Xử lý nước thải chế biến chitin bằng công nghệ màng sinh học tầng chuyển động kết hợp với bể đất ngập nước kiến tạo

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2012<br /> <br /> KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC<br /> <br /> XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN CHITIN BẰNG CÔNG NGHỆ<br /> MÀNG SINH HỌC TẦNG CHUYỂN ĐỘNG KẾT HỢP<br /> VỚI BỂ ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO<br /> CHITIN PROCESSING WASTEWATER TREATMENT BY MOVING BED BIOFILM REACTOR COMBINED WITH CONSTRUCTED WETLAND<br /> Phạm Đình Hải1, Lê Hoàng Nghiêm2, Trang Sĩ Trung3<br /> Ngày nhận bài: 16/01/2012; Ngày phản biện thông qua: 05/06/2012; Ngày duyệt đăng: 10/06/2012<br /> TÓM TẮT<br /> Nước thải từ công nghệ sản xuất chitin sau khi đã thu hồi protein được nghiên cứu xử lý bằng phương pháp sinh học<br /> áp dụng công nghệ màng sinh học tầng chuyển động (Moving Bed Bio-Reactor - MBBR) kết hợp với bể đất ngập nước kiến<br /> tạo (Constructed Wetland - CW). Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian cần thiết để màng sinh học hình thành và phát triển<br /> ổn định trên giá thể động trong bể MBBR kỵ khí là 75 ngày và đối với bể MBBR hiếu khí là 60 ngày. Sau khi đạt trạng thái<br /> ổn định, hiệu quả xử lý của bể MBBR kỵ khí cao nhất ở tải trọng hữu cơ (OLR) là 7 kgCOD/m3ngày và COD trong nước thải<br /> đầu ra giảm còn 795 mg/L. Nồng độ COD đầu ra thấp nhất của nước thải sau khi xử lý bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR<br /> hiếu khí là 179 mg/L tương ứng với thời gian lưu nước (Hydraulic retention time - HRT) là 8 giờ. Tiếp theo nước thải được<br /> xử lý bậc hai bằng bể đất ngập nước kiết tạo với thời gian lưu nước 11 ngày để đạt được giá trị cho phép theo mức B của<br /> Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT.<br /> Từ khóa: nước thải sản xuất chitin, xử lý sinh học, công nghệ MBBR, đất ngập nước kiến tạo.<br /> <br /> ABSRACT<br /> Chitin processing wastewater treated by Moving Bed Biofilm Reactor technology (MBBR) combined with<br /> Constructed Wetland was studied. Biofilm growth reached stable state after 75 days and 60 days for the anaerobic MBBR<br /> tank and for aerobic MBBR tank, respectively. After reaching steady state, treatment efficiency of the anaerobic MBBR tank<br /> highest rate of OLR = 7 kg COD/m3. day, and outlet COD reduced to 795 mg/L. The effective treatment of aerobic MBBR<br /> with the retention time (Hydraulic retention time - HRT) of 8 h was highest and the effluent COD was 179 mg/L. Then the<br /> effluent was fed to constructed wetland to remove the remaining COD and TN for 11 days, the final effluent from the system<br /> met the level B according to National Technical Regulations on Industrial Wastewater QCVN 40: 2011/BTNMT.<br /> Keywords: Chitin processing wastewater, biological treatment, MBBR, constructed wetland.<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> <br /> chitin [1]. Hiện nay, protein và khoáng sau khi tách<br /> <br /> Công nghệ chế biến chitin đang phát triển<br /> <br /> ra chưa được thu hồi mà đi vào trong nước thải<br /> <br /> mạnh ở Việt Nam do nguồn phế liệu vỏ tôm dồi<br /> <br /> nên nước thải chitin có nồng độ ô nhiễm hữu cơ và<br /> <br /> dào, đặc biệt ở Đồng bằng Sông Cửu Long và các<br /> <br /> các chất dinh dưỡng (N, P) cao, nếu không được<br /> <br /> tỉnh duyên hải Nam Trung bộ. Trong quá trình sản<br /> <br /> xử lý đúng mức thì sẽ gây ô nhiễm môi trường trầm<br /> <br /> xuất chitin bao gồm hai công đoạn chính là tách<br /> <br /> trọng cho các nguồn tiếp nhận. Do đó việc nghiên<br /> <br /> protein và tách khoáng ra khỏi phế liệu để thu nhận<br /> <br /> cứu tìm ra công nghệ xử lý thích hợp cho loại nước<br /> <br /> Phạm Đình Hải: Lớp Cao học Công nghệ Sau thu hoạch 2009 - Trường Đại học Nha Trang<br /> TS. Lê Hoàng Nghiêm: Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Tp. Hồ Chí Minh<br /> 3<br /> PGS.TS. Trang Sĩ Trung: Trường Đại học Nha Trang<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> 160 O TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2012<br /> <br /> thải này và đạt yêu cầu của các quy chuẩn môi<br /> <br /> MBBR là 60% thể tích nước trong bể [2, 7]. Bể đất<br /> <br /> trường hiện hành là rất cần thiết.<br /> <br /> ngập nước kiến tạo trồng sậy với mật độ 12 bụi/m2<br /> <br /> Công nghệ màng sinh học tầng chuyển động<br /> <br /> [3, 4]. Các thiết bị cần thiết bao gồm: 1 máy bơm<br /> <br /> (MBBR) đã được ứng dụng phổ biến trên thế giới<br /> <br /> định lượng nước thải đầu vào, 1 môtơ khuấy trộn bể<br /> <br /> để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau ở mức độ ô<br /> nhiễm cao, như nước thải nhà máy chế biến sữa [9],<br /> nước thải đô thị [8], nước thải các nhà máy chế biến<br /> thủy sản [2]. Ưu điểm của công nghệ MBBR này là<br /> tốc độ phản ứng phân hủy sinh học chất thải cao,<br /> vận hành ít phức tạp hơn so với quá trình bùn hoạt<br /> tính, có khả năng vận hành ở tải trọng cao. Công<br /> nghệ đất ngập nước kiến tạo đã được sử dụng để<br /> xử lý bậc hai nước thải sinh hoạt, đô thị hoặc để<br /> xử lý bậc ba (xử lý bổ sung) nước thải công nghiệp<br /> nhằm mục đích tái sử dụng nước thải [3,4, 6]. Trong<br /> nghiên cứu này, hiệu quả xử lý nước thải chế biến<br /> <br /> MBBR kỵ khí và 1 máy thổi khí vào bể MBBR hiếu<br /> khí. Hệ thống mô hình này được lắp đặt và vận hành<br /> tại Cơ sở Chế biến phế liệu thủy sản, huyện Cam<br /> Lâm, tỉnh Khánh Hòa.<br /> Nước thải từ quá trình chế biến chitin của<br /> Cơ sở Chế biến phế liệu thủy sản Cam Lâm sau<br /> khi thu hồi protein (loại bỏ chất rắn lơ lững) được<br /> lấy và chứa ở thùng chứa nước thải thô. Sau khi<br /> điều chỉnh pH về khoảng 6,8 - 7,5 bằng dung dịch<br /> NaOH được bơm định lượng bơm vào bể MBBR<br /> kỵ khí từ dưới lên trên qua lớp giá thể động để<br /> chất hữu cơ được phân hủy kỵ khí do màng vi sinh<br /> vật bám dính trên giá thể động K3 trong bể này.<br /> <br /> chitin trên hệ thống mô hình thí nghiệm gồm bể<br /> <br /> Việc tăng các tải trọng hữu cơ (Organic Loading<br /> <br /> MBBR kỵ khí nối tiếp với bể MBBR hiếu khí kết hợp<br /> <br /> Rate - OLR) từ 3 lên 5, 7 và 9kgCOD/m3.ngày trong<br /> <br /> với bể đất ngập nước kiến tạo được đánh giá.<br /> <br /> nghiên cứu được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh<br /> <br /> II. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> NGHIÊN CỨU<br /> 1. Nguyên vật liệu<br /> Nước thải sử dụng để nghiên cứu là nước<br /> thải từ công nghệ sản xuất chitin cải tiến từ phế<br /> liệu tôm sau khi đã thu hồi protein với các thông<br /> số dao động ở mức: nồng độ COD 6000 ± 200<br /> mg/L, nồng độ BOD 4000 ± 100 mg/L, nitơ tổng số<br /> 300 ± 10 mg/L. Giá thể sử dụng trong các bể<br /> MBBR cho nghiên cứu này là giá thể Kaldnes<br /> loại K3 làm từ polyetylen, với kích thước: đường<br /> kính x chiều dài là 25mm x 10mm, diện tích bề<br /> mặt hữu ích là 500 m2/m3, khối lượng riêng là<br /> 0,16 kg/dm3. Bể đất ngập nước kiến tạo sử dụng<br /> cây sậy (Phragmites Australis) thu ở khu vực xã<br /> Suối Tiên, huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa.<br /> 2. Mô hình và phương pháp nghiên cứu<br /> <br /> tăng lưu lượng của bơm định lượng. Nước thải sau<br /> bể MBBR kỵ khí được tiếp tục dẫn vào bể MBBR<br /> hiếu khí với thời gian lưu nước lần lượt là 6, 8 và<br /> 10 giờ. Trong bể này phần chất ô nhiễm hữu cơ<br /> còn lại trong dòng nước thải ra từ bể MBBR kỵ khí<br /> được phân hủy bằng các vi sinh vật hiếu khí bám<br /> dính trên giá thể động K3. Cuối cùng, nước thải<br /> được đưa đến xử lý hoàn thiện trong bể đất ngập<br /> nước kiến tạo có thời gian lưu nước 11 ngày để<br /> chất lượng nước đầu ra đạt giới hạn cho phép theo<br /> mức B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước<br /> thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT. Trước khi<br /> thực hiện các tải trọng nghiên cứu trên hệ thống<br /> mô hình được nuôi cấy thích nghi để tạo màng<br /> biofilm trên giá thể ở các tải trọng nhỏ hơn từ 0,3<br /> đế 0,5; 0,9 và 1,5kg COD/m3.ngày. Giai đoạn thích<br /> nghi kết thúc khi màng biofilm đã hình thành và<br /> nồng độ COD đầu ra ổn định không thay đổi nhiều.<br /> <br /> Hệ thống mô hình thí nghiệm bố trí trong<br /> <br /> Nước thải sau xử lý của các bể thí nghiệm được<br /> <br /> nghiên cứu này được trình bày trong Hình 1, bao<br /> <br /> lấy định kỳ 2 lần/tuần để phân tích đánh giá các<br /> <br /> gồm một bể MBBR kỵ khí nối tiếp sau đó là bể<br /> <br /> thông số ô nhiễm đặc trưng như COD và nitơ tổng<br /> <br /> MBBR hiếu khí và cuối cùng là bể đất ngập nước<br /> <br /> số (TN). Ở mỗi mức tải trọng hay thời gian lưu<br /> <br /> kiến tạo. Các thông số thiết kế mô hình được trình<br /> <br /> nước, bể xử lý được vận hành trong khoảng thời<br /> <br /> bày ở Bảng 1. Thể tích giá thể K3 cho vào mỗi bể<br /> <br /> gian từ 15 đến 20 ngày.<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG O 161<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2012<br /> <br /> Hình 1. Mô hình thí nghiệm xử lý nước thải chitin<br /> I: Xử lý kỵ khí, II: Xử lý hiếu khí, III: Xử lý ở bể đất ngập nước kiến tạo. (1) Bơm định lượng, (2) Van lấy mẫu, (3) Giá thể động,<br /> (4) Motor khuấy, (5) Máy thổi khí, (6) Van xả bùn, (7) Cây sậy.<br /> <br /> Bảng 1. Các thông số thiết kế của mô hình thí nghiệm xử lý nước thải chitin<br /> Thông số<br /> <br /> Đơn vị<br /> <br /> Bể<br /> Kỵ khí<br /> <br /> Hiếu khí<br /> <br /> Ngăn lắng<br /> <br /> Ngập nước kiến tạo<br /> <br /> -<br /> <br /> Arcrylic<br /> <br /> Arcrylic<br /> <br /> Arcrylic<br /> <br /> Gạch xây<br /> <br /> Chiều dài<br /> <br /> cm<br /> <br /> 15<br /> <br /> 30<br /> <br /> 20<br /> <br /> 120<br /> <br /> Chiều rộng<br /> <br /> cm<br /> <br /> 15<br /> <br /> 20<br /> <br /> 10<br /> <br /> 60<br /> <br /> Chiều cao<br /> <br /> cm<br /> <br /> 100<br /> <br /> 30<br /> <br /> 30<br /> <br /> 80<br /> <br /> Vật liệu<br /> <br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Giai đoạn tạo màng biofilm trên giá thể lơ lửng K3<br /> <br /> Hình 2. Màng biofilm kỵ khí bám dính vào giá thể các ngày thứ 15 (1), 38 (2), 44 (3), 74 (4)<br /> <br /> Màng biofilm kỵ khí: giai đoạn thích nghi và<br /> hình thành màng sinh học (biofilm) trong bể MBBR<br /> kỵ khí trải qua 75 ngày với các tải trọng COD<br /> tăng dần: 0,3; 0,5; 0,9 và 1,5kg COD/m3.ngày<br /> (Hình 2). Màng biofilm trên giá thể kỵ khí hình<br /> thành chậm, trong các ngày đầu lớp màng mỏng<br /> có màu đen sậm càng về sau lớp màng càng dày<br /> và bền. Nồng độ TS trên giá thể kỵ khí vào ngày<br /> thứ 15 là 160 ± 10mg/L và tăng đều các ngày còn<br /> lại, các ngày cuối đạt ổn định là 1209 ± 7,1mg/L và<br /> duy trì trong suốt quá trình vận hành tiếp theo.<br /> <br /> 162 O TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Màng biofilm hiếu khí: Vận hành bể<br /> MBBR hiếu khí với các tải trọng 0,05; 0,1 và<br /> 0,2 kgCOD/m3.ngày. Trong thời gian 60 ngày,<br /> lớp màng biofilm hiếu khí được hình thành<br /> gần như hoàn thiện, chắc chắn và có màu<br /> nâu sậm (Hình 3). Nồng độ tổng rắn lơ lửng<br /> (TS) trên giá thể tăng lên rất nhanh và đều đặng<br /> từ 1048 ± 55 mg/L ở các ngày đầu và đạt ổn<br /> định ở các ngày cuối vào khoảng 3000 mg/L,<br /> màng biofilm trên giá thể hiếu khí rất dễ bị<br /> bong tróc.<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2012<br /> <br /> Hình 3. Màng biofilm hiếu khí bám dính vào giá thể các ngày thứ 5 (1), 10 (2), 32 (3), 50 (4)<br /> <br /> 2. Giai đoạn vận hành mô hình MBBR kỵ khí với<br /> các tải trọng nghiên cứu<br /> Sau giai đoạn thích nghi, hệ thống mô hình thí<br /> nghiệm được tiếp tục được vận hành ở các tải trọng<br /> 3,0; 5,0; 7,0 và 9,0 kg COD/m3.ngày. Đối với hiệu<br /> quả khử COD (Hình 4) thì 3 tải trọng đầu có hiệu<br /> quả khá tốt (85 - 88%), nồng độ COD đầu ra chỉ còn<br /> lại 733 ± 2,1mg/L. Tuy nhiên hiệu quả xử lý COD ở<br /> 2 tải trọng đầu tiên các ngày cuối tăng rất chậm và<br /> thậm chí còn giảm, nguyên nhân là do quá trình lưu<br /> nước dài thì sẽ xảy ra quá trình hô hấp nội bào do<br /> vi sinh vật thiếu thức ăn. Đối với tải trọng OLR = 7<br /> <br /> kg COD/m3.ngày, hiệu quả xử lý tăng rất đều và đạt<br /> trên 90% và ổn định cho các ngày cuối trong thời<br /> gian vận hành ở tải trọng này. Ở tải trọng cao nhất,<br /> OLR = 9kg COD/m3.ngày, thì hiệu quả xử lý cao<br /> nhất chỉ 60% và đầu ra thấp nhất là 2402 ± 5,6mg/L.<br /> Như vậy, dựa trên kết quả vận hành với 4 tải trọng<br /> OLR khác nhau ta có thể thấy rằng tải trọng thích<br /> hợp cho quá trình kỵ khí là 7kg COD/m3.ngày tương<br /> ứng với thời gian lưu nước trong bể kỵ khí là 21 giờ<br /> và nước thải đầu ra ở tải trọng này được sử dụng<br /> cho việc vận hành bể MBBR hiếu khí phía sau.<br /> Hình 4. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý H% ở<br /> <br /> các tải trọng của mô hình MBBR kỵ khí<br /> <br /> 3. Giai đoạn vận hành mô hình MBBR kỵ khí nối<br /> tiếp hiếu khí<br /> Sau khi vận hành và lựa chọn tải trọng thích<br /> hợp cho bể MBBR kỵ khí, ta vận hành mô hình này<br /> ổn định ở tải trọng OLR = 7 kg COD/m3.ngày và<br /> khảo sát hiệu quả xử lý của bể MBBR hiếu khí với<br /> các thời gian lưu nước là 6, 8, và 10 giờ. Kết quả<br /> vận hành bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí<br /> được trình bày ở các Hình 5, 6 và 7.<br /> <br /> Đối với thời gian lưu nước 10 giờ ở bể MBBR<br /> hiếu khí, nồng độ COD đầu ra dao động trong<br /> khoảng 192 - 202mg/L, tương ứng hiệu quả xử lý<br /> COD đạt ổn định trong khoảng 75 - 76%. Hiệu quả<br /> xử lý TN tăng dần và vào cuối thời điểm vận hành<br /> là 82% với nồng độ TN đầu ra là 190 - 215mg/L.<br /> Nồng độ BOD5 đầu ra dao động trong khoảng 75 78mg/L, tương ứng hiệu quả xử lý BOD5 dao động<br /> trong khoảng 80 - 82%.<br /> <br /> Hình 5. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý H% của bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí với<br /> các thời gian lưu nước khác nhau<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG O 163<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> Đối với thời gian lưu nước 8 giờ thì hiệu<br /> quả xử lý COD, BOD 5 và TN là rất tốt. Nồng độ<br /> COD, BOD 5 và TN trung bình đầu ra lần lượt<br /> 175 mg/L, 79mg/L và 38mg/L. Hiệu suất khử<br /> COD là 78%, khử BOD 5 là 81% và khử TN là<br /> <br /> Soá 2/2012<br /> 83%. Đây là thời gian lưu nước thích hợp cho<br /> mô hình MBBR kỵ khí nối tiếp MBBR hiếu khí<br /> vì hiệu quả xử lý COD, TN, BOD 5 đều tăng đều<br /> và cho giá trị nồng độ đầu ra của các chỉ tiêu<br /> nhỏ nhất.<br /> <br /> Hình 6. Biến thiên nồng độ BOD5 và hiệu quả xử lý của bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí với<br /> các thời gian lưu nước khác nhau<br /> <br /> Khi thời gian lưu nước còn lại 6 giờ thì hiệu<br /> quả khử COD, BOD5, TN giảm dần, đối với chỉ tiêu<br /> COD hiệu quả xử lý cao nhất chỉ 57%, BOD5 là<br /> 59%, TN là 58% và đầu ra rất cao vượt xa mức loại<br /> B của quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (COD là<br /> 361 ± 3,5mg/L, BOD5 là 184 ± 4,2mg/L, TN là 53<br /> <br /> ± 0,9mg/L). Nguyên nhân là do thời gian lưu nước<br /> ngắn nên vi sinh vật không có khả năng khử đồng<br /> thời chất hữu cơ và nitơ. Như vậy đối với mô hình<br /> MBBR kỵ khí nối tiếp MBBR hiếu khí chỉ có khả<br /> năng làm việc hiệu quả ở thời gian lưu nước là 8<br /> giờ.<br /> <br /> Hình 7. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý của bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí với<br /> các thời gian lưu nước khác nhau<br /> <br /> 4. Giai đoạn vận hành mô hình đất ngập nước<br /> trồng cây sậy<br /> Kết quả vận hành bể thí nghiệm đất ngập<br /> nước kiến tạo được trình bày trên Hình 8 và 9.<br /> Nồng độ COD và TN trung bình trong nước thải<br /> sau bể này lần lượt là 76mg/L và 14mg/L. Điều<br /> này cho thấy mô hình đất ngập nước trồng cây<br /> <br /> Hình 8. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả<br /> xử lý mô hình đất ngập nước kiến tạo<br /> <br /> 164 O TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> sậy cho hiệu quả xử lý COD và TN rất tốt và<br /> tăng đều, hiệu quả khử COD và TN ở cuối thời<br /> điểm vận hành lần lượt là 57% và 62%. Các chỉ<br /> tiêu ô nhiễm trong nước đầu ra đạt giới hạn cho<br /> phép theo mức B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc<br /> gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/<br /> BTNMT.<br /> <br /> Hình 9. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả<br /> xử lý mô hình đất ngập nước kiến tạo<br /> <br />