NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IC UASB để xử lý nước THẢI CÔNG NGHIỆP GIẤY tái CHẾ

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
-------------- oOo -------------

TIÊN ĐỨC HUY

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IC UASB
ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP GIẤY TÁI CHẾ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ : 60520320

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2018


2

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngành tái chế chất thải sinh hoạt, tái chế giấy là một ngành kinh tế đang
được chú trọng và thu hút đầu tư. Nền tái chế giấy đang ngày càng phát triển và
mang lại lợi ích về kinh tế cũng như về môi trường như tiết kiệm khai thác tài
nguyên rừng, giảm bớt lượng giấy thải ra môi trường, tiết kiệm chi phí vận chuyển
xử lý rác thải do giấy phát sinh ra, giảm thiểu lượng chất thải khi sản xuất [35]. Tuy
nhiên, ngành giấy nói chung và sản xuất giấy tái chế nói riêng cũng gây ra những
vấn đề về môi trường, đặc biệt là lượng nước thải với tải trọng chất ô nhiễm rất cao,
có thể lên đến 55 kg/m3.d [25]. Giải quyết bài toán xử lý nước thải ngành sản xuất
giấy là vấn đề mang ý nghĩa sống còn với nhiều nhà máy giấy ở nước ta [3].

Xử lý nước thải bằng các công nghệ vi sinh ngày càng được ứng dụng hiệu
quả và rộng rãi để xử lý nước thải tải trọng ô nhiễm cao, trong đó có nước thải
ngành giấy tái chế [29]. Đối với những loại nước thải có tải trọng ô nhiễm cao thì
các phương pháp thường được lựa chọn là UASB (Upflow Anaerobic Sludge
Blanket), EGSB (Extended Granule Sludge Blanket), ... [1,4,15]
Trong các nghiên cứu gần đây, kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội IC-UASB
được nhắc đến như là phương pháp xử lý có khả năng xử lý tải trọng chất ô nhiễm
cao hơn hẳn các phương pháp trước đó [3,18,29]. Bên cạnh đó, công nghệ này còn
có những ưu điểm nổi bật về hiệu suất xử lý và chi phí vận hành[18]. Do đó, đề tài
luận văn “nghiên cứu ứng dụng công nghệ IC-UASB để xử lý nước thải công
nghiệp giấy tái chế” là cần thiết thực hiện để mang lại thêm một lựa chọn trong xử
lý nước thải giấy tái chế hiệu quả và kinh tế.
2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nước thải ngành giấy là một loại nước thải phức tạp về thành phần và tính
chất. Khi đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giấy thì ta cần đánh giá ở nhiều chỉ tiêu
như: pH, độ màu, độ đục, mùi, COD, BOD, SS, N, P, các kim loại nặng, …. Mặt
khác, kỹ thuật IC UASB nổi bật ở khả năng xử lý nước thải có tải trọng ô nhiễm


3

COD cao, vì thế luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu tải trọng COD và các thông
số vận hành của hệ IC UASB .
Nghiên cứu ở qui mô phòng thí nghiệm, thời gian từ tháng 3/2017 đến tháng
12/2017.
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu xây dựng mô hình kỵ khí của kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội
IC UASB có khả năng xử lý nước thải có tải trọng COD cao.
- Xác định các thông số vận hành tốt nhất của hệ IC UASB nghiên cứu.
- Khảo sát công nghệ IC UASB để xử lý nước thải ngành giấy tái chế.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Xây dựng và lắp đặt mô hình quy mô phòng thí nghiệm.
- Nghiên cứu phát triển kỹ thuật tuần hoàn nội IC, tìm ra thông số vận hành
tốt nhất của hệ IC UASB khi có bơm tuần hoàn phụ trợ qua các thí nghiệm:
1. Thực hiện khảo sáthiệu quả xử lý COD với các tốc độ nước dâng khác
nhau cho hệ IC với bơm tuần hoàn phụ trợ.
2. Thực hiện khảo sát hiệu quả xử lý COD theo các tải lượng đầu vào với các
thời gian lưu khác nhau.
3. Đánh giá khả năng tạo khí biogas của hệ theo các thông số vận hành.
- Đánh giá hiệu quả của hệ IC UASB khi vận hành không có bơm tuần hoàn
phụ trợ với các tải lượng đầu vào khác nhau.
- Đánh giá hiệu quả xử lý COD của hệ IC UASB đối với nước thải giấy.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp hồi cứu
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, các thông tin, số liệu,tài liệu về đối
tượng nghiên cứu sẽ được thu thập từ các nguồn sách, báo, gáo trình, tạp chí,
internet... Những tài liệu, số liệu này sẽ được lựa chọn, phân tích, tổng hợp làm cơ
sở cho việc định hướng và thực hiện nghiên cứu.
Phương pháp lấy mẫu và phân tích
Kỹ thuật lấy mẫu tuân theo TCVN 6663-1 : 2011.


4

Các chỉ tiêu phân tích tuân theo TCVN và Standard Methods.
Phương pháp thực nghiệm mô hình
Khảo sát hiệu quả xử lý COD trên mô hình IC UASB nghiên cứu.
Phương pháp xử lý số liệu
Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tốt nhất
hóa quá trình thí nghiệm. Đồng thời xử lý số liệu thu được bằng phần mềm Excel.

6. TÍNH MỚI VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, trong các kỹ thuật sinh học kỵ khí xử lý nước thải thì IC UASB là
kỹ thuật tiên tiến có khả năng đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải có tải trọng COD
cao. Ngoài ra, hệ IC UASB còn có ưu điểm so với UASB hay EGSB là có hệ tuần
hoàn nội bộ có thể vận hành tốt mà không cần bơm tuần hoàn phụ trợ. Điều này
mang nhiều ý nghĩa về mặt năng lượng, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ
thống. So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, đề tài đã có sự nâng cao tải
lượng COD đầu vào đáng kể, có khảo sát hiệu quả xử lý với các vận tốc nước dâng
khác nhau và hệ IC UASB nghiên cứu có khả năng hoạt động với tải trọng cao mà
không cần bơm tuần hoàn phụ trợ. Điều này đã củng cố lý thuyết về IC UASB và
kết quả của một số nghiên cứu trong và ngoài nước trước đây.
Đối với loại nước thải có tải trọng ô nhiễm cao như nước thải ngành giấy tái
chế, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ IC UASB là điều rất cần thiết. Kết quả
thu được của đề tài góp phần xây dựng cơ sở thực tiễn và lý luận để ứng dụng hệ
IC-UASB các công trình xử lý nước thải giấy tái chế và các loại nước thải khác tại
Việt Nam.


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan nước thải ngành giấy tái chế
1.1.1 Hiện trạng tái chế giấy trên thế giới và Việt Nam
1.1.1.1 Tái chế giấy trên thế giới
Trên thế giới việc sản xuất tái chế rất phổ biến, từ các sản phẩm tái chế 100%
như giấy bao bì đóng gói, bao bì nhựa, túi nhựa cho đến những sản phẩm cao cấp có
hàm lượng tái chế từ 30% tới 80% như giấy văn phòng, giấy in báo, giấy ăn... Giấy
tái chế ngày càng được sử dụng nhiều làm nguyên liệu cho ngành giấy do ưu điểm
tiết kiệm được chi phí sản xuất. Giá thành bột giấy tái chế luôn thấp hơn các loại bột
giấy từ các loại nguyên liệu nguyên thủy vì chi phí vận chuyển, thu mua và xử lý

thấp hơn. Tính trung bình sản xuất 1 tấn giấy từ giấy loại tiết kiệm được 17 cây gỗ
và 1.500 lít dầu so với sản xuất giấy từ nguyên liệu nguyên thủy. Bên cạnh đó sản
xuất giấy tái chế có tác động bảo vệ môi trường. Tính trung bình sản xuất giấy từ
bột tái sinh giảm được 74% khí thải và 35% nước thải so với sản xuất giấy từ bột
nguyên thủy [6].
Giấy là vật liệu tái chế nhiều nhất ở châu Âu và hơn một nửa số giấy sản
xuất đến từ tái chế. Tại châu Âu, 70,4% giấy sử dụng được thu gom để tái chế [13].
Mục tiêu của ngành công nghiệp giấy châu Âu là duy trì tỷ lệ tái chế ở mức 70%
[24]. Ở tại nhiều nước trên Thế giới, việc thu hồi và sử dụng giấy loại trong Công
nghiệp sản xuất giấy được Chính phủ qui định thành luật pháp ( Mỹ, Đức, Đan
Mạch….). Các hoạt động sản xuất giấy từ nguyên liệu giấy loại luôn được Chính
phủ ủng hộ, giấy làm từ bột tái sinh được miễn thuế từ khâu sản xuất đến khâu in
ấn; việc thu hồi giấy loại sẽ được trợ cấp ( Nhật Bản, Hà Lan…).
Tại một số quốc gia châu Á, nhiều nước chưa có chính sách khuyến khích
thu gom cũng như chưa có hành lang pháp lý điều hành hoạt động này do đó tỉ lệ
thu hồi giấy đã qua sử dụng còn thấp [6].


6

Bảng 1.1 Tình hình sử dụng giấy tái chế để sản xuất giấy tại một số nước năm
2007
Quốc gia

Tỷ lệ giấy thu hồi trong tổng
nguyên liệu (%)

Tỷ lệ thu hồi giấy đã qua sử
dụng (%)

Trung Quốc

65

38

Nhật Bản

60

74

Hàn Quốc

76

67

Malaysia

87

61

Philippines

79

44

Thái Lan

72

65

Việt Nam

70

25

Nguồn: Tạp chí công nghiệp giấy tháng 12,2008
1.1.1.2 Tái chế giấy tại Việt Nam
Trong tổng số giấy sản xuất trong nước, có tới 70% là nguyên liệu từ nguồn
giấy tái chế, nhưng hiện chỉ có 25% giấy đã qua sử dụng được thu hồi [7]. Hơn nữa,
lượng giấy đã qua sử dụng này cũng chỉ đáp ứng được 50% tổng lượng giấy phế
liệu mà ngành công nghiệp giấy trong nước cần. Như vậy,theo ước tính hầu hết số
giấy còn lại bị đem tiêu hủy một cách lãng phí và một lượng ít được giữ lại trong
các thư viện, văn phòng trong lúc đó, Việt Nam phải dùng ngoại tệ để nhập khẩu
một lượng giấy phế liệu, giấy tái chế khổng lồ từ nước ngoài để làm nguyên liệu sản
xuất giấy. Hiện nay, tỉ lệ thu hồi giấy đã qua sử dụng ở Việt Nam thuộc loại thấp
nhất khu vực, chỉ đạt 25% so với Thái Lan là 65%; Trung Quốc là 31%; Nhật Bản
61,4%; Đài Loan 88%; Hàn Quốc 67%... (Bảng 1.1)


7

Nguồn thu gom trong nước chủ yếu qua đồng nát là những người thu gom
riêng lẻ, các công ty vệ sinh, những người bới rác, các trạm thu mua trung gian.

Hiện nay chưa có công ty chuyên doanh giấy thu hồi do đó việc thu gom và tái chế
diễn ra khá tự phát. Hơn nữa nhà nước chưa có chính sách khuyến khích thu gom
cũng như chưa có hành lang pháp lý điều hành hoạt động này [8].
Bảng 1.2 Tình hình sử dụng giấy tái chế ở Việt Nam
Năm

2001

2003

2005

2007

Giấy tái chế (tấn)

233.966

481.650

533.000

903.045

Thu gom (tấn)

153.626

242.675

331.751

450.058

Nhập khẩu (tấn)

80.341

238.975

201.249

452.988

Tỷ lệ giấy thu hồi trong tổng
nguyên liệu SX giấy (%)

48

62

62

70

Tỷ lệ thu hồi giấy đã qua sử
dụng (%)

24

25

25

25

Nguồn: Tạp chí công nghiệp giấy tháng 1, 2009
1.1.2 Quy trình tái chế giấy điển hình
- Bột giấy còn được sản xuất từ giấy loại đã qua sử dụng, tùy thuộc vào loại
nguồn gốc nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm giấy cần phải sản xuất mà trong quy
trình sản xuất bột tái chế được chia làm 2 loại:
+ Công nghệ tái chế nguyên liệu từ lề - hòm hộp cũ, bột sau khi tách loại tạp
chất, phân loại xơ sợi bột giấy sẽ được sử dụng cho sản xuất giấy bao gói, hòm hộp
công nghiệp.
+ Công nghệ tái sinh các loại giấy văn hóa (giấy in báo, giấy in, giấy viết …)
thường có thêm công đoạn khử mực (bột DIP: De-Inking Pulp). Sau quá trình khử
mực thường gồm có công đoạn tẩy trắng riêng biệt, sử dụng hydro peoxit hoặc muối
hydrosulphit. Bột giấy sau tái chế thường có độ trắng nhất định tùy thuộc vào
nguyên liệu đầu vào. Bột giấy tái chế sẽ được sử dụng một phần cho quá trình sản
xuất giấy in báo, giấy in, giấy viết, giấy in tạp chí... [23].


8

- Các công đoạn trong chính trong quá trình sản xuất giấy tái chế :
+ Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu: Giấy vụn sau khi được tập kết về kho
phải qua khâu phân loại. Có thể chia giấy vụn thành các loại sau: Giấy lề trắng, giấy
viết, giấy in, giấy bìa cát tông, giấy xi măng. Ô nhiễm chủ yếu trong khâu này là ô
nhiễm bụi và các chất thải vẫn như: Nilong, phế phẩm loại bỏ của quá trình phân
loại chiếm 1 tỷ lệ không nhỏ.

+ Công đoạn ngâm kiềm: giấy được đưa vào 1 bể ngâm kiềm để tẩy trắng.
Thời gian ngâm tùy thuộc vào loại giấy.
VD: Giấy in thì thời gian ngâm lâu nhất, các hóa chất sử dụng trong khâu
này là NaOH, Javen. Ô nhiễm chính trong công đoạn này là ô nhiễm nguồn nước do
lượng hóa chất được hòa tan trong bể ngâm kiềm được được thải trực tiếp ra ngoài
không hề qua bất kỳ một khâu xử lý nào.
+ Công đoạn nghiền giấy: đây là công đoạn kết hợp sau công đoạn tước giấy
sau khi ngâm tẩy được đưa vào máy nghiền và tạo ra bột giấy có màu đục được
chứa trong 1 bể rộng. Ô nhiễm chủ yếu trong khâu này là do lượng bột giấy bị hòa
vào nước thải ra môi trường bên ngoài tạo ra một lớp bột tương đối dày trong các
kênh, mương và nó cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng yếm khí trong nước tạo
mùi hôi thối khó chịu.
+ Công đoạn nghiền đĩa : bột được đưa vào hệ thống nghiền đĩa nhằm nghiền
nhỏ bột đạt đến độ nghiền theo chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm rồi cho vào bể chứa
để pha loãng trước khi đưa vào công đoạn xeo giấy.
+ Công đoạn xeo giấy: bột giấy được dẫn qua 1 hệ thống máy lên lưới hình
thành và đưa trực tiếp lên máy xeo, ép ướt bằng một nhiệt độ cao được cung cấp từ
lò hơi. Giấy sau khi được sấy, ép được chuyển đến bộ phận hoàn thành để gia công,
chế biến thành sản phẩm cuối cùng. Phế phẩm của công đoạn này là các đấu xén,
đấu lề giấy và được tận dụng đưa lại quá trình tái chế. Hầu hết các khâu trong quá
trình tái chế giấy đều gây ra ô nhiễm mà ảnh hưởng lớn nhất chính là đến môi
trường nước. Nước ô nhiễm không qua bất kỳ một công đoạn xử lý nào lại xả ra hệ
thống cống, mương, ao hồ gây ảnh hưởng trầm trọng tới môi trường đất.


9

1.1.3 Nước thải ngành giấy tái chế
Bảng 1.3. Bảng đặc tính nước thải giấy khử mực[23]
Chỉ tiêu

Đơn vị

pH

Hàm lượng
6,4 – 7,5

BOD

mg/l

1900

COD

mg/l

2500

TSS

mg/l

2000

Độ màu

Pt – Co

900

Nước thải có lưu lượng, tải lượng cũng như độc tính của các chất ô nhiễm
cao, các chất ô nhiễm hữu cơ (dịch chiết từ thân cây, các axit béo, một số sản phẩm
phân hủy của lignin, và các dẫn xuất của ligin đã bị Clo hóa) phát sinh từ ngành
giấy là nguồn tiềm tàng gây ô nhiễm môi trường nước mặt, đất và nước ngầm nếu
được thải thẳng ra ngoài không qua xử lý. Đặc biệt là dịch đen thải ra từ quá trình
nghiền bột bằng phương pháp hóa học. Khí thải từ quá trình đốt nhiên liệu sản xuất
hơi nước bão hòa. Ngoài ra, trong quá trình nghiền bột giấy hóa học các khí nặng
mùi như hydro sulphite, mercaptan, ... Dioxin xuất phát từ quá trình tẩy trắng bột
giấy bằng chlorine.

Bảng 1.4 Tải lượng ô nhiễm trong dòng nước thải của công đoạn tẩy [5]
Thông số ô nhiễm (kg/tấn bột giấy)
Phương pháp


10

BOD

COD

Soda

16

60

Sunfat

16-17

60-90

Sunfit

15

60

Ngành công nghiệp giấy và bột giấy là ngành công nghiệp phức hợp, tăng
cường tiêu thụ năng lượng và nước cao. Chính vì vậy, nước thải của ngành công
nghiệp này là một trong vấn đề cần quan tâm và giải quyết. Trong phần lớn các bộ
phận xử lý, nước bị nhiễm bẩn là do tiếp xúc với các vật liệu thô, phế liệu, chất dư
thừa. Trong các nhà máy khâu ngâm tẩy, dòng thải của phân xưởng tẩy đóng góp
đáng kể nhất đối với tải lượng ô nhiễm. Các chất gây ô nhiễm nhà máy giấy tạo từ
các chất phế liệu, lọc, rơi vãi các sợi, chất độn và các chất phụ gia. Các chất gây ô
nhiễm dạng lơ lửng hầu hết là sợi hay thành phần sợi (dạng mịn), thành phần chất
độn và phụ gia, chất bẩn, cát, trong khi đó các chất gây ô nhiễm hòa tan chứa các
chất gỗ keo, thuốc nhuộm, chất định cỡ (hồ) và các chất phụ gia khác.
Sau khi có bột, giấy được sản xuất trên máy xeo giấy bao gồm các công
đoạn: chuẩn bị bột (nghiền, sàng, làm sạch, phối trộn với các phụ gia…), hình thành
trên lưới, hộp, sấy, cuộn, thành phẩm giấy (Hình 1.1). Trước khi đưa vào máy xeo,
bột được nghiền nhỏ để làm đồng đều và mềm mại, sau đó bột được phối trộn với
phụ gia như: bột đá, tinh bột, cationic, keo AKD và một số chất khác ở tỷ lệ nhất
định rồi bơm lên hòm phun bột của máy xeo. Từ đây bột được phun lên lưới hình
thành tờ giấy ướt, sau đó được tách nước, sang hệ thống hộp sấy, gia keo bề mặt (có
hoặc không) làm nhẵn bề mặt rồi được chuyển sang bộ phận hộp quang, cuộn, cắt
khổ và chuyển đến bộ phận bao gói và gia công .

Bảng 1.5 Đặc tính nước thải của quá trình xeo giấy [5]


11

Chỉ tiêu

Đơn vị

pH

Hàm lượng
7,5 – 9,0

BOD

mg/l

2000

COD

mg/l

2500

TSS

mg/l

3500

Độ màu

Pt – Co

1000

Nồng độ của các chất hữu cơ trong nước thải là tác nhân gây ô nhiễm chính
của ngành công nghiệp sản xuất giấy, nó được đánh giá qua các chỉ tiêu BOD và
COD. BOD sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước, điều này tạo điều kiện thuận
lợi cho các vi sinh vật yếm khí hoạt động mạnh, phân hủy cellulose, đường, và
những chất bẩn trong nước thải. Kết quả của quá trình hoạt động này làm tăng
lượng CO2 tự do trong nước, tăng nồng độ của khí CH 4, H2S, và những chất độc hại,
gây ra mùi hôi thối cho khu vực xung quanh và tiêu diệt các sinh vật nước, làm
giảm đi khả năng tự làm sạch của kênh rạch và sông. Đồng thời ảnh hưởng đến con
người qua con đường lan truyền của chuỗi thực phẩm. Chỉ tiêu COD là chỉ tiêu rất
quan trọng được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xử lý nước thải, COD cao do trong
nước có chứa nhiều cặn giấy, những cặn này sẽ ảnh hưởng đến các quá trình xử lý
phía sau.Tuỳ theo từng công nghệ và sản phẩm, lượng nước thải tính trên mỗi sản
phẩm giấy có thể khác nhau ,từ 200 đến 500 m 3/tấn.d. Nước thải của các nhà máy
giấy hầu như đều chứa các hợp chất, các hóa chất, bột giấy, các chất ô nhiễm hữu cơ
và vô cơ.

1.2 Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí
1.2.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học kỵ khí


12

Xử lý sinh học kỵ khí là quá trình xử lý không có oxy, sự phân hủy các chất
hữu cơ hòa tan sẽ tạo ra khí CH 4, và CO2. Khí CH4 sinh ra có thể được đốt để sinh
hơi cho xử lý bùn hoặc đốt trong nồi hơi. So với xử lý hiếu khí, nhu cầu chất dinh
dưỡng của xử lý kỵ khí thấp hơn, lượng bùn sinh ra cũng thấp hơn, dẫn đến việc
giảm chi phí xử lý bùn thải.
Chất hữu cơ → CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới.
Lượng bùn thải trong quá trình xử lý kỵ khí còn được giảm thấp nếu giảm
nồng độ phốtphát trong nước thải. Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và quá
trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí [9].
5%
20%
Các hợp chất hữu cơ phức tạp carbohydrates, proteins, lipids
THUỶ PHÂN
10%
35%
Các chất hữu cơ đơn giản đường, amino acids, peptides
ACID HOÁ
Các acid béo mạch dài propionate, butyrate,…

13%

17%

H2, CO2

Acetate
28%

72%
CH4, CO2

Hình 1.1 Sơ đồ phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ [7]
Yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử
lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật
hiếu khí. Chính vì vậy mà hệ thống xử lý kỵ khí có những ưu điểm sau:


13

- Có khả năng chịu được tải trọng cao: Những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể
xử lý với hiệu suất từ 85 – 90% COD với tải trọng hữu cơđầu vào khoảng 30g
COD/L.d ở 300 C và 50g COD/L.d ở nhiệt độ 400 C với nước thải với nồng độ chất
hữu cơ trung bình. Đối với những nước thải có thành phần phức tạp khác (không
tan, khó phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ có thể giảm hơn
nhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí [29].
- Một ưu điểm khác của hệ thống kỵ khí là bùn kỵ khí có thể bảo quản trong
một thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần nuôi dưỡng bằng dưỡng chất. Hoạt
tính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ nhỏ hơn 15 0 C. Do đó, có
thể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm
thời gian vận hành hệ thống.
- Vốn đầu tưđể xây dựng hệ thống xử lý kỵ khí không nhiều, diện tích sử dụng
cho hệ thống nhỏ, và thời gian sử dụng dài hơn hệ thống hiếu khí là những ưu điểm
nổi bật của hệ thống kỵ khí.
Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống xử lý kỵ khí còn một số nhược điểm như
sau: Vi khuẩn tạo khí mêtan có độ nhạy cao với một số chất hóa học nhất định, ví dụ
những chất hydrocarbon có nguồn gốc halogen, một số hợp chất hữu cơ có Nitơ,
CN- và ion tự do của kim loại nặng. Trong một số trường hợp những chất này biểu
thị độc tính, hoặc làm cản trở sự sinh trưởng, phát triển của những vi khuẩn tạo khí
mêtan. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những vi khuẩn kỵ khí
có thể thích nghi một số chất hóa học và có thể phân hủy chúng.

Khi xử lý nước thải có hợp chất chứa sunfua, quá trình xử lý kỵ khí thường tạo
thành khí H2S với mùi hôi khó chịu. Lượng khí này có thể thải ra môi trường cùng
dòng thải với những hệ thống xử lý kị khí có thiết kế chưa đạt. Đối với những hệ
thống xử lý kỵ khí hoàn chỉnh, luôn kèm theo hệ thống thu hồi khí sinh học, và xử
lý khí H2S trong dòng thải.
Hầu hết tất cả các dạng nước thải công nghiệp, với nồng độ chất độc hại không
quá cao, thì hệ thống xử lý kỵ khí đều có thể sử dụng để xử lý. Những nghiên cứu
gần đây cho thấy rằng hệ thống kỵ khí có thể hoạt động tốt trong điều kiện nước


14

thải có nồng độ rất thấp (COD < 100 mg/L), ngay ở cả những nhiệt độ rất thấp
(psychrophilic) (<40 C) hay ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic), với nhiều loại
nước thải khác nhau như nước thải giấy, nước thải dệt nhuộm, nước thải cao su
v.v…
Hệ thống xử lý kỵ khí còn được áp dụng để xử lý bùn (ví dụ như bùn cống
rãnh và phân vật nuôi): Quá trình phân hủy kỵ khí đã áp dụng để ổn định bùn cống
rãnh, phân vật nuôi và sản sinh năng lượng.
Nguyên lý chung đối với xử lý sinh học kỵ khí người ta sử dụng nhóm vi sinh
vật kỵ khí để phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Vi sinh vật sử
dụng theo nguyên lý này cũng có thể sử dụng dưới dạng sinh trưởng lơ lửng hoặc
sinh trưởng bám dính [28]. Quá trình phân giải kỵ khí bao gồm các giai đoạn:
Giai đoạn thuỷ phân: Các enzym ngoại bào được sản xuất ra bởi các vi khuẩn
thủy phân (hydrolytic bacteria) phân hủy các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn,
dưới dạng dễ phân hủy hơn. Tuy nhiên quá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm
và có tốc độ phụ thuộc nhiều vào mức độ tiếp xúc của enzyme với cơ chất.
Giai đoạn acid hóa (nhóm vi khuẩn lên mem acid – Fermentative acidogenic
bacteria):Bao gồm quá trình lên men và oxi hóa kỵ khí được thực hiện bởi nhóm
các vi sinh vật kỵ khí hoặc tùy nghi như Clostridium, Bifidobacterium,

Desulphovibrio, Actinomyces và Staphylocococcus. Quá trình này sẽ chuyển hóa
đường, acid amin, acid béo thành acid hữu cơ. Sự hình thành các acid có thể làm
giảm pH xuống 4.0. Các amino acid được phân huỷ tạo thành NH 3 là một hợp chất
rất quan trọng trong quá trình phân huỷ kỵ khí.
Giai đoạn acetic: Nhóm vi khuẩn acetic (Acetogenic bacteria) như
Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas bẻ gãy các acid béo và rượu thành acetate,
hydro và carbon dioxide và sinh khối mới. Nhóm vi khuẩn này đòi hỏi thế hydro
thấp để chuyển hóa các acid béo. Do đó có một mối quan hệ cộng sinh giữa vi
khuẩn acetic và vi khuẩn methane. Vi khuẩn methane sẽ giúp đạt được thế hydro
thấp mà vi khuẩn acetic cần. Vi khuẩn acetic tăng trưởng nhanh hơn nhiều so với vi
khuẩn methane.


15

Giai đoạn methane hóa
Trong giai đoạn này, vi khuẩn methane hóa (methanogens) như
Methanobacillus, Methanococcus, Methanobacterium và Methanosarcina chịu trách
nhiệm chuyển hóa sản phẩm cuối cùng của phản ứng acetat hóa thành khí methane
và carbon dioxide (Metcalf and Eddy, 1991). Vi khuẩn methane tăng trưởng chậm.
Đây là lý do chính tại sao quá trình phân huỷ kỵ khí đòi hỏi thời gian lưu sinh khối
cao.
Khoảng 72% methane được tạo thành chủ yếu từ cơ chất acetate do nhóm
methyl của acetate bị khử thành methane; 28% tổng khí methane sinh ra còn lại
được tạo ra từ H2 và CO2 (Hình 1.3).
Một số phương trình phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ khí:
4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
4HCOO− + 4H+ CH4 + 3CO2 + 2H2O
CH3COOH  CH4 + CO2
4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3

Trong 3 giai đoạn: thuỷ phân, acid hóa và acetat hóa, COD trong dung dịch
hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong quá trình methane hóa.Quá trình phân
huỷ kị khí cuối cùng tạo ra một hỗn hợp khí CH 4, CO2, N2 , H2 ... Trong đó có tới
65% là CH4 vì vậy, quá trình này còn được gọi là methane hóa[2]. Các điều kiện
ảnh hưởng tới quá trình lên methane hóalà: Nhiệt độ tốt nhất của quần thể vi sinh
vật sinh metan từ 35 – 550C; Dưới 100C vi sinh vật metan hầu như không hoạt động;
pH môi trường: pH tốt nhất là 6,4 – 7,5.


16

Hình 1.2 Bùn hạt trong hệ thống kỵ khí
1.2.2 Vi sinh vật ứng dụng trong xử lý kỵ khí
1.2.2.1 Giới thiệu chung về vi sinh vật kỵ khí
Vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải ngành công nghiệp giấy, bột giấy
và nước thải chứa lignin và các hợp chất lignin (dưới đây gọi tắt là nước thải công
nghiệp giấy – nước thải CNG) rất phong phú. Sử dụng kỹ thuật nấm men có thể làm
mất màu lignin trong dịch đen; tuy nhiên kỹ thuật này hiện nay vẫn chỉ dừng lại ở
quy mô phòng thí nghiệm. Các hệ sinh học ứng dụng trong xử lý nước thải của
ngành công nghiệp giấy và bột giấy là dựa trên hoạt động của các nhóm vi khuẩn
phân giải xenlulo, phân giải xilan, phân giải lignin, phân giải tinh bột,...
- Phân giải cellulose
Hệ vi sinh vật phân giải cellulose khá phong phú. Nấm, xạ khuẩn và vi khuẩn
đều có khả năng phân giải cellulose (xem Bảng 1.6). Các nghiên cứu cho thấy có
hai loại enzym chính để phân hủy cellulose là cellulose C 1 và cellulose Cx. Enzym
cellulose C1 tác động sơ bộ vào phân tử cellulose thiên nhiên và biến chúng thành
các chuỗi cellulose mạch thẳng, sau đó dưới tác dụng của cellulose C x, cellulose bị
phân hủy thành cellobiose, loại đường này có thể tan trong nước, và được chuyển
thành glucose nhờ enzym β-glucosidase.
Bảng 1.6 Các vi sinh vật kỵ khí phân hủy cellulose

Tên vi sinh
Clostridium thermocellum
Clostridium omelianskii
Ruminococcus flavefeciens


17

Ruminococcus albus
Bacteroides succinogenes
Butyrivibrio fibrisolvens
- Phân giải lignin
Trong gỗ, lignin chiếm khoảng 20 – 30%; đây là một thành phần tương đối
khó phân hủy bằng phương pháp sinh học. Từ lâu, người ta đã nghiên cứu phân hủy
lignin bằng con đường sinh học nhưng mãi tới cuối những năm 1970 mới thu được
những tiến bộ đáng kể. Những hiểu biết cho đến nay thấy rằng sự phân hủy lignin
nhanh nhất và phổ biến nhất trong tự nhiên là các loại nấm. Các nghiên cứu đã chỉ
ra rằng Actinomices, Streptomyces có thể phân hủy lignin ở các loài gỗ. Các loại
nấm phân hủy hầu hết các thành phần của gỗ, kể cả lignin được chia thành 3 nhóm:
Nấm mục trắng (whitw-rot fungi), nấm mục nâu (brow-rot fungi) và nấm mục mềm
(soft-rot fungi) trong đó nấm mục trắng (chủ yếu là Basidiomycetes và một số
Ascomycetes) là nhóm phân hủy lignin hữu hiệu nhất [12].
Một đặc điểm của nước thải nhà máy giấy và bột giấy, đặc biệt là nước thải
công đoạn nấu, rửa bột là pH rất kiềm (hoặc rất axit), nên mật độ vi sinh vật có
trong nước thải là rất thấp. Để tăng mật độ vi sinh vật ban đầu, rút ngắn thời gian xử
lý cần phải bổ sung thêm một lượng vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất có
trong nước thải. Việc nghiên cứu tìm ra tập đoàn vi sinh vật có khả năng thích nghi
và phân hủy nhanh các chất ô nhiễm trong nước thải đóng vai trò quan trọng trong
công nghệ xử lý bằng vi sinh.
1.2.2.2 Nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật

Chất dinh dưỡng đối vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấp thụ từ
môi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho
các quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho
các quá trình trao đổi năng lượng. Như vậy, chất dinh dưỡng phải là những hợp chất
có tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào [12].
Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật


18

Tuỳ từng nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp dưới dạng cacbon
vô cơ (CO2 ,..) hoặc cacbon hữu cơ và nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trời hay
nguồn năng lượng là sản phẩm của trao đổi chất (ATP). Trên thế giới hầu như không
có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị vi sinh vật phân giải. Không ít những
vi sinh vật có thể đồng hoá được cả các hợp chất cacbon rất bền vững như cao su,
chất dẻo, dầu mỏ,... Đối với những chất hữu cơ không tan trong nước hoặc có khối
lượng phân tử lớn, để hấp thụ được các chất này thì vi sinh vật phải tiết ra các
enzym ngoại bào thuỷ phân để chuyển hoá chúng thành những hợp chất dễ hấp thụ
(đường, axit amin,...). Người ta thường dùng đường làm nguồn thức ăn cacbon khi
nuôi cấy phần lớn các vi sinh vật dị dưỡng. Để nuôi cấy các vi sinh vật khác nhau,
người ta thường dùng các nồng độ đường không giống nhau. Đối với vi sinh vật dị
dưỡng, nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh dưỡng và nguồn
năng lượng [22].
Nguồn thức ăn nitơ của vi sinh vật
Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH 3 và NH4+. Muối amoni vô
cơ rẻ hơn nhưng thường làm chua môi trường, làm ức chế sự phát triển của vi sinh
vật. Thường dùng urê làm nguồn nitơ vì tạo môi trường trung tính. Đa số các vi sinh
vật không có khả năng đồng hóa N2 trong không khí. Tuy nhiên có những vi sinh
vật có thể chuyển hoá N2 thành NH3nhờ hoạt động xúc tác của một hệ thống enzym
có tên là nitrogenaza. Đối với nguồn thức ăn nitơ hữu cơ, vi sinh vật có khả năng

đồng hoá rất tốt. Các thức ăn này sẽ vừa làm nguồn cacbon vừa là nguồn cung cấp
nitơ cho vi sinh vật.
Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật
Nhu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố khoáng là không giống nhau tuỳ
thuộc vào từng loài, từng giai đoạn phát triển. Các nguyên tố khoáng chia làm 2
loại:
Nguyên tố đa lượng: là các nguyên tố mà vi sinh vật sử dụng với lượng lớn.
Đó là các nguyên tố: P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca, Fe,...


19

Nguyên tố vi lượng : là các nguyên tố mà vi sinh vật chỉ đòi hỏi một lượng rất
nhỏ: B, Mo, Cu, Zn, Mn,... Hàm lượng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chất
của vi sinh vật khác nhau là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôi
cấy. Nhu cầu một số muối khoáng của vi sinh vật được nêu trong Bảng 1.7.
Bảng 1.7 Nhu cầu cần thiết về muối khoáng đối với vi khuẩn, nấm và xạ
khuẩn [6]
Nhu cầu cần thiết (mg/l)
Muối khoáng
Vi khuẩn

Nấm và xạ khuẩn

K2HPO4

0,2 ÷ 0,5

1÷2

KH2PO4

0,2 ÷ 0,5

1÷2

MgSO4.7H2O

0,1 ÷ 0,2

0,2 ÷ 0,5

MnSO4.4H2O

0,005 ÷ 0,01

0,02 ÷ 0,1

FeSO4.7H2O

0,005 ÷ 0,01

0,005 ÷ 0,02

ZnSO4.7H2O

0,001 ÷ 0,005

0,02 ÷ 0,1

CoCl2

< 0,03

< 0,06

CaCl2

0,01 ÷ 0,03

0,02 ÷ 0,1

CaSO4.5H2O

0,001 ÷ 0,005

0,01 ÷ 0,05

Khi sử dụng môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật như pepton, nước
thịt, giá đậu,.... thì không cần bổ sung các nguyên tố khoáng. Nhưng nếu sử dụng
môi trường tổng hợp (nguyên liệu là hoá chất) thì phải bổ sung các nguyên tố
khoáng.


20

1.2.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến VSV
Sự phát triển của vi sinh vật trong các thuỷ vực chịu ảnh hưởng của nhiều nhân
tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theo nhiều
kiểu. Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần loài của các quần thể, đến hình thái

và sinh lý của vi sinh vật. Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàm lượng muối,
các chất hữu cơ, các chất vô cơ.
Nhiệt độ
Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật.
Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hoá của sinh vật tăng, nhưng độ hoà tan oxy trong
nước giảm. Nhiệt độ đa số vi sinh vật có thể hoạt động được là từ 6-40 0C. Khi nhiệt
độ tăng hoặc giảm quá ngưỡng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt hoá của các enzym.
Vì vậy, vi khuẩn sẽ ngừng hoạt động, cuối cùng dẫn đến tử vong, còn nhiệt độ quá
thấp thì tốc độ làm sạch sẽ bị giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi
trường mới sẽ chậm lại [12,28].
Độ pH
Đây là thông số ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trong
nước. pH cũng ảnh hưởng đến các quá trình vật lý và các phản ứng hoá học xảy ra
trong môi trường nước. Đối với đa số vi sinh vật, thường sinh trưởng và phát triển ở
pH 6,0 - 8,5. Khi pH nằm ngoài khoảng trên sẽ làm giảm hoạt lực của bùn hoạt tính,
do đó làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý [28]. Việc đo pH là rất cần thiết để
điều khiển quá trình lý học, hoá học, sinh học. Thông số pH được xác định bằng
máy đo pH.
Thành phần các chất trong nước
Thành phần nước thải có vai trò quyết định tới sự sinh trưởng và phát triển của
vi sinh vật. Mỗi loài sinh vật chỉ sinh trưởng và phát triển trong một dải nồng độ
thức ăn nhất định, nếu lớn hơn dải nồng độ đó sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển của
chúng. Mỗi một loài sinh vật có thể sử dụng một số thức ăn nhất định, chúng sẽ
đồng hoá những loại thức ăn dễ đồng hoá trước, thức ăn khó đồng hoá sau. Thành
phần và chất lượng nước thải thể hiện qua các thông số sau:


21

Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng
để oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3-. Phương trình tổng
quát như sau:

Chỉ số BOD chỉ ra lượng oxy mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hoá các
chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ
có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn.
Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân huỷ
hoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian mà người ta thường chỉ xác định
lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C, kí hiệu BOD5. Tại thời điểm
này đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá [14,28].
Nhu cầu oxy hoá hoá học COD
COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các chất
hữu cơ trong mẫu nước thải thành CO2 và H2O. Chỉ số COD biểu thị cả lượng các
chất hữu cơ có thể và không thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó, nó có giá trị cao
hơn BOD. Phép phân tích COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh nên đã khắc phục
được nhược điểm của phép đo BOD.
Đối với nhiều loại nước thải, giữa chỉ số COD và BOD có mối tương quan nhất
định. Vì vậy, khi thiết lập được mối quan hệ tương quan này có thể sử dụng phép đo
COD để vận hành và kiểm soát hoạt động của nhà máy xử lý nước thải.
Hàm lượng nitơ
Nitơ là nguyên tố rất cần thiết cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ chứa
nitơ trong cơ thể vi sinh vật. Để tiến hành quá trình đồng hoá được các hợp chất
chứa nitơ có trong môi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzym
ngoại bào sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác [31].
Chính vì thế mà trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin,
nitơ amoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do.


22

Xác định hàm lượng nitơ trong môi trường để ta có khái niệm về khả năng sử
dụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm nước và mức độ ô nhiễm nước. Khi thiếu
nitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá, các chất hữu cơ còn tạo ra bùn
hoạt tính khó lắng [28].
Trong kỹ thuật môi trường, người ta thường xác định nitơ bằng phương pháp
Kjendahl, còn N – NH3, N – NO2- bằng phương pháp so màu.
Hàm lượng photpho
Trong môi trường nước, photpho tồn tại ở dạng: H 2PO4-, HPO42-, PO43-, dạng
polyphophat Na(PO3)6 và photpho hữu cơ.
Photpho là nguyên tố rất quan trọng, có mặt trong thành phần của ATP, ADP, AMP,
photpholipit... [29]
Thông số photpho giúp ta đánh giá mức độ dinh dưỡng có trong nước. Thiếu
photpho sẽ dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, làm bùn hoạt tính trương
lên, khó lắng và bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý do đó làm giảm nồng độ của bùn
hoạt tính trong bể xử lý. Để khắc phục điều này người ta đề xuất một tỷ lệ các chất
dinh dưỡng cho xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí như sau BOD : N : P =
100 : 5 : 1 (đối với 3 ngày đầu) còn đối với thời gian xử lý dài hơn thì tỷ lệ trên là
200 : 5 : 1 [28].
Hàm lượng sunphat
Sunphat sắt luôn có mặt trong nước bị ô nhiễm và trong nước thải. Lưu
huỳnh có mặt trong một số aminoaxit cấu tạo nên protein (cystein và methionin).
Lưu huỳnh sẽ được chuyển hoá theo phương trình sau trong điều kiện kị khí nhờ vi
khuẩn:

Sự có mặt của lưu huỳnh dạng H2Strong nước làm cho nước có mùi thối.
Hàm lượng các kim loại nặng
Khi trong nước chứa các kim loại nặng như: chì (Pb), thuỷ ngân (Hg), Crom
(Cr), Cadimi (Cd), Asen (As) thì ngoài việc gây hại cho con người, động thực vật sử

23

dụng nguồn nước, các kim loại nặng này còn có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của
các vi sinh vật trong nước.
Các kim loại nặng ở hàm lượng nhất định nào đó có thể làm cho quá trình trao
đổi chất của cơ thể vi sinh vật bị rối loạn do sự kìm hãm hoạt động của các enzym
khi có mặt một số kim loại. Tuy nhiên đối với một vài kim loại nặng ở dạng vết thì
lại có tác dụng tốt nhất định đối với sự pháttriển sinh vật.
1.2.3 Hoạt động của bùn trong bể kỵ khí
Đóng vai trò quyết định trong việc phân huỷ và chuyển hoá chất hữu cơ.
Chia thành 2 vùng rõ rệt và chiều cao ¼ bể từ đáy tính lên.
Lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ nồng độ 5 ÷ 7%. Lớp bùn lơ lửng nồng độ
1000 ÷ 3000mg/l.
Nồng độ cao của bùn cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao.
Bùn nuôi cấy ban đầu:
Bùn nuôi cấy ban đầu phải có độ hoạt tính metan. Độ hoạt tính metan ngày càng
cao thì thời gian khởi động càng ngắn. Nếu sử dụng được bùn hạt hoặc bùn lấy từ
một bể xử lý kỵ khí là tốt nhất. Ngoài ra có thể sử dụng bùn chứa nhiều chất hữu cơ
như bùn từ bể tự hoại, phân gia súc hoặc phân chuồng.
Bảng 1.8 Đặc tính bùn cho bể UASB [7]
Loại bùn

Hoạt

tính

mêtan

Hàm

(kg CH4 – COD/kg VSS)

(kg VSS/m3)

Bùn hạt

0,8 ÷ 1,5

15 ÷ 35

Bùn từ các bể xử lý lý kỵ khí khác

0,4 ÷ 1,2

10 ÷ 25

Bùn cống rãnh

0,02 ÷ 0,1

8 ÷ 20

Phân chuồng

0,02 ÷ 0,08

20 ÷ 80

Bùn bể tự hoại

0,01 ÷ 0,02

15 ÷ 50

Phân bò tươi

0,001 ÷ 0,006

30 ÷ 100

Phân gia súc khác

0,001 ÷ 0,004

30 ÷ 100

lượng


24

Nồng độ bùn nuôi cấy ban đầu cho bể UASB tối thiểu là 10 kgVSS/m 3. Lượng
bùn cho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.
Khi mới nuôi cấy, vận tốc nước bơm vào bể phải đủ nhỏ để không đẩy bùn ra
ngoài. Mặt khác, chất lượng nước đầu vào nên pha loãng trước khi bơm vào bể để
giảm nồng độ COD nhằm giúp vi sinh vật phát triển tốt. Cần chú ý đến lượng khí
sinh ra để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh metan.
Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng UASB vẫn liên tục cải tiến để giảm thời gian lưu
nước trong hệ thống và gia tăng tốc độ xử lý. Vào năm 1983, hệ thống xử lý tốc độ

cao với lớp bùn hạt mở rộng (Expanded Granular Sludge Bed- EGSB) được hình
thành bởi giáo sư Lettinga và các cộng sự của ông. Lý do để hệ thống xử lý kỵ khí
tốc độ cao được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế là: Giảm được vốn đầu tư khi
xây dựng hệ thống: với tốc độ xử lý cao sẽ làm giảm kích thước của công trình khi
phải xử lý một lưu lượng thải nhất định; Giảm diện tích để xây dựng của hệ thống,
phù hợp với những nhà máy có mặt bằng nhỏ; Hệ thống có độ ổn định cao ngay cả
với những điều kiện hoạt động không thuận lợi, khả năng xử lý tải hữu cơ lên đến
25g COD/l.ngày.
1.3 Các kỹ thuật kỵ khí cao tải trong xử lý nước thải giấy
Từ khi hình thành, hệ thống xử lý kỵ khí đã có nhiều dạng khác nhau như lọc
kỵ khí với dòng nước thải đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Filter-UAF), hệ thống
màng lọc cố định với dòng từ trên xuống (Dowflow Stationary Fixed Film- DSFF),
hệ thống xử lý kỵ khí với dòng hướng lên qua một lớp bùn (Upflow Anaerobic
Sludge Bed- UASB), hệ thống sử dụng lớp bùn động (Anaerobic Fluidized BedAFB) v.v…. Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng những hệ thống xử lý kỵ khí này vẫn liên
tục cải tiến để giảm thời gian lưu nước trong hệ thống và gia tăng tốc độ xử lý. Vào
năm 1983, hệ thống xử lý tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng (Expanded Granular
Sludge Bed- EGSB) được hình thành bởi giáo sư Lettinga và các cộng sự của ông.
Lý do để hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế
là:


25

+ Giảm được vốn đầu tư khi xây dựng hệ thống: Với tốc độ xử lý cao sẽ làm
giảm kích thước của công trình khi phải xử lý một lưu lượng thải nhất định;
+ Giảm diện tích để xây dựng của hệ thống, phù hợp với những nhà máy có
mặt bằng nhỏ;
+ Hệ thống có độ ổn định cao ngay cả với những điều kiện hoạt động không
thuận lợi.
1.3.1 Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng hướng lên qua một lớp bùn (UASB)

UASB là kỹ thuật đầu tiên sử dụng vi sinh dạng hạt tự sinh không chất mang
được đề xuất bởi GS. Lettinga. Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý
nước thải có độ ô nhiễm hữu cơ cao và kể cả nước thải sinh hoạt [31,36].
Nguyên tắc căn bản của kỹ thuật UASB là sử dụng khả năng tạo thành hạt vi
sinh của một số dạng vi sinh yếm khí nhất định, chúng tạo thành tập hợp keo tụ đặc,
thường được gọi là hạt vi sinh. Hạt vi sinh có khả năng lắng rất tốt và vì vậy dễ tích
lũy trong khối phản ứng, trong khi loại không có khả năng tạo hạt sẽ trôi theo nước
ra ngoài.
Nét đặc trưng nổi bật của hệ xử lý UASB là bộ phận tách ba pha. Nhờ các cấu
trúc cản khí (sắp xếp theo kiểu dích dắc, xen phủ lẫn nhau của các vòm thu khí) nên
dòng khí được thu về các vòm thu khí, tại đó khí thoát ra khỏi nước và tách khỏi các
hạt vi sinh. Bộ phận tách pha chia bể yếm khí thành hai vùng: vùng phân hủy nằm ở
dưới và vùng lắng ở phía trên. Bể xử lý theo kỹ thuật UASB có các đặc trưng chính
sau: nước thải cần xử lý được phân bố đều vào đáy bể chảy ngược lên phía trên với
tốc độ 1 ÷ 2 m/h, cùng với khí tạo thành để duy trì trạng thái lơ lửng của tầng vi
sinh, trên lớp bùn là lớp nước trong không chứa sinh khối và trên cùng là lớp tách
pha (rắn - lỏng -khí).
Ưu điểm: Chi phí đầu tư, vận hành thấp, lượng hóa chất cần bổ sung ít, không
đòi hỏi cấp khí, đỡ tốn năng lượng, có thể thu hồi, tái sử dụng năng lượng từ biogas,
lượng bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải lượng hữu cơ cao, giảm diện tích
công trình.