Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt hiếu khí trên mô hình SBR (sequencing batch reactor) đối với nước thải tinh bột mì

Ý nghĩa thực tiễn Áp dụng công nghệ bùn hạt hiếu khí giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải tinh bột mì so với các phương pháp sinh học truyền thống.. Tính mới của đề tài Công nghệ xử

i

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH v

TÓM TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7

1.1.Thực trạng sản xuất và các công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì 7

1.1.1.Quy mô sản xuất 7

1.1.2.Tính chất nước thải sản xuất tinh bột mì 9

1.1.3.Một số công nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột mì 11

1.2.Giới thiệu bể SBR 19

1.2.1.Đặc tính chung của bể SBR 19

1.2.2.Ưu , nhựơc điểm 20

1.3.Tổng quan về công nghệ bùn hạt hiếu khí và ứng dụng 21

1.3.1.Khái quát về bùn hạt 21

1.3.2 Cơ chế hình thành 23

1.3.3.Các yếu tố ảnh hưởng 29

1.3.4.Cấu trúc và sự đa dạng của vi sinh vật 46

1.3.5.Các ứng dụng của công nghệ bùn hạt hiếu khí 50

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55

ii

2.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 55

2.2.Phương tiện nghiên cứu 55

2.2.1.Vật liệu nghiên cứu 55

2.2.2.Mô hình nghiên cứu 58

2.2.3.Thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm 60

2.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 61

2.3.1.Thực nghiệm 1: Xác định tải trọng thích hợp 61

2.3.2.Thực nghiệm 2: Xác định đặc tính của bùn hạt hiếu khí 62

2.3 Phương pháp phân tích 67

2.4 Phương pháp xử lý số liệu 67

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 68

3.1 Nội dung 1: Sự hình thành bùn hạt hiếu khí qua các tải trọng 68

3.1.1 Sự hình thành và phát triển của bùn hạt 68

3.1.2 Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến tính ổn định của hạt 81

3.2 Nội dung 2: Đặc tính của bùn hạt hiếu khí 86

3.2.1 Sự phân bố, kích thước hạt bùn 86

3.2.2 Khả năng lắng của hạt bùn 89

3.2.3 Sự thay đổi hàm lượng sinh khối trong bể 93

3.2.4 Mật độ vi sinh vật trong bùn hạt hiếu khí 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 110

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AGS : Bùn hạt hiếu khí BOD : Nhu cầu oxy sinh học CMTR : Bể phản ứng tuần hoàn hỗn hợp COD : Nhu cầu oxy hóa học

DO : Oxy hòa tan EBPR : Tăng cường loại bỏ photpho sinh học ECP : Sản phẩm ngoại bào

EGSB : Khuếch đại qua lớp bùn hạt EPS : Chất Polyne ngoại bào F/M : Tỷ lệ thức ăn/vi sinh vật GAO : Vi sinh vật tích lũy Glycogen HRT : Thời gian lưu nước

MBR : Bể lọc sinh học bằng màng MLSS : Nồng độ sinh khối lơ lửng MLVSS : Nồng độ sinh khối lơ lửng bay hơi OLR : Tải trọng hữu cơ

PAC : Polime aluminium chloride PAO : Vi sinh vật tích lũy photpho SBR : Bể phản ứng theo mẻ

SRT : Thời gian lưu bùn

SS : Chất rắn lơ lửng SVI : Chỉ số thể tích bùn lắng TCN : Tổng cyanua

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TKN : Tổng nitơ kjeldahl UASB : Bể phản ứng kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Lưu lượng nước thải phát sinh từ quá trình sản xuất tinh bột mì 10

Bảng 1.2: Thành phần và tính chất nước thải tinh bột mì 10

Bảng 1.3: Công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở một số cơ sở chế biến 14

Bảng 2.1: Thông số ban đầu nước thải tinh bột mì 56

Bảng 2.2: Thành phần đa lượng- vi lượng 57

Bảng 2.3: các hóa chất sử dụng trong thí nghiệm 58

Bảng 2.4: Các thiết bị chính dùng cho nghiên cứu 60

Bảng 2.5: Chế độ vận hành thực nghiệm khảo sát tải trọng (OLR) 62

Bảng 3.1: Tương quan giữa nồng độ sinh khối và mật độ vi khuẩn (dtm) 98

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các khu vực trồng khoai mì chính ở Việt Nam 8

Hình 1.2: Bố trí chung hệ thống xử lý nước thải công ty bột mì Tân Châu 11

Hình 1.3: Bố trí chung hệ thống xử lý nước thải công ty bột mì Tây Ninh 12

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải công ty bột mì Phước Long 13

Hình 1.5: Chu kỳ hoạt động của bể SBR 20

Hình 1.6: Hệ thống xử lý nước sử dụng bùn hạt hiếu khí tại Hà Lan 22

Hình 1.7: Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom 23

Hình 1.8: Mô hình hạt nhân trơ 24

Hình 1.9: Mô hình bốn bước 24

Hình 1.10: Mô hình chuyển vị proton và khử nước 25

Hình 1.11: Mô hình liên kết ion đa hóa trị 26

Hình 1.12: Sự hình thành và tan vỡ của hạt 29

Hình 1.13: Vi cấu trúc của hạt sử dụng glucose (a) và vi cấu trúc của hạt sử dụng acetate (b) 30

Hình 1.14: Kiểu dòng chảy trong bể phản ứng cột ngược dòng (a) và bể phản ứng tuần hoàn hỗn hợp (b) 32

Hình 1.15: So sánh tính kỵ nước của bề mặt tế bào trước (thanh màu trắng) và vận tốc không khí ngược dòng bề mặt khác nhau (thanh tối) 34

Hình 1.16: Sự tích tụ của các cation hóa trị trong bùn hạt hiếu khí phát triển ở thời lắng khác nhau 38

Hình 1.17: Hình ảnh của hạt trưởng thành được tạo ra với tỷ lệ F/M từ 0,3-1,1 40

Hình 1.18: Cấu trúc của bùn hoạt tính (A) và bùn hạt hiếu khí (B) 47

vi

Hình 1.19: các quá trình chuyển đổi trong các giai đoạn kỵ khí và hiếu khí trong cấu

trúc bùn hạt hiếu khí 48

Hình 2.1: Quy trình chuẩn bị nước thải tinh bột mì giả định 56

Hình 2.2: Mô hình thực nghiệm bể SBR 59

Hình 2.3: Quy trình pha loãng mẫu 65

Hình 3.1: Bùn giống 68

Hình 3.2: Mầm bùn sau 4 tuần hoạt động 69

Hình 3.3: Thay đổi MLSS trong giai đoạn thích nghi 70

Hình 3.4: Sự thay đổi COD theo thời gian trong 1 chu kỳ ở giai đoạn thích nghi 71

Hình 3.5: Bùn hạt sau 6 tuần 72

Hình 3.6: Bùn hạt sau 9 tuần 73

Hình 3.7: Bùn hạt sau 11 tuần 73

Hình 3.8: Bùn hạt sau 14 tuần 74

Hình 3.9: Bùn hạt sau 16 tuần 74

Hình 3.10: Bùn hạt sau 18 tuần 75

Hình 3.11: MLSS trong bể phản ứng và SS trong dung dịch nước thải trong thời gian khởi động 77

Hình 3.12: Sự thay đổi DO điển hình trong một chu trình ở trạng thái ổn định (tuần thứ 9 của thí nghiệm) 78

Hình 3.13: Quá trình lắng của hạt 79

Hình 3.14: Sự thay đổi tỷ lệ F/M trong quá trình hoạt động 80

Hình 3.15: Bùn hạt sau 20 tuần 81

Hình 3.16: Hiệu suất xử lý COD trong quá trình hoạt động 82

vii

Hình 3.17: Sự thay đổi amoni trong quá trình hoạt động 84

Hình 3.18: Thay đổi nitrit, nitrat trong quá trình hoạt động 85

Hình 3.19: Quan sát bùn hạt hiếu khí qua kính hiển vi 87

Hình 3.20: Phân bố kích thước hạt bùn qua các tải trọng 88

Hình 3.21: Thay đổi kích thước hạt thu được trong quá trình vận hành SBR 89

Hình 3.22: Thay đổi mô hình SVI trong hoạt động 68 ngày 91

Hình 3.24: Thay đổi tỷ lệ MLVSS/MLSS trong bể phản ứng 93

Hình 3.25: Thay đổi MLSS trong bể phản ứng 94

Hình 3.26: Sự thay đổi mật độ vi sinh vật qua các tải trọng 97

viii

TÓM TẮT

Tình hình ô nhiễm môi trường nước ở Việt Nam đang ngày càng gia tăng, một trong những nguồn gây ô nhiễm cần quan tâm là nước thải từ hoạt động sản xuất tinh bột mì Trong nghiên cứu này tác giả đã tiến hành xây dựng mô hình thí nghiệm dựa trên bể SBR để khảo sát sự hình thành và phát triển của bùn hạt hiếu khí Nghiên cứu được thực hiện với lưu lượng sục khí 5 l/phút và nguồn cacbon từ nước thải tinh bột mì Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, với OLR = 5kgCOD/m3.ngày, bùn hạt hình thành sau 9 tuần với kích thước lớn 1-2 mm Bùn hạt hiếu khí tạo được đều cho khả năng xử lý COD tốt dao động trong khoảng 90-94% Tải trọng tối ưu cho bùn hạt hiếu khí trong trường hợp thí nghiệm này là 5kgCOD/m3.ngày Nồng độ bùn có thể duy trì ở khoảng 7-11 g/l và SVI ở 30-50 ml/g, do sự hình thành các hạt hiếu khí trong SBR với nước thải tinh bột mì Vận tốc lắng của bùn hạt dao động từ 0,15 đến 3,8 cm/s Tải trọng COD tăng từ 2,5 kgCOD/m3ngày lên 7,5 kgCOD/m3ngày thúc đẩy tăng trưởng của bùn hạt hiếu khí

và khả lắng tốt hơn Nhưng sau một thời gian do kích thước hạt lớn nên gây khó khăn cho các chất khuếch tán vào lõi của hạt, làm cho các hạt bị nứt Kết quả là, lớp ngoài đã bị phá vỡ trong khi lõi đen vẫn còn Tỷ lệ MLVSS/MLSS cao 90-94%, mật độ vi sinh vật từ 8,5×1011 – 9,5×1011 (CFU/g) cao hơn nhiều so với bùn hoạt tính ban đầu 1,23×1011(CFU/g)

70 mg/l các chỉ số về BOD từ 2120 – 14750 mg/l, COD từ 2500 – 17000 mg/l[11], nếu không được xử lý triệt để sẽ tác động xấu đến chất lượng môi trường nước

Ở Việt Nam, nước thải tinh bột mì chủ yếu được xử lý bằng hệ thống bùn hoạt tính Nhược điểm của quá trình này là lượng sinh khối dư sinh ra lớn, nồng độ chất rắn lơ lửng đầu ra cao, tải trọng xử lý thấp (0,5 – 2kg COD/m3.ngày) Do đó, cần phải tìm ra những công nghệ mới vừa đảm bảo hiệu quả về mặt môi trường vừa đáp ứng yêu cầu về mặt kinh tế phù hợp với điều kiện thực tế của các doanh nghiệp

Quá trình tạo bùn hạt được nghiên cứu vào những thập niên 1980, tập trung chủ yếu là bùn hạt kỵ khí trên bể UASB[81] Công nghệ tạo bùn hạt được phát triển

và nghiên cứu rộng rãi khoảng 20 năm qua[93] Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra bùn hạt hiếu khí có thể khắc phục hầu hết các nhược điểm của bùn hoạt tính truyền thống, khả năng lắng tốt, duy trì được nồng độ sinh khối cao, có khả năng chịu được tải trọng chất hữu cơ cao, cấu trúc dày đặc, rắn chắc, có khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitrogen[52, 70, 83, 115] Bùn hạt có vận tốc lắng lớn hơn 10m/h[54], chỉ

số thể tích bùn SVI nhỏ hơn 35 ml/g[102], khả năng lắng tốt sẽ làm giảm được diện tích của công trình lắng phía sau Chịu được tải trọng hữu cơ cao, có thể đạt đến 15 kgCOD/m3.ngày[18] Hầu hết các nghiên cứu tạo hạt hiếu khí trên thế giới và Việt Nam được thực hiện trên nước thải tổng hợp bao gồm glucose, sucrose, axetat, ethanol [2, 5, 31, 106, 107] và một số nghiên cứu đã áp dụng bùn hạt hiếu khí trong

xử lý nước thải thực tế [32, 55] Tuy nhiên sự hình thành hạt hiếu khí trong những trường hợp này vẫn còn chưa rõ ràng và thiếu hụt về hiệu quả của hạt hiếu khí đối với việc giảm lượng chất hữu cơ trong nhiều loại nước thải công nghiệp Hơn nữa,

2 Mục tiêu của đề tài

2.1 Mục tiêu chung

Tạo bùn hạt hiếu khí trên mô hình SBR (sequencing batch reactor) đối với nước thải tinh bột mì Từ đó làm cơ sở cho việc phát triển các công nghệ sử dụng bùn hạt hiếu khí vào việc xử lý nước thải tinh bột mì quy mô công nghiệp

2.2 Mục tiêu cụ thể

+ Xác định điều kiện hình thành và ổn định của bùn hạt hiếu khí trên bể SBR + Xác định đặc tính của bùn hạt hiếu khí

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xác định điều kiện hình thành và ổn định của bùn hạt hiếu khí trên bể SBR + Xác định tải trọng hữu cơ thích hợp cho việc hình thành bùn hạt ở nước thải tinh bột mì

+ Xác định ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến tính ổn định của hạt bùn

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tƣợng nghiên cứu

Môi trường nghiên cứu: Nước thải tinh bột mì giả định

Đối tượng sử dụng nghiên cứu: Bùn hạt hiếu khí từ mầm bùn hoạt tính hiếu khí Mô hình bể hiếu khí SBR

Quy mô: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng

mô hình bể SBR để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí Nghiên cứu chỉ khảo sát trên nước thải tinh bột mì giả định Nghiên cứu chỉ tập trung đánh giá ảnh hưởng tải trọng hữu cơ, và khảo sát đặc tính của bùn hạt hiếu khí Theo In S Kim

và cộng sự (2008)[45], mật độ vi sinh vật trong bùn hạt được xác định dựa vào khác biệt tương phản giao thoa (DIC) và sử dụng 4,6-diamidino-2-phenylindole hydrochloride (DAPI) xử lý hình ảnh huỳnh quang Giá trị của diện tích huỳnh quang DAPI trung bình trên mỗi đơn vị tế bào được sử dụng

để ước lượng mật độ vi sinh vật của các mẫu Nhưng do giới hạn về kinh phí

và thời gian nghiên cứu nên đề tài không tiến hành xác định tổng vi sinh vật tham gia vào quá trình tạo hạt, chỉ xác định vi khuẩn hiếu khí

4

5 Cách tiếp cận

Tạo mẫu nước thải tinh bột mì giả định

Nghiên cứu sự hình thành hạt trên bể phản ứng theo mẻ SBR

6 Phương pháp và nội dung nghiên cứu

6.1 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích nước

Phương pháp kế thừa: sử dụng chọn lọc các kết quả từ những công trình nghiên cứu trước đây vào việc xây dựng mô hình nghiên cứu

Phương pháp so sánh: từ kết quả thu được trong thực nghiệm tiến hành so sánh với các nghiên cứu khác về các thông số đặc tính của hạt hiếu khí Phương pháp thực nghiệm trên mô hình thực tế

Phương pháp quang phổ so màu (UV-Vis)

Phương pháp xử lý số liệu

Các phương pháp thực nghiệm cụ thể sẽ được trình bày rõ ở chương 2

6.2 Nội dung nghiên cứu

Tổng hợp tài liệu về công nghệ bùn hạt hiếu khí, tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt

Thí nghiệm tạo bùn hạt trên bể SBR với nước thải tinh bột mì giả định

Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo

7 Ý nghĩa của đề tài

5

Công trình nghiên cứu đóng các số liệu khoa học cơ bản sử dụng cho giảng

dạy và nghiên cứu với các đề tài tương tự

7.2 Ý nghĩa thực tiễn

Áp dụng công nghệ bùn hạt hiếu khí giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải tinh bột mì so với các phương pháp sinh học truyền thống Góp phần bảo vệ môi trường, tạo điều kiện thuận lợi cho các doanh nghiệp tiếp cận với công nghệ mới với hiệu quả xử lý cao từ đó đảm bảo cho hoạt động kinh doanh sản xuất của các doanh nghiệp

Việc sử dụng các hạt hiếu khí trong xử lý nước thải có thể giảm diện tích đất cho việc xây dựng các công trình xử lý so với phương pháp truyền thống và đó là điều cần thiết do quỹ đất cho các hệ thống xử lý hiện nay đang thu hẹp

Nghiên cứu mang tính thực tiễn cao mở ra một khả năng ứng dụng hạt hiếu khí cho xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao trong thực tế

Đề tài còn là tài liệu tham khảo cho các sinh viên, chuyên viên môi trường, các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực môi trường đặc biệt là xử lý nước thải

7.3 Tính mới của đề tài

Công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hạt hiếu khí là một hướng nghiên cứu mới và đầy triển vọng trong việc ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Từ đầu những năm 1990 số lượng các nghiên cứu nhằm tìm hiểu về cơ chế hình thành, đặc tính của bùn hạt hiếu khí trên thế giới gia tăng liên tục nhưng đa phần các nghiên cứu tạo hạt trên cơ chất là nước thải tổng hợp ( glucozo, axetat,…) Ở Việt Nam, số lượng các nghiên cứu về bùn hạt hiếu khí rất hạn chế chỉ có một số nghiên cứu của các nhóm tác giả Nguyễn Phước Dân, Trần Quang Lộc, Bùi Xuân Thành, Nguyễn Văn Phước; hơn nữa ở Việt Nam đến nay công nghệ này chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm Với đề tài này tính mới là xác định được tải trọng hữu cơ thích hợp cho việc hình thành bùn hạt hiếu khí và đặc tính của bùn hạt hiếu khí trên mô

6

hình SBR với nước thải tinh bột mì Là nghiên cứu khởi đầu cho hướng nghiên cứu ứng dụng bùn hạt hiếu khí vào thực tế xử lý nước thải tinh bột mì dựa trên bể SBR

8 Cấu trúc của đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, mục lục, danh mục các chữ viết tắt, danh mục các bảng, danh mục hình, phụ lục và tài liệu tham khảo đề tài được bố cục theo 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Giới thiệu tổng quan về tình hình sản xuất tinh bột mì, tác động của nước thải sinh ra trong quá trình sản xuất và các phương pháp xử lý hiện tại Tổng hợp khái quát tài liệu các nghiên cứu về công nghệ bùn hạt hiếu khí bao gồm các yếu tố ảnh hưởng, thành phần vi sinh vật và ứng dụng

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Giới thiệu các phương pháp cụ thể tiến hành của đề tài

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Trình bày kết quả thu được sau nghiên cứu, kết quả về sự hình thành bùn hạt hiếu khí qua các tải trọng hữu cơ khác nhau, sự thay đổi các thông số vật lý và sinh học, tiến hành giải thích và đánh giá so sánh với các nghiên cứu trước đây

7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng sản xuất và các công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì

1.1.1 Quy mô sản xuất

Khoai mì là một trong những cây có củ được trồng chủ yếu hơn 80 quốc gia

ở vùng nhiệt đới ẩm Ở Việt Nam, khoai mì đóng một vai trò kinh tế - xã hội quan trọng là loại cây lương thực sau gạo Vùng trồng khoai mì ở Việt Nam có thể được chia thành ba khu vực: (1) miền Nam tập trung ở Tây Ninh, Bình Phước, Đồng Nai, Bình Thuận, Đắk Lắk; (2) miền Trung tại Gia Lai, Quảng Ngãi, Bình Định, Quảng Nam; (3) miền Bắc ở Phú Thọ và Hà Tây (Hình 1.1) Việt Nam đứng thứ 16 về sản lượng khoai mì toàn cầu, với sản lượng lên đến 2.050.300 tấn/năm Sản xuất tinh bột mì ở Việt Nam hàng năm khoảng 500.000 tấn, tương đương với 1,6 triệu tấn khoai mì tươi[66]

Việt Nam là nước xuất khẩu tinh bột mì đứng thứ 3 trên thế giới, sau Indonesia và Thái Lan Thị trường xuất khẩu chính của Việt Nam là Trung Quốc, Đài Loan, một phần nhỏ xuất sang thị trường châu Âu (chiếm 1.7% thị phần châu Âu) Trong những năm gần đây, năng lực sản xuất và chế biến tinh bột mì của Việt Nam đã có bước tiến bộ đáng kể Năm 2008 diện tích trồng khoai mì của nước ta đã tăng mạnh từ 270.000 ha (năm 2005) lên 510.000 ha Cùng với diện tích khoai mì được mở rộng, sản lượng cũng như năng suất khoai mì được sản xuất cũng tăng lên theo thời gian[15]

Việt Nam hiện tồn tại 3 loại quy mô sản xuất tinh bột mì điển hình sau[15]: Qui mô nhỏ (hộ và liên hộ): Đây là quy mô có công suất 0,5 - 10 tấn tinh bột sản phẩm/ngày Số cơ sở chế biến khoai mì quy mô nhỏ chiếm 70 - 74% Công nghệ thủ công, thiết bị tự tạo hoặc do các cơ sở cơ khí địa phương chế tạo Hiệu suất thu hồi và chất lượng tinh bột mì không cao

Qui mô vừa: Đây là các doanh nghiệp có công suất dưới 50 tấn tinh bột sản phẩm/ngày Số cơ sở chế biến khoai mì quy mô vừa chiếm 16- 20% Đa phần các

8

cơ sở đều sử dụng thiết bị chế tạo trong nước nhưng có khả năng tạo ra sản phẩm có chất lượng không thua kém các cơ sở nhập thiết bị của nước ngoài

Hình 1.1: Các khu vực trồng khoai mì chính ở Việt Nam[66]

Qui mô lớn: Nhóm này gồm các doanh nghiệp có công suất trên 50 tấn tinh bột sản phẩm/ ngày Số cơ sở chế biến khoai mì quy mô lớn chiếm khoảng 10% tổng số các cơ sở chế biến cả nước với công nghệ, thiết bị nhập từ Châu Âu, Trung

9

Quốc, Thái Lan Đó là công nghệ tiên tiến hơn, có hiệu suất thu hồi sản phẩm cao hơn, đạt chất lượng sản phẩm cao hơn, và sử dụng ít nước hơn so với công nghệ trong nước

Tới năm 2009 cả nước đã có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột mì ở qui mô lớn, công suất 50 - 200 tấn tinh bột mì/ngày và trên 4.000 cơ sở chế biến thủ công Hiện tại, tổng công suất của các nhà máy chế biến khoai mì quy mô công nghiệp đã

và đang xây dựng có khả năng chế biến được 40% sản lượng mì cả nước Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ, khoảng 40 - 45% sản lượng khoai mì dành cho chế biến quy mô lớn, hay còn gọi là quy mô công nghiệp, 40 - 45% sản lượng khoai mì dành cho chế biến tinh bột ở qui mô nhỏ và vừa, dùng để sản xuất các sản phẩm khô, chế biến thức ăn chăn nuôi và 10 - 15% dùng cho ăn tươi và các nhu cầu khác[15]

Tinh bột khoai mì cũng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như cho bột ngọt, nhà máy giấy, dệt may, thực phẩm, xà phòng, chất tẩy rửa, dược phẩm, mỹ phẩm[66] Sự gia tăng trong nhu cầu tinh bột mì ở thị trường trong nước, quốc tế để chế biến thực phẩm và các ngành phi thực phẩm khác đã gây

ra một sự gia tăng đáng kể lượng nước thải từ quá trình sản xuất, nếu không được

xử lý tốt sẽ gây ô nhiễm môi trường

1.1.2 Tính chất nước thải sản xuất tinh bột mì

Theo Hiền và cộng sự (1999)[72], để sản xuất 1 tấn tinh bột một nhà máy chế biến tinh bột mì thải khoảng 12 m3 nước thải có chứa COD từ 11,000-13,500 mg/l, SS từ 4,200-7,600 mg/l và pH 4,5-5,0 Các nghiên cứu của Mai và cộng sự (2001) trên các công ty chế biến tinh bột mì quy mô lớn cho thấy nước thải tinh bột

mì có đặc tính tương tự, với COD trong khoảng 7,000-41,406 mg/l, BOD5 từ 23,077 mg/l, và nồng độ CN- trong khoảng 19-28 mg/l[67] Những giá trị này chỉ ra rằng nồng độ ô nhiễm trong nước thải là rất cao và quá trình phân hủy tự nhiên sẽ dẫn đến ô nhiễm về môi trường Đặc biệt là ở các tỉnh Bình Phước, Tây Ninh, Đồng Nai, ô nhiễm giếng, suối, sông cung cấp các bằng chứng thực tế nhất về các tác động nặng nề đến môi trường của ngành chế biến tinh bột mì

Lưu lượng (m 3 /ngày)

1 Phước Long Tapioca

3 Tây Ninh Tapioca

Co, tỉnh Tây Ninh

4 Toàn Năng Tapioca

Co, tỉnh Tây Ninh

5 Tân Châu Tapioca

Co, tỉnh Tây Ninh

Bảng 1.2: Thành phần và tính chất nước thải tinh bột mì[11]

Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả

11

1.1.3 Một số công nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột mì

Cho đến nay, hầu như tất cả các công ty chế biến tinh bột mì ở Việt Nam sử dụng hệ thống xử lý nước thải dựa trên các hồ sinh học Một nghiên cứu của ARRPET (2004, 2005) cho thấy tất cả nước thải sinh ra từ quá trình sản xuất tinh bột mì quy mô lớn tại tỉnh Tây Ninh đang được xử lý trong một hệ thống ao hồ sinh học Các công ty này lắp đặt hệ thống xử lý nước thải dựa trên việc sử dụng các ao

hồ ổn định bao gồm cả hồ kỵ khí, hồ tuỳ nghi Hình 1.2 cho thấy cách bố trí chung của hệ thống xử lý nước thải tinh bột mì tại công ty bột mì Tân Châu, tỉnh Tây Ninh

Hệ thống xử lý này với công suất 1.200 m3/ngày gồm có tám hồ ổn định chiếm diện tích 7,4 ha Tương tự, công ty bột mì Tây Ninh (cũng nằm ở tỉnh Tây Ninh) sử dụng một loạt mười hai hồ ổn định, trong đó bao gồm một diện tích 15,8 ha có công suất 1.500 m3/ngày, được thể hiện trong hình 1.3[66]

Hình 1.2: Bố trí chung hệ thống xử lý nước thải công ty bột mì Tân Châu[66]

12

Mặc dù các công ty đã xây dựng các hệ thống hồ xử lý nước thải tuy nhiên các hệ thống này không đáp ứng tiêu chuẩn xả nước thải công nghiệp của Việt Nam, trong đó một phần có thể do thiết kế cũ, bảo trì các hệ thống này rất hạn chế Kết quả nghiên cứu của ARRPET (2005) cho thấy nước thải của hệ thống xử lý chỉ sử dụng hồ sinh học tại tỉnh Tây Ninh là không ổn định, nồng độ COD và BOD trong nước thải dao động lớn từ 88-312 mg/l và 40-174 mg/l đối với hai hệ thống của công ty bột mì Tân Châu đã đề cập ở trên[66] Hơn nữa, hồ kỵ khí hoạt động với nồng độ hữu cơ cao thường gây ra mùi khó chịu, muỗi sinh sản và ô nhiễm nước ngầm Trong khi đó, Công ty bột mì Phước Long ở tỉnh Bình Phước áp dụng công nghệ xử lý kết hợp kỵ khí với hiếu khí, tức là một hệ thống bao gồm sự kết hợp của quá trình UASB và một hệ thống hồ sinh học Nước thải từ hệ thống xử lý này được tái sử dụng cho hoạt động tưới tiêu của công ty Với công nghệ này, các tác động xấu đến môi trường là tối thiểu Sơ đồ hệ thống xử lý được mô tả trong hình 1.4

Hình 1.3: Bố trí chung hệ thống xử lý nước thải công ty bột mì Tây Ninh[66]

13

Ngược lại với tính chất nước thải từ các công ty bột mì quy mô lớn, nước thải từ các cơ sở chế biến tinh bột mì quy mô hộ gia đình nói chung vẫn được thải vào hệ thống cống rãnh hiện có của thành phố (ví dụ tại thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Đồng Nai) hoặc lưu trữ trong ao đất (ở tỉnh Tây Ninh) Các nghiên cứu đã được tiến hành để đánh giá tình trạng hiện tại của ngành công nghiệp sản xuất tinh bột mì Kết quả cho thấy gần như tất cả các cơ sở sản xuất quy mô hộ gia đình nằm ở tỉnh Đồng Nai xả nước thải vào hệ thống cống rãnh, sông, hồ và họ làm điều này mà không xử lý trước[66]

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải công ty bột mì Phước Long[66]

Từ những điều trên có thể kết luận rằng nước thải chế biến tinh bột mì ở Việt Nam vẫn còn gây ra một thiệt hại nặng cho khu vực tiếp nhận do lưu lượng lớn và mức độ ô nhiễm cao Do đó đặt ra một mối đe dọa rất nghiêm trọng đối với môi trường và chất lượng cuộc sống ở các khu vực nông thôn Bắt đầu từ năm 1998, các

cơ quan môi trường tỉnh đã buộc các công ty xử lý nước thải Các nhà máy sau đó bắt đầu xử lý nước thải thông qua chuỗi các hồ sinh học nhân tạo do có diện tích đất

14

rộng xung quanh công ty Tuy nhiên, công nghệ xử lý này không thể đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải hiện hành, và do đó tình trạng ô nhiễm nặng vẫn tiếp tục Tại thành phố Hồ Chí Minh, các cơ sở sản xuất quy mô hộ gia đình xả nước thải tinh bột mì vào hệ thống thoát nước của thành phố Tuy nhiên, tại tỉnh Tây Ninh tình hình lại khác Bởi vì diện tích rộng lớn có sẵn xung quanh, gần như tất cả các cơ sở sản xuất quy mô hộ gia đình xả nước thải vào các ao đất và các ao không có bất kỳ vật liệu lót để ngăn chặn thâm nhập vào nước ngầm

Bảng 1.3: Công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở một số cơ sở chế biến[12]

1 Tân Châu Song chắn rác→lắng→trung hòa→hồ kỵ khí 1,2,3→hồ tùy nghi 1,2→hồ hiếu khí

2 Hoàng Minh Song chắn rác→lắng bột→trung hòa→điều hòa→UASB→Aeroten→khử trùng

3 Trường Hưng Song chắn rác→lắng cát→lắng bột→lắng ly tâm→Aeroten→khử trùng

8 Bình Định Song chắn rác→lắng bột→trung hòa→UASB→hồ sinh học có sự tham gia của thực vật nước

9 Tây Ninh Song chắn rác→lắng→trung hòa→hệ thống các hồ sinh

15

Các nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu và đánh giá hiệu quả của các công nghệ mới trong xử lý nước thải tinh bột mì Nước thải tinh bột mì sau khi xử lý còn được tận dụng trong các hoạt động nông nghiệp

Nguyễn Văn Phước và cộng sự (2009)[10], nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ Hybrid Kết quả nghiên cứu cho thấy phương án xử lý sinh học, áp dụng công nghệ hybrid (lọc sinh học hiếu khí kết hợp aerotank) có khả năng

xử lý 98% COD; 95% N-NH3 ở tải trọng tối ưu 1kg COD/m3.ngàyđêm, thời gian lưu nước 1 ngày Hàm lượng vi sinh vật trong hệ thống có thể đạt đến 10.000 mg/l Nước sau xử lý đạt TCVN 5945-2005 loại B

Lê Thị Thủy và cộng sự (2011)[4], nghiên cứu và xây dựng quy trình xử lý nguồn nước ô nhiễm do chế biến tinh bột mì để tái sử dụng trong sản xuất nông nghiệp tại tỉnh Kontum Kết quả xử lý nước thải ô nhiễm từ chế biến tinh bột mì sau khi đã xử lý biogas cho sản phẩm đầu ra đạt tiêu chuẩn cột B (trừ chỉ tiêu NH4+ và

CN-) có thể áp dụng quy trình theo 4 bước như sau: x(loại đất, EM) → bể (trồng thủy trúc) → bể (trồng cỏ vetiver) → bể hoặc ao hồ(trồng bèo tây) Rau cải xanh được tưới bằng nước thải ô nhiễm từ chế biến tinh bột mì sau khi đã xử lý cho năng suất cao hơn tưới bằng nước thường, chất lượng rau vẫn đảm bảo tiêu chuẩn so với quy định số 99/2008/QĐ-BNN về chỉ tiêu NO3-

Nguyễn Thị Thanh Phượng và cộng sự (2010)[8], nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ lọc sinh học hiếu khí trên các loại vật liệu lọc khác nhau Kết quả nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm đã chứng minh cả 4 vật liệu lọc ( xơ dừa, than đá, nhựa PVC và nhựa Bio-Ball BB-15) điều có khả năng xử lý hàm lượng hữu cơ và nitơ với hiệu quả cao COD, N giảm lần lượt từ 90–98%; 61-92% ở tải trọng hữu cơ dao động từ 0,5; 1; 1,5 và 2 kgCOD/m3.ngày Số liệu nghiên cứu đã xác định xơ dừa là giá thể lọc tốt nhất trong

4 loại vật liệu nghiên cứu Trong mô hình lọc sinh học với giá thể xơ dừa, hiệu quả

xử lý COD đạt đến 98% và tốc độ phân hủy cơ chất đạt 0,6kgCOD/kgVSS.ngày

16

Huỳnh Ngọc Phương Mai và cộng sự (2004)[3], nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột khoai mì bằng UASB và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Kết quả nghiên cứu đã cho thấy có thể áp dụng tải trọng chất hữu cơ đến 83-114 kgCOD/m3.ngày, mà hiệu quả xử lý COD vẫn đạt khá cao từ 68-84% Kết quả là COD đầu vào giảm từ 5.549-8.803 mg/l đến 1.393 - 2.229 mg/l Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, với tải trọng chất hữu cơ càng cao thì hiệu quả xử lý COD đạt được càng giảm Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng chất dinh dưỡng và vi lượng chỉ cần thiết bổ sung trong giai đoạn khởi động hệ thống Và hệ thống UASB có khả năng chịu sốc tải trọng với nồng độ COD cao gấp 3 lần nồng độ đang vận hành

và kéo dài 24 giờ, thời gian hồi phục mất khoảng 2-3 ngày

Lương Hữu Thành và cộng sự (2011)[6], tuyển chọn chủng vi sinh vật nhằm

xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột mì Xác định sự kết hợp của 04 chủng

vi sinh vật phân giải các hợp chất carbohydrate (cellulose, tinh bột), phân giải phosphate không tan, phân giải hợp chất có lưu huỳnh, phân giải các hợp chất nitơ được sử dụng trong xử lý nước thải chế biến tinh bột mì Nghiên cứu đã xác định một số thông số kỹ thuật phù hợp với sinh khối các chủng vi sinh vật: pH, nhiệt độ, oxy, thời gian lưu bùn

Nguyễn Thị Thanh Trúc và cộng sự (2012)[9], đánh giá khả năng xử lý nước thải sản xuất tinh bột mì của một số chủng vi nấm Tác giả đánh giá khả năng xử lý nước thải sản xuất tinh bột mì của 7 chủng nấm sợi thuộc chủng Aspergillus Ở điều kiện thí nghiệm trên bình tam giác thông khí bằng máy lắc, chủng nấm Aspergillus oryzae IFO30113 có thể loại COD, TC trên 90% và có hoạt tính enzym mạnh Hiệu suất xử lý COD, TC tăng khi bổ sung thêm các nguồn dinh dưỡng nitơ, photpho vào trong môi trường nước thải Sử dụng chủng nấm Aspergillus oryzae IFO30113 cho quá trình vận hành hệ thống khí nâng, trong điều kiện thay đổi bùn giống, chế độ sục khí, nguồn dinh dưỡng không những cho kết quả loại bỏ COD (75 – 90%) và

TC (75 – 80%) khá cao mà còn thu được lượng sinh khối lớn

17

Nguyễn Ngọc Ánh (2016)[1], nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải chế biến tinh bột Nghiên cứu đã tuyển chọn hai chủng vi sinh vật là những vi khuẩn phân giải tinh bột Xác định các đặc điểm sinh lý hóa của các chủng vi sinh vật tuyển chọn và bổ sung vào bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún miến Khi hệ thống hoạt động ổn định, bùn lắng tốt, hiệu suất xử lý COD đạt trên 90% Các chỉ tiêu khác của nước thải sau xử lý như tổng nitơ, tổng photpho, N–NH3 đều đạt tiêu chuẩn nước thải loại B theo QCVN 40:2011/BTNMT Không phát hiện sự có mặt của các chủng vi sinh vật gây bệnh trong nước thải sau khi xử lý như salmonella, E.Coli và tổng Coliform

1.1.3.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Ở nước ngoài vấn đề bảo vệ môi trường, cũng như quản lý chất lượng nước thải công nghiệp hết sức khắc khe Nên việc nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì

đã được đặt ra từ sớm và đưa ra các giải pháp xử lý khác nhau Tuy nhiên cây mì là một loài cây lương thực nhiệt đới Nên ở nước ngoài, đặc biệt là các nước phát triển, các nước phương Tây khoai mì không phải là loại thực phẩm thông dụng bởi vậy cho đến nay, chưa có công trình nào cụ thể về xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ bùn hạt hiếu khí Chỉ có một số bài báo khoa học nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì của các nhà khoa học tại nước có diện tích trồng khoai mì lớn bao gồm Nigeria, Thái lan, Ấn độ, Indonexia

S Subagjo và cộng sự (2015)[80], nghiên cứu xử lý COD của nước thải tinh bột mì bằng màng lọc MBR Tác giả đã nghiên cứu ứng dụng màng MBR để xử lý nước thải tinh bột mì có nồng độ COD khác nhau từ 4.000-9.000 mg/l Một nghiên cứu sơ bộ ban đầu đã được tiến hành để đánh giá hiệu suất của màng đối nồng độ MLSS dao động từ 4.500 đến 10.500 mg/l Bẩn màng đã được quan sát thấy trong giai đoạn đầu của nghiên cứu cho toàn bộ phạm vi của nồng độ MLSS dẫn đến suy giảm thông lượng màng Tăng áp lực hút xuyên màng chỉ nâng cao thông lượng nhẹ

ở nồng độ MLSS 4.500mg/l Khi nồng độ MLSS đạt 8.500 và 10.500mg/l thì tăng

J Fettig và cộng sự (2013)[40], nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng cách kết hợp các quá trình vật lý và sinh học Tác giả sử dụng một hệ thống quy mô thí điểm kết hợp tuyền nổi, phân hủy kỵ khí trong một bể phản ứng EGSB và sau đó

là xử lý hiếu khí trong một hệ thống đất ngập nước Nghiên cứu chứng minh rằng các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ rất hiệu quả trong điều kiện hoạt động ổn định (COD> 98%), nitơ (TKN> 90%) và cyanua (TCN> 99%), hiệu quả loại bỏ photpho thấp (TP khoảng 50%)

Lei Sun và cộng sự (2012)[86], nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng phương pháp sinh học kỵ khí cường độ cao trong một bể phản ứng kỵ khí dòng chảy nhiều tầng Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD 87,9% trong thời gian lưu nước là 6,0 giờ ở nồng độ COD cố định 4000 mg/l Ngoài ra, đã loại bỏ được 77,5-92,0% COD với tải trọng chất hữu cơ từ 10,2-40,0 kgCOD/m3ngày tại HRT cố định

là 6,0 giờ Cuối cùng, việc khảo sát hình thái của bùn cho thấy vi khuẩn Methanothrix spp và Methanosarcina spp, là các vi sinh vật chiếm ưu thế

Emmanuel I Ugwu (2012)[20], nghiên cứu xử lý nước thải bột mì bằng kiềm Nghiên cứu này nhằm mục đích xử lý nước thải bột mì bằng cách thủy phân trong môi trường kiềm Sản phẩm chuyển hóa của nước thải mì được đặc trưng bằng các thông số khác nhau theo chế độ lên men tĩnh và hàng loạt Với mô hình bể phản ứng thủy phân hàng loạt của nước thải hơn 20 ngày kể từ ngày bắt đầu với nhiều nồng độ NaOH đã được nghiên cứu Với 0,25M NaOH, nồng độ cyanua được thủy phân rất nhiều (44 lần) trong 20 ngày Hơn nữa, việc xử lý bằng kiềm giảm đáng kể coliforms và làm giảm BOD5 trong nước thải mì Nghiên cứu này dường như chỉ ra rằng xử lý bằng kiềm là rất hiệu quả

19

1.2 Giới thiệu bể SBR

Trong suốt một trăm năm qua, công nghệ bùn hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải Việc sử dụng bùn hoạt tính điển hình được đặc trưng bởi việc tiêu thụ năng lượng và tạo ra sinh khối tương đối cao, dẫn đến chi phí vận hành cao và các vấn đề về xử lý lượng bùn Việc phát triển công nghệ, cải thiện điều kiện hoạt động và thực thi các quy định nghiêm ngặt trong những năm gần đây

đã dẫn đến việc thay thế hệ thống bùn hoạt tính tăng trưởng truyền thống bằng công nghệ SBR Các bể SBR về cơ bản là các bể phản ứng sinh học xử lý nước thải, trong đó tất cả các phản ứng trao đổi chất và tách pha chất lỏng - rắn diễn ra trong một bể và trong một trình tự thời gian lặp đi lặp lại được xác định, lặp lại liên tục

Các quy trình của SBR tiết kiệm hơn 60% chi phí vận hành cho quá trình bùn hoạt tính thông thường và đạt được hiệu quả xử lý cao trong thời gian chu kỳ ngắn Trong trường hợp như vậy, các hệ thống bùn hoạt tính thông thường đòi hỏi có từ 3 đến 8 giờ sục khí Ban đầu, công nghệ này dành cho các hệ thống quy mô nhỏ và chất thải công nghiệp khó phân hủy, nhưng gần đây đã được ứng dụng rộng rãi với các nguồn thải khác Công nghệ SBR loại bỏ trên 90% BOD trong khi các quy trình bùn hoạt tính thông thường có khả năng loại bỏ 60-95% BOD Đồng thời giảm đáng

kể nồng độ chất rắn lơ lửng SS (<10 mg/l)

1.2.1 Đặc tính chung của bể SBR

Quá trình tạo bùn hạt hiếu khí thường được thực hiện trong một bể phản ứng theo mẻ (SBR) vì tất cả các giai đoạn của công nghệ được thực hiện trong một bể phản ứng Tất cả các hệ thống SBR gồm bốn giai đoạn chung (Hình 1.5):

1 Lấp đầy – bơm nước vào bể phản ứng

2 Sục khí - một thiết bị cung cấp oxi nằm ở đáy bể phản ứng sẽ truyền các lực giúp khuấy trộn nước thải và bùn

3 Lắng - một giai đoạn ổn định thúc đẩy việc tách nước thải từ bùn của bể phản ứng

4 Tháo nước - nước thải sau xử lý được thoát ra có chứa các hạt bông cặn

20

Hình 1.5: Chu kỳ hoạt động của bể SBR[69]

Lưu ý rằng việc cung cấp nước thải có thể xảy ra ở đáy bể phản ứng cũng như ở trên Một lợi ích của việc sử dụng mô hình SBR là không đòi hỏi sự cần thiết phải có một hệ thống tuần hoàn bùn trở lại để duy trì một lượng bùn trong bể phản ứng Bùn dư thừa tích tụ trong SBR chỉ đơn giản là loại bỏ bằng cách lấy lượng cần thiết ra ngoài Một bể phản ứng SBR yêu cầu phải có hệ thống điều khiển và kiểm soát tốt để điều chỉnh lượng oxy cung cấp cho quá trình nitrate hóa cũng như thiết lập một chu trình phù hợp để đạt được hiệu quả xử lý tốt

1.2.2 Ƣu , nhựơc điểm

+ Quá trình lắng ở trạng thái tĩnh nên hiệu quả lắng cao

+ Có khả năng nâng cấp hệ thống

Nhƣợc điểm

+ Do hệ thống hoạt động theo mẻ, nên cần phải có nhiều thiết bị hoạt động đồng thời với nhau

+ Công suất xử lý thấp ( do hoạt động theo mẻ)

+ Người vận hành phải có kỹ thuật cao

1.3 Tổng quan về công nghệ bùn hạt hiếu khí và ứng dụng

1.3.1 Khái quát về bùn hạt

Vào cuối những năm 1990, ý tưởng về sự hình thành hạt hiếu khí sinh ra từ những nghiên cứu về cấu trúc, sự hình thành màng sinh học và vai trò của polyme ngoại bào[46] Các nghiên cứu sơ khai đã chứng minh rằng sự phát triển của bùn hạt ổn định cùng với việc tích hợp loại bỏ COD và nitơ Vào những năm gần đây,

sự hình thành hạt hiếu khí đã trở thành chủ đề chính cho nhiều nghiên cứu trên toàn thế giới Nhằm xây dựng lý thuyết về bùn hạt hiếu khí, các thông số quan trọng của quá trình và các điều kiện thích hợp cần thiết cho hoạt động của bùn hạt là yêu cầu lớn để hoàn thiện công nghệ Do ngành công nghiệp xử lý nước thải đang phải đối mặt với hai hạn chế chủ yếu trong việc sử dụng các hệ thống bùn hoạt tính truyền thống, trong đó bao gồm tải trọng thấp và sinh ra lượng bùn khổng lồ, do đó cần có một công nghệ mới và sáng tạo[69]

Nồng độ sinh khối cao của bùn hạt hiếu khí cho phép tải trọng chất hữu cơ của bể phản ứng tăng lên Thời gian lưu bùn dài cũng đặc biệt có lợi cho vi khuẩn

22

nitrat hóa Các vùng hiếu khí và kỵ khí có mặt trong hạt, có thể tiến hành các quá trình nitrat hóa và khử nitơ đồng thời, do đó ô nhiễm nitơ trong nước thải có thể được loại bỏ Hơn nữa, bùn hạt hiếu khí có thể được sử dụng để xử lý các loại nước thải khác nhau và có thể chịu sốc tải do cấu trúc đặc biệt của hạt và nồng độ sinh khối cao trong bể phản ứng[70] Bùn hạt hiếu khí lần đầu tiên được nghiên cứu trong bể phản ứng UASB để xử lý nước thải đô thị Các bể phản ứng khác có khả năng khuấy trộn mạnh cũng được sử dụng để tạo thành bùn hạt hiếu khí, bao gồm

bể phản ứng SBR [23, 42, 68] và bể phản ứng SBAR[24, 74] Luồng không khí hình elip cải thiện tốc độ khuấy trộn trong bể, làm cho hạt trở nên rắn chắc và ổn định

Hình 1.6: Hệ thống xử lý nước sử dụng bùn hạt hiếu khí tại Hà Lan[21] Việc áp dụng công nghệ hạt hiếu khí để xử lý nước thải cho phép loại bỏ các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và các chất độc hại Công nghệ này đã được thực hiện thành công ở quy mô thực tế tại Hà Lan vào năm 2011 [78] do trường Đại học Công nghệ Delft (TUD), qũy ứng dụng công nghệ Hà Lan (STW) và qũy nghiên cứu ứng dụng xử lý nước Hà Lan (STOWA) hợp tác phát triển Công nghệ này dựa trên chế độ hoạt động của bể SBR với chu kỳ hoạt động trong điều kiện yếm khí tiếp theo giai đoạn hiếu khí, một khoảng thời gian lắng và xả nước thải

Hình 1.7: Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom

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

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 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 của bể phản ứng (hình 1.8)

Mô hình này đã được thực hiện bằng việc bổ sung hạt zeolite hoặc anthracite với đường kính 100μm, hạt polime hấp phụ nước để xúc tiến cho quá

hydro-24

trình hình thành bùn hạt 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

Hình 1.8: Mô hình hạt nhân trơ

25

(iii) các tế bào bám dính chặt chẽ trên bề mặt vật liệu trơ nhờ sự gắn kết của các vi sinh vật hoặc polymer và cuối cùng (iv) các tế bào sinh trưởng và phát triển thành hạt bùn

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

d Mô hình chuyển vị proton và khử nước

Hình 1.10: Mô hình chuyển vị proton và khử nước

i - Khử nước trên bề mặt tế bào; ii –Hình thành cụm tế bào; iii- Hình thành hạt bùn trưởng thành; iv –Hạt bùn sau trưởng thành

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

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)

Hình 1.11: Mô hình liên kết ion đa hóa trị Các cation tác động tích cực đến quá trình hình thành hạt bùn bao gồm: Ca2+,

Mg2+, Al3+ và Fe3+ 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

27

1.3.2.2 Bốn giai đoạn chung của cơ chế hình thành hạt hiếu khí

Sự hình thành hạt hiếu khí là quá trình vi khuẩn tự cố định mà không cần sự

hỗ trợ của các chất mang [94] Tương tự như sự hình thành các màng sinh học và hạt kỵ khí, sự hình thành của hạt hiếu khí là một quá trình gồm nhiều giai đoạn, trong đó có sự tham gia của một số yếu tố lý - hóa và sinh học Dựa trên các thông tin sẵn có về sự hình thành màng sinh học và hạt kỵ khí, Liu và Tay (2002) đã đề xuất một quá trình hình thành gồm bốn giai đoạn chung cho hạt hiếu khí[90]

Giai đoạn 1: sự chuyển động vật lý để vi khuẩn bắt đầu tiếp xúc với vi khuẩn bởi các yếu tố sau:

+ Thủy động lực học

+ Sự khuếch tán

+ Trọng lực

+ Nhiệt động lực học, ví dụ chuyển động Brown

+ Sự di động của tế bào Các tế bào có thể di chuyển bằng hai roi, lông mao, hoặc chân giả

Sự di động của tế bào đã được tìm thấy là quan trọng đối với hai tương tác trong việc hình thành màng sinh học ban đầu với các bề mặt và chuyển động dọc theo bề mặt

Giai đoạn 2: lực hấp dẫn giữ sự tiếp xúc ổn định ban đầu giữa các vi khuẩn + Yếu tố vật lý:

 lực van der Waals;

 sức hút điện tích bề mặt:

 nhiệt động lực, ví dụ năng lượng tự do bề mặt, sức căng bề mặt

 tính kỵ nước của bề mặt tế bào

 liên kết giữa các sinh vật hình sợi riêng lẻ

Trong giai đoạn này, tính kỵ nước của bề mặt các tế bào sẽ đóng một vai trò rất quan trọng trong việc hình thành của bùn hạt hiếu khí [63] Theo lý thuyết nhiệt động lực học, khi tính kỵ nước của bề mặt tế bào tăng tương ứng sẽ làm giảm năng lượng Gibbs dư thừa trên bề mặt tế bào, do đó thúc đẩy để tế bào tương tác với nhau

+ Yếu tố sinh hóa:

 sự mất nước của bề mặt tế bào;

 sự hợp nhất màng tế bào

Tay và cộng sự (2000) [96] cho rằng sự mất nước của bề mặt tế bào và sự hợp nhất màng tế bào sẽ đóng một vai trò trong việc khởi tạo cho vi khuẩn tự cố định, mặc dù một số điều kiện môi trường sẽ gây mất nước bề mặt tế bào và đẩy mạnh việc hợp nhất màng tế bào [37]

Giai đoạn 3: sự tương tác giữa các vi khuẩn làm cho vi khuẩn kết hợp lại hoàn thiện

+ Tạo ra polymer ngoại bào, chẳng hạn như exopolysaccharides

+ Tăng trưởng của các cụm tế bào

+ Thay đổi quá trình trao đổi chất và năng lực di truyền gây ra bởi môi trường, trong đó tạo điều kiện và tăng cường hơn nữa sự tương tác tế bào với tế bào,cuối cùng dẫn đến mật độ của các tế bào cao và ổn định

Giai đoạn 4: Ổn định cấu trúc ba chiều của các hạt hình thành bởi lực cắt thủy động lực học Các hạt sẽ được hình thành bởi lực cắt thủy động lực học để tạo thành một cấu trúc nhất định Hình dạng bên ngoài và kích thước của các hạt là kết quả từ sự tương tác giữa các hạt và lực cắt thủy động lực học, các loài vi sinh vật và tải trọng bề mặt Đối với tổng hợp các tế bào vi khuẩn, một số điều kiện phải được đáp ứng Lực cắt đã được chứng minh là có vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến cấu

29

trúc và sự trao đổi chất của bùn hạt hiếu khí[93] Gần đây hơn, ngày càng có nhiều nghiên cứu cho thấy rằng áp lực chọn lọc sẽ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành hạt hiếu khí [27]

Hình 1.12: Sự hình thành và tan vỡ của hạt

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng

Hạt hiếu khí có thể được coi là sự liên kết của các tế bào thông qua các tế bào để tế bào tự cố định tạo thành cấu trúc ổn định Những hạt tổng hợp có cấu trúc rắn chắc hơn so với bông bùn lơ lửng Các nghiên cứu cho thấy hạt hiếu khí là một quá trình hình thành dần dần từ mầm bùn giống đến hạt nhỏ, xa hơn nữa đến bùn hạt và cuối cùng là hạt trưởng thành Sự hình thành hạt hiếu khí là một quá trình phức tạp chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố Các yếu tố chính được tóm tắt như sau

1.3.3.1 Thành phần và tải trọng cơ chất

30

Hạt hiếu khí có thể phát triển trên nhiều loại chất hữu cơ trong bể phản ứng SBR bao gồm: glucose, axetat, etanol, phenol, nước thải giàu chất hữu cơ dạng hạt mịn, nước thải chế biến đậu tương, và nước thải đô thị [68, 73, 85, 92], trong khi quá trình nitrat hoá và tích lũy photpho trong hạt cũng được gia tăng [97] Hình 1.16 cho thấy, hạt hiếu khí sử dụng cơ chất glucose thể hiện một cấu trúc dạng sợi, trong khi hạt hiếu khí sử dụng cơ chất acetate có một cấu trúc vi khuẩn không phải là dạng sợi và rất rắn chắc trong đó loài vi sinh vật hình que chiếm ưu thế

Hình 1.13: Vi cấu trúc của hạt sử dụng glucose (a) và vi cấu trúc của hạt sử dụng

acetate (b) [94]

Theo nghiên cứu của Jinghai Luo (2014) [65], sự tan rã của AGS là một vấn

đề khó khăn trong hoạt động lâu dài của một hệ thống AGS Tỷ lệ COD/N, thường biến đổi trong nước thải công nghiệp, có thể là một nhân tố gây mất ổn định dẫn đến sự phân rã hạt Khi tỷ lệ COD/N giảm còn 2 và 1 ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự

ổn định của AGS liên quan đến tính chất vật lý và hiệu quả quá trình nitrat hóa, dẫn đến sự tan rã AGS khi tỷ lệ này đã giảm xuống đến 1 Tỷ lệ COD/N thấp dẫn đến một sự thay đổi lớn của cộng đồng vi khuẩn và EPS giảm Sự tan rã của AGS là sự kết hợp của hai nguyên nhân: giảm tạo ra lớp tyrosine trong EPS và sự thay đổi cộng đồng vi khuẩn chủ yếu giảm vi khuẩn dạng sợi dẫn đến sự tan vỡ của cấu trúc hạt Các hoạt động nitrat được tăng cường đáng kể với sự gia tăng của các tỷ lệ chất

31

nền N/COD, trong khi các hoạt động dị dưỡng giảm Việc tạo ra các EPS có xu hướng giảm khi tỷ lệ cơ chất N/COD tăng lên[109]

Từ đó chỉ ra rằng sự hình thành bùn hạt hiếu khí là một quá trình độc lập hoặc không phụ thuộc vào các đặc tính của nước thải sử dụng, trong khi các nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc và sự đa dạng vi sinh vật của các hạt hiếu khí trưởng thành có liên quan chặt chẽ đến các loại cơ chất được sử dụng [56]

Vai trò quan trọng của chất hữu cơ trong sự hình thành của các hạt kỵ khí đã được công nhận, tức là một tải trọng hữu cơ tương đối cao tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành của các hạt kỵ khí trong bể UASB [90] Tuy nhiên, điều này là do việc tạo ra tải trọng hữu cơ cao tăng cường khí sinh học mà kết quả làm gia tăng vận tốc chất lỏng ngược dòng gọi là áp lực chọn lọc lớn cho hạt kỵ khí trong các bể phản ứng UASB Ngược lại với hạt kỵ khí, các nghiên cứu cho thấy hạt hiếu khí có thể hình thành trong một tải trọng hữu cơ từ 2,5-15,0 kgCOD/m3.ngày[56, 70], trong khi quá trình nitrat hóa của hạt cũng có thể được tăng cường trong một phạm

vi rất rộng của tải trọng amoni[90] Theo ghi nhận của Liu và cộng sự (2003), hạt hiếu khí trong SBR độc lập với nồng độ cơ chất, nhưng động học trạng thái của bùn hạt hiếu khí có liên quan đến các tải trọng cơ chất sử dụng [70] Tác động của tải trọng hữu cơ trên sự hình thành hạt hiếu khí là không đáng kể, ví dụ tải trọng cơ chất trong phạm vi các nghiên cứu cho đến nay không phải là một yếu tố quyết định của hạt hiếu khí trong SBR[90] Tuy nhiên, các đặc tính vật lý của bùn hạt hiếu khí phụ thuộc vào tải trọng hữu cơ [95] Tải trọng cao dẫn đến một cấu trúc của bùn hạt hiếu khí suy yếu [90, 95] Tải trọng hữu cơ tăng lên có thể nâng cao tốc độ tăng trưởng sinh khối và điều này làm giảm độ bền cấu trúc ba chiều của các cộng đồng

vi sinh vật [57]

Tại một OLR thấp, những hạt thể hiện một hình thái mịn lỏng bị chi phối bởi các vi khuẩn dạng sợi Tại OLR cao, các hạt trở nên không có hình dạng ổn định, với những nếp gấp, đường nứt và tan rã Hạt sử dụng cơ chất là acetate đã có một hình thái hình cầu rắn chắc tại OLR 6 và 9 kgCOD/m3.ngày, với đặc tính khả năng lắng và độ bền tốt hơn so với hạt sử dụng cơ chất glucose tại OLR tương tự Tuy

32

nhiên, hạt sử dụng acetate không thể duy trì OLR cao và tan rã khi OLR đạt 9 kgCOD/m3.ngày[70] Tải trọng chất hữu cơ cao có thể ức chế sự tăng trưởng của bùn hạt, giảm hoạt tính dehydrogenase và hàm lượng của các protein ngoại bào (PN), gây phá vỡ bùn hạt và bùn hạt không còn sự ổn định[35]

1.3.3.2 Cấu hình bể phản ứng

Cho đến nay hạt hiếu khí được tạo ra duy nhất trong bể SBR và SBAR Từ

đó cho thấy rằng cấu hình bể phản ứng tác động vào các kiểu dòng chảy của dung dịch chất lỏng và vi sinh vật trong các bể phản ứng Các kiểu dòng chảy khí hoặc lỏng ngược dòng trong một bể phản ứng tạo ra một dòng chảy tròn tương đối đồng nhất và xoáy cục bộ dọc theo chiều cao bể phản ứng, do đó hạt vi khuẩn thường xuyên phải chịu vòng tròn tiêu hao thủy lực [60]

Trong ý nghĩ thủy động lực học, bể phản ứng cột kiểu ngược dòng và bể phản ứng CMTR có hoạt động thủy động lực học rất khác nhau về kiểu tương tác giữa dòng chảy và các vi khuẩn, như minh họa trong hình 1.17a Theo nhiệt động lực học, dòng chảy tròn có thể làm cho hạt được định hình có một bề mặt năng lượng tự do tối thiểu Trong một bể phản ứng cột kiểu ngược dòng tỷ lệ chiều cao

bể phản ứng lớn hơn đường kính có thể đảm bảo một quỹ đạo chảy tròn lâu hơn, do

đó tạo ra tiêu hao thủy lực hiệu quả hơn cho quá trình tạo hạt Tuy nhiên, trong CMTR hạt vi khuẩn di chuyển với dòng phân tán trong tất cả các hướng Do đó, lực cắt thủy động lực học có thể thay đổi cục bộ tập hợp vi khuẩn, quỹ đạo chảy và va chạm ngẫu nhiên (Hình 1.17b)

Hình 1.14: Kiểu dòng chảy trong bể phản ứng cột ngược dòng (a) và bể phản ứng

tuần hoàn hỗn hợp (b) [60]