v t ch t h u c , bao g m: nhóm th y phân, nhóm lên men sinh axit, nhóm sinh axetat và nhóm sinh metan Ho t đ ng c a các nhóm vi khu n này d a trên m i quan h c ng sinh ph thu c vào ho t tính sinh h c c ng nh s n ph m trao đ i ch t c a nhau [23]

1.4.1.1 Nhóm vi sinh v t có ho t tính th y phân

Nhóm vi sinh v t có ho t tính th y phân th c hi n ch c n ng b gãy các phân t h u c

ph c t p (protein, xenluloza, lipit) thƠnh các đ n phơn t tan trong n c nh axit amin, glucoza, glycerol và axit béo Nhóm vi sinh v t này ti t ra các enzym ngo i bƠo (nh xenlulaza, proteaza và lipaza) xúc tác th y phân các h p ch t h u c cao phơn t [22, 39] Nhóm vi khu n th y phơn lƠ nhóm a axit Chúng lƠ qu n th có s l ng đông đ o nh t do

có ph c ch t l n và th i gian sinh tr ng ng n Nhóm này bao g m các vi sinh v t k khí

b t bu c (Bacteriodes, Clostridia và Bifidobacteria) và tùy ti n (Streptococci và Enterobacteriaceae) [138] Các enzym ngo i bào khác nhau đ c s n xu t b i nhóm này s phân h y các ch t h u c d ng h t và d ng keo thành d ng hòa tan t o đi u ki n cho các enzym n i bào Nhóm này phân h y ch m trong đi u ki n k khí, do đó c n gi đi u ki n t i

u trong su t quá trình [39, 53] Quá trình th y phân quan tr ng nh ng th ng không di n ra trong h t bùn k khí

1.4.1.2 Nhóm vi khu n lên men sinh axit (acidogen)

Nhóm vi khu n lên men sinh axit chuy n hóa đ ng, axit amin và axit béo thành các axit

h u c (nh axit axetic, propionic, foocmic, butyric hay succinic), r u vƠ keton (nh etanol, metanol, glyxerol, axeton), axetat, CO2 và H2 Trong quá trình lên men các h p ch t hydratcacbon, s n ph m chính đ c t o ra là axetat S n ph m c a quá trình lên men thay đ i

ph thu c vào loài vi sinh v t c ng nh đi u ki n lý hóa (nhi t đ , pH, th oxy hóa kh ) trong các thi t b x lý Các nhóm sinh axit đi n hình là Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Flavobacterium [144]

1.4.1.3 Nhóm vi khu n sinh axetat (acetogen)

Nhóm acetogen chuy n hóa các axit béo (nh axit propionic, butyric) vƠ r u thành axetat, H2 và CO2 S n ph m trao đ i ch t c a nhóm acetogen là ngu n c ch t tr c ti p cho nhóm c khu n sinh metan Nhóm này r t nh y c m, chúng ch s ng sót trong đi u ki n áp

su t c c b c a H2 m c r t th p [39, 52, 53] Do v y chúng có quan h c ng sinh ch t ch

v i các nhóm c khu n sinh metan nh m duy trì đi u ki n này

Vi khu n acetogen sinh tr ng nhanh h n c khu n sinh metan kho ng 25 l n [63] Tuy nhiên c khu n sinh metan l i s d ng c ch t v i hi u su t sinh n ng l ng th p nên có th duy trì n ng đ s n ph m trao đ i ch t do acetogen sinh ra (đ c bi t là H2) m c th p và t o

đi u ki n cho acetogen ti p t c sinh tr ng Các loài thu c nhóm acetogen đi n hình là Syntrophomonas và Syntrophobacter [144]

1.4.1.4 Nhóm vi sinh v t sinh metan (methanogen)

Trong x lỦ n c th i các vi sinh v t nƠy sinh tr ng v i t c đ ch m v i th i gian nhân đôi t bào là 2,6 ngày đi u ki n nhi t đ 35 C ho c t i 50 ngày 10 C Nhóm methanogen

là các loài k khí b t bu c và là nhóm quy t đ nh t c đ quá trình phân h y k khí [174] T t

c các loài trong nhóm methanogen đ u là các loài t d ng trên ngu n c ch t H2 và CO2 [13] Vi sinh v t sinh metan đ c chia thành ba nhóm theo ngu n c ch t: hydrogenotrophic, acetotrophic và methylotrophic

C khu n sinh metan s d ng hydro (hydrogenotrophic)

Nhóm hydrogenotrophic chuy n hóa H2 và CO2 thành CH4 theo ph ng trình sau:

CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Nhóm hydrogenotrophic th c hi n ch c n ng duy trì áp su t c c b c a hydro trong h

th ng m c th p phù h p cho nhóm acetogen ho t đ ng, đ m b o các axit béo vƠ r u đ c chuy n thành axetat Các chi th ng g p thu c nhóm này bao g m Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanopirillum [39, 53]

C khu n sinh metan s d ng axetat (acetotrophic/acetoclastic)

Nhóm acetotrophic/acetoclastic chuy n hóa axetat thành CH4 và CO2 theo ph ng trình sau:

CH3COOH  CH4 + CO2

Nhóm acetotrophic/acetoclastic là nhóm ch đ o trong phân h y k khí v i l ng metan sinh ra chi m 60 ậ 70% [13] Nhóm này phát tri n ch m h n nhóm hydrogenotrophic kho ng

25 l n và c ng b nh h ng b i s tích t H2 [39, 53]

Trong các b x lý k khí th ng g p hai chi thu c nhóm acetoclastic là Methanosarcina

và Methanosaeta (còn g i là Methanothrix) Trong các b k khí lên men nóng (55 C) Methanosarcina chi m v trí ch đ o giai đo n đ u, sau đó d n d n xu t hi n Methanosaeta

do ái l c v i c ch t axetat c a Methanosarcina cao h n Methanosaeta [190] Trong quá trình

lên men k khí, g n 2/3 metan đ c sinh ra t vi c chuy n hóa axetat, 1/3 còn l i có ngu n

g c t H2 và CO2 [39]

C khu n sinh metan s d ng methanol (methylotrophic)

Nhóm methylotrophic phát tri n trên c ch t ch a nhóm metyl và chuy n hóa các c ch t này thành metan

3CH3OH + 6H 3CH4 + 3H2O 4(CH3)3ậ N + 6H2O 9CH4+ 3CO2 + 4NH3

Vi c các nhóm vi sinh v t sinh metan s d ng các lo i c ch t khác nhau là k t qu c a

vi c thu nh n n ng l ng khác nhau Ví d nhóm vi sinh v t tiêu th H2 s s d ng n ng

l ng nhi u h n nhóm vi sinh v t phân h y axetat M c dù nhóm vi sinh v t tiêu th H2 thu

nh n n ng l ng nhi u h n nhóm vi sinh v t phân h y axetat nh ng s l ng nhóm này ch chi m 30% trong khi nhóm vi sinh v t phân h y axetat chi m x p x 70% Nguyên nhân là do

s cung c p gi i h n h n H2 cho quá trình phân h y k khí L ng metan thu đ c ch y u t quá trình phân h y axetat do 2 loài c khu n là Methanosarcina và Methanosaeta [53]

Vi c sinh tr ng và phát tri n c a các vi sinh v t sinh metan ch y u là do s phân bào,

n y ch i, t o m nh v và s co th t t bào Các vi sinh v t sinh metan sinh tr ng và phát tri n r t ch m S phát tri n ch m do methanogen s d ng c ch t v i hi u su t th p (sinh ra

h th ng UASB có th v n hành n đ nh t i OLR cao (đ n 30 kg-COD/m3

.ngày) và HRT ng n (đ n 6h) và thi t k đ n gi n [152]

H th ng UASB đ c s d ng r ng rƣi đ x lỦ n c th i có hƠm l ng h u c cao Trong b di n ra hai quá trình: l c trong n c qua t ng c n l l ng vƠ lên men l ng c n b

gi l i Dòng vƠo đi qua l p bùn k khí ch a các vi sinh v t d ng bùn h t Nh các vi sinh

v t ch a trong bùn ho t tính mƠ các ch t h u c b phơn h y thƠnh metan vƠ cacbonic S chuy n đ ng c a dòng khí nƠy khi n ch t l ng đ c khu y tr n trong thi t b [154] T i ph n

đ nh c a thi t b , pha n c đ c phơn tách kh i bùn vƠ khí nh thi t b phơn tách r n - l ng -

đi c a khí Các h t bùn trong thi t b có t c đ l ng cao vƠ ch ng l i vi c r a trôi bùn ra kh i

h th ng khi ch đ th y l c cao T c đ c a dòng đi lên có th đ t 60 m/s [102]

Hình 1.4 S đ thi t b UASB [90]

Trong h th ng UASB, các vi sinh v t k khí có th hình thƠnh h t bùn thông qua s

t ng tác gi a các t bƠo Bùn h t k khí có m t đ vi sinh v t dƠy đ c bao g m hƠng tri u t bƠo trong m t gam sinh kh i v i s đa d ng v loƠi, nh đó có th chuy n hóa r t nhanh ch t

ô nhi m v i n ng đ cao ho c th tích l n mƠ không yêu c u th tích thi t b l n Kích th c

h t bùn l n vƠ t tr ng h t bùn cao lƠm cho chúng l ng nhanh nên d dƠng tách sinh kh i kh i dòng ra [94]

S thích nghi c a bùn k khí d ng phơn tán sang d ng h t trong h th ng UASB có th phân chia thành 3 giai đo n [69]:

- Giai đo n 1: thích ng v i môi tr ng vƠ c ch t th ng m t vƠi ngƠy sau quá trình kh i

đ ng

- Giai đo n 2: ho t tính c a bùn t ng do s phát tri n c a vi sinh v t vƠ SRT c a bùn cao

h n Ho t tính sinh metan t ng trong m t vƠi tu n đ u

- Giai đo n 3: hình thƠnh các pellet Kích th c c a h t đ u tiên b ng đ u kim sau 6 ậ 8

- Có th x lỦ v i t i tr ng ô nhi m h u c cao v i yêu c u v dinh d ng th p, l ng bùn sinh ra ít nên bùn d th p

- S n xu t khí metan vƠ có th thu h i nh m t d ng n ng l ng

- Không đòi h i n ng l ng cho quá trình thông khí nên chi phí v n hƠnh th p

- Bùn k khí có th b o qu n trong đi u ki n không cung c p th c n trong vƠi tháng mƠ không b h h ng

Nh c đi m

- Quá trình kh i đ ng ch m n u bùn gi ng khó thích nghi Th i gian kh i đ ng h th ng UASB quá dƠi: t 2 ậ 8 tháng, th m chí hƠng n m đ t o bùn h t t bùn phơn tán [95]

- V n hƠnh h th ng UASB ph thu c vƠo s hình thƠnh bùn h t k khí v i đ l ng cao vƠ

ho t tính sinh metan l n Ti m n ng c a h th ng UASB có th không đ c khai thác cho

đ n khi h t bùn đ c hình thƠnh [31]

1.5 S hình thƠnh h t bùn

1.5.1 Bùn k khí d ng h t

Bùn h t lƠ m t qu n xƣ vi sinh v t s ng c ng sinh đ c hình thƠnh trong quá trình x lỦ

n c th i v i t c đ l ng vƠ ho t tính sinh metan cao H t bùn ch a t t c các loƠi vi khu n

c n thi t cho s phơn h y các ch t ô nhi m h u c xu t hi n trong n c th i Chúng có th

đ c xem lƠ m t vi h sinh thái vi sinh v t [95]

Không gi ng nh các bông bùn, các h t bùn có tính ch t c h c n đ nh, các th c th phơn tách riêng r V m t hình thái h c, h t bùn có đ c tính nh : h t t ng đ i l n (đ ng kính ph bi n 0,5 mm < d < 2 mm) hình d ng cơn đ i vƠ có b m t xác đ nh, m t đ t bào cao d n đ n kh n ng l ng t t Trong h th ng UASB, vi c t ng tác liên t c gi a n c th i

v i bùn h t d n đ n n c th i đ c làm s ch Do đó, s c s ng c a l p mƠng vi sinh v t, hình

d ng, kích th c vƠ m t đ bùn h t ki m soát hi u qu x lỦ n c th i trong h th ng UASB

Ng i ta đƣ xác đ nh 1g bùn h t có th chuy n hóa 0,5 ậ 1g COD/ngày [94] Nh v y, s hình thƠnh các h t bùn c c k quan tr ng vì chúng không ch h tr tích c c cho l p mƠng vi sinh

v t mƠ còn t o s l l ng vƠ l ng c n thi t cho phép các chúng ti p xúc t t v i ch t l ng trong các h th ng UASB

1.5.2 C u trúc h t bùn k khí

1.5.2.1 C u trúc v t lý

Các h t bùn có c u trúc x p phía ngoƠi (kho ng 0,1 mm) và d ng tinh th ph n lõi

ch ra các l thoát khí Bùn h t k khí mƠu đen ho c mƠu xám tr ng, đ ng kính h t t 0,25

mm đ n 5 mm

Hình 1.5 Bùn h t k khí [69]

S phơn b kích c bùn h t trong h th ng UASB lƠ k t qu c a quá trình phát tri n kích

c h t t nh đ n l n S phát tri n c a vi sinh v t t o ra các l p c u trúc trong h t bùn (hình 1.5) S khu y tr n không làm v h t bùn, ho t đ ng c a vi sinh v t không b mài mòn d n

đ n gi m kích c h t S r a trôi sinh kh i ch y u t bùn không hình thƠnh h t [124]

Hình 1.6 c ng mô t s l c v quá trình phơn h y ch t h u c trong h vi sinh v t c a

h t bùn g m các b c nh sau:

B c 1: Các vi sinh v t l p ngoƠi cùng ti t ra các enzym ngo i bƠo phơn h y các h p

ch t cao phân t thành đ n phơn t (đ ng, axit amin, axit béo) vƠ đ c tiêu th b i các vi khu n l p ngoƠi cùng Các s n ph m đ n phơn t này c ng đ c khu ch tán vƠo phía trong

vƠ đ c nhóm acidogen lên men thành VFA và alcohol

B c 2: VFA và alcohol đ c nhóm acetogen l p gi a chuy n hóa thành axetat, H2 và

lƠ ngu n th c n cho nhóm methanogen trong lõi h t S n ph m phơn h y c a c khu n sinh metan (biogas) đi ra theo l thoát khí

Hình 1.6 Các l p vi sinh v t và quá trình phân h y trong h t bùn [30]

M t s h t bùn có c u trúc không đ ng nh t c ng đ c phát hi n Trong các h t bùn này,

các vi khu n có tiêm mao chi m u th không ch trên b m t mƠ còn trung tơm h t bùn

C u trúc phơn l p vƠ c u trúc đ ng nh t c a h t bùn phát tri n t ng ng v i ngu n c ch t lƠ hydratcacbon và protein [48] Ng i ta nh n th y phơn h y hydratcacbon nhanh h n phơn h y

c a các v t ch t trung gian và phơn gi i protein b gi i h n t c đ Do đó, các lo i bùn h t khác nhau hình thành trên c ch t t ng ng C u trúc vi mô c a h t bùn ph thu c vƠo đ ng

Ca2CO3 Các ch t khoáng khác nh Mg, Fe, S, Al, Si, K, Na vƠ Cu c ng có m t nh ng ít H n

n a, ph n lõi h t ch a hƠm l ng tro cao h n phía ngoƠi Do đó các thƠnh ph n vô c k t tinh trong lõi h t bùn [26, 30]

1.5.3.2 Polime ngo i bào

ThƠnh ph n chính c a polime ngo i bƠo (ECP) là protein và hydratcacbon Nhóm vi khu n sinh axit tham gia s n xu t ECP C ch t vƠ pH đóng vai trò chính trong s n xu t ECP:

pH t i u 6, t l C/P t ng thu n l i cho s hình thành ECP S n xu t ECP t ng sau 20 ậ 40

gi vƠ sau kho ng 100 gi đ t đ n tr ng thái n đ nh [30]

1.5.3.3 Thành ph n vi sinh v t

Thành ph n vi sinh v t trong h t bùn r t ph c t p, bi n đ i theo th i gian l u bùn và ph thu c vào thành ph n môi tr ng, pH và nhi t đ S loài xu t hi n trong h t bùn có th h n

11000 loài, t p trung ch y u vào hai nhóm vi khu n chuy n hóa ch t h u c thƠnh VFA vƠ

c khu n chuy n hóa axetat và hidro/cacbonic thành metan [90] Leclerc và c ng s (2001) đƣ phân tích và so sánh trình t 16S rARN c a 44 lo i bùn trong thi t b x lý các lo i n c th i khác nhau, tác gi nh n th y r ng s phân b các loài c khu n không nh ng b nh h ng

m nh m b i thành ph n n c th i mà còn ph thu c vào lo i thi t b x lý [85] B ng 1.4 đ a

ra danh sách m t s vi khu n chi m u th xu t hi n trong m t s lo i h t bùn k khí

B ng 1.4 ch ra s phân b thành ph n vi khu n thay đ i khi thay đ i lo i n c th i Tuy nhiên, trong m i lo i bùn h t đ u ch a đ y đ các nhóm th y phân (Bacillus/ Pseudomonas), nhóm acidogen (Bacteroidales/ Clostridia/ Leuconostoc/ Microbacterium), nhóm acetogen (Rhodocyclus/ Rhodococcus/ Syntrophobacter/ Achromobacter) và nhóm methanogen Nhóm methanogen ch a các chi chuy n hóa axetat (Methanosaeta/ Methanosarcina), H2/CO2

(Methanobacterium) và các h p ch t ch a nhóm metyl (Methanomethylovorans) Nh v y,

c u trúc qu n th vi sinh v t trong bùn h t b nh h ng b i các ngu n n c th i khác nhau

Ho t đ ng c a các nhóm vi sinh v t khác nhau đóng vai trò chính trong phơn h y k khí và

n u các vi sinh v t đ c xác đ nh, chúng có th đ c b sung vào bùn h t giúp nâng cao hi u

C khu n Methanosaeta [82, 159]

Methanobacterium

Bùn h t x lý

n c th i Vi sinh v t chi m u th

Tài li u tham kh o

C khu n

Methanosaeta

[82, 98] Methanosarcina

Methanolinea Methanobacterium

h p n c ép

đƠo Vi khu n

Bacillus

[82] Acidaminococcus

Bacteroides

Bùn h t x lý

n c th i Vi sinh v t chi m u th

Tài li u tham kh o

C khu n ch a nuôi c y đ c ArcSval_5

C khu n ch a nuôi c y t i bãi rác Banisveld

C khu n

Methanoregula

[98], [23] Methanobacterium

Methanosaeta Methanosarcina

S a

Vi khu n

Ruminococcaceae

[95] Thermoplasmata

Syntrophus Anaerolineae

Chloroflexi Sphingobacteria Verrucomicrobiae

C khu n

Methanosaeta

[160, 163] Methanosarcina

Methanomicrobiales Methanobacteriales

Bùn h t x lý

n c th i Vi sinh v t chi m u th

Tài li u tham kh o

C khu n

Methanobacterium

[146] Methanomethylovorans

Methanosaeta

1.5.4 C s lý thuy t c a quá trình t o h t bùn k khí

S hình thành bùn h t k khí là quá trình g m nhi u b c ph c t p liên quan đ n áp l c

v t lý, hóa h c và sinh h c Hulshoff vƠ c ng s (2004) đƣ chia quá trình hình thƠnh bùn h t thành 3 c ch : v t lỦ, vi sinh v t vƠ nhi t đ ng h c [69]

1.5.4.1 C ch v t lý

Theo c ch v t lỦ, h t bùn đ c hình thành do s phát tri n c a “ch t r n l l ng có b n

ch t vi sinh v t” d i tác đ ng c a áp su t ch n l c [57, 69]

a Ch t r n l l ng có b n ch t vi sinh v t

Pareboom (1994) ch ra các h t bùn b t đ u hình thành t các c m vi sinh v t Các t bƠo

vi sinh v t l l ng g n k t vào nhau và hình thành lên c m t bào vi sinh v t Các t bào vi sinh v t không có kh n ng bám dính s b r a trôi (hình 1.7)

D i các đi u ki n v n hƠnh thông th ng l c c t ngoƠi, áp su t khí bên trong ho c t c

đ tu n hoƠn khí cao không lƠm v h t bùn L c c t ch tách các ph n h t nh h n t các h t bùn này [49, 69, 122]

Hình 1.7 Mô hình phát tri n h t bùn đ c đ xu t b i Pareboom [121]

b Mô hình h t nhơn tr

Các h t siêu nh , tr v m t hóa h c đ c s d ng làm giá th đ các vi sinh v t bám dính vào t o thành màng sinh h c [90, 137, 152] H t bùn đ c hình thành khi các vi sinh v t trên l p màng sinh v t sinh tr ng và phát tri n trong đi u ki n v n hành h th ng UASB (hình 1.8)

Hình 1.8 Mô hình h t nhơn tr

Mô hình nƠy đƣ đ c th c hi n b ng vi c b sung h t zeolite ho c hydro-anthracite v i

đ ng kính 100µm [71], h t polime h p ph n c (WAP) [76] đ xúc ti n cho quá trình hình thành bùn h t

c Ễp su t ch n l c

Áp su t ch n l c t ng đ ng t ng th y l c do t c đ ch y c a n c vƠ s thoát khí t o

ra D i áp su t ch n l c cao, bùn phơn tán nh đ c tách kh i h th ng K t qu lƠ bùn phơn tán b gi m, s phát tri n c a vi sinh v t t p trung bên trong h t nhơn t o thành bùn h t có tính

l ng t t Ng c l i, áp su t ch n l c th p d n đ n vi c phơn tán sinh kh i vƠ sinh khí kém t o

ra bùn h t tr ng thái l l ng [95]

1.5.4.2 C ch nhi t đ ng h c

Theo c ch này, quá trình hình thành bùn h t đ c miêu t do s thay đ i đi n tích c a các h t di n ra theo ba mô hình sau đơy: mô hình 4 b c, mô hình chuy n v n c vƠ mô hình liên k t đa ion miêu t quá trình hình thƠnh bùn h t

a Mô hình b n b c

S hình thành bùn h t theo mô hình 4 b c đ c mô t nh hình 1.9: đ u tiên, (i) các t bào di chuy n đ n b m t v t li u tr ho c các t bào khác; ti p theo, (ii) các t bào h p ph thu n ngh ch trên b m t v t li u tr nh l c hóa lý; sau đó (iii) các t bào bám dính ch t ch trên b m t v t li u tr nh s g n k t c a các vi sinh v t và/ho c polime và cu i cùng (iv) các

t bào sinh tr ng và phát tri n thành h t bùn [142]

S di chuy n các t bào vi sinh v t do s chuy n d ch c a dòng ch t l ng và khí mà chúng ph thu c vào l u l ng dòng vào, t c đ sinh khí và l ng c n Khi hai t bào va ch m

v i nhau, x y ra vi c h p ph thu n ngh ch và v t li u tr đóng vai trò lƠ tơm h t S bám dính không thu n ngh ch x y ra khi các m i liên k t b n v ng đ c xây d ng gi a h t nhân và t bào hình thành nên các c m t bào d i s tr giúp c a ECP Nhi u c m t bào bám dính v i nhau t o thành bùn h t [57, 95]

Hình 1.9 Mô hình b n b c [142]

i ậ S h p ph thu n ngh ch c a hai t bào do ECP, ii- s phân chia t bào,

iii ậ s hình thành h t các c m t bào, iv- Hình thành h t hoàn ch nh

b Mô hình chuy n v proton và kh n c

Theo c ch này, s hình thành bùn h t kh i đ u v i s kh n c trên b m t do ho t

đ ng chuy n v proton C ch này g m 4 b c (hình 1.11): a - Kh n c trên b m t t bào;

b ậ Hình thành c m t bào; c- Hình thành h t bùn tr ng thành; d ậH t bùn sau tr ng thành [165]

Hình 1.10 Mô hình chuy n v proton và kh n c [165]

i - Kh n c trên b m t t bào; ii ậHình thành c m t bào; iii- Hình thành h t bùn tr ng

thành; iv ậH t bùn sau tr ng thành

Khi nhóm acidogen gi i phóng H+ t t bƠo ch t đ n thƠnh t bƠo d n đ n s kh n c

Ti p theo, x y ra s kh n c trên b m t t bào do H2O ph n ng v i ph n mang đi n tích

ơm c a mƠng t bƠo Khi hình thƠnh các c m t bào, nhóm acidogen phơn h y các ch t h u c cung c p c ch t cho nhóm acetogen và methanogen Nh áp su t th y l c các vi sinh v t t bám dính vƠo nhau vƠ xúc ti n bƠi ti t ECP Sau khi hình thành c m t bào, các thƠnh ph n phơn tán có th bám dính vƠo chúng hình thƠnh nên h t tr ng thành ECP b o v h t bùn,

ch ng l i l c c t

c Mô hình liên k t ion đa hóa tr

Theo c ch này, s hình thành h t bùn do s t ng tác gi a các vi khu n tích đi n âm và các ion tích d ng (hình 1.11)

Hình 1.11.Mô hình liên k t ion đa hóa tr [165]

Các cation tác đ ng tích c c đ n quá trình hình thành h t bùn bao g m: Ca2+

[141, 186],

Mg2+[100], Al3+[9, 29, 185]và Fe3+[191] Các cation kích thích s hình thành bùn h t b ng cách thay đ i đi n tích âm trên b m t vi sinh v t, k t qu lƠm thay đ i đ l n c a l c h p d n Van der Waals mà có ch c n ng là c u n i gi a các cation và các vi sinh v t [57, 95]

1.5.4.3 C ch vi sinh v t

Các vi sinh v t k khí có th bài ti t ECP là chìa khóa trong quá trình hình thành bùn h t Các mô hình sau đơy mô t c ch liên k t các vi khu n đ hình thƠnh bùn h t

a Mô hình liên k t ECP

Theo mô hình này, ECP có th thay đ i đi n tích c a b m t hai t bƠo vi sinh v t đ ng

c nh nhau nên chúng có th k t h p v i nhau ho c k t h p v i h t nhơn tr (hình 1.12)

Hình 1.12 Mô hình liên k t ECP [95]

Vi c t ng OLR đƣ thúc đ y chi Methanosarcina phát tri n đ a đ n vi c bài ti t ECP và hình thành các c m t bào l n h n [36, 95] ECP có ch c n ng nh m t v t li u bao gói và t o màng Gi thuy t r ng ECP trong các h t bùn đ c s d ng đ làm c u n i gi a các t bào vi sinh v t đ ng g n nhau ho c k t h p m t ch t tr v i m t t bƠo khác theo c ch v t lý Các gen đi u khi n quá trình t ng h p ECP đ c bi u hi n tr c và sau quá trình bám dính vi sinh

v t, ngh a lƠ vi sinh v t đ u tiên t o ECP s bám dính v i các vi sinh v t khác và ti p t c s n sinh ECP [142]

b Mô hình Capetown

Trong mô hình nƠy, ng i ta cho r ng nhóm methanogen s n xu t ECP D i đi u ki n

áp su t H2 cao, các amino axit đ c bài ti t quá m c s kích thích s bài ti t ECP Các vi sinh

v t s b b t gi trong m ng l i ECP d n đ n vi c kh i t o h t bùn Các vi sinh v t k khí khác có nh ng đ c đi m t ng t nh nhóm methanogen vƠ c ng đóng góp vào quá trình hình

thành h t bùn Hình 1.12 c ng xác đ nh mô hình nƠy t ng t v i mô hình liên k t ECP [69,

95, 164]

c C ch spaghetti

C ch này miêu t s hình thành h t bùn trong h th ng UASB x lỦ n c th i b axit hóa Các loài trong chi Methanosaeta có tiêm mao b các vi sinh v t khác t n công đ hình thành các c m vi sinh v t Các vi sinh v t trong các c m này t nhơn đôi và phát tri n thành các qu bóng “spaghetti” M t đ t bào trong c u trúc qu bóng “spaghetti” c ng t ng và hình thành nên h t bùn [69, 95]

và thành ph n c ch t tác đ ng đ n s hình thành bùn h t s đ c chú tr ng nghiên c u đ rút

ng n th i gian t o h t bùn k khí

1.6.1 nh h ng c a c ch t

c tính c a c ch t nh h ng đ n thành ph n và c u trúc c a h t bùn M c đ ph c t p

c a c ch t gây ra áp l c ch n l c đ n tính đa d ng c a vi sinh v t trong bùn h t mà nh

h ng đ n vi c u trúc c a h t Ngu n th c n hydratcacbon duy trì các nhóm acidogen và t o

đi u ki n hình thành ECP [165] Ngu n c ch t VFA phát tri n h vi sinh v t d ng s i, t o ra

h t bùn có kích th c 5 mm và d v N c th i s ch c c i đ ng và khoai tây hình thành bùn h t ch a vi khu n hình que N c th i ch a 10% (w/v) sucroza và 90 % (w/v) h n h p VFA (axetat và propionat) hình thành bông bùn đ a đ n vi c tách bùn kh i dòng ra không

hi u qu C ch t là propionat, pepton, etanol, glutamat và phenol hình thành h t bùn có c u trúc đ ng th [94]

1.6.2 T i tr ng h u c

OLR mô t m c đ thi u h t th c n đ i v i các vi sinh v t: các vi sinh v t thi u h t th c

n khi OLR th p Khi t ng OLR đ n m c đ t i h n, VFA tích t và làm gi m pH đ n m c

th p nh t Quá trình t o bùn h t đ c th c hi n b ng cách nâng t ng b c OLR OLR đ c

t ng khi hi u su t x lý COD đ t trên 80% và ki m soát t t s r a trôi SS c a dòng ra [94] Khi t ng OLR có th đ m b o cho s sinh tr ng và phát tri n c a vi sinh v t t ng nhanh T c

đ sinh tr ng cao s gi m đ b n c u trúc t p h p vi sinh v t T c đ sinh khí t l thu n v i OLR, t c đ sinh khí sinh h c cao có th gây ra bi n đ ng th y l c d n đ n r a trôi bùn Khi OLR < 1,5 kg-COD/m3.ngày bùn h t b suy thoái do thi u h t ch t dinh d ng [11, 139] Tuy nhiên, Tiwari (2005) đƣ thƠnh công trong vi c t o bùn h t v i OLR là 1,5 kgCOD/m3

t ng kích th c h t bùn là 31 µm/ngày đ i v i bùn gi ng ch a t t c vi sinh v t trong chu i

th c n, 21 µm/ngày v i chi Methanosaeta, 18 µm/ngày v i chi Methanosarcina và 7