Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Công nghệ sinh học: Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> NGUYỄN THỊ THANH<br /> <br /> NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT<br /> TRONG HỆ THỐNG UASB NHẰM XỬ LÝ NƢỚC<br /> THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU<br /> <br /> Chuyên ngành: Công nghệ sinh học<br /> Mã số: 62420201<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC<br /> <br /> Hà Nội - 2016<br /> <br /> Công trình đƣợc hoàn thành tại:<br /> Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> <br /> Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:<br /> 1. PGS.TS.Nguyễn Lan Hƣơng<br /> 2. PGS.TS. Tô Kim Anh<br /> <br /> Phản biện 1: GS.TS. Đặng Đình Kim<br /> Phản biện 2: PGS.TS. Lê Gia Hy<br /> Phản biện 3: PGS.TS. Trần Đức Hạ<br /> <br /> Luận án đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trƣờng<br /> họp tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:<br /> 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội<br /> 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN<br /> 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu<br /> Nước thải sơ chế mủ cao su có mức độ ô nhiễm cao với lưu lượng lớn nếu không được xử lý triệt để<br /> sẽ tác động xấu đến môi trường. Hiện nay, hiệu quả xử lý nước thải tại các nhà máy cao su ở Việt Nam<br /> rất thấp, nước thải dòng ra không đạt theo tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT. Kết quả khảo sát cho<br /> thấy nhiều hệ thống xử lý nước thải tại các nhà máy cao su bị quá tải, đặc biệt vào những tháng sản xuất<br /> cao điểm. Tình trạng này có nhiều nguyên nhân, một trong những nguyên nhân là hệ thống xử lý nước<br /> thải được thiết kế chưa đủ công suất. Thêm vào đó, lưu lượng nước thải sơ chế mủ cao su thường xuyên<br /> biến động đòi hỏi thể tích công trình xử lý nước thải phải rất lớn trong khi các nhà máy cao su thường<br /> nằm xen kẽ với khu dân cư nên rất khó tăng diện tích công trình. Do đó, giải pháp lựa chọn tối ưu cho xử<br /> lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam là sử dụng các thiết bị cao tải.<br /> Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) là một trong những thiết<br /> bị cao tải đã được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp trong nhiều thập kỷ. Hệ thống UASB có ưu<br /> điểm là vận hành đơn giản, chịu được tải trọng hữu cơ (OLR) cao và có thể điều chỉnh chúng theo từng<br /> thời kỳ sản xuất của nhà máy. Ngoài ra hệ thống này tiêu thụ năng lượng ít, diện tích xây dựng công trình<br /> nhỏ và không phát tán mùi hôi. Khí phát sinh trong quá trình xử lý nước thải có thể thu hồi và được sử<br /> dụng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý phụ thuộc vào trạng thái bùn. Bùn phân tán dễ bị rửa trôi<br /> khi tăng tải trọng hệ thống. Bùn hạt có khả năng chống rửa trôi, tạo trạng thái lơ lửng làm tăng khả năng<br /> tiếp xúc với cơ chất, mật độ vi sinh vật trong bùn hạt cao hơn bùn phân tán nên sử dụng bùn hạt dễ dàng<br /> nâng cao OLR trong hệ thống UASB. Thời gian khởi động hệ thống UASB để bùn hạt hình thành thường<br /> kéo dài. Chính vì vậy để rút ngắn thời gian khởi động, tăng cường sự tách bùn ở dòng ra nhằm nâng cao<br /> hiệu quả xử lý của hệ thống UASB thì "Nghiên cứu quá trình tạo hạt bùn trong hệ thống UASB<br /> nhằm xử lý nƣớc thải sơ chế mủ cao su" là rất cần thiết.<br /> 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án<br /> 2.1. Mục tiêu<br /> - Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB nhằm nâng cao năng lực hệ thống xử<br /> lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;<br /> - Đánh giá hiệu quả sử dụng bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su<br /> thiên nhiên.<br /> 2.2. Nội dung<br /> - Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;<br /> - Nghiên cứu các điều kiện tạo bùn hạt trong hệ thống UASB;<br /> - Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí;<br /> - Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên bằng UASB sử dụng bùn hạt;<br /> - Khảo sát điều kiện bảo quản bùn hạt.<br /> 3. Những đóng góp mới của luận án<br /> - Là nghiên cứu khởi đầu cho hướng nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ<br /> chế mủ cao su tại Việt Nam. Bước đầu tìm hiểu cấu trúc quần xã vi sinh vật trong bùn hạt nhằm tìm<br /> ra vai trò của chúng trong sự hình thành bùn hạt cũng như trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su<br /> thiên nhiên.<br /> - Thử nghiệm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su sử dụng bùn hạt trong hệ thống UASB đã đã nâng<br /> OLR lên 15,3 kg-COD/m3.ngày với hiệu suất xử lý COD đạt 95,8%, hiệu suất sinh khí metan đạt<br /> 0,325 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa tương ứng với tăng OLR 3,5 lần, tăng hiệu suất xử lý COD 7,6% và<br /> tăng hiệu suất sinh khí metan 2,86 lần so với sử dụng bùn phân tán ở cùng điều kiện. Bùn hạt có cấu<br /> trúc ổn định và hoàn toàn phù hợp cho hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su.<br /> 4. Bố cục của luận án<br /> <br /> 1<br /> <br /> Luận án gồm 119 trang (không kể phụ lục) được chia thành các phần như sau: Giới thiệu luận án 2<br /> trang, chương 1: tổng quan tài liệu 32 trang, chương 2: vật liệu và phương pháp nghiên cứu: 12 trang,<br /> chương 3: kết quả và thảo luận: 50 trang, kết luận chung 2 trang, có 49 hình vẽ và đồ thị, 13 bảng, 191 tài<br /> liệu tham khảo và phụ lục.<br /> B. NỘI DUNG CHÍNH<br /> Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU<br /> 1.1. Ngành công nghiệp cao su và các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải sơ chế mủ cao su<br /> Sản lượng cao su thiên nhiên toàn cầu năm 2015 là 12,2 triệu tấn, trong đó sản lượng cao su của Việt<br /> Nam đạt xấp xỉ 1,1 triệu tấn. Sản xuất 1 tấn cao su thải ra môi trường 18 – 35 m3 nước thải. Nước thải sơ<br /> chế mủ cao su chứa hàm lượng COD, BOD, SS, TN và N-NH3 cao. Các công nghệ xử lý nước thải sơ chế<br /> mủ cao su ở Việt Nam phổ biến là hồ kỵ khí – hiếu khí. Công nghệ này có nhược điểm là phát tán khí nhà<br /> kính và mùi hôi thối, cần diện tích xây dựng công trình lớn, thời gian lưu (HRT) dài và phát sinh bùn dư.<br /> Một số công nghệ như đĩa quay sinh học, mương oxi hóa, xử lý tuần tự theo mẻ (SBR) cũng được nghiên<br /> cứu ứng dụng nhưng các công nghệ này tiêu tốn năng lượng. Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện một số<br /> nghiên cứu bước đầu ứng dụng hệ thống UASB trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su. UASB là thiết bị<br /> xử lý tốc độ cao và có thể thu hồi biogas.<br /> 1.2. Hệ thống UASB<br /> Hệ thống UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao. Trong hệ thống<br /> UASB diễn ra hai quá trình: Lọc nước qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn bị giữ lại. Dòng vào đi<br /> qua lớp bùn kỵ khí chứa các vi sinh vật ở dạng hạt. Nhờ các vi sinh vật chứa trong bùn hạt mà các chất<br /> hữu cơ bị phân hủy thành metan và cacbonic. Sự chuyển động của dòng khí này khiến chất lỏng được<br /> khuấy trộn. Các hạt bùn ở trạng thái lơ lửng và lắng cần thiết làm tăng mức độ tiếp xúc với vi sinh vật,<br /> chống rửa trôi bùn khi ở chế độ thủy lực cao. Ưu điểm của hệ thống UASB là OLR cao, HRT ngắn, diện<br /> tích công trình nhỏ và có thể thu hồi biogas. Nhược điểm của hệ thống này là hiệu quả xử lý thấp khi bùn<br /> ở dạng phân tán, thời gian hình thành bùn hạt có thể kéo dài từ 2 - 12 tháng, thậm chí hàng năm. Vì vậy,<br /> xu hướng nghiên cứu hiện nay tập trung rút ngắn thời gian tạo bùn hạt trong hệ thống UASB.<br /> 1.3. Sự hình thành bùn hạt kỵ khí<br /> Bùn hạt kỵ khí là một quần xã vi sinh vật bao gồm các loài vi sinh vật cần thiết cho sự phân hủy các<br /> chất hữu cơ xuất hiện trong nước thải. Bùn hạt có mật độ vi sinh vật dày đặc bao gồm hàng triệu tế bào<br /> trong một gam sinh khối với sự đa dạng về loài do đó có thể chuyển hóa nhanh chất hữu cơ (1g bùn hạt<br /> có thể chuyển hóa 0,5 – 1,0 g-COD/ngày). Kích thước hạt bùn lớn (0,5 mm < d < 5 mm), tỷ trọng hạt bùn<br /> cao (1,033 – 1,065 g/cm3) và hình dạng cân đối giúp chúng lắng nhanh nên dễ dàng tách sinh khối khỏi<br /> dòng ra.<br /> Trong hệ thống UASB, bùn hạt được hình thành thông qua sự tương tác giữa các tế bào vi sinh vật.<br /> Các mô hình tạo hạt dựa trên các thuyết vật lý, nhiệt động học và vi sinh vật được đưa ra để giải thích cho<br /> sự hình thành hạt bùn. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành bùn hạt như OLR, HRT, cơ chất, bùn<br /> giống, chất dinh dưỡng, các ion hóa trị 2 và 3, nhiệt độ, pH cũng đã được nghiên cứu. Thành phần vi sinh<br /> vật trong một số loại bùn hạt đã được xác định. Tuy nhiên, có rất ít các công trình nghiên cứu về sự hình<br /> thành bùn hạt trong nước thải sơ chế mủ cao su. Nghiên cứu tác động của việc bổ sung 300mg-AlCl3/L<br /> đến quá trình hình thành bùn hạt tại Thái Lan là duy nhất. Do đó, các nghiên cứu về quá trình hình thành<br /> bùn hạt trong nước thải cao su sơ chế mủ cao su đang được tập trung nghiên cứu.<br /> 1.4. Định hƣớng nghiên cứu<br /> Các nghiên cứu về xử lý nước thải sơ chế mủ cao su còn một số vấn đề chưa được đề cập và giải quyết<br /> triệt để như:<br /> - Nước thải sơ chế mủ cao su chứa các hạt cao su dư gây tắc dòng chảy, tích tụ trong hệ thống UASB<br /> ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý cần lựa chọn phương pháp tiền xử lý nước thải sơ chế mủ cao su phù<br /> hợp để tách các hạt cao su.<br /> <br /> 2<br /> <br /> - Các nghiên cứu ảnh hưởng của OLR đến quá trình hình thành bùn hạt chủ yếu trên nước thải tổng hợp<br /> với cơ chất là axetat, propionat hoặc sucroza, nước thải nhà máy bia, rượu. Những loại nước thải này<br /> có thành phần khác xa so với nước thải sơ chế mủ cao su. Các thành phần axit béo trong nước thải sơ<br /> chế mủ cao su kìm hãm sự hình thành hạt bùn. Chính vì vậy, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu ảnh<br /> hưởng của OLR đến quá trình tạo bùn hạt kỵ khí.<br /> - Mặc dù đã xuất hiện nghiên cứu tác động của 300mg-AlCl3/L đến quá trình hình thành bùn hạt trong<br /> nước thải sơ chế mủ cao su tại Thái Lan nhưng công nghệ đánh đông ở Thái Lan sử dụng axit H2SO4<br /> nên nước thải chứa rất nhiều SO42- khác xa với nước thải sơ chế mủ cao su ở Việt Nam. Hàm lượng<br /> SO42- tác động đến tập hợp vi sinh vật nên ảnh hưởng đến quá trình hình thành hạt bùn. Do đó, cần<br /> nghiên cứu tác động của việc bổ sung 300mg-AlCl3/L đến quá trình tạo bùn hạt trong nước thải sơ chế<br /> mủ cao su ở Việt Nam.<br /> - Rỉ đường được công bố chứa nhiều hydratcacbon thúc đẩy việc sản xuất các polime ngoại bào (ECP)<br /> nâng cao khả năng hình thành bùn hạt. Nước thải sơ chế mủ cao su chứa ít hydratcacbon và nhiều axit<br /> béo bay hơi (VFA) nên thời gian hình thành bùn hạt dài. Vì vậy, tiến hành nghiên cứu bổ sung rỉ<br /> đường nhằm rút ngắn thời gian tạo bùn hạt trong nước thải sơ chế mủ cao su trong hệ thống UASB.<br /> - Việc hiểu rõ vai trò của tập hợp vi sinh vật trong quá trình hình thành bùn hạt và xử lý nước thải sơ chế<br /> mủ cao su giúp chúng ta có thể điều khiển quá trình theo hướng có lợi nhất. Việc tiến hành xác định<br /> tập hợp vi sinh vật và xác định vai trò của chúng trong quá trình hình thành bùn hạt là cần thiết.<br /> - Các nhà máy cao su thường dừng sản xuất trong 3 tháng để cây cao su phục hồi nên quá trình xử lý<br /> nước thải sơ chế mủ cao su cũng tạm dừng. Do đó, nhằm rút ngắn thời gian khởi động hệ thống khi<br /> vào vụ sản xuất cần nghiên cứu bảo quản bùn hạt.<br /> Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 2.1. Vật liệu<br /> 2.1.1. Nước thải và bùn giống<br /> - Nước thải sơ chế mủ cao su tại nhà máy ở tỉnh Thanh Hóa từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2013.<br /> - Bùn giống từ hệ thống xử lý kỵ khí nước thải tinh bột sắn (Yên Bái).<br /> 2.1.2. Hóa chất<br /> - Các hóa chất sử dụng trong phân tích: Sigma (Mỹ) và (Wako, Nhật Bản);<br /> - Các kit thử COD và TN (Hach, Mỹ);<br /> - Các hóa chất sinh học phân tử (MP Biomedicals và Illumia, Mỹ);<br /> - Các hóa chất sử dụng trong xử lý nước thải (Trung Quốc).<br /> 2.1.3. Thiết bị<br /> - Hệ thống UASB quy mô 20 lít, kích thước 1444 x 104 x 104 mm có ổn nhiệt.<br /> - Hệ thống bẫy cao su quy mô 43 lít.<br /> 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu<br /> 2.2.1. Các phương pháp phân tích<br /> - Phân tích các chỉ tiêu pH, SS, VSS và SVI theo APHA (2005);<br /> - Phân tích TN và COD bằng kit thử theo tài liệu hướng dẫn của hãng Hach (Mỹ);<br /> - Phân tích BOD theo quy trình của nhà sản xuất trên máy Oxitop12 (WTW, Đức);<br /> - Phân tích thành phần VFA (axit axetic, propionic, N-butyric, Iso-butyric, N-valeric, Iso-valeric) và hỗn<br /> hợp khí (CH4, N2, H2, CO2) bằng phương pháp sắc ký khí với detector lần lượt là FID (GC-2014,<br /> Shimazu) và TCD (GC-8A, Shimazu);<br /> - Phân tích NH4+ bằng phương pháp sắc ký lỏng (LC-20Adsp, Shimazu);<br /> - Phân tích SMA theo phương pháp của Harada và công sự (1994);<br /> - Xác định phân bố kích thước hạt bùn theo phương pháp sàng ướt của Francese và công sự (1998);<br /> <br /> 3<br /> <br />