Sự hình thành và phát triển của bùn hạt hiếu khí ở các tải trọng hữu cơ khác nhau trên bể theo mẻ luân phiên
3.7 (73.33%) 3 votes

Trần Quang Lộc, Nguyễn Đăng Hải, Nguyễn Quang Hưng, Trần Thị Tú, Lê Thị Diễm Kiều, Nguyễn Thị Cẩm Yến

Viện Tài nguyên và Môi trường – Đại học Huế

TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sự hình thành, phát triển và khả năng xử lý chất hữu cơ của bùn hạt hiếu khí trên bể phản ứng theo mẻ luân phiên (SBR) ở các tải trọng hữu cơ (OLR) khác nhau từ 2,4 đến 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm. Kết quả đã tạo thành công bùn hạt với đường kính khoảng 1-2 mm, có SVI 50,3 mL/g được hình thành sau 35 ngày hoạt động ở OLR 3,6 kgCOD/m3.ngày đêm. Khi tăng giá trị OLR từ 3,6 lên 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm, kích thước hạt bùn tăng dần, hạt bùn đạt kích thước ổn định 3-4 mm, giá trị SVI dao động trong khoảng 52,6-65,8 mL/g, sinh khối bùn cũng có phát triển mạnh khi tăng OLR, nồng độ sinh khối đo được tăng từ 3.840 mg/L lên 9.045 mg/L. Bùn hạt hiếu khí có khả năng loại bỏ chất hữu cơ cao ở hầu hết các mức OLR vận hành, hiệu xuất loại COD dao động trong khoảng 93-95% khi bể vận hành ở các mức OLR khác nhau, ngay với mức OLR khá cao 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm.

 Từ khóa: bùn hạt, xử lý chất hữu cơ, kích thước hạt bùn, tải trọng hữu cơ, chỉ số bùn

ABSTRACT

This paper present the research results on formation, development and also organic matter removal eficiency of aerobic granular sludge in sequencing batch reactor (SBR) at diffirent organic loading rate (OLR) from 2.4 up to 8.1 kgCOD/m3.day. The results shown that, the aerobic granular sludge with the diameter of 1-2mm and had SVI of 50,3 mL/g was cultivated  successfully after 35 days operation at OLR 3,6 kgCOD/m3.day. When increasing OLR from 3,6 to 8,1 kgCOD/m3.day, the size of granular sludge continue to increase, diameter of granules reached 3-4mm, SVI was quite stable around 52.6-65.8mL/g. Biomass in reactor also strongly developed with the increasing of OLR, biomass concetration increase from 3.840 mg/L up to 9.045 mg/L. It also found that organic matter removal efficiency is good, COD removal efficiency was around 93-95% at diffirent OLR, even reactor operated at high OLR of  8,1 kgCOD/m3.day.

Keywords: granular sludge, organics removal, granular sludge diameter, organic loading rate, sludge volumetric index.

I. MỞ ĐẦU

Quá trình tạo bùn hạt được nghiên cứu vào những thập niên 1980, tập trung chủ yếu với bùn hạt kị khí trên bể UASB và đã có nhiều ứng dụng thực tế ứng dụng trong xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao [6]. Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng bùn kị khí có một số nhược điểm như: thời gian hình thành hạt bùn dài (thường >5 tháng) và khó kiểm soát các điều kiện vận hành, khó duy trì kích thước hạt bùn ổn định, không xử lý‎‎ hiệu quả các loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp và đặc biệt hiệu quả xử lí‎ dinh dưỡng rất thấp [6,7]. Gần đây, một loại bùn hạt mới đã được nghiên cứu, đó là bùn hạt hiếu khí. Các nghiên cứu gần đây cho thấy, bùn hạt hiếu khí được hình thành trong thời gian ngắn hơn so với bùn hạt kị khí, khả năng lắng tốt, duy trì được nồng độ sinh khối cao, cấu trúc dày đặc, rắn chắc và có khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ [2,3,4,5,6].

Một trong những đặc điểm nổi bật của bùn hạt hiếu khí là khả năng chịu được tải trọng hữu cơ (OLR) cao, tuy nhiên với mỗi loại bùn hạt được nuôi tạo ở các điều kiện khác nhau lại cho thấy khả năng chịu tải ở các mức OLR khác nhau [2,3,5,8]. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi đánh giá sự hình thành, phát triển, sự ổn định của bùn hạt hiếu khí được nuôi tạo với nguồn cacbon là glucose và vận hành ở bể SBR ở các giá trị OLR từ mức 2,4 đến 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm.

II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Mô hình nghiên cứu

Nghiên cứu tạo bùn hạt và đánh giá sự ổn định được thực hiện trên mô hình bể SBR (xem Hình 1). Bể được làm từ nhựa acrylic, đường kính ống 9cm, cao 85cm, trong đó chiều cao chứa nước là 80cm. Thể tích làm việc của bể là 5,0L. Không khí được đưa vào bằng máy sục khí với bộ khuếch tán khí bằng đá bọt được đặt ở đáy bể với lưu lượng 4L/phút, tạo ra vận tốc khí nâng khoảng 1cm/s. Van xả được đặt cách đáy bể khoảng 40cm để thể tích xả khoảng 50% lượng nước sau một chu kỳ hoạt động. Hệ thống được kiểm tra pH, DO bằng máy đo pH, DO cầm tay gắn trực tiếp vào giá treo.

2015-11-19_204553

Bể SBR được vận tự động theo chu kỳ lập trình sẵn nhờ các timer. Mỗi chu kỳ hoạt động là 3h gồm 4 pha: bơm nước thải vào, sục khí, lắng và xả nước thải ra. Thời gian cụ thể cho từng chu kỳ và tải trọng hữu cơ (OLR) áp dụng tại các thời điểm thí nghiệm khác nhau được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Các mức OLR và thông số vận hành cho một mẻ trong bể SBR ở các giai đoạn thí nghiệm khác nhau

Giai đoạn Ngày OLR (kg COD /m3.ngày đêm) Bơm nước Cấp khí Lắng Thải nước
Thời gian (phút)
Khởi động 1-7 2,4 2 164 10-8* 4
8-15 2 166 8-4* 4
Hình thành bùn hạt 16-35 3,6 2 170 4 4
Nuôi kéo dài 36-56 5,4 2 170 4 4
57-77 8,1 2 170 4 4

* Mục đích giảm thời gian lắng để giữ lại các phần tử bùn dễ lắng, tạo điều kiện quá trình tạo hạt bùn

2.2. Thành phần nước thải tổng hợp sử dụng

Để đảm bảo kiểm soát hệ thống, sử dụng nước thải tổng hợp (nước thải pha) có thành phần cơ chất là glucose và bổ sung các chất dinh dưỡng, vi lượng để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí. Đặc điểm, thành phần nước thải tổng hợp được trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2. Thành phần nước thải tổng hợp sử dụng trong thí nghiệm

Thành phần OLR – kg COD/m3.ngày đêm
2,4 3,6 5,4 8,1
Khối lượng cân (mg) trong 1L nước
Glucose 664 996 1.494 2.241
NH4Cl 127 191 286 428
K2HPO4 30 45 67 101
NaHCO3 270 405 607 910
CaCl2.2H2O 30 45 60 60
MgSO4.7H2O 12 12 41 41
FeCl3 3.6 3.6 7 7
Dung dịch vi lượng:(1mL/L): H3BO3 0,15g/L; CoCl2.6H2O 0.15g/L; CuSO2.5H2O 0,03 g/L; MnCl2.2H2O 0,12 g/L; Na2Mo4O24.2H2O 0,06 g/L; ZnSO4.7H2O 0,12 g/L; KI 0,03 g/L.

2.3. Phương pháp phân tích

Đo kích thước hạt bùn

 Kích thước hạt bùn hiếu khí được xác định bằng thước đo có độ phân vạch nhỏ nhất là 1mm.

Chỉ số thể tích bùn SVI

Chỉ số thể tích bùn SVI xác định theo phương pháp trong Standard Method for water and wastewater treatment 2005, ở đây áp dụng SVI

2015-11-19_204900

– Thể tích bùn lắng: thể tích bùn (tính bằng mL) lắng trong 30 phút trong ống đong thể tích 1L.

– Nồng độ chất rắn lơ lững SS (mg/L): xác định theo phương pháp trọng lượng

Phương pháp phân tích thông số môi trường

Các thông số sau sẽ được phân tích trong quá trình nghiên cứu bao gồm: pH, DO, MLSS, MLVSS, COD. Các phương pháp phân tích thông số môi trường được trình bày trong Bảng 3.

Bảng 3. Phương pháp phân tích các thông số môi trường

STT Thông số Đơn vị Phương pháp đo, phân tích
1 pH Đo bằng sensor, máy pH cầm tay WTW 340i, Đức
2 DO mg/L Đo bằng sensor, Máy đo DO cầm tay, Oron, Mỹ
3 SS mg/L Phương pháp trọng lượng, TCVN 6625-2000
4 VSS mg/L Phương pháp trọng lượng, TCVN 6625-2000
5 COD mg/L Phương pháp trắc quan, SMEWW 5220 – D:2005

III. KẾT QUẢ THẢO LUẬN

3.1. Sự hình thành và phát triển bùn hạt hiếu khí với các mức OLR khác nhau

Sau 7 ngày vận hành nước thải đầu vào có nồng độ COD khoang 600 mg/L tức bể vận hành với OLR 2,4 kgCOD/m3.ngày đêm để hệ thống bùn làm quen, một vài mầm bùn hạt khá nhỏ đã xuất hiện nhưng bông bùn hoạt tính vẫn chiếm ưu thế trong bể SBR, đến ngày 14 các hạt bùn tròn (đường kính <1mm) xuất hiện nhiều hơn. Màu sắc của bùn chuyển từ bông bùn màu xám của bùn hoạt tính hạt bùn có lõi màu vàng. Từ ngày 16, tăng nồng độ COD nước thải đầu vào lên 900 mg/L, tương ứng tăng OLR tăng từ 2,4 lên 3,6 kg COD/m3.ngày đã kích thích sinh khối phát triển và các hạt bùn cũng có điều kiện phát triển kích thước nhanh hơn. Vào ngày 28, trong bể SBR đã chiếm ưu thế bởi các hạt bùn có kích thước khoảng 1mm và đến ngày 35, kích thước hạt bùn đạt khoảng 1-2mm, hạt bùn có lõi màu vàng, xung quanh quan sát được có sự phát triển các sợi màu trắng.

Từ ngày 36 đến ngày 56, bể vận hàn với OLR 5,4 kgCOD/m3.ngày đêm bằng cách tăng nồng độ COD nước thải đầu vào lên khoảng 1.340 mg/L. Lúc này bùn sinh ra nhiều, kích thước bùn hạt cũng lớn hơn, có thể quan sát được các hạt bùn trong quá trình sục khí và lắng. Vào ngày thứ 50, kích thước hạt bùn tăng lên đạt 3mm và chiếm ưu thế trong bể SBR. Hạt bùn vẫn duy trì sự ổn định về kích thước trong suốt thời gian vận hành bể ở giá trị OLR này. Từ ngày thứ 57 đến 77, tiếp tục nâng OLR của bể từ 5,4 lên 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm bằng cách tăng COD nước thải đầu vào lên 2.025 mg/L. Hệ thống bùn hạt lúc này vẫn hoạt động ổn định, hạt bùn tiếp tục có sự phát triển kích thước, hạt bùn kích thước rất lớn khoảng 4mm xuất hiện nhiều và chiếm ưu thế trong bể SBR vào ngày thứ 75.

Quan sát hạt bùn thấy rằng, hạt bùn có cấu trúc gồm lõi bên trong màu vàng đậm bên ngoài cùng của hạt bùn nhận thấy có sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi màu trằng. Theo các nghiên cứu trước đó của Tay JH và Adv SS, màu sắc của bùn hạt tạo thành với nước thải tổng hợp có nguồn cacbon từ gluocose và acetat thường có màu trắng đặc trưng và có sự phát triển mạnh của các dạng sợi xung quanh hạt bùn [‎2,3,8]. Ngoài ra, quan sát thấy xung quanh hạt bùn có hình thành lớp màng nhầy, đây có thể là lớp EPS được hình thành trong quá trình hoạt động của các vi sinh vật trong bùn hạt, lớp EPS này có tác dụng như một dạng keo sinh học để kết dính các thành phần trong hạt bùn. Theo các nghiên cứu của Tay JH, Adv SS, Jiang HL, khi vận hành với OLR càng cao sẽ càng kích thích vi sinh vật phát triển mạnh và tạo ra EPS nhiều hơn, do đó sẽ giúp tạo điều kiện thuận lợi cho sự gắn kết các phần tử bùn trong bể thành các hạt bùn lớn hơn [‎4,5,6,8]. Hình 2 thể hiện sự phát triển của bùn hạt hiếu khí khi vận hành theo thời gian vận hành trong bể SBR.

2015-11-19_204425

Hình 2. Sự thay đổi kích thước hạt bùn sau 75 ngày vận hành trong bể SBR

3.2. Sự thay đổi sinh khối và khả năng lắng của bùn hạt hiếu khí khi vận hành với các mức OLR khác nhau

Sinh khối thể hiện cho sự tăng trưởng của hệ vi sinh vật trong bể SBR, được thể hiện qua nồng độ SS và VSS. Hình 3 thể hiện sự thay thay đổi giá trị SS và VSS trong bể SBR theo thời gian. Sau 4 ngày đầu tiên bể vận hành với OLR 2,4 kg COD/m3.ngày đêm, nồng độ SS có sự tăng nhẹ từ 3.840 mg/L lên 3.970 mg/L. Tuy nhiên, khi bắt đầu giảm thời gian lắng từ 10 phút xuống còn 6 phút, sinh khối bể giảm xuống chỉ còn 3.820 mg/L vào ngày thứ 10 và tiếp tục giảm xuống chỉ còn 3.580 mg/L vào ngày thứ 13 khi thời gian lắng được cố định là 4 phút, làm một phần bùn khó lắng bị trôi ra khỏi bể. Từ ngày 16, khi tăng OLR từ 2,4 lên 3,6 kg COD/m3.ngày đêm và bể hoạt động với chu ky mẻ ổn định, sinh khối phát triển trở lại, nồng độ SS đo được khoảng 5.160 mg/L vào ngày thứ 28 và tiếp tục tăng lên đạt 5.490 mg/L vào ngày 35. Ngoài ra, tỷ lệ VSS/SS tăng lên chóng từ mức 62% khi khởi động hệ thống đến 92% sau 35 ngày vận hành. Điều này cho thấy vi sinh vật trong hệ thống bùn thích nghi và phát triển tốt trong bể.

Tiếp tục tăng OLR lên 5,4 kg COD/m3.ngày đêm, sinh khối bùn tiếp tục tăng đều trong thời gian vận hành bể. Khi ở OLR này, sinh khối tăng đều và đạt mức 7.500 mg/L vào ngày thứ 56. Ngoài ra, tỷ lệ VSS/SS cũng được duy trì ổn định, dao động trong khoảng 79-85%. Từ ngày 57, tăng OLR lên 8,1 kg COD/m3.ngày đêm, hàm lượng sinh khối trong bể SBR tăng lên nhanh, nồng độ sinh khối tăng lên và đạt 8.120 mg/L vào ngày thứ 61 và lên đến 9.830 mg/L vào ngày thứ 71. Do được bổ sung nguồn cacbon từ glucose đã tạo điều kiện cho hệ vi sinh vật phát triển mạnh mẽ hơn trong nên sinh khối trong bể tăng lên nhanh chóng khi tăng mức OLR của bể. Tuy nhiên, vào ngày 75, bể SBR bị trục trặc ở hệ thống timer điều khiển là cho một lượng sinh khối trong bể bị trôi ra ngoài hệ thống. Hàm lượng sinh khối lúc này giảm từ 9.830 mg/L xuống chỉ còn khoảng 9.045 mg/L. Tỷ lệ VSS/SS vẫn được duy trì trong khoảng 85-87%. Hàm lượng sinh khối tăng lên nhanh chóng khi tăng OLR chứng tỏ vi sinh vật trong bùn vẫn thích nghi được và phát triển ổn định khi tăng nồng độ chất hữu cơ đầu vào.

2015-11-19_205220

Hình 3. Sự thay đổi hàm lượng SS và VSS trong bể SBR theo thời gian

Khả năng lắng là một đặc tính quan trọng của bùn hạt và được thể hiện thông qua chỉ số thể tích bùn (SVI). Chỉ số SVI càng nhỏ chứng tỏ bùn càng dễ lắng. Bùn hoạt tính ban đầu lấy từ bể Aerotank của Trạm xử lý nước thải KCN Phú Bài, tỉnh Thừa Thiên Huế có SVI =130,2mL/g. Sau khi nuôi tạo thành công sau 35 ngày vận hành, bùn hạt có SVI khoảng 51 mL/g. Khảo sát với các OLR khác nhau cho thấy, bùn hạt có thể duy trì khả năng lắng tốt khi tăng OLR. Khi OLR càng cao, sự phát triển kích thước hạt bùn cũng lớn hơn nên góp phần tăng khả năng lắng của hạt bùn. Đặc biệt khi ở tải trọng OLR mức 5,4 và 8,1 kg COD/m3.ngày, hạt bùn phát triển tốt nhất, kích thước lớn đạt được trong khoảng 3-4mm, độ ổn định cao nên trong giai đoạn này chỉ số SVI là tốt nhất, dao động trong khoảng 47,2-53,5 mL/g. Như vậy có thể thấy rằng, bùn hạt hiếu khí có SVI thấp hơn nhiều so với bùn hoạt tính nên khả năng lắng của bùn hạt hiếu khí tốt hơn hẳn so với bùn hoạt tính.

2015-11-19_205313

Hình 4. Chỉ số SVI ở các thời điểm vận hành khác nhau

3.2. Khả năng loại bỏ chất hữu cơ của bùn hạt hiếu khí ở các OLR khác nhau

Khi bể SBR vận hành với OLR 2,4 kg COD/m3.ngày đêm, với COD đầu vào của nước khoảng 600 mg/L, hiệu quả loại COD tăng lên 80% sau 7 ngày vận hành. Trong tuần tiếp theo, mặc dù hàm lượng sinh khối có suy giảm do giảm thời gian lắng nhưng hiệu suất vẫn ổn định và đạt khoảng 86% vào ngày thứ 14. Từ ngày 15-35, bể được vận hành với OLR 3,6 kgCOD/m3.ngày đêm, hiệu quả xử lý vẫn ổn định, dao động trong khoảng 91-95%. Sở dĩ hiệu quả xử lý COD cao do sự phát triển sinh khối mạnh mẽ trong bể SBR, cùng với đó là kích thước hạt bùn tăng nhanh, thúc đẩy sự chuyển hóa chất hữu cơ của vi sinh vật trong bể.

Khi OLR được tăng lên 5,1 kg COD/m3.ngày đêm từ ngày 36 đến ngày 56, hiệu quả loại COD vẫn được duy trì ở mức cao trên 95% và ổn định trong suốt thời gian vận hành ở OLR này. Điều này chứng tỏ, sự gia tăng tải trọng hữu cơ không ảnh hưởng sự phát triển và hiệu quả xử lý của bùn hạt. Từ ngày 57, tiếp tục tăng OLR từ 5,4 lên 8,1 kg COD/m3.ngày đêm, tương ứng tăng nồng độ chất hữu cơ từ khoảng 1.300 mg/L lên 2.025 mg/L. Trong 3 ngày đầu tiên khi vận hành với OLR này (từ ngày 57-60), hiệu quả loại COD không được ổn định, chỉ dao động trong khoảng 87-88%. Nguyên nhân có thể do khi mới tăng nồng độ COD đầu vào, bể vận hành với OLR cao lên tới 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm nên hệ thống bùn hạt chưa thích nghi kịp, làm cho hiệu quả loại COD không được cao. Tuy nhiên, khi tiếp tục vận hành, hiệu suất loại chất hữu cơ đã tăng lên dao động trong khoảng 92,4-94,8%, hiệu quả đạt được ổn định trong suốt thời gian còn lại (từ ngày 61 đến 77) khi vận hành ở mức OLR này.

Như vậy, có thể thấy rằng hệ thống bùn hạt hiếu khí đạt được sự ổn định trong thời gian dài khi vận hành với mức OLR từ 2,4 đến 8,1 kg COD/m3.ngày đêm. Điều này có thể do khi tăng OLR, kích thước hạt bùn và sinh khối bùn gia tăng. Sự tăng kích thước hạt bùn, sự phát triển mạnh của sinh khối và khả năng lắng tốt của bùn hạt nên sinh khối lưu giữ trong bể SBR cao nên cho hệ thống bùn hạt vẫn vẫn giữ được hiệu suất xử lý chất hữu cơ cao và đạt được sự ổn định ở các mức OLR vận hành. Đặc biệt, hệ thống bùn hạt có thể chịu được mức OLR rất cao khoảng 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm.

2015-11-19_205415

Hình 5. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ ở các giá trị OLR khác nhau

IV. KẾT LUẬN

– Kết quả thí nghiệm cho thấy bùn hạt đươc tạo thành công trên bể SBR sau 35 ngày vận hành với OLR 3,6kg COD/m3.ngày đêm với kích thước 1-2mm. Kích thước hạt bùn tăng dần khi tăng giá trị OLR. Kích thước hạt bùn đạt 3-4mm khi tăng OLR lên từ 3,6 lên 8,1 kg COD/m3.ngày đêm, giá trị SVI được duy trì ổn định và dao động trong khoảng 52,6- 65,8 mL/g.

– Hệ thống bùn hạt đạt được hiệu quả loại bỏ COD ổn định ở mức 90-95% khi thay đổi các mức OLR khác nhau từ 3,6 đến 8,1 kgCOD/m3.ngày đêm. Điều này có chứng minh rằng, hệ thống bùn hạt hiếu khí phát triển ổn định có khả năng loại chất hữu cao tại nhiều giá trị OLR khác nhau.

 TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. APHA, AWWA, APCF – (2012). Standard methods for the examination of water and wastewater. Washington DC, USA: American Public Health Association, American Water Works Association, and Water Pollution Control Federation.
  2. Adav SS, Lee DJ, Tay JH (2007). Activity and structure of stored aerobic granules. Environ Technol 2007 f 28:12, pp 27–35.
  3. Adav SS, Duu-Jong Lee, Kuan-Yeow Show, Joo-Hwa Tay (2008). Aerobic granular sludge: Recent advances, Biotechnology Advances 26 (2008), p 411–423.
  4. Beun JJ, Hendriks A, van Loosdrecht MCM, Morgenroth E, Wilderer PA, Heijnen JJ (1999). Aerobic granulation in a sequencing batch reactor, Water Res 33.
  5. Jiang HL, Tay JH, Tay STL (2004). Changes in structure, activity and metabolism of aerobic granules as a microbial response to high organic loading. Appl Microbiol Biotechnol 2004a; 63:602–8.
  6. Nguyễn Trọng Lực, Nguyễn Phước Dân, Trần Tây Nam (2008). Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí khử COD và Amoni trên bể phản ừng nâng từng mẻ luân phiên (SBAR). Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 12, số 2/2009. NXB Khoa học Kỹ thuật.
  7. Lương Đức Phẩm (2007). Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục. 375 trang
  8. Tay, J.H., Pan S., Tay S., Ivanov V., Liu Y. (2003). The effect of organic loading rate on aerobic granulation: The development of shear force theory, Water Science and Technology, 47, p235-240.

………………………………………………………………………………….

Ngun: Trích dn t k yếu Hi ngh môi trường toàn quc ln th IV, B tài nguyên và Môi trường, Hà Ni, 29/09/2015

…………………………………………………………………………………..

 

 

Mua bán piano Nhật