Hạt PVAgel đã được cung cấp bởi Công ty Kuraray, từ đó nó lần đầu tiên được công nghiệp hóa trên thế giới. Đây là một vi khuẩn cố định hình cầu nhỏ màu trắng làm từ nhựa PVA. Với một cấu trúc mạng cực kỳ tốt, mỗi hình cầu với đường kính 4 mm và trọng lượng riêng của 1.025 có thể duy trì một tỷ vi sinh vật. PVA gel được thiết kế để xử lý nước thải công nghiệp và nước thải hộ gia đình thông qua các hoạt động của vi khuẩn. Bởi vì nó cho phép việc sử dụng các thiết bị nhỏ hơn và xử lý hiệu quả hơn so với phương pháp bùn hoạt tính thông thường, quá trình này đang được áp dụng trong các bể tự hoại hộ gia đình, các cơ sở xử lý nước thải nhà máy và nhà máy xử lý nước thải. PVAgel đã được lựa chọn cho hàng trăm hệ thống xử lý nước quy mô công nghiệp (Tổng công ty Kuraray). Nó cũng đã được áp dụng cho phản ứng sinh học trong phòng thí nghiệm quy mô kỵ khí, bao gồm phản ứng oxi hóa kị khí (Tran et al., 2006; Quan et al., 2010; Li et al., 2011) và bể phản ứng UASB (. Zhang et al, 2008; Khánh et al, 2011.). Quan et al. (2010) . Zhang et al. (20082011) thực hiện các thí nghiệm của mình với mô hình phản ứng UASB sử dụng chất mang PVAgel xử lý nước thải có nồng độ cao.
Trang 1KHOA MÔI TRƯỜNG
MÔN: CHUYÊN ĐỀ Ô NHIỄM NƯỚC
PVA-gel beads enhance granule formation in a
UASB reactor (Hạt PVA-gel làm tăng cường sự hình thành bùn
hạt trong mô hình UASB)
Tạp chí Bioresource Technology
GVHD: Ts Tô Thị Hiền Lớp 12 CMT
Nhóm: 01
Trang 2Mục lục:
Tổng quan 2
Chương 1: Giới thiệu 4
1.1Công nghệ xử lí nước thải UASB: 4
1.2 Ứng dụng của chất mang PVA-gel trong xử lí nước thải: 5
1.3 Mục tiêu nghiên cứu: 5
Chương 2: Phương pháp 7
2.1 Thiết lập thí nghiệm: 7
2.2 Tổng hợp dòng thải vào 8
2.3 Các phương pháp phân tích 8
Chương 3: Kết quả 10
3.1 Khởi đầu mô hình phản ứng: 10
3.2 Hiệu suất mô hình phản ứng 11
3.3 Những đặc tính của hạt nhựa PVA 15
3.4 Đăc điểm của bùn 16
Chương 4: Thảo luận 17
Chương 5: Kết luận 19
Tài liệu tham khảo: 20
Trang 3Từ ngữ viết tắt:
UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket (bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí)
PVA-gel: Poly (vinyl alcohol)- gel
CSL: corn steep liquor (dịch chiết từ ngô)
VFA- Volatile fatty acids: acid béo bay hơi
MPB: methane producing bacteria (vi khuẩn sinh metan)
HRT: Hydraulic Retention Time (thời gian lưu)
OLR : tải trọng hữu cơ
Trang 4Tổng quan
Hơn bốn mươi năm qua, bể phản ứng UASB được giới thiệu bởi Tiến sĩ Lettinga
và đồng nghiệp của ông ở Hà Lan Nó đã trở thành một trong các quá trình xử lý nướcthải kỵ khí phổ biến nhất do nhu cầu năng lượng thấp, xây dựng đơn giản và hiệu quả xử
lý cao Các ứng dụng của bể phản ứng UASB cho xử lý nước thải công nghiệp cho thấymột số báo cáo về việc xử lý nước thải có nồng độ cao và nước thải có nồng độ trungbình
Bùn hạt được coi là thành công quan trọng của quá trình phản ứng của bể UASB.Trong thí nghiệm, hạt PVA-gel được dùng như chất mang Nhựa chức năng này có mộtcấu trúc có hình lưới mà có thể giữ và mang theo các vi sinh vật Hạt PVA-gel đã được
sử dụng như một chất mang sinh khối trong hàng trăm nghiên cứu về hệ thống xử lý nướcthải công nghiệp tại Nhật Bản Gần đây, PVA gel đã được áp dụng cho phản ứng sinh họctrong phòng thí nghiệm quy mô kỵ khí, bao gồm oxi hóa kị khí và UASB Trong bài báonày Zhang et al (2008) đã tiến hành thí nghiệm của ông với bể UASB, bể phản ứng sửdụng PVA gel xử lý nước thải có nồng độ cao
Trang 5Chương 1: Giới thiệu
1.1Công nghệ xử lí nước thải UASB:
UASB là viết tắt của cụm từ Upflow Anaerobic Sludge Blanket, là bể xử lý sinhhọc dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí UASB được thiết kế cho nước thải có nồng độ
ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp Nồng độ COD đầu vào được giớihạn ở mức thấp nhất là 100mg/l; nếu SS>3000mg/l thì không thích hợp để xử lý bằngUASB
UASB là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từdưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp (v<1m/h) Cấu tạo của bể UASB thôngthường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha
Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quátrình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởitầng vi sinh này Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng vàkhí, tại đây thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nướcsau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo
Hình 1.1: Cấu tạo bể và nguyên lí hoạt động của bể UASB
Trang 61.2 Ứng dụng của chất mang PVA-gel trong xử lí nước thải:
Poly (vinyl alcohol) (PVA) -gel mà là một polymer tổng hợp rẻ tiền và không độchại đã được sử dụng rộng rãi cho việc cố định của vật liệu hoạt tính sinh học (Cao et al,
2002, Chen et al, 1998; Lozinsky et al, 1998; Quan et al, 2009; Zhang et al, 2007.) Bởi
vì PVA-gel có nhiều đặc tính hấp dẫn (tức là có thể hút nước, phản ứng, hình thànhmàng, khả năng chống oxy hóa), nó là tiềm năng chất mang sinh khối mà có thể được ápdụng trong các ngành công nghiệp lên men, thuốc, thực phẩm, hóa học và các kỹ thuậtsinh thái (Bai et al , 2010)
Hạt PVA-gel đã được cung cấp bởi Công ty Kuraray, từ đó nó lần đầu tiên đượccông nghiệp hóa trên thế giới Đây là một vi khuẩn cố định hình cầu nhỏ màu trắng làm
từ nhựa PVA Với một cấu trúc mạng cực kỳ tốt, mỗi hình cầu với đường kính 4 mm vàtrọng lượng riêng của 1.025 có thể duy trì một tỷ vi sinh vật PVA gel được thiết kế để xử
lý nước thải công nghiệp và nước thải hộ gia đình thông qua các hoạt động của vi khuẩn.Bởi vì nó cho phép việc sử dụng các thiết bị nhỏ hơn và xử lý hiệu quả hơn so vớiphương pháp bùn hoạt tính thông thường, quá trình này đang được áp dụng trong các bể
tự hoại hộ gia đình, các cơ sở xử lý nước thải nhà máy và nhà máy xử lý nước thải gel đã được lựa chọn cho hàng trăm hệ thống xử lý nước quy mô công nghiệp (Tổng công
PVA-ty Kuraray) Nó cũng đã được áp dụng cho phản ứng sinh học trong phòng thí nghiệmquy mô kỵ khí, bao gồm phản ứng oxi hóa kị khí (Tran et al., 2006; Quan et al., 2010; Li
et al., 2011) và bể phản ứng UASB ( Zhang et al, 2008; Khánh et al, 2011.) Quan et al.(2010) Zhang et al (2008-2011) thực hiện các thí nghiệm của mình với mô hình phảnứng UASB sử dụng chất mang PVA-gel xử lý nước thải có nồng độ cao
1.3 Mục tiêu nghiên cứu:
Giảm COD là một trong những yếu tố phổ biến nhất để xác nhận của bất kỳ cơ sở
xử lý nước thải Mục đích của nghiên cứu này là để điều tra xử lý nước thải có nồng độCOD cao với các ứng dụng của mô hình phản ứng UASB sử dụng những hạt PVA-gel.Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm:
+ Xây dựng một mô hình phản ứng UASB xử lí nước thải có nồng độ cao Hiệuquả của việc giảm COD sẽ được nghiên cứu; bên cạnh đó, các tải trọng hữu cơ thể chấp
Trang 7nhận được đối với nồng độ cao xử lý nước thải bằng mô hình UASB cũng sẽ được điềutra theo việc giảm thời gian lưu.
+ Biết được vai trò của cấu trúc xốp của hạt PVA-gel trong mô hình phản ứngUASB, hạt gel polyvinyl alcohol đã được sử dụng để đánh giá hiệu quả của chúng như
cố định vi sinh vật ở dạng hạt kích thích cho sự hình thành bùn hạt PVA-gel có một vicấu trúc xốp phù hợp cho việc lưu giữ vi khuẩn và trọng lượng riêng hơi nặng hơn nước
và do đó được coi là một ứng cử viên thích hợp cho sử dụng thành công trong một môhình phản ứng UASB xử lý nước thải có nồng độ cao
Trang 8Chương 2: Phương pháp
2.1 Thiết lập thí nghiệm:
Trong thí nghiệm, mô hình UASB là một bình phản ứng có đường kính trong 10
cm với tổng thể tích chất lỏng 12,5 L bao gồm một phần phản ứng 7,5 L và một khu vực
xử lí 5 L Bình phản ứng được làm bằng nhựa acrylic và được trang bị vỏ bọc nước đểkiểm soát nhiệt độ và được duy trì ở khoảng 35°C Cổng lấy mẫu được đặt ở các độ cao
3, 17, 20, 25 và 32 cm trên đáy bình phản ứng
Quá trình thí nghiệm được tiến hành như sau: cho 2.5 L bùn từ bùn phân hủy kỵkhí của thành phố nằm ở Kumamoto City và thể tích hạt PVA-gel là 1L được đặt trongbình phản ứng và trộn đều cho đến nồng độ bùn 10,3 g/L MLSS (7.44 g/L MLVSS ).Các hạt PVA-gel được cung cấp bởi Công ty Kuraray (Tokyo, Nhật Bản) và có mật độkhoảng 1,03 g / cm3 và đường kính 2-3 mm
Lúc khởi động, 20 ml dịch chiết từ ngô (CSL) pha loãng với 5 L nước thải đượcđưa tới các bình phản ứng Bởi vì CSL có tính axit do các axit béo dễ bay hơi (VFA-Volatile fatty acids) hàm lượng cao, Na2CO3 được bổ sung thêm như chất đệm
Đầu vào và đầu ra của nước thải được phân tích các chỉ tiêu như pH, COD, độkiềm, chất rắn lơ lửng (SS) và VFAs trên cơ sở hàng ngày Khối lượng khí tạo ra đượcxác định mỗi ngày và mêtan (CH4), carbon dioxide (CO2) được định lượng hai ngày mộtlần
Hình 2.1: Mô hình hệ thống xử lí nước thải của bể UASB trong phòng thí nghiệm
Trang 9 Nguyên lí hoạt động:
Nước thải được bơm từ phía dưới của bể qua lớp đệm bùn (gồm bùn phân hủy kịkhí và PVA-gel) Sự xử lí xảy ra khi nước thải đến và tiếp xúc với các hạt sinh khối vàsau đó đi ra khỏi bình từ phía trên của bình Trong suốt quá trình này thì sinh khối vớiđặc tính lắng cao sẽ được duy trì trong bình Một trong những bộ phận quan trọng củabình phản ứng UASB đó là bộ phận tách khí – lỏng – rắn ở phía trên của bình Trong quátrình xử lí nước thải, lượng khí tạo ra chủ yếu là CH4 và CO2 tạo nên sự lưu thông bêntrong giúp cho việc duy trì và tạo ra hạt sinh học Các bọt khí tự do và các hạt khí thoátlên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thu khí Dịch lỏng chứa một sốchất còn lại và hạt sinh học chuyển vào lại ngăn lắng, ở đó chất rắn được tách khỏi chấtlỏng và tuần hoàn trở lại vào lớp đệm bùn, nước thải thu được tại van ở phía trên
2.2 Tổng hợp dòng thải vào
Các nguyên liệu CSL (San-ei Sucrochemical Co., Ltd) được pha loãng với nướcthải đến nồng độ thích hợp nhằm phục vụ một loại nước thải trong nghiên cứu này Cácđặc điểm của các nguyên liệu là tương đối ổn định bao gồm 640 g COD / L, 43 g N / L,
và 16 g P / L Với tỷ lệ COD: N: P là 100: 7: 2,5 Môi trường cơ bản bao gồm Fe, Ni, Zn
và Co, được biết đến là có hiệu quả cho các vi khuẩn sản xuất metan (MPB), đã được sửdụng tương ứng với nồng độ COD trong nước thải (Patidar và Tare, 2006) ở tỷ lệ 0,048,0,011, 0,026, 0,021 mg / g COD, tương ứng Na2CO3 sử dụng như dung dịch đệm đãđược bổ sung để điều chỉnh pH của nước thải đến khoảng 7 với một tỷ lệ khoảng 0,18 mg/ g tổng COD
2.3 Các phương pháp phân tích
COD, SS, VSS, VFAs và độ kiềm
+ COD: Áp dụng phương pháp Closed reflux colorimetric.
+ SS (Suspended Solids) – Chất rắn lơ lửng và VSS (Volatile Suspended Solid) – Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi: Mẫu nước đầu ra và mẫu bùn được áp dụng phương pháp
phân tích theo Standard Methods
Trang 10+ VFAs – Các acid béo dễ bay hơi: Được định lượng bằng cách sử dụng
CTO-10AS sắc ký lỏng
Độ kiềm: Được xác định bằng phương pháp chuẩn độ.
Thu và phân tích khí
+ Phương pháp thu khí: Khí được thu nhờ thiết bị tách khí-lỏng-rắn và thể tích
được đo bằng một xi lanh ngược chứa nước máy với độ pH được giảm xuống 3 sử dụng
H2SO4 1N
+ Phương pháp phân tích: Sử dụng sắc ký khí GC-14B.
Đặc tính của PVA-gel
+ Vận tốc lắng: Theo phương pháp của Ghangrekar et al (2005).
+ Lượng bùn (sinh khối hoặc chất rắn) gắn trên các hạt PVA: Được tính từ sự
khác biệt của trọng lượng ướt trung bình giữa 30 cặp hạt PVA mới (chưa sử dụng) và cáchạt PVA-gel đã qua sử dụng
+ Hình thái vi sinh vật bám trên hạt PVA: Kính hiển vi điện tử quét (Scanningelectron microscopy – SEM)
Carbon, hydrogen, nitrogen (CHN)
+ Phương pháp phân tích hàm lượng CHN của SS được dựa trên quá trình oxy hóahoàn toàn và tức thời mẫu bằng phương pháp đốt, chuyển đổi toàn bộ các hợp chất thànhsản phẩm cháy
Hoạt động của vi sinh vật tạo methane
+ Theo phương pháp của Valcke and Verstraete (1983)
Trang 11Chương 3: Kết quả
3.1 Khởi đầu mô hình phản ứng:
Các phản ứng được bắt đầu với tải trọng hữu cơ là 0,42kg COD/m3/ngày, sau khixem xét kết quả của các nghiên cứu khác (Syutsubo et al., 1997, 1998; Ghangrekar et al.,2005) Trong 20 ngày đầu của phản ứng, hiệu quả loại bỏ COD chỉ khoảng 80% mặc dùnồng độ đầu vào thấp COD sau đó được tăng lên từ từ đến 4800mg/L (tải trọng hữu cơ2,5kg/m3/ngày), dẫn đến sự gia tăng đồng thời SS trong dòng chảy Sau khi phân tíchCOD, dựa trên mẫu được lọc Dưới những điều kiện được nêu trong giai đoạn 4 ở Bảng1,chỉ cần hai tuần để hiệu quả loại bỏ COD đạt ổn định trên 90%
Bảng 3.1 Tổng kết các điều kiện hoạt động trong mô hình UASB
3.2 Hiệu suất mô hình phản ứng
Thí nghiệm được duy trì liên tục trong một khoảng thời gian 110 ngày, trong đóOLR được tăng lên đến 22,5 kg COD / m3 /ngày trong 9 giai đoạn cho phép ổn định nồng
độ bùn và các chỉ số hiệu suất Trong giai đoạn 14 và 15, mẫu bùn 50ml được lấy từ phầntrên của lò phản ứng để phân tích Để kiểm tra tác động thủy động lực học trên PVA-gel,trong giai đoạn 16, giảm HRT xuống 10 h, mà kết quả là hiệu quả loại bỏ COD giảm,mặc dù trong nồng độ COD đầu vào đã được giảm để duy trì OLR Trong 40 ngày tiếp
Trang 12theo (giai đoạn 17 và 18), nồng độ COD đầu vào đã giảm từ 9,1 đến 5.1 g / L và sau đótăng lên theo từng bước đến 9,1 g / L trong 54 ngày tiếp theo (giai đoạn 19-22), nhưnghiệu quả loại bỏ khoảng 90% đi cùng với mức VFA cao ở dòng ra Các cấp độ COD dòngvào và hiệu quả loại bỏ COD với các OLR khác nhau của nghiên cứu được trình bàytrong Bảng 1.
Hình 3.1 Hiệu suất hoạt động của mô hình UASB
Đồ thị 2 cho thấy thời gian xử lí hiệu quả dòng chảy trong suốt thời gian thínghiệm Khi OLR được tăng lên 2,5 kg / m3 /ngày , hiệu quả loại bỏ COD tăng lên đến
Trang 13một mức ổn định là 90-94% Hiệu quả tương tự cũng được quan sát thấy với việc loại bỏVFAs Đầu tiên, mức độ VFAs cao của dòng ra đã được quan sát; Vi khuẩn sinh Methane(MPB), tuy nhiên, ngay sau tăng lên lượng hữu ích để loại bỏ hầu hết các VFAs, trong đóchỉ thị là các sinh vật không bị ức chế nghiêm trọng bởi sự tích tụ của VFAs Từ ngày 87-
107 (giai đoạn 10 và 11, Bảng 1), pH trong dòng vào được hạ xuống 6,0 trong khi hiệuquả xử lí được duy trì ở mức cao, mặc dù một số VFAs chủ yếu ở dạng nate- propio đãđược tìm thấy trong dòng ra Độ pH thấp là rất thích hợp cho vi khuẩn dạng sợi, do đómột số thành phần khác của CSL thường có thể không bị MPB trực tiếp tiêu thụ mà cóthể đã được phát triển thành các VFAs trong giai đoạn này và những VFAs không thể bịphân hủy bởi MPB ngay lập tức, điều này có thể giải thích tại sao VFAs vẫn còn đượctìm thấy trong dòng ra ngay cả khi hiệu quả loại bỏ COD cao
Đối với việc loại bỏ hiệu quả COD, HRT có ảnh hưởng quyết định nhất Ngày 97
và 151, HRT đã được rút ngắn đến 12 h và 10 h, tương ứng, dẫn đến kết quả là giảm loại
bỏ COD và mức độ cao của VFAs trong dòng ra Hơn nữa, khi HRT đã được rút ngắnđến 12 h (OLR là 14,2 kg COD / m3/ngày ; giai đoạn 11, Bảng 1), hiệu suất loại bỏ CODgiảm xuống khoảng 80%, nhưng sớm hồi phục, cho thấy rằng các sinh vật trong các bểphản ứng UASB có thể nhanh chóng thích ứng với điều kiện thay đổi Tuy nhiên, hiệuquả xử lí có thể không được phục hồi với HRT 10 h Thể tích của PVA-gel trong bể phảnứng UASB là chỉ 1 L, nhưng đã chiếm 8% tổng thể tích hiệu quả Xem xét rằng các lớpbùn có thể đã bị lôi cuốn bởi vận tốc dòng nước đi lên cao, giới hạn dưới cho HRT theocác điều kiện sử dụng ở đây sẽ vào khoảng 10 h Trong giai đoạn 14 và 15 (Bảng 1), khimẫu 50ml bùn được lấy từ phần trên của mô hình phản ứng, một mức độ cao củapropionate có mặt trong mẫu này Các CSL được chủ yếu gồm các lactate, acetate vàpropionate Lactate và acetate có thể được MPB sử dụng trực tiếp, trong khi propionate bịphân giải thành các dạng đơn giản như lactate và acetate bởi vi khuẩn dạng sợi (Schmidt
và Ahring, 1996) Như vậy có thể thấy rằng bùn lấy ra có thể chứa một số lượng lớn cácsinh vật dạng sợi, mà việc loại bỏ chúng có thể làm giảm sự chuyển đổi của propionate
Trang 14Tỉ lệ loại bỏ thể tích trở nên không ổn định khi các OLR vượt quá 15 kg COD /m3 / ngày Propionate thường được phát hiện trong dòng ra và đi kèm với việc loại bỏCOD kém Do đó, việc giảm lượng propionate được xem như là một bước quan trọng.
Hình 3.2: Sự thay đổi hằng ngày của lượng khí sinh ra ở mức tải lượng hữu cơ
(OLR) khác nhau (kg COD/ kg MLSS d)Hình 3.2 cho thấy lượng khí trong quá trình nghiên cứu, trong thời gian đó tảitrọng hữu cơ đã tăng dần (xem Bảng 1) Lúc đầu, nồng độ CO2 là gần như bằng không,trong khi nồng độ CH4 là khoảng 45% Sau một tháng vận hành, nồng độ CO2 đã tăng15%, nồng độ CH4 giảm Sau khoảng ba tháng, nồng độ CH4 giảm xuống còn khoảng70%, trong khi nồng độ CO2 tăng lên khoảng 30% Nhưng từ ngày thứ 140, nồng độ CO2
giảm dần tương ứng với sự gia tăng nồng độ khí CH4 Cuối cùng, trong tổng lượng khísinh ra, khoảng 65% là CH4 và phần còn lại chủ yếu là CO2 Sự tăng dần của nồng độ
CO2 chỉ ra rằng khả năng hoạt hóa của hydro oxy hóa CH4 bị ức chế ở giai đoạn đầu củathí nghiệm (ngày 0-140) Theo thời gian, khả năng hoạt hóa được phục hồi, ta có thể thấythông qua sự giảm dần của CH4 từ ngày thứ 140 Lượng khí sản sinh và tải trọng hữu cơtăng và đạt 0,38 m3 / kg COD vào giai đoạn cuối của nghiên cứu