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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THANH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT
TRONG HỆ THỐNG UASB NHẰM XỬ LÝ NƯỚC
THẢI SƠ CHẾ MỦ CAO SU

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 62420201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Hà Nội - 2016


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................................... IV
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................................V
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................................... VI
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................ 3

1.1. Tổng quan ngành công nghiệp sơ chế mủ cao su thiên nhiên ............................................ 3
1.1.1.

Cây cao su và tình hình phát triển .................................................................................... 3

1.1.2.

Thành phần và cấu trúc mủ cao su thiên nhiên ................................................................ 3

1.1.3.

Công nghệ sơ chế mủ cao su............................................................................................. 4

1.2. Tính chất nước thải sơ chế mủ cao su ................................................................................... 5
1.3. Tình hình nghiên cứu về xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên .................................. 7
1.3.1.

Ngoài nước........................................................................................................................ 7

1.3.2.

Trong nước........................................................................................................................ 9

1.4. Bể kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) ....................................... 11
1.4.1.

Quá trình phân huỷ kỵ khí............................................................................................... 11

1.4.2.

Đặc tính chung của hệ thống UASB ............................................................................... 14

1.4.3.

Ưu, nhược điểm ............................................................................................................... 15

1.5. Sự hình thành hạt bùn.......................................................................................................... 16
1.5.1.

Bùn kỵ khí dạng hạt ........................................................................................................ 16

1.5.2.

Cấu trúc hạt bùn kỵ khí ................................................................................................... 16

1.5.3.

Các thành phần cơ bản của hạt bùn ............................................................................... 18

1.5.4.

Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo hạt bùn kỵ khí ............................................................ 22

1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành bùn hạt kỵ khí..................................... 27
1.6.1.

Ảnh hưởng của cơ chất ................................................................................................... 28

1.6.2.

Tải trọng hữu cơ ............................................................................................................. 28

1.6.3.

Đặc tính của bùn giống ................................................................................................... 28

1.6.4.

Các chất dinh dưỡng ....................................................................................................... 29

i


1.6.5.

Các nguyên tố khoáng ..................................................................................................... 29

1.6.6.

Các vitamin ..................................................................................................................... 29

1.6.7.

Các chất tạo keo ............................................................................................................. 30

1.6.8.

Nhiệt độ ........................................................................................................................... 30

1.6.9.

pH.................................................................................................................................... 30

1.7. Các thông số đánh giá hạt bùn kỵ khí ................................................................................ 30
1.7.1.

Hoạt tính sinh metan ....................................................................................................... 30

1.7.2.

Kích thước và tỷ trọng hạt bùn ....................................................................................... 31

1.7.3.

Chỉ số thể tích bùn lắng .................................................................................................. 32

1.7.4.

Độ bền cơ học ................................................................................................................. 32

1.7.5.

Màu sắc ........................................................................................................................... 32

1.8. Một số phương pháp sinh học phân tử ứng dụng trong xác định thành phần vi sinh
vật trong bùn kỵ khí .................................................................................................................... 32
CHƯƠNG 2.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................... 35

2.1. Vật liệu ................................................................................................................................... 35
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................................... 35
2.1.2. Hóa chất .............................................................................................................................. 36
2.1.3. Thiết bị ................................................................................................................................. 37
2.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................... 39
2.2.1. Các phương pháp phân tích ................................................................................................ 39

2.2.2. Nội dung nghiên cứu............................................................................................................ 44
CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................................... 47

3.1. Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên ............................................... 47
3.1.1.

Nước thải nhà máy tại khâu đánh đông .......................................................................... 47

3.1.2.

Tiền xử lý nước thải nhà máy.......................................................................................... 49

3.1.3.

Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm ................................................................ 52

3.2. Nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB .................................................................. 54

ii


3.2.1.

Hoạt hóa bùn trong hệ thống UASB ............................................................................... 54

3.2.2.

Nghiên cứu một số điều kiện ảnh hưởng tới sự hình thành bùn hạt ............................... 57

3.3.1.

Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ ..................................................................................... 57

3.3.2.

Ảnh hưởng của AlCl3 ...................................................................................................... 61

3.3.3.

Ảnh hưởng của rỉ đường ................................................................................................. 65

3.3. Thành phần vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí ...................................................... 72
3.3.1.

Thành phần vi khuẩn....................................................................................................... 74

3.3.2.

Thành phần cổ khuẩn ...................................................................................................... 79

3.4. Xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng UASB sử dụng bùn hoạt tính dạng hạt ............ 84
3.4.1.

Hiệu quả xử lý của bùn hạt ............................................................................................. 84

3.4.2.

Đánh giá sự thay đổi cấu trúc hạt bùn ........................................................................... 87

3.5. Điều kiện bảo quản hạt bùn ................................................................................................. 91
3.5.1.

Sự thay đổi hoạt tính sinh metan riêng ........................................................................... 92

3.5.2.

Sự thay đổi COD hòa tan trong môi trường bảo quản ................................................... 93

3.5.3.

Sự thay đổi kích thước hạt bùn ....................................................................................... 94

KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 97
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................................. 98
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................... 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 100

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký tự

Tiếng Anh

Chú giải

BOD

Biochemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa sinh học

BR

Baffled Reactor

Thiết bị vách ngăn (bẫy cao su)

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa học

DNA

Deoxyribonucleic acid

Axit deoxiribonucleic

DHS

Downflow Hanging Sponge

Thiết bị lọc hiếu khí với dòng chảy từ
trên xuống qua lớp mút xốp

DPNR

Deprotein natural ruber

Cao su thiên nhiên loại protein

DRC

Dry Rubber Content

Hàm lượng cao su khô

ECP

Extracellular Product

Sản phẩm ngoại bào

HRT

Hydraulic retention time

Thời gian lưu của nước thải

MLSS

Mixed Liquor Suspended Solid

Nồng độ sinh khối lơ lửng

MLVSS

Mixed Liquor Volatile Suspended Solid

Nồng độ sinh khối lơ lửng bay hơi

NGS

Next Generation Sequencing

Giải trình tự gen thế hệ mới

N-NH3

Amonia

Nitơ amon

OLR

Organic Loading Rate

Tải trọng hữu cơ
Quy Chuẩn Việt Nam

QCVN
SBR

Sequencing Batch Reactor

Thiết bị xử lý tuần tự theo mẻ

SDS

Sodium dodecyl sulphate

CH3(CH2)11SO4Na

SMA

Specific Methane Activity

Hoạt tính sinh methan riêng

SS

Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng

SVI

Sludge Volume Index

Chỉ số thể tích bùn lắng
Tiêu chuẩn Việt Nam

TCVN
TN

Total Nitrogen

Tổng nitơ

UASB

Upflow Anaerobic Slugde Blanket

Thiết bị xử lý kỵ khí với dòng chảy
ngược qua lớp bùn hoạt tính

VFA

Volatile Fatty Axit

Axit béo bay hơi

VSS

Volatile Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng bay hơi

iv


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên ............................................ 4
Bảng 1.2. Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su ở Việt Nam........................................... 6

Bảng 1.3. Một số vi sinh vật chiếm ưu thế xuất hiện trong bùn hạt kỵ khí................... 19
Bảng 1.4. Hiệu suất sinh khí metan của một số loại bùn .............................................. 31
Bảng 1.5. Hoạt tính sinh metan riêng của một số loại bùn............................................ 31
Bảng 1.6. Các phương pháp sinh học phân tử phân tích thành phần vi sinh vật........... 33
Bảng 3.1. Đặc tính nước thải khâu đánh đông của nhà máy cao su tại Thanh Hóa ...... 47
Bảng 3.2. Hàm lượng VFA tại khâu đánh đông của nhà máy cao su tại Thanh Hóa ... 49
Bảng 3.3.Đặc tính nước thải trước và sau khi qua bẫy cao su ...................................... 52
Bảng 3.4. Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su đánh đông trong phòng thí nghiệm ... 53
Bảng 3.5. Hàm lượng MLSS và MLVSS của bùn giống và bùn đã hoạt hóa ............... 55
Bảng 3.6. Tính chất bùn hạt kỵ khí với các quá trình tạo bùn hạt ................................. 70
Bảng 3.7. Tỷ lệ các nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế trong các mẫu bùn ......................... 75

v


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Cấu tạo hóa học cao su thiên nhiên ................................................................ 3
Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ sơ chế mủ cao su thiên nhiên .............................................. 5
Hình 1.3. Các phương thức trao đổi chất trong quá trình lên men kỵ khí .................... 11
Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị UASB ..................................................................................... 15
Hình 1.5. Bùn hạt kỵ khí .............................................................................................. 17
Hình 1.6. Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn .............................. 18
Hình 1.7. Mô hình phát triển hạt bùn được đề xuất bởi Pareboom .............................. 23
Hình 1.8. Mô hình hạt nhân trơ ..................................................................................... 23
Hình 1.9. Mô hình bốn bước ........................................................................................ 24
Hình 1.10. Mô hình chuyển vị proton và khử nước ..................................................... 25
Hình 1.11.Mô hình liên kết ion đa hóa trị .................................................................... 25
Hình 1.12. Mô hình liên kết ECP .................................................................................. 26
Hình 1.13. Mối quan hệ giữa yếu tố vi sinh vật và các thông số công nghệ trong quá

trình tạo bùn hạt ............................................................................................................ 27
Hình 2.1. Nước thải đánh đông mủ cao su .................................................................... 35
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống UASB ................................................................................... 37
Hình 2.3. Sơ đồ thiết bị bẫy cao su (BR) ....................................................................... 38
Hình 2.4. Quy trình giải trình tự bằng metagenomics ................................................... 43
Hình 3.1. Sự kết tụ cao su trong hệ thống UASB ........................................................ 50
Hình 3.2. Hiệu suất xử lý SS bằng bẫy cao su phụ thuộc hàm lượng SS đầu vào ........ 51
Hình 3.3. SMA của bùn và ảnh hưởng của OLR đến SMA trong thời gian hoạt hóa .. 54
Hình 3.4. SVI của bùn ngày 1 và ngày 73 của quá trình hoạt hóa ................................ 56
Hình 3.5. Hình thái bùn khi tăng OLR trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg COD/m3.ngày .... 58
Hình 3.6. Phân bố kích thước hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg-COD/m3.ngày ..... 58
Hình 3.7. SVI của bùn giống và bùn trong hệ thống UASB ứng với các OLR ............ 59
Hình 3.8. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi thay đổi OLR .................... 60
Hình 3.9. Hình thái bùn hạt khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L ............................................ 62
vi


Hình 3.10. Phân bố kích thước hạt bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày
60 và ngày 103 ............................................................................................................... 62
Hình 3.11. Chỉ số SVI của bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 ...... 63
Hình 3.12. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan có bổ sung và không bổ sung
AlCl3 .............................................................................................................................. 64
Hình 3.13. Hình thái bùn hạt khi vận hành hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ
cao su có bổ sung rỉ đường ............................................................................................ 66
Hình 3.14. Phân bố kích thước hạt bùn vào ngày 20 và ngày 38 trong quá trình vận
hành hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung rỉ đường .............. 66
Hình 3.15. Chỉ số SVI cùa bùn hạt khi bổ sung AlCl3 và rỉ đường .............................. 67
Hình 3.16. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi vận hành UASB bằng nước
thải sơ chế mủ cao bổ sung AlCl3 và rỉ đường .............................................................. 68
Hình 3.17. Quy trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB quy mô 20L .......................... 71

Hình 3.18. Tỷ lệ các ngành vi sinh vật trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và bùn hạt
dựa trên phân tích trình tự gen 16S rRNA..................................................................... 72
Hình 3.19. Các nhóm cổ khuẩn chiếm ưu thế trong ngành Euryacheaota.................... 80
Hình 3.20. Quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa và hình thành bùn
hạt .................................................................................................................................. 84
Hình 3.21. Sự biến động COD, OLR, hiệu suất xử lý COD trong quá trình xử lý nước
thải sơ chế cao su của các hệ thống UASB ................................................................... 85
Hình 3.22. Tốc độ sinh khí trong quá trình xử lý nước thải sơ chế cao su của các hệ
thống UASB .................................................................................................................. 86
Hình 3.23. Hiệu suất sinh khí metan trong quá trình xử lý nước thải sơ chế cao su của
các hệ thống UASB ....................................................................................................... 87
Hình 3.24. Sự biến động SVI của bùn hạt trong quá trình xử lý nước thải sơ chế mủ cao
su .................................................................................................................................... 88
Hình 3.25. Hình thái bùn hạt ngày 1 và ngày 98 trong hệ thống UASB xử lý nước thải
sơ chế mủ cao su ............................................................................................................ 89
Hình 3.26. Phân bố kích thước bùn hạt ngày 1 và ngày 98 trong hệ thống UASB xử lý
vii


nước thải sơ chế cao su .................................................................................................. 89
Hình 3.27. Sự biến động các ngành vi sinh vật của bùn hạt trong quá trình xử lý nước
thải sơ chế mủ cao su ..................................................................................................... 90
Hình 3.28. Sự biến động các nhóm methanogen của bùn hạt trong quá trình xử lý nước
thải sơ chế mủ cao su ..................................................................................................... 91
Hình 3.29. Sự biến động SMA trong quá trình bảo quản bùn hạt ................................. 92
Hình 3.30. Sự biến động hàm lượng CODs trong quá trình bảo quản bùn hạt ............. 93
Hình 3.31. Phân bố kích thước bùn hạt trong quá trình bảo quản ................................. 95
Hình 3.32. Hình thái bùn hạt: (A) bùn hạt trước bảo quản, (B) bùn hạt sau 6 tháng bảo
quản tại 4oC, (C) bùn hạt sau 6 tháng bảo quản ở nhiệt độ phòng ................................ 96

viii


GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
Tính cấp thiết của đề tài
Ngành cao su là ngành công nghiệp có đóng góp đáng kể vào tổng kim ngạch xuất khẩu
của Việt Nam. Hiện nay cây cao su đứng thứ 2 về tỷ suất lợi nhuận (sau cây cà phê). Mặc dù
ngành cao su đã tạo việc làm cho hàng ngàn người lao động và đóng góp đáng kể cho ngân
sách nhà nước nhưng ngành công nghiệp này cũng tạo ra những vấn đề đáng lo ngại về chất
lượng môi trường. Nước thải sơ chế mủ cao su có mức độ ô nhiễm cao với lưu lượng lớn nếu
không được xử lý triệt để sẽ tác động xấu đến chất lượng môi trường nước. Bên cạnh đó, mùi
hôi phát sinh trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong nước thải cũng ảnh hưởng
nghiêm trọng đến môi trường không khí xung quanh.
Hiện nay hiệu quả xử lý nước thải tại các nhà máy sơ chế mủ cao su ở Việt Nam vẫn còn
thấp hơn nhiều so với yêu cầu theo tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT. Tình trạng này
do nhiều nguyên nhân, một trong những nguyên nhân đó là hệ thống xử lý nước thải được
thiết kế chưa đủ công suất. Thêm vào đó lưu lượng nước thải thường xuyên biến động phụ
thuộc vào điều kiện sản xuất. Nhiều hệ thống xử lý nước thải tại các nhà máy bị quá tải, đặc
biệt vào những tháng sản xuất cao điểm [111], do đó đòi hỏi phải mở rộng thể tích công trình
hoặc rút ngắn thời gian xử lý bằng các thiết bị cao tải. Hiện nay các địa điểm đặt nhà máy sơ
chế mủ cao su thường xen kẽ với khu dân cư nên rất khó tăng diện tích công trình nên giải
pháp lựa chọn tối ưu cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam là sử dụng các thiết bị
cao tải.
Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) là một trong
những thiết bị cao tải đã được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp trong nhiều thập kỷ.
Hệ thống UASB có ưu điểm là vận hành đơn giản, chịu được tải trọng hữu cơ cao và có thể
điều chỉnh tải trọng hữu cơ theo từng thời kỳ sản xuất của nhà máy. Ngoài ra hệ thống này tiêu
thụ năng lượng ít, diện tích xây dựng công trình nhỏ và không phát tán mùi hôi. Khí phát sinh
trong quá trình xử lý nước thải có thể thu hồi và được sử dụng làm nhiên liệu. Tuy nhiên,
nhược điểm là thời gian khởi động hệ thống này thường kéo dài do sự phát triển của bùn kỵ

khí rất chậm và bùn phân tán dễ bị rửa trôi khi xử lý ở tải trọng hữu cơ cao. Chính vì vậy
nhằm rút ngắn thời gian khởi động, tăng cường sự tách bùn nước ở dòng ra, giảm sự kìm hãm
của các sản phẩm thứ cấp thì việc tạo lập hệ bùn hoạt tính dạng hạt là rất cần thiết để nâng cao
hiệu quả xử lý của hệ thống UASB hướng tới ứng dụng trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao
su thiên nhiên. Vì vậy đề tài luận án: "Nghiên cứu quá trình tạo hạt bùn trong hệ thống
UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su" đã được thực hiện với các mục tiêu như
sau:

1


-

Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB nhằm nâng cao năng lực hệ
thống xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;

-

Đánh giá hiệu quả sử dụng bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế
mủ cao su thiên nhiên.

Nội dung nghiên cứu của đề tài:
-

Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên;

-

Nghiên cứu tạo bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB;

-

Nghiên cứu thành phần vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí;

-

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống UASB sử dụng bùn
hạt kỵ khí;

-

Khảo sát điều kiện bảo quản bùn hạt kỵ khí.

Những đóng góp mới của luận án
-

Là nghiên cứu khởi đầu cho hướng nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB xử lý
nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam. Bước đầu tìm hiểu sự thay đổi cấu trúc quần xã
vi sinh vật trong quá trình hình thành bùn hạt nhằm tìm ra vai trò của chúng trong sự hình
thành bùn hạt cũng như trong xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên.

-

Thử nghiệm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su trong hệ thống UASB bằng bùn hạt kỵ khí
cho thấy đã nâng cao tải trọng hữu cơ gấp 3,5 lần với hiệu quả xử lý tăng 7,6% và hiệu
suất sinh khí metan tăng 2,86 lần so với sử dụng bùn phân tán ở cùng điều kiện. Sử dụng
bùn hạt trong xử lý nước thải cao su đã nâng OLR lên 15,3 kg-COD/m3.ngày với hiệu quả
xử lý COD đạt 95,8%, hiệu suất sinh khí metan đạt 0,325 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa. Bùn
hạt có cấu trúc ổn định và hoàn toàn phù hợp cho vận hành hệ thống UASB trong xử lý
nước thải sơ chế mủ cao su.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan ngành công nghiệp sơ chế mủ cao su thiên nhiên
1.1.1. Cây cao su và tình hình phát triển
Cây cao su (Hevea brasiliensis) tiết ra chất lỏng gọi là mủ cao su hoặc latex. Mủ cao su
được sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất cao su thiên nhiên. Cây cao su ban đầu chỉ mọc
tại khu vực rừng Amazon. Năm 1873, người ta trồng thử nghiệm chúng ngoài phạm vi Brasil.
Ngày nay phần lớn các nước trồng cao su nằm tại khu vực Đông Nam Á và một số tại khu
vực Châu Phi [3]. Nhóm 5 nước sản xuất cao su thiên nhiên lớn nhất thế giới là Thái Lan,
Indonesia, Malaysia, Ấn Độ và Việt Nam (chiếm hơn 92% tổng sản lượng sản xuất của thế
giới). Từ 2001 sản lượng cao su thiên nhiên tăng trưởng bình quân 4,8%/năm. Năm 2014, tổng
diện tích trồng cây cao su trên thế giới ước tính đạt 9,57 triệu ha với sản lượng cao su đạt 12,2
triệu tấn [173]. Theo báo cáo cập nhật ngành cao su thiên nhiên, Việt Nam là quốc gia đứng
thứ 3 thế giới về sản lượng khai thác cao su thiên nhiên đạt 1,1 triệu tấn chiếm tỷ trọng khoảng
9% vào năm 2014 [1]. Hiện nay, diện tích trồng cây cao su của Việt Nam đạt trên 955.000 ha.
Trong đó, tổng diện tích trồng cây cao su của tỉnh Thanh Hóa đạt 18.296 ha và hiện có hơn
6.400 ha cao su đang trong thời kỳ thu hoạch mủ với sản lượng đạt hơn 6.000 tấn mủ khô/năm
(Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Thanh Hóa, 2014). Năng suất mủ cao su bình quân
toàn ngành đạt 1,6 tấn/ha [2].
1.1.2. Thành phần và cấu trúc mủ cao su thiên nhiên
Cấu trúc của mủ cao su thiên nhiên gồm hai pha: lỏng và rắn. Pha lỏng gồm nước và một
số chất hòa tan (serum). Phần rắn gồm những hạt cao su lơ lửng hình cầu với cấu tạo lớp trong
là cao su, lớp ngoài là protein và lipid. Khi lớp ngoài bị phá hủy gây nên hiện tượng đông tụ
các hạt cao su. Cao su thiên nhiên là hợp chất cao phân tử (polyme) chứa các isoprene (C5H8)n.
Các phân tử isoprene kết nối với nhau tạo thành một chuỗi dài (cis-1,4-polyisoprene [C5H8]n).
Công thức cấu tạo của cao su thiên nhiên được biểu diễn trong hình 1.1.

Hình 1.1. Cấu tạo hóa học cao su thiên nhiên [7]
Thành phần mủ cao su thiên nhiên thay đổi theo giống cây, tuổi cây, tình trạng chăm sóc,
khí hậu, thổ nhưỡng… Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên được biểu diễn trong
bảng 1.1.

3


Bảng 1.1. Thành phần hóa học của mủ cao su thiên nhiên [3, 7]

Đơn vị

Thành phần

Hàm lượng

Cao su

% DRC

30 - 40

Nước

%

52 - 70

Protein

%

2-3

Lipid và dẫn xuất

%

1-2

Glucid và heterosid

%

1

Khoáng chất

%

0,3 – 0,7

Cao su

tấn/m3

0,932 – 0,952

Serum

tấn/m3

1,031 – 1,035

Tỷ trọng

Nồng độ cao su dao động từ 30 – 40% nhưng thường trong khoảng 30 – 35% DRC [3].
Ngoài cao su và nước, các thành phần chủ yếu khác xuất hiện trong mủ cao su tươi là
hydratcacbon, protein, lipid, muối khoáng và một lượng nhỏ axit amin, nucleotid.
1.1.3. Công nghệ sơ chế mủ cao su
Mủ cao su được chống đông bằng dung dịch amoniac. Sau đó chúng được sơ chế theo
từng dạng sản phẩm. Nhìn chung quy trình sơ chế mủ cao su khối bao gồm các công đoạn như
hình 1.2.
Sản xuất một tấn thành phẩm cao su cốm (từ mủ tạp và mủ skim), cao su khối (từ mủ
tươi) và mủ ly tâm thải ra lượng nước thải tương ứng khoảng 30, 25 và 18 m3 [111].

4


NH3

NH3

Mủ tạp

Ngâm,
rửa

H2O

CH3COOH

Li tâm

Mủ nước

Pha loãng đến
DRC 25％

Nước
rửa

Đánh đông

Latex 60%DCR

Mủ skim
Thành
phẩm

Serum

Nước xả, mủ vụn

H2 O

Kéo/cán

H2 O

Máy cắt

Nước xả, mủ vụn

H2 O

Sàn rung

Nước xả, mủ vụn

Sấy

Ép kiện

Thành
phẩm

Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ sơ chế mủ cao su thiên nhiên [3]
1.2. Tính chất nước thải sơ chế mủ cao su
Trong quá trình sơ chế mủ cao su, nước thải phát sinh chủ yếu ở các công đoạn đánh
đông, kéo/cán, cắt và nước rửa bồn. Nước thải từ bồn khuấy trộn chứa một ít hạt cao su. Nước
thải từ mương đông tụ chứa phần lớn là serum có hàm lượng ô nhiễm cao nhất. Nước thải từ
các công đoạn khác có bản chất tương tự trong mương đông tụ nhưng loãng hơn. Nước thải

5


đánh đông chứa một số thành phần đặc trưng như các axit dễ bay hơi (VFA), protein, đường,
cao su; pH khoảng 5 – 5,5. Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su của một số nhà máy sản xuất
cao su ở Việt Nam được thể hiện ở bảng 1.2.

Bảng 1.2. Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su ở Việt Nam
Cao su ly tâm

Cao su khối

Cao su cốm

Nước thải chung

15 – 20

25 – 30

35 – 40

-

pH

9 – 11

5–6

5–6

5–6

BOD (mg/L)

1.500 – 12.000

1.500 – 5.500

400 – 500

2.500 – 4.000

COD (mg/L)

3.500 – 35.000

2.500 – 6.000

520 – 650

3.500 – 5.000

SS (mg/L)

400 – 6.000

200 – 6.000

4.000 – 8.000

500 – 5.000

N-NH3 (mg/L)

75,5

40,6

110

426

TN(mg/L)

95

48

150

565

P-PO4 (mg/L)

26,6

12,3

38

48

Chỉ tiêu
Lưu lượng
(m3/tấnDRC)

Nguồn: Trung tâm thống kê Môi trường -ECO, 2012
Đặc điểm nước thải
* Sản xuất mủ ly tâm:
Mủ nước được li tâm đến nồng độ 60% DRC, sau đó bổ sung amoniac để chống đông.
Đặc điểm chính của loại nước thải này là: độ pH cao (pH 9-11), hàm lượng BOD, COD và TN
cũng rất cao.
* Sản xuất cao su khối:
Cao su khối được sản xuất từ mủ nước có bổ sung amoniac và dùng axit để đánh đông.
Do đó, ngoài tính chất chung là hàm lượng BOD, COD, TN và SS rất cao, nước thải còn có độ
pH thấp.
* Sản xuất cao su cốm:
Cao su cốm được sơ chế từ mủ tạp lẫn khá nhiều đất cát và các loại chất lơ lửng khác. Do
đó, trong quá trình ngâm, rửa mủ, nước thải chứa rất nhiều đất, cát. Màu nước thải loại này
thường có màu nâu, đỏ. Đặc điểm của nước thải này là: pH từ 5,0 - 6,0, nồng độ SS rất cao,
nồng độ BOD, COD thấp hơn.

6


Như vậy, nước thải của quá trình sản xuất cao su li tâm và cao su khối có hàm lượng ô
nhiễm cao hơn so với nước thải từ quá trình sản xuất cao su cốm. Nước thải sơ chế mủ cao su
có hàm lượng chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ rất cao. Thêm vào đó, nước thải của các nhà
máy sơ chế mủ cao su còn phát sinh mùi hôi thối ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường
không khí. Vì vậy việc xử lý nước thải nhà máy sơ chế mủ cao su là một vấn đề quan trọng
cần phải được giải quyết.
1.3. Tình hình nghiên cứu về xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên
1.3.1. Ngoài nước
Sản xuất cao su thiên nhiên đã tồn tại 200 năm nhưng các nghiên cứu về xử lý nước thải
ngành này chỉ bắt đầu vào năm 1957 với công trình bể lọc hiếu khí xử lý nước thải đánh đông

mủ skim của Molesworth với hiệu suất xử lý BOD là 60% và thời gian lưu (HRT) 20 ngày
[105]. Đến nay có rất nhiều quy trình công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su đã được
nghiên cứu, cải tiến và áp dụng. Công nghệ hồ kỵ khí đang được áp dụng rộng rãi do dễ áp
dụng, không tiêu tốn năng lượng và hiệu suất xử lý COD cao (hiệu suất xử lý COD với nước
thải cao su cốm, khối và ly tâm lần lượt là 96% [106], 90% [129] và 96% [130]). Tuy nhiên,
công nghệ này khó kiểm soát quá trình xử lý và HRT dài (90 ngày) nên cần diện tích xử lý lớn.
Mặc khác, công nghệ này tạo ra mùi hôi thối và phát thải khí metan vào khí quyển. Các công
nghệ hiếu khí cũng được nghiên cứu và áp dụng như: đĩa quay sinh học, mương oxy hoá. Mặc
dù hiệu suất xử lý BOD của đĩa quay sinh học (90%) [81] và mương oxi hóa (96%) [74] cao
nhưng chi phí về năng lượng và bảo trì lớn kèm theo sự phát thải khí nhà kính CO2. Để giảm
bớt sự phát thải khí nhà kính công nghệ bể kỵ khí - hồ ổn định và bể kỵ khí - mương oxi hoá
đã được nghiên cứu. Hiệu suất xử lý BOD của chúng lần lượt là 95% (HRT 10 ngày) [75] và
99% (HRT 7,6 ngày) [114]. Tuy nhiên những hạt cao su dư trong nước thải đã tích tụ trong hệ
thống làm giảm hiệu quả xử lý của bùn. Để loại bỏ SS và tăng sự tiếp xúc giữa nước thải và
bùn, bể lọc kỵ khí với giá thể cũng được nghiên cứu. Hiệu suất xử lý COD với giá thể bằng
gốm và sơ dừa tráng nhựa lần lượt là 89% (HRT 4 ngày) [73] và 70 – 90% (HRT 3 ngày)
[143]. Tuy nhiên các công nghệ này dễ bị sự cố tắc nghẽn bởi cao su dư. Công nghệ bùn hoạt
tính thổi khí chìm (SAAS) mang lại hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao nhưng phát sinh lượng bùn
dư và yêu cầu năng lượng rất lớn [74].
Các công nghệ trên cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao nhưng HRT quá dài dẫn đến quá
tải khi nhà máy tăng công suất. Chính vì vậy, những năm gần đây việc nghiên cứu áp dụng các
thiết bị xử lý tốc độ cao đang được ưa chuộng hơn. Hai công nghệ có thể chịu được tải trọng
cao, đang được nghiên cứu cho xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tự nhiên là xử lý kỵ khí với
dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) và xử lý tuần tự theo mẻ (SBR).

7


Hệ thống SBR mang đến hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su cao, xử lý bằng bùn
thông thường hiệu suất xử lý COD có thể đạt 89,3% với HRT 12 giờ [168]. Khi sử dụng bùn

hạt có đường kính trung bình 1,5 mm và SVI là 22,3 mL/g, hiệu suất xử lý của SBR đạt 96,5%
COD, 94,7% N-NH3 và 89,4% TN với HRT 3h [191]. Như vậy, hiệu suất xử lý COD, TN và
N-NH3 của SBR có thể nâng cao và giảm thời gian lắng khi bùn ở dạng hạt. Tuy nhiên, vận
hành SBR tiêu tốn năng lượng lớn cho quá trình sục khí.
Hệ thống UASB là một giải pháp giúp giảm chi phí vận hành đồng thời có thể thu hồi
một lượng lớn năng lượng từ metan. Phoolphundh và cộng sự (2004) đã nghiên cứu xử lý
nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống UASB trong điều kiện pH 5,5 - 6,5 với COD dòng
vào là 6000 mg/L, hiệu suất xử lý COD là 16%, và 55% với HRT lần lượt là 4 giờ và 18 giờ.
Mặc dù hệ vi sinh vật có thể tự điều chỉnh pH dòng ra (7,8 – 7,9) nhưng hiệu suất chuyển hóa
vẫn thấp [127]. Việc điều chỉnh COD, pH và chất dinh dưỡng dòng vào trong quá trình chạy
thích nghi bùn hoạt tính đã cải thiện được hiệu suất xử lý COD (đạt 80,1%) của hệ thống
UASB [179]. Các hạt cao su bị đông tụ trong hệ thống UASB cùng với các chất rắn phân hủy
chậm và các độc tố đã ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Nhằm khắc phục nhược điểm này, Jawjit
và cộng sự (2013) đã nghiên cứu điều kiện tối ưu cho xử lý nước thải cao su cốm bằng hệ
thống gồm 2 thiết bị UASB mắc nối tiếp. Nghiên cứu này chỉ ra rằng ở nhiệt độ 35 oC và pH 7
đã ngăn chặn sự đông tụ cao su, HRT tối ưu cho UASB1 và UASB2 lần lượt là 24h và 48h. Ở
điều kiện tối ưu, hiệu suất xử lý COD và SS lần lượt là 82% và 92%, hiệu suất sinh khí metan
là 0,116 m3-CH4 /kg-COD chuyển hóa. Mặc dù bùn giống lấy từ nhà máy cao su nhưng vẫn
cần 89 ngày để bùn thích nghi và hình thành bùn hạt [78]. Tanikawa và cộng sự (2016) đã phát
triển hệ thống gồm: thiết bị axit hóa - hai UASB – DHS (Downflow Hanging Sponge) dưới
quy mô pilot tại Thái Lan. Thiết bị axit hóa có chức năng gạn mủ và điều chỉnh pH dòng vào
đạt 6,8 - 72, UASB1 chuyển hóa COD thành metan và giảm SO42-, UASB2 chuyển hóa COD
thành metan, DHS chuyển hóa COD và oxi hóa H2S. Dưới điều kiện vận hành OLR là 0,91
kgCOD/m3.ngày, HRT là 11,1 ngày và COD dòng vào là 10200 ± 1370 mg/L thì hiệu suất xử
lý COD của toàn hệ thống đạt 97,6 ± 1,1%. Hệ thống này sẽ tiết kiệm được 95% năng lượng,
giảm 95% phát thải khí nhà kính, giảm 92% diện tích vận hành và giảm 80% chi phí vận hành
[162]. Bên cạnh việc sản xuất cao su tiêu chuẩn, các loại cao su kỹ thuật cũng được sản xuất
với nhiều tính năng khác nhau, một trong số đó là cao su khử protein (DPNR) bằng Natri
dodecyl sulphat (SDS). Hatamoto và cộng sự (2012) đã thăm dò xử lý loại nước thải này, phần
cao su dư và SDS được thu hồi bằng cách bổ sung CaCl2 với tỷ lệ Ca2+/SDS và Ca2+/khối

lượng cao su tương ứng là: 0,070 và 0,055. Các chất hữu cơ tồn tại trong trong nước thải
DPNR được chuyển hóa thành metan trong hệ thống UASB. Hiệu quả xử lý COD là 92 ± 2%
tại OLR là 6,8 ± 1,8 kgCOD/m3.ngày và HRT là 12 giờ. Trong cùng điều kiện, nếu dòng ra
được tuần hoàn trở lại để pha loãng nước thải DPNR, hiệu quả chuyển hóa COD đạt 84 ± 8%

8


tại OLR là 6,4 ± 1,7 kgCOD/m3.ngày và HRT 39 giờ. Hệ thống UASB hứa hẹn triển vọng xử
lý nước thải DPNR [66].
Như vậy, xu hướng hiện nay sử dụng hệ thống UASB kết hợp với các công trình khác để
xử lý nước thải nhà máy sơ chế mủ cao su thiên nhiên. Hệ thống UASB có chức năng chính là
xử lý các chất hữu cơ và thu hồi năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas). Ưu điểm chính
của công nghệ này là: sử dụng ít diện tích, chi phí vận hành thấp, không phát sinh mùi và có
thể thu hồi năng lượng từ khí metan. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất trong vận hành hệ thống
UASB là lượng cao su dư trong nước thải bám vào bùn gây cản trở quá trình chuyển hóa COD,
các nghiên cứu về tạo lập bùn hạt trong hệ thống UASB ứng dụng cho xử lý nước thải sơ chế
mủ cao su còn hạn chế và chưa có quy trình bảo quản bùn hạt trong thời gian tạm ngừng sản
xuất cao su thiên nhiên.
1.3.2. Trong nước
Hiện nay, các công nghệ đang áp dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su chủ yếu là hồ
kỵ khí và hiếu khí [111]. Công nghệ này có thời gian lưu chất thải dài dẫn đến cần sử dụng
diện tích mặt bằng lớn. Mặt khác công nghệ này thường phát sinh metan vào khí quyển, gây
mùi hôi thối nên không phù hợp trong điều kiện tự nhiên Việt Nam khi mà khu dân cư thường
sống xem kẽ với khu công nghiệp. Để đáp ứng yêu cầu kiểm soát môi trường, các nghiên cứu
về công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên đã và đang được tiến hành.
a. Nghiên cứu xử lý hạt cao su dư
Việc loại bỏ cao su dư đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ hệ thống xử lý nước thải do
quá trình này làm giảm hàm lượng chất gây ô nhiễm và giảm sự tắc nghẽn trong hệ thống.
Nhìn chung quá trình tiền xử lý bằng phương pháp vật lý là một công đoạn cần thiết trong các

nhà máy nhằm bắt giữ và thu hồi cao su đông tụ trong nước thải trước khi xử lý sinh học.
Bể gạn mủ
Các thiết bị gạn mủ được sử dụng để loại bỏ mủ dư đang được áp dụng trong hệ thống xử
lý nước thải của hầu hết các nhà máy cao su ở Việt Nam. Hiệu suất của các bể gạn mủ truyền
thống đạt từ 10 - 30%. Để cải thiện hiệu quả tách mủ cao su, Nguyễn Thanh Bình (2008) đã
nghiên cứu công nghệ lọc mủ bằng sơ dừa. Hiệu suất xử lý SS, COD và BOD tương ứng là
64,89%, 56,25% và 59,60% với HRT 24 giờ [5]. Hiệu quả của mô hình này cao hơn 2 lần so
với các bể gạn mủ truyền thống. Tuy nhiên độ ổn định của sơ dừa chưa được đánh giá nên cần
xác định tuổi thọ của sơ dừa
Hệ thống bể gạn mủ - bể ổn định - bể thổi khí - bể keo tụ - bể tuyển nổi

9


Nước thải từ các công đoạn chế biến cao su được chảy đến bể gạn mủ, tại đây nước thải
được chảy qua các ngăn theo đường zic zắc để các hạt cao su nổi lên mặt nước và được thu hồi
để tái sử dụng. Nước thải sau tách mủ được chảy về bể ổn định và được giữ 2 ngày để các hạt
cao su tiếp tục nổi lên. Sau đó nước thải được đưa sang bể thổi khí. Tại bể thổi khí các hạt cao
su khó tách được dòng khí đẩy lên mặt nước. Nước sau quá trình thổi khí được chảy về bể keo
tụ. Tại bể keo tụ nước được xáo trộn nhờ mô tơ khuấy có lắp cánh gạt để hòa trộn nước và hóa
chất keo tụ (PAC), nước sau keo tụ được chảy tràn qua bể tuyển nổi để loại các bông keo. Hệ
thống loại bỏ mủ dư gồm: bể gạn mủ - bể ổn định - bể thổi khí - bể đông tụ - tuyển nổi mang
đến hiệu suất loại bỏ SS cao (khoảng 70%) nhưng chi phí cho quá trình này cũng cao nên khó
áp dụng rộng [111].
b. Xử lý chất hữu cơ
Nguyễn Trung Việt (1999) đã nghiên cứu xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng hệ thống
công nghệ gồm: Bể gạn mủ - UASB - sục khí - hồ tùy nghi. Nghiên cứu này cho thấy hệ
thống UASB là phương án thích hợp để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su. Hệ thống UASB có
thể hoạt động ổn định với OLR 15 – 20 kg-COD/m3.ngày, HRT từ 2-6 giờ, vận tốc 0,4 m/h,
hiệu suất xử lý COD đạt 79,8 – 87,9%. Tuy nhiên, các hạt cao su không được tách đã làm

giảm hiệu suất xử lý trong hệ thống UASB. Tốc độ phân huỷ kỵ khí của hệ thống UASB cũng
bị ảnh hưởng khi pH < 6. Khả năng xử lý nước thải sau hệ thống UASB của ao thực vật thủy
sinh như sau: COD dòng vào thích hợp với cây dạ lan hương (Hyacinthus) và tảo tương ứng là
2900 mg/L và 2280 mg/L, COD dòng ra tương ứng 300 mg/L và 100 mg/L khi OLR là 100 –
120 kg/ha.ngày. Tại đây, hạt cao su lơ lửng bám vào rễ, ngăn cản sự hấp thu nước và chất dinh
dưỡng làm cho cây dạ hương và tảo chết [112].
Nguyễn Ngọc Bích (năm 2003) đã tiến hành nghiên cứu hệ thống công nghệ xử lý nước
thải sơ chế mủ cao su gồm: bể điều hoà - bể gạn mủ - bể kỵ khí sơ dừa - bể tảo cao tải - bể lục
bình. Khi COD, BOD và TN dòng vào lần lượt là 6131 mg/L, 4006 mg/L và 273 mg/L hiệu
suất xử lý COD, BOD, TN và SS của bể kỵ khí sơ dừa (thể tích làm việc 12 lít) lần lượt là
94%, 95%, 19,4% và 84,3% với HRT 2 ngày. Hiệu quả xử lý COD, BOD, TN và SS của bể
tảo cao tải lần lượt là 11%; 69,5%, 74,2% và 38,3%. Hiệu suất xử lý COD, BOD và TN của bể
lục bình lần lượt là 75,5%; 52,5% và 80,9%. Hàm lượng COD, BOD, TN, N-NH3 và SS dòng
ra toàn hệ thống là 65 mg/L, 29 mg/L, 9,4mg/L, 1,8mg/L và 37 mg/L [4]. Như vậy, nước thải
dòng ra của công nghệ này đạt theo tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015. Tuy nhiên, OLR của quá
trình này thấp (OLR khoảng 3,6 kg-COD/m3.ngày) nên cần diện tích rất lớn để xây dựng công
trình. Chính vì vậy, công nghệ này rất hạn chế khi áp dụng tại các khu công nghiệp xen kẽ dân
cư.

10


Tóm lại, có rất nhiều dạng công nghệ khác nhau có thể ứng dụng để xử lý nước thải sơ
chế mủ cao su, trong đó có hệ thống UASB. Hệ thống UASB có ưu điểm là có thể xử lý nước
thải sơ chế mủ cao su có OLR cao (trên 10 kg COD/m3.ngày) và thu hồi khí metan, chi phí
vận hành thấp hơn các thiết bị khác. Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất trong vận hành hệ thống
UASB là mủ cao su dư bám vào bề mặt bùn làm giảm hiệu suất xử lý và khả năng tách bùn
thấp đã hạn chế việc nâng cao OLR.
1.4. Bể kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB)
1.4.1. Quá trình phân huỷ kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí là là quá trình phân hủy sinh học không có oxy, trong đó các
chất ô nhiễm hữu cơ được chuyển hoá bởi các vi sinh vật đến sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp
khí sinh học gồm 50 – 70% metan (nhưng có thể cao hơn tùy thuộc vào cơ chất và điều kiện
vận hành), 25 – 40% cacbonic và một lượng nhỏ hydro, nitơ, sulfua [30, 98].
Phân hủy kỵ khí dựa trên một chuỗi các hoạt động hợp tác của nhiều loài vi sinh vật.
Chúng bao gồm 2 giai đoạn với 4 bước trao đổi chất với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật
có đặc điểm sinh lý riêng biệt (hình 1.3).

Hình 1.3. Các phương thức trao đổi chất trong quá trình lên men kỵ khí [89]

11


Quá trình phân hủy kỵ khí có thể thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau, bao gồm vùng ưa
lạnh (4 – 15 °C), ưa ấm (20 – 40 °C) và ưa nóng (45 – 70 °C) [21]. Các vi khuẩn kỵ khí hoạt
động nhiều nhất ở vùng nhiệt độ ưa ấm và ưa nóng. Các thiết bị xử lý nước thải thường vận
hành trong khoảng từ 25 – 40 °C, nhiệt độ tối ưu là 35 °C [19].
Trong quá trình phân hủy kỵ khí có bốn nhóm vi sinh vật chính tham gia vào chuyển hóa
vật chất hữu cơ, bao gồm: nhóm thủy phân, nhóm lên men sinh axit, nhóm sinh axetat và
nhóm sinh metan. Hoạt động của các nhóm vi khuẩn này dựa trên mối quan hệ cộng sinh phụ
thuộc vào hoạt tính sinh học cũng như sản phẩm trao đổi chất của nhau [23].
1.4.1.1. Nhóm vi sinh vật có hoạt tính thủy phân
Nhóm vi sinh vật có hoạt tính thủy phân thực hiện chức năng bẻ gãy các phân tử hữu cơ
phức tạp (protein, xenluloza, lipit) thành các đơn phân tử tan trong nước như axit amin,
glucoza, glycerol và axit béo. Nhóm vi sinh vật này tiết ra các enzym ngoại bào (như
xenlulaza, proteaza và lipaza) xúc tác thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử [22, 39].
Nhóm vi khuẩn thủy phân là nhóm ưa axit. Chúng là quần thể có số lượng đông đảo nhất do
có phổ cơ chất lớn và thời gian sinh trưởng ngắn. Nhóm này bao gồm các loài kỵ khí bắt buộc
(Bacteriodes, Clostridia và Bifidobacteria) và tùy tiện (Streptococci và Enterobacteriaceae)
[138]. Các enzym ngoại bào khác nhau được sản xuất bởi nhóm này sẽ phân hủy các chất hữu

cơ dạng hạt và dạng keo thành dạng hòa tan tạo điều kiện cho các enzym nội bào. Nhóm này
phân hủy chậm trong điều kiện kỵ khí, do đó cần giữ điều kiện tối ưu trong suốt quá trình [39,
53]. Quá trình thủy phân quan trọng nhưng thường không diễn ra trong hạt bùn kỵ khí.
1.4.1.2. Nhóm vi khuẩn lên men sinh axit (acidogen)
Nhóm vi khuẩn lên men sinh axit chuyển hóa đường, axit amin và axit béo thành các axit
hữu cơ (như axit axetic, propionic, foocmic, butyric hay succinic), rượu và keton (như etanol,
metanol, glyxerol, axeton), axetat, CO2 và H2. Trong quá trình lên men các hợp chất
cacbohydrat, sản phẩm chính được tạo ra là axetat. Sản phẩm của quá trình lên men thay đổi
phụ thuộc vào loài vi sinh vật cũng như điều kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong
các thiết bị xử lý. Các nhóm sinh axit điển hình là Pseudomonas, Bacillus, Clostridium,
Micrococcus, Flavobacterium [144]
1.4.1.3. Nhóm vi khuẩn sinh axetat (acetogen)
Nhóm acetogen chuyển hóa các axit béo (như axit propionic, butyric) và rượu thành
axetat, H2 và CO2. Sản phẩm trao đổi chất của nhóm acetogen là nguồn cơ chất trực tiếp cho
nhóm cổ khuẩn sinh metan. Nhóm này rất nhạy cảm, chúng chỉ sống sót trong điều kiện áp
suất cục bộ của H2 ở mức rất thấp [39, 52, 53]. Do vậy chúng có quan hệ cộng sinh chặt chẽ
với các nhóm cổ khuẩn sinh metan nhằm duy trì điều kiện này.

12


Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn cổ khuẩn sinh metan khoảng 25 lần [63]. Tuy
nhiên cổ khuẩn sinh metan lại sử dụng cơ chất với hiệu suất sinh năng lượng thấp nên có thể
duy trì nồng độ sản phẩm trao đổi chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là H2) ở mức thấp và tạo
điều kiện cho acetogen tiếp tục sinh trưởng. Các loài thuộc nhóm acetogen điển hình là
Syntrophomonas và Syntrophobacter [144].
1.4.1.4. Nhóm vi sinh vật sinh metan (methanogen)
Trong xử lý nước thải các vi sinh vật này sinh trưởng với tốc độ chậm với thời gian nhân
đôi tế bào là 2,6 ngày ở điều kiện nhiệt độ 35 C hoặc tới 50 ngày ở 10 C. Nhóm methanogen
là các loài kỵ khí bắt buộc và là nhóm quyết định tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí [174]. Tất

cả các loài trong nhóm methanogen đều là các loài tự dưỡng trên nguồn cơ chất H2 và CO2
[13]. Vi sinh vật sinh metan được chia thành ba nhóm theo nguồn cơ chất: hydrogenotrophic,
acetotrophic và methylotrophic.
Cổ khuẩn sinh metan sử dụng hydro (hydrogenotrophic)
Nhóm hydrogenotrophic chuyển hóa H2 và CO2 thành CH4 theo phương trình sau:
CO2 + 4H2



CH4 + 2H2O

Nhóm hydrogenotrophic thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hydro trong hệ
thống ở mức thấp phù hợp cho nhóm acetogen hoạt động, đảm bảo các axit béo và rượu được
chuyển thành axetat. Các chi thường gặp thuộc nhóm này bao gồm Methanobacterium,
Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanopirillum [39, 53].
Cổ khuẩn sinh metan sử dụng axetat (acetotrophic/acetoclastic)
Nhóm acetotrophic/acetoclastic chuyển hóa axetat thành CH4 và CO2 theo phương trình
sau:
CH3COOH



CH4 + CO2

Nhóm acetotrophic/acetoclastic là nhóm chủ đạo trong phân hủy kỵ khí với lượng metan
sinh ra chiếm 60 – 70% [13]. Nhóm này phát triển chậm hơn nhóm hydrogenotrophic khoảng
25 lần và cũng bị ảnh hưởng bởi sự tích tụ H2 [39, 53].
Trong các bể xử lý kỵ khí thường gặp hai chi thuộc nhóm acetoclastic là Methanosarcina
và Methanosaeta (còn gọi là Methanothrix). Trong các bể kỵ khí lên men nóng (55 C)
Methanosarcina chiếm vị trí chủ đạo ở giai đoạn đầu, sau đó dần dần xuất hiện Methanosaeta

do ái lực với cơ chất axetat của Methanosarcina cao hơn Methanosaeta [190]. Trong quá trình
lên men kỵ khí, gần 2/3 metan được sinh ra từ việc chuyển hóa axetat, 1/3 còn lại có nguồn
gốc từ H2 và CO2 [39].

13


Cổ khuẩn sinh metan sử dụng methanol (methylotrophic)
Nhóm methylotrophic phát triển trên cơ chất chứa nhóm metyl và chuyển hóa các cơ chất
này thành metan
3CH3OH + 6H → 3CH4 + 3H2O
4(CH3)3– N + 6H2O → 9CH4+ 3CO2 + 4NH3
Việc các nhóm vi sinh vật sinh metan sử dụng các loại cơ chất khác nhau là kết quả của
việc thu nhận năng lượng khác nhau. Ví dụ nhóm vi sinh vật tiêu thụ H2 sẽ sử dụng năng
lượng nhiều hơn nhóm vi sinh vật phân hủy axetat. Mặc dù nhóm vi sinh vật tiêu thụ H2 thu
nhận năng lượng nhiều hơn nhóm vi sinh vật phân hủy axetat nhưng số lượng nhóm này chỉ
chiếm 30% trong khi nhóm vi sinh vật phân hủy axetat chiếm xấp xỉ 70%. Nguyên nhân là do
sự cung cấp giới hạn hạn H2 cho quá trình phân hủy kỵ khí. Lượng metan thu được chủ yếu từ
quá trình phân hủy axetat do 2 loài cổ khuẩn là Methanosarcina và Methanosaeta [53].
Việc sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật sinh metan chủ yếu là do sự phân bào,
nảy chồi, tạo mảnh vỡ và sự co thắt tế bào. Các vi sinh vật sinh metan sinh trưởng và phát
triển rất chậm. Sự phát triển chậm do methanogen sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra
ít năng lượng từ một đơn vị cơ chất) và chúng cần một lượng lớn cơ chất cho quần thể vi sinh
vật sinh metan nhân đôi. Do đó chỉ một lượng nhỏ tế bào hoặc bùn được sản xuất khi một đơn
vị cơ chất bị phân giải. Vì vậy phân hủy kỵ khí chi sản xuất một lượng bùn rất nhỏ [53].
1.4.2. Đặc tính chung của hệ thống UASB
UASB được nhà khoa học Phần Lan Lettinga phát triển đầu tiên vào năm 1972 (hình 1.4)
Trong hệ thống UASB luôn duy trì nồng độ sinh khối với sự đa dạng cao về thành phần vi
sinh vật nên có thể xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao và nhanh. Đặc trưng của
hẹ thống UASB có thể vận hành ổn định tại OLR cao (đến 30 kg-COD/m3.ngày) và HRT ngắn

(đến 6h) và thiết kế đơn giản [152].
Hệ thống UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao.
Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn bị
giữ lại. Dòng vào đi qua lớp bùn kỵ khí chứa các vi sinh vật ở dạng bùn hạt. Nhờ các vi sinh
vật chứa trong bùn hoạt tính mà các chất hữu cơ bị phân hủy thành metan và cacbonic. Sự
chuyển động của dòng khí này khiến chất lỏng được khuấy trộn trong thiết bị [154]. Tại phần
đỉnh của thiết bị, pha nước được phân tách khỏi bùn và khí nhờ thiết bị phân tách rắn - lỏng khí. Thiết bị tách 3 pha này là mũ bẫy khí mà phần dưới mở ra, các vách làm thay đổi đường
đi của khí. Các hạt bùn trong thiết bị có tốc độ lắng cao và chống lại việc rửa trôi bùn ra khỏi
hệ thống khi ở chế độ thủy lực cao. Tốc độ của dòng đi lên có thể đạt 60 m/s [102].

14


Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị UASB [90]
Trong hệ thống UASB, các vi sinh vật kỵ khí có thể hình thành hạt bùn thông qua sự
tương tác của các tế bào. Bùn hạt kỵ khí có mật độ vi sinh vật dày đặc bao gồm hàng triệu tế
bào trong một gam sinh khối với sự đa dạng về loài, nhờ đó có thể chuyển hóa rất nhanh chất
ô nhiễm với nồng độ cao hoặc thể tích lớn mà không đòi thể tích thiết bị lớn. Kích thước hạt
bùn lớn và tỷ trọng hạt bùn cao làm cho chúng lắng nhanh nên dễ dàng tách sinh khối khỏi
dòng ra [94].
Sự thích nghi của bùn kỵ khí ở dạng phân tán sang dạng hạt trong hệ thống UASB có thể
phân chia thành 3 giai đoạn [69]:
-

Giai đoạn 1: thích ứng với môi trường và cơ chất thường mất vài ngày sau quá trình khởi
động.

-

Giai đoạn 2: hoạt tính của bùn tăng do sự phát triển của vi sinh vật và SRT của bùn cao

hơn. Hoạt tính sinh metan tăng trong một vài tuần đầu.

-

Giai đoạn 3: hình thành các pellet. Kích thước của hạt đầu tiên bằng đầu kim sau 6 – 8
tuần khởi động.

Các thông số đáp ứng hiệu quả xử lý của hệ thống UASB tốt là sự hình thành và kết chặt
của hạt bùn mà có SMA và đặc tính lắng vượt trội.
1.4.3. Ưu, nhược điểm
Ưu điểm

15


- Có thể xử lý với tải trọng ô nhiễm hữu cơ cao với yêu cầu về dinh dưỡng thấp, lượng bùn
sinh ra ít nên bùn dư thấp.
- Sản xuất khí metan và có thể thu hồi như một dạng năng lượng.
- Không đòi hỏi năng lượng cho quá trình thông khí nên chi phí vận hành thấp.
- Bùn kỵ khí có thể bảo quản trong điều kiện không cung cấp thức ăn trong vài tháng mà
không bị hư hỏng.
Nhược điểm
-

Quá trình khởi động chậm nếu bùn giống khó thích nghi. Thời gian khởi động hệ thống
UASB quá dài: từ 2 – 8 tháng, thậm chí hàng năm để tạo bùn hạt từ bùn phân tán [95].

-

Sự vận hành hệ thống UASB phụ thuộc vào sự hình thành bùn hạt kỵ khí với độ lắng cao

và hoạt tính sinh metan lớn. Tiềm năng của hệ thống UASB có thể không được khai thác
cho đến khi hạt bùn được hình thành [31].

1.5. Sự hình thành hạt bùn
1.5.1. Bùn kỵ khí dạng hạt
Bùn hạt là một quần xã vi sinh vật sống cộng sinh được hình thành trong quá trình xử lý
nước thải với tốc độ lắng và hoạt tính sinh metan cao. Hạt bùn chứa tất cả các loài vi khuẩn
cần thiết cho sự phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ xuất hiện trong nước thải. Chúng có thể
được xem là một vi hệ sinh thái vi sinh vật [95].
Không giống như các bông bùn, các hạt bùn có tính chất cơ học ổn định, các thực thể
phân tách riêng rẽ. Về mặt hình thái học, hạt bùn có đặc tính như: hạt tương đối lớn (đường
kính phổ biến 0,5 mm < d < 2 mm) hình dạng cân đối và có bề mặt xác định, mật độ tế bào
cao dẫn đến khả năng lắng tốt. Trong hệ thống UASB, việc tương tác liên tục giữa nước thải
với bùn hạt dẫn đến nước thải được làm sạch. Do đó, sức sống của lớp màng vi sinh vật, hình
dạng, kích thước và mật độ bùn hạt kiểm soát hiệu quả xử lý nước thải trong hệ thống UASB.
Người ta đã xác định 1g bùn hạt có thể chuyển hóa 0,5 – 1g COD/ngày [94]. Như vậy, sự hình
thành các hạt bùn cực kỳ quan trọng vì chúng không chỉ hỗ trợ tích cực cho lớp màng vi sinh
vật mà còn tạo sự lơ lửng và lắng cần thiết cho phép các chúng tiếp xúc tốt với chất lỏng trong
các hệ thống UASB.
1.5.2. Cấu trúc hạt bùn kỵ khí
1.5.2.1. Cấu trúc vật lý
Các hạt bùn có cấu trúc xốp ở phía ngoài (khoảng 0,1 mm) và dạng tinh thể ở phần lõi
[170]. Hình 1.5 chỉ ra bùn hạt kỵ khí trong hệ thống UASB của nhà máy giấy. Mũi tên màu đỏ

16