Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su

B GIÁO D C VÀ ÀO T O
TR

NG

I H C BÁCH KHOA HÀ N I

NGUY N TH THANH

NGHIÊN C U QUÁ TRÌNH T O BÙN H T
TRONG H TH NG UASB NH M X Lụ N
C
TH I S CH M CAO SU
Chuyên ngành: Công ngh sinh h c
Mã s : 62420201

LU N ÁN TI N S CỌNG NGH SINH H C

Hà N i - 2016


B GIÁO D C VÀ ÀO T O
TR

NG

I H C BÁCH KHOA HÀ N I

NGUY N TH THANH

NGHIÊN C U QUÁ TRÌNH T O BÙN H T

TRONG H TH NG UASB NH M X Lụ N
C
TH I S CH M CAO SU

Chuyên ngành: Công ngh sinh h c
Mã s : 62420201
LU N ÁN TI N S CỌNG NGH SINH H C
NG
IH
NG D N KHOA H C:
1. PGS.TS.Nguy n Lan H ng
2. PGS.TS. Tô Kim Anh

Hà N i - 2016


L I CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan: Lu n án này là công trình nghiên c u th c s c a cá nhân,
đ c s h
Anh.

ng d n khoa h c c a PGS.TS Nguy n Lan H

ng vƠ PGS.TS.Tô Kim

Các s li u, nh ng k t qu nghiên c u đ c trình bày trong lu n án này trung th c
vƠ ch a t ng đ c công b d i b t c hình th c nào.
Tôi xin ch u trách nhi m v nghiên c u c a mình.
Hà N i,ngày
Giáo viên h

ng d n

PGS.TS.Tô Kim Anh

Giáo viên h

ng d n

PGS.TS Nguy n Lan H

tháng

n m 2016

Tác gi

ng

Nguy n Th Thanh


L IC M

N

L i đ u tiên, tôi xin chân thành c m n PGS.TS. Nguy n Lan H ng và PGS.TS.
Tô Kim Anh đƣ h ng d n và t o m i đi u ki n thu n l i nh t cho tôi th c hi n các k
ho ch h c t p, nghiên c u lu n án này v i s t n t y, sáng su t và khoa h c cao.
Tôi r t bi t n vƠ trơn tr ng s giúp đ quý báu c a GS. Yamaguchi Takashi,

Phòng Thí nghi m Môi tr ng đ t vƠ n c, Khoa Xây d ng và K thu t Môi tr ng,
i h c K thu t Nagaoka, Nh t B n.
Tôi xin trân tr ng c m n Chính ph Vi t Nam đã h tr kinh phí h c t p, nghiên
c u thông qua đ án 911. Tôi c ng trơn tr ng c m n Qu khuy n h c Thành ph Hà
N i.
Tôi xin g i l i c m n đ n toàn th cán b , nhơn viên v n phòng d án “T o l p
vòng tu n hoàn cacbon v i cơy cao su thiên nhiên” vƠ Vi n Nghiên c u và Phát tri n
ng d ng các h p ch t thiên nhiên, Tr

ng

i h c Bách Khoa Hà N i.

Tôi xin g i l i c m n đ n c quan tôi đang công tác: Khoa Tài nguyên Môi
tr

ng, Tr

ng Cao đ ng C ng đ ng Hà Tây v s

ng h , giúp đ , t o đi u ki n v

m i m t trong quá trình tôi th c hi n lu n án.
Tôi xin g i l i c m n đ n các th y cô B môn Công ngh Sinh h c, Vi n Công
ngh Sinh h c và Công ngh Th c ph m, Tr ng
i h c Bách Khoa Hà N i v i
nh ng góp ý thi t th c trong su t quá trình tôi làm lu n án.
Tôi xin g i l i c m n đ n đ n nh ng nhà khoa h c, các b n đ ng nghi p vì s
giúp đ thi t th c cho lu n án này.
Tôi xin đ c g i l i c m n đ c bi t nh t t i gia đình tôi. Nh ng ng i đƣ luôn

bên c nh, chia s nh ng khó kh n vƠ lƠ đ ng l c giúp tôi hoàn thành lu n án.
Hà N i, ngày

tháng

n m 2016

Nghiên c u sinh

Nguy n Th Thanh


M CL C
DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ T

VI T T T ................................................................... IV

DANH M C B NG ......................................................................................................................V
DANH M C HÌNH ..................................................................................................................... VI
CH

NG 1.

T NG QUAN TÀI LI U ................................................................................ 3

1.1. T ng quan ngành công nghi p s ch m cao su thiên nhiên ............................................ 3
1.1.1.

Cây cao su và tình hình phát tri n .................................................................................... 3

1.1.2.

Thành ph n và c u trúc m cao su thiên nhiên ................................................................ 3

1.1.3.

Công ngh s ch m cao su............................................................................................. 4

1.2. Tính ch t n

c th i s ch m cao su ................................................................................... 5

1.3. Tình hình nghiên c u v x lỦ n

c th i s ch m cao su thiên nhiên .................................. 7

1.3.1.

Ngoài n

c........................................................................................................................ 7

1.3.2.

Trong n

c........................................................................................................................ 9

1.4. B k khí v i dòng ch y ng

c qua l p bùn ho t tính (UASB) ....................................... 11

1.4.1.

Quá trình phân hu k khí............................................................................................... 11

1.4.2.

c tính chung c a h th ng UASB ............................................................................... 14

1.4.3.

u, nh

c đi m............................................................................................................... 15

1.5. S hình thành h t bùn.......................................................................................................... 16
1.5.1.

Bùn k khí d ng h t ........................................................................................................ 16

1.5.2.

C u trúc h t bùn k khí ................................................................................................... 16

1.5.3.

Các thành ph n c b n c a h t bùn ............................................................................... 18

1.5.4.

C s lý thuy t c a quá trình t o h t bùn k khí ............................................................ 22

1.6. Các y u t
1.6.1.

nh h

nh h

ng đ n quá trình hình thành bùn h t k khí..................................... 27

ng c a c ch t ................................................................................................... 28

1.6.2.

T i tr ng h u c ............................................................................................................. 28

1.6.3.

c tính c a bùn gi ng ................................................................................................... 28

1.6.4.

Các ch t dinh d

ng ....................................................................................................... 29

i

1.6.5.

Các nguyên t khoáng..................................................................................................... 29

1.6.6.

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

1.6.7.

Các ch t t o keo ............................................................................................................. 30

1.6.8.

Nhi t đ ........................................................................................................................... 30

1.6.9.

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

1.7. Các thông s đánh giá h t bùn k khí ................................................................................ 30
1.7.1.

Ho t tính sinh metan ....................................................................................................... 30

1.7.2.

Kích th

1.7.3.

Ch s th tích bùn l ng .................................................................................................. 32

1.7.4.

b n c h c ................................................................................................................. 32

1.7.5.

Màu s c ........................................................................................................................... 32

c và t tr ng h t bùn ....................................................................................... 31

1.8. M t s ph ng pháp sinh h c phân t
ng d ng trong xác đ nh thành ph n vi sinh
v t trong bùn k khí .................................................................................................................... 32
CH

NG 2.

V T LI U VÀ PH

NG PHÁP NGHIểN C U .......................................... 35

2.1. V t li u ................................................................................................................................... 35
2.1.1.

it

ng nghiên c u .......................................................................................................... 35

2.1.2. Hóa ch t .............................................................................................................................. 36
2.1.3. Thi t b ................................................................................................................................. 37
2.2. Ph

ng pháp nghiên c u ..................................................................................................... 39

2.2.1. Các ph

ng pháp phân tích ................................................................................................ 39

2.2.2. N i dung nghiên c u............................................................................................................ 44
CH

NG 3.

K T QU VÀ TH O LU N ......................................................................... 47

3.1. Kh o sát đ c tính n

c th i s ch m cao su thiên nhiên ............................................... 47

c th i nhà máy t i khâu đánh đông .......................................................................... 47

3.1.1.

N

3.1.2.

Ti n x lý n

3.1.3.

N

c th i nhà máy.......................................................................................... 50

c th i đánh đông trong phòng thí nghi m................................................................ 49

3.2. Nghiên c u t o bùn h t trong h th ng UASB .................................................................. 53

ii


3.2.1.

Ho t hóa bùn trong h th ng UASB ............................................................................... 53

3.2.2.

Nghiên c u m t s đi u ki n nh h

ng t i s hình thành bùn h t ............................... 56

3.3.1.

nh h

ng c a t i tr ng h u c ..................................................................................... 56

3.3.2.

nh h

ng c a AlCl3 ...................................................................................................... 61

3.3.3.

nh h

ng c a r đ

ng ................................................................................................. 65

3.3. Thành ph n vi sinh v t trong các lo i bùn h t k khí ...................................................... 71
3.3.1.

Thành ph n vi khu n....................................................................................................... 74

3.3.2.

Thành ph n c khu n ...................................................................................................... 79

3.4. X lỦ n

c th i s ch m cao su b ng UASB s d ng bùn ho t tính d ng h t ............ 84

3.4.1.

Hi u qu x lý c a bùn h t ............................................................................................. 84

3.4.2.

ánh giá s thay đ i c u trúc h t bùn ........................................................................... 87

3.5. i u ki n b o qu n h t bùn ................................................................................................. 90
3.5.1.

S thay đ i ho t tính sinh metan riêng ........................................................................... 91

3.5.2.

S thay đ i COD hòa tan trong môi tr

3.5.3.

S thay đ i kích th

ng b o qu n ................................................... 92

c h t bùn ....................................................................................... 93

K T LU N .................................................................................................................................. 96
KI N NGH ................................................................................................................................. 97
DANH M C CỄC CỌNG TRỊNH Ã CỌNG B

C A LU N ỄN ..................................... 98

TÀI LI U THAM KH O........................................................................................................... 99

iii


DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ T
KỦ t

VI T T T

Ti ng Anh

Chú gi i

BOD

Biochemical Oxygen Demand

Nhu c u oxy hóa sinh h c

BR

Baffled Reactor

Thi t b vách ng n (b y cao su)

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu c u oxy hóa h c

DNA

Deoxyribonucleic acid

Axit deoxiribonucleic

DHS

Downflow Hanging Sponge

Thi t b l c hi u khí v i dòng ch y t
trên xu ng qua l p mút x p

DPNR

Deprotein natural ruber

Cao su thiên nhiên lo i protein

DRC

Dry Rubber Content

HƠm l

ECP

Extracellular Polymer

S n ph m ngo i bào

HRT

Hydraulic retention time

Th i gian l u c a n

MLSS

Mixed Liquor Suspended Solid

N ng đ sinh kh i l l ng

MLVSS

Mixed Liquor Volatile Suspended Solid

N ng đ sinh kh i l l ng bay h i

NGS

Next Generation Sequencing

Gi i trình t gen th h m i

N-NH3

Amonia

Nit amon

OLR

Organic Loading Rate

T i tr ng h u c

ng cao su khô

c th i

Quy Chu n Vi t Nam

QCVN
SBR

Sequencing Batch Reactor

Thi t b x lý tu n t theo m

SDS

Sodium dodecyl sulphate

CH3(CH2)11SO4Na

SMA

Specific Methane Activity

Ho t tính sinh methan riêng

SS

Suspended Solid

Ch t r n l l ng

SVI

Sludge Volume Index

Ch s th tích bùn l ng
Tiêu chu n Vi t Nam

TCVN
TN

Total Nitrogen

T ng nit

UASB

Upflow Anaerobic Slugde Blanket

Thi t b x lý k khí v i dòng ch y
ng c qua l p bùn ho t tính

VFA

Volatile Fatty Axit

Axit béo bay h i

VSS

Volatile Suspended Solid

Ch t r n l l ng bay h i

iv


DANH M C B NG

B ng 1.1. Thành ph n hóa h c c a m cao su thiên nhiên ............................................ 4
B ng 1.2.

c tính n

c th i s ch m cao su

Vi t Nam........................................... 6

B ng 1.3. M t s vi sinh v t chi m u th xu t hi n trong bùn h t k khí................... 19
B ng 1.4. Hi u su t sinh khí metan c a m t s lo i bùn .............................................. 31
B ng 1.5. Ho t tính sinh metan riêng c a m t s lo i bùn............................................ 31

B ng 1.6. Các ph
B ng 3.1.

ng pháp sinh h c phân t phân tích thành ph n vi sinh v t........... 33

c tính n

B ng 3.2. HƠm l

c th i khơu đánh đông c a nhà máy cao su t i Thanh Hóa ...... 47

ng VFA t i khơu đánh đông c a nhà máy cao su t i Thanh Hóa ... 49

B ng 3.3.

c tính n

c th i tr

B ng 3.4.

c tính n

c th i s ch m cao su đánh đông trong phòng thí nghi m ... 50

B ng 3.5. HƠm l

c và sau khi qua b y cao su ...................................... 53

ng MLSS và MLVSS c a bùn gi ng vƠ bùn đƣ ho t hóa ............... 55

B ng 3.6. Tính ch t bùn h t k khí v i các quá trình t o bùn h t ................................. 70
B ng 3.7. T l các nhóm vi khu n chi m u th trong các m u bùn ......................... 75

v


DANH M C HÌNH

Hình 1.1. C u t o hóa h c cao su thiên nhiên ................................................................ 3
Hình 1.2. S đ công ngh s ch m cao su thiên nhiên .............................................. 5
Hình 1.3. Các ph

ng th c trao đ i ch t trong quá trình lên men k khí .................... 11

Hình 1.4. S đ thi t b UASB ..................................................................................... 15
Hình 1.5. Bùn h t k khí .............................................................................................. 17
Hình 1.6. Các l p vi sinh v t và quá trình phân h y trong h t bùn .............................. 18
Hình 1.7. Mô hình phát tri n h t bùn đ

c đ xu t b i Pareboom .............................. 23

Hình 1.8. Mô hình h t nhơn tr ..................................................................................... 23
Hình 1.9. Mô hình b n b

c ........................................................................................ 24

Hình 1.10. Mô hình chuy n v proton và kh n

c ..................................................... 25

Hình 1.11.Mô hình liên k t ion đa hóa tr .................................................................... 25
Hình 1.12. Mô hình liên k t ECP .................................................................................. 26
Hình 1.13. M i quan h gi a y u t vi sinh v t và các thông s công ngh trong quá
trình t o bùn h t ............................................................................................................ 27
Hình 2.1. N

c th i đánh đông m cao su .................................................................... 35

Hình 2.2. S đ h th ng UASB ................................................................................... 37
Hình 2.3. S đ thi t b b y cao su (BR) ....................................................................... 38
Hình 2.4. Quy trình gi i trình t b ng metagenomics ................................................... 43
Hình 3.1. S k t t cao su trong h th ng UASB ........................................................ 51
Hình 3.2. Hi u su t x lý SS b ng b y cao su ph thu c hƠm l
Hình 3.3. SMA c a bùn và nh h

ng SS đ u vào ........ 52

ng c a OLR đ n SMA trong th i gian ho t hóa .. 54

Hình 3.4. SVI c a bùn ngày 1 và ngày 73 c a quá trình ho t hóa ................................ 56
Hình 3.5. Hình thái bùn khi t ng OLR trong kho ng 3,10 ± 0,92 kg COD/m3.ngày .... 57
Hình 3.6. Phân b kích th

c h t bùn t i OLR đ t 3,75 và 3,95 kg-COD/m3.ngày ..... 58

Hình 3.7. SVI c a bùn gi ng và bùn trong h th ng UASB ng v i các OLR ............ 59
Hình 3.8. Hi u su t sinh khí metan và t l khí metan khi thay đ i OLR .................... 60
Hình 3.9. Hình thái bùn h t khi b sung 300 mg-AlCl3/L ............................................ 62
vi

Hình 3.10. Phân b kích th

c h t bùn khi b sung và không b sung AlCl3 vào ngày

60 và ngày 103 ............................................................................................................... 62
Hình 3.11. Ch s SVI c a bùn khi b sung và không b sung AlCl3 vào ngày 60 ...... 63
Hình 3.12. Hi u su t sinh khí metan và t l khí metan có b sung và không b sung
AlCl3 .............................................................................................................................. 64
Hình 3.13. Hình thái bùn h t khi v n hành h th ng UASB b ng n
cao su có b sung r đ

c th i s ch m

ng ............................................................................................ 66

Hình 3.14. Phân b kích th

c h t bùn vào ngày 20 và ngày 38 trong quá trình v n

hành h th ng UASB b ng n

c th i s ch m cao su có b sung r đ

Hình 3.15. Ch s SVI cùa bùn h t khi b sung AlCl3 và r đ

ng .............. 66

ng .............................. 67

Hình 3.16. Hi u su t sinh khí metan và t l khí metan khi v n hành UASB b ng n
th i s ch m cao b sung AlCl3 và r đ

c

ng .............................................................. 68

Hình 3.17. Quy trình t o bùn h t trong h th ng UASB quy mô 20L .......................... 71
Hình 3.18. T l các ngành vi sinh v t trong m u bùn phơn tán đƣ ho t hóa và bùn h t
d a trên phân tích trình t gen 16S rRNA..................................................................... 72
Hình 3.19. Các nhóm c khu n chi m u th trong ngành Euryacheaota .................... 80
Hình 3.20. Qu n xã vi sinh v t tham gia vào quá trình chuy n hóa và hình thành bùn
h t .................................................................................................................................. 83
Hình 3.21. S bi n đ ng COD, OLR, hi u su t x lý COD trong quá trình x lỦ n

c

th i s ch cao su c a các h th ng UASB ................................................................... 85
Hình 3.22. T c đ sinh khí trong quá trình x lỦ n

c th i s ch cao su c a các h

th ng UASB .................................................................................................................. 86
Hình 3.23. Hi u su t sinh khí metan trong quá trình x lỦ n

c th i s ch cao su c a

các h th ng UASB ....................................................................................................... 86
Hình 3.24. SVI c a bùn h t trong quá trình x lỦ n c th i s ch m cao su .................... 87

Hình 3.25. Hình thái bùn h t ngày 1 và ngày 98 trong h th ng UASB x lỦ n

c th i

s ch m cao su ............................................................................................................ 88
Hình 3.26. Phân b kích th
n

c bùn h t ngày 1 và ngày 98 trong h th ng UASB x lý

c th i s ch cao su .................................................................................................. 88
vii


Hình 3.27. S bi n đ ng các ngành vi sinh v t c a bùn h t trong quá trình x lỦ n

c

th i s ch m cao su ..................................................................................................... 89
Hình 3.28. S bi n đ ng các nhóm methanogen c a bùn h t trong quá trình x lỦ n

c

th i s ch m cao su ..................................................................................................... 90
Hình 3.29. S bi n đ ng SMA trong quá trình b o qu n bùn h t ................................. 91
Hình 3.30. S bi n đ ng hƠm l
Hình 3.31. Phân b kích th

ng CODs trong quá trình b o qu n bùn h t ............. 92

c bùn h t trong quá trình b o qu n ................................. 94

Hình 3.32. Hình thái bùn h t: (A) bùn h t tr

c b o qu n, (B) bùn h t sau 6 tháng b o

qu n t i 4oC, (C) bùn h t sau 6 tháng b o qu n

nhi t đ phòng ................................ 95

viii


GI I THI U LU N ÁN
Tính c p thi t c a đ tài
Ngành cao su là ngành công nghi p có đóng góp đáng k vào t ng kim ng ch xu t kh u
c a Vi t Nam. Hi n nay cơy cao su đ ng th 2 v t su t l i nhu n (sau cây cà phê). M c dù
ngành cao su đƣ t o vi c lƠm cho hƠng ngƠn ng i lao đ ng vƠ đóng góp đáng k cho ngân
sách nhƠ n c nh ng ngành công nghi p này c ng t o ra nh ng v n đ đáng lo ng i v ch t
l ng môi tr ng. N c th i s ch m cao su có m c đ ô nhi m cao v i l u l ng l n n u
không đ c x lý tri t đ s tác đ ng x u đ n ch t l ng môi tr ng. Bên c nh đó, mùi hôi
phát sinh trong quá trình phân h y k khí các ch t h u c trong n c th i c ng nh h ng
nghiêm tr ng đ n môi tr ng không khí xung quanh.
Hi n nay hi u qu x lỦ n c th i t i các nhà máy cao su Vi t Nam r t th p, n c th i
dòng ra không đ t theo tiêu chu n QCVN 01-MT:2015/BTNMT. Tình tr ng này do nhi u
nguyên nhân, m t trong nh ng nguyên nhơn đó lƠ h th ng x lỦ n c th i đ c thi t k ch a
đ công su t. Thêm vƠo đó l u l ng n c th i th ng xuyên bi n đ ng ph thu c vào đi u
ki n s n xu t. Nhi u h th ng x lỦ n c th i t i các nhà máy b quá t i, đ c bi t vào nh ng
tháng s n xu t cao đi m [111], do đó đòi h i ph i m r ng th tích công trình ho c rút ng n
th i gian x lý b ng các thi t b cao t i. Hi n nay các đ a đi m đ t nhà máy s ch m cao su

th ng xen k v i khu dơn c nên r t khó t ng di n tích công trình nên gi i pháp l a ch n t i
u cho x lỦ n

c th i s ch m cao su t i Vi t Nam là s d ng các thi t b cao t i.

H th ng x lý k khí v i dòng ch y ng c qua l p bùn ho t tính (UASB) là m t trong
nh ng thi t b cao t i đƣ đ c s d ng trong x lỦ n c th i công nghi p trong nhi u th p k .
H th ng UASB có u đi m là v n hành đ n gi n, ch u đ c t i tr ng h u c cao vƠ có th
đi u ch nh t i tr ng h u c theo t ng th i k s n xu t c a nhà máy. Ngoài ra h th ng này tiêu
th n ng l ng ít, di n tích xây d ng công trình nh và không phát tán mùi hôi. Khí phát sinh
trong quá trình x lỦ n c th i có th thu h i vƠ đ c s d ng làm nhiên li u. Tuy nhiên, hi u
su t x lý ph thu c vào tr ng thái bùn. Bùn phân tán d b r a trôi khi t ng t i tr ng h th ng.
Bùn h t có kh n ng ch ng r a trôi, t o tr ng thái l l ng lƠm t ng kh n ng ti p xúc v i c
ch t, m t đ vi sinh v t trong bùn h t cao h n bùn phơn tán nên s d ng bùn h t d dàng nâng
cao OLR trong h th ng UASB. Th i gian kh i đ ng h th ng UASB đ bùn h t hình thành
th ng kéo dài. Do đó đ rút ng n th i gian kh i đ ng, t ng c ng s tách bùn dòng ra thì
vi c t o l p h bùn ho t tính d ng h t là r t c n thi t đ nâng cao hi u qu x lý c a h th ng
UASB h ng t i ng d ng trong x lỦ n c th i s ch m cao su. Vì v y đ tài lu n án:
"Nghiên c u quá trình t o h t bùn trong h th ng UASB nh m x lỦ n
m cao su" đƣ đ c th c hi n v i các m c tiêu nh sau:

1

c th i s ch


-

Nghiên c u quá trình t o bùn h t k khí trong h th ng UASB nh m nơng cao n ng l c h
th ng x lý n c th i s ch m cao su thiên nhiên;

-

ánh giá hi u qu s d ng bùn h t k khí trong h th ng UASB x lỦ n
m cao su thiên nhiên.

c th i s ch

N i dung nghiên c u c a đ tài:
-

Kh o sát đ c tính n

c th i s ch m cao su thiên nhiên;

-

Nghiên c u các đi u ki n t o bùn h t k khí trong h th ng UASB;

-

Nghiên c u c u trúc qu n xã vi sinh v t trong các lo i bùn h t k khí;

-

ánh giá hi u qu x lỦ n
h t k khí;

-

Kh o sát đi u ki n b o qu n bùn h t k khí.

c th i s ch m cao su b ng h th ng UASB s d ng bùn

Nh ng đóng góp m i c a lu n án
-

Là nghiên c u kh i đ u cho h ng nghiên c u t o bùn h t trong h th ng UASB x lý
n c th i s ch m cao su t i Vi t Nam. B c đ u tìm hi u c u trúc qu n xã vi sinh v t
trong bùn h t nh m tìm ra vai trò c a chúng trong s hình thành bùn h t c ng nh trong
x lỦ n c th i s ch m cao su thiên nhiên.

-

Th nghi m x lỦ n c th i s ch m cao su s d ng bùn h t trong h th ng UASB đƣ
đƣ nâng OLR lên 15,3 kg-COD/m3.ngƠy v i hi u su t x lỦ COD đ t 95,8%, hi u su t
sinh khí metan đ t 0,325 m3-CH4/kg-CODchuy n hóa t ng ng v i t ng OLR 3,5 l n, t ng
hi u su t x lý COD 7,6% vƠ t ng hi u su t sinh khí metan 2,86 l n so v i s d ng bùn
phân tán cùng đi u ki n. Bùn h t có c u trúc n đ nh vƠ hoàn toàn phù h p cho h
th ng UASB x lỦ n c th i s ch m cao su.

2


CH

NG 1. T NG QUAN TÀI LI U

1.1. T ng quan ngƠnh công nghi p s ch m cao su thiên nhiên
1.1.1. Cây cao su và tình hình phát tri n

Cây cao su (Hevea brasiliensis) ti t ra ch t l ng g i là m cao su ho c latex. M cao su
đ c s d ng làm nguyên li u trong s n xu t cao su thiên nhiên. Cơy cao su ban đ u ch m c
t i khu v c r ng Amazon. N m 1873, ng i ta tr ng th nghi m chúng ngoài ph m vi Brasil.
Ngày nay ph n l n các n c tr ng cao su n m t i khu v c ông Nam Á vƠ m t s t i khu
v c Châu Phi [3]. Nhóm 5 n c s n xu t cao su thiên nhiên l n nh t th gi i là Thái Lan,
Indonesia, Malaysia, n
và Vi t Nam (chi m h n 92% t ng s n l ng s n xu t c a th
gi i). T n m 2001 s n l ng cao su thiên nhiên t ng tr ng bình quân 4,8%/n m. N m 2014,
t ng di n tích tr ng cây cao su trên th gi i c tính đ t 9,57 tri u ha v i s n l ng cao su đ t
12,2 tri u t n [173]. Theo báo cáo c p nh t ngành cao su thiên nhiên, Vi t Nam là qu c gia
đ ng th 3 th gi i v s n l ng khai thác cao su thiên nhiên đ t 1,1 tri u t n chi m t tr ng
kho ng 9% vào n m 2014 [1]. Hi n nay, di n tích tr ng cây cao su c a Vi t Nam đ t trên
955.000 ha. Trong đó, t ng di n tích tr ng cơy cao su c a t nh Thanh Hóa đ t 18.296 ha vƠ
hi n có h n 6.400 ha cao su đang trong th i k thu ho ch m v i s n l ng đ t h n 6.000 t n
m khô/n m (S Nông nghi p vƠ Phát tri n nông thôn Thanh Hóa, 2014). N ng su t m cao
su bình quân toƠn ngƠnh đ t 1,6 t n/ha [2].
1.1.2. Thành ph n và c u trúc m cao su thiên nhiên
C u trúc c a m cao su thiên nhiên g m hai pha: l ng vƠ r n. Pha l ng g m n c vƠ m t
s ch t hòa tan (serum). Ph n r n g m nh ng h t cao su l l ng hình c u v i c u t o l p trong
lƠ cao su, l p ngoài là protein và lipit. Khi l p ngoƠi b phá h y gơy nên hi n t ng đông t
các h t cao su. Cao su thiên nhiên là h p ch t cao phân t (polime) ch a các isoprene (C5H8)n.
Các phân t isoprene k t n i v i nhau t o thành m t chu i dài (cis-1,4-polyisoprene [C5H8]n).
Công th c c u t o c a cao su thiên nhiên đ c bi u di n trong hình 1.1.

Hình 1.1. C u t o hóa h c cao su thiên nhiên [7]

3


Thành ph n m cao su thiên nhiên thay đ i theo gi ng cơy, tu i cơy, tình tr ng ch m sóc,

khí h u, th nh ngầ Thành ph n hóa h c c a m cao su thiên nhiên đ c bi u di n trong
b ng 1.1.
B ng 1.1. Thành ph n hóa h c c a m cao su thiên nhiên [3, 7]
nv

Thành ph n
Cao su

HƠm l

ng

% DRC

30 - 40

%

52 - 70

Protein

%

2-3

Lipit và d n xu t

%

1-2

Glucid và heterosid

%

1

Khoáng ch t

%

0,3 ậ 0,7

Cao su

t n/m3

0,932 ậ 0,952

Serum

t n/m3

1,031 ậ 1,035

N

c

T tr ng

N ng đ cao su dao đ ng t 30 ậ 40% nh ng th ng trong kho ng 30 ậ 35% DRC [3].
NgoƠi cao su vƠ n c, các thành ph n ch y u khác xu t hi n trong m cao su t i là
hydratcacbon, protein, lipit, mu i khoáng và m t l ng nh axit amin, nucleotid.
1.1.3. Công ngh s ch m cao su
M cao su đ c ch ng đông b ng dung d ch amoniac. Sau đó chúng đ c s ch theo
t ng d ng s n ph m. Nhìn chung quy trình s ch m cao su kh i bao g m các công đo n nh
hình 1.2.
t

S n xu t m t t n thành ph m cao su c m (t m t p và m skim), cao su kh i (t m
i) vƠ m ly tâm th i ra l ng n c th i t ng ng kho ng 30, 25 và 18 m3 [111].

4


NH3

NH3

H2O

M t p

Ngâm,
r a

CH3COOH

M n

Li tâm

c

Pha loãng đ n
DRC 25

M skim

N c
r a

ánh đông

Latex 60%DCR

Thành
ph m

Serum

N

cx ,m v n

H2 O

Kéo/cán

H2 O

Máy c t

N

cx ,m v n

H2 O

Sàn rung

N

cx ,m v n

S y

Ép ki n

Thành
ph m

Hình 1.2. S đ công ngh s ch m cao su thiên nhiên [3]
1.2. Tính ch t n

c th i s ch m cao su

Trong quá trình s ch m cao su, n c th i phát sinh ch y u các công đo n đánh

đông, kéo/cán, c t vƠ n c r a b n. N c th i t b n khu y tr n ch a m t ít h t cao su. N c
th i t m ng đông t ch a ph n l n là serum có hƠm l ng ô nhi m cao nh t. N c th i t
các công đo n khác có b n ch t t ng t trong m ng đông t nh ng loƣng h n. N c th i

5


đánh đông ch a m t s thành ph n đ c tr ng nh các axit d bay h i (VFA), protein, đ ng,
cao su; pH kho ng 5 ậ 5,5. c tính n c th i s ch m cao su c a m t s nhà máy s n xu t
cao su Vi t Nam đ c th hi n b ng 1.2.
B ng 1.2.
Ch tiêu

c tính n

c th i s ch m cao su

Vi t Nam
N

Cao su ly tâm

Cao su kh i

Cao su c m

15 ậ 20

25 ậ 30

35 ậ 40

-

pH

9 ậ 11

5ậ6

5ậ6

5ậ6

BOD (mg/L)

1.500 ậ 12.000

1.500 ậ 5.500

400 ậ 500

2.500 ậ 4.000

COD (mg/L)

3.500 ậ 35.000

2.500 ậ 6.000

520 ậ 650

3.500 ậ 5.000

SS (mg/L)

400 ậ 6.000

200 ậ 6.000

4.000 ậ 8.000

500 ậ 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

L ul

ng

(m3/t nDRC)

Ngu n: Trung tâm th ng kê Môi tr
c đi m n

c th i chung

ng -ECO, 2012

c th i

* S n xu t m ly tâm:

M n c đ c li tơm đ n n ng đ 60% DRC, sau đó b sung amoniac đ ch ng đông.
c đi m chính c a lo i n c th i nƠy lƠ: đ pH cao (pH 9-11), hƠm l ng BOD, COD và TN
c ng r t cao.
* S n xu t cao su kh i:
Cao su kh i đ c s n xu t t m n c có b sung amoniac và dùng axit đ đánh đông.
Do đó, ngoƠi tính ch t chung là hƠm l ng BOD, COD, TN và SS r t cao, n c th i còn có đ
pH th p.
* S n xu t cao su c m:
Cao su c m đ c s ch t m t p l n khá nhi u đ t cát và các lo i ch t l l ng khác. Do
đó, trong quá trình ngơm, r a m , n c th i ch a r t nhi u đ t, cát. MƠu n c th i lo i này
th ng có mƠu nơu, đ . c đi m c a n c th i này là: pH t 5,0 - 6,0, n ng đ SS r t cao,
n ng đ BOD, COD th p h n.

6


Nh v y, n c th i c a quá trình s n xu t cao su li tâm và cao su kh i có hƠm l ng ô
nhi m cao h n so v i n c th i t quá trình s n xu t cao su c m. N c th i s ch m cao su
có hƠm l ng ch t r n l l ng và ch t h u c r t cao. Thêm vƠo đó, n c th i c a các nhà
máy s ch m cao su còn phát sinh mùi hôi th i nh h ng nghiêm tr ng đ n môi tr ng
không khí. Vì v y vi c x lỦ n c th i nhà máy s ch m cao su là m t v n đ quan tr ng
c n ph i đ c gi i quy t.
1.3. Tình hình nghiên c u v x lỦ n
1.3.1. Ngoài n

c th i s ch m cao su thiên nhiên

c

S n xu t cao su thiên nhiên đƣ t n t i 200 n m nh ng các nghiên c u v x lỦ n c th i

ngành này ch b t đ u vào n m 1957 v i công trình b l c hi u khí x lỦ n c th i đánh đông
m skim c a Molesworth v i hi u su t x lý BOD là 60% và th i gian l u (HRT) 20 ngày
[105]. n nay có r t nhi u quy trình công ngh x lỦ n c th i s ch m cao su đƣ đ c
nghiên c u, c i ti n và áp d ng. Công ngh h k khí đang đ c áp d ng r ng rãi do d áp
d ng, không tiêu t n n ng l ng và hi u su t x lý COD cao (hi u su t x lý COD v i n c
th i cao su c m, kh i và ly tâm l n l t là 96% [106], 90% [129] và 96% [130]). Tuy nhiên,
công ngh này khó ki m soát quá trình x lý và HRT dài (90 ngày) nên c n di n tích x lý l n.
M c khác, công ngh này t o ra mùi hôi th i và phát th i khí metan vào khí quy n. Các công
ngh hi u khí c ng đ c nghiên c u và áp d ng nh : đ a quay sinh h c, m ng oxy hoá. M c
dù hi u su t x lý BOD c a đ a quay sinh h c (90%) [81] vƠ m ng oxi hóa (96%) [74] cao
nh ng chi phí v n ng l ng và b o trì l n kèm theo s phát th i khí nhà kính CO2.
gi m
b t s phát th i khí nhà kính công ngh b k khí - h n đ nh và b k khí - m ng oxi hoá
đƣ đ c nghiên c u. Hi u su t x lý BOD c a chúng l n l t là 95% (HRT 10 ngày) [75] và
99% (HRT 7,6 ngày) [114]. Tuy nhiên nh ng h t cao su d trong n c th i đƣ tích t trong h
th ng làm gi m hi u qu x lý c a bùn.
lo i b SS vƠ t ng s ti p xúc gi a n c th i và
bùn, b l c k khí v i giá th c ng đ c nghiên c u. Hi u su t x lý COD v i giá th b ng
g m vƠ s d a tráng nh a l n l t là 89% (HRT 4 ngày) [73] và 70 ậ 90% (HRT 3 ngày)
[143]. Tuy nhiên các công ngh này d b s c t c ngh n b i cao su d . Công ngh bùn ho t
tính th i khí chìm (SAAS) mang l i hi u qu x lý ch t h u c cao nh ng phát sinh l ng bùn
d và yêu c u n ng l ng r t l n [74].
Các công ngh trên cho hi u qu x lý ch t h u c cao nh ng HRT quá dƠi d n đ n quá
t i khi nhƠ máy t ng công su t. Chính vì v y, nh ng n m g n đây vi c nghiên c u áp d ng các
thi t b x lý t c đ cao đang đ c a chu ng h n. Hai công ngh có th ch u đ c t i tr ng
cao, đang đ c nghiên c u cho x lỦ n c th i s ch m cao su t nhiên là x lý k khí v i
dòng ch y ng c qua l p bùn ho t tính (UASB) và x lý tu n t theo m (SBR).

7

H th ng SBR mang đ n hi u qu x lý n c th i s ch m cao su cao, x lý b ng bùn
thông th ng hi u su t x lý COD có th đ t 89,3% v i HRT 12 gi [168]. Khi s d ng bùn
h t có đ ng kính trung bình 1,5 mm và SVI là 22,3 mL/g, hi u su t x lý c a SBR đ t 96,5%
COD, 94,7% N-NH3 và 89,4% TN v i HRT 3h [191]. Nh v y, hi u su t x lý COD, TN và
N-NH3 c a SBR có th nâng cao và gi m th i gian l ng khi bùn d ng h t. Tuy nhiên, v n
hành SBR tiêu t n n ng l ng l n cho quá trình s c khí.
H th ng UASB là m t gi i pháp giúp gi m chi phí v n hành đ ng th i có th thu h i
m t l ng l n n ng l ng t metan. Phoolphundh và c ng s (2004) đƣ nghiên c u x lý
n c th i s ch m cao su b ng h th ng UASB trong đi u ki n pH 5,5 - 6,5 v i COD dòng
vào là 6000 mg/L, hi u su t x lý COD là 16%, và 55% v i HRT l n l t là 4 gi và 18 gi .
M c dù h vi sinh v t có th t đi u ch nh pH dòng ra (7,8 ậ 7,9) nh ng hi u su t chuy n hóa
v n th p [127]. Vi c đi u ch nh COD, pH và ch t dinh d ng dòng vào trong quá trình ch y
thích nghi bùn ho t tính đƣ c i thi n đ c hi u su t x lý COD (đ t 80,1%) c a h th ng
UASB [179]. Các h t cao su b đông t trong h th ng UASB cùng v i các ch t r n phân h y
ch m vƠ các đ c t đƣ nh h ng đ n hi u qu x lý. Nh m kh c ph c nh c đi m này, Jawjit
và c ng s (2013) đƣ nghiên c u đi u ki n t i u cho x lỦ n c th i cao su c m b ng h
th ng g m 2 thi t b UASB m c n i ti p. Nghiên c u này ch ra r ng nhi t đ 35 oC và pH 7
đƣ ng n ch n s đông t cao su, HRT t i u cho UASB1 vƠ UASB2 l n l t là 24h và 48h.
đi u ki n t i u, hi u su t x lý COD và SS l n l t là 82% và 92%, hi u su t sinh khí metan
là 0,116 m3-CH4 /kg-CODchuy n hóa. M c dù bùn gi ng l y t nhà máy cao su nh ng v n c n 89
ngƠy đ bùn thích nghi và hình thành bùn h t [78]. Tanikawa và c ng s (2016) đƣ phát tri n
h th ng g m: thi t b axit hóa - hai UASB ậ DHS (Downflow Hanging Sponge) d i quy mô
pilot t i Thái Lan. Thi t b axit hóa có ch c n ng g n m vƠ đi u ch nh pH dòng vào đ t 6,8 72, UASB1 chuy n hóa COD thành metan và gi m SO42-, UASB2 chuy n hóa COD thành
metan, DHS chuy n hóa COD và oxi hóa H2S. D i đi u ki n v n hành OLR là 0,91
kgCOD/m3.ngày, HRT là 11,1 ngày và COD dòng vào là 10200 ± 1370 mg/L thì hi u su t x
lý COD c a toàn h th ng đ t 97,6 ± 1,1%. H th ng này s ti t ki m đ c 95% n ng l ng,
gi m 95% phát th i khí nhà kính, gi m 92% di n tích v n hành và gi m 80% chi phí v n hành
[162]. Bên c nh vi c s n xu t cao su tiêu chu n, các lo i cao su k thu t c ng đ c s n xu t
v i nhi u tính n ng khác nhau, m t trong s đó lƠ cao su kh protein (DPNR) b ng natri

dodecyl sulphat (SDS). Hatamoto và c ng s (2012) đƣ th m dò x lý lo i n c th i này, ph n
cao su d vƠ SDS đ c thu h i b ng cách b sung CaCl2 v i t l Ca2+/SDS và Ca2+/kh i
l ng cao su t ng ng là: 0,070 và 0,055. Các ch t h u c t n t i trong trong n c th i
DPNR đ c chuy n hóa thành metan trong h th ng UASB. Hi u qu x lý COD là 92 ± 2%
t i OLR là 6,8 ± 1,8 kgCOD/m3.ngày và HRT là 12 gi . Trong cùng đi u ki n, n u dòng ra
đ c tu n hoàn tr l i đ pha loãng n c th i DPNR, hi u qu chuy n hóa COD đ t 84 ± 8%

8


t i OLR là 6,4 ± 1,7 kgCOD/m3.ngày và HRT 39 gi . H th ng UASB h a h n tri n v ng x
lỦ n c th i DPNR [66].
Nh v y, xu h ng hi n nay s d ng h th ng UASB k t h p v i các công trình khác đ
x lỦ n c th i nhà máy s ch m cao su thiên nhiên. H th ng UASB có ch c n ng chính lƠ
x lý các ch t h u c vƠ thu h i n ng l ng d i d ng khí sinh h c (biogas). u đi m chính
c a công ngh này là: s d ng ít di n tích, chi phí v n hành th p, không phát sinh mùi và có
th thu h i n ng l ng t khí metan. Tuy nhiên, h n ch l n nh t trong v n hành h th ng
UASB lƠ l ng cao su d trong n c th i bám vào bùn gây c n tr quá trình chuy n hóa COD,
các nghiên c u v t o l p bùn h t trong h th ng UASB ng d ng cho x lý n c th i s ch
m cao su còn h n ch và ch a có quy trình b o qu n bùn h t trong th i gian t m ng ng s n
xu t cao su thiên nhiên.
1.3.2. Trong n

c

Hi n nay, các công ngh đang áp d ng đ x lỦ n c th i s ch m cao su ch y u là h
k khí và hi u khí [111]. Công ngh này có th i gian l u ch t th i dài d n đ n c n s d ng
di n tích m t b ng l n. M t khác công ngh nƠy th ng phát sinh metan vào khí quy n, gây
mùi hôi th i nên không phù h p trong đi u ki n t nhiên Vi t Nam khi mƠ khu dơn c th ng
s ng xem k v i khu công nghi p.

đáp ng yêu c u ki m soát môi tr ng, các nghiên c u
v công ngh x lỦ n c th i s ch m cao su thiên nhiên đƣ vƠ đang đ c ti n hành.
a. Nghiên c u x lý h t cao su d
Vi c lo i b cao su d đóng vai trò quan tr ng trong toàn b h th ng x lỦ n c th i do
quá trình này làm gi m hƠm l ng ch t gây ô nhi m và gi m s t c ngh n trong h th ng.
Nhìn chung quá trình ti n x lý b ng ph ng pháp v t lý là m t công đo n c n thi t trong các
nhà máy nh m b t gi và thu h i cao su đông t trong n c th i tr c khi x lý sinh h c.
B g nm
Các thi t b g n m đ c s d ng đ lo i b m d đang đ c áp d ng trong h th ng x
lỦ n c th i c a h u h t các nhà máy cao su Vi t Nam. Hi u su t c a các b g n m truy n
th ng đ t t 10 - 30%.
c i thi n hi u qu tách m cao su, Nguy n Thanh Bình (2008) đƣ
nghiên c u công ngh l c m b ng s d a. Hi u su t x lý SS, COD vƠ BOD t ng ng là
64,89%, 56,25% và 59,60% v i HRT 24 gi [5]. Hi u qu c a mô hình nƠy cao h n 2 l n so
v i các b g n m truy n th ng. Tuy nhiên đ n đ nh c a s d a ch a đ c đánh giá nên c n
xác đ nh tu i th c a s d a
H th ng b g n m - b

n đ nh - b th i khí - b keo t - b tuy n n i

9


N c th i t các công đo n ch bi n cao su đ c ch y đ n b g n m , t i đơy n c th i
đ c ch y qua các ng n theo đ ng zic z c đ các h t cao su n i lên m t n c và đ c thu h i
đ tái s d ng. N c th i sau tách m đ c ch y v b n đ nh và đ c gi 2 ngƠy đ các h t
cao su ti p t c n i lên. Sau đó n c th i đ c đ a sang b th i khí. T i b th i khí các h t cao
su khó tách đ c dòng khí đ y lên m t n c. N c sau quá trình th i khí đ c ch y v b keo
t . T i b keo t n c đ c xáo tr n nh mô t khu y có l p cánh g t đ hòa tr n n c và hóa
ch t keo t (PAC), n c sau keo t đ c ch y tràn qua b tuy n n i đ lo i các bông keo. H

th ng lo i b m d g m: b g n m - b n đ nh - b th i khí - b đông t - tuy n n i mang
đ n hi u su t lo i b SS cao (kho ng 70%) nh ng chi phí cho quá trình này c ng cao nên khó
áp d ng r ng [111].
b. X lý ch t h u c
Nguy n Trung Vi t (1999) đƣ nghiên c u x lỦ n c th i s ch m cao su b ng h th ng
công ngh g m: B g n m - UASB - s c khí - h tùy nghi. Nghiên c u này cho th y h
th ng UASB lƠ ph ng án thích h p đ x lỦ n c th i s ch m cao su. H th ng UASB có
th ho t đ ng n đ nh v i OLR 15 ậ 20 kg-COD/m3.ngày, HRT t 2-6 gi , v n t c 0,4 m/h,
hi u su t x lý COD đ t 79,8 ậ 87,9%. Tuy nhiên, các h t cao su không đ c tách đƣ lƠm
gi m hi u su t x lý trong h th ng UASB. T c đ phân hu k khí c a h th ng UASB c ng
b nh h ng khi pH < 6. Kh n ng x lỦ n c th i sau h th ng UASB c a ao th c v t th y
sinh nh sau: COD dòng vào thích h p v i cây d lan h ng (Hyacinthus) và t o t ng ng là
2900 mg/L và 2280 mg/L, COD dòng ra t ng ng 300 mg/L và 100 mg/L khi OLR là 100 ậ
120 kg/ha.ngày. T i đơy, h t cao su l l ng bám vào r , ng n c n s h p thu n c và ch t dinh
d ng làm cho cây d h ng và t o ch t [112].
Nguy n Ng c Bích (n m 2003) đƣ ti n hành nghiên c u h th ng công ngh x lỦ n c
th i s ch m cao su g m: b đi u hoà - b g n m - b k khí s d a - b t o cao t i - b l c
bình. Khi COD, BOD và TN dòng vào l n l t là 6131 mg/L, 4006 mg/L và 273 mg/L hi u
su t x lý COD, BOD, TN và SS c a b k khí s d a (th tích làm vi c 12 lít) l n l t là
94%, 95%, 19,4% và 84,3% v i HRT 2 ngày. Hi u qu x lý COD, BOD, TN và SS c a b
t o cao t i l n l t là 11%; 69,5%, 74,2% và 38,3%. Hi u su t x lý COD, BOD và TN c a b
l c bình l n l t là 75,5%; 52,5% và 80,9%. HƠm l ng COD, BOD, TN, N-NH3 và SS dòng
ra toàn h th ng là 65 mg/L, 29 mg/L, 9,4mg/L, 1,8mg/L và 37 mg/L [4]. Nh v y, n c th i
dòng ra c a công ngh này đ t theo tiêu chu n QCVN 01-MT:2015. Tuy nhiên, OLR c a quá
trình này th p (OLR kho ng 3,6 kg-COD/m3.ngày) nên c n di n tích r t l n đ xây d ng công
trình. Chính vì v y, công ngh này r t h n ch khi áp d ng t i các khu công nghi p xen k dân
c .

10

Tóm l i, có r t nhi u d ng công ngh khác nhau có th ng d ng đ x lỦ n c th i s
ch m cao su, trong đó có h th ng UASB. H th ng UASB có u đi m là có th x lý n c
th i s ch m cao su có OLR cao (trên 10 kg COD/m3.ngày) và thu h i khí metan, chi phí
v n hành th p h n các thi t b khác. Tuy nhiên, khó kh n l n nh t trong v n hành h th ng
UASB là m cao su d bám vào b m t bùn làm gi m hi u su t x lý và kh n ng tách bùn
th p đƣ h n ch vi c nâng cao OLR.
1.4. B k khí v i dòng ch y ng

c qua l p bùn ho t tính (UASB)

1.4.1. Quá trình phân hu k khí
Quá trình phơn h y k khí lƠ lƠ quá trình phơn h y sinh h c không có oxy, trong đó các
ch t h u c đ c chuy n hoá b i các vi sinh v t đ n s n ph m cu i cùng lƠ h n h p khí sinh
h c g m 50 ậ 70% metan (nh ng có th cao h n tùy thu c vƠo c ch t vƠ đi u ki n v n hƠnh),
25 ậ 40% cacbonic vƠ m t l ng nh hydro, nit , sulfua [30, 98].
Phân h y k khí d a trên m t chu i các ho t đ ng h p tác c a nhi u loài vi sinh v t.
Chúng bao g m 2 giai đo n v i 4 b c trao đ i ch t v i s tham gia c a các nhóm vi sinh v t
có đ c đi m sinh lý riêng bi t (hình 1.3).

Hình 1.3. Các ph

ng th c trao đ i ch t trong quá trình lên men k khí [89]

11


Quá trình phân h y k khí có th th c hi n các nhi t đ khác nhau, bao g m vùng a
l nh (4 ậ 15 °C), a m (20 ậ 40 °C) vƠ a nóng (45 ậ 70 °C) [21]. Các vi khu n k khí ho t
đ ng nhi u nh t vùng nhi t đ a m vƠ a nóng. Các thi t b x lỦ n c th i th ng v n

hành trong kho ng t 25 ậ 40 °C, nhi t đ t i u lƠ 35 °C [19].
Trong quá trình phân h y k khí có b n nhóm vi sinh v t chính tham gia vào chuy n hóa
v t ch t h u c , bao g m: nhóm th y phân, nhóm lên men sinh axit, nhóm sinh axetat và
nhóm sinh metan. Ho t đ ng c a các nhóm vi khu n này d a trên m i quan h c ng sinh ph
thu c vào ho t tính sinh h c c ng nh s n ph m trao đ i ch t c a nhau [23].
1.4.1.1. Nhóm vi sinh v t có ho t tính th y phân
Nhóm vi sinh v t có ho t tính th y phân th c hi n ch c n ng b gãy các phân t h u c
ph c t p (protein, xenluloza, lipit) thƠnh các đ n phơn t tan trong n c nh axit amin,
glucoza, glycerol và axit béo. Nhóm vi sinh v t này ti t ra các enzym ngo i bƠo (nh
xenlulaza, proteaza và lipaza) xúc tác th y phân các h p ch t h u c cao phơn t [22, 39].
Nhóm vi khu n th y phơn lƠ nhóm a axit. Chúng lƠ qu n th có s l ng đông đ o nh t do
có ph c ch t l n và th i gian sinh tr ng ng n. Nhóm này bao g m các vi sinh v t k khí
b t bu c (Bacteriodes, Clostridia và Bifidobacteria) và tùy ti n (Streptococci và
Enterobacteriaceae) [138]. Các enzym ngo i bào khác nhau đ c s n xu t b i nhóm này s
phân h y các ch t h u c d ng h t và d ng keo thành d ng hòa tan t o đi u ki n cho các
enzym n i bào. Nhóm này phân h y ch m trong đi u ki n k khí, do đó c n gi đi u ki n t i
u trong su t quá trình [39, 53]. Quá trình th y phân quan tr ng nh ng th ng không di n ra
trong h t bùn k khí.
1.4.1.2. Nhóm vi khu n lên men sinh axit (acidogen)
Nhóm vi khu n lên men sinh axit chuy n hóa đ ng, axit amin và axit béo thành các axit
h u c (nh axit axetic, propionic, foocmic, butyric hay succinic), r u vƠ keton (nh etanol,
metanol, glyxerol, axeton), axetat, CO2 và H2. Trong quá trình lên men các h p ch t
hydratcacbon, s n ph m chính đ c t o ra là axetat. S n ph m c a quá trình lên men thay đ i
ph thu c vào loài vi sinh v t c ng nh đi u ki n lý hóa (nhi t đ , pH, th oxy hóa kh ) trong
các thi t b x lý. Các nhóm sinh axit đi n hình là Pseudomonas, Bacillus, Clostridium,
Micrococcus, Flavobacterium [144]
1.4.1.3. Nhóm vi khu n sinh axetat (acetogen)
Nhóm acetogen chuy n hóa các axit béo (nh axit propionic, butyric) vƠ r u thành
axetat, H2 và CO2. S n ph m trao đ i ch t c a nhóm acetogen là ngu n c ch t tr c ti p cho
nhóm c khu n sinh metan. Nhóm này r t nh y c m, chúng ch s ng sót trong đi u ki n áp

12


su t c c b c a H2 m c r t th p [39, 52, 53]. Do v y chúng có quan h c ng sinh ch t ch
v i các nhóm c khu n sinh metan nh m duy trì đi u ki n này.
Vi khu n acetogen sinh tr ng nhanh h n c khu n sinh metan kho ng 25 l n [63]. Tuy
nhiên c khu n sinh metan l i s d ng c ch t v i hi u su t sinh n ng l ng th p nên có th
duy trì n ng đ s n ph m trao đ i ch t do acetogen sinh ra (đ c bi t là H2) m c th p và t o
đi u ki n cho acetogen ti p t c sinh tr ng. Các loài thu c nhóm acetogen đi n hình là
Syntrophomonas và Syntrophobacter [144].
1.4.1.4. Nhóm vi sinh v t sinh metan (methanogen)
Trong x lỦ n

c th i các vi sinh v t nƠy sinh tr

đôi t bào là 2,6 ngày

ng v i t c đ ch m v i th i gian nhân

đi u ki n nhi t đ 35 C ho c t i 50 ngày

10 C. Nhóm methanogen

là các loài k khí b t bu c và là nhóm quy t đ nh t c đ quá trình phân h y k khí [174]. T t
c các loài trong nhóm methanogen đ u là các loài t d ng trên ngu n c ch t H2 và CO2
[13]. Vi sinh v t sinh metan đ c chia thành ba nhóm theo ngu n c ch t: hydrogenotrophic,
acetotrophic và methylotrophic.
C khu n sinh metan s d ng hydro (hydrogenotrophic)
Nhóm hydrogenotrophic chuy n hóa H2 và CO2 thành CH4 theo ph

CO2 + 4H2



ng trình sau:

CH4 + 2H2O

Nhóm hydrogenotrophic th c hi n ch c n ng duy trì áp su t c c b c a hydro trong h
th ng m c th p phù h p cho nhóm acetogen ho t đ ng, đ m b o các axit béo vƠ r u đ c
chuy n thành axetat. Các chi th ng g p thu c nhóm này bao g m Methanobacterium,
Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanopirillum [39, 53].
C khu n sinh metan s d ng axetat (acetotrophic/acetoclastic)
Nhóm acetotrophic/acetoclastic chuy n hóa axetat thành CH4 và CO2 theo ph

ng trình

sau:
CH3COOH



CH4 + CO2

Nhóm acetotrophic/acetoclastic là nhóm ch đ o trong phân h y k khí v i l ng metan
sinh ra chi m 60 ậ 70% [13]. Nhóm này phát tri n ch m h n nhóm hydrogenotrophic kho ng
25 l n và c ng b nh h ng b i s tích t H2 [39, 53].
Trong các b x lý k khí th

ng g p hai chi thu c nhóm acetoclastic là Methanosarcina

và Methanosaeta (còn g i là Methanothrix). Trong các b k khí lên men nóng (55 C)
Methanosarcina chi m v trí ch đ o giai đo n đ u, sau đó d n d n xu t hi n Methanosaeta
do ái l c v i c ch t axetat c a Methanosarcina cao h n Methanosaeta [190]. Trong quá trình

13