Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn IC (internal circulation)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

TRẦN MẠNH HẢI

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ CAO TẢI TUẦN HOÀN NỘI- IC
(INTERNAL CIRCULATION)

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

TRẦN MẠNH HẢI

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ CAO TẢI TUẦN HOÀN NỘI- IC

(INTERNAL CIRCULATION)

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã sỗ: 9.52.03.20
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Cao Thế Hà
2. PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu

Hà Nội, 2019


i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí
cao tải tuần hoàn nội IC (Internal Circulation)” là do tôi thực hiện với sự hướng
dẫn của PGS.TS. Cao Thế Hà và PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu.
Các kết quả công bố trong luận án là trung thực, chính xác.
Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về những nội dung mà tôi trình bày trong
luận án này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 6 năm 2019
Nghiên cứu sinh

Trần Mạnh Hải


ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Cao Thế Hà (Trung tâm

nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững CETASD- Trường Đại
học Khoa học tự nhiên) và PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu (Viện Công nghệ môi
trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tận tình hướng dẫn
vàđịnh hướng cho tôi những hướng nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực
hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể: (i) Học viện Khoa học và Công nghệ
(GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST); (ii) Khoa
Công nghệ môi trường – GUST; (iii) Viện Công nghệ môi trường (IET) – VAST;
và(iv) Phòng Ứng dụng và chuyển giao công nghệ - IET đã hỗ trợ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng Công nghệ môi trường (Trung tâm
nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững) đã hỗ trợ và cùng với tôi
thực hiện các nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phạm Hồng Hải và TS. Hoàng Văn Hàđã
hỗ trợ trong việc xử lý số liệu thực nghiệm.
Nghiên cứu sinh

Trần Mạnh Hải


iii
MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................x
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của luận án ...................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................2

4. Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án ...........................................3
5. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án ...........................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................4
1.1. Các quá trình vi sinh yếm khí ..........................................................................4
1.2. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt ...........................................6
1.3. Các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm bùn vi sinh và vi sinh dạng
hạt ..........................................................................................................................11
1.3.1. Hệ yếm khí tiếp xúc AC và Bồn/bể lọc yếm khí AF ..............................12
1.3.2. Bồn/bể phản ứng kiểu UASB .................................................................12
1.3.3. Bồn phản ứng kiểu FB ............................................................................15
1.3.4. Bồn/bể phản ứng kiểu EGSB .................................................................16
1.4. Kỹ thuật tuần hoàn nội IC ..............................................................................18
1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .............................................................18
1.4.2. Thiết bị phản ứng khí nâng – ALR .........................................................23
1.4.3. Thông số thiết kế hệ IC ..........................................................................29
1.4.4. Những vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu thiết kế hệ IC ..................31
1.5. Công nghệ xử lý yếm khí cao tải ở Việt Nam ...............................................33
1.6. Chất lượng nước thải chăn nuôi lợn ..............................................................34
Kết luận chương 1 .................................................................................................41
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....42
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................42


iv
2.2. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................42
2.2.1. Thực nghiệm xác định đại lượng K (K = QN/QK) ..................................43
2.2.2. Thiết lập phương trình biểu diễn liên hệ giữa các thông số thiết kế hệ
airlift vàcác thông số vận hành-lưu lượng nước và tỷ lệ khí/nước. .................45
2.2.3. Phương pháp tìm mô hình thực nghiệm thống kê. .................................46
2.2.4. Thực nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi lợn. .........................................48

2.2.5. Phương pháp đánh giá tiềm năng tạo biogas ..........................................54
2.2.6. Tính công suất và cường độ khuấy trộn trong vùng phản ứng từ lượng
biogas phát sinh ................................................................................................57
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................61
3.1. Xác định K bằng thực nghiệm (KTN) .............................................................61
3.1.1. Các điều kiện thí nghiệm: .......................................................................61
3.1.2. Kết quả thí nghiệm .................................................................................61
3.2. Phương trình biểu diễn liên hệ giữa các thông số thiết kế hệ airlift và các
thông số vận hành-lưu lượng nước và tỷ lệ khí/nước ...........................................65
3.2.1. Đánh giá sự phù hợp của phương trình với kết quả thực nghiệm ..........66
3.2.2. Đánh giá sự thay đổi của K khi tăng tiết diện ống lên ...........................68
3.2.3. Đánh giá sự thay đổi của K theo độ nhớt và khối lượng riêng ...............69
3.2.4. Lựa chọn mô hình biểu diễn ...................................................................74
3.2.5. Mô hình thực nghiệm thống kê ..............................................................78
3.3. Kết quả vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn ....................................81
3.3.1. Hệ IC thí nghiệm ....................................................................................81
3.3.2. Mối quan hệ giữa năng suất và hiệu suất xử lý với tải lượng. ...............87
3.3.3. Kết quả thử nghiệm tách rắn lỏng ..........................................................92
3.3.4. Kết quả đo lượng biogas và metan .........................................................96
3.4. Tính toán khả năng khuấy trộn do khí biogas sinh ra ....................................98
3.5. Tính thông số công nghệ hệ IC ....................................................................103
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ......................................................................................107
Kết luận ...............................................................................................................107
Kiến nghị .............................................................................................................108
Danh mục các công trình đã công bố ......................................................................109


v
Tài liệu tham khảo ...................................................................................................110
PHỤ LỤC 1 .............................................................................................................120

PHỤ LỤC 2 .............................................................................................................130
PHỤ LỤC 3 .............................................................................................................132


vi
DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí ..............5
Hì
nh 1. 2. Sơ đồ hệ xử lý UASB ...............................................................................14
Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý hệ EGSB .......................................................................17
Hì
nh 1. 4. Sơ đồ nguyên lý hệ IC ..............................................................................19
Hì
nh 1. 5. Sơ đồ ALR với ống lên đồng trục ............................................................24
Hình 1. 6. Thiết diện để nước chảy vào ống lên .......................................................28
Hình 1. 7. Tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian ....................30
Hình 2. 1. Sơ đồ hệ thí nghiệm xác định K ...............................................................43
Hình 2. 2. Sơ đồ hệ IC thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi ..................................48
Hình 2. 3. Sơ đồ hệ thí nghiệm tách rắn-lỏng ...........................................................52
Hình 2. 4. Sơ đồ hệ thu và đo khí biogas ..................................................................56
Hình 2. 5. Các thành phần khuấy trộn trong hệ IC ...................................................59
Hình 3. 1. Sự thay đổi của K khi vk tăng (tại H1 = 285 vàH2 = 50 cm) ...................62
Hình 3. 2. Sự thay đổi của K khi H1/H2 tăng (tại vk = 582 m/h; H1 = 285 cm) ........62
Hình 3. 3. Xu hướng sự thay đổi giá trị của QN khi vận tốc khí vk tăng (tại H1 = 285
vàH2 = 50 m) ............................................................................................................63
Hình 3. 4. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi mức ngập nước H1 thay đổi
(H2 = 50 cm; v khí= 582 m/h) ..................................................................................63
Hình 3. 5. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi chiều cao xả nước H2 thay
đổi (H1 = 185 cm; v khí= 582 m/h) ..........................................................................64

Hì
nh 3. 6. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN (tại H1 = 285 và185 cm) ......64
Hình 3. 7. Sự thay đổi giá trị của K ở các độ nhớt khác nhau ..................................71
Hình 3. 8. Độ giảm giá trị của K ở các giá trị độ nhớt khác nhau ............................71
Hình 3. 9. Sự thay đổi giá trị của K khi tăng khối lượng riêng.................................73
Hình 3. 10. Mức giảm của K khi khối lượng riêng dung dịch tăng ..........................74
Hình 3. 11. Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 50 cm) ............75
Hình 3. 12. Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 10 cm) ............76


vii
Hình 3. 13. Xu hướng của Ktn vàKMH ......................................................................81
Hình 3. 14. Một số cơ cấu tách 3 pha phổ biến .........................................................82
Hình 3. 15. Mô hình hệ IC và bộ tách pha ................................................................83
Hì
nh 3. 16. OLRvào, OLRra và hiệu suất xử lý ..........................................................88
Hình 3. 17. Mối quan hệ giữa năng suất với tải lượng COD đầu vào ......................91
Hình 3. 18. Mối quan hệ giữa Hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào .............91
Hình 3. 19. Hiệu quả tách rắn - lỏng sử dụng polyme C525 ...................................93
Hình 3. 20. Thử nghiệm tạo bông với các loại polime khác nhau ............................93
Hình 3. 21. Diễn biến OLRlọc vào-ra và hiệu suất xử lý ...........................................95
Hình 3. 22. Diễn biến OLRtổng vào-ra và hiệu suất xử lý ..........................................96
Hình 3. 23. Lượng khí biogas và metan sinh ra theo thực nghiệm và theo lý thuyết
...................................................................................................................................97


viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Đặc trưng của bùn hạt tốt.........................................................................11
Bảng 1. 2. Hiệu quả xử lý của kỹ thuật IC và UASB ...............................................29

Bảng 1. 3. Các thông số thiết kế các hệ XLYK .......................................................29
Bảng 1. 4. Một số thông số kỹ thuật của hệ tuần hoàn nội .......................................30
Bảng 1. 5. Đặc tính chất thải chăn nuôi lợn từ bể chứa dưới sàn .............................34
Bảng 1. 6. Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn............................................35
Bảng 1. 7. Thống kê chất thải chăn nuôi lợn ở Singapo. ..........................................37
Bảng 1. 8. Chất lượng NTCNL tại hố thu gom ở Singapo, Trung Quốc và Ý .........38
Bảng 1. 9. Chất lượng NTCNL từ bể điều hòa (sau tách SS) ...................................39
Bảng 1. 10. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung ......40
Bảng 1. 11. Tổng hợp chất lượng NTCNL tại trang trại. ..........................................40
Bảng 2. 1. Các nội dung thực nghiệm và tính toán ...................................................42
Bảng 2. 2. Thành phần nước thải các chuồng ở trại Hòa bình xanh .........................50
Bảng 3. 1. Sai số của các phương pháp xác định COD ............................................67
Bảng 3. 2. Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 4,45 cm2 ......................................68
Bảng 3. 3. Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 15,76 cm2 ....................................68
Bảng 3. 4. Giá trị của K và mức giảm (%) ở các độ nhớt khác nhau tại H1=285 cm
vàH2 = 50 cm. ...........................................................................................................70
Bảng 3. 5. Giá trị của K và mức giảm K (%) khi khối lượng riêng của dung dịch ()
tăng ............................................................................................................................73
Bảng 3. 6. Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và
H2=50). ......................................................................................................................77
Bảng 3. 7. Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và
H2=10). ......................................................................................................................77
Bảng 3. 8. Giá trị các hệ số b0,bj, bu,j vàbjj ...............................................................79
Bảng 3. 9. Thông số hệ IC thí nghiệm ......................................................................81
Bảng 3. 10. Tổng hợp chế độ thí nghiệm ..................................................................84
Bảng 3. 11. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn ra khỏi bình
phản ứng ....................................................................................................................84


ix

Bảng 3. 12. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là
NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 500 mg/L .....................................85
Bảng 3. 13. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là
NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 1000 mg/L ...................................86
Bảng 3. 14. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là
NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 2500 mg/L ...................................87
Bảng 3. 15. Kết quả tách TSS bằng bộ lọc thô .........................................................94
Bảng 3. 16. Cường độ và công suất khuấy trộn do khí biogas sinh ra ......................98
Bảng 3. 17. Thông số công nghệ của hệ IC ở các năng suất xử lý khác nhau ........104
Bảng 3. 18. Giá trị của Ktn=QN/QK, Ktính theo phương trình 3.10 và sai số (%). ....121
Bảng 3. 19. Mối liên hệ giữa độ nhớt của dung dịch đường và nước tại 200C .......131
Bảng 3. 20. Kết quả tính KMH và mức sai số so với Ktn. .........................................137


x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ABR

Anaerobic Baffled Reactor

Bồn xử lý chảy ngược qua nhiều ngăn
yếm khí

AC

Anaerobic Contac

Yếm khí tiếp xúc

AF

Anaerobic Filter

Lọc yếm khí

ALR

Airlift Reactor

Thiết bị phản ứng khí nâng

BAS

Biofilm Airlift Suspension

Màng vi sinh khí nâng lơ lửng

BFB

Biofilm Fluidized Bed

Màng vi sinh tầng sôi
Chăn nuôi lợn

CNL
CSTR

Continuous Stirred-Tank

Bồn phản ứng khuấy trộn liên tục

Reactor
đktc

Điều kiện tiêu chuẩn
Polyme ngoại bào

ECP

Extra-cellular Polymer

EGSB

Expanded Granular Sludge Kỹ thuật tầng bùn hạt giãn nở
Bed

FB

Fluidized Bed

Tầng lưu thể
Hiệu suất xử lý

HSXL
GLSS

Gas-Liquid-Solid Separator

Bộ tách pha R/L/K

HRT

Hydraulic Retention Time

Thời gian lưu thủy lực (giờ hoặc ngày)

IC

Internal Circulation

Tuần hoàn nội

OLR

Organic Loading Rate

Tải lượng hữu cơ (kgCOD/m3.ngày)


xi

NSXL

Năng suất xử lý

NTCNL

Nước thải chăn nuôi lợn

NTSH

Nước thải sinh hoạt

SMA

Specific Methanogenic

Hoạt tính tạo metan riêng

Activity
SS

Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng

SRT

Solids Retention Time

Thời gian lưu bùn

TS

Total Solid

Tổng chất rắn (kg/m3; mg hoặc g/L)

TSS

Total Suspended Solid

Tổng chất rắn lơ lửng (kg/m3; mg hoặc
g/L)

UASB

Upflow Anaerobic Sludge Dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí
Blanket

USB

Upflow Sludge Bed

Tầng bùn dòng chảy ngược

VSS

Volatile Suspended Solids

Chất rắn lơ lửng cháy được (kg/m3; mg
hoặc g/L)

VSYK

Vi sinh yếm khí

XLYK

Xử lý yếm khí

YK

Yếm khí


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Hiện nay, khoảng 80% lượng nước thải có thể xử lý được bằng công nghệ
sinh học [1], bao gồm: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp chứa các hợp
chất hữu cơ sinh hủy được, ở mức độ nhất định công nghệ sinh học xử lý được cả
các hóa chất độc. Trong xử lý nước thải, công nghệ sinh học luôn được ưu tiên do
chi phí thấp, sản sinh ít bùn, ít sử dụng hóa chất, … đặc biệt là còn thu được năng
lượng tái tạo dưới dạng khíbiogas. Như vậy, xử lý yếm khí không chỉ là công cụ để
bảo vệ môi trường mà còn là bảo vệ tài nguyên.
Trong lịch sử phát triển, kỹ thuật vi sinh yếm khí đã phát triển dần từ các hệ
đơn giản (bồn kín, bể phốt, . . . làcác công trình xử lý chỉ sử dụng các hiện tượng tự
nhiên) đến những kỹ thuật mang nhiều yếu tố “bể phản ứng” hơn và hiệu quả hơn.
Theo bước phát triển của công nghệ, có 4 loại kỹ thuật xử lý yếm khí đã được ứng
dụng là: (1) bồn phản ứng khuấy trộn đều – CSTR, (2) kỹ thuật phản ứng tiếp xúc AC, (3) kỹ thuật dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí – UASB và (4) kỹ thuật
tầng bùn hạt giãn nở - EGSB vàkỹ thuật tuần hoàn nội - IC. Trong khoảng 40 năm
trở lại đây nhiều công trình áp dụng kỹ thuật yếm khí cao tải với các thiết kế khác
nhau được áp dụng [2]. Các tài liệu tham khảo cho thấy IC cùng với EGSB là 2 thiết
bị xử lý yếm khí cónăng suất cao nhất và tiên tiến nhất hiện nay, kỹ thuật IC có khả
năng chịu tải và cónăng suất cao nhất trong các kỹ thuật hiện có [3]. Do vậy tốc độ
tăng trưởng của các hệ IC rất cao. Năm 1997 cả thế giới mới có 32 hệ IC, tới năm
2007 trên thế giới đã có tới 2266 hệ, đến năm 2015 ước tính số lượng các hệ yếm
khícao tải được lắp đặt đã vượt quá 4000 hệ [4].
Một yếu tố quan trọng của các kỹ thuật xử lý vi sinh là sự khuấy trộn, tăng

khuấy trộn làm tăng khả năng tiếp xúc của vi sinh vật với chất ô nhiễm nên hiệu quả
chuyển hóa tăng. Các kỹ thuật UASB và EGSB sử dụng năng lượng của khí sinh ra
và dòng chất lỏng tuần hoàn (bằng bơm tuần hoàn) để tăng khả năng khuấy trộn. Kỹ
thuật IC sử dụng khí sinh ra để tuần hoàn nước. Đây chính là ưu thế làm cho IC có
hiệu quả xử lý cao trong khi lại tiêu thụ ít năng lượng hơn (vìkhông dùng bơm tuần
hoàn). Để nghiên cứu chế tạo thành công hệ IC, điểm mấu chốt là cần nghiên cứu
chế tạo các cơ cấu tự tuần hoàn không cần năng lượng bên ngoài (bơm tuần hoàn),
sử dụng quá trình kéo nước bằng khí tự sinh để tuần hoàn hỗn hợp bùn và nước thải.


2
Hiện nay, các tài liệu hướng dẫn thiết kế hệ UASB tương đối phổ biến nhưng
tài liệu về các kỹ thuật tuần hoàn nước như IC được công bố rất ít. Ví dụ, trong
cuốn sách chuyên khảo mới nhất về công nghệ sinh học xử lý nước thải “Handbook
of Biological Wastewater Treatment, 2012” [5] có tới 14 ví dụ tính thiết kế hệ
UASB kèm lời giải chi tiết mà không có ví dụ nào về các hệ tiên tiến kiểu EGSB và
IC. Do vậy, để thúc đẩy ứng dụng hệ IC ở Việt Nam cần phải có các nghiên cứu để
xác định các thông số cơ bản phục vụ việc thiết kế và chế tạo thiết bị.
Trong luận án này tập trung mô phỏng quá trình tuần hoàn nội (khí kéo nước)
nhằm xác định lượng nước (QN) được kéo lên bởi mỗi lượng khí (QK) (K = QN/QK)
và khả năng khuấy trộn của khí sinh ra và nước tuần hoàn nhằm phục vụ tính toán
cơ cấu khí kéo nước (airlift) trong hệ IC. Trong luận án cũng trình bày kết quả thử
nghiệm chế tạo và vận hành mô hình hệ IC quy mô phòng thí nghiệm nhằm xác
định năng lực xử lý của hệ IC khi vận hành hệ thống với nước thải chăn nuôi lợn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng hệ xử lý yếm khí tuần hoàn nội (IC) trong xử lý nước
thải giàu hữu cơ, cụ thể là:
(i) Xác lập quan hệ giữa các thông số thiết kế thường dùng (ví dụ: tải lượng,
tốc độ nước dâng) với các thông số thiết kế hệ IC (ví dụ: kích thước ống
khí

-nước lên, chiều cao vùng phản ứng).
(ii) Xác định mối tương quan giữa tải lượng và năng suất xử lý của hệ yếm
khíIC trong trường hợp NTCNL.
(iii) Xác định khả năng khuấy trộn trong hệ bằng khí sinh ra.
(iv) Xác định giá trị các thông số (chiều cao thiết bị, chiều cao vùng phản
ứng, đường kính thiết bị, kích thước ống lên) phục vụ thiết kế hệ yếm
khíIC.
3. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Thực nghiệm xác định tỷ lệ lượng nước được kéo lên bởi mỗi
lượng khí ( K



QN

) ở các mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2) vàtiết diện

QK

ống dẫn lên khác nhau ở độ nhớt và khối lượng riêng xác định của dung dịch.


3

Nội dung 2: Thiết lập phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa

K 

QN

với

QK

các thông số: mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2), tiết diện ống dẫn lên (S)
ở độ nhớt và khối lượng riêng xác định của dung dịch.
Nội dung 3: Chế tạo và vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn nhằm xác
định năng suất xử lý của hệ IC.
Nội dung 4: Tính toán xác định khả năng khuấy trộn của khí nội sinh và nước
tuần hoàn để xác định các thông số thiết kế hệ IC.
4. Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án
Với mục tiêu nghiên cứu xác định giá trị các thông số thiết kế công nghệ hệ
thống IC, các kết quả thu được từ nghiên cứu gồm:
(i) Phương trình lý thuyết tính toán đại lượng K = QN/QK (tỷ lệ lượng nước
được kéo lên bởi mỗi lượng khí) phụ thuộc vào tiết diện ống lên (S),
mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2), độ nhớt (µ) vàkhối lượng
riêng của dung dịch (ρ).
(ii) Phương trình kinh nghiệm để tính toán đại lượng K = QN/QK (tỷ lệ
lượng nước được kéo lên bởi mỗi lượng khí) phụ thuộc vào tiết diện ống
lên (S), mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2).
(iii) Từ việc định lượng khả năng khuấy trộn trong hệ xử lý bằng khí nội
sinh (ở đây là khí biogas) và dòng tuần hoàn nội thông qua công suất P
(W/m3) vàgradient tốc độ G (s-1) đã xác định các thông số thiết kế hệ IC
(chiều cao thiết bị, tải lượng, tốc độ dâng).
5. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án
Trong xử lý nước thải thì xử lý yếm khí ngày càng đóng vai trò quan trọng
không chỉ bởi chi phí đầu tư và vận hành thấp mà còn bởi năng lực xử lý ngày càng
cao và tiềm năng thu hồi năng lượng. Hệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội (IC) đang
ngày càng được áp dụng rộng rãi. Nghiên cứu này cung cấp các thông tin liên quan
đến thiết kế hệ IC và khả năng ứng dụng của hệ IC.

4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Các quá trình vi sinh yếm khí
Mặc dù hiện tượng phân hủy yếm khí chất hữu cơ thành khí cháy được (ngày
nay gọi là biogas) đã được Van Helmont phát hiện từ thế kỷ 17 nhưng mãi tới
những năm 1890 Omelianski mới phân lập thành công các vi khuẩn tạo hyđrô, axit
axetic và butyric trong quá trình lên men xellulo. Ông cũng là người đầu tiên giả
định về phản ứng vi sinh tạo metan từ hyđrô và carbon đioxit, điều mà tới 1910 mới
được Sohngen khẳng định, đồng thời với phản ứng tạo metan từ axit axetic qua con
đường giải phóng CO2 [6].
Vấn đề phân hủy yếm khí bắt đầu được quan tâm thực sự từ những năm 1930,
các nghiên cứu về vấn đề này dẫn tới sự phát hiện các loại vi khuẩn yếm khí có khả
năng phân hủy chất hữu cơ. Tiếp theo là các nghiên cứu về các điều kiện mà vi
khuẩn yếm khí có thể phát triển và sinh trưởng tốt [7].
Tới những năm 1970, do các vấn đề địa chính trị ở Trung Cận Đông, khủng
hoảng năng lượng kéo theo sự gia tăng đột biến của giá dầu mỏ thì tiềm năng năng
lượng từ biogas - một nguồn năng lượng tái tạo bắt đầu được chú ý hơn nên bản
chất của quá trình XLYK cũng như các kỹ thuật XLYK trở thành đề tài nóng trong
giới nghiên cứu. Hơn nữa, những năm 1970 chính là thời điểm mà Luật môi trường
được thông qua ở hàng loạt các nước phát triển, đây chính là những động lực chính
để phát triển các công nghệ XLYK, nhất là với những nguồn nước thải giàu hữu cơ.
Kết quả của các nỗ lực này là sự hệ thống hóa, lượng hóa cơ chế phân hủy chất hữu
cơ vốn rất phức tạp thành sơ đồ Hình 1.1 [8].
Theo Hình 1.1, dưới tác dụng của các tổ hợp vi sinh vật khác nhau các chất
hữu cơ sẽ phân hủy qua bốn công đoạn chuyển hóa: (1) thủy phân, (2) axit hóa, (3)
axetat hóa và(4) metan hóa. Theo Gujer vàZehnder (1983) [8], 70% metan sẽ hình
thành từ chất trung gian là axetat theo phản ứng (a) và 30% metan còn lại là sản
phẩm chuyển hóa của chất trung gian rất quan trọng là hyđrô theo phản ứng (b).

CH3COOH  CH4 + CO2

(a)

4H2 + CO2  CH4 + 2H2O

(b)


5
Theo một số tác giả khác tỷ lệ này có chút khác biệt, cụ thể là 72/28 [9] song
bản chất các giai đoạn không thay đổi. Các phản ứng trung gian khác và nhiệt động
học của các quá trình yếm khí có thể tham khảo chi tiết hơn ở [10].

Hình 1. 1. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí
Ngay từ 1982 Mc Carty [11] đã liệt kê các bước tiến hóa của công nghệ này.
Bắt đầu của các hệ thống xử lý năng suất cao là “bồn phản ứng khuấy trộn hoàn
toàn” cho tới bồn phản ứng có kiểm soát nhiệt độ thường sử dụng cho “nước” thải
có nồng độ hữu cơ rắn cao (thực chất là bùn thải và các chất thải hữu cơ), cuối cùng
là những hệ phản ứng có năng suất rất cao nhờ mật độ cao của vi sinh hoạt tính.
So với quá trình hiếu khí thì quá trình yếm khí tiêu tốn ít năng lượng hơn,
sinh ra ít bùn thải hơn, chi phíxử lý thấp hơn, hơn nữa lại có tiềm năng thu hồi năng
lượng ở dạng năng lượng tái tạo. Trong điều kiện yếm khí, các chất hữu cơ được
chuyển đổi thành khíCH4, mỗi 1 kg COD được loại bỏ sinh ra khoảng 13,5 MJ CH4
năng lượng, đem lại 1,5 kWh điện (với hiệu suất chuyển đổi điện đạt 40%) [4].
Trong lĩnh vực công nghệ vi sinh xử lý nước thải, động học của phản ứng
phân hủy yếm khí nói riêng và các phản ứng vi sinh nói chung tuân theo phương
trì
nh Monod [12]:

6

𝑟𝑠𝑢 =

𝑘.𝑆
𝐾𝑆 +𝑆

𝑋

(1.1)

Trong đó:
rsu = tốc độ tiêu thụ cơ chất (chất ô nhiễm), g/m 3 /ngày
k = tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa, g cơ chất/g VSS/ngày
X = nồng độ sinh khối (vi khuẩn), g VSS/m 3
S = nồng độ cơ chất (quyết định tốc độ), g/m3
Ks = hằng số bán bão hòa = nồng độ cơ chất mà ở đó tốc độ tiêu
thụ cơ chất riêng bằng 50% tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa,
g/m3
Theo phương trình (1.1), tốc độ phản ứng (xử lý) tỷ lệ thuận với tốc độ riêng
tối đa k (trong quá trình XLYK là hoạt tính tạo metan riêng - SMA (Specific
Methanogenic Activity)) và nồng độ vi sinh X trong hệ phản ứng. SMA đặc trưng
cho tổ hợp vi khuẩn yếm khí xúc tác cho hệ phản ứng, đây là đại lượng rất đặc thù
và phụ thuộc vào nhiều yếu tố [10]: nhiệt độ; khả năng sinh hủy của chất bẩn; sự có
mặt của chất độc hay chất ức chế; nồng độ và phần VSS trong nước vào; mức độ
axit hóa trước của nước thải.
Như vậy tốc độ phản ứng sẽ tỷ lệ thuận với mật độ vi sinh X, nghĩa là muốn
giảm thể tích thiết bị phải tăng X. Tuy nhiên, khi đã tăng X cần những hệ phản ứng
cho phép làm việc ở X lớn mà không ảnh hưởng đến quá trình vận hành (bùn bông

lắng cũng chỉ có mật độ 6-8 g/L). Vì vậy, các kỹ thuật phản ứng mới muốn có năng
suất xử lý cao phải đồng thời giải quyết được các yêu cầu: tăng X nhưng không thất
thoát mất vi sinh và tiếp xúc vi sinh/nước thải tốt (khuấy trộn). Các thiết bị phản
ứng “cao tải” (high - rate) thế hệ mới (AC, AF, UASB, FB, EGSB, IC, . . .) trì
nh
bày ở sau giải quyết được các vấn đề này.
1.2. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt
Đột phá trong công nghệ XLYK đối với nước thải giàu hữu cơ là phát minh
của nhóm G. Lettinga [13]. Theo ý tưởng của tác giả, khả năng lưu giữ bùn hoạt
tính trong bồn phản ứng được đảm bảo nhờ sự hình thành lớp bùn bông mật độ cao
dày vài mét và nhất là bùn dạng hạt có tốc độ lắng rất cao kết hợp với việc áp dụng
cơ cấu tách ba pha K/L/R có dạng hình nón ở phần trên của lớp nước. Theo G.
Lettinga [14], ý tưởng về UASB được kế thừa và phát triển khi nghiên cứu hệ lọc


7
yếm khí với tải lượng trên 10 kg COD/m3/ngày. Trong quá trình nghiên cứu các tác
giả đã ghi nhận sự xuất hiện của bùn hoạt tính cóhoạt tính cao và lắng rất tốt. Điều
này đã dẫn tới cách tiếp cận về một kỹ thuật XLYK mới mà bây giờ gọi là UASB.
Năm 1971-1972 các pilot quy mô6 và30 m3 lần lượt được thử nghiệm, kết quả thu
được đã chứng minh tính khả thi của UASB. Năm 1976 hệ UASB đầu tiên quy mô
200 m3 được đưa vào vận hành ở nhà máy đường, một năm sau hệ UASB quy mô
1000 m3 được xây dựng và ngay sau đó là nhà máy thứ hai ở Breda – Hà Lan.
Thành công của UASB kéo theo hàng loạt những nghiên cứu về vi sinh dạng hạt.
Sự hình thành vi sinh dạng hạt
Trong công nghệ XLYK nước thải, nhất là nước thải giàu hữu cơ, khi các tế
bào tự tập hợp lại để tạo thành các hạt bùn bền, có hoạt tính cao và có khả năng lắng
rất nhanh đã trở thành đối tượng nghiên cứu hàng đầu [15]. Hạt bùn vi sinh yếm khí
là tập hợp vi sinh có mật độ cao được hình thành trong mối quan hệ tương hỗ với
môi trường xung quanh (đặc trưng nước thải, đặc trưng thủy động của dòng chảy).

Sự phân hủy các thành phần ô nhiễm trong nước thải được thực hiện nhờ những lớp
vi sinh chức năng tương ứng có mặt trong hạt bùn. Trên cơ sở các quan hệ tương hỗ
này Fitzpatrick vàcs. (1989) [16] cho rằng sự hình thành bùn dạng hạt là bản năng
của vi sinh, nó có thể là do (1) sự tập hợp các tế bào (tạo hạt bùn) để hình thành các
quần thể vi sinh không đồng nhất dưới dạng tập hợp đa tế bào ở điều kiện sinh lý
thuận lợi, điều này dẫn tới (2) tương tác tương hỗ giữa các vi sinh vật lân cận tạo
thuận lợi cho trao đổi các yếu tố di truyền, (3) sự tạo hạt có thể bảo vệ các vi sinh
khỏi các nguyên sinh động vật ăn vi khuẩn yếm khí, (4) trong thể tích hạt quãng
đường khuếch tán của các sản phẩm lên men trung gian tới các vi khuẩn chuyển hóa
tiếp theo được rút ngắn. Điều này làm giảm năng lượng tiêu tốn cho quá trình vận
chuyển chất, tăng hiệu quả chuyển hóa, và (5) ở điều kiện không tốt cho sự sinh
trưởng của vi sinh (ví dụ, pH vượt ngưỡng, có mặt chất độc v.v…), môi trường cục
bộ trong hạt vi sinh sẽ ít bị ảnh hưởng hơn, vì vậy sự chuyển hóa ít bị ảnh hưởng.
Các lý thuyết/quan điểm về sự hình thành bùn vi sinh yếm khí dạng hạt liên quan
đến hoạt động của các hệ XLYK cao tải, một số quan điểm về sự tạo hạt bùn được
tóm tắt dưới đây.


8
Đối với quá trình metan hóa, sự tự bám dính của vi khuẩn hay hiện tượng tự
tập hợp của vi khuẩn được coi là sự bắt đầu của quá trình tạo hạt bùn. Nó là hệ quả
của tương tác vi khuẩn-vi khuẩn hoặc vi khuẩn-bề mặt rắn. Về mặt nhiệt động học,
khi vi khuẩn tiến lại gần nhau chúng đồng thời chịu các lực tác động ngược chiều
nhau, một mặt là lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu, mặt khác là lực hút phân
tử van de Waals, tiếp theo là tương tác với các phân tử nước (hydrat hóa) và giữa
các hạt đã hydrat hóa. Một số lý thuyết/quan điểm, thuyết hóa lý, đã được xây dựng
trên cơ sở phân tích các hiện tượng này.
Lettinga et al. (1980) [13] cho rằng khi có mặt “mầm” hoặc các hạt vật liệu
rắn rất nhỏ, vi khuẩn có thể bám lên bề mặt “mầm” để tạo thành các phôi hạt. Tiếp
theo, vi khuẩn tiếp tục bám lên các phôi hạt này cho tới khi tạo hạt bùn thấy được

bằng mắt. Minh chứng cho vai trò của mầm rắn đã được chứng minh bằng thực
nghiệm khi Hulshoff Pol cho thêm các hạt khoáng chất zeolit hoặc hydro-anthraxit
có kích cỡ khoảng 100 m vào môi trường nuôi vi khuẩn, chúng đã đẩy nhanh quá
trình tạo hạt bùn yếm khí[17]. Hulshoff Pol vàcs. (1988) [18] cho rằng sự tập hợp
vi khuẩn thành hạt là phản ứng của vi khuẩn để chống lại các áp lực trong quá trình
chọn lọc. Trong bồn/bể phản ứng kiểu UASB, dòng chất lỏng chảy ngược chính là
áp lực của quá trình chọn lọc, dưới tác dụng của dòng chảy các bông tế bào cókhả
năng tạo hạt/bám dính kém vànhẹ sẽ bị rửa trôi theo nước ra khỏi bồn phản ứng,
khi đó trong bồn sẽ còn lại các tập hợp vi sinh có khả năng bám dính có mật độ lớn
hơn, nặng hơn. Áp lực chọn lọc do dòng chảy rất quan trọng [15]. Thực tế cho thấy
bùn bông yếm khí có thể dần chuyển thành các tập hợp dạng hạt khi thời gian lưu
thủy lực (HRT) nhỏ hơn 8 giờ. Trong trường hợp HRT quá lớn hay áp lực chọn lọc
nhỏ không thấy hiện tượng tạo bùn hạt [17] [18]. Như vậy, trong UASB cũng như
các hệ cao tải khác như EGSB và IC dòng nước thải luôn chảy từ dưới lên, ngược
dòng cặn lắng là áp lực chọn lọc trong quá trình tạo bùn dạng hạt.
Pereboom và Vereijken (1994) [19] cho rằng xuất phát điểm của quá trình
tạo hạt là do quá trình va chạm, bám dính giữa các hạt chất rắn lơ lửng (SS) có
trong nước thải đầu vào. Chuyển động hỗn loạn có định hướng của dòng chất lỏng
và chất khí trong bồn là nguyên nhân của các va chạm này. Sự tăng kích thước tiếp
theo của các hạt ban đầu thuần túy là do khả năng bám dính của vi khuẩn. Đã ghi


9
nhận là nước thải có hàm lượng SS cao sẽ tạo thành nhiều hạt bùn nhỏ với phân bố
rất hẹp, còn nếu SS thấp hoặc không có SS thì hạt bùn sinh ra có phân bố theo kích
thước đều.
Ở pH trung tính các vi khuẩn là các hạt tích điện âm. Vìvậy, để tăng cường
khả năng bám dính cần cấp thêm các ion hóa trị dương cao (cation đa điện tích) cho
hạt mầm. Nhiều thực nghiệm đã chứng minh là sự bổ sung các ion Ca 2+, Mg2+ và
Al3+ tăng tốc quá trình tạo hạt trong bồn UASB [20] [21]. Tuy nhiên, nồng độ Ca2+

 500 mg/L là có hại đối với quá trình tạo hạt [21].
Các cation đa điện tích tăng cường quá trình tạo hạt nhờ tương tác giữa
chúng với lớp polyme ngoại bào (Extracellular Polymers-ECPs) được vi khuẩn tiết
ra [22]. Ca2+ tạo liên kết bắc cầu giữa ECPs với ECPs, vi khuẩn lại bám dính theo
ECPs để tạo cấu trúc ba chiều từ các tập hợp đa tế bào, ở đây vi khuẩn tiếp tục phát
triển để tiếp tục tăng kích thước hạt. Bản thân ECPs có thể thúc đẩy đồng thời các
quá trình bám dính (adhesion) của các vi khuẩn bên ngoài cũng như lực hút nội hạt
(cohesion) đem lại độ bền cho các hạt bùn. ECP cũng có thể làm giảm điện tích âm
bề mặt của vi khuẩn, khi đó lực đẩy tĩnh điện giảm làm chúng có thể hút nhau bằng
lực van de Waals cũng như tăng cường khả năng bám dính của vi khuẩn lên vật liệu
mầm hạt [23]. Show & cs. (2004a,b) [24] [25] vàWang & cs. (2004) [26] đã nghiên
cứu ảnh hưởng của các chất keo tụ polyme lên quá trình tạo hạt bùn trong quátrì
nh
khởi động UASB ở cấp độ phòng thí nghiệm. Các kết quả cho thấy với liều polyme
ở mức 20 mg/L thời gian khởi động giảm 46%, đồng thời tải hữu cơ đầu vào tăng
thêm hơn 33%.
Một yếu tố cản trở khả năng tự tập hợp của các vi khuẩn là lực đẩy giữa các
tế bào đã hydrat hóa (bọc bởi các phân tử nước). Để giảm điều này cần giảm yếu tố
hydrat hóa hay dehydrat hóa hay hydrophob hóa (làm kị nước) đối với các tế bào.
Mô hình kỵ nước hóa tế bào được đề xuất bởi J. Wilschut vàD. Hoekstra [27], theo
đó khi bề mặt vi khuẩn trở nên kị nước chúng sẽ hút nhau để tạo hạt. Về mặt nhiệt
động, tăng tính kị nước sẽ làm giảm năng lượng tự do Gibbs của bề mặt tế bào, điều
này sẽ hỗ trợ tương tác tế bào-tế bào và tăng cường quá trình tự tạo hạt vi khuẩn
trong nước [28]. Yếu điểm chính của các mô hình/lý thuyết hóa lý là coi tế bào như


10
hạt vật chất thuần túy. Để khắc phục nhược điểm này cần xét đến các yếu tố sinh
học. Hướng nghiên cứu này được thúc đẩy mạnh trong hai thập kỷ gần đây.
Trong hệ xử lý nước thải vi khuẩn thường là tập hợp của nhiều loài cộng sinh

có tác dụng tương hỗ phù hợp với những quá trình chuyển hóa sinh hóa mà chúng là
xúc tác để thực hiện. Mô hình tác động tương hỗ cho rằng các tác động tương hỗ
ban đầu sẽ dẫn tới sự hình thành những tập hợp tế bào đầu tiên, các vi khuẩn lạc là
các vi hạt bao gồm các vi khuẩn của nhiều chủng với các chức năng tương hỗ nhau,
tiếp theo là tăng kích thước ba chiều nhờ sinh trưởng. Điều này giải thích hoạt tính
cao của bùn dạng hạt vì các tế bào không cần thiết cho chuỗi các quá trình chuyển
hóa sẽ tự bị loại bỏ. Để duy trì cấu trúc tối ưu này, các tế bào trong thành phần hạt
sẽ tự tập hợp theo một trật tự hợp lý, và nhờ cơ chế thông tin di truyền chúng có thể
phát triển để tạo các hạt mới [29].
MacLeod & cs. (1990) [30] vàGuiot & cs. (1988) [31] là những tác giả đầu
tiên đề xuất mô hình đa lớp (multi-layer). Theo đó, hạt bùn có cấu trúc đa lớp, mỗi
lớp sẽ có thành phần tế bào và chức năng chuyển hóa tương ứng. Lớp trong cùng
chủ yếu là các vi khuẩn metan hóa, chúng đồng thời đóng vai trò vi hạt ban đầu để
từ đây sẽ phát triển thành hạt bùn. Các vi khuẩn tạo H2 và tiêu thụ H2 sẽ nằm ở các
lớp giữa của hạt, lớp ngoài cùng là hỗn hợp các vi khuẩn dạng que, dạng cầu và
dạng sợi. Để tạo metan, thứ tự không gian của các lớp rất quan trọng. Mô hình cấu
trúc đa lớp được nhiều tác giả nghiên cứu.
Dubourgier & cs. (1987) [32] khi kết hợp quan sát hiển vi kết hợp với các
phép đo hoạt tính đã đề xuất mô hình tự tạo hạt. Theo đó bắt đầu là các vi khuẩn
Methanosaeta dạng sợi cuốn theo các khuẩn lạc của các vi khuẩn axit hóa dạng cầu
hoặc que để tạo các hạt kích thước 10–50 m. Tiếp theo, các sợi Methanosaeta nhờ
cấu trúc dạng sợi có bề mặt phát triển sẽ đóng vai trò cầu nối kéo các hạt nhỏ này lại
với nhau để tạo các hạt lớn hơn có kích thước từ 200 m trở lên. Tiếp theo chúng sẽ
dính tiếp các vi khuẩn axit hóa và các vi khuẩn chức năng phù hợp khác. Ý tưởng
chính của tác giả là các sợi Methanosaeta đóng vai trò quyết định trong việc tạo độ
bền cho hạt bùn bằng cách tạo mạng lưới cấu trúc ổn định. Các công trình sau đó
của Morgan &cs. (1991a,b) [33] [34] cũng củng cố giả thiết về vai trò quyết định
của Methanosaeta và các polyme ngoại bào trong việc tạo hạt bùn.

11
Các hệ XLYK cao tải thường được khởi động với mầm bùn hạt nhập từ các
hệ XLYK đang hoạt động. Các loại bùn hạt trong các hệ xử lý nước thải khác nhau
có các đặc trưng khác nhau, các khái niệm về bùn hạt và các đặc trưng của chúng
được van Lier, (2015) [4] đề xuất và tóm tắt trong Bảng 1.1.
Bảng 1. 1. Đặc trưng của bùn hạt tốt [4]
- Vùng hoạt tính tạo metan riêng: 0,1–2,0 kg CODNăng lực chuyển hóa

CH4/kg VSS/ngày
- Thường gặp, nước thải công nghiệp: 0,3–1,0 kg
COD-CH4/kg VSS/ngày
- Tốc độ lắng: 2–100 m h1; thường gặp: 30–75 m h1

Tốc độ lắng và các tính - Đường kính: 0,1–8 mm; thường gặp: 0,15–4 mm
chất vật lý

- Hình dạng: gần cầu và có bề mặt rõ ràng
- Màu sắc: đen/xám/trắng

Trong trường hợp khởi động hệ XLYK cao tải với bùn bông cần chú ý tới tốc
độ lắng của bùn bông, thường bùn bông tốt có tốc độ lắng khoảng 8-10 m/h [35],
lưu ý là tốc độ nước dâng phải kiểm soát ứng với HRT dưới 8h [15]. Trong quá
trình khởi động, ngoài việc theo dõi các thông số thông thường như tải lượng vào,
tải lượng ra, … còn cần quan tâm đến mức độ tạo bùn hạt và các đặc trưng của
chúng. Khi bùn hạt đã hình thành tốt thì có thể tăng tải lượng tới hoặc vượt mức
thiết kế.
1.3. Các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm bùn vi sinh và vi sinh
dạng hạt
Theo J.B. van Lier (2015) [4], các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm
bùn vi sinh và vi sinh dạng hạt gồm:

i)

Hệ yếm khí tiếp xúc AC (Anaerobic Contact) và Bồn/bể lọc yếm khí

AF (Anaerobic Filter).
ii)

Bể phản ứng kiểu UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket = Bể

phản ứng ngược dòng qua lớp đệm bùn yếm khí).
iii)

Bể phản ứng kiểu FB (Fluidised Bed = Bể phản ứng với lớp vi sinh

dạng lưu thể).


12

iv)

Bể phản ứng kiểu EGSB (Expanded Granular Sludge Bed = Bể phản

ứng với lớp bùn hạt giãn nở).
v)

Bể phản ứng kiểu IC (Internal Circulation = tuần hoàn nội).

vi)

Các thiết bị đang được phát triển cho tương lai

1.3.1. Hệ yếm khí tiếp xúc AC và Bồn/bể lọc yếm khí AF
Trong số các hệ XLYK cao tải thì AC và AF được coi là thế hệ đầu [4]. Đặc
trưng của AC là thời gian lưu bùn SRT bằng thời gian lưu nước HRT. Để đảm bảo
tiếp xúc tốt, bồn phản ứng kiểu AC luôn được khuấy trộn tốt, dòng ra khỏi AC được
đưa qua bể lắng, bùn lắng được bơm tuần hoàn về bể AC để duy trì mật độ vi sinh
cố định. Hệ AC đầu tiên được ứng dụng năm 1955 để xử lý nước thải nhà máy thực
phẩm đóng hộp có COD tương đối loãng, khoảng 1300 mg.L-1 [36]. Các cố gắng áp
dụng AC để xử lý nước thải đặc không thành công. Ngoài ra, AC còn có nhược
điểm nữa là bùn yếm khí rất khó lắng. Các cố gắng khắc phục ít kết quả, từ khi xuất
hiện các hệ XLYK thế hệ hai và ba hệ AC gần như không được phổ biến thêm [37].
Để giảm thiểu sự thoát bùn, các hệ XLYK cao tải tiếp theo sử dụng vật liệu
mang vi sinh cố định và hệ AF ra đời. Trong thực tế AF cũng được ứng dụng từ
những năm 1960, bắt đầu ở Mỹ để xử lý nước thải công nghiệp đậm đặc [12]. Hệ
AF còn được gọi là bồn/bể phản ứng yếm khí với lớp đệm cố định, vật liệu đệm
đóng vai trò là vật liệu bám dính, lớp vi sinh bám dính khi bong ra rất dễ lắng. Ưu
điểm của hệ AF là dễ khởi động, chấp nhận tải lượng VLR khá cao (khoảng 10 kg
COD.m-3.ngày-1) cho phép xử lý tốt nước thải công nghiệp đậm đặc, nhờ đó mà nó
phổ biến cho tới những năm 1980, giảm dần từ những năm 1990 khi UASB và các
hệ yếm khí cao tải thế hệ ba ra đời. Yếu điểm chính của AF là khả năng tắc lớp lọc,
sinh ra các dòng chảy tắt dẫn đến giảm hiệu quả xử lý, vì vậy chúng cần có bơm
tuần hoàn mạnh và giới hạn ứng dụng với nước thải không có hoặc có SS rất thấp
hoặc phải có hệ tiền xử lý [37].
1.3.2. Bồn/bể phản ứng kiểu UASB
UASB được coi là hệ XLYK cao tải thế hệ hai, phổ biến mạnh từ 1980 bắt
đầu từ Hà Lan. UASB có thể làm việc với bùn bông tốt hoặc bùn hạt, hỗn hợp phản
ứng và khí sinh ra đi từ dưới lên va chạm với bộ tách ba pha K/L/R dạng hình nón
ngược, khí sẽ tách khỏi bùn rắn thoát ra ngoài, bùn vi sinh sẽ rơi trở lại vùng phản