Nghiên cứu ứng dụng công nghệ swim bed trong xử lý nước thải chế biến thủy sản với giá thể bio bringe được nội địa hóa

Đối với ngành chế biến thủy hải sản, các công nghệ chính được áp dụng là xử lý sinh học: hiếu khí hoặc kỵ khí hoặc kết hợp cả 2 trong cùng một hệ thống.. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Đánh giá kh

NGUYỄN THANH TRÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SWIM-BED TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN VỚI GIÁ THỂ BIO-BRINGE ĐƯỢC NỘI ĐỊA HÓA

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRUNG TÂM QUỐC GIA QUAN TRẮC CBMT VÀ PNDBTS KHU VỰC NAM BỘ

VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRÔNG THỦY SẢN II

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN THỊ NGỌC QUỲNH

TS ĐẶNG VIẾT HÙNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên Học viên: NGUYỄN THANH TRÚC MSHV: 10250541 Ngày, tháng, năm sinh: 06/02/1977 Nơi sinh: TP.HCM

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SWIM-BED

TRONG NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN VỚI GIÁ THỂ BIO-FRINGE ĐƯỢC NỘI ĐỊA HÓA

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Chế tạo mô hình swim-bed với giá thể nhúng chìm biofringe được làm từ sợi arcylic và sợi đay

- Vận hành mô hình ở các tải trọng hữu cơ khác nhau

- Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và chất dinh dưỡng của mô hình

- Đánh giá sinh khối tạo thành trên giá thể

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 04/07/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30/ 06/2012

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THỊ NGỌC QUỲNH

Xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc và tập thể các anh chị đồng nghiệp thuộc Trung tâm Quốc gia Quan trắc Cảnh bảo Môi trường và Phòng ngừa Dịch bệnh Thủy sản Khu vực Nam Bộ - Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản II đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ trong suốt thời gian nghiên

Cuối cùng, xin được cảm ơn cha mẹ, các em trong gia đình, tất cả các anh chị, các bạn lớp cao học Công nghệ Môi Trường K2009, K2010 trường Đại Học Bách khoa Tp.HCM đã động viên, giúp đỡ, đồng hành trong suốt hai năm học vừa qua và trong quá trình thực hiện luận văn

Trân trọng cảm ơn !

Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2012

NGUYỄN THANH TRÚC

TÓM TẮT

Công nghệ Swim-Bed là một trong những công nghệ mới được ứng dụng trong xử lý nước thải, trước đây đã có nhiều công trình nghiên cứu cho xử lý nước thải cao su, nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi… Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng xử lý các chất thải hữu cơ bằng công nghệ này rất cao Tuy nhiên giá thể biofringe bằng sợi acrylic phải nhập từ Nhật nên giá thành khá cao, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ Swim-Bed xử lý nước thải chế biến thủy sản với các loại giá thể nội địa hóa được lựa chọn

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá tính khả thi của việc sử dụng giá thể bio-fringe được làm từ sợi đay được sản xuất tại Việt Nam, tiến đến việc nội địa hóa giá thể này Nghiên cứu được tiến hành trên 6 tải trọng hữu cơ: 0,5 kgCOD/m3/ngày; 1 kgCOD/m3/ngày; 1,5 kgCOD/m3/ngày; 2 kgCOD/m3/ngày; 2,5 kgCOD/m3/ngày; 3 kgCOD/m3/ngày Đồng thời, các chỉ tiêu ô nhiễm được đánh giá gồm: pH, độ kiềm, COD, N-NH4+ , N-NO3- , P-PO43-, tổng nitơ và tổng phospho

Kết quả nghiên cứu ghi nhận: Giá thể làm từ sợi đay cho phép dính bám một lượng sinh khối lớn, sau 130 ngày vận hành trung bình có 0,55 g/nhánh Với hàm lượng bùn bám trên giá thể cao nên lượng bùn dư xả ra rất ít và hầu như không có trong suốt quá trình nghiên cứu Hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ cao và ổn định, đạt từ 85-92% Hiệu quả loại bỏ TN trên 60% ở tải trọng 3.0 kg COD/m3/ngày với thời gian lưu nước ngắn (6h) Hiệu quả xử lý TP của công nghệ Swim-bed không cao (25-32%) nên cần có một công đoạn tiếp theo để xử lý triệt để hơn

ABSTRACT

Swim-Bed Technology, one of the modern technologies, are applied in

wastewater treatment, although there have been many previous studies for rubber

wastewater treatment, domestic waste water treatment, animal waste water

handling, Results show that the ability of this technology in terms of organic

waste treatment is quite high However, the price of carrier biofringe acrylic fiber

which is imported from Japan is extremely high, hence the research of application

of local carriers in Swim-Bed Technology related to seafood wastewater treatment

should be performed

This study was conducted to assess the feasibility of using swim-bed

biofringe, which was produced from jute made in Vietnam, in order to localize this

swim-bed The research was performed on six organic loading: 0.5 kgCOD/m3/day;

1.0 kgCOD/m3/day, 1.5 kgCOD/m3/day; 2.0 kgCOD/m3/day, 2.5 kgCOD/m3/day,

3.0 kgCOD/m3/day, simultaneously, the criteria pollutants are also evaluated

include pH, alkalinity, COD, N-NH4+ , N-NO3- , P-PO43-, total nitrogen and total

phosphorus

The study illustrates that the carriers made from jute can be achieved a large

biomass, after 130 days in operation with an average of 0.55 g/branch Throughout

the process, the high amount of mud on the carrier leads to negligible quantity of

excess sludge discharged Efficient handling of organic compounds is moderately

high and stable, reaching from 85-92% TN removal efficiency is more than 60% at

the load of 3.0 kg COD/m3/day in short hydraulic retention time (6h) In contrast,

TP removal performance of Swim-bed technology is unsatisfied (25-32%), thus a

next process should be taken into account to treat more thoroughly

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên: NGUYỄN THANH TRÚC MSHV: 10250541

Ngày, tháng, năm sinh: 06/02/1977 Nơi sinh: TP.HCM

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu trích dẫn trong đố án hoàn toàn trung thực và chưa từng được

công bố trong các công trình nghiên cứu nào trước đây

MỤC LỤC

Trang

I ĐẶT VẤN ĐỀ 1

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

V ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

V.1 Đối tượng nghiên cứu 4

V.2 Phạm vi nghiên cứu 4

VI Ý NGHĨA KHOA HỌC, THỰC TIỄN VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 4

VI.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài 4

VI.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 4

VI.3 Tính mới của đề tài 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN - LÝ THUYẾT 6

1.1 NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THUỶ SẢN 6

1.1.1 Hiện trạng ngành chế biến thuỷ sản 6

1.1.2 Nước thải chế biến thủy sản 8

1.1.2.1 Công nghệ chế biến thủy sản 8

1.1.2.2 Nguồn gốc phát sinh nước thải 10

1.1.2.3 Thành phần tính chất nước thải 10

1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 13

1.2.1 Công nghệ sinh học hiếu khí 17

1.2.2.1 Quá trình sinh học hiếu khí lơ lửng 19

1.2.1.2 Quá trình sinh học hiếu khí bám dính: 20

1.2.2 Công nghệ sinh học kỵ khí 23

1.3 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SWIM-BED 24

1.3.1 Nguyên lý hoạt động 24

1.3.2 Giá thể BIO-FRINGE 25

1.3.3 Ưu và nhược điểm 30

1.3.4 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước 31

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 36

2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 36

2.1.1 Nước thải đầu vào 36

2.1.2 Giá thể bio-fringe 37

2.1.3 Bùn cấy ban đầu 38

2.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 38

2.2.1 Thông số kỹ thuật mô hình 38

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 40

2.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 41

2.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 43

2.5 XỬ LÝ SỐ LIỆU 45

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 GIAI ĐOẠN HÌNH THÀNH VI SINH VÀ THÍCH NGHI 46

3.2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ 49

3.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG 53

3.3.1 Hiệu quả xử lý nitơ 53

3.3.2 Hiệu quả xử lý phospho 65

3.4 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA BÙN TRONG BỂ SWIM-BED 67

3.4.1 Nồng độ sinh khối và khả năng bám dính sinh khối trên giá thể 67

3.4.2 Sự phát triển của các vi sinh vật trong bể swim-bed 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

I KẾT LUẬN 72

II KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC……….79

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Hiện trạng của ngành Công nghiệp chế biến thủy sản tại miền Nam 7

Bảng 1.2 Thành phần nước thải từ các phân xưởng chế biến thuỷ sản 12

Bảng 1.3 Tính chất vật lý của sợi đay 27

Bảng 2.1 Thành phần nước thải thủy sản từ chợ Tân Định 36

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của các loại giá thể bio-fringe 38

Bảng 2.3 Các thông số vận hành của mô hình thí nghiệm 42

Bảng 2.4 Các phương pháp phân tích nước thải 43

Bảng 3.1 Lượng bùn bám dính trên các loại giá thể sau 30 giờ 48

Bảng 3.2 Hiệu quả xử lý COD theo từng tải trọng 50

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Quy trình chế biến, đóng hộp thủy sản tiêu biểu 9

Hình 1.2 Quy trình xử lý nước thải của nhà máy chế biến thủy sản tiêu biểu 15

Hình 1.3 Màng sinh học phát triển trên bề mặt giá thể 21

Hình 1.4 Cấu tạo màng sinh học phát triển trên bề mặt giá thể 21

Hình 1.6 Cấu hình của giá thể sinh học biofringe 25

Hình 1.7 Giá thể bio-fringe làm từ sợi acrylic nhập từ Nhật 26

Hình 1.8 Các loại thành phẩm từ sợi đay 27

Hình 1.9 Hình dạng sợi đay dưới kính hiển vi 27

Hình 1.10 Sự sắp xếp của cellulose, hemicellulose và lignin 28

Hình 1.11 Cấu trúc phân tử của cellulose 28

Hình 2.1 Giá thể biofringe làm từ sợi acrylic 37

Hình 2.3 Sợi đay nguyên liệu 37

Hình 2.4 Giá thể biofringe làm từ sợi đay 38

Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm tổng quát 39

Hình 2.6 Bản vẽ thiết kế chi tiết 40

Hình 3.1 Lượng bùn bám trên giá thể theo thời gian 46

Hình 3.2 Lượng bùn bám trên giá thể sau 20 giờ 47

Hình 3.3 Lượng bùn bám trên giá thể sau 30 giờ 47

Hình 3.4 Nồng độ COD và hiệu suất xử lý theo thời gian 51

Hình 3.5 Hiệu quả xử lý COD theo tải trọng hữu cơ 52

Hình 3.6 Diễn biến nồng độ N-NOx theo từng tải trọng hữu cơ 54

Hình 3.7 Diễn biến nồng độ N-NO2 theo từng tải trọng hữu cơ 54

Hình 3.8 Diễn biến nồng độ N-NO3 theo từng tải trọng hữu cơ 55

Hình 3.9 Diễn biến pH theo từng tải trọng hữu cơ 56

Hình 3.10 Diễn biến độ kiềm theo từng tải trọng hữu cơ 57

Hình 3.11 Diễn biến nồng độ TKN đầu vào và hiệu suất nitrate hóa theo thời gian .58

Hình 3.12 Diễn biến hiệu suất xử lý nitrate hóa theo từng tải trọng 59

Hình 3.13 Diễn biến nồng độ TKN và hiệu suất xử lý TKN theo thời gian 61

Hình 3.14 Diễn biến nồng độ TKN và hiệu suất xử lý TKN theo tải trọng 61

Hình 3.15 Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý TN theo thời gian 62

Hình 3.16 Hiệu suất xử lý TN theo tải trọng hữu cơ 64

Hình 3.17 Hiệu suất xử lý TP theo thời gian 65

Hình 3.18 Hiệu suất xử lý TP theo tải trọng hữu cơ 66

Hình 3.19 Các vi sinh vật hiện diện trong mô hình swim bed 69

MLVSS Mixed Liquor Volatile Suspended Solids

MLSS Mixed Liquor Suspended Solids

N-NO2 Nitrite

N-NO3 Nitrate

STDEV Standard deviation

TKN Total Kjeldahl Nitrogen

TSS Total Suspended Solids

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket

MỞ ĐẦU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đất giàu tiềm năng về nông

nghiệp, khai thác và nuôi trồng thủy sản Nằm ở hạ lưu châu thổ sông Mekong,

ĐBSCL vừa chịu tác động trực tiếp của chế độ dòng chảy thượng lưu qua 2 con

sông Tiền và sông Hậu, lại vừa chịu tác động của chế độ thuỷ triều biển Tây cũng

như của biển Đông ĐBSCL là nơi cung cấp 70% sản lượng thuỷ sản của cả nước

Trong nhiều thập niên qua ngành nuôi trồng, chế biến, xuất khẩu thủy sản trên

cả nước đã phát triển mạnh mẽ đặc biệt ở khu vực ĐBSCL, biến nơi đây thành một

vùng trọng điểm về nuôi trồng thủy sản cho tiêu dùng và xuất khẩu của cả nước

Diện tích mặt nước nuôi trồng thủy sản ở khu vực ĐBSCL tăng nhanh trong những

năm gần đây Để đáp ứng nhu cầu phát triển của ngành, hiện khu vực ĐBSCL có

khoảng 189 nhà máy chế biến thủy sản, tổng công suất chế biến 1,2 triệu tấn/ năm

Thêm vào đó hàng chục cảng cá, bến cá và hàng trăm cơ sở chế biến nước mắm,

hàng khô, bột cá, tái chế phế liệu, hàng năm thải ra môi trường khối lượng chất thải

rất lớn gồm cả chất thải rắn (khoảng 1 triệu tấn), lỏng (khoảng 10 triệu m3 ) và khí

đe doạ môi trường của vùng ĐBSCL đồng thời gây ra tình trạng mất cân bằng cung

cầu nguyên liệu vì năng lực chế biến thực tế chỉ đạt 58% công suất thiết kế Kết quả

phân tích cho thấy nhiều mẫu chất thải rắn, lỏng, khí đã vượt quá giới hạn cho phép

theo Tiêu chuẩn Việt Nam nhiều lần như màu, dẫu mỡ, coliform, BOD5, COD,

phospho tổng, nitơ tổng, mùi hôi đã ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ người trực

tiếp lao động và dân

Đối với ngành chế biến thủy hải sản, các công nghệ chính được áp dụng là xử

lý sinh học: hiếu khí hoặc kỵ khí hoặc kết hợp cả 2 trong cùng một hệ thống Tuy

nhiên theo các công nghệ truyền thống đang được sử dụng phải tốn nhiều diện tích

xây dựng, chi phí vận hành bảo dưỡng cao, lượng bùn dư sinh ra lớn, khả năng chịu

sốc tải và nước thải sau xử lý của các nhà máy vẫn chưa đạt được hiệu quả cao

Ngày nay, việc phát triển kinh tế cần phải quan tâm sâu sắc đến khía cạnh môi

trường để đảm bảo sự phát triển bền vững trong tương lai và tăng tính cạnh tranh

của sản phẩm Do đó, tìm cách tiếp cận mới trong việc xử lý nước thải từ các nhà

máy chế biến thủy sản đang được quan tâm Công nghệ Swim-Bed là một trong

những công nghệ mới phát minh được ứng dụng trong xử lý nước thải với ưu điểm

thời gian lưu nước ngắn, hiệu quả xử lý cao, lượng bùn sinh ra ít và có khả năng

chịu được sốc tải Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ Swim-Bed để xử lý

nước thải đang được triển khai

Tuy nhiên, hiện tại giá thể bio-fringe làm từ sợi acrylic đang được sử dụng liệu

mới hoặc tương đương thay thế sợi acrylic là cần thiết Từ đó đề tài: “ Nghiên cứu

ứng dụng công nghệ swim-bed trong xử lý nước thải chế biến thủy sản với trong

nghiên cứu chủ yếu được du nhập từ Nhật gây bất lợi cho quá trình nghiên cứu cũng

như triển khai áp dụng tại Việt Nam Do đó, việc nghiên cứu các loại vật giá thể

bio-fringe được nội địa hóa” được hình thành

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đánh giá khả năng và hiệu quả xử lý chất hữu cơ, dinh dưỡng trong nước

thải chế biến thủy sản bằng công nghệ Swim-bed sử dụng giá thể sinh học

bio-fringe làm từ sợi đay và sợi acrylic ở các tải trọng hữu cơ khác nhau, làm cơ sở nội

địa hóa giá thể bio-fringe và công nghệ swim-bed

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

™ Thiết kế mô hình xử lý sinh học hiếu khí theo kiểu Swim-bed với giá thể

nhúng chìm fringe được làm từ sợi acrylic và giá thể nhúng chìm

bio-fringe được làm từ sợi đay

™ Vận hành mô hình với các tải trọng khác nhau: 0,5 kg COD/m3/ngày; 1,0 kg

COD/m3/ngày; 1,5 kg COD/m3/ngày; 2,0 kg COD/m3/ngày; 2,5 kg

COD/m3/ngày; 3,0 kg COD/m3/ngày

™ Đánh giá và so sánh hiệu quả xử lý của hai mô hình qua các chỉ tiêu pH,

COD, TN, TKN, TP

™ Đánh giá và so sánh sinh khối tạo thành và quan sát vi sinh vật dưới kính hiểu

vi

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

™ Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu

Trên cơ sở định hướng nghiên cứu của đề tài, tiến hành thu thập và tổng hợp

các tài liệu liên quan đến đề tài, bao gồm:

- Hiện trạng ngành chế biến thủy sản, công nghệ chế biến các loại thủy sản và

các công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản;

- Tổng quan tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ xử lý nước

thải bằng công nghệ swim-bed;

- Tổng quan tài liệu về sợi đay

™ Phương pháp thực nghiệm

- Thiết kế và nghiên cứu mô hình swim-bed ở quy mô phòng thí nghiệm

- Vận hành mô hình với hai loại giá thể song song, thay đổi tải trọng đầu vào

™ Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu

Mẫu nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình được thu thập và phân tích ngay

các chỉ tiêu môi trường được quan tâm

™ Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu phân tích được thống kê và xử lý trên phần mềm Excel

™ Phương pháp hồi cứu

Từ kết quả đạt được của mô hình nghiên cứu, tiến hành so sánh với những

nghiên cứu khác đã thực hiện và đưa ra nhận xét liên quan

V ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

V.1 Đối tượng nghiên cứu

• Loại nước thải: nước thải chế biến thủy sản lấy từ chợ Tân Định

• Mô hình sinh học hiếu khí kiểu Swim-Bed với giá thể nhúng chìm biofringe

• Giá thể bio-fringe được làm từ sợi đay Việt Nam và làm từ sợi acrylic nhập

từ Nhật

• Bùn lấy từ bể hiếu khí của nhà máy xử lý nước thải VISSAN

V.2 Phạm vi nghiên cứu

• Nghiên cứu thực hiện với quy mô phòng thí nghiệm

• Thông số kiểm soát: pH, độ kiềm, COD, NO2-, NO3-, NH4-N, TKN, TN,

PO43-, TP

• Thời gian thực hiện đề tài: 12 tháng

VI Ý NGHĨA KHOA HỌC, THỰC TIỄN VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

VI.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Công nghệ Swim-bed là công nghệ mới được du nhập từ Nhật nó cho phép

nâng cao nồng độ và hoạt tính của sinh khối nhờ vào khả năng kết hợp của cả hai

quá trình sinh học bám dính và lơ lửng Từ đó, tăng tốc độ phân hủy chất hữu cơ

của vi sinh vật và khả năng thích nghi của chúng trong quá trình xử lý Ngoài ra, đề

tài còn nội địa hóa giá thể bio-fringe (sợi đay) thông qua sự khảo sát đánh giá khả

năng xử lý của sợi đay so với sợi acrylic

VI.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Với công nghệ Swim-bed các chất ô nhiễm được xử lý triệt để và đảm bảo về

mặt môi trường do lượng bùn dư thải ra rất ít

Thể tích công trình nhỏ, tiết kiệm diện tích và chi phí xây dựng do nâng cao

được tải trọng hữu cơ xử lý

Giá thể được nội địa hóa với những tính năng tương tự giá thể được nhập từ

Nhật về giúp giảm chi phí xử lý

VI.3 Tính mới của đề tài

Hiện nay ở nước ta các công nghệ xử lý nước thải được áp dụng mới chỉ

dừng lại ở việc ứng dụng quá trình phân hủy sinh học truyền thống Công nghệ

Swim-bed với giá thể biofringe cho phép tập trung nồng độ sinh khối cao thích hợp

cho việc xử lý nước thải có nồng độ hữu cơ và dinh dưỡng cao như nước thải chế

biến thuỷ sản Ngoài ra, đề tài còn tìm loại vật liệu mới thay thế với những tính

năng tương tự giá thể bio-fringe làm từ sợi acrylic Vì thế, việc nội địa hóa giá thế

bio-fringe và ứng dụng công nghệ sinh học hiếu khí giá thể nhúng chìm kiểu

Swim-bed để xử lý nước thải chế biến thuỷ sản ở nước ta sẽ mở ra hướng ứng dụng mới

mới và rất cần thiết, góp phần hoạt động bảo vệ môi trường hướng đến sự phát triển

bền vững

CHƯƠNG I TỔNG QUAN - LÝ THUYẾT

1.1 NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THUỶ SẢN

1.1.1 Hiện trạng ngành chế biến thuỷ sản

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp chế biến thủy sản ở Việt Nam

đã phát triển rất mạnh về số lượng và quy mô của các đơn vị chế biến Những đơn

vị chế biến mang tính công nghiệp đã tăng từ 102 vào năm 1990, tới 168 trong năm

1998, và 264 vào năm 2001 Vào năm 2005, có hơn 280 xí nghiệp với 394 đơn vị

Vào ngày 9 tháng 8, 2005, và ngày 11 tháng 1, 2006, Thủ tướng chính phủ đã ký

Quyết định số 10/2006/QĐ-TTg, phê chuẩn kế hoạch phát triển chung của ngành

công nghiệp chế biến thủy sản và định hướng tới năm 2010 Đây là tiền đề và nền

tảng cho ngành công nghiệp thủy sản để phát triển mạnh mẽ trong những năm tới,

như là: xây dựng ngành công nghiệp thủy sản trở thành 1 ngành sản xuất hàng hóa

mạnh có khả năng cạnh tranh và đạt doanh thu xuất khẩu cao, khả năng tự đầu tư và

phát triển, và đóng góp đáng kể vào sự phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tại những

vùng duyên hải và hải đảo

Chế biến thủy sản đã phát triển mạnh trong những tỉnh ở miền Nam trong

những năm gần đây, với các cơ sở sản xuất trung bình và lớn (1,200 – 6,500 tấn/ 1

năm) chiếm số lượng lớn Những nguyên liệu chính cho khu vực này cũng là tôm

sú, mực ống, bạch tuộc, cá da trơn, v.v…

Hiện trạng ngành công nghiệp chế biến thủy hải sản ở một số tỉnh miền Nam

được thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Hiện trạng của ngành Công nghiệp chế biến thủy sản tại miền Nam

Tỉnh Sản phẩm chính Sản lượng và giá trị xuất khẩu

Cà Mau

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Nước mắm

2010, đạt 7.677,3 ti VND, sản lượng đạt 380.110 tấn (*)

Kiên Giang

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Nước mắm

2003, đạt 5.462 tỉ VND, sản lượng 459.310 tấn (*)

Trà Vinh

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Nước mắm

2003, đạt 2.185,7 tỉ VND, sản lượng 153.053 tấn (*)

Đồng Tháp

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Nước mắm

2003, đạt 2.810,3 tỉ VND, sản lượng 345.578 tấn (*)

Bến Tre

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Nước mắm

2003, đạt 3.002,7 tỉ VND, sản lượng 285.265 tấn (*)

Long An

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Nước mắm

2003, đạt 576,9 tỉ VND, sản lượng 41.573 tấn (*)

Sóc Trăng

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Nước mắm

2003, đạt 3.809,3 tỉ VND, sản lượng 141.943 tấn (*)

An Giang

Sản phẩm thủy sản đông lạnh Sản phẩm thủy sản khô Sản phẩm đóng hộp

2003, đạt 2.504,7 tỉ VND, sản lượng 316.982 tấn (*)

Nguồn: (*): Niên giám thống kê Việt Nam, 2010

Bên cạnh những lợi ích to lớn về kinh tế - xã hội mang lại, ngành công nghiệp

này cũng làm phát sinh nhiều vấn đề môi trường bức xúc cần giải quyết, trong đó có

nguồn nước thải rất ô nhiễm có khả năng gây phú dưỡng hóa nguồn nước Quá trình

tiêu thụ nước chủ yếu ở các công đoạn sản xuất như rửa nguyên liệu, rửa thiết bị,

sàn làm việc, … Hơn 80% tổng nhu cầu nước được tiêu thụ trong công đoạn chế

biến và vệ sinh thiết bị, nhà xưởng Nước thải sinh ra trong quá trình CBTS chứa

khối lượng lớn các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, chất rắn lơ lửng, dầy mỡ,… Lưu

lượng nước thải phụ thuộc vào các công đoạn chế biến, quy mô sản xuất

1.1.2 Nước thải chế biến thủy sản

1.1.2.1 Công nghệ chế biến thủy sản

Công nghệ chế biến thủy sản phụ thuộc nhiều vào nhu cầu thị trường xuất

khẩu, thời vụ thu hoạch, nguồn nguyên liệu, tình trạng nguyên liệu đầu vào Nên

các nhà máy được thiết kế để chế biến được nhiều loại nguyên liệu khác nhau, làm

tăng tính đa dạng hoá sản phẩm: cá đông lạnh, mực ống, tôm đông lạnh, tôm đóng

hộp,… Các nhà đầu tư dây chuyền công nghệ theo dạng dàn trãi, không đồng bộ,

lạc hậu làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, và làm tăng lượng nước thải ra

ngoài môi trường

Công nghệ chế biến còn mang tính thủ công hoặc bán thủ công, đòi hỏi nhiều

công nhân phục vụ cho các công đoạn rửa, phân cỡ, bóc vỏ, lạng da, tách xương, …

Vì vậy, dẫn đến tiêu hao nhiều nước và gia tăng lượng chất ô nhiễm ra ngoài môi

trường

Đối với các mặt hàng đông lạnh xuất khẩu qua các thị trường EU, Nhật, Mỹ

được một số nhà máy đầu tư các dây chuyền công nghệ tiên tiến, đạt trình độ công

nghệ tiên tiến trong khu vực và bước đầu tiếp cận trình độ công nghệ của thế giới,

nên giảm được hao phí năng lượng và lượng nước sử dụng Tuy nhiên, số lượng này

rất ít

Trình độ công nghệ ở các nhà máy không đồng đều, có sự chênh lệch ở các

vùng miền trong cả nước, do đó nguồn nước thải trong các nhà máy chế biến thủy

sản dao động rất lớn

Hình 1.1 Quy trình chế biến, đóng hộp thủy sản tiêu biểu

1.1.2.2 Nguồn gốc phát sinh nước thải

Nước thải thường phát sinh từ các công đoạn: Sơ chế nguyên liệu, giết mổ,

luộc, tẩm, hấp, vệ sinh dụng cụ, nhà xưởng

Nước thải từ khâu sơ chế nguyên liệu: Là nước thải từ khâu rã đông (tan đá

ướp) Thông thường thủy sản từ nơi nuôi trồng đánh bắt đưa tới các nơi thu mua

thường được bảo quản bằng đá lạnh rồi mới được vận chuyển đến nhà máy chế

biến Vì vậy ở khâu này có một lượng nước thải từ việc tan lớp đá ướp Nước phát

sinh từ rửa nguyên liệu, thùng, bao bì đựng nguyên liệu

Nước thải từ công đoạn giết mổ: Làm vây, tách xương (phi lê), moi lòng, rửa

có mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào sản phẩm chế biến Nước thải chế biến tôm,

mực…có mức độ ô nhiễm cao hơn so với chế biến cá đông lạnh Tùy thuộc vào

dạng nguyên liệu (tôm, cá, mực, cua, nghêu, sò…), kích cỡ của nguyên liệu, thời

gian bảo quản, mức độ sử dụng nước vệ sinh, nước thải có độ ô nhiễm khác nhau

Nước thải từ quá trình luộc, hấp, tẩm ướp gia vị: Là quá trình tiếp theo qui

trình sơ chế Nước sau luộc chứa protid, chất béo, muối khoáng với hàm lượng cao

Nước thải ở khâu này thường được thu hồi để sản xuất bột cá (sấy khô cùng với bột

cá)

Nước thải vệ sinh nhà xưởng có mức độ nhiễm không cao so với các dòng thải

khác nhưng lưu lượng lớn, tập trung vào cuối các ca làm việc

Lượng nước thải sản xuất trong CBTS thường dao động mạnh, phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như đặc tính nguyên liệu, loại hình, trình độ công nghệ chế biến…

1.1.2.3 Thành phần tính chất nước thải

Mức độ ô nhiễm nước thải CBTS biến động rất mạnh phụ thuộc vào sản phẩm

chế biến Nguyên liệu chế biến đa dạng về chủng loại cũng như trạng thái trước khi

tiếp nhận nên đặc điểm ô nhiễm có sự biến đổi rất lớn theo mùa vu, thậm chí thay

đổi theo ngày Đặc điểm ô nhiễm của nước thải CBTS là: ô nhiễm hữu cơ, ô nhiễm

chất dinh dưỡng (Nitơ, Photpho) và chứa nhiều loại vi khuẩn gây bệnh Nước thải

nhà máy sử dụng nguyên liệu là cá đã đông lạnh sẽ có hàm lượng chất bẩn thấp hơn

nguyên liệu là cá tươi vì không phải mổ và làm sạch nội tạng

™ Ô nhiễm vô cơ và hữu cơ

Trong nước thải CBTS, hợp chất hữu cơ chiếm 70 – 80 (%) gồm Protit, Acid

Amin, chất béo, Hydratcarbon và các dẫn xuất của chúng, hầu hết là các chất hữu cơ

dễ phân huỷ sinh học Các chất vô cơ chiếm tới 20 – 30 % gồm cát, đất, Urea,

Ammonium, muối Chlorua, Sulfate…

Các hợp chất hoá học trong nước thải dễ dàng bị phân huỷ Tùy điều kiện hiếu

khí hay kị khí mà quá trình phân huỷ tạo thành các sản phẩm khác nhau như Acid

Amin, Acid béo, Aldehide, CO2, H2O, NH3, H2S Nếu quá trình phân huỷ có mặt

oxy sản phẩm tạo thành sẽ là CO2, H2O, NO2, NO3 Nếu quá trình phân hủy diễn ra

trong điều kiện thiếu khí thì tạo thành các sản phẩm CH4, N2, NH3, H2S, Indol,

Scatol…Các chất khí sinh ra do quá trình phân huỷ kị khí và thiếu khí như NH3,

H2S…gây ra mùi hôi thối trong khu vực chế biến, ảnh hưởng xấu tới môi trường

không khí

™ Ô nhiễm Nitơ và Phospho

Nitơ là nguyên tố luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong thành

phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa Đồng thời nó cũng tồn tại dưới

dạng các hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên Hợp

chất nitơ trong nước thải tồn tại chủ yếu ở dạng N-NH4/N-NH3, nồng độ tương đối

của chúng phụ thuộc vào pH và nhiệt độ

Trong nước thải CBTS thường chứa hàm lượng Nitơ và Photpho rất cao Nitơ

trong nước thải dưới dạng các hợp chất protein, chất béo…sau đó các chất này bị

thuỷ phân tạo thành Ammonium cacbonat và sản phẩm này lại nhanh chóng chuyển

hoá thành Ammoniac:

CO(NH2)2 + 2H2O ⎯ ⎯→ (NH4)2CO3 ← ⎯→ 2NH3↑ + CO2 + H2O

NH3 phát tán vào không khí gây mùi hôi hoặc khuyếch tán vào nước làm ô

nhiễm nguồn nước Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào: Lượng các chất

hữu cơ chứa Nitơ trong nước thải, điều kiện lưu trữ chất thải; pH của nước thải: khi

pH tăng NH4+ sẽ chuyển thành NH3 Ngược lại, khi pH giảm, NH3 chuyển thành

]H][

NH[

4

3 +

-Hàm lượng N, P trong nước thải CBTS thường lớn Đây là nguyên nhân có thể

gây hiện tượng phú dưỡng hoá các nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng xấu đến chất

lượng nguồn nước và các sinh vật sống trong nước

Thành phần nước thải CBTS chênh lệch rất lớn giữa các quy trình chế biến và

nguồn nguyên liệu chế biến (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Thành phần nước thải từ các phân xưởng chế biến thuỷ sản

Quy trình chế biến STT Chỉ tiêu

1 pH 6,35 – 6,41 6,01 – 6,38 6,32-6,5 6,43-6,5 6,89-7,02

2 SS (mg/L) 700-850 138-640 543-620 208-300 2.218-2.800

3 COD (mg/L) 4.500-5.096 895-1.020 2.162-2.305 1.687-1.760 3.850-4.200

Quy trình chế biến STT Chỉ tiêu

1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Trong những năm trở lại đây, cùng với sự phát triển của các cơ sở nuôi trồng

thủy hải sản, các nhà máy chế biến thủy hải sản đang ngày được nhân rộng Phần

lớn các cơ sở chế biến thủy sản sử dụng nguồn nước ngầm để phục vụ cho hoạt

động sản xuất Tuy nhiên phần lớn nước thải từ chế biến được đưa thẳng ra ngoài

môi trường, không qua xử lý Trong nước thải thường chứa các chất hữu cơ, vi

khuẩn gây bệnh, kháng sinh có khả năng gây hại cho khu vực nhận nước: giảm chất

lượng nước, gây tổn hại sinh cảnh, làm suy giảm đa dạng sinh học, nhiễm mặn đất,

lan truyền bệnh, biến đổi gien của vi sinh do kháng sinh và đôi khi gây hiện tượng

phú dưỡng cho lưu vực nước nhận Vì lợi ích bảo vệ môi trường nói chung và

ngành sản xuất chế biến thủy sản phát triển bền vững thì việc xử lý nước thải từ các

cơ sở sản xuất thủy hải sản là một trong những nhu cầu cần thiết Ngoài ra, tái sử

dụng nước chế biến từ các nhà máy thủy hải sản còn mang lợi ích kinh tế nếu cơ sở

chế biến xa nguồn nước Tái sử dụng nước nuôi thủy sản đã được phổ biến ở nhiều

nước phát triển trên thế giới, trong khi đó phương thức sản xuất trên chưa được áp

dụng rộng rãi tại Việt Nam

Nước thải từ việc chế biến thủy sản có mức độ ô nhiễm không quá nặng nề

như các ngành sản xuất khác Những chất ô nhiễm khi được thải trực tiếp vào môi

trường, với nồng độ cao điển hình nhất là TSS, BOD, COD sẽ trở thành chất gây

độc trực tiếp cho loài sinh vật khác trong môi trường Vì vậy tập trung vào xử lý

TSS, BOD, COD cụ thể là khử cacbon thành dạng CO2 thông qua quá trình oxi hóa

bằng nhiều hình thức khác nhau So với các loại nước thải khác, tính chất đặc thù

của nước nuôi thủy sản có nồng độ ammonia thấp, độ muối cao, thường chứa các

chất ức chế (sử dụng trong khi nuôi, ví dụ kháng sinh) nhưng yêu cầu mức độ làm

sạch rất cao nếu nhằm mục đích tái sử dụng Các yếu tố trên ức chế rất mạnh đến

hiệu quả hoạt động xử lý của vi sinh vật tự dưỡng (loại chuyển hóa ammonia thành

nitrate) vốn đã là chủng loại có tốc độ phát triển chậm Khó khăn khác khi sử dụng

công nghệ sinh học trong xử lý nước thải là qui mô sản xuất nhỏ, chất lượng nước

thải đa dạng tùy theo công đoạn chế biến

Công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản thường kết hợp nhiều phương

pháp để xử lý đạt yêu cầu như: phương pháp cơ học, hóa lý và sinh học

Hiện nay nhìn chung các công ty, xí nghiệp, nhà máy, xưởng … chế bến thủy

sản thường áp dụng công nghệ kỵ khí UASB vì lượng chất hữu cơ trong nước thải

rất cao Công nghệ UASB có thể giải quyết tương đối vấn đề này

Hình 1.2 Quy trình xử lý nước thải của nhà máy chế biến thủy sản tiêu biểu

+ Thuyết minh quy trình:

- Nước thải từ quá trình sản xuất và chế biến thủy sản bên trong công ty theo

mạng lưới thoát nước sẽ đi vào hố thu gom của hệ thống xử lý, qua song chắn rác

thô để loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn hơn 12mm Các tạp chất này định kỳ

BỂ CHỨA

BÃI CHÔN LẤP HÓA CHẤT TRỢ

HÓA CHẤT KHỬ

MÁY THỔI KHÍ

được vớt bỏ bằng phương pháp thủ công hoặc cơ giới và được thải bỏ cùng với rác

thải sinh hoạt

- Sau khi qua song chắn rác thô, nước thải vào bể điều hòa lưu lượng, tại đây

nước thải sẽ được điều hòa lưu lượng và chất lượng Không khí được cung cấp vào

ngăn chứa nhằm mục đích hạn chế môi trường kỵ khí dẫn đến phát sinh mùi hôi và

khử một phần chất hữu cơ

- Sau khi qua bể điều hòa lưu lượng và nồng độ, nước thải sẽ được bơm vào bể

xử lý sinh học kỵ khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) Thiết bị xử lý kỵ

khí UASB có thể xử lý nước thải với tải trọng hữu cơ cao hơn rất nhiều lần so với

các hệ thống xử lý hiếu khí truyền thống Vì thế giảm được kích thước công trình,

đồng thời còn thu hồi năng lượng từ khí methan sinh ra trong quá trình phân hủy

chất hữu cơ trong nước thải Mặt khác, tốc độ gia tăng lượng bùn trong thiết bị rất

nhỏ, giảm được chi phí, phương tiện xử lý bùn và giảm bớt công đoạn trong khi vận

hành hệ thống Thêm vào đó, công trình hiếu khí phía sau giảm được tải trọng chất

hữu cơ, giảm được thể tích công trình, giảm lượng bùn phát sinh và giảm được kích

thước của bể nén và hệ quả làm giảm được chi phí đầu tư Trong thiết bị UASB,

nước thải theo đường ống phân phối đi từ dưới lên qua lớp bùn vi sinh vật, chất hữu

cơ được vi sinh vật hấp thụ ở bề mặt và bắt đầu quá trình phân hủy kỵ khí tạo ra

CH4, CO2, và tế bào vi sinh vật mới

- Sau khi công đoạn xử lý tại bể UASB , nước thải sẽ được dẫn về bể xử lý sinh

học hiếu khí Bể này sẽ xử lý chất bẩn hữu cơ trong nước thải bằng bùn hoạt tính

Khí oxy được cung cấp từ máy thổi khí để duy trì hoạt động của vi sinh vật, tiến

hành quá trình trao đổi chất Các vi khuẩn hiếu khí sẽ tiêu thụ các chất hữu cơ trong

nước và biến chúng thành CO2, H2O và một phần tế bào mới dưới dạng bùn sinh

học Cùng với chất trợ lắng polymer, bùn sinh học sẽ được lắng xuống đáy bể lắng

và tách ra định kỳ sang bể phân hủy bùn

- Sau khi lắng cặn tại bể lắng, nước thải đi qua bể khử trùng Bể khử trùng thiết

kế bằng công nghệ khử trùng Clorine Hóa chất clorine sẽ oxi hóa các chất ô nhiễm

còn lại, đồng thời tiêu diệt các vi khuẩn, vi rút và các hệ sinh vật gây hại trong nước

thải trước khi xả ra nguồn

- Sau cùng, nước sau xử lý được thải ra nguồn tiếp nhận và đạt quy chuẩn xả thải

nước thải thủy sản QCVN 11:2008 loại B

Trong quy trình xử lý nước thải chế biến thủy sản vừa nêu trên, công nghệ xử

lý nước thải bằng phương pháp sinh học đặc biệt chiếm vai trò quan trọng trong

việc loại bỏ phần lớn các hợp chất hữu cơ và một phần nitơ và phospho trong nước

thải

Bản chất của quá trình xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải bằng phương

pháp sinh học là sử dụng khả năng sống – hoạt động của các vi sinh vật để phân hủy

các hợp chất hưũ cơ có trong nước thải Chúng sử dụng các chất hữu cơ và một số

chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Căn cứ vào tính chất hoạt

động của vi sinh vật có thể chia phương pháp sinh học ra thành 3 nhóm chính như

sau :

- Các phương pháp hiếu khí (aerobic)

- Các phương pháp kỵ khí (anaerobic)

- Các phương pháp thiếu khí (anoxic)

1.2.1 Công nghệ sinh học hiếu khí

Nguyên tắc của công nghệ này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy

các chất hữu cơ trong nước có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ, pH thích hợp Quá

trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằng sơ đồ:

(CHO)nNS + O2 CO2 + H2O + NH4+ + H2S + Tế bào VSV + ΔH

Trong điều kiện hiếu khí NH4+ và H2S cũng bị phân hủy nhờ quá trình nitrat

hóa, sunfat hóa bởi VSV tự dưỡng:

NH4+ + 2O2 NH3- + 2H+ + H2O + ΔH

H2S + 2O2 SO42- + 2H+ + ΔH

Hoạt động sống của VSV hiếu khí bao gồm:

• Quá trình dinh dưỡng: VSV sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và

các nguyên tố khoáng vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh

khối và sinh sản

• Quá trình phân hủy: VSV oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan hoặc ở dạng các

hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác

Cơ chế quá trình xử lý hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

™ Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu

cầu năng lượng của tế bào:

CxHyOzN + (x + y/4 – z/2 – ¾) O2 xCO2 + (y/2 – 3/2) H2O + NH3

™ Giai đoạn 2 (quá trình đồng hóa): Tổng hợp để xây dựng tế bào

CxHyOzN + NH3 + O2 CO2 + C5H7NO2

™ Giai đoạn 3 (quá trình dị hóa): Hô hấp nội bào

C5H7NO2 + 5O2 CO2 + H2O

NH3 + O2 O2 + HNO2 HNO3

Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra

bằng sự tự oxy hóa chất liệu tế bào

Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của VSV, quá trình phát triển của

chúng được chia thành nhiều giai đoạn:

Giai đoạn thích nghi: Xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của

các bể khác được cấy thêm vào bể Đây là giai đoạn để các VSV thích nghi với môi

trường mới và bắt đầu phân bào

Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này, các tế bào VSV tiến hành phân bào

và tăng nhanh về số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho

các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường

Giai đoạn cân bằng: Lúc này mật độ VSV được giữ ở một số lượng ổn định

Nguyên nhân do các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của VSV

đã bị sử dụng hết, số lượng VSV sinh ra bằng số lượng VSV chết đi

Giai đoạn chết: Trong giai đoạn này, số lượng VSV chết đi nhiều hơn số

lượng VSV được sinh ra, do đó mật độ VSV trong bể giảm nhanh Trong giai đoạn

này bắt đầu có hiện tượng tự hủy Nguyên nhân suy tàn chủ yếu là do nguồn thức ăn

trong môi trường nước đã cạn, sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế

và đôi khi tiêu diệt cả VSV

1.2.2.1 Quá trình sinh học hiếu khí lơ lửng

Công nghệ bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (Aerotank) là quá trình xử lý sinh

học hiếu khí, trong đó nồng độ cao của vi sinh vật mới được tạo thành được trộn

đều với nước thải trong bể hiếu khí

Bùn hoạt tính bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng

bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%) Chất nền trong bùn hoạt tính

có thể đến 90% là phần chết rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau Bùn

hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình Những sinh vật

sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các

động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là các ấu trùng sâu bọ

Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn có

Trong nước thải các tế bào của loài Zooglea có khả năng sinh ra bao nhầy

xung quanh tế bào có tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khó lắng các

chất màu chất gây mùi… và phát triển thành các hạt bông cặn Các hạt bông cặn

này khi được khuấy đảo và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt rắn lơ

lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc Những hạt bông

này khi ngừng thổi khí hoặc khi các cơ chất cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống tạo ra

bùn hoạt tính Trong bùn hoạt tính luôn có mặt động vật nguyên sinh mà đại diện là

Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác Quan

hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn là quan hệ “Mồi - thú” thuộc cân bằng

động chất hữu cơ - vi khuẩn - động vật nguyên sinh Khi bùn lắng xuống là “bùn

già” hoạt tính bùn bị giảm Hoạt tính của bùn có thể được hoạt hoá trở lại bằng cách

cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ

1.2.1.2 Quá trình sinh học hiếu khí bám dính:

Quá trình vi sinh dính bám là một trong những quá trình xử lý nước thải bằng

phương pháp sinh học Các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ

phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá,

xỉ, sành, sứ, nhựa…

Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu

trúc cơ bản của màng vi sinh vật gồm:

- Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều kích cỡ khác nhau) có bề mặt

rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật

- Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm Lớp màng

vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp

màng bề mặt (surface film)

Hình 1.3 Màng sinh học phát triển trên bề mặt giá thể

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số

vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại bào (gelatin) do

vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất, quá

trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của các

polymer ngoại tế bào này là polysaccharides, proteins

Hình 1.4 Cấu tạo màng sinh học phát triển trên bề mặt giá thể

Cơ chế hoạt động nhờ quá trình dính bám của các VSV hiếu khí lên lớp vật

liệu giá thể đỡ, có thể là nhựa, đá hoặc các vật liệu khác Cơ chất được tiêu thụ

trong màng sinh học Tùy thuộc vào điều kiện tăng trưởng và các thông số thủy

động lực học của hệ thống mà dộ dày lớp màng có thể dao động từ 100 μm đến 10

mm Một lớp chất lỏng cố định (lớp khuếch tán) chia tách các màng sinh học với

khối chất lỏng chảy trên bề mặt màng sinh học hoặc được xáo trộn bên ngoài lớp

phim cố định Cơ chất, oxy và chất dinh dưỡng khuếch tán qua lớp chất lỏng cố

định đến lớp màng sinh học, và các sản phẩm phân hủy sinh học từ các màng sinh

học được đưa vào khối chất lỏng sau khi khuếch tán qua lớp phim cố định

Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những

hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần được xác định Phát hiện mới

cho thấy rằng màng vi sinh là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm tế

bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trện polymer ngoại tế

bào, trong màng vi sinh vật tồn tại những khoảng trống giữa các cụm tế bào theo

chiều ngang và chiều đứng Những khoảng trống này có vai trò như những lổ rỗng

theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang Kết quả là sự

phân bố sinh khối trong màng vi sinh không đồng nhất Sự vận chuyển cơ chất từ

chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối

bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan niệm cũ chất lỏng có thể lưu chuyển

qua những lổ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu, quá trình khuếch tán và

thẩm thấu đem vật chất đến cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra

theo mọi hướng ở trong đó Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận

chuyển cơ chất, chất oxy hoá… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều

sâu của màng, do vậy quan điểm cho rằng hằng số khuếch tán là một hằng số là

không hợp lý

Phân tích theo chuẩn loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia

thành hai lớp: lớp màng kị khí bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài Trong

màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kị khí và hiếu khí, do chiều sâu của

lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hoà tan trong

nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở

thành hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớp

màng kị khí

1.2.2 Công nghệ sinh học kỵ khí

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh

vật tuỳ nghi để phân huỷ các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở điều

kiện không có oxi hoà tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng

khí (chủ yếu là CO2, CH4) Quá trình phân huỷ kỵ khí chất bẩn có thể mô tả bằng sơ

đồ tổng quát:

(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH3 + H2 + H2S + Tế bào vi sinh vật + …

Một cách tổng quát, quá trình kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Thủy phân cách mạch các hợp chất cao phân tử

Trong giai đoạn này dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết

ra, các phức chất và chất không tan (như polysaccharides, proteins, lipids) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (như đường, các amino acid, acid béo)

Quá trình này xảy ra chậm Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào

pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất Chất béo thủy phân rất chậm

- Giai đoạn 2: Axit hóa

Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0

- Giai đoạn 3: Acetate hóa

Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới

- Giai đoạn 4: Metan hóa

Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kị khí Acid acetic, H2, CO2, acid formic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới

Trong 3 giai đoạn thủy phân, acid hóa và acetic hóa, COD trong dung dịch hầu như không giảm COD chỉ giảm trong giai đoạn methane

Ưu điểm của phương pháp: Thiết kế đơn giản, thể tích công trình nhỏ, chiếm ít

diện tích mặt bằng; công trình có cấu tạo khá đơn giản và giá thành không cao; chi

phí vận hành về năng lượng thấp; khả năng thu hồi năng lượng - Biogaz cao; không

đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng; lượng bùn sinh ra ít hơn 10 - 20 lần so với

phương pháp hiếu khí và có tính ổn định tương đối cao có thể tồn trữ trong một thời

gian khá dài và là một nguồn phân bón có giá trị; tải trọng phân huỷ chất bẩn hữu

cơ cao Chịu được sự thay đổi đột ngột về lưu lượng

Ngoài các ưu điểm trên phương pháp cũng có những hạn chế là rất nhạy cảm

với các chất độc hại với sự thay đổi bất thường về tải trọng của công trình; xử lý

nước thải chưa triệt để; những hiểu biết về các vi sinh vật kỵ khí còn hạn chế; thiếu

kinh nghiệm về vận hành công trình

1.3 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SWIM-BED

1.3.1 Nguyên lý hoạt động

Công nghệ Swim bed là công nghệ mới sử dụng sợi acryl mang sinh khối, hay

còn gọi là biofringe (BF) nhằm làm tăng hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước

thải Sợi biofringe cho phép bám dính một lượng lớn sinh khối vào những sợi nhỏ

như những cánh tay linh động trên một vị trí cố định Sự linh động của những sợi

này được gây ra bởi dòng nước thải tạo ra một chuyển động “Swimming” để làm

tăng sự vận chuyển chất dinh dưỡng đến sinh vật dính bám (màng sinh học) Do đó,

công nghệ Swim-bed kết hợp những ưu điểm giữa giá thể cố định và giá thể tầng

sôi, không bị đóng cặn hoặc nổi lên của giá thể trung gian và không cần màng che

hoặc vách ngăn để ngăn ngừa sự ra ngoài của giá thể

1.3.2 Giá thể BIO-FRINGE

Giá thể bio-fringe là tập hợp các sợi tua có đường kính 3mm, chiều dài mỗi sợi

tua là 10 mm Nó được liên kết với nhau bằng một trục làm bằng sợi polyester ở

chính giữa các sợi tua, tạo hướng đối xứng cho các sợi tua

Hình 1.6 Cấu hình của giá thể sinh học biofringe

Hình 1.6 thể hiện mặt cắt tổng thể của vật liệu sau khi sinh khối đã dính bám

Lớp màng vi sinh bám dính trên giá thể biofringe được phân thành hai vùng: bên

trong là vùng kị khí, bên ngoài là vùng hiếu khí Vùng kỵ khí và vùng hiếu khí tạo

thành bề dày màng, hai vùng này tạo điều kiện cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat

xảy ra Một số lượng lớn bùn dính bám sẽ làm tăng thời gian lưu bùn và khuyến

khích sự xuất hiện của động vật nguyên sinh và động vật đa bào Ngoài hiệu quả

cao trong loại bỏ chất ô nhiễm thì việc giảm lượng bùn dư cũng đạt được bởi ứng

dụng quá trình này Đặc tính của vật liệu BF (bio-fringe) là nhẹ, bền, bể phản ứng

được thiết kế với không gian nhỏ và hoạt động không phức tạp với giá thành thấp

a Sợi acrylic

Polyacrylic được tạo ra bằng phản ứng đồng trùng hợp acrylonitrile với các

monomer khác như là vinyl acetate, vinyl chloride, and acrylamide Dung dịch

Sợi vật liệu Vùng kị khí

Vùng hiếu khí

polyme hoá cũng có thể được dùng, trong đó nước là dung môi với sự hiện diện của

xúc tác oxy hoá – khử Gốc tự do hay các chất mồi anion cũng có thể được sử dụng

Polyme tạo thành không tan trong nước và kết tủa Đây là phản ứng của một

acrylonitrile được kích hoạt bởi chất tự do:

CNn

ht

* CH2CH *+

CNn

ht

* CH2CH *+

Các chất đồng trùng hợp của acrylonitrile nhạy cảm với nhiệt và quá trình kéo

sợi nóng chảy không được sử dụng ( Lewis Hatch, 2000)

Sợi acrylic có tính ưa nước, bề mặt nhám do sự liên kết của 3 mạch nhỏ với độ

bền nhiệt khác nhau và độ rỗng cao cho phép một lượng lớn vi sinh và bùn bám lên

nó (NET.co)

Hình 1.7 Giá thể bio-fringe làm từ sợi acrylic nhập từ Nhật

b Sợi đay

Trong các sợi tự nhiên, đay là loại sợi vỏ vốn có nhiều ở Việt Nam, Ấn Độ,

Banladest Đặc biệt với khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển

của cây đay Cây đay được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dệt sợi và sản xuất

giấy