Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí trên bể phản ứng theo mẻ luân phiên

Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 79 – 88<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TẠO BÙN HẠT HIẾU KHÍ TRÊN BỂ PHẢN ỨNG<br /> THEO MẺ LUÂN PHIÊN<br /> Trần Quang Lộc1, Nguyễn Đăng Hải1, Trần Đặng Bảo Thuyên1, Nguyễn Thị Cẩm Yến1,<br /> Lê Thị Diễm Kiều1<br /> ThS. Viện Tài nguyên và Môi trường – Đại học Huế<br /> <br /> 1<br /> <br /> Thông tin chung:<br /> Ngày nhận bài: 19/08/15<br /> Ngày nhận kết quả bình duyệt:<br /> 10/10/15<br /> Ngày chấp nhận đăng: 12/15<br /> Title:<br /> Research on aerobic granular<br /> sludge formation in sequencing<br /> batch reactor<br /> Từ khóa:<br /> Bùn hạt hiếu khí, bể SBR, xử lý<br /> chất hữu cơ, kích thước hạt bùn<br /> Keywords:<br /> Aerobic granular sludge, SBR<br /> model, organic matter removal,<br /> granular sludge size<br /> <br /> ABSTRACT<br /> This paper presents the research results on aerobic granular sludge formation;<br /> experiment was carried out in lab-scale sequencing batch reactor (SBR). The<br /> experiment running in SBR with 3 hours cycle and air was supplied at airflow<br /> rate of 4L/min (equivalent superficial air velocity of 1.0 cm/s). Synthetic waste<br /> water was prepaired from glucose dissolved in tap water with nutrient and<br /> micro-nutrient added. The experiment was done at two diffirent organic loading<br /> rates (OLRs), 2,4 kg COD/m3 per day in star-up phase and 3,6 kg COD/m3 per<br /> day in granular formation phase. The results show that, white and round<br /> aerobic granular sludge was cultivated successfully with the diameter of 2-3<br /> mm, and dominated with filamentous after 35 days operation. Aerobic granular<br /> sludge had SVI of 43 mL/g and biomass in reactor developed strongly with the<br /> rate of VSS/SS was increased from 62% to 92%. It also found that COD<br /> removal efficiency was high over 90-95% and stability.<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày kết quả tạo bùn hạt hiếu khí, nghiên cứu được thực hiện trên<br /> mô hình bể phản ứng theo mẻ luân phiên (SBR) quy mô phòng thí nghiệm. Bể<br /> SBR hoạt động với chu kỳ cho mỗi mẻ là 3h, không khí được sục vào bể với mức<br /> lưu lượng 4,0 L/phút, tương ứng với vận tốc khí nâng khoảng 1,0 cm/s. Nghiên<br /> cứu sử dụng nước thải tổng hợp từ glucose hòa tan trong nước máy và bổ sung<br /> thêm chất dinh dưỡng và vi lượng. Thí nghiệm được thực hiện ở hai mức tải<br /> trong hữu cơ (OLR) là 2,4 kg COD/m3.ngày ở giai đoạn khởi động hệ thống và<br /> 3,6 kg COD/m3.ngày với giai đoạn tạo hạt bùn. Kết quả đã tạo được bùn hạt<br /> hiếu khí thành công sau 35 ngày với kích thước hạt bùn dao động trong khoảng<br /> 2-3 mm, hạt bùn tròn đều, có màu trắng đục và có sự phát triển của vi khuẩn<br /> dạng sợi. Chỉ số SVI của bùn đạt 43 mg/L sau 35 ngày vận hành, sinh khối và vi<br /> sinh vật trong hạt bùn phát triển mạnh mẽ, điều này được thể hiện qua tỷ lệ<br /> SS/VSS lên tới 92%. Bùn hạt hiếu khí tạo ra cho khả năng xử lý COD tốt, ổn<br /> định dao động trong khoảng 90-95%.<br /> <br /> 79<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 79 – 88<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> yếu trong quá trình tạo hạt. Chế độ thủy động lực<br /> học được tạo bằng vận tốc khí nâng trong bể SBR<br /> (Nguyễn Trọng Lực và cs., 2008). Các nghiên cứu<br /> trước đó thực hiện với vận tốc khí nâng lớn, các<br /> mức từ 1,7 cm/s (Adv và cs., 2008), mức 2,0 cm/s<br /> (Tay và cs., 2001) đến 4,2 cm/s (Nguyễn Trọng<br /> Lực và cs., 2008) để nuôi tạo bùn hạt hiếu khí.<br /> Các nghiên cứu này cho thấy, vận tốc khí nâng<br /> càng lớn thuận lợi cho việc hình thành bùn hạt<br /> hiếu khí. Tuy nhiên, vận tốc khí nâng lớn đồng<br /> nghĩa năng lượng tiêu tốn cho sục khí tăng lên<br /> nhanh. Do đó, nghiên cứu này được tiến hành với<br /> mục đích tạo bùn hạt hiếu khí với vận tốc khí<br /> nâng thấp hơn. Trong nghiên cứu này, nhóm<br /> nghiên cứu sục khí để tạo vận tốc khí nâng<br /> khoảng 1,0 cm/s để khảo sát sự hình thành bùn<br /> hạt.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU<br /> Hiện nay, quá trình bùn hoạt tính vẫn đang là<br /> công nghệ xử lý nước thải phổ biến đang được áp<br /> dụng trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tuy<br /> nhiên, nhược điểm của quá trình bùn hoạt tính<br /> thường chỉ xử lý được chất ô nhiễm với tải trọng<br /> thấp và khả năng chịu sốc tải kém (Lương Đức<br /> Phẩm, 2007). Quá trình nghiên cứu tạo bùn hạt đã<br /> được nghiên cứu vào những thập niên 1980, tập<br /> trung chủ yếu là bùn hạt kỵ khí trên bể UASB và<br /> đã có nhiều ứng dụng thực tế ứng dụng trong xử<br /> lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ rất cao<br /> (Nguyễn Trọng Lực, Nguyễn Phước Dân, & Trần<br /> Tây Nam, 2008). Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng<br /> chỉ ra rằng bùn kỵ khí có một số nhược điểm như:<br /> thời gian hình thành hạt bùn dài (thường >5<br /> tháng) và khó kiểm soát các điều kiện vận hành,<br /> khó duy trì kích thước hạt bùn ổn định, không xử<br /> lý hiệu quả các loại nước thải có hàm lượng chất<br /> hữu cơ thấp và đặc biệt hiệu quả xử lí chất hữu cơ<br /> và dinh dưỡng rất thấp (Lương Đức Phẩm, 2007).<br /> Gần đây, một loại bùn hạt mới nghiên cứu đã<br /> khắc phục được những nhược điểm của quá trình<br /> bùn hoạt tính thông thường, đồng thời kế thừa<br /> được những đặc tính nổi trội của bùn hạt kỵ khí,<br /> đó là bùn hạt hiếu khí. Nhiều nghiên cứu cho thấy<br /> bùn hạt hiếu khí được hình thành trong thời gian<br /> ngắn hơn so với bùn hạt kỵ khí, khả năng lắng tốt,<br /> duy trì được nồng độ sinh khối cao, có khả năng<br /> chịu được tải trọng chất hữu cơ cao, cấu trúc dày<br /> đặc, rắn chắc và có khả năng xử lý đồng thời chất<br /> hữu cơ và nitơ (Beun và cs., 1999; Adav và cs.,<br /> 2008; Tay và cs, 2001; Nguyễn Trọng Lực, và cs.,<br /> 2008).<br /> <br /> 2. MÔ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG<br /> PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 2.1 Mô hình nghiên cứu<br /> Nghiên cứu tạo bùn hạt được thực hiện trên mô<br /> hình bể theo mẻ luân phiên quy mô phòng thí<br /> nghiệm (SBR). Với bể này, lực xáo trộn do dòng<br /> khí cấp vào sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình<br /> thành bùn hạt. Mặt khác, theo nhiều nghiên cứu,<br /> mô hình bể phản ứng theo mẻ thuận lợi hơn so với<br /> hệ thống liên tục trong việc hình thành bùn hạt<br /> (Beun và cs., 1999; Nguyễn Trọng Lực và cs.,<br /> 2008).<br /> Bể SBR được chế tạo từ nhựa Acrylic, đường<br /> kính ống 9 cm, cao 85 cm, trong đó chiều cao<br /> chứa nước là 80 cm. Thể tích làm việc của bể<br /> khoảng 5 L. Không khí được đưa vào bằng máy<br /> sục khí với bộ khuếch tán khí được đặt ở đáy bể<br /> SBR. Nhiệt độ nuôi cấy dao động trong khoảng<br /> 28 – 32 oC. Van xả được đặt cách đáy bể khoảng<br /> 40 cm để thể tích xả khoảng 50% lượng nước sau<br /> một chu kỳ hoạt động. Hệ thống được kiểm tra<br /> pH, DO bằng máy đo pH, DO cầm tay gắn trực<br /> tiếp vào giá treo.<br /> <br /> Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình<br /> thành và tính chất của bùn hạt. Các yếu tố bao<br /> gồm: loại cơ chất trong nước thải, tải trọng chất<br /> hữu cơ, chế độ vận hành, thời gian lắng, DO v.v..<br /> Tuy nhiên, những nghiên cứu trước cho rằng việc<br /> lựa chọn thủy động lực và lực cắt đóng vai trò chủ<br /> <br /> 80<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 79 – 88<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> Hình 1. Mô hình bể SBR trong nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí<br /> <br /> thành phần nước thải tổng hợp sử dụng trong các<br /> giai đoạn khác nhau của thí nghiệm được trình<br /> bày trong Bảng 1.<br /> <br /> 2.2 Thành phần nước thải<br /> Sử dụng nước thải tổng hợp có thành phần cơ chất<br /> là glucose và bổ sung thêm các chất dinh dưỡng,<br /> vi lượng để nuôi tạo bùn hạt hiếu khí. Đặc điểm,<br /> <br /> Bảng 1. Thành phần nước thải tổng hợp sử dụng nuôi tạo bùn hạt hiếu khí<br /> <br /> Giai đoạn khởi động bể<br /> Thành phần<br /> <br /> Giai đoạn tạo hạt bùn<br /> <br /> Khối lượng tính bằng mg, hoàn tan trong 1 lít nước<br /> <br /> Glucose<br /> <br /> 664<br /> <br /> 996<br /> <br /> NaHCO3<br /> <br /> 270<br /> <br /> 405<br /> <br /> NH4Cl<br /> <br /> 127<br /> <br /> 190<br /> <br /> K2HPO4<br /> <br /> 53<br /> <br /> 80<br /> <br /> CaCl2.2H2O<br /> <br /> 30<br /> <br /> 45<br /> <br /> MgSO4.7H2O<br /> <br /> 12<br /> <br /> 12<br /> <br /> FeCl3<br /> <br /> 3,6<br /> <br /> 3,6<br /> <br /> Vi lượng (1 mL/L) bao gồm: H3BO3 0,15 g/L; CoCl2.6H2O 0,15 g/L; CuSO2.5H2O 0,03 g/L; FeCl3.6H2O<br /> 1,5 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.<br /> <br /> Aerotank của Trạm xử lý nước thải KCN Phú Bài<br /> – tỉnh Thừa Thiên Huế, với các đặc điểm như sau:<br /> <br /> 2.3 Nguồn bùn nuôi cấy<br /> Trong giai đoạn khởi động, đưa vào trong bể SBR<br /> 1 L bùn hoạt tính. Nguồn bùn dùng để nuôi cấy<br /> bùn hạt hiếu khí là bùn hoạt tính được lấy từ bể<br /> <br /> 81<br /> <br /> Giá trị SS: 3743-3840 mg/L<br /> Giá trị VSS: 2394-2488 mg/L<br /> Chỉ số SVI30: 126,3 mL/g<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 79 – 88<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> lắng và xả nước thải ra. Bể được sục khí ở mức<br /> lưu lượng 4,0 L/phút (ứng với vận tốc khí nâng<br /> 1,0 cm/s). Thời gian cụ thể cho từng chu kỳ, giá<br /> trị nhu cầu oxy hóa học (COD), tải trọng hữu cơ<br /> (OLR) tại các thời điểm thí nghiệm khác nhau<br /> được thể hiện trong Bảng 2.<br /> <br /> Tỷ lệ VSS/SS: 62-64%<br /> <br /> -<br /> <br /> 2.4 Chế độ vận hành bể SBR<br /> Bể SBR được vận hành theo chế độ tự động với<br /> thời gian lập trình sẵn trên các timer điều khiển.<br /> Mỗi chu kỳ hoạt động là 3h (tương ứng 8 chu<br /> kỳ/ngày) gồm 4 pha: bơm nước thải vào, sục khí,<br /> <br /> Bảng 2. Các thông số vận hành bể SBR và OLR trong nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí<br /> <br /> Thời gian tính cho mỗi pha trong mỗi chu kỳ<br /> hoạt động của bể SBR (phút)<br /> <br /> OLR, kg COD/m3.ngày<br /> <br /> Thời gian<br /> <br /> (COD đầu vào, mg/L)<br /> <br /> Bơm nước<br /> <br /> Sục khí<br /> <br /> Lắng<br /> <br /> Xả nước<br /> <br /> Ngày thứ 1-7<br /> <br /> 2,4<br /> <br /> 2<br /> <br /> 164<br /> <br /> 10-8<br /> <br /> 4<br /> <br /> Ngày thứ 8-15<br /> <br /> (~600)<br /> <br /> 2<br /> <br /> 166<br /> <br /> 8-4<br /> <br /> 4<br /> <br /> 2<br /> <br /> 170<br /> <br /> 4<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3,6<br /> <br /> Ngày thứ 16-35<br /> <br /> (~900)<br /> -<br /> <br /> 2.5 Phương pháp phân tích<br /> a. Đo kích thước hạt bùn<br /> Kích thước hạt bùn hiếu khí được xác định bằng<br /> thước đo có độ phân vạch nhỏ nhất là 1mm.<br /> <br /> -<br /> <br /> Thể tích bùn lắng: thể tích bùn (tính bằng<br /> mL) lắng trong 30 phút trong ống đong thể<br /> tích 1L.<br /> Nồng độ chất rắn lơ lững SS (mg/L): xác<br /> định theo phương pháp trọng lượng<br /> <br /> b. Chỉ số thể tích bùn<br /> <br /> c. Phương pháp phân tích thông số môi trường<br /> <br /> Chỉ số thể tích bùn (SVI) xác định theo công thức<br /> <br /> Các thông số sau sẽ được phân tích trong quá<br /> trình nghiên cứu bao gồm: pH, DO, SS, VSS,<br /> COD. Các phương pháp phân tích thông số môi<br /> trường được trình bày trong Bảng 3.<br /> <br /> SVI  mL / g  <br /> <br /> ThÓ tÝch bïn l¾ng<br />  1000<br /> Nång ®é SS<br /> <br /> Bảng 3. Phương pháp phân tích các thông số môi trường<br /> <br /> STT<br /> <br /> Thông số<br /> <br /> Đơn vị<br /> <br /> Phương pháp đo, phân tích<br /> <br /> 1<br /> <br /> pH<br /> <br /> -<br /> <br /> 2<br /> <br /> DO<br /> <br /> mg/L<br /> <br /> Đo bằng sensor, máy đo DO cầm tay, Orion, Mỹ<br /> <br /> 3<br /> <br /> SS<br /> <br /> mg/L<br /> <br /> Phương pháp trọng lượng, TCVN 6625-2000<br /> <br /> 4<br /> <br /> VSS<br /> <br /> mg/L<br /> <br /> Phương pháp trọng lượng, TCVN 6625-2000<br /> <br /> 5<br /> <br /> COD<br /> <br /> mg/L<br /> <br /> Phương pháp trắc quan, SMEWW 5220 - D:2012<br /> <br /> Đo bằng sensor, máy pH cầm tay WTW 340i, Đức<br /> <br /> bùn có sự thay đổi rõ rệt, điều này thể hiện qua sự<br /> thay đổi màu sắc của bùn từ màu đen chuyển sang<br /> màu nâu. Bước sang tuần thứ hai, các vệt bùn bắt<br /> đầu phát triển với kích thước lớn hơn, có thể quan<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1 Sự hình thành và phát triển hạt bùn<br /> Sau tuần đầu khởi động hệ thống, từ các bông bùn<br /> hoạt tính lơ lững đã xuất hiện các vệt bùn kích<br /> thước nhỏ, dạng que dài chiếm ưu thế. Tính chất<br /> 82<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 79 – 88<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> sát được các lông tơ bao quanh các vệt bùn trên<br /> kính lúp.<br /> <br /> thước hạt khoảng 1 mm chiếm ưu thế hơn. Sang<br /> ngày thứ 28, kích thước hạt bùn tiếp tục tăng lên<br /> nhanh chóng, các hạt bùn lúc này có kích thước từ<br /> 12 mm xuất hiện nhiều hơn. Vào ngày thứ 35,<br /> kích thước hạt bùn kích thước đồng đều khoảng 2<br /> mm vẫn chiếm ưu thế, có xuất hiện thêm các hạt<br /> bùn có kích thước lớn hơn từ 3 mm. Hình ảnh hạt<br /> bùn hiếu khí hình thành trong quá trình vận hành<br /> với nước thải tổng hợp trên bể SBR được thể hiện<br /> trong Hình 2.<br /> <br /> Vào ngày thứ 14, thời gian lắng được cố định 4<br /> phút và bể được hoạt động ổn định với chu kỳ<br /> không thay đổi. Tại thời điểm này, có sự xuất hiện<br /> các hạt bùn nhỏ với kích thước khoảng