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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học BR Baffled Reactor Thiết bị vách ngăn bẫy cao su COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THANH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT TRONG HỆ THỐNG UASB NHẰM XỬ LÝ NƯỚC

THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Mã số: 62420201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Hà Nội - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THANH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT TRONG HỆ THỐNG UASB NHẰM XỬ LÝ NƯỚC

THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Mã số: 62420201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS.Nguyễn Lan Hương

2 PGS.TS Tô Kim Anh

Hà Nội - 2017

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Lan Hương và PGS.TS.Tô Kim Anh

Các số liệu, những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực

và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS.Tô Kim Anh

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Nguyễn Lan Hương

Tác giả

Nguyễn Thị Thanh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Lan Hương và PGS.TS

Tô Kim Anh đã hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện các kế hoạch học tập, nghiên cứu luận án này với sự tận tụy, sáng suốt và khoa học cao

Tôi rất biết ơn và trân trọng sự giúp đỡ quý báu của GS Yamaguchi Takashi, Phòng Thí nghiệm Môi trường đất và nước- Khoa Xây dựng và Kỹ thuật Môi trường, Đại học Kỹ thuật Nagaoka, Nhật Bản

Tôi xin trân trọng cảm ơn Chính phủ Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí học tập, nghiên cứu thông qua đề án 911 Tôi cũng trân trọng cảm ơn Quỹ khuyến học Thành phố Hà Nội

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán bộ, nhân viên văn phòng dự án “Tạo lập vòng tuần hoàn cacbon với cây cao su thiên nhiên” và Viện Nghiên cứu và Phát triển ứng dụng các hợp chất thiên nhiên, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cơ quan tôi đang công tác: Khoa Tài nguyên Môi trường, Trường Cao đẳng Cộng đồng Hà Tây về sự ủng hộ, giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt trong quá trình tôi thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Bộ môn Công nghệ Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý thiết thực trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến đến những nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết thực cho luận án này

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới gia đình tôi Những người đã luôn bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và là động lực giúp tôi hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thanh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG V DANH MỤC HÌNH VI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1. TỔNG QUAN NGÀNH CÔNG NGHIỆP SƠ CHẾ MỦ CAO SU THIÊN NHIÊN 3

1.1.1 Cây cao su và tình hình phát triển 3

1.1.2 Thành phần và cấu trúc mủ cao su thiên nhiên 3

1.1.3 Công nghệ sơ chế mủ cao su 4

1.2. TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU 5

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU THIÊN NHIÊN 7

1.3.1 Ngoài nước 7

1.3.2 Trong nước 9

1.4. BỂ KỴ KHÍ VỚI DÒNG CHẢY NGƯỢC QUA LỚP BÙN HOẠT TÍNH (UASB) 11

1.4.1 Quá trình phân huỷ kỵ khí 11

1.4.2 Đặc tính chung của hệ thống UASB 14

1.4.3 Ưu, nhược điểm 16

1.5. S Ự HÌNH THÀNH HẠT BÙN 16

1.5.1 Bùn kỵ khí dạng hạt 16

1.5.2 Cấu trúc hạt bùn kỵ khí 17

1.5.3 Các thành phần cơ bản của hạt bùn 19

1.5.4 Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo hạt bùn kỵ khí 22

1.6. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH BÙN HẠT KỴ KHÍ 27

1.6.1 Ảnh hưởng của cơ chất 28

1.6.2 Tải trọng hữu cơ 28

1.6.3 Đặc tính của bùn giống 29

1.6.4 Các chất dinh dưỡng 29

1.6.5 Các nguyên tố khoáng 29

1.6.6 Các vitamin 30

1.6.7 Các chất tạo keo 30

1.6.8 Nhiệt độ 30

1.6.9 pH 30

1.7. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ HẠT BÙN KỴ KHÍ 31

1.7.1 Hoạt tính sinh metan 31

1.7.2 Kích thước và tỷ trọng hạt bùn 31

1.7.3 Chỉ số thể tích bùn lắng 32

1.7.4 Độ bền cơ học 32

1.7.5 Màu sắc 32

1.8. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHÂN TỬ ỨNG DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VI SINH VẬT TRONG BÙN KỴ KHÍ 32

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 VẬT LIỆU 36

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 36

2.1.2 Hóa chất 37

2.1.3 Thiết bị 38

2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.2.1 Các phương pháp phân tích 40

2.2.2 Nội dung nghiên cứu 45

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

3.1 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH NƯỚC THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU THIÊN NHIÊN 48

3.1.1 Nước thải nhà máy tại khâu đánh đông 48

3.1.2 Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm 50

3.1.3 Tiền xử lý nước thải nhà máy 52

3.2. NGHIÊN CỨU TẠO BÙN HẠT TRONG HỆ THỐNG UASB 54

3.2.1 Hoạt hóa bùn trong hệ thống UASB 54

3.2.2 Nghiên cứu một số điều kiện ảnh hưởng tới sự hình thành bùn hạt 57

3.3.1 Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ 58

3.3.2 Ảnh hưởng của AlCl 3 62

3.3.3 Ảnh hưởng của rỉ đường 66

3.3. THÀNH PHẦN VI SINH VẬT TRONG CÁC LOẠI BÙN HẠT KỴ KHÍ 72

3.3.1 Thành phần vi khuẩn 74

3.3.2 Thành phần cổ khuẩn 79

3.4. XỬ LÝ NƯỚC THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU BẰNG UASB SỬ DỤNG BÙN HOẠT TÍNH DẠNG HẠT 84

3.4.1 Hiệu quả xử lý của bùn hạt 84

3.4.2 Đánh giá sự thay đổi cấu trúc hạt bùn 88

3.5. ĐIỀU KIỆN BẢO QUẢN HẠT BÙN 92

3.5.1 Sự thay đổi hoạt tính sinh metan riêng 92

3.5.2 Sự thay đổi COD hòa tan trong môi trường bảo quản 93

3.5.3 Sự thay đổi kích thước hạt bùn 95

KẾT LUẬN 97

KIẾN NGHỊ 98

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học

BR Baffled Reactor Thiết bị vách ngăn (bẫy cao su)

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

ADN Deoxyribonucleic acid Axit deoxiribonucleic

DHS Downflow Hanging Sponge Thiết bị lọc hiếu khí với dòng chảy từ

trên xuống qua lớp mút xốp DPNR Deprotein natural ruber Cao su thiên nhiên loại protein

DRC Dry Rubber Content Hàm lượng cao su khô

ECP Extracellular Polymer Sản phẩm ngoại bào

HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu của nước thải

MLSS Mixed Liquor Suspended Solid Nồng độ sinh khối lơ lửng

MLVSS Mixed Liquor Volatile Suspended Solid Nồng độ sinh khối lơ lửng bay hơi NGS Next Generation Sequencing Giải trình tự gen thế hệ mới

N-NH3 Amonia Nitơ amon

OLR Organic Loading Rate Tải trọng hữu cơ

SBR Sequencing Batch Reactor Thiết bị xử lý tuần tự theo mẻ

SDS Sodium dodecyl sulphate CH3(CH2)11SO4Na

SMA Specific Methane Activity Hoạt tính sinh methan riêng

SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng

SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn lắng

TN Total Nitrogen Tổng nitơ

UASB Upflow Anaerobic Slugde Blanket Thiết bị xử lý kỵ khí với dòng chảy

ngược qua lớp bùn hoạt tính VFA Volatile Fatty Axit Axit béo bay hơi

VSS Volatile Suspended Solid Chất rắn lơ lửng bay hơi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên [3, 7] 4

Bảng 1.2 Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su ở Việt Nam [116] 6

Bảng 1.3 Một số vi sinh vật chiếm ưu thế xuất hiện trong bùn hạt kỵ khí 19

Bảng 1.4 Hiệu suất sinh khí metan của một số loại bùn 31

Bảng 3.5 Hàm lượng MLSS và MLVSS của bùn giống và bùn đã hoạt hóa 56

Bảng 3.7 Tỷ lệ các nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế trong các mẫu bùn 75

DANH MỤC HÌNH

Figure 1

Hình 1.1 Cấu tạo hóa học cao su thiên nhiên [7] 3

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sơ chế mủ cao su thiên nhiên [3] 5

Hình 1.3 Các phương thức trao đổi chất trong quá trình lên men kỵ khí [91] 11

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị UASB [92] 15

Hình 1.5 Bùn hạt kỵ khí [70] 17

Hình 1.6 Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn [31] 18

Hình 1.7 Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom [125] 23

Hình 1.8 Mô hình hạt nhân trơ 23

Hình 1.9 Mô hình bốn bước [146] 24

Hình 1.10 Mô hình chuyển vị proton và khử nước [169] 25

Hình 1.11 Mô hình liên kết ion đa hóa trị [169] 26

Hình 1.12 Mô hình liên kết ECP [98] 26

Hình 1.13 Mối quan hệ giữa yếu tố vi sinh vật và các thông số công nghệ trong quá trình tạo bùn hạt [16] 27

Hình 2.1 Nước thải đánh đông mủ cao su 36

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống UASB 38

Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị bẫy cao su (BR) 39

Hình 2.4 Quy trình giải trình tự bằng metagenomics 45

Hình 3.3 SMA của bùn và ảnh hưởng của OLR đến SMA trong thời gian hoạt hóa 55

Hình 3.4 SVI của bùn ngày 1 và ngày 73 của quá trình hoạt hóa trong hệ thống UASB 57

Hình 3.5 Hình thái bùn khi tăng OLR trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg COD/(m3.ngày) 58

Hình 3.6 Phân bố kích thước hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg-COD/(m3.ngày) 59

Hình 3.7 SVI của bùn giống và bùn trong hệ thống UASB ứng với các OLR 60Hình 3.8 Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi thay đổi OLR 61Hình 3.9 Hình thái bùn hạt khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L 63Hình 3.10 Phân bố kích thước hạt bùn bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày

60 và 103 63Hình 3.11 Chỉ số SVI của bùn bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 64

Hình 3.19 Các nhóm cổ khuẩn chiếm ưu thế trong ngành Euryacheaota 80

Hình 3.20 Quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa và hình thành bùn hạt 83

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của đề tài

Ngành cao su là ngành công nghiệp có đóng góp đáng kể vào tổng kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam Hiện nay cây cao su đứng thứ 2 về tỷ suất lợi nhuận (sau cây cà phê) Mặc dù ngành cao su đã tạo việc làm cho hàng ngàn người lao động và đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước nhưng ngành công nghiệp này cũng tạo ra những vấn đề đáng lo ngại về chất lượng môi trường Nước thải sơ chế mủ cao su có mức độ ô nhiễm cao với lưu lượng lớn nếu không được xử lý triệt để sẽ tác động xấu đến chất lượng môi trường Bên cạnh đó, mùi hôi phát sinh trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong nước thải cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường không khí xung quanh

Hiện nay hiệu quả xử lý nước thải tại các nhà máy cao su ở Việt Nam rất thấp, nước thải dòng ra không đạt theo tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT Tình trạng này do nhiều nguyên nhân, một trong những nguyên nhân đó là hệ thống xử lý nước thải được thiết kế chưa

đủ công suất Thêm vào đó lưu lượng nước thải thường xuyên biến động phụ thuộc vào điều kiện sản xuất Nhiều hệ thống xử lý nước thải tại các nhà máy bị quá tải, đặc biệt vào những tháng sản xuất cao điểm [114], do đó đòi hỏi phải mở rộng thể tích công trình hoặc rút ngắn thời gian xử lý bằng các thiết bị cao tải Hiện nay các địa điểm đặt nhà máy sơ chế mủ cao su thường xen kẽ với khu dân cư nên rất khó tăng diện tích công trình nên giải pháp lựa chọn tối

ưu cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam là sử dụng các thiết bị cao tải

Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) là một trong những thiết bị cao tải đã được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp trong nhiều thập kỷ

Hệ thống UASB có ưu điểm là vận hành đơn giản, chịu được tải trọng hữu cơ cao và có thể điều chỉnh tải trọng hữu cơ theo từng thời kỳ sản xuất của nhà máy Ngoài ra hệ thống này tiêu thụ năng lượng ít, diện tích xây dựng công trình nhỏ và không phát tán mùi hôi Khí phát sinh trong quá trình xử lý nước thải có thể thu hồi và được sử dụng làm nhiên liệu Tuy nhiên, hiệu suất xử lý phụ thuộc vào trạng thái bùn Bùn phân tán dễ bị rửa trôi khi tăng tải trọng hệ thống Bùn hạt có khả năng chống rửa trôi, tạo trạng thái lơ lửng làm tăng khả năng tiếp xúc với cơ chất, mật độ vi sinh vật trong bùn hạt cao hơn bùn phân tán nên sử dụng bùn hạt dễ dàng nâng cao OLR trong hệ thống UASB Thời gian khởi động hệ thống UASB để bùn hạt hình thành thường kéo dài Do đó để rút ngắn thời gian khởi động, tăng cường sự tách bùn ở dòng ra thì việc tạo lập hệ bùn hoạt tính dạng hạt là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống UASB hướng tới ứng dụng trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su Vì vậy đề tài luận án:

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

mủ cao su" đã được thực hiện với các mục tiêu như sau:

- Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB nhằm nâng cao năng lực

xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;

- Đánh giá hiệu quả sử dụng bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế

mủ cao su thiên nhiên

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

- Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;

- Nghiên cứu các điều kiện tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB;

- Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí;

- Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống UASB sử dụng bùn hạt kỵ khí;

- Khảo sát điều kiện bảo quản bùn hạt kỵ khí

Những đóng góp mới của luận án

- Là nghiên cứu khởi đầu cho hướng nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam Bước đầu tìm hiểu cấu trúc quần xã vi sinh vật trong bùn hạt nhằm tìm ra vai trò của chúng trong sự hình thành bùn hạt cũng như trong

xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên

- Thử nghiệm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su sử dụng bùn hạt trong hệ thống UASB đã

đã nâng OLR lên 15,3 kg-COD/(m3

.ngày) với hiệu suất xử lý COD đạt 95,8%, hiệu suất sinh khí metan đạt 0,325 m3

-CH4/kg-CODchuyển hóa tương ứng với tăng OLR 3,5 lần, tăng hiệu suất xử lý COD 7,6% và tăng hiệu suất sinh khí metan 2,86 lần so với sử dụng bùn phân tán ở cùng điều kiện Bùn hạt có cấu trúc ổn định và hoàn toàn phù hợp cho hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan ngành công nghiệp sơ chế mủ cao su thiên nhiên

1.1.1 Cây cao su và tình hình phát triển

Cây cao su (Hevea brasiliensis) tiết ra chất lỏng gọi là mủ cao su hoặc latex Mủ cao su là

nguyên liệu để sản xuất các dạng sản phẩm trung gian như cao su khối và mủ cao su li tâm Ngành công nghiệp cao su thiên nhiên tập trung tại khu vực Đông Nam Á và một số nước thuộc khu vực Châu Phi [3] Nhóm 5 nước sản xuất cao su thiên nhiên lớn nhất thế giới là Thái Lan, Indonesia, Malaysia, Ấn Độ và Việt Nam (chiếm hơn 92% tổng sản lượng sản xuất của thế giới) Từ năm 2001 sản lượng cao su thiên nhiên trên thế giới tăng trưởng bình quân 4,8%/năm Năm 2014, tổng diện tích trồng cây cao su trên thế giới ước tính đạt 9,57 triệu ha với sản lượng cao su đạt 12,2 triệu tấn [178] Theo báo cáo cập nhật ngành cao su thiên nhiên, Việt Nam sản xuất 1,1 triệu tấn cao su thiên nhiên vào năm 2014 [4] Hiện nay, diện tích trồng cây cao su của Việt Nam đạt trên 955.000 ha Tổng diện tích trồng cây cao su của tỉnh Thanh Hóa đạt 18.296 ha, trong đó hơn 6.400 ha đang trong thời kỳ thu hoạch mủ (Sở Nông nghiệp

và Phát triển nông thôn Thanh Hóa, 2014) Năng suất mủ cao su bình quân toàn ngành đạt 1,6 tấn/ha [5]

1.1.2 Thành phần và cấu trúc mủ cao su thiên nhiên

Cấu trúc mủ cao su thiên nhiên gồm hai pha: lỏng và rắn Pha lỏng gồm nước và một số chất hòa tan (serum) Phần rắn gồm những hạt cao su lơ lửng hình cầu với cấu tạo lớp trong là cao su, lớp ngoài là protein và lipid Khi lớp ngoài bị phá hủy gây nên hiện tượng đông tụ các hạt cao su Cao su thiên nhiên là hợp chất cao phân tử chứa các isoprene (C5H8)n Các phân tử isoprene kết nối với nhau tạo thành một chuỗi dài (cis - 1,4 - polyisoprene [C5H8]n) Công thức cấu tạo của cao su thiên nhiên được biểu diễn trong hình 1.1

Hình 1.1 Cấu tạo hóa học cao su thiên nhiên [7]

Thành phần mủ cao su thiên nhiên thay đổi theo giống cây, tuổi cây, tình trạng chăm sóc, khí hậu, thổ nhưỡng… Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên được biểu diễn trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên [3, 7]

Nồng độ cao su dao động từ 30 – 40% nhưng thường trong khoảng 30 – 35% DRC [3] Ngoài cao su và nước, các thành phần chủ yếu khác xuất hiện trong mủ cao su tươi là hydratcacbon, protein, lipid, muối khoáng và một lượng nhỏ axit amin, nucleotid

1.1.3 Công nghệ sơ chế mủ cao su

Mủ cao su được chống đông bằng dung dịch amoniac Sau đó chúng được sơ chế theo từng dạng sản phẩm Nhìn chung quy trình sơ chế mủ cao su khối bao gồm các công đoạn như hình 1.2

Sản xuất một tấn thành phẩm cao su cốm (từ mủ tạp và mủ skim), cao su khối (từ mủ tươi) và mủ ly tâm thải ra lượng nước thải tương ứng khoảng 30, 25 và 18 m3

Tỷ trọng

Cao su tấn/m3 0,932 – 0,952 Serum tấn/m3 1,031 – 1,035

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sơ chế mủ cao su thiên nhiên [3]

1.2 Tính chất nước thải sơ chế mủ cao su

Trong quá trình sơ chế mủ cao su, nước thải phát sinh chủ yếu ở các công đoạn đánh đông, kéo/cán, cắt và nước rửa bồn Nước thải từ bồn khuấy trộn chứa một ít hạt cao su Nước thải từ mương đông tụ chứa phần lớn là serum có hàm lượng ô nhiễm cao nhất Nước thải từ các công đoạn khác có bản chất tương tự như nước thải từ mương đánh đông nhưng loãng

Pha loãng đến DRC 25%

hơn Nước thải đánh đông chứa một số thành phần đặc trưng như các axit dễ bay hơi (VFA), protein, đường, cao su; pH khoảng 5 – 5,5 Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên của một số nhà máy sản xuất cao su ở Việt Nam được thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su ở Việt Nam [116]

Chỉ tiêu Cao su ly tâm

* Sản xuất cao su khối:

Cao su khối được sản xuất từ mủ nước: latex được bổ sung amoniac trước khi vận chuyển

về nhà máy Sau đó chúng được bơm vào mương và dùng axit (axetic, formic, sulfuric) để đánh đông Nước thải từ quá trình này có pH thấp, hàm lượng BOD5, COD, nitơ cao Hàm lượng SS rất cao

Cao su khối được sơ chế từ mủ tạp (cao su cốm): do mủ tập lẫn khá nhiều đất cát và các loại chất lơ lửng khác nên phải ngâm, rửa mủ Nước thải từ quá trình này chứa rất nhiều đất, cát Màu nước thải thường là nâu đỏ, hàm lượng SS rất cao nhưng hàm lượng BOD5 và COD thấp, pH khoảng 5,0 - 6,0

Như vậy, nước thải sơ chế mủ cao su có hàm lượng chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ và nitơ rất cao Khi các hợp chất này bị phân hủy tự nhiên tạo ra mùi hôi thối, ảnh hưởng nghiêm

trọng đến môi trường không khí Vì vậy việc xử lý nước thải nhà máy sơ chế mủ cao su là một vấn đề quan trọng cần phải được giải quyết

1.3 Tình hình nghiên cứu về xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên

dù hiệu suất xử lý BOD của đĩa quay sinh học (90%) [82] và mương oxi hóa (96%) [75] cao nhưng chi phí về năng lượng và bảo trì lớn kèm theo sự phát thải khí nhà kính CO2 Để giảm bớt sự phát thải khí nhà kính, công nghệ bể kỵ khí - hồ ổn định và bể kỵ khí - mương oxi hoá

đã được nghiên cứu Hiệu suất xử lý BOD của các công nghệ này lần lượt là 95% (HRT 10 ngày) [76] và 99% (HRT 7,6 ngày) [118] Tuy nhiên, những hạt cao su dư trong nước thải đã tích tụ trong các hệ thống này làm giảm hiệu quả xử lý của bùn Để loại bỏ hàm lượng SS và tăng sự tiếp xúc giữa nước thải và bùn, bể lọc kỵ khí với giá thể đã được nghiên cứu Hiệu suất xử lý COD của bể lọc với giá thể bằng gốm và xơ dừa tráng nhựa lần lượt là 89% (HRT 4 ngày) [74] và 70 – 90% (HRT 3 ngày) [148] Nhược điểm các công nghệ này là: dễ bị sự cố tắc nghẽn bởi cao su dư Công nghệ bùn hoạt tính thổi khí chìm (SAAS) mang lại hiệu quả xử

lý chất hữu cơ cao nhưng phát sinh lượng bùn dư và yêu cầu năng lượng rất lớn [75]

Các công nghệ nêu trên cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao nhưng HRT quá dài dẫn đến quá tải khi nhà máy tăng công suất Chính vì vậy, những năm gần đây việc nghiên cứu áp dụng các thiết bị xử lý tốc độ cao đang được ưa chuộng hơn Hai công nghệ có thể chịu được tải trọng cao đang được nghiên cứu cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tự nhiên là: xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) và xử lý tuần tự theo mẻ (SBR)

Hệ thống SBR mang đến hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su cao Khi sử dụng bùn phân tán, hiệu suất xử lý COD đạt 89,3% với HRT 12 giờ [173] Khi sử dụng bùn hạt có kích thước trung bình 1,5 mm và SVI là 22,3 mL/g, hiệu suất xử lý của SBR đạt 96,5% COD, 94,7% N-NH3 và 89,4% TN với HRT 3 giờ [141] Như vậy, hiệu suất xử lý COD, TN và N-

NH3 của hệ thống SBR có thể nâng cao và giảm thời gian lắng khi bùn ở dạng hạt Tuy nhiên, vận hành SBR tiêu tốn năng lượng lớn cho quá trình sục khí

Hệ thống UASB là một giải pháp giúp giảm chi phí vận hành đồng thời có thể thu hồi năng lượng từ khí metan Phoolphundh và cộng sự (2004) đã nghiên cứu xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống UASB trong điều kiện pH 5,5 - 6,5 với hàm lượng COD dòng vào là 6000 mg/L, hiệu suất xử lý COD là 16%, và 55% với HRT lần lượt là 4 giờ và 18 giờ Mặc dù hệ vi sinh vật có thể tự điều chỉnh pH dòng ra (7,8 – 7,9) nhưng hiệu suất chuyển hóa vẫn thấp [131] Việc điều chỉnh pH, hàm lượng COD và chất dinh dưỡng dòng vào trong quá trình chạy thích nghi bùn hoạt tính đã cải thiện được hiệu suất xử lý COD của hệ thống UASB (đạt 80,1%) [184] Các hạt cao su bị đông tụ trong hệ thống UASB cùng với các chất rắn phân hủy chậm và các độc tố đã ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Nhằm khắc phục nhược điểm này, Jawjit và cộng sự (2013) đã nghiên cứu điều kiện tối ưu cho xử lý nước thải cao su cốm bằng

hệ thống gồm 2 thiết bị UASB mắc nối tiếp Nghiên cứu này chỉ ra rằng ở nhiệt độ 35 oC và

pH 7 đã ngăn chặn sự đông tụ cao su, HRT tối ưu cho UASB1 và UASB2 lần lượt là 24 giờ và

48 giờ Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất xử lý COD và SS lần lượt là 82% và 92%, hiệu suất sinh khí metan là 0,116 m3-CH4 /kg-CODchuyển hóa Mặc dù bùn giống lấy từ nhà máy cao su nhưng vẫn cần 89 ngày để bùn thích nghi và hình thành bùn hạt [79] Tanikawa và cộng sự (2016) đã phát triển hệ thống gồm: thiết bị axit hóa - hai UASB – DHS (Downflow Hanging Sponge) dưới quy mô pilot tại Thái Lan Thiết bị axit hóa có chức năng gạn mủ và điều chỉnh pH dòng vào đạt 6,8 - 72, UASB1 chuyển hóa COD thành metan và giảm SO42-, UASB2 chuyển hóa COD thành metan, DHS chuyển hóa COD và oxi hóa H2S Dưới điều kiện vận hành OLR là 0,91 kgCOD/m3.ngày, HRT là 11,1 ngày và COD dòng vào là 10200 ± 1370 mg/L thì hiệu suất xử lý COD của toàn hệ thống đạt 97,6 ± 1,1% Hệ thống này sẽ tiết kiệm được 95% năng lượng, giảm 95% phát thải khí nhà kính, giảm 92% diện tích vận hành và giảm 80% chi phí vận hành [167] Bên cạnh việc sản xuất cao su tiêu chuẩn, các loại cao su kỹ thuật cũng được sản xuất với nhiều tính năng khác nhau, một trong số đó là cao su khử protein (DPNR) bằng natri dodecyl sulphat (SDS) Hatamoto và cộng sự (2012) đã thăm dò xử lý loại nước thải này, phần cao su dư và SDS được thu hồi bằng cách bổ sung CaCl2 với tỷ lệ Ca2+/SDS và Ca2+/khối lượng cao su tương ứng là: 0,070 và 0,055 Các chất hữu cơ tồn tại trong trong nước thải DPNR được chuyển hóa thành metan trong hệ thống UASB Hiệu quả xử lý COD đạt 92 ± 2% tại OLR là 6,8 ± 1,8 kgCOD/m3.ngày và HRT là 12 giờ Trong cùng điều kiện, nếu dòng ra được tuần hoàn trở lại để pha loãng nước thải DPNR, hiệu quả chuyển hóa COD đạt 84 ± 8% tại OLR là 6,4 ± 1,7 kgCOD/m3.ngày và HRT 39 giờ Hệ thống UASB hứa hẹn triển vọng xử

lý nước thải DPNR [67]

Như vậy, xu hướng hiện nay sử dụng hệ thống UASB kết hợp với các công trình khác để

xử lý nước thải nhà máy sơ chế mủ cao su thiên nhiên Hệ thống UASB có chức năng chính là

xử lý các chất hữu cơ và thu hồi năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) Ưu điểm chính của công nghệ này là: sử dụng ít diện tích, chi phí vận hành thấp, không phát sinh mùi và có thể thu hồi năng lượng từ khí metan Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất trong vận hành hệ thống UASB là lượng cao su dư trong nước thải bám vào bùn gây cản trở quá trình chuyển hóa COD, các nghiên cứu về tạo lập bùn hạt trong hệ thống UASB ứng dụng cho xử lý nước thải sơ chế

mủ cao su còn hạn chế và chưa có quy trình bảo quản bùn hạt trong thời gian tạm ngừng sản xuất cao su thiên nhiên

1.3.2 Trong nước

Hiện nay, các công nghệ đang áp dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su chủ yếu là hồ

kỵ khí và hiếu khí [114] Công nghệ này có thời gian lưu chất thải dài dẫn đến cần sử dụng diện tích mặt bằng lớn Mặt khác công nghệ này thường phát sinh metan vào khí quyển, gây mùi hôi thối nên không phù hợp với điều kiện tự nhiên của Việt Nam khi mà khu dân cư thường sống xen kẽ với khu công nghiệp Để đáp ứng yêu cầu kiểm soát môi trường, các nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên đã và đang được tiến hành

a Nghiên cứu xử lý hạt cao su dư

Việc loại bỏ cao su dư đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ hệ thống xử lý nước thải do quá trình này làm giảm hàm lượng chất gây ô nhiễm và giảm sự tắc nghẽn trong hệ thống Nhìn chung quá trình tiền xử lý bằng phương pháp vật lý là một công đoạn cần thiết trong các nhà máy nhằm bắt giữ và thu hồi cao su đông tụ trong nước thải trước khi xử lý sinh học

Bể gạn mủ

Các thiết bị gạn mủ được sử dụng để loại bỏ mủ dư đang được áp dụng trong hệ thống xử

lý nước thải của hầu hết các nhà máy cao su ở Việt Nam Hiệu suất của các bể gạn mủ truyền thống đạt 10 - 30% Để cải thiện hiệu quả tách mủ cao su, Nguyễn Văn Phước và cộng sự (2010) đã nghiên cứu công nghệ lọc mủ bằng xơ dừa Hiệu suất xử lý SS, COD và BOD tương ứng là 64,89%, 56,25% và 59,60% với HRT 24 giờ Hiệu quả của mô hình này cao hơn 2 lần

so với các bể gạn mủ truyền thống Tuy nhiên độ ổn định của xơ dừa chưa được đánh giá nên cần xác định tuổi thọ của xơ dừa [116]

Hệ thống bể gạn mủ - bể ổn định - bể thổi khí - bể keo tụ - bể tuyển nổi

Nước thải từ các công đoạn chế biến cao su được chảy đến bể gạn mủ, tại đây nước thải được chảy qua các ngăn theo đường zic zắc để các hạt cao su nổi lên mặt nước và được thu hồi

để tái sử dụng Nước thải sau tách mủ được chảy về bể ổn định và được giữ 2 ngày để các hạt cao su tiếp tục nổi lên Sau đó nước thải được đưa sang bể thổi khí Tại bể thổi khí các hạt cao

su khó tách được dòng khí đẩy lên mặt nước Nước sau quá trình thổi khí được chảy về bể keo

tụ Tại bể keo tụ nước được xáo trộn nhờ mô tơ khuấy có lắp cánh gạt để hòa trộn nước và hóa chất keo tụ (PAC), nước sau keo tụ được chảy tràn qua bể tuyển nổi để loại các bông keo Hệ thống loại bỏ mủ dư gồm: bể gạn mủ - bể ổn định - bể thổi khí - bể đông tụ - tuyển nổi mang đến hiệu suất loại bỏ SS cao (khoảng 70%) nhưng chi phí cho quá trình này cũng cao nên khó

áp dụng rộng [114]

b Xử lý chất hữu cơ

Nguyễn Trung Việt (1999) đã nghiên cứu xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống công nghệ gồm: Bể gạn mủ - UASB - sục khí - hồ tùy nghi Nghiên cứu này cho thấy hệ thống UASB là phương án thích hợp để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su Hệ thống UASB có thể hoạt động ổn định với OLR 15 – 20 kg-COD/(m3.ngày), HRT từ 2-6 giờ, vận tốc 0,4 m/h, hiệu suất xử lý COD đạt 79,8 – 87,9% Tuy nhiên, các hạt cao su không được tách đã làm giảm hiệu suất xử lý trong hệ thống UASB Tốc độ phân huỷ kỵ khí của hệ thống UASB cũng

bị ảnh hưởng khi pH < 6 Khả năng xử lý nước thải sau hệ thống UASB của ao thực vật thủy

sinh như sau: COD dòng vào thích hợp với cây dạ lan hương (Hyacinthus) và tảo tương ứng là

2900 mg/L và 2280 mg/L, COD dòng ra tương ứng 300 mg/L và 100 mg/L khi tải trọng bề mặt đến 100 và 120 kgCOD/ha.ngày Tuy nhiên hạt cao su lơ lửng bám vào rễ cây, ngăn cản

sự hấp thu nước và chất dinh dưỡng làm cho cây dạ hương và tảo chết [115]

Nguyễn Ngọc Bích (2003) đã tiến hành nghiên cứu hệ thống công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su gồm: bể điều hoà - bể gạn mủ - bể kỵ khí xơ dừa - bể tảo cao tải - bể lục bình Hiệu suất xử lý COD, BOD, TN và SS của bể kỵ khí xơ dừa (thể tích làm việc 12 lít) lần lượt

là 94%, 95%, 19,4% và 84,3% khi COD dòng vào là 6131 mg/L và HRT 2 ngày Hiệu quả xử

lý COD, BOD, TN và SS của bể tảo cao tải lần lượt là 11%; 69,5%, 74,2% và 38,3% Hiệu suất xử lý COD, BOD và TN của bể lục bình lần lượt là 75,5%; 52,5% và 80,9% Hàm lượng đạt theo tiêu chuẩn thải QCVN 01-MT:2015 [1] Tuy nhiên, OLR của quá trình này thấp (OLR khoảng 3,6 kg-COD/(m3.ngày)) nên cần diện tích rất lớn để xây dựng công trình Chính vì vậy, công nghệ này rất hạn chế khi áp dụng tại các khu công nghiệp xen kẽ khu dân cư

Nguyễn Văn Phước và cộng sự (2010) cũng đã nghiên cứu xử lý nước thải sơ chế mủ cao

su trên hệ thống gồm: bể gạn mủ - bể kỵ khí xơ dừa - bể lọc hiếu khí xơ dừa – hồ sinh học Hiệu suất xử lý COD và SS của bể gạn mủ đông tụ tự nhiên lần lượt là 70% và 90% Nước thải sau bể gạn mủ được chỉnh pH và hàm lượng COD dòng vào từ 500 – 1200 mg/L đi vào bể

kỵ khí xơ dừa và tự chảy qua bể lọc sinh học Hiệu suất xử lý COD khi đi qua hai bể này đạt

từ 60 – 80% Nước thải đầu ra phải tiếp tục xử lý qua hồ sinh học để tiến hành khử COD và

NH3 để đảm bảo tiêu chuẩn xả thải [116]

Tóm lại, có rất nhiều công nghệ khác nhau có thể ứng dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su Hệ thống UASB có ưu điểm là có thể xử lý nước thải sơ chế mủ cao su có OLR cao (trên 10 kg COD/m3.ngày) và thu hồi khí metan, chi phí vận hành thấp hơn các thiết bị khác Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất trong vận hành hệ thống UASB là mủ cao su dư bám vào bề mặt bùn làm giảm hiệu suất xử lý và khả năng tách bùn thấp đã hạn chế việc nâng cao OLR

1.4 Bể kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB)

1.4.1 Quá trình phân huỷ kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí là là quá trình phân hủy sinh học không có oxy, trong đó các chất hữu cơ được chuyển hoá bởi các vi sinh vật đến sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí sinh học gồm 50 – 70% metan (nhưng có thể cao hơn tùy thuộc vào cơ chất và điều kiện vận hành),

25 – 40% cacbonic và một lượng nhỏ hidro, nitơ, sulfua [31, 101]

Phân hủy kỵ khí dựa trên một chuỗi các hoạt động hợp tác của nhiều loài vi sinh vật Chúng bao gồm 2 giai đoạn với 4 bước trao đổi chất với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật

có đặc điểm sinh lý riêng biệt (hình 1.3)

Hình 1.3 Các phương thức trao đổi chất trong quá trình lên men kỵ khí [91]

Quá trình phân hủy kỵ khí có thể thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau, bao gồm vùng ưa lạnh (4 – 15 °C), ưa ấm (20 – 40 °C) và ưa nóng (45 – 70 °C) [22] Các vi khuẩn kỵ khí hoạt động nhiều nhất ở vùng nhiệt độ ưa ấm và ưa nóng Các thiết bị xử lý nước thải thường vận hành trong khoảng từ 25 – 40 °C, nhiệt độ tối ưu là 35 °C [20]

Trong quá trình phân hủy kỵ khí có bốn nhóm vi sinh vật chính tham gia vào chuyển hóa vật chất hữu cơ, bao gồm: nhóm thủy phân, nhóm lên men sinh axit, nhóm sinh axetat và nhóm sinh metan Hoạt động của các nhóm vi khuẩn này dựa trên mối quan hệ cộng sinh phụ thuộc vào hoạt tính sinh học cũng như sản phẩm trao đổi chất của nhau [24]

1.4.1.1 Nhóm vi sinh vật có hoạt tính thủy phân

Nhóm vi sinh vật có hoạt tính thủy phân thực hiện chức năng bẻ gãy các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, xenluloza, lipid) thành các đơn phân tử tan trong nước như axit amin, glucoza, glycerol và axit béo Nhóm vi sinh vật này tiết ra các enzym ngoại bào (như xenlulaza, proteaza và lipaza) xúc tác thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử [23, 40] Nhóm vi khuẩn thủy phân là nhóm ưa axit Chúng là quần thể có số lượng đông đảo nhất do

có phổ cơ chất lớn và thời gian sinh trưởng ngắn Nhóm này bao gồm các vi sinh vật kỵ khí

bắt buộc (Bacteriodes, Clostridia và Bifidobacteria) và tùy tiện (Streptococci và Enterobacteriaceae) [143] Các enzym ngoại bào khác nhau được sản xuất bởi nhóm này sẽ

phân hủy các chất hữu cơ dạng hạt và dạng keo thành dạng hòa tan tạo điều kiện cho các enzym nội bào Nhóm này phân hủy chậm trong điều kiện kỵ khí, do đó cần giữ điều kiện tối

ưu trong suốt quá trình [40, 54] Quá trình thủy phân quan trọng nhưng thường không diễn ra trong hạt bùn kỵ khí

1.4.1.2 Nhóm vi khuẩn lên men sinh axit (acidogen)

Nhóm vi khuẩn lên men sinh axit chuyển hóa đường, axit amin và axit béo thành các axit hữu cơ (như axit axetic, propionic, foocmic, butyric hay succinic), rượu và keton (như etanol, metanol, glyxerol, axeton), axetat, CO2 và H2 Trong quá trình lên men các hợp chất hydratcacbon, sản phẩm chính được tạo ra là axetat Sản phẩm của quá trình lên men thay đổi phụ thuộc vào loài vi sinh vật cũng như điều kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong

các thiết bị xử lý Các nhóm sinh axit điển hình là Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Flavobacterium [150]

1.4.1.3 Nhóm vi khuẩn sinh axetat (acetogen)

Nhóm acetogen chuyển hóa các axit béo (như axit propionic, butyric) và rượu thành axetat, H2 và CO2 Sản phẩm trao đổi chất của nhóm acetogen là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm cổ khuẩn sinh metan Nhóm này rất nhạy cảm, chúng chỉ sống sót trong điều kiện áp

suất cục bộ của H2 ở mức rất thấp [40, 53, 54] Do vậy chúng có quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các nhóm cổ khuẩn sinh metan nhằm duy trì điều kiện này

Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn cổ khuẩn sinh metan khoảng 25 lần [64] Tuy nhiên cổ khuẩn sinh metan lại sử dụng cơ chất với hiệu suất sinh năng lượng thấp nên có thể duy trì nồng độ sản phẩm trao đổi chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là H2) ở mức thấp và tạo điều kiện cho acetogen tiếp tục sinh trưởng Các loài thuộc nhóm acetogen điển hình là

Syntrophomonas và Syntrophobacter [150]

1.4.1.4 Nhóm vi sinh vật sinh metan (methanogen)

Trong xử lý nước thải các vi sinh vật này sinh trưởng với tốc độ chậm với thời gian nhân đôi tế bào là 2,6 ngày ở điều kiện nhiệt độ 35 C hoặc tới 50 ngày ở 10 C Nhóm methanogen

là các loài kỵ khí bắt buộc và là nhóm quyết định tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí [179] Tất

cả các loài trong nhóm methanogen đều là các loài tự dưỡng trên nguồn cơ chất H2 và CO2 [13] Vi sinh vật sinh metan được chia thành ba nhóm theo nguồn cơ chất: hydrogenotrophic, acetotrophic và methylotrophic

Cổ khuẩn sinh metan sử dụng hidro (hydrogenotrophic)

Nhóm hydrogenotrophic chuyển hóa H2 và CO2 thành CH4 theo phương trình sau:

CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Nhóm hydrogenotrophic thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hidro trong hệ thống ở mức thấp phù hợp cho nhóm acetogen hoạt động, đảm bảo các axit béo và rượu được

chuyển thành axetat Các chi thường gặp thuộc nhóm này bao gồm Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanopirillum [40, 54]

Cổ khuẩn sinh metan sử dụng axetat (acetotrophic/acetoclastic)

Nhóm acetotrophic/acetoclastic chuyển hóa axetat thành CH4 và CO2 theo phương trình sau:

CH3COOH  CH4 + CO2Nhóm acetotrophic/acetoclastic là nhóm chủ đạo trong phân hủy kỵ khí với lượng metan sinh ra chiếm 60 – 70% [13] Nhóm này phát triển chậm hơn nhóm hydrogenotrophic khoảng

25 lần và cũng bị ảnh hưởng bởi sự tích tụ H2 [40, 54]

Trong các bể xử lý kỵ khí thường gặp hai chi thuộc nhóm acetoclastic là Methanosarcina

và Methanosaeta (còn gọi là Methanothrix) Trong các bể kỵ khí lên men nóng (55 C)

Methanosarcina chiếm vị trí chủ đạo ở giai đoạn đầu, sau đó dần dần xuất hiện Methanosaeta

do ái lực với cơ chất axetat của Methanosarcina cao hơn Methanosaeta [195] Trong quá trình

lên men kỵ khí, gần 2/3 metan được sinh ra từ việc chuyển hóa axetat, 1/3 còn lại có nguồn gốc từ H2 và CO2 [40]

Cổ khuẩn sinh metan sử dụng metanol (methylotrophic)

Nhóm methylotrophic phát triển trên cơ chất chứa nhóm metyl và chuyển hóa các cơ chất này thành metan

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

Việc các nhóm vi sinh vật sinh metan sử dụng các loại cơ chất khác nhau là kết quả của việc thu nhận năng lượng khác nhau Ví dụ nhóm vi sinh vật tiêu thụ H2 sẽ sử dụng năng lượng nhiều hơn nhóm vi sinh vật phân hủy axetat Mặc dù nhóm vi sinh vật tiêu thụ H2 thu nhận năng lượng nhiều hơn nhóm vi sinh vật phân hủy axetat nhưng số lượng nhóm này chỉ chiếm 30% trong khi nhóm vi sinh vật phân hủy axetat chiếm xấp xỉ 70% Nguyên nhân là do

sự cung cấp giới hạn hạn H2 cho quá trình phân hủy kỵ khí Lượng metan thu được chủ yếu từ

quá trình phân hủy axetat do 2 loài cổ khuẩn là Methanosarcina và Methanosaeta [54]

Việc sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật sinh metan chủ yếu là do sự phân bào, nảy chồi, tạo mảnh vỡ và sự co thắt tế bào Các vi sinh vật sinh metan sinh trưởng và phát triển rất chậm Sự phát triển chậm do methanogen sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra

ít năng lượng từ một đơn vị cơ chất) và chúng cần một lượng lớn cơ chất cho quần thể vi sinh vật sinh metan nhân đôi Do đó chỉ một lượng nhỏ tế bào hoặc bùn được sản xuất khi một đơn

vị cơ chất bị phân giải Vì vậy phân hủy kỵ khí chỉ sản xuất một lượng bùn rất nhỏ [54]

1.4.2 Đặc tính chung của hệ thống UASB

UASB được nhà khoa học Lettinga và cộng sự (Hà Lan) xây dựng vào cuối những năm

1970 (hình 1.4) Trong hệ thống UASB luôn duy trì nồng độ sinh khối với sự đa dạng cao về thành phần vi sinh vật nên có thể xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao và nhanh Đặc trưng của hệ thống UASB có thể vận hành ổn định tại OLR cao (10 đến 15 kg-COD/(m3.ngày)), HRT ngắn (đến 6 giờ) và thiết kế đơn giản [157]

Hệ thống UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc chất rắn qua tầng bùn lơ lửng và lên men lượng chất hữu

cơ Dòng vào đi qua lớp bùn kỵ khí chứa các vi sinh vật ở dạng hạt [2] Nhờ các vi sinh vật chứa trong bùn hoạt tính mà các chất hữu cơ bị phân hủy thành metan và cacbonic Hỗn hợp khí này chuyển động đi lên kéo theo các hạt bùn [159] Tại phần đỉnh của thiết bị, bùn hạt và khí va đập vào các vách của bộ phận tách 3 pha rắn - lỏng – khí làm thay đổi đường đi của khí Các bọt khí sẽ được tách ra và đi vào hệ thống thu khí Các hạt bùn sẽ rơi xuống và tuần hoàn

trở lại thiết bị Nước thải đi qua khe hở của vách ngăn, qua máng chảy tràn và đi ra ngoài Quá trình này làm xáo trộn và tuần hoàn cục bộ lớp bùn khiến các hạt bùn ở trạng thái lơ lửng Các hạt bùn trong thiết bị có tốc độ lắng cao và chống lại việc rửa trôi bùn ra khỏi hệ thống khi ở chế độ thủy lực cao Tốc độ của dòng đi lên trong khoảng 0,5 -1,0 m/h [105, 149]

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị UASB [92]

Trong hệ thống UASB, các vi sinh vật kỵ khí có thể hình thành hạt bùn thông qua sự tương tác giữa các tế bào Bùn hạt kỵ khí có mật độ vi sinh vật dày đặc bao gồm hàng triệu tế bào trong một gam sinh khối với sự đa dạng về loài, nhờ đó có thể chuyển hóa rất nhanh chất

ô nhiễm với nồng độ cao hoặc thể tích lớn mà không yêu cầu thể tích thiết bị lớn Kích thước hạt bùn lớn và tỷ trọng hạt bùn cao làm cho chúng lắng nhanh nên dễ dàng tách sinh khối khỏi dòng ra [97]

Sự thích nghi của bùn kỵ khí ở dạng phân tán sang dạng hạt trong hệ thống UASB có thể phân chia thành 3 giai đoạn [70]:

- Giai đoạn 1: thích ứng với môi trường và cơ chất, thường mất vài ngày sau quá trình khởi động

Thu khí

Dòng ra Máng tràn

Vách ngăn

Bọt khí

Bùn hạt

Dòng vào

- Giai đoạn 2: hoạt tính của bùn tăng do sự phát triển của vi sinh vật và thời gian lưu bùn cao hơn Hoạt tính sinh metan tăng trong một số tuần đầu

- Giai đoạn 3: hình thành các pellet Kích thước của hạt đầu tiên bằng đầu kim sau 6 – 8 tuần khởi động

Các thông số đáp ứng hiệu quả xử lý của hệ thống UASB tốt là sự hình thành và kết chặt của hạt bùn mà SMA và đặc tính lắng vượt trội

1.4.3 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

- Có thể xử lý với tải trọng ô nhiễm hữu cơ cao với yêu cầu về dinh dưỡng thấp, lượng bùn

sinh ra ít nên bùn dư thấp

- Sản xuất khí metan và có thể thu hồi như một dạng năng lượng

- Không đòi hỏi năng lượng cho quá trình thông khí nên chi phí vận hành thấp [2, 115]

- Bùn kỵ khí có thể bảo quản trong điều kiện không cung cấp thức ăn trong vài tháng mà

1.5 Sự hình thành hạt bùn

1.5.1 Bùn kỵ khí dạng hạt

Bùn hạt là một quần xã vi sinh vật sống cộng sinh được hình thành trong quá trình xử lý nước thải với tốc độ lắng và hoạt tính sinh metan cao Hạt bùn chứa tất cả các loài vi khuẩn cần thiết cho sự phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ xuất hiện trong nước thải Chúng có thể được xem là một vi hệ sinh thái vi sinh vật [98]

Không giống như các bông bùn, các hạt bùn có tính chất cơ học ổn định, các thực thể phân tách riêng rẽ Về mặt hình thái học, hạt bùn có đặc tính như: hạt tương đối lớn (kích thước phổ biến 0,5 mm < d < 2 mm) hình dạng cân đối và có bề mặt xác định, mật độ tế bào cao dẫn đến khả năng lắng tốt Trong hệ thống UASB, việc tương tác liên tục giữa nước thải với bùn hạt dẫn đến nước thải được làm sạch Do đó, sức sống của lớp màng vi sinh vật, hình

dạng, kích thước và mật độ bùn hạt kiểm soát hiệu quả xử lý nước thải trong hệ thống UASB Người ta đã xác định 1 g bùn hạt có thể chuyển hóa 0,5 – 1 g-COD/ngày [97] Như vậy, sự hình thành các hạt bùn cực kỳ quan trọng vì chúng không chỉ hỗ trợ tích cực cho lớp màng vi sinh vật mà còn tạo sự lơ lửng và lắng cần thiết cho phép các chúng tiếp xúc tốt với chất lỏng trong các hệ thống UASB

1.5.2 Cấu trúc hạt bùn kỵ khí

1.5.2.1 Cấu trúc vật lý

Các hạt bùn có cấu trúc xốp ở phía ngoài (khoảng 0,1 mm) và dạng tinh thể ở phần lõi [175] Hình 1.5 chỉ ra bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB của nhà máy giấy Mũi tên màu đỏ chỉ ra các lỗ thoát khí Bùn hạt kỵ khí màu đen hoặc màu xám trắng, kích thước hạt từ 0,25

mm đến 5 mm

Sự phân bố kích cỡ bùn hạt trong hệ thống UASB là kết quả của quá trình phát triển kích

cỡ hạt từ nhỏ đến lớn Sự phát triển của vi sinh vật tạo ra các lớp cấu trúc trong hạt bùn (hình 1.5) Sự khuấy trộn không làm vỡ hạt bùn, hoạt động của vi sinh vật không bị mài mòn dẫn đến giảm kích cỡ hạt Sự rửa trôi sinh khối chủ yếu từ bùn không hình thành hạt [128]

Hình 1.6 cũng mô tả sơ lược về quá trình phân hủy chất hữu cơ trong hệ vi sinh vật của hạt bùn gồm các bước như sau:

Bước 1: Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng tiết ra các enzym ngoại bào phân hủy các hợp chất cao phân tử thành đơn phân từ (đường, axit amin, axit béo) và được tiêu thụ bởi các vi khuẩn ở lớp ngoài cùng Các sản phẩm đơn phân từ này cũng được khuếch tán vào phía trong

và được nhóm acidogen lên men thành VFA và alcohol

Bước 2: VFA và alcohol được nhóm acetogen ở lớp giữa chuyển hóa thành axetat, H2 và

là nguồn thức ăn cho nhóm methanogen trong lõi hạt Sản phẩm phân hủy của cổ khuẩn sinh metan (biogas) đi ra theo lỗ thoát khí

Hình 1.6 Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn [31]

Một số hạt bùn có cấu trúc không đồng nhất cũng được phát hiện Trong các hạt bùn này, các vi khuẩn có tiêm mao chiếm ưu thế không chỉ trên bề mặt mà còn ở trung tâm hạt bùn Cấu trúc phân lớp và cấu trúc đồng nhất của hạt bùn phát triển tương ứng với nguồn cơ chất là hydratcacbon và protein [49] Người ta nhận thấy phân hủy hydratcacbon nhanh hơn phân hủy

của các vật chất trung gian và phân giải protein bị giới hạn tốc độ Do đó, các loại bùn hạt khác nhau hình thành trên cơ chất tương ứng Cấu trúc vi mô của hạt bùn phụ thuộc vào động học phân hủy của các cơ chất [83]

1.5.3.2 Polime ngoại bào

Thành phần chính của polime ngoại bào (ECP) là protein và hydratcacbon Nhóm vi khuẩn sinh axit tham gia sản xuất ECP Cơ chất và pH đóng vai trò chính trong sản xuất ECP:

pH tối ưu 6, tỷ lệ C/P tăng thuận lợi cho sự hình thành ECP Sản xuất ECP tăng sau 20 – 40 giờ và sau khoảng 100 giờ đạt đến trạng thái ổn định [31]

1.5.3.3 Thành phần vi sinh vật

Thành phần vi sinh vật trong hạt bùn rất phức tạp Chúng biến đổi theo thời gian lưu bùn

và phụ thuộc vào thành phần môi trường, pH và nhiệt độ Số loài xuất hiện trong bùn hạt có thể hơn 11000 loài, tập trung chủ yếu vào hai nhóm vi khuẩn chuyển hóa chất hữu cơ thành VFA và cổ khuẩn chuyển hóa axetat và hidro/cacbonic thành metan [92] Leclerc và cộng sự (2001) đã phân tích và so sánh trình tự 16S rARN của 44 loại bùn trong thiết bị xử lý các loại nước thải khác nhau, tác giả nhận thấy sự phân bố các loài cổ khuẩn không những bị ảnh

hưởng mạnh mẽ bởi thành phần nước thải mà còn phụ thuộc vào loại thiết bị xử lý [86] Bảng

1.3 đưa ra một số nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế xuất hiện trong một số loại hạt bùn kỵ khí

Bảng 1.3 Một số vi sinh vật chiếm ưu thế xuất hiện trong bùn hạt kỵ khí

Bùn hạt xử

lý nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Rượu cồn Vi khuẩn Bacillus [83]

Clostridium Bacteroides Pseudomonas Synergistes

Bùn hạt xử

lý nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Cổ khuẩn Methanosaeta [83]

Methanosarcina

Dầu cọ Vi khuẩn Alphaproteobacteria [80, 168]

Geobacter Gammaproteobacteria Epsilonproteobacteria Clostridia

Chloroflexi Sphingobacteria Verrucomicrobiae

Cổ khuẩn Methanosaeta [165, 168]

Methanosarcina Methanomicrobiales Methanobacteriales

Tổng hợp

vitamin C

Vi khuẩn Methanosaeta [150]

Eubacterium Acetobacterium Bacteroidetes Deltaproteobacteria Synergistes

Cổ khuẩn Methanobacterium [150]

Methanosaeta Methanomethylovorans

Bùn hạt xử

lý nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Bia Vi khuẩn Bacillus [48, 83,

101]

Syntrophomonas Enterococcus Leuconostoc Bacteroides Pseudomonas Aeromonas Rhodocyclus Vibrio Syntrophobacter Geobacter Synergistes Rhodococcus Anaerolineae Nitrospira Candidatus cloacamonas

Cổ khuẩn Methanosaeta [83, 101]

Methanosarcina Methanolinea Methanobacterium

Đồ hộp nước

ép đào

Acidaminococcus Bacteroides Pseudomonas Sulfurospirillum

Cổ khuẩn Cổ khuẩn chưa phân loại SYA-13 [83]

Cổ khuẩn chưa phân loại ArcSval_5

Cổ khuẩn chưa nuôi cấy tại bãi rác Banisveld Sữa Vi khuẩn Ruminococcaceae [95]

Thermoplasmata Syntrophus Anaerolineae

Bùn hạt xử

lý nước thải Vi sinh vật chiếm ưu thế

Tài liệu tham khảo

Sữa Cổ khuẩn Methanosaeta [95]

Methanolinea

Đồ hộp Vi khuẩn Bacteroidales [101]

Geobacter Anaerolineae Syntrophomonas Candidatus cloacamonas Propionicimonas

Cổ khuẩn Methanoregula [101], [24]

Methanobacterium Methanosaeta Methanosarcina

Bảng 1.3 chỉ ra sự phân bố thành phần vi khuẩn thay đổi khi thay đổi loại nước thải

Trong mỗi loại bùn hạt đều chứa đầy đủ các nhóm thủy phân (Bacillus/ Pseudomonas), nhóm acidogen (Bacteroidales/ Clostridia/ Leuconostoc/ Microbacterium), nhóm acetogen (Rhodocyclus/ Rhodococcus/ Syntrophobacter/ Achromobacter) và nhóm methanogen Nhóm methanogen chứa các chi chuyển hóa axetat (Methanosaeta/ Methanosarcina), H2/CO2

(Methanobacterium) và các hợp chất chứa nhóm metyl (Methanomethylovorans) Như vậy,

cấu trúc quần thể vi sinh vật trong bùn hạt bị ảnh hưởng bởi các nguồn nước thải khác nhau Hoạt động của các nhóm vi sinh vật khác nhau đóng vai trò chính trong phân hủy kỵ khí và nếu các vi sinh vật được xác định, chúng có thể được bổ sung vào bùn hạt giúp nâng cao hiệu

quả và ổn định quá trình xử lý, đồng thời làm giảm thời gian khởi động

1.5.4 Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo hạt bùn kỵ khí

Sự hình thành bùn hạt kỵ khí là quá trình gồm nhiều bước phức tạp liên quan đến áp lực vật lý, hóa học và sinh học Hulshoff và cộng sự (2004) đã chia quá trình hình thành bùn hạt thành 3 cơ chế: vật lý, vi sinh vật và nhiệt động học [70]

1.5.4.1 Cơ chế vật lý

Theo cơ chế vật lý, hạt bùn được hình thành do sự phát triển của “chất rắn lơ lửng có bản chất vi sinh vật” dưới tác động của áp suất chọn lọc [58, 70]

a Chất rắn lơ lửng có bản chất vi sinh vật

Pareboom (1994) chỉ ra các hạt bùn bắt đầu hình thành từ các cụm vi sinh vật Các tế bào

vi sinh vật lơ lửng gắn kết vào nhau và hình thành lên cụm tế bào vi sinh vật Các tế bào vi sinh vật không có khả năng bám dính sẽ bị rửa trôi (hình 1.7)

Hình 1.7 Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom [125]

Dưới các điều kiện vận hành thông thường lực cắt ngoài, áp suất khí bên trong hoặc tốc

độ tuần hoàn khí cao không làm vỡ hạt bùn Lực cắt chỉ tách các phần hạt nhỏ hơn từ các hạt bùn này [50, 70, 126]

b Mô hình hạt nhân trơ

Các hạt siêu nhỏ, trơ về mặt hóa học được sử dụng làm giá thể để các vi sinh vật bám dính vào tạo thành màng sinh học [92, 142, 157] Hạt bùn được hình thành khi các vi sinh vật trên lớp màng sinh vật sinh trưởng và phát triển trong điều kiện vận hành hệ thống UASB (hình 1.8)

Hình 1.8 Mô hình hạt nhân trơ

Mô hình này đã được thực hiện bằng việc bổ sung hạt zeolite hoặc hydro-anthracite với kích thước 100µm [72], hạt polime hấp phụ nước (WAP) [77] để xúc tiến cho quá trình hình thành bùn hạt

c Áp suất chọn lọc

Áp suất chọn lọc tương đương tổng thủy lực do tốc độ chảy của nước và sự thoát khí tạo

ra Dưới áp suất chọn lọc cao, bùn phân tán nhẹ được tách khỏi hệ thống Kết quả là bùn phân tán bị giảm, sự phát triển của vi sinh vật tập trung bên trong hạt nhân tạo thành bùn hạt có tính lắng tốt Ngược lại, áp suất chọn lọc thấp dẫn đến việc phân tán sinh khối và sinh khí kém tạo

ra bùn hạt ở trạng thái lơ lửng [98]

1.5.4.2 Cơ chế nhiệt động học

Theo cơ chế này, quá trình hình thành bùn hạt được miêu tả do sự thay đổi điện tích của các hạt diễn ra theo ba mô hình sau đây: mô hình 4 bước, mô hình chuyển vị nước và mô hình liên kết đa ion miêu tả quá trình hình thành bùn hạt

a Mô hình bốn bước

Sự hình thành bùn hạt theo mô hình 4 bước được mô tả như hình 1.9: đầu tiên, (i) các tế bào di chuyển đến bề mặt vật liệu trơ hoặc các tế bào khác; tiếp theo, (ii) các tế bào hấp phụ thuận nghịch trên bề mặt vật liệu trơ nhờ lực hóa lý; sau đó (iii) các tế bào bám dính chặt chẽ trên bề mặt vật liệu trơ nhờ sự gắn kết của các vi sinh vật và/hoặc polime và cuối cùng (iv) các

tế bào sinh trưởng và phát triển thành hạt bùn [147]

i – Sự hấp phụ thuận nghịch của hai tế bào do ECP, ii- sự phân chia tế bào,

iii – sự hình thành hạt các cụm tế bào, iv- Hình thành hạt hoàn chỉnh

Hình 1.9 Mô hình bốn bước [147]

Sự di chuyển các tế bào vi sinh vật do sự chuyển dịch của dòng chất lỏng và khí mà chúng phụ thuộc vào lưu lượng dòng vào, tốc độ sinh khí và lắng cặn Khi hai tế bào va chạm với nhau, xảy ra việc hấp phụ thuận nghịch và vật liệu trơ đóng vai trò là tâm hạt Sự bám dính không thuận nghịch xảy ra khi các mối liên kết bền vững được xây dựng giữa hạt nhân và tế bào hình thành nên các cụm tế bào dưới sự trợ giúp của ECP Nhiều cụm tế bào bám dính với nhau tạo thành bùn hạt [58, 98]

b Mô hình chuyển vị proton và khử nước

Theo cơ chế này, sự hình thành bùn hạt khởi đầu bằng sự khử nước trên bề mặt tế bào do hoạt động chuyển vị proton Mô hình này gồm 4 bước (hình 1.10): i - Khử nước trên bề mặt tế

bào; ii –Hình thành cụm tế bào; iii- Hình thành hạt bùn hoàn chỉnh; iv –Hạt bùn sau khi đã hoàn chỉnh [170]

Khi nhóm acidogen giải phóng H+ từ tế bào chất đến thành tế bào dẫn đến sự khử nước Tiếp theo, xảy ra sự khử nước trên bề mặt tế bào do H2O phản ứng với phần mang điện tích

âm của màng tế bào Khi hình thành các cụm tế bào, nhóm acidogen phân hủy các chất hữu cơ cung cấp cơ chất cho nhóm acetogen và methanogen Nhờ áp suất thủy lực các vi sinh vật tự bám dính vào nhau và xúc tiến bài tiết ECP Sau khi hình thành cụm tế bào, các thành phần phân tán có thể bám dính vào chúng hình thành nên hạt trưởng thành ECP bảo vệ hạt bùn, chống lại lực cắt

Hình 1.10 Mô hình chuyển vị proton và khử nước [170]

c Mô hình liên kết ion đa hóa trị

Theo cơ chế này, sự hình thành hạt bùn do sự tương tác giữa các vi khuẩn tích điện âm và các ion tích dương (hình 1.11)

Các cation tác động tích cực đến quá trình hình thành hạt bùn bao gồm: Ca2+ [146, 191],

Al3+[9, 30, 190], Mg2+ và Fe3+ [103] Các cation kích thích sự hình thành bùn hạt bằng cách thay đổi điện tích âm trên bề mặt vi sinh vật, kết quả làm thay đổi độ lớn của lực hấp dẫn Van der Waals mà có chức năng là cầu nối giữa các cation và các vi sinh vật [58, 98]

Hình 1.11 Mô hình liên kết ion đa hóa trị [170]

1.5.4.3 Cơ chế vi sinh vật

Các vi sinh vật kỵ khí có thể bài tiết ECP là chìa khóa trong quá trình hình thành bùn hạt Các mô hình sau đây mô tả cơ chế liên kết các vi khuẩn để hình thành bùn hạt

a Mô hình liên kết ECP

Theo mô hình này, ECP có thể thay đổi điện tích của bề mặt hai tế bào vi sinh vật đứng cạnh nhau nên chúng có thể kết hợp với nhau hoặc kết hợp với hạt nhân trơ (hình 1.12)

Hình 1.12 Mô hình liên kết ECP [98]

Việc tăng OLR đã thúc đẩy chi Methanosarcina phát triển đưa đến việc bài tiết ECP và

hình thành các cụm tế bào lớn hơn [37, 98] ECP có chức năng như một vật liệu bao gói và tạo màng Giả thuyết rằng ECP trong các hạt bùn được sử dụng để làm cầu nối giữa các tế bào vi sinh vật đứng gần nhau hoặc kết hợp một chất trơ với một tế bào khác theo cơ chế vật lý Các gen điều khiển quá trình tổng hợp ECP được biểu hiện trước và sau quá trình bám dính vi sinh vật, nghĩa là vi sinh vật đầu tiên tạo ECP sẽ bám dính với các vi sinh vật khác và tiếp tục sản sinh ECP [147]

b Mô hình Capetown

Người ta cho rằng nhóm methanogen có chức năng sản xuất ECP, dưới điều kiện áp suất

H2 cao, các axit amin được bài tiết quá mức kích thích sản xuất ECP Các vi sinh vật sẽ bị bắt giữ trong mạng lưới ECP dẫn đến khởi tạo hạt bùn Các vi sinh vật kỵ khí khác có những đặc

điểm tương tự như nhóm methanogen và cũng đóng góp vào quá trình hình thành hạt bùn Hình 1.12 cũng xác định mô hình này tương tự với mô hình liên kết ECP [70, 98, 169]

c Cơ chế spaghetti

Cơ chế này miêu tả sự hình thành hạt bùn trong hệ thống UASB xử lý nước thải bị axit

hóa Các loài trong chi Methanosaeta có tiêm mao bị các vi sinh vật khác tấn công để hình

thành các cụm vi sinh vật Các vi sinh vật trong các cụm này tự nhân đôi và phát triển thành các quả bóng “spaghetti” Mật độ tế bào trong cấu trúc quả bóng “spaghetti” cũng tăng và hình thành nên hạt bùn [70, 98]

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành bùn hạt kỵ khí

Mối quan hệ giữa các yếu tố vi sinh vật và các thông số công nghệ trong quá trình tạo hạt bùn được mô tả trong hình 1.13

Hình 1.13 Mối quan hệ giữa yếu tố vi sinh vật và các thông số công nghệ trong quá trình tạo

bùn hạt [16]

Hình 1.13 cho thấy quá trình hình thành bùn hạt bị tác động bởi rất nhiều yếu tố Các yếu

tố về kích thước mô hình đã được cố định do đó các yếu tố gồm điều kiện quá trình và thành

phần cơ chất tác động đến sự hình thành bùn hạt sẽ được chú trọng nghiên cứu để rút ngắn thời gian tạo hạt bùn kỵ khí

1.6.1 Ảnh hưởng của cơ chất

Đặc tính của cơ chất ảnh hưởng đến thành phần và cấu trúc của hạt bùn Mức độ phức tạp của cơ chất gây ra áp lực chọn lọc đến tính đa dạng của vi sinh vật trong bùn hạt mà ảnh hưởng đến vi cấu trúc của hạt Nguồn thức ăn hydratcacbon duy trì các nhóm acidogen và tạo điều kiện hình thành ECP [170] Nguồn cơ chất VFA phát triển hệ vi sinh vật dạng sợi, tạo ra hạt bùn có kích thước 5 mm và dễ vỡ Nước thải sơ chế củ cải đường và khoai tây hình thành bùn hạt chứa vi khuẩn hình que Nước thải chứa 10% (w/v) sucroza và 90 % (w/v) hỗn hợp VFA (axetat và propionat) hình thành bông bùn đưa đến việc tách bùn khỏi dòng ra không hiệu quả Cơ chất là propionat, pepton, etanol, glutamat và phenol hình thành hạt bùn có cấu trúc đồng thể [97] Do đó, bùn hạt hình thành trong nước thải giàu hydratcacbon có cấu trúc rắn chắc và ổn định Tuy nhiên, khi hàm lượng hydratcacbon quá cao đã thúc đẩy nhóm acidogen phát triển quá mức dẫn đến làm tăng lượng VFA và giảm pH Khi nuôi cấy gián đoạn bùn kỵ khí với việc bổ sung định kỳ 1g/L glucoza khi đã phân hủy hết glucoza, pH giảm dần Sau 15 lần bổ sung glucoza, pH đã giảm từ 7,5 xuống còn 4,65 Bùn sản xuất chủ yếu khí metan đã chuyển sang sản xuất khí hydro Khi pH < 6 sẽ ảnh hưởng đến nhóm methanogen [94] Người ta đã công bố rằng hàm lượng glucoza trong khoảng 0,5 – 5,0 mM (0,09 – 0,9 g/L) không ảnh hưởng đến tính đệm pH của môi trường trong hệ thống UASB [89]

1.6.2 Tải trọng hữu cơ

Tải trọng hữu cơ (OLR) mô tả mức độ thiếu hụt thức ăn đối với các vi sinh vật: các vi sinh vật thiếu hụt thức ăn khi OLR thấp Khi tăng OLR đến mức độ tới hạn, VFA tích tụ và làm giảm pH đến mức thấp nhất Quá trình tạo bùn hạt được thực hiện bằng cách nâng từng bước OLR OLR được tăng khi hiệu suất xử lý COD đạt trên 80% và kiểm soát tốt sự rửa trôi

SS của dòng ra [97] Khi tăng OLR có thể đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật tăng nhanh Tốc độ sinh trưởng cao sẽ giảm độ bền cấu trúc tập hợp vi sinh vật Tốc

độ sinh khí tỷ lệ thuận với OLR, tốc độ sinh khí sinh học cao có thể gây ra biến động thủy lực dẫn đến rửa trôi bùn Khi OLR < 1,5 kg-COD/(m3.ngày) bùn hạt bị suy thoái do thiếu hụt chất dinh dưỡng [11, 144] Tuy nhiên, Tiwari (2005) đã thành công trong việc tạo bùn hạt với OLR

là 1,5 kgCOD/m3.ngày mà cấu trúc cũng như kích cỡ hạt bùn không bị tan rã [174] Người ta khuyến cáo rằng OLR từ 2 – 4,5 kg-COD/(m3.ngày) cho chất lượng hạt bùn cao [55] Việc tăng OLR phải được thực hiện một cách thận trọng để quá trình tạo hạt diễn ra nhanh và ổn định

1.6.3 Đặc tính của bùn giống

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