32 Ung dung bun hat hieu khi co chat mang

Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp và ðô thị tại Việt Nam”

TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG BÙN HẠT HIẾU KHÍ
(AEROBIC GRANULE) CÓ CHẤT MANG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Bùi Xuân Thành(1), Nguyễn Phước Dân(2), Lê Thanh Hải(1)
(1)

(2)

Viện Môi Trường Tài Nguyên – ðại Học Quốc Gia TPHCM
Khoa Môi Trường - ðại Học Báck Khoa – ðại Học Quốc Gia TPHCM

TÓM TẮT
Hai loại bùn hạt hiếu khí (Aerobic granule) ñược hình thành bởi hai bể sinh học dạng mẻ
SBAR (Sequencing Batch Airlift Reactor) với hai loại chất mang bao gồm (1) chất mang làm
từ vỏ sò huyết có kích thước 150-212 µm (CR) và (2) bùn hạt kị khí anaerobic granules (AR).
Sau khi granules hình thành, tải trọng ñược tăng dần từ 2.5 ñến 30 kg COD/m3.ngày. Tải trọng
tối ưu ñược xác ñịnh là 10 kg COD/m3.ngày cho SBAR với CR là loại chất mang tốt làm tăng
tính chất hoá lý của bùn hạt hiếu khí. Granule với chất mang từ vỏ sò cho thấy có nhiều ưu
ñiểm hơn chất mang là bùn hạt kỵ khí với một số tính chất như khả năng nén chặt hơn, vận tốc
lắng cao hơn (nồng ñộ bùn lắng sau 30 phút 25-49 mg/Lgranule, SVI luôn luôn nhỏ hơn 26
mL/g, vận tốc lắng của bùn hạt từ 21-103 m/h).

ABSTRACT
Two types of aerobic granule were cultivated by Sequencing Batch Airlift Reactor (SBAR)
with two types of support media (1) bivalve shell carrier with size of 150-212 µm (CR) and (2)
anaerobic granules (AR). Afterter aerobic granule matured, loading rate was increased from
2.5 to 30 kg COD/m3.day. Optimum loading rate was identified to be 10 kg COD/m3.day and
shell carrier was good media which could enhance physico-chemical its characteristics. Shell
carrier media granule was more advantageous than anaerobic granule one such as more
compacted, greater settleability (settled biomass concentration of 25-49 mg/Lgranule, SVI less

than 26 mL/g, settling velocity of 21-103 m/h).

1. GIỚI THIỆU
Bùn hoạt tính thông thường ñã ñóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực xử lý nuớc
thải trong nhiều thập niên qua. Ngày nay do xu hướng bảo vệ tài nguyên thiên nhiên
thông qua việc tuần hoàn, tái chế, tái sử dụng nước thải và tiêu chuẩn phát thải ngày
càng nghiêm khắc hơn cho nên công nghệ bùn hoạt tính thông thường sẽ dần dần
không còn ñáp ứng ñược nhu cầu mới này do tải trọng xử lý của bùn hoạt tính thông
thường thấp (0.5-2 kg COD/m3.ngày), nồng ñộ chất rắn lơ lửng ñầu ra cao, diện tích
xây dựng công trình lớn, v.v. Gần ñây một loại bùn mới ñược phát minh ra, bùn hạt
hiếu khí (aerobic granule) có rất nhiều ưu ñiểm hơn hẳn bùn hoạt tính thông thường
như vận tốc lắng rất cao lớn hơn 10 m/h, SVI nhỏ hơn 30 mL/g (Linlin và cộng sự,
2005)) và tải trọng cao 15 kg COD/m3.ngày (Moy và cộng sự, 2002). Qua ñó ta có thể
thấy khả năng xử lý của bùn hạt hơn bùn hoạt tính thông thường ít nhất 7 lần. Trong
tương lai bùn hạt hiếu khí là một giải pháp thay thế khả thi cho các quá trình bùn hoạt
tính thông thường hiện nay.

Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM
-283-


Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp và ðô thị tại Việt Nam”

2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nước thải
Nước thải dùng trong thí nghiệm là nguồn nước thải tổng hợp với Glucose là nguồn
hữu cơ duy nhất. Khi tải trọng tăng thì các thành phần cũng ñược tăng lên tương ứng
trừ medium E và F. Nước thải ñầu vào ñược chỉnh trong khoảng pH = 7.2 ± 0.2.
Medium A: Glucose 664.3 g/L; Medium B: NaHCO3 450 mg/L; Medium C: NH4Cl
150 mg/L; Medium D: KH2PO4 43 mg/L; Medium E: CaCl2.2H2O 30 mg/L,

MgSO4.7H2O 12 mg/L, FeCl3 3.6 mg/L; Medium F: nguyên tố vi lượng 1ml/L như
Wang và cộng sự, 2004.
2.2 Mô hình thí nghiệm
Bể SBAR với thể tích làm việc 2.5 L, Nước thải vào
ñường kính trong của ống ngoài 6.2
cm, cao 130 cm và của ống trong là 4
cm (Beun và cộng sự, 2002) (hình 1).
Chiều cao
Không khí ñược ñưa vào bởi thiết bị
lắng
phân tán khí với lưu lượng 4.5 L/phút
và tốc ñộ thổi khí 95 m/h. SBAR ñược
Valve
vận hành tự ñộng nạp liệu, tháo liệu
liên tục với các chu trình mỗi mẻ là 3
giờ. Trong ñó 5 phút nạp liệu, 170
phút thổi khí, 3 phút lắng, và 2 phút
tháo liệu. Nước sau xử lý ñược tháo ra
bởi van ñiện từ cách ñáy 50 cm.
Nước ra
Lưu lượng kế
Không khí vào

Hình 1. Mô hình SBAR dùng trong thí nghiệm

2.3 Khảo sát ñặc tính bùn hạt hiếu khí
COD, SVI, DO, pH, vận tốc lắng ñược xác ñịnh theo APHA, 1992. Khả năng nén của
bùn hạt ñược xác ñịnh tương tự như phương pháp của Beun và cộng sự, 1999. Nồng ñộ
bùn hạt ñược xác ñịnh mô phỏng theo phương pháp ño tổng cacbon hữu cơ của Tijhuis
và cộng sự, 1994. Cấu tạo bề mặt granule ñược quan sát bằng thiết bị Scanning

Electron Microscope (SEM).
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1 So sánh tính chất của bùn hạt CR và AR
3.1.1 Tăng trưởng kích thước hạt
Từ hình 2, bùn nuôi cấy ban ñầu có ñường kính nhỏ hơn 90 µm và bùn kị khí dùng làm
chất mang có ñường kính 1-2 mm. Kích thước hạt tăng dần theo thời gian vận hành
trong cả hai SBAR. Tuần ñầu tiên màng vi sinh (biofilm) dần dần sinh ra và bám vào
cả chất mang (CR, AR) và cả thành bể. Tuy nhiên bùn kị khí ngày một nhỏ ñi, màu ñen
Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM
-284-


Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp và ðô thị tại Việt Nam”

nhạt dần và sau 2 tuần thì gần như biến mất và trở thành vi sinh hiếu khí. Do ñó cơ chế
tạo hạt từ bùn hạt kị khí thì hoàn toàn tương tự như tạo hạt bằng bùn hoạt tính thông
thường. Sau 4 tuần vận hành, cả hai loại bùn hạt ñã hoàn toàn trưởng thành. Sau khi hệ
thống ổn ñịnh tải trọng ñược tăng lên từ 2.5 ñến 5, 10, 15 và 30 kg COD/m3.ngày. Tăng
trưởng kích thước hạt theo thời gian ñược mô tả trong hình 1 và có kích thước biến
ñộng trong khoảng 1-4 mm. Tại tải trọng 5 kg COD/m3.ngày, kích thước bùn hạt AR
suy giảm ñột ngột do hệ thống bi sốc tải do thay ñổi tại trọng ñột ngột. Khi tải trọng
càng cao kích thước hạt dường như tăng lên theo.
5
5

OLR of 2.5

10

15-30

kích thöôù c haï t (mm)

4

4

3

CR1

CR2

AR1

3

AR2

3

AR bắt ñầu vỡ
2

2

Bùn seed
seed

1

0.9

0.8
0.5
0.09

0.1

0.65

0.5

0.2

2

1.2

1

1

1.5

1.4

2
1.6

1.5

0.2

0.2

0.3

0.2

0.25

0.1

0.2

0.5

0.5

1
0.5

0.15

0
1

6

8

9

12

tuaà n 13

14

15

16

*Khoảng kích thước hạt của CR và AR (từ CR1 ñến CR2) và (từ AR1 ñến AR2)

Hình 2. Biến ñổi kích thước bùn hạt theo thời gian trong CR và AR

3.1.2 Nồng ñộ bùn hạt
Sau giai ñoạn thích nghi, nồng ñộ bùn hoạt tính thông thường trong CR và AR là
khoảng 4200 – 4900 mg/L. Khi bắt ñầu tiến hành loại bùn nhẹ tức là ñiều chỉnh thời
gian lắng sau 3 phút thì hầu hết các hạt bùn có tốc ñộ lắng nhỏ hơn 10 m/h theo van xả
ra ngoài. Nồng ñộ bùn trong bể là nhỏ nhất từ tuần 4 ñến tuần 6. Sau khi vượt qua ñược
giá trị thấp nhất này bùn trong bể tiếp tục tăng dần và bùn hạt bắt ñầu tăng trưởng dần
dần và ñến khi ổn ñịnh nồng ñộ bùn hạt trong bể khoảng 15 g/L. Tại tuần 11-12 nồng
ñộ bùn giảm nhẹ là do thời gian lắng ñược giảm xuống 2 phút nhằm giữ lại các hạt có
vận tốc lắng cao trong SBAR.

a. Cấu tạo bùn hạt CR

b. Vi khuẩn hình que và hạt trên bề mặt CR

c. Bề mặt bùn hạt CR

Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM
-285-


Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp và ðô thị tại Việt Nam”

d. Cấu tạo bùn hạt AR

e. Bề mặt bùn hạt AR

f. Liên kết mạng nhện trên bề mặt AR

Hình 3. Cấu tạo bề mặt bùn hạt CR, AR quan sát bởi SEM
Biomass concentration
16000
2.5

MLVSS (mg/L)

14000
CR

12000

5

10

15-30

AR

10000
8000
6000
4000
2000
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

week
Tuần

Hình 4. Nồng ñộ bùn hạt trong CR & AR

Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM
-286-

14

15

16

17


Hi tho Cỏc gii phỏp bo v Mụi trng Cụng nghip v ụ th ti Vit Nam

3.1.3 Kh nng nộn ca bựn ht

Kh nng nộn ủc ủnh ngha l khi lng cht rn trong ủn v th tớch bựn lng sau
30 phỳt. Kh nng nộn thay ủi ủỏng k sau 3 tun vn hnh t 2.7 g/Lsludge ca bựn
nuụi cy ủn 49 v 62 g/Lgranule ủi vi CR v AR ti ti trng 30 kg COD/m3.ngy
(hỡnh 5). Kt qu ny tng t vi kt qu ca Beun v cng s, 1999 & 2002 (48 &
60 g/L) nhng cao hn Arrojo v cng s, 2004 (10-15 g/L). Trong hu ht cỏc trng
hp kh nng nộn ca CR cao hn AR. Ta nhn thy ủõy l mt u ủim ca cht
mang ch to t v sũ huyt.
70
CR

Khaỷ naờ ng neự n (g/L)

60

AR
2.5

5

10

15-30

50
40

Bựn seed
sludge

30

20
10
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Tua n

10 11 12 13 14 15 16 17

Hỡnh 5. Kh nng nộn ca CR & AR

Tng t nh nng ủ bựn, kh nng nộn ca bựn ht cng t l thun vi ti trng hu

c v cú th núi l ti trng cao lm cho bựn ht nộn cht hn.
3.1.4 Kh nng lng ca bựn ht
Khi cú du hiu bựn ht hỡnh thnh ti tun th 3, SVI gim ủỏng k t 243 mL/g (bựn
nuụi cy) ủn 24 v 43 mL/g ủi vi CR v AR (hỡnh 6). Sau ủú SVI luụn luụn thp
hn 30 v 40 mL/g tng ng cho CR v AR. Khi bựn ht trng thnh thỡ SVI n
ủnh giỏ tr 18 v 35 mL/g cho CR v AR. Qua cỏc giỏ tr SVI, ta thy bựn ht cú
kh nng lng tht tuyt vi. c bit hn na l cht mang li tng cng kh nng
lng ca bựn ht do bn thõn cht mang cú vn tc lng khỏ cao t 100-300 m/h. õy
l mt u ủim tuyt vi na ca cht mang ng dng cho quỏ trỡnh to ht.
Ngoi ra vn tc lng ca bựn ht cao hn bựn hot tớnh thụng thng nhiu ln. Theo
Beun v cng s, 2002, vn tc lng ca bựn hot tớnh thụng thng luụn nh hn 10
m/h nhng ca bựn ht ti ti trng 2.5 kgCOD/m3.ngy l 21 v 16 m/h tng ng cho
CR v AR. Khi bựn ht trng thnh v ti trng tng lờn thỡ bựn ht ủt ủn giỏ tr cc
ủi l 103 v 51 m/h tng ng vi CR v AR (hỡnh 7).

Khoa Mụi trng Trng HBK HQG TP.HCM
-287-


Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp và ðô thị tại Việt Nam”

250
CR

SVI (mL/g)

200

AR

Bùn seed

150
2.5

100

5

10

15-30

50
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tuần
week

11

12

13

14

15

16

17

Hình 6. SVI của CR và AR
160

2.5

5

10

15-30

Vaä n toá c laé ng (m/h)

140
120
103

100
87

80

73

CR

60

AR

72

64
56

51

44

40

49

31

20

21
16

10

17

22

23

15

0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17

Tuaà n

Hình 7. Vận tốc lắng của bùn hạt theo tải trọng, OLR

3.2 Khả năng xử lý của bùn hạt
Tại các tải trọng 2.5, 5, 10, 15 và 30kg COD/m3.ngày, hiệu suất xử lý chất hữu cơ luôn
ñạt trên 96% và thường là 98% (hình 8). Hơn thế nữa hầu hết các chất hữu cơ bị phân
huỷ hoặc/và hấp phụ bởi bùn hạt chỉ sau 10 phút thổi khí. Từ ñây cho thấy hoạt tính
của bùn hạt cao hơn bùn hoạt tính thông thường rất nhiều lần. Trong thực tế thí nghiệm
khả năng xử lý của bùn hạt vẫn còn có thể tăng hơn nhưng do thường xảy ra nghẹt bùn
trong hệ thống do ñộ nhớt cao của nước thải ñầu vào nên quá trình tăng tải dừng ở tải
trọng 30 kg COD/m3.ngày. Từ ñây ta thấy khả năng xử lý của bùn hạt cao gấp 15 lần
so với bùn hoạt tính thông thường.

Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM
-288-


Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp và ðô thị tại Việt Nam”

120

35

5

2.5

30

100

10

15-30
80

25

loading rate

CR-efficiency

AR-efficiency

20

60

15

40

Hieä u suaá t (%)

OLR (kg COD/m3.ngaø y

40

10
20

5
0
0

10

20

30

40

50

60

ngaø y

70

80

90

100

110

0
120

Hình 8. Tải trọng xử lý của các loại bùn hạt
4. KẾT LUẬN

١) Bùn hạt hiếu khí (aerobic granule) có thể ñược tạo thành tại tải trọng 2.5 kg
COD/m3.ngày hay ở tải trọng cao hơn với các loại chất mang khác nhau.
٢) Cả hai loại chất mang (làm vỏ sò huyết hay bùn kị khí) ñề có thể làm chất mang ñể
tạo hạt nhưng chất mang làm từ vỏ sò huyết có nhiều ưu ñiểm hơn như sau:
• Tăng cường lực cắt do sự chuyển ñộng của chính chất mang mà lực cắt là moat
yếu tố quan trọng trong việc hình thành bùn hạt theo Tay và công sự, 2001.
• Tự ñộng loại bỏ biofilm trên thành bể do lực ma sát giữa chúng và thành bể.
ðiều này loại trừ ñược sự cạnh tranh phát triển giữa sinh trưởng dính bám và

sinh trưởng tạo hạt.
• ðóng vai trò chất mang ñể vi sinh sinh trưởng trên bề mặt và khe rỗng của vật
liệu;
• Tạo nên các hạt rắn chắc, ñề ñặn hơn.
• Tạo nên bề mặt mịn hơn với các khe rỗng nhỏ hơn so với bùn hạt tạo nên từ bùn
kị khí.
• Tăng vận tốc lắng của bùn hạt do chính vận tốc lắng cao sẵn có của chất mang.
Vận tốc bùn hạt ñạt ñến giá trị cực ñại là 103 m/h trong CR.
Dựa trên các ưu ñiểm của chất mang làm từ vỏ sò thì loại chất mang này thực sự là một
giá thể tốt cho quá trình tạo hạt.
a. ðường kính bùn hạt dao ñộng trong khoảng 0.5-4.0 mm tại các tải trọng khác nhau
và kích thước tăng lên theo sự tăng của tải trọng.
b. Khả năng nén của bùn hạt CR, AR cũng tăng theo tải trọng. Nó dao ñộng tương ứng
trong khoảng 20-25 g/Lgranule và 49-62 g/Lgranule tại tải trọng từ 2.5 ñến 30 kg
COD/m3.ngày. Các giá trị này rất cao hơn so với gián trị của bùn nuôi cấy ban ñầu 2.7
g/Lsludge.
Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM
-289-


Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ Môi trường Công nghiệp và ðô thị tại Việt Nam”

c. Bùn hạt kị khí có thể ñạt ñược tải trọng xử lý tương ñương với khả năng xử lý của
quá trình xử lý kị khí. Tải trọng có thể cao hơn 30 kg COD/m3.ngày với hiệu quả loại
bỏ chất hữu cơ luôn cao hơn 96% và như ñã ñề cập ở trên, khả năng xử lý của bùn hạt
hiếu khí cao hơn bùn hoạt tính thông thường 15 lần.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. APHA, AWWA, WPCF (1992). Standard methods for the Examination of Water and
Wastewater, 18th Edition, Washington DC: APHA.
2. Beun, J.J., van Loosdrecht M.C.M, Heijnen, J.J. (2002). Aerobic Granulation in a

Sequencing Batch Airlift Reactor, Water Research, 36 (4-5), 702-712.
3. Linlin, H., Jianlong, W., Xianghua W., Yi, Q. (2005). The Formation and Characteristics of
Aerobic Granules in Sequencing Batch Reactor (SBR) by Seeding Anaerobic Granules,
Process Biochemistry, 40, 1-7.
4. Moy, B.Y., Tay, J.H., Toh, S.K., Liu, Y., Tay, S.T. (2002). High organic loading influences
the physical characteristics of aerobic sludge granules, Letter of Applied Microbiology, 34,
407-412.
5. Tay, J.-H., Liu, Q.S., Liu, Y. (2001). Microscopic observation of aerobic granulation in
sequential aerobic sludge reactor, Journal of Applied Microbiology, 91, 168-175.
6. Tijhuis, L., Van Loosdrecht, M.C.M., Heijnen, J.J. (1994). Formation and Growth of
Heterotrophic Aerobic biofilms on Small Suspended Particles in Airlift Reactors,
Biotechnology and Bioengineering, 44, 595-608.
7. Wang, Q., Du, G., Chen, J. (2003). Aerobic Granular Sludge Cultivated Under The
Selective Pressure as a Driving Force, Process Biochemistry, 39, 557-563.

Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM
-290-