Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dòng chảy ngược với chất mang hạt PVA gel xử lý nước thải thủy sản

HCM, ngày 12 tháng 07 năm 2011 NHINHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ THLÊ THLÊ THỊ CẨM CHIỊ CẨM CHIỊ CẨM CHI Phái: Nữ Ngày, tháng,

NGHIÊN CỨU ỨU ỨU ỨNG DỤNG ỨNG DỤNG ỨNG DỤNG B B BỂ PHẢN ỨNG KỴ KHÍ Ể PHẢN ỨNG KỴ KHÍ

DÒNG CH DÒNG CHẢY NG ẢY NG ẢY NGƯ Ư ƯỢC VỚI CHẤT MANG ỢC VỚI CHẤT MANG ỢC VỚI CHẤT MANG H

HẠT ẠT ẠT PVA PVA PVA GEL X GEL X GEL XỬ LÝ N Ử LÝ N Ử LÝ NƯ Ư ƯỚC THẢI THUỶ SẢN ỚC THẢI THUỶ SẢN

Chuyên ngành: CÔNG NGH Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TR Ệ MÔI TR Ệ MÔI TRƯ Ư ƯỜNG ỜNG ỜNG

LU LUẬN VĂN THẠC SĨ ẬN VĂN THẠC SĨ ẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TSTSTS LÊ HOÀNG NGHIÊM LÊ HOÀNG NGHIÊM LÊ HOÀNG NGHIÊM

Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại Trường ðại học Bách Khoa, ðHQG TP HCM ngày… tháng… năm 2011

Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Tp HCM, ngày 12 tháng 07 năm 2011

NHINHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ THLÊ THLÊ THỊ CẨM CHIỊ CẨM CHIỊ CẨM CHI Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 1982 Nơi sinh: Hậu Giang Chuyên ngành: Công nghCông nghCông nghệ Môi trệ Môi trệ Môi trưưườngờngờng MSHV: 09250496

I

I ỜỜỜỜ TÊN đTÊN đTÊN đỀ TỀ TỀ TÀI:ÀI:ÀI:

NghiNghiên cên cên cứu ứng dụng mô hứu ứng dụng mô hứu ứng dụng mô hình bình bình bể phản ứng dể phản ứng dể phản ứng dòng chòng chòng chảy ngảy ngảy ngưưược với ợc với

chchất mang hạt PVA gel xử lý nất mang hạt PVA gel xử lý nất mang hạt PVA gel xử lý nưưước thải thuỷ sảnớc thải thuỷ sảnớc thải thuỷ sản

II

II ỜỜỜỜ NHI NHI NHIỆM VỤ VỆM VỤ VỆM VỤ VÀ NÀ NÀ NỘI DUNGỘI DUNGỘI DUNG:

- Nghiên cứu khả năng xử lý COD trong nước thải chế biển thuỷ sản ứng dụng

mô hình bể phản ứng kỵ khắ dòng chảy ngược với giá thể là hạt PVA-gel theo các tải trọng khác nhau: 1; 3; 5; 7; 12; 15; 20 kgCOD/m3.ngày

- đánh giá sinh khối dắnh bám trên hạt PVA gel

CÁN BỘ H Ộ H Ộ HƯ Ư ƯỚNG DẪN ỚNG DẪN ỚNG DẪN CH CHỦ NHIỆM BỘ MÔN Ủ NHIỆM BỘ MÔN Ủ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

QU QUẢN LÝ CHUY ẢN LÝ CHUY ẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH ÊN NGÀNH ÊN NGÀNH

và ñộng viên của gia ñình, thầy cô và bạn bè

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Hoàng Nghiêm ñã tận tình hướng dẫn và truyền ñạt kinh nghiệm cho tôi trong quá trình nghiên cứu Xin cảm ơn các thầy cô khoa Môi trường ñã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu và bổ ích trong thời gian học tập tại trường

Bên cạnh ñó, tôi cảm ơn các thầy cô và bạn bè trong phòng thí nghiệm Môi trường ñã giúp ñỡ tôi trong quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến gia ñình, người thân, bạn bè – những người luôn ñộng viên và giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2011

HọHọc c c viên thviên thviên thực hiệnực hiệnực hiện

Lê Th

Lê Thị Cẩm Chiị Cẩm Chiị Cẩm Chi

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VI ẬN XÉT CỦA GIÁO VI ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯ ÊN HƯ ÊN HƯỚNG DẪN ỚNG DẪN ỚNG DẪN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011 Giáo viên hướng dẫnGiáo viên hướng dẫnớng dẫn

NHẬN XÉT CỦA ẬN XÉT CỦA ẬN XÉT CỦA CÁN B CÁN B CÁN BỘ PHẢN BIỆN Ộ PHẢN BIỆN Ộ PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011 Cán bộ phản biện Cán bộ phản biện ộ phản biện

NHẬN XÉT CỦA ẬN XÉT CỦA ẬN XÉT CỦA CÁN B CÁN B CÁN BỘ PHẢN BIỆN Ộ PHẢN BIỆN Ộ PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011 Cán bộ phản biệnCán bộ phản biệnộ phản biện

TÓM T TÓM TẮT LUẬN VĂN ẮT LUẬN VĂN ẮT LUẬN VĂN

Trong các bể phân huỷ kỵ khí tải trọng cao thì FBBR (fluidized bed biological reactor) có ưu ñiểm là nước thải ñầu ra ñạt chất lượng cao, thường cao hơn các quá trình kỵ khí tải trọng cao khác Hạt PVA gel là chất mang có lỗ rỗng thích hợp cho

vi sinh sống dính bám và khả năng thích nghi nhanh khi ñã hình thành ñược lớp màng vi sinh Chính vì vậy nghiên cứu ứng dụng mô hình bể FBBR sử dụng chất mang là hạt PVA gel (ñã có lớp biomass mỏng dính bám) xử lý nước thải chế biến thuỷ sản ñược tiến hành ñể ñánh giá hiệu suất loại bỏ COD của nước thải chế biến thuỷ sản và ñánh giá sinh khối dính bám lên hạt PVA gel

Bể FBBR kỵ khí ñược khởi ñộng ở tải trọng hữu cơ là 1 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 12.9 giờ; rồi tăng lên 3; 5; 7 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 10.2 giờ; 12 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 6.1 giờ; 15; 20 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 4.9 giờ, ñạt hiệu suất loại bỏ COD trung bình của 10 ngày cuối của mỗi tải trọng khoảng 88 ÷ 91% Hơn 129 ngày vận hành, ở tải trọng hữu cơ 20 kgCOD/m3.ngày thì hiệu suất loại bỏ COD là 91.8 ± 2.1% Giá trị pH, ñộ kiềm ñầu ra tăng so với ñầu vào Lưu lượng bơm tuần hoàn dao ñộng trong khoảng 210 ÷ 960 L/giờ tuỳ theo từng tải trọng khác nhau

Hạt PVA gel có cấu trúc có lỗ rỗng, vận tốc lắng trung bình 200 m/giờ là chất mang có hiệu quả trong bể phân huỷ kỵ khí FBBR xử lý COD của nước thải chế biến thuỷ sản Ở cuối tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày, hàm lượng sinh khối dính bám trên hạt PVA gel là 1.57 mgVS/hạt PVA gel, 1.79 mgTS/hạt PVA gel và tỉ lệ VS/TS của sinh khối dính bám là 0.87 chứng tỏ hạt PVA gel là một giá thể thích hợp cho các vi sinh kỵ khí phát triển và tồn tại ñộc lập lớn; tỉ lệ F/M là 2.06 gCOD/gTS.ngày và tốc ñộ sử dụng chất nền U là 1.86

ABSTRACT ABSTRACT

FBBR (fluidized bed biological reactor) – one of high rate anaerobic processes – has one of advantages is high-quality effluent achievable, often better than other high-rate processes PVA gel beads are biocarriers with a porous microstructure that

is well suited for retention of bacteria Thus, PVA gel beads (had thin attached biomass) were used in this study as a biocarrier in a lab-scale anaerobic fluidized bed biological reactor treating aqua product wastewater with the aim of evaluating COD removal efficiencies and attached biomass of PVA gel beads

The reactor was started with an organic loading rate (OLR) 1 kgCOD/m3.day and an HRT 12.9 h Then the OLR was increased to 3; 5; 7 kgCOD/m3.day (HRT 10.2 h); 12 kgCOD/m3.day (HRT 6.1 h) and 15; 20 kgCOD/m3.day (HRT 4.9 h) with COD removal efficiencies 88 ÷ 91 % Over 129 days of operation, the OLR was increased to 20 kgCOD/m3.day with an influent COD of about 4 g/L at an HRT

of 4.9 h with COD removal efficiencies of about 91.8% ± 2.1% The volume of PVA gel beads in the FBBR are about 20% of the total volume FBBR Alkalinity,

pH of effluent wastewater was higher than influent wastewater Flow rate of recirculation (range 210 – 900 L/h) depended on other organic loading rates

PVA gel beads had porous microstructure and an average settling velocity 200 m/h that was well suited to be biocarrier in FBBR for aqua product wastewater treatment By the end of OLR 20 kgCOD/m3.day, attached biomass of PVA gel was about 1.57 mgVS/PVA gel bead, 1.79 mgTS/ PVA gel bead and VS/TS of attached biomass 0.87; F/M ratio was 2.06 gCOD/gTS.day and substrate utiliztion rate U 1.86 It showed that PVA gel beads are suitable for retention bacteria

MỤC LỤC ỤC LỤC ỤC LỤC

Trang

L LỜI CẢM ỜI CẢM ỜI CẢM ƠNƠNƠN

TÓM T TÓM TẮT LUẬN VĂNẮT LUẬN VĂNẮT LUẬN VĂN

M MỤC LỤCỤC LỤCỤC LỤC iiii

DANH M DANH MỤC HỤC HỤC HÌNH ÌNH ÌNH ẢNHẢNHẢNH iiiiiiiii

DANH M DANH MỤC BẢNG BIỂUỤC BẢNG BIỂUỤC BẢNG BIỂU vivivi

DANH M DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viiviivii

ð ðẶT VẤN ðỀ ẶT VẤN ðỀ ẶT VẤN ðỀ 1 11 1 1 1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ðỀ TÀI 1

2 2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

3 3 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ðỀ TÀI 2

4 4 PHẠM VI – GIỚI HẠN CỦA ðỀ TÀI 3

CHƯƠNG I: GI CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUANỚI THIỆU TỔNG QUANỚI THIỆU TỔNG QUAN 4444

1.1 Tổng quan về nước thải chế biến thuỷ sản 4

1.2 Tổng quan về quá trình phân huỷ kỵ khí 6

1.2.1 Quá trình phân huỷ kỵ khí 6

1.2.2 Các yếu tố cần quan tâm trong quá trình phân hủy kỵ khí 12

1.3 Tổng quan về các quá trình kỵ khí tải trọng cao 22

1.3.1 Bể tiếp xúc kỵ khí (AC) 23

1.3.2 Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) 24

1.3.3 Bể lọc kỵ khí (AF) 26

1.3.4 Bể UASB và lọc kỵ khí lai hợp 27

1.3.5 Bể có lớp màng cố ñịnh tĩnh có dòng chảy từ trên xuống 28

1.3.6 Bể kỵ khí ñệm giãn nỡ 28

1.4 Tình hình nghiên cứu về hạt poly vinyl alcohol (PVA-gel) trong xử lý nước thải .31

CHƯƠNG II:

CHƯƠNG II: VVVẬT LIỆU VẬT LIỆU VẬT LIỆU VÀ À À PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CPHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CPHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUỨUỨU 33337777

2.1 Vật liệu nghiên cứu 37

2.1.1 Bùn kỵ khí sử dụng trong nghiên cứu và nước thải ñầu vào 37

2.1.2 Vật liệu dính bám 37

2.2 Mô hình thiết bị nghiên cứu 38

2.3 Phương pháp nghiên cứu 40

2.4 Phương pháp phân tích 42

CHƯƠNG I CHƯƠNG IIIIIII:::: K K KẾTẾTẾT QU QU QUẢ VẢ VẢ VÀ THÀ THÀ THẢO LUẬNẢO LUẬNẢO LUẬN 44444444

3.1 Chế ñộ vận hành 44

3.2 Kết quả vận hành thí nghiệm 45

3.2.1 Kết quả thí nghiệm thích nghi 49

3.2.2 Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 3 kgCOD/m3.ngày 50

3.2.3 Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 5 kgCOD/m3.ngày 54

3.2.4 Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 7 kgCOD/m3.ngày 58

3.2.5 Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 12 kgCOD/m3.ngày 62

3.2.6 Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 15 kgCOD/m3.ngày 66

3.2.7 Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày 70

3.2.8 Hiệu suất loại bỏ COD của toàn bộ quá trình nghiên cứu 74

3.2.9 Sự biến ñổi hàm lượng VFA theo chiều cao của cột mô hình 76

3.2.10 Khí sản sinh trong quá trình nghiên cứu 77

3.2.11 Màng vi sinh dính bám 78

K KẾT LUẬN VẾT LUẬN VẾT LUẬN VÀ KIÀ KIÀ KIẾN NGHỊẾN NGHỊẾN NGHỊ 88883333

TÀI LI TÀI LIỆU TỆU TỆU THAM KHHAM KHHAM KHẢOẢOẢO 88886666 PH

PHỤ LỤCỤ LỤCỤ LỤC 88888888

DANH M

DANH MỤC H ỤC H ỤC HÌNH ÌNH ÌNH ẢNH ẢNH ẢNH

Trang Hình 1.1 Quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong ñiều kiện kỵ khí 8

Hình 1.2 Hình 1.2 Sơ ñồ phản ứng xảy ra trong quá trình sinh học kỵ khí 12

Hình 1.3 Hình 1.3 Quá trình tiếp xúc kỵ khí 23

Hình 1.4 Sơ ñồ cấu tạo của một bể phản ứng UASB 25

Hình 1 Hình 1.5555 Bể lọc kỵ khí 27

Hình 1.6 Bể UASB/AF lai hợp 27

Hình 1.7 Bể có lớp màng cố ñịnh tĩnh có dòng chảy từ trên xuống 28

Hình 1.8 Bể kỵ khí ñệm giãn nở (FB/EB) 29

Hình 1.9 Hạt PVA-gel trước khi sử dụng 1 tháng 32

Hình 1 Hình 1.10.10.10 Hạt PVA-gel sau khi sử dụng 1 tháng 32

Hình 1.1 Hình 1.11 1 Bề mặt hạt PVA gel chụp từ kính hiển vi ñiện tử 32

Hình 1.1 Hình 1.12222 Bể AFB 35

Hình Hình 2222.1 1 Hạt PVA gel 37

Hình Hình 2222 2222 Mô hình thí nghiệm 38

Hình 2.3 Mô hình FBBR trong phòng thí nghiệm 39

Hình 2.4 Sơ ñồ phương pháp nghiên cứu 41

Hình Hình 3333.1 1 Hiệu suất loại bỏ COD ở tải trọng thích nghi (1 kgCOD/m3.ngày) 49

Hình 3.2 Hiệu suất loại bỏ COD ở tải trọng 3 kgCOD/m3.ngày 50

Hình Hình 3333.3 3 Sự thay ñổi pH ở tải trọng 3 kgCOD/m3.ngày 51

Hình Hình 3333 4444 Sự thay ñổi ñộ kiềm ở tải trọng 3 kgCOD/m3.ngày 52

Hình Hình 3333 5555 Sự thay ñổi N-NH3 trong tải trọng 3 kgCOD/m3.ngày 53

Hình Hình 3333 6666 Sự thay ñổi TP trong tải trọng 3 kgCOD/m3.ngày 53

Hình Hình 3333 7777 Sự thay ñổi TKN trong tải trọng 3 kgCOD/m3.ngày 54

Hình Hình 3333.8 8 Hiệu suất loại bỏ COD ở tải trọng 5 kgCOD/m3.ngày 54

Hình Hình 3333 9999 Sự thay ñổi pH ở tải trọng 5 kgCOD/m3.ngày 55

Hình Hình 3333 101010 Sự thay ñổi ñộ kiềm ở tải trọng 5 kgCOD/m3.ngày 56

Hình Hình 3333 111111 Sự thay ñổi N-NH trong tải trọng 5 kgCOD/m3.ngày 56

Hình 3333.43.43 Các hạt PVA gel ở cuối mỗi tải trọng nghiên cứu 79

Hình 3.44 Sự tương quan giữa tỉ lệ VS/TS của sinh khối dính bám và hiệu suất loại

bỏ COD 81

Hình

Hình 3333.4.4.45555 Mối quan hệ giữa sản lượng khí và sinh khối dính bám tính theo VS 81

DANH M DANH MỤC BẢNG BIỂU ỤC BẢNG BIỂU ỤC BẢNG BIỂU

Trang B

Bảng ảng ảng 1111 1111 Thành phần nước thải từ các phân xưởng chế biến thuỷ sản 5 B

Bảng ảng ảng 1111 2.2.2 Kết quả vận hành quá trình kỵ khí tải trọng cao ñặc trưng 23 B

Bảng 1.3ảng 1.3ảng 1.3 Tải trọng thiết kế bể UASB ở các nhiệt ñộ khác nhau 25 B

Bảng 1.4.ảng 1.4.ảng 1.4 Các thông số thiết kế bể UASB ñối với các loại nước thải khác nhau 26 B

Bảngảngảng 1.51.51.5 Các ñiều kiện vận hành trong bể FB kỵ khí 31 B

Bảng ảng ảng 1111.6.6.6 Các ñiều kiện sử dụng trong suốt quá trình vận hành mô hình UASB 34 B

Bảảảảng ng ng 2222.1.1.1 Các thông số kỹ thuật của hạt PVA-gel 38 B

Bảng ảng ảng 2222.2.2.2 Kích thước thiết bị phản ứng 40 B

Bảng ảng ảng 2222 3.3.3 Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu tại phòng thí nghiệm 42 B

Bảảảảng ng ng 3333.1.1.1 Lưu lượng bơm tuần hoàn ở mỗi tải trọng nghiên cứu 45 B

Bảảảảng ng ng 3333 2222 Các thông số vận hành qua các tải trọng hữu cơ nghiên cứu 45 B

Bảng ảng ảng 3333.3.3.3 Các thông số vận hành trong quá trình thí nghiệm 47 B

Bảng ảng ảng 3333.4.4.4 Các thông số vận hành trong quá trình thí nghiệm 48 B

Bảng 3.5 ảng 3.5 ảng 3.5 Hàm lượng sinh khối dính bám lên hạt PVA gel ở cuối mỗi tải trọng 80 B

Bảng ảng ảng 3333 6.6.6 Kết quả phân tích lớp màng vi sinh bám trên giá thể PVA gel 82

CÁC T CÁC TỪ VIẾT TẮT Ừ VIẾT TẮT Ừ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu ôxi sinh học COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hoá học F/M Food/microorganism Tỉ lệ thức ăn/vi sinh

HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu nước

SRT Sludge retention time Thời gian lưu bùn

OLR Organic Loading rate Tải trọng hữu cơ

VSS Volatile suspended solids Chất rắn bay hơi

SS Suspended solids Chất rắn lơ lửng

TS Total solids Tổng chất rắn

TKN Total Nitrogen Kjedahl Tổng nitơ Kjedahl

VFA Volatile Fatty Acids Axít béo bay hơi

LCFA Long Chain Fatty Acids Axít béo mạch dài

MLSS Mixed Liqour Suspended Solids Hàm lượng bùn bay hơi MLVSS Mixed Liqour Volatile Suspended Solids Hàm lượng bùn lơ lửng UMBR Upflow Multi-layer Bioreactor

FBBR Fluidized Bed Biological Reactor Bể sinh học ñệm giãn nỡ PVA gel Poly Vinyl Alcohol gel

AD Anaerobic Digestion Phân huỷ kỵ khí

FA Free Ammonia Ammonia tự do

TAN Total Ammonia Nitrogen Tổng nitơ ammonia

AC Anaerobic Contact Tiếp xúc kỵ khí

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket

PAOs Phosphorous Accumulating Organisms Vi sinh vật tích luỹ

photpho

1 TÍNH CTÍNH CTÍNH CẦN THIẾT CỦA ðỀ TẦN THIẾT CỦA ðỀ TẦN THIẾT CỦA ðỀ TÀIÀIÀI

Nước là nguồn gốc của sự sống cho tất cả các loài sinh vật trên trái ñất Nước chiếm gần 70% trọng lượng của cơ thể con người nên nước là một trong những nhu cầu thiết yếu ñể ñảm bảo sự sống của con người nói riêng và của sinh vật nói chung Tất cả các hoạt ñộng sống của con người ñều phải sử dụng nước ñể sản xuất và sinh hoạt Ở nước ta, cùng với sự gia tăng dân số và sự phát triển công nghiệp ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng

Vấn ñề ô nhiễm hữu cơ do các ngành chăn nuôi chế biến thuỷ sản ñang phát triển ở ðồng Bằng Sông Cửu Long ngày càng ñược quan tâm nhiều hiện nay, hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thuỷ sản chủ yếu dựa trên công nghệ xử lý truyền thống là bể bùn hoạt tính Bể này ñòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình vận hành và chỉ chịu ñược tải trọng thấp Trong khi ñó quá trình công nghiệp hoá, ñô thị hoá, gia tăng dân số ñang ngày càng tăng làm phát sinh một lượng nước thải ngày càng lớn nếu không xử lý thích hợp trước khi thải ra các nguồn tiếp nhận thì sẽ gây ô nhiễm môi trường rất nghiêm trọng Phần lớn nước thải từ ngành công nghiệp chế biến thuỷ sản có hàm lượng chất hữu cơ cao ðiều này làm cho các công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống bùn hoạt tính tiêu tốn nhiều năng lượng trong khi ñó nước ta là một nước ñang phát triển nên cần tiết kiệm năng lượng ñể phục vụ cho phát triển kinh tế Các công nghệ phân huỷ kỵ khí là những công nghệ có thể tiết kiệm ñược năng lượng mà còn tạo ra khí sinh học cung cấp năng lượng trở lại cho hệ thống xử lý nước thải Việc vận hành các bể phản ứng

kỵ khí ñòi hỏi thời gian thích nghi rất lâu và khó khăn trong việc hình thành bùn hạt

ñể quá trình phân huỷ sinh học trong bể xảy ra tốt Việc sử dụng một chất mang ñể giúp cho vi sinh phát triển tốt xảy ra nhanh hơn tạo bùn hạt không có chất mang ðề tài: “Nghiên cứu“Nghiên cứuứu ứng dụng ứng dụng ứng dụng bbbbể phản ứng kỵ khí dể phản ứng kỵ khí dể phản ứng kỵ khí dòng chòng chòng chảy ngảy ngảy ngưưược với chất mang hạt ợc với chất mang hạt PVA

giải pháp khử các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải chế biến thuỷ sản một cách hiệu quả là cần thiết

2

2 MMMỤC TIỤC TIỤC TIÊU VÀ NÊU VÀ NÊU VÀ NỘI DUNG NGHIỘI DUNG NGHIỘI DUNG NGHIÊN CÊN CÊN CỨUỨUỨU

MMMục tiục tiục tiêu nghiêu nghiêu nghiên cên cên cứu của ựề tứu của ựề tứu của ựề tàiàiài

đề tài ựược thực hiện nhằm ựạt mục tiêu chắnh là nghiên cứu hiệu quả xử lý COD của bể phản ứng kỵ khắ dòng chảy ngược với chất mang hạt PVA-gel (polyvinyl alcohol) theo các tải trọng khác nhau ựối với nước thải chế biến thuỷ sản

NNNội dung nghiội dung nghiội dung nghiên cên cên cứu của ựề tứu của ựề tứu của ựề tàiàiài

đề tài tập trung vào các nội dung chắnh sau ựây:

- Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải chế biến thuỷ sản ựang ựược áp dụng

- Thiết lập và nghiên cứu mô hình bể phản ứng kỵ khắ dòng chảy ngược với chất mang hạt PVA-gel

- Nghiên cứu khả năng xử lý COD trong nước thải chế biển thuỷ sản với giá thể PVA-gel theo 1 tải trọng thắch nghi (1kgCOD/m3.ngày) và 6 tải trọng là 3; 5; 7; 12; 15; 20 kgCOD/m3.ngày

- Bước ựầu ựề xuất các thông số vận hành (HRT, OLR, pH) thắch hợp cho các

bể phản ứng kỵ khắ sử dụng giá thể PVA-gel khi áp dụng thực tế

- đánh giá sinh khối (tắnh theo SS, VSS) dắnh bám trên hạt PVA gel

3

3 Ý NGHÝ NGHÝ NGHĨA VĨA VĨA VÀ TÍNH MÀ TÍNH MÀ TÍNH MỚI CỦA đỀ TỚI CỦA đỀ TỚI CỦA đỀ TÀIÀIÀI

Hiện nay có nhiều nghiên cứu về bể phản ứng dùng quá trình phân huỷ kỵ khắ

và kỵ khắ kết hợp ựể xử lý các loại nước thải khác nhau và trong các bể phản ứng kỵ khắ ựó có các vật liệu làm giá thể với các hình dạng và kắch thước khác nhau Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu hạt PVA-gel thì hiện ựang có ựề tài dùng hạt PVA-gel

ựể xử lý nước thải mủ cao su Sử dụng hạt PVA-gel làm giá thể trong bể phản ứng

kỵ khắ xử lý nước thải chế biến thuỷ sản là hoàn toàn mới

Kết quả nghiên cứu là cơ sở ban ựầu ựánh giá hiệu quả xử lý của bể phản ứng

kỵ khắ ựối với nước thải chế biến thuỷ sản, và khả năng áp dụng của bể phản ứng kỵ

khắ có chất mang hạt PVA-gel ựối với các loại nước thải công nghiệp thực phẩm có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao

Xem xét khả năng thắch nghi của vi sinh ựã dắnh bám trên giá thể hạt PVA-gel trong môi trường nước thải chế biến thuỷ sản, góp phần nhận diện một loại giá thể mới trong việc sử dụng bùn hạt kỵ khắ có chất mang là hạt PVA gel trong xử lý nước thải chế biến thuỷ sản, giúp rút ngắn thời gian khởi ựộng cho các hệ thống xử

lý kỵ khắ sử dụng bùn hạt có chất mang, tăng khả năng ứng dụng thực tiễn của các

bể phản ứng kỵ khắ FBBR (fluidized bed biological reactor)

4

4 PHPHPHẠM VI ẠM VI ẠM VI ỜỜỜỜ GI GI GIỚI HẠN CỦAỚI HẠN CỦAỚI HẠN CỦA đ đ đỀ TỀ TỀ TÀIÀIÀI

Ớ Thắ nghiệm ựược tiến hành trên quy mô phòng thắ nghiệm tại Phòng thắ nghiệm của Khoa Môi trường- đại học Bách Khoa TP HCM

Ớ Nước thải ựược lấy từ chợ ựầu mối tại TP HCM

Ớ đánh giá khả năng xử lý COD của bể phản ứng kỵ khắ với 7 tải trọng : 1 (tải trọng thắch nghi) ; 3; 5; 7; 12; 15; 20 kgCOD/m3.ngày.

Ớ Mô hình thắ nghiệm ựược vận hành trong ựiều kiện bình thường : nhiệt ựộ ngoài trời

CHƯƠNG CHƯƠNG IIII G

GIIIIỚI THIỆU TỔNG QUAN ỚI THIỆU TỔNG QUAN ỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1

1.1 TTTổổổổng quan vng quan vng quan về ề ề nnnnướướước c c thảthảthải chi chi chế ế ế bibibiếếếến n n thuỷ sảthuỷ sảthuỷ sảnnnn

Ngành chế biến thuỷ sản là ngành tiêu thụ nhiều nước nhất trong công nghiệp dao ñộng từ 40 – 114 m3/tấn thành phẩm, lượng nước thải trung bình là 70 – 120 m3nước thải/tấn sản phẩm và gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Quá trình tiêu thụ nước chủ yếu ở các công ñoạn sản xuất như rửa nguyên liệu, rửa thiết bị, sàn làm việc, … Hơn 80% tổng nhu cầu nước ñược tiêu thụ trong công ñoạn chế biến

và vệ sinh thiết bị, nhà xưởng Nước thải sinh ra trong quá trình chế biến thuỷ sản chứa khối lượng lớn các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, chất rắn lơ lửng, dầu mỡ,… Lưu lượng nước thải phụ thuộc vào các công ñoạn chế biến, quy mô sản xuất (Nguyễn Trọng Lực, 2008)

Nước thải chế biến thuỷ sản ñặc trưng bởi các thông số ô nhiễm như: mùi, SS, BOD5, COD, pH, tổng N, tổng P, coliform Trong ñó, NH4-N là thành phần chủ yếu chiếm 78 – 99% Theo Sở Khoa học Công nghệ Môi trường (1998) nước thải ngành chế biến thuỷ sản có BOD5 trung bình trong khoảng 1200 – 1800 mg/L, COD là 500 – 3000 mg/L, SS là 150 – 200 mg/L, tổng Nitơ từ 70 – 110 mg/L, tổng P là 10 – 100mg/L (Nguyễn Trọng Lực, 2008)

Thành phần nước thải chế biến thuỷ sản chênh lệch rất lớn giữa các quy trình chế biến và nguồn nguyên liệu chế biến (bảng 1.1)

Công nghệ chế biến thuỷ sản phụ thuộc nhiều vào nhu cầu thị trường xuất khẩu, thời vụ thu hoạch, nguồn nguyên liệu, tình trạng nguyên liệu ñầu vào Nên các nhà máy ñược thiết kế ñể chế biến nhiều loại nguyên liệu khác nhau, làm tăng tính ña dạng hoá sản phẩm: cá ñông lạnh, mực ống, tôm ñông lạnh, tôm ñóng hộp,… Các nhà ñầu tư dây chuyền công nghệ theo dạng dàn trãi, không ñồng bộ, lạc hậu làm ảnh hưởng ñến chất lượng sản phẩm, và làm tăng lượng nước thải ra ngoài môi trường

Bảng ảng ảng 1111 1111 Thành phần nước thải từ các phân xưởng chế biến thuỷ sản

Giá tr Giá trịịịị STT

Trình ñộ công nghệ ở các nhà máy không ñồng ñều, có sự chênh lệch ở các vùng miền trong cả nước

Theo kết quả ñiều tra của Trung tâm công nghệ môi trường ENTEC (Environmental Technology Center) năm 2005, lấy mẫu và khảo sát thực tế tại 50

cơ sở chế biến thuỷ sản toàn quốc cho thấy hầu hết các công nghệ xử lý nước thải chế biến thuỷ sản là công nghệ xử lý sinh học hiếu khí (Nguyễn Trọng Lực, 2008)

1.2 TTTổng quan về quá trổng quan về quá trổng quan về quá trình phân huình phân huình phân huỷ kỵ khí (Corne L., 2009)ỷ kỵ khí (Corne L., 2009)ỷ kỵ khí (Corne L., 2009)

1.2.1

1.2.1 Quá trình phân huQuá trình phân huQuá trình phân huỷ kỵ khíỷ kỵ khíỷ kỵ khí

Do nhu cầu về xử lý nước thải chi phí thấp trong công nghiệp thực phẩm và khủng hoảng dầu mỏ thế giới, các hệ thống xử lý sử dụng các thiết bị phản ứng kỵ khí ñược phát triển

Quá trình phân hủy kỵ khí ñã ñược thực hiện thành công trên khắp thế giới trong việc xử lý nhiều loại nước thải khác nhau có nguồn gốc công nghiệp và sinh hoạt

So với các công nghệ hiếu khí truyền thống có khả năng ứng dụng thực tiễn, xử lý nước thải kỵ khí có nhiều ưu ñiểm ñáng chú ý:

• Thiết kế ñơn giản, thể tích công trình nhỏ, chiếm ít diện tích mặt bằng; công trình có cấu tạo khá ñơn giản và giá thành không cao; chi phí vận hành về năng lượng thấp

• Thay thế nhu cầu năng lượng, năng lượng có ích ñược tạo ra từ sự hình thành methane (CH4) (khoảng 13.5 MJ năng lượng từ CH4 trên mỗi kg COD ñã xử lý)

• Thể tích bùn dư phát sinh tương ñối thấp (thấp hơn từ 5 ñến 10 lần so với các quá trình hiếu khí), bùn có khả năng tách nước cao và ổn ñịnh tốt Hàm lượng chất rắn khô trong bùn kỵ khí dao ñộng trong khoảng 2% (thiết bị phân hủy kỵ khí) ñến trên 8% (bể phản ứng lớp bùn kỵ khí UASB), so với 0.5 - 2% của bùn hiếu khí

• Không cần cung cấp nhiều chất dinh dưỡng như quá trình hiếu khí

• Bùn thường ñược duy trì ổn ñịnh cả khi không ñược cấp dưỡng trong thời gian dài mà không gây ra những tổn hại nghiêm trọng

• Các quá trình kỵ khí có thể ñược áp dụng thực tiễn ở nhiều nơi và nhiều quy

mô khác nhau Tốc ñộ tải trọng thể tích rất cao (lên ñến 20 - 35 kgCOD/m3.ngày) có thể ñạt ñược trong các hệ thống xử lý UASB hiện ñại, nhờ ñó tiết kiệm diện tích cho

hệ thống

• Quá trình phân hủy kỵ khí có thể ñược tiến hành với các chi phí khá thấp do ñơn giản về mặt công nghệ và chi phí các bể phản ứng không cao, các bể phản ứng này có thể vận hành với nhu cầu năng lượng nhỏ

• Xử lý nước thải kỵ khí có thể kết hợp với các phương pháp xử lý khác, với

các phương pháp này, các sản phẩm có ích như ammonia và sulphur có thể ñược tái sinh

Tuy nhiên, mặc dù có nhiều ưu ñiểm, quá trình phân hủy kỵ khí không thể tạo ra một biện pháp xử lý hoàn chỉnh Một số nhược ñiểm của quá trình xử lý kỵ khí có thể bao gồm:

• ðộ nhạy cảm cao của các vi khuẩn methane hóa và các vi khuẩn acetate hóa với nhiều loại ñộc chất khác nhau

• Sự ổn ñịnh của xử lý kỵ khí theo các l ý thuyết thấp, trong quá khứ, nguyên nhân chính là do thiếu tri thức cơ bản của những kỹ sư giám sát và người vận hành

• Thời gian khởi ñộng chậm (thông thường, ít nhất phải mất 3 - 5 tháng) của các hệ thống quy mô thực tế

• Có thể ñòi hỏi bổ sung thêm ñộ kiềm

• Không thể loại bỏ nitơ và photpho ñạt yêu cầu xả thải Khả năng xử lý các loại chất dinh dưỡng (nitơ và photpho) thấp, ñó có thể là do khả năng tạo sinh khối chậm

• Nhạy cảm ñối với ảnh hưởng bất lợi của nhiệt ñộ ñối với tốc ñộ phản ứng

• Quá trình kỵ khí dễ bị rối loạn do ñộc chất

• Có khả năng sinh ra mùi và các chất gây ăn mòn

Trong những năm 1960, tại Bellville và Nam Phi, các hệ thống quy mô thực tế ñầu tiên ñược phát triển dựa trên cấu trúc bể lắng phân hủy DorrOliver ñể xử lý nước thải tinh bột Từ những năm 1970 cho ñến nay, việc tìm ra các bể phản ứng cao tải (tách biệt thời gian lưu nước khỏi thời gian lưu bùn) ñã làm tăng số lượng các hệ thống kỵ khí do hiệu quả về chi phí xử lý Các bể phản ứng kỵ khí này gồm có: các bể phản ứng lớp bùn kỵ khí dòng chảy ngược (UASB); các bể phản ứng tiếp xúc; các bể phản ứng màng vi sinh mở rộng (Microbial Film Expanded Bed - MFEB) và các bể phản ứng màng sinh học

Leslie Grady, C P JR (1999) Quá trình phân hủy kỵ khí (Anaerobic AD) là một quá trình tự nhiên, trong ñó nhiều loài vi khuẩn khác nhau cùng hoạt ñộng trong môi trường thiếu oxi ñể chuyển hóa các chất hữu cơ thành khí sinh học

Digestion-qua các phản ứng trung gian Quá trình phân hủy kỵ khí làm giảm các loại vi khuẩn gây bệnh và các thành phần ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, ñồng thời sinh khối mới và khí sinh học ñược tạo ra Bằng cách ñó, quá trình phân hủy sinh học có thể ñược sử dụng như một công cụ giảm ô nhiễm và tạo ra năng lượng

Quá trình phân hủy kỵ khí nước thải có nồng ñộ ô nhiễm cao thường diễn ra theo các bước kế tiếp nhau và ñược tiến hành bởi 4 nhóm vi khuẩn dinh dưỡng Các nhóm vi khuẩn này thực hiện nhiệm vụ của mình trong mối quan hệ tương hỗ lẫn nhau và hình thành nên một chuỗi thức ăn, trong ñó sản phẩm cuối cùng là CH4 và

CO2 Những mối tương tác giữa các loài khác nhau hay các nhóm vi khẩn khác nhau là rất phức tạp do sự cạnh tranh về cơ chất diễn ra giữa các loài hay các nhóm

vi khuẩn này Các sản phẩm trung gian ñược tạo ra cũng có thể gây ảnh hưởng ức chế trở lại quá trình sinh trưởng của vi khuẩn, thay ñổi quá trình trao ñổi chất hay biến ñổi các sản phẩm cuối cùng của các loài vi khuẩn khác

Theo Nguyễn Văn Phước (2007) quá trình phân huỷ kỵ khí chất bẩn là quá trình diễn ra hàng loạt các phản ứng sinh hoá rất phức tạp và có thể ñược mô tả trên hình 1.1

Hình

Phản ứng tổng quát của quá trình có thể ñược viết:

Hợp chất hữu cơ + H2O → sinh khối + CH4 + CO2 + NH3

Chất hữu cơ phức tạp (Gluxit, Protein, Lipit)

Chất hữu cơ ñơn giản (ðường ñơn, Peptit, Axit amin, Glixerin, Axit béo)

Các Axit béo dễ bay hơi (Propionic, Butiric, Lactic …), Etanol …

Axetat

H2, CO2

CH4, CO2, H2O

Giai ño

Giai ñoạn thủy phân:ạn thủy phân:ạn thủy phân:

Trong giai ñoạn này, các chất hữu cơ phức tạp ñược thủy phân thành những chất ñơn giản hơn (ñể có thể thâm nhập vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân (vi khuẩn lên men) Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loài vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như Hidratcacbon, Protein, Lipit dễ dàng bị phân huỷ thành các chất hữu cơ ñơn giản, dễ bay hơi như Etanol, các Axit béo như Axit Axetic, Axit Butyric, Axit Propionic, Axit Lactic… và các khí CO2, H2 và NH3

Giai ño

Giai ñoạn axit hóa:ạn axit hóa:ạn axit hóa:

Những hợp chất tạo ra trong giai ñoạn thủy phân vẫn quá lớn ñể ñược vi sinh vật hấp thu nên cần ñược phân giải tiếp Giai ñoạn này bắt ñầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành ñến màng trong rồi ñến tế bào chất với

sự tham gia của các protein vận chuyển Ở ñó các axit amin, ñường ñơn và axit béo mạch dài ñều biến ñổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn, một ít khí Hydro và khí

CO2, Giai ñoạn này còn có tên là giai ñoạn lên men

Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương ñối phức tạp, có thể tóm tắt như sau:

- Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian ñể tạo sản phẩm cuối cùng Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối

- Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức tạp như sau:

Axit béo + CoA ↔ Acyl-CoA

Phản ứng hoạt hóa này ñược thực hiện nhờ enzym Acyl-CoA synthetaza nằm ở màng trong tế bào vi khuẩn

Axit acetic + CoA (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-)

ðối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic

ðối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit acetic là chủ yếu còn chứa cả axit propionic

Các axit béo chưa bão hòa ñược no hóa (ngay sau khi liên kết este ñược phân cắt) trước khi trải qua quá trình oxy hóa β

Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peroxit, các axit trung gian cũng

cơ thể ñược tạo thành từ các con ñường khác (oxy hóa α, oxy hóa ω, ) bởi một số nhóm vi khuẩn và nấm

Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, Indol, Scatol, Mecaptan… ñược sinh ra và pH của môi trường tăng dần lên

Giai ño

Giai ñoạn acetat hóa:ạn acetat hóa:ạn acetat hóa:

Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình axit hóa nêu trên, ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần ñược phân giải tiếp thành những phân tử ñơn giản hơn nữa Sản phẩm phân giải là axit acetic, khí

H2, CO2 ñược tạo thành bởi vi khuẩn acetat hóa:

CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2

CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2

CH3(CH2)2COO- (butyric) + 2H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2

ðặc ñiểm nổi bật của giai ñoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí Hydro, mà khí này ngay lập tức ñược vi sinh vật Metan ở giai ñoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với CO2 Mức ñộ phân giải các chất trong giai ñoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí Hydro trong bể kỵ khí Nếu vì lý do nào ñó mà sự tiêu thụ Hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó (bởi vi khuẩn acetat hóa) sẽ giảm mạnh

Trong khi acetat (sản phẩm giai ñoạn acetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay hơi khác Bản thân axit acetic ở nồng ñộ quá cao cũng gây pH thấp

và ảnh hưởng tốc ñộ phân giải axit béo bay hơi Nói chung, pH và nhiệt ñộ tối ưu của giai ñoạn này là 6,8 – 7,8 và 35 – 42oC

Giai ño

Giai ñoạn tạo Metan:ạn tạo Metan:ạn tạo Metan:

ðây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí Metan bằng các tổ hợp các con ñường sau

Con ñường 1:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Loại vi sinh vật Hydrogenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là hydro và

CO2 Dưới 30% lượng metan sinh ra bằng con ñường này

Con ñường 2:

CH3COOH → CO2 + CH44CO + 2H2O → CH4 + 3CO2Loại vi sinh vật Acetotrophic Methanogen chuyển hóa acetat thành metan và

CO2 Khoảng 70% lượng metan sinh ra qua con ñường này Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con ñường này nhỏ CO2 giải phóng ra lại ñược khử thành Metan bằng con ñường 1 Chỉ có 1 số loài vi sinh vật Metan sử dụng ñược cơ chất là cacbon monoxit

Con ñường 3:

CH3OH + H2 → CH4 + H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3Loại vi sinh vật Methylotrophic Methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm Metyl Chỉ một lượng không ñáng kể metan ñược sinh ra từ con ñường này

Nhiều nghiên cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước ñây ñã cho thấy giai ñoạn này diễn tiến khá chậm chạp Quá trình lên men Metan có thể xảy ra ở hệ sinh thái “lạnh” (10 -150C), ôn hoà (30 - 400C) và thậm chí ở hệ sinh thái nóng (> 450C)

Về hoá sinh trong giai ñoạn lên men Metan tất cả các hợp chất hữu cơ phức tạp ñều chuyển về sản phẩm cuối cùng là CO2, H2 và CH4 ñược mô tả trên hình 1.1

Một sự cân bằng COD ñược dùng ñể giải thích sự thay ñổi COD trong suốt quá trình lên men Thay vì oxi giải thích cho sự thay ñổi COD, lượng COD mất ñi trong

bể phân huỷ kỵ khí ñược giải thích bằng sự sản sinh ra khí metan Bằng hoá học

lượng pháp, ñương lượng COD của metan có thể ñược xác ñịnh ðương lượng COD của metan là lượng oxy cần thiết ñể oxi hoá metan thành CO2 và H2O

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Từ phương trình trên, COD trên mol khí metan bằng 2 (32g O2/mol) = 64 g

O2/mol CH4 Thể tích của metan trên mol tại ñiều kiện tiêu chuẩn (00C và 1 atm) là 22.414 L, vì vậy ñương lượng CH4 của COD ñược chuyển ñổi dưới ñiều kiện kỵ khí

là 22.414/64 = 0.35 L CH4/g COD (Metcalf và Eddy, 2003)

Hình

1.2.2

1.2.2 Các yCác yCác yếu tố ếu tố ếu tố ccccần quan tâm trong quá ần quan tâm trong quá ần quan tâm trong quá trình phân htrình phân htrình phân hủy kỵ khíủy kỵ khíủy kỵ khí

Loại nước thải và ñặc tính của nước thải ñó ñóng vai trò quan trọng trong việc ñánh giá và thiết kế các công trình xử lý các chất ô nhiễm có trong nguồn nước thải

ñó bằng quá trình kỵ khí Các ñặc tính của nước thải sẽ quyết ñịnh áp dụng quá trình kỵ khí vi sinh phát triển lơ lửng, lớp bùn (sludge blanket), phát triển dính bám,

Trong quá trình phân hủy kỵ khí, các vi khuẩn axit hóa và methane hóa rất khác nhau về sinh-lý học, nhu cầu dinh dưỡng, ñộng học sinh trưởng, và ñộ nhạy cảm với

các ñiều kiện môi trường Sự thất bại trong việc duy trì sự cân bằng giữa 2 nhóm vi khuẩn này thường dẫn ñến sự mất ổn ñịnh trong bể phản ứng Các chất ức chế thường gây ra sự cố và sự thất bại của các bể phản ứng kỵ khí khi chúng hiện diện với nồng ñộ cao trong nước thải và trong bùn Có nhiều chất ñược ghi nhận là có ảnh hưởng ức chế ñến các quá trình phân hủy kỵ khí Một chất có thể ñược cho là gây ức chế khi nó gây ra một chuyển dịch ngược lại trong quần thể vi sinh vật hay

ức chế quá trình phát triển của vi sinh vật Sự ức chế thường ñược nhận ra khi giảm

ñộ ổn ñịnh trong việc sinh ra khí methane và tích lũy các axit hữu cơ

Quá trình phân hủy kỵ khí là một quá trình diễn ra phức tạp, trong ñó các cơ chế như tính ñối kháng, hỗ trợ, sự thích nghi, và tính phức tạp có thể ảnh hưởng ñáng kể ñến hiện tượng ức chế

a

a ðððặc tính của ặc tính của ặc tính của nưnưnước thảiớc thảiớc thải

Theo Metcalf và Eddy (2003) nhiều loại nước thải ñược xử lý bằng quá trình kỵ khí bao gồm: nước thải từ quá trình chưng cất rượu, nhà máy bia, sản xuất hoá chất, sản xuất bơ sữa, nước thải sinh hoạt, chế biến thuỷ hải sản, nước rỉ rác, dược phẩm, giấy, Quá trình kỵ khí ñược ưu tiên dùng ñể xử lý nhiều loại nước thải, ñặc biệt

là các loại nước thải có nồng ñộ ô nhiễm cao và nhiệt ñộ nước ấm vì quá trình kỵ khí không cần cung cấp khí nên tiết kiệm ñược năng lượng và lượng bùn sinh ra thấp Ví dụ: nước thải chế biến thực phẩm và nước thải từ nhà máy chưng cất rượu

có thể có COD từ 3000 ñến 30000 mg/L Quá trình kỵ khí cũng ñược ứng dụng xử

lý các nguồn nước thải khác mà có sự hiện diện tiềm tàng của ñộc chất, sự biến ñổi lưu lượng, nồng ñộ vô cơ, sự biến ñổi tải trọng theo mùa Quá trình kỵ khí có khả năng thích ứng nhanh với sự cung cấp nước thải sau một thời gian dài không cung cấp cơ chất Trong một vài trường hợp thì quá trình kỵ khí cũng ñược dùng ñể xử lý nước thải ñô thị ở các vùng có khí hậu ấm

b

b SSSự biến ñổi lự biến ñổi lự biến ñổi lưu lưưu lưưu lượng vợng vợng và tà tà tải trọngải trọngải trọng

Lưu lượng ñầu vào và tải trọng hữu cơ biến ñổi lớn làm xáo trộn sự cân bằng giữa sự lên men axit và sự lên men mêtan của quá trình kỵ khí ðối với những chất

dễ phân huỷ và hoà tan như ñường, tinh bột hoà tan, các phản ứng axit hoá có thể

nhanh hơn nhiều tại các tải trọng cao và tăng các axắt béo bay hơi (VFA Ờ volatile fatty acids), nồng ựộ khắ H2 và làm giảm pH Nồng ựộ H2 cao hơn có thể ức chế sự chuyển ựổi axit propionic và butyric pH giảm có thể gây ức chế quá trình metan hoá

c

c NNNồng ựộ chất hữu cồng ựộ chất hữu cồng ựộ chất hữu cơ và nhiơ và nhiơ và nhiệt ựộệt ựộệt ựộ

Nước thải nồng ựộ cao chất hữu cơ và nhiệt ựộ của nước thải ảnh hưởng rất lớn ựến tắnh kinh tế và tắnh khả thi của quá trình xử lý kỵ khắ Nhiệt ựộ bể phản ứng từ

25 ựến 350C thắch hợp ựể hỗ trợ tốc ựộ phản ứng sinh học tốt hơn và ựể cung cấp cho quá trình xử lý ổn ựịnh hơn Nhìn chung, nồng ựộ COD cao hơn 1500 ựến 2000 mg/L là cần thiết ựể sản sinh lượng khắ metan ựủ ựể làm nóng nước thải mà không cần nguồn nhiên liệu bên ngoài Nước thải có COD thấp hơn 1300 mg/L thì thắch hợp dùng quá trình xử lý hiếu khắ hơn

Xử lý kỵ khắ có thể ựược ứng dụng ở nhiệt ựộ thấp hơn và có thể chịu ựược ở nhiệt ựộ từ 10 ựến 200C trong các bể phản ứng kỵ khắ phát triển dắnh bám và lơ lửng Ở nhiệt ựộ thấp tốc ựộ phản ứng chậm hơn và cần thiết có SRT lâu hơn, thể tắch bể phản ứng lớn hơn, và tải trọng hữu cơ COD thấp hơn Hơn nữa, nhiệt ựộ từ

10 ựến 200C sự phân huỷ các axit béo mạch dài có tốc ựộ phản ứng ựịnh ra giới hạn Nếu axit béo mạch dài tắch luỹ, sẽ tạo ra bọt trong bể phản ứng Khi SRT cao hơn cần thiết thì sự mất ựi bùn trong bể phản ứng có thể trở thành một yếu tố giới hạn chắnh Các bể phản ứng kỵ khắ thường sản sinh ra bùn ắt kết bông và bị phân tán nhiều hơn các hệ thống hiếu khắ, với nồng ựộ TSS ựầu ra của các quá trình phát triển lơ lửng nằm trong khoảng từ 100 ựến 200 mg/L

d

d đđđộ kiềm của nộ kiềm của nộ kiềm của nưưước thảiớc thảiớc thải

Với nồng ựộ CO2 trong nước thải cao (nằm trong khoảng từ 30 ựến 50%) trong khắ ựược sinh ra của quá trình kỵ khắ, ựộ kiềm phải nằm trong khoảng 2000 ựến

4000 mg CaCO3/L ựể duy trì pH tại hoặc gần trung tắnh độ kiềm cần thiết thì ắt khi sẵn có trong nước thải ựầu vào nhưng có thể ựược sinh ra trong một vài trường hợp như sự phân huỷ protêin và amino axit đòi hỏi mua hoá chất ựể kiểm soát pH có thể ảnh hưởng ựến tắnh kinh tế của xử lý bằng quá trình phân huỷ kỵ khắ

e AmmoniaAmmoniaAmmonia

Theo Ye Chen (2007)Ammonia ñược tạo ra trong quá trình phân hủy sinh học các hợp chất có chứa nitơ, hầu hết dưới dạng các prôtêin và urea Lượng ammonia sinh ra từ quá trình phân hủy sinh học kỵ khí cơ chất hữu cơ có thể ñược xác ñịnh bằng cách sử dụng mối quan hệ về hệ số tỷ lượng sau:

Một số cơ chế ức chế ammonia ñã ñược ñề xuất như do sự thay ñổi pH bên trong, làm tăng nhu cầu về năng lượng bảo vệ và gây ức chế một phản ứng enzym ñặc trưng NH4+ và ammonia tự do (FA – free ammonia) (NH3) là 2 trạng thái cơ bản của N-NH3 vô cơ trong dung dịch nước FA ñược xem là nguyên nhân chính gây ra sự ức chế do nó có khả năng xuyên thấm qua lớp màng vi sinh một cách tự

do Phân tử ammonia kỵ nước có thể khuếch tán thụ ñộng vào bên trong tế bào, gây

ra sự mất cân bằng proton và thiếu hụt kali (K)

Trong số 4 loại vi sinh vật kỵ khí, các vi khuẩn methane hóa là có khả năng chịu ñựng kém nhất và gần như không còn khả năng sinh trưởng do ức chế của ammonia Khi nồng ñộ ammonia tăng lên trong khoảng 4051–5734 mgN-NH3/L, các quần thể vi khuẩn axit hóa trong bùn hạt bị ảnh hưởng nặng nề trong khi quần thể vi khuẩn methane hóa sẽ mất 56.5% hoạt tính Có những thông tin ñối lập nhau

về ñộ nhạy cảm của các vi khuẩn methane hóa sử dụng hydro và các vi khuẩn methane hóa sử dụng acetate Nhiều nghiên cứu dựa trên sự so sánh khả năng sinh methane và tốc ñộ sinh trưởng chứng tỏ rằng ảnh hưởng ức chế lên các vi khuẩn methane hóa sử dụng acetate nhìn chung là mạnh hơn ñối với các vi khuẩn methane hóa sử dụng hydro trong khi các nghiên cứu khác ñã nhận thấy phản ứng khá mạnh của các vi khuẩn methane hóa sử dụng acetate với nồng ñộ N-NH3 tổng cộng cao (TAN) khi so sánh với các vi khuẩn methane hóa sử dụng hydro Trong số chủng loài vi khuẩn methane hóa ñược cô lập từ các bể phân hủy bùn như

hungatei là nhạy cảm nhất, bị ức chế ở nồng ñộ 4.2 g/L; 3 chủng loài còn lại có sức chịu ñựng khá tốt với ammonia và chỉ bị ức chế ở nồng ñộ > 10 g/L

Các y

Các yếu tố kiểm soát sự ức chế do ammoniaếu tố kiểm soát sự ức chế do ammoniaếu tố kiểm soát sự ức chế do ammonia

Người ta cho rằng nồng ñộ ammonia < 200 mg/L có lợi cho quá trình kỵ khí do

N là một chất dinh dưỡng cần thiết cho các vi sinh vật kỵ khí Một khoảng rộng trong nồng ñộ ammonia gây ức chế ñược ghi nhận trong các tài liệu, nồng ñộ TAN (total ammonia nitrogen) trong khoảng 1.7 ñến 14 g/L có khả năng gây ức chế làm giảm 50% khả năng sinh methane Sự khác nhau ñáng kể trong nồng ñộ ammonia gây ức chế ñược cho là do sự khác nhau về cơ chất và chất cấy, các ñiều kiện môi trường (nhiệt ñộ, pH), và giai ñoạn thích nghi

pH

Trong xử lý chất thải chứa nồng ñộ TAN cao, pH ảnh hưởng ñến sự phát triển của các loài vi sinh vật cũng như ảnh hưởng của thành phần TAN Khi ammonia ở dạng FA ñược xem là nhân tố gây ñộc chính, khi tăng pH sẽ dẫn ñến tăng ñộc tính

do sự tăng cao trong tỷ số ammonia dạng FA: ammonia dạng NH4+ ở pH cao Sự bất ổn ñịnh quá trình do ammonia thường dẫn ñến sự tích lũy các VFA, ñiều này ngược lại làm giảm pH và bằng cách ñó cân bằng nồng ñộ FA Mối tương quan giữa

FA, VFAs và pH có thể dẫn ñến “một trạng thái ức chế ổn ñịnh”, một ñiều kiện mà trong ñó quá trình vẫn vận hành ổn ñịnh nhưng sản lượng methane thấp hơn

Khi tăng nhiệt ñộ quá trình thường có ảnh hưởng tích cực ñến tốc ñộ trao ñổi chất của các vi sinh vật nhưng cũng dẫn ñến nồng ñộ FA cao Một số nhà nghiên cứu nhận thấy rằng quá trình lên men kỵ khí các chất thải có nồng ñộ ammonia cao

dễ bị ức chế và kém ổn ñịnh ở nhiệt ñộ cao hơn là ở nhiệt ñộ trung bình Ngược lại, một số nghiên cứu về quá trình phân hủy kỵ khí các chất thải hữu cơ nhận thấy rằng

sự phát sinh methane bị ức chế 50% bởi nồng ñộ FA 0.22 g/L ở 370C và bởi nồng

ñộ FA 0.69 g/L ở 550C, chứng tỏ rằng các vi khuẩn ưa nóng chịu nồng ñộ FA tốt hơn 2 lần so với các vi khuẩn ưa nhiệt trung bình

Sử dụng các ion khác

Các ion như Na+, Ca2+, và Mg2+ có khả năng ñối kháng với sự ức chế ammonia, một hiện tượng trong ñó ñộc tính của một ion bị giảm bởi sự hiện diện của một hay nhiều ion khác Trong khi ở nồng ñộ 0.15 M ammonia làm giảm khả năng sinh methane từ axit acetatic xuống 20%, khi sử dụng 0.002-0.05 M Na+ lượng khí methane sinh ra nhiều hơn 5% so với khi không sử dụng Na+ Kết hợp Na+ và K+hay Na+ và Mg2+ tăng khoảng 10% sản lượng methane so với khi chỉ sử dụng Na+

Sự thích nghi là một yếu tố khác có thể ảnh hưởng ñến mức ñộ ức chế ammonia

Sự thích nghi của các vi khuẩn methane hóa ñối với ammonia khi nồng ñộ ammonia tăng chậm

Ngay khi ñã thích nghi, các vi sinh vật có thể duy trì tính ña dạng ở nồng ñộ cao hơn rất nhiều so với nồng ñộ ức chế ban ñầu Trong khi các vi khuẩn methane hóa chưa ñược thích nghi không thể tạo ra methane ở nồng ñộ ammonia 1.9–2 gN/L, chúng lại có thể tạo ra methane ở nồng ñộ ammonia 11 g N/L sau khi ñã thích nghi Các phương pháp

Các phương pháp phòng ngphòng ngphòng ngừaừaừa v v với sự ức chế ammoniaới sự ức chế ammoniaới sự ức chế ammonia

ðể loại bỏ ammonia khỏi cơ chất, có thể sử dụng 2 phương pháp hóa-lý: tách khí và kết tủa hóa học Cả hai phương pháp ñều cho thấy tính khả thi về mặt kỹ thuật ở nồng ñộ ammonia cao và thành phần nước thải phức tạp Một phương pháp giảm ảnh hưởng ức chế ammonia là pha loãng nồng ñộ Tuy nhiên, phương pháp này không mang lại hiệu quả kinh tế do thể tích nước thải sẽ tăng lên

Nhiều loại ức chế khác nhau có thể ñược khắc phục bằng cách tăng thời gian lưu sinh khối trong bể phản ứng Phương pháp này hứa hẹn hơn vì nó dễ vận hành và không tốn thêm nhiều chi phí Sự cố ñịnh các vi sinh vật bằng các loại chất trơ khác nhau (ñất sét, than hoạt tính, zeolite) có thể làm giảm sự ức chế lên quá trình sinh khí và làm cho quá trình ổn ñịnh hơn Việc thêm các chất trao ñổi ion hay các chất hấp phụ có thể loại bỏ các chất gây ức chế, giảm sự ức chế ammonia Mặc dù than hoạt tính không hấp phụ ammonia, nó có thể giảm khả năng ức chế của ammonia bằng cách loại bỏ sulfide, do sulfide hoạt ñộng hỗ trợ ức chế ammonia Sử dụng các

cation ñối kháng như Mg2+ hoặc Ca2+ giúp ổn ñịnh quá trình phân hủy kỵ khí Ảnh hưởng tích cực của zeolite ñối với quá trình kỵ khí ñặc biệt ñược cho là do sự hiện diện của các cation như Ca2+ và Na+, các cation này kháng lại ảnh hưởng ức chế của ammonia

f

f SulfideSulfideSulfide

Hai giai ñoạn ức chế diễn ra trong quá trình biến ñổi sulfate Sự ức chế là do sự cạnh tranh về cơ chất vô cơ và hữu cơ giữa các vi khuẩn methane hóa với các vi khuẩn biến ñổi sulfate, làm cản trở sản sinh khí methane Sự ức chế thứ hai là do ñộc tính của sulfide ñến nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau

H2S là một dạng ñộc chất của sulfide do nó có thể khuếch tán vào bên trong màng tế bào Ngay khi vào bên trong tế bào chất, H2S có thể là chất ức chế do việc biến tính các protein tự nhiên thông qua sự hình thành sulfide và disulfide tạo liên kết ngang với các chuỗi polypeptide, làm nhiễu loạn các sulfide-enzym ñồng hóa,

và nhiễu loạn trao ñổi chất ñồng hóa sulfur ðộc tính của sulfide tăng lên khi tăng

pH

Liều lượng sulfide ức chế ghi nhận trong một số nghiên cứu nằm trong khoảng 100-800 mg sulfide hòa tan/L, tương ứng khoảng 50–400 mgH2S/L Các vi sinh vật lên men bẻ gãy các monome thành các sản phẩm ñơn giản hơn ít bị ảnh hưởng bởi ñộc tính sulfide hơn là vi khuẩn loại bỏ sulfate (sulfate reducing bacteria - SRB) hay

vi khuẩn sinh khí metan (methane producing bacteria - MPB) Các vi khuẩn acetate hóa kém nhạy với sự ức chế sulfide hơn MPB; ngưỡng gây ñộc ñối với các vi khuẩn acetate tương ñối ngang bằng với SRB

Ki

Kiểm soát ñộ ñộểm soát ñộ ñộểm soát ñộ ñộc sulfate/sulfidec sulfate/sulfidec sulfate/sulfide

Một phương pháp ngăn chặn ñộc tính của sulfide là pha loãng nước thải, mặc dù nhìn chung phương pháp này rất ít ñược sử dụng do nó làm tăng thể tích nước thải cần xử lý Một phương pháp khá khả thi ñể loại bỏ nồng ñộ sulfide trong hệ thống

xử lý kỵ khí là bằng cách kết hợp bước xử lý sulfide trong toàn bộ quá trình xử lý Các kỹ thuật xử lý sulfide gồm có các kỹ thuật hóa-lý (trích ly), các phản ứng hóa

học (keo tụ, oxi hóa, kết tủa), hay các biến ñổi sinh học (oxi hóa một phần nguyên

tố sulfur)

g

g Các ion kim loCác ion kim loCác ion kim loại nhẹ (Na, K, Mg, Ca, vại nhẹ (Na, K, Mg, Ca, vại nhẹ (Na, K, Mg, Ca, và Al)à Al)à Al)

Các ion kim loại nhẹ gồm Na, K, Ca, và Mg thường hiện diện trong dòng ñầu vào của các thiết bị phản ứng kỵ khí Chúng ñược giải phóng nhờ sự bẻ gãy các chất hữu cơ (như sinh khối), hay ñược thêm vào khi ñiều chỉnh pH bằng hóa chất Sau

ñó, các kim loại nhẹ này cần thiết cho sự sinh trưởng của vi sinh vật, ảnh hưởng ñến tốc ñộ sinh trưởng riêng giống như các chất dinh dưỡng khác Trong khi ở nồng ñộ vừa phải chúng kích thích sự sinh trưởng của vi sinh vật, khi nồng ñộ dư sẽ làm giảm khả năng sinh trưởng, và thậm chí ở nồng ñộ cao có thể gây ra một số ức chế hoặc gây ñộc

NhômNhômNhôm

Thông tin về ảnh hưởng của Al ñến quá trình phân hủy kỵ khí là rất hạn chế Cơ cấu ức chế của Al ñược cho là do sự cạnh tranh của nó với sắt và mage hoặc do sự bám dính của nó lên thành hay màng tế bào vi sinh vật, ñiều này có thể ảnh hưởng ñến sự sinh trưởng của vi sinh vật Các vi khuẩn methane hóa và acetate hóa bị ức chế khi hiện diện Al(OH)3 Sau khi sống trong môi trường có nồng ñộ 1000 mgAl(OH)3/L trong 59 ngày, hoạt ñộng riêng của các vi khuẩn methane hóa và acetate hóa giảm xuống tương ứng 50% và 72

CanxiCanxiCanxi

Caxi rất cần thiết cho sự sinh trưởng của một số chủng vi khuẩn methane hóa nhất ñịnh Nó cũng rất quan trọng trong quá trình hình thành các tổ hợp vi sinh vật

Ở lượng Ca dư có thể dẫn ñến sự kết tủa carbonate và phosphate

Ở nồng ñộ Ca2+ ñến trên 7000 mg/L không xuất hiện ảnh hưởng ức chế ñến quá trình phân hủy kỵ khí Nồng ñộ Ca2+ tối ưu ñối với quá trình methane hóa axit acetic là 200 mg/L Ca2+ gây ức chế nhẹ ở nồng ñộ 2500–4000 mg/L, nhưng ức chế mạnh ở nồng ñộ 8000 mg/L Sự hiện diện của canxi có thể có ảnh hưởng tích cực ñến các thiết bị phản ứng khi cần duy trì sinh khối trong thiết bị Ca2+ làm tăng khả năng tích lũy màng sinh học ở nồng ñộ <120 mg/L Khi nồng ñộ Ca2+ > 120 mg/L,

xuất hiện sự tích lũy chất khoáng và làm giảm hàm lượng nước trong màng sinh học, gây ra ức chế quá trình trao ñổi cellular Tương tự như trong các thiết bị phản ứng UASB, nồng ñộ Ca2+ thấp từ 100 ñến 200 mg/L có ích cho quá trình tạo hạt, trong khi nồng ñộ Ca2+ cao (> 300 mg/L) gây ra những ñột biến có hại

MagiêMagiêMagiê

Nồng ñộ Mg2+ tối ưu ñược ghi nhận là 720 mg/L ñối với các vi khuẩn kỵ khí

ưu thế trong bể phản ứng UASB Các dòng nuôi cấy có thể thích nghi ở nồng ñộ

Mg2+ 300 mM mà không làm thay ñổi tốc ñộ sinh trưởng, nhưng sẽ dừng phát triển

ở nồng ñộ Mg2+ 400 mg/L

KaliKaliKali

Nồng ñộ K+ thấp (< 400 mg/L) thúc ñẩy hiệu suất xử lý COD trong khoảng nhiệt

ñộ cao và trung bình Ở nồng ñộ K+ 0.15 M gây ức chế ñến giảm 50% lượng methane sinh ra do các vi khuẩn methane hóa sử dụng acetate IC50 (nồng ñộ gây ñộc làm giảm 50% khả năng sinh khí metan trên một thời gian chiếu sáng cố ñịnh) ñối với các vi khuẩn sử dụng acetate là 0.74 mol/L Tuy nhiên, tốc ñộ phân hủy glucose không bị ảnh hưởng mạnh bởi K+, cho thấy rằng các vi khuẩn sử dụng acetate có ñộ nhạy cảm cao ñối với các ảnh hưởng gây ñộc của các cation hơn là các

vi khuẩn axit hóa Na, Mg, và ammonium làm giảm ñộc tính của K Sự kết hợp các cation tạo ra sự ñối kháng tối ưu giữa mỗi loại cation Các kết quả thu ñược tốt nhất khi kết hợp Na và Ca, và Na, Ca và ammonia

NatriNatriNatri

So với các vi khuẩn phân hủy VFA, Na gây ñộc cho các vi khuẩn sử dụng axit propionic mạnh hơn ñối với các vi khuẩn sử dụng axit acetic ðộc tính của NaCl ñối với các vi khuẩn giảm theo thứ tự: các vi khuẩn phân hủy lignocellulose > vi khuẩn

sử dụng acetate > vi khuẩn sử dụng propionate > vi khuẩn sử dụng H2/CO2

Ở nồng ñộ thấp, Na rất cần thiết cho các vi khuẩn methane hóa vì vai trò của nó trong sự hình thành adenosine triphosphate hay trong quá trình oxi hóa NADH Nồng ñộ Na trong khoảng 100-200 mg/L có lợi cho sự sinh trưởng của các vi khuẩn

kỵ khí ưa nhiệt trung bình Nồng ñộ Na tối ưu ñối với các vi khuẩn methane hóa sử dụng acetate ưa nhiệt trung bình trong quá trình xử lý nước thải là 230 mgNa+/L ðiều kiện sinh trưởng tối ưu ñối với các vi khuẩn methane hóa sử dụng hydro ưa nhiệt trung bình là ở nồng ñộ 350 mg Na+/L Ở nồng ñộ Na+ cao, Na+ có thể ảnh hưởng nhanh ñến hoạt ñộng của các vi sinh vật và gây rối loạn quá trình trao ñổi chất của chúng Liều lượng ức chế phụ thuộc vào nồng ñộ ion Na+ Nồng ñộ Na+trong khoảng 3500-5500 mg/L gây ức chế nhẹ ñối với các vi khuẩn methane hóa ưa nhiệt ñộ trung bình và gây ảnh hưởng mạnh ở nồng ñộ 8000 mg/L IC50 do ức chế

Na+ khi nồng ñộ trong khoảng 5.6-53 g/L, phụ thuộc vào giai ñoạn thích nghi, các ảnh hưởng ñối kháng và hỗ trợ, cơ chất, và kết cấu bể phản ứng

h

h Kim loKim loKim loại nặngại nặngại nặng

Các kim loại nặng có thể hiện diện với nồng ñộ cao trong nước thải ñô thị Các kim loại nặng ñặc biệt gồm có: crôm-Cr, sắt-Fe, cobalt-Co, ñồng-Cu, kẽm-Zn, cadimi-Cd, và nicken-Ni ðặc tính phân biệt của các kim loại nặng cũng giống như các chất có ñộc tính khác, chúng không bị oxi hóa sinh học và có tiềm năng tích lũy ñến nồng ñộ gây ñộc Trong một nghiên cứu tổng quát về hiệu suất bể phân hủy kỵ khí, ñộ ñộc của các kim loại nặng là yếu tố chính gây ra thất bại của bể phân hủy kỵ khí

Các phương pháp ñáng chú ý nhất có thể làm giảm ñộ ñộc kim loại nặng là quá trình kết tủa, hấp phụ và tạo phức bởi các phức chất hữu cơ và vô cơ Sulfide là tác nhân chính tạo kết tủa các kim loại nặng Tuy nhiên, cần phải thận trọng khi sulfide

dư cũng có thể là một chất ức chế nghiêm trọng ñến các vi khuẩn methane hóa Có thể giảm lượng sulfide dư bằng cách sử dụng sắt sulfate, ñây là chất có khả năng hòa tan cao nhất trong số tất cả các kim loại nặng có ñộc tính Các kim loại nặng có thể kết hợp với sulfide trong FeS, giải phóng Fe2+, gần như không gây ñộc ở nồng

ñộ lên ñến vài trăm mg/L

i

i CáCáCác chc chc chất hữu cất hữu cất hữu cơơơ

Có nhiều chất hữu cơ có thể ức chế các quá trình kỵ khí Các hóa chất hữu cơ hòa tan kém trong nước hoặc bị hấp phụ trên bề mặt bùn có thể tích lũy ñến nồng

ñộ cao trong các bể phân hủy kỵ khí Sự tích lũy các chất ô nhiễm không phân cực trong màng vi khuẩn làm cho màng bị phồng ra và thủng, phá vỡ sự biến thiên ion

và cuối cùng gây ra phân rã tế bào

Các hợp chất hữu cơ gây ñộc cho các quá trình kỵ khí gồm có các alkyl benzene, halogenated benzenes, nitrobenzenes, phenol và alkyl phenols, halogenated phenols, nitrophenols, alkanes, halogenated aliphatics, alcohols, halogenated alcohols, aldehydes, etes, xetons, acrylates, các axit carboxylic, các axit amine, nitriles, amides, và pyridine và dẫn xuất của nó Thêm vào ñó, các axit béo mạch dài (LCFA – long chain fatty acids), các chất hoạt ñộng bề mặt, và các chất tẩy rửa cũng ảnh hưởng không thuận lợi ñến quá trình phân hủy kỵ khí (Ye Chen, 2007)

- Sự hình thành các phân tử có khả năng lắng ñược giữ lại bằng quá trình lắng

- Sử dụng các mô hình bể phản ứng giữ ñược các chất rắn lơ lửng

- Sự phát triển của màng sinh học bề mặt trong bể phản ứng sinh học

Trong nhiều trường hợp có nhiều cơ chế ñang xảy ra trong một bể phản ứng sinh học Do ñó, các quá trình phân huỷ kỵ khí miêu tả cho các loại bể phản ứng sinh học khác nhau xếp loại từ phát triển lơ lửng (suspended growth) ñến phát triển dính bám (attached growth) với các bể phản ứng sinh học lai hợp (hybrid) chứa ñáng kể sinh khối lơ lửng và dính bám Có 6 loại bể phản ứng sinh học cao tải:

- Tiếp xúc kỵ khí (AC - anaerobic contact)

- UASB (upflow anaerobic sludge blanket)

- Lọc kỵ khí (AF – anaerobic filter)

- UASB và AF lai hợp (hybrid UASB/AF)

- Bể có lớp màng cố ñịnh tĩnh với dòng chảy từ trên xuống (DSFF – downflow stationary fixed film)

- Bể kỵ khí ñệm giãn nở (FB/EB - fluidized bed/expanded bed)

Mức ñộ cao loại bỏ chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học là tương ñối cao, hiệu suất loại bỏ BOD5 ñặc trưng từ 80 ñến 90%

B

Bảng ảng ảng 1111 2.2.2 Kết quả vận hành quá trình kỵ khí tải trọng cao ñặc trưng

Thông sThông sốốốố Giá trGiá trịịịị Hiệu suất loại bỏ BOD5 (%) 80 – 90%

Hiệu suất loại bỏ COD, khối lượng 1.5 x BOD5 loại bỏ

Sản lượng khí metan 0.35 m3/kg COD loại bỏ

Sản lượng sinh khối 0.05 – 0.1 g VSS/g COD loại bỏ

Nguồn: Leslie Grady, C P JR (1999)

1.3.1

1.3.1 BBBểểểể t t tiiiiếếếếp p p xúcxúcxúc kkkkỵỵỵỵ khí khí khí (AC)(AC)(AC)

Hình

Quá trình AC ñược thiết kế và vận hành ñể duy trì SRT mong muốn, ñược ñiều chỉnh bằng tốc ñộ thải bỏ bùn SRT thường từ 10 ñến 20 ngày Nồng ñộ chất rắn lơ lửng trong bể có thể từ 4 ñến 6 gVSS/L và cao từ 25 ñến 30 gVSS/L, phụ thuộc vào khả năng lắng của bùn sinh ra Tải trọng hữu cơ thường nằm trong khoảng 0.5 ñến

10 kgCOD/m3.ngày