Nghiên cứu ứng dụng của bể phản ứng kỵ khí dòng chảy ngược với chất mang hạt pva gel xử lý nước thải chế biến mủ cao su

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------  ----------

LÊ THỊ THÚY PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA BỂ PHẢN ỨNG
KỴ KHÍ DỊNG CHẢY NGƯỢC VỚI CHẤT MANG HẠT
PVA – GEL XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN MỦ CAO SU
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – THÁNG 01 NĂM 2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MƠI TRƯỜNG
----------------

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 12 tháng 01 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Lê Thị Thúy Phượng

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 1984

Nơi sinh: Tam Bình - Vĩnh Long

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MSHV: 02508615

1- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA BỂ PHẢN ỨNG KỴ KHÍ
DỊNG CHẢY NGƯỢC VỚI CHẤT MANG HẠT PVA - GEL XỬ LÝ NƯ ỚC
THẢI CHẾ BIẾN MỦ CAO SU”
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Thiết lập và nghiên cứu mơ hình kỵ khí có giá thể là hạt PVA - gel.
 Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chế biến mủ cao su của bể kỵ khí với giá thể PVA
- gel theo những tải trọng L= 0,3; 0,6, 1,5; 2,5; 5, 7, 10, 12 kgCOD/m3.ngày đêm;
 Đánh giá sản lượng khí
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010
4- NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ : 10/12/2010
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ HỒNG NGHIÊM.
TS. NGUYỄN NGỌC BÍCH.
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)


TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Cơng nghệ xử ý nước thải chế biến cao su thiên nhiên có nồng độ COD và nitơ cao là

một vấn đề khó khăn hiện nay tại Việt Nam. Yêu cầu quan trọng đối với các công nghệ
xử ý nước thải chế biến cao su thiên nhiên là cơng đoạn xử lý sinh học kỵ khí, các
cơng trình như UASB, l ọc kỵ khí đã đư ợc lựa chọn áp dụng thực tế tại Việt Nam.
Trong nghiên cứu này bể sinh học kỵ khí dịng chảy ngược quy mơ phịng thí nghiệm
với giá thể là hạt PVA – gel được sử dụng nghiên cứu để đánh giá hiệu quả xử lý COD
của nước thải cao su có nồng độ COD đầu vào từ 2200 đến 3500 mg/L ở các tải trọng
hữu cơ từ 0,3 kg COD/m3.ngày đến 12 kg COD/m3.ngày. PVA – gel dạng hạt tròn
được tạo ra từ polyvinyl alcohol, có độ rỗng cao và có cấu trúc mắt lưới để bẫy những
vi sinh vật làm tăng mật độ vi sinh vật. Mỗi hạt trịn có đư ờng kính khoảng 3 – 4 mm
có thể giữ lên đến 1 tỷ vi sinh vật tùy thuộc vào điều kiện. Khi vận hành mơ hình ở tải
3

trọng 3 kgCOD/m /ngày hiệu quả xử lý COD khoảng 70-75%. Dưới điều kiện vận
3

hành ở tải trọng cao hơn 5 - 12 kgCOD/m /ngày hiệu quả khử COD vẫn ổn định 6572%. Với hiệu quả khử như trên nước thải sau xử lý sinh học kỵ khí bằng bể sinh học
kỵ khí dịng chảy ngược với giá thể là hạt PVA – gel COD đầu ra trong khoảng 5001000 mgCOD/L đã có thể kết hợp hiệu quả các biện pháp xử lý sinh học hiếu khí phía
sau để xử lý phần COD còn lại trong nước thải.


ABSTRACT
The research aimed to study the use of lab-scale anaerobic reactor with PVA-gel carrier
for latex wastewater treatment in South of Viet Nam. The micro-organism growth on
PVA-gel carrier and the treatment capacity of the reactor were conducted with COD
3

loadings ranging from 0.3 to 12 kgCOD/m /day. The used wastewater was taken from
latex processing factories in South of Viet Nam with COD concentration of 3500 mg/L,
pH from 4.7 to 5.8, N-NH 3 from 80 to 150 mg/L. In the study the reactor volume is
about 9.5 liters and the height of 1.0 meter. The PVA-carrier occupied about 10% of

the reactor volume. The reactor was acclimatized with seeding sludge having MLSS of
21,87 g/L from domestic wastewater treatment plant at COD loading of 0.3
3

kgCOD/m /day. The results showed that anaerobic micro-organism was well grown in
3

PVA-gel carriers after 45 days start-up. At the star-up loading of 0.3 kgCOD/m /day
3

the COD removal was 85%. When the COD loading from 0.6 and 12.0 kgCOD/m /day,
the COD removal efficiencies were more than 60%.


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học ngành Công nghệ Môi
trường, khóa 2008, tơi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ của tất cả mọi người.
 Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô Khoa Môi trường – Trường
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy
Lê Hồng Nghiêm đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn để em hoàn thành tốt luận văn này.
 Em cũng xin cảm ơn Thầy Nguyễn Phước Dân, Thầy Đặng Viết Hùng và Dự án Jica
đã tạo điều kiện cho em tham gia nhóm đề tài Nước thải cao su và thực hiện luận văn này.
 Xin cảm ơn các Cô Chú, các Anh Chị tại Tổng công ty sản xuất cao su Dầu Tiếng Bến Súc – Bình Dương và cơng ty cao su Liên Anh – Tây Ninh đã tạo điều kiện thuận lợi để
tôi hoàn thành tốt luận văn.
 Xin cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo của các Anh Chị làm việc trong phịng thí nghiệm
Khoa Mơi trường – Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
 Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học CNMT 2008 và đặc biệt là các bạn, các Anh Chị cùng
tôi thực hiện luận văn tại phịng thí nghiệm, đã cùng tơi trải qua kỷ niệm khó quên trong thời
gian nghiên cứu đề tài.
 Cuối cùng con xin gửi những lời cảm ơn chân thành và ịl ng kính u đến Cha Mẹ –

người đã có cơng sinh thành dư ỡng dục. Mẹ đã và đang là nguồn động viên tinh thần lớn nhất
của con, đã t ạo mọi điều kiện cho con được học tập để hồn thành tốt khóa học này. Dù Cha
đã ra đi r ất xa, không thể tận mắt xem con hồn thành luận văn và tốt nghiệp khóa học này
nhưng con vẫn kính gửi đến Cha những lời tri ân và tình cảm sâu sắc nhất về tất cả những gì
Cha đã dành cho con.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2011
Học viên cao học
Lê Thị Thúy Phượng


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... iiii

GIỚI THIỆU
1.

Đặt vấn đề .............................................................................................................. 1

2.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .......................................................................... 2

2.1.

Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 2

2.2.

Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 2

3.

Ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội và môi trường................................................... 3

3.1.

Tính mới của đề tài ................................................................................................ 3

3.2.

Phạm vi - Giới hạn của đề tài................................................................................. 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1.

Hiện trạng sản xuất CSTN tại Việt Nam ............................................................... 4

1.1.1. Tổng quan về ngành công nghiệp sản xuất CSTN ở Việt Nam .............................. 4
1.1.2. Triển vọng xuất khẩu năm 2009 ............................................................................. 5
1.2.

Đặc tính của nước thải ngành chế biến CSTN ....................................................... 8

1.2.1. Quy trình cơng nghệ sơ chế mủ ............................................................................. 8
1.2.1.1. Công nghệ chế biến mủ ly tâm ............................................................................ 8
1.2.1.2. Công nghệ chế biến CSTN cốm........................................................................... 9
1.2.1.3. Công nghệ sơ chế mủ tờ....................................................................................... 9

1.2.2. Lưu lượng và thành phần nước thải ngành CSTN ................................................. 9
1.2.2.1. Lưu lượng nước thải............................................................................................. 9


1.2.2.2. Thành phần nước thải........................................................................................... 10
1.3. Tình hình ứng dụng công nghệ xử lý nước thải trong ngành chế biến cao su .......... 12
1.3.1. Công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su tại Việt Nam .................................... 12
1.3.2. Tóm tắt hiệu quả xử lý nước thải của các công nghệ đang được ứng dụng .......... 17
1.3.3. Những công nghệ đã đư ợc nghiên cứu trên thế giới để xử lý nư ớc thải
ngành chế biến CSTN và ứng dụng hạt PVA – gel .......................................................... 21
1.3.3.1. Ứng dụng xử lý nước thải CSTN ........................................................................ 22
1.3.3.2. Ứng dụng hạt PVA-gel làm giá thể...................................................................... 29
1.4. Cơ sở lý thuyết cho đề tài nghiên cứu....................................................................... 30
1.4.1. Lịch sử hình thành bể UASB- Upflow Anaerobic Sludge Bed ............................. 30
1.4.2. Bể EGSB- Expanded granular sludge bed ......................................................... 31
1.4.3. Bể FBBR- Fluidized bed Bioreactor ................................................................... 32
1.4.3.1. Lịch sử phát triển ................................................................................................. 32
1.4.3.2. Nguyên tắc cơ bản................................................................................................ 32
1.4.3.3. Ứng dụng.............................................................................................................. 33
1.5. Q trình sinh học kỵ khí ........................................................................................... 34
1.5.1. Q trình sinh học kỵ khí khơng có giá bám .......................................................... 34
1.5.2. Q trình sinh học dính bám kỵ khí ....................................................................... 34
1.5.2.1. Giai đoạn thuỷ phân ............................................................................................. 35
1.5.2.2. Giai đoạn axit hoá ................................................................................................ 35
1.5.2.3. Giai đoạn acetic.................................................................................................... 36
1.5.2.4. Giai đoạn metan hoá ............................................................................................ 37
1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình phân hủy sinh học kỵ khí ............................. 39
1.5.3.1. Nhiệt độ ................................................................................................................ 39
1.5.3.2. Ảnh hưởng của oxy và các chất ức chế............................................................... 40
1.5.3.3. Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng ......................................................................... 40

1.5.3.4. Ảnh hưởng của pH .............................................................................................. 42
1.5.3.5. Ảnh hưởng của độc chấ........................................................................................ 42
1.5.4. Tính chất vật liệu hạt PVA-gel ............................................................................... 42


1.5.4.1. Cấu tạo ................................................................................................................. 42
1.5.4.2. Ứng dụng.............................................................................................................. 42

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.

Các vật liệu sử dụng trong đề tài nghiên cứu........................................................ 44

2.1.1. Nước thải CSTN .................................................................................................... 44
2.1.2. Mơ hình .................................................................................................................. 44
2.1.3. Bùn nuôi cấy .......................................................................................................... 44
2.1.4 Giá thể sử dụng ...................................................................................................... 44
2.2. Các q trình thực hiện thí nghiệm ban đầu .............................................................. 44
2.2.1. Mô tả chi tiết hệ thống thí nghiệm ........................................................................ 44
2.2.1.1. Tổng quan về thí nghiệm ..................................................................................... 44
2.2.1.2. Các điều kiện thí nghiệm ..................................................................................... 45
2.2.2. Phương pháp phân tích........................................................................................... 49
2.2.3. Các phương pháp phân tích sử dụng ...................................................................... 51

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Chế độ vận hành ......................................................................................................... 52
3.2. Kết quả vận hành thí nghiệm thích nghi .................................................................... 53
3.2.1. Hiệu suất xử lý COD và quá trình thay đổi của hạt PVA- gel ................................ 55
3.2.2. Đánh giá nồng độ Nitơ (N-NH 3 và TKN) .............................................................. 56
3.2.2.1. Nồng độ N-NH 3 .................................................................................................. 56

3.2.2.2. Nồng độ TKN....................................................................................................... 57
3.2.3. Đánh giá nồng độ TP, VFA, khí sinh học của giai đoạn thích nghi ....................... 58
3.2.3.1. Nồng độ TP .......................................................................................................... 58


3.2.3.2. Nồng độ VFA biến thiên ...................................................................................... 59
3.3. Kết quả của nghiên cứu trong giai đoạn xử lý .......................................................... 60
3.3.1. Tải trọng 1 (2,5 kgCOD/m3.ngày) .......................................................................... 60
3.3.1.1. Hiệu quả xử lý COD ............................................................................................ 60
3.3.1.2. Đánh giá nồng độ Nitơ (N-NH 3 và TKN) ........................................................... 61
3.3.1.3. Đánh giá nồng độ TP ........................................................................................... 63
3.3.2. Tải trọng xử lý 2 (5 kgCOD/m3.ngày) .................................................................... 64
3.3.2.1.. Hiệu quả xử lý COD ........................................................................................... 64
3.3.2.2. Đánh giá nồng độ Nitơ (N-NH 3 và TKN) ........................................................... 65
3.3.2.3. Đánh giá nồng độ TP ........................................................................................... 66
3.3.3. Tải trọng xử lý 3 (7 kgCOD/m3.ngày) .................................................................... 67
3.3.3.1. Hiệu quả xử lý COD ............................................................................................ 67
3.3.3.2. Đánh giá nồng độ Nitơ (N-NH 3 và TKN) ........................................................... 68
3.3.3.3. Đánh giá nồng độ TP ........................................................................................... 69
3.3.4. Tải trọng xử lý 4 và 5 .............................................................................................. 70
3.3.4.1. Hiệu quả xử lý COD tải trọng 4 (10 kgCOD/m3.ngày) ....................................... 70
3.3.4.2. Hiệu quả xử lý COD tải trọng 5 (12 kgCOD/m3.ngày) ....................................... 71
3.3.5. Tổng kết nhận xét cho giai đoạn xử lý ................................................................... 72
3.3.5.1. Nồng độ COD ..................................................................................................... 72
3.3.5.2. Nồng độ Nitơ....................................................................................................... 74
3.3.5.3. Nồng độ TP ......................................................................................................... 75
33.5.4. Khí sản sinh ra trong quá trình nghiên cứu .......................................................... 76
3.3.5.5. Màng vi sinh bám dính ....................................................................................... 78
a. Quan sát màu sắc của hạt PVA - gel trong quá trình nghiên cứu ................................. 78
b. Đánh giá khả năng duy trì sinh khối của các hạt PVA - gel trong thí nghiệm

thích nghi........................................................................................................................... 80
3.3.6. Đánh giá màng vi sinh bám trên giá thể PVA - gel sau quá trình nghiên cứu....... 81


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận ......................................................................................................................... 82
2. Kiến nghị ....................................................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Đặc tính ơ nhiễm của nước thải ngành chế biến cao su (mg/L)
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của nước thải ngành chế biến cao su (mg/L)
Bảng 1.3. Những công nghệ xử lý nước thải đang được ứng dụng trong ngành chế
biến cao su Việt Nam
Bảng 1.4. Chất lượng tổng quát của nước thải chế biến cao su sau xử lý (mg/L)
Bảng 1.5. Tóm tắt hiệu quả xử lý nư ớc thải của các công nghệ đang được ứng
dụng
Bảng 1.6. Ưu điểm và nhược điểm của EGSB so với UASB
Bảng 1.7. Cơ chất lên men metan ở 1 số loài vi khuẩn khác nhau
Bảng 2.1. Kích thước mơ hình thí nghiệm
Bảng 2.2. Các thơng số vận hành
Bảng 2.3. Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu tại phịng thí nghiệm
Bảng 3.1. Đặc tính ơ nhiễm của nước thải chế biến cao su trong nghiên cứu
Bảng 3.2. Các thơng số vận hành trong q trình thí nghiệm
Bảng 3.3. Thông số và tên gọi tắt tải trọng trong giai đoạn xử lý
Bảng 3.4. Kết quả phân tích lớp màng vi sinh bám trên giá thể PVA – gel

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cây cao su – Hevea brasiliensis
Hình 1.2. Biểu đồ về sản lượng CSTN thế giới và một số nước sản xuất lớn từ năm
2006 – 2008.
Hình 1.3. Cơng nhân đang lấy mủ cao su tại vườn cây cao su
Hình 1.4. Biểu đồ biểu thị diện tích và sản lượng cao su của cả nước từ năm 2000
– 2008.
Hình 1.5. Biểu đồ dự báo cung cao su thế giới và một số nước 2009
Hình 1.6. Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải của Xí nghiệp chế biến cao su Xuân
Lập - Đồng Nai
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến cao su Phú Bình –
Bình Dương
Hình 1.8. Tiến sĩ Gatze Lettinga
Hình 1.9. Hạt PVA – gel trước khi sử dụng 1 tháng
Hình 1.10. Hạt PVA – gel sau khi sử dụng 1 tháng
Hình 1.11. Các lỗ rỗng của hạt PVA (Polyvinyl alcohol)
Hình 2.1. Mơ hình thí nghiệm
Hình 2.2. Mơ hình thí nghiệm. (a) Mơ hình theo thiết kế; (b) Mơ hình thực trong
phịng thí nghiệm.
Hình 2.3. Mơ hình trư ớc khi chạy thích nghi. (a) khi cho hạt PVA – gel; (b) Cho
hạt PVA – gel và bùn kỵ khí
Hình 2.4. Sơ đồ biểu thị q trình thí nghiệm
Hình 3.1. Hiệu suất xử lý COD trong giai đoạn khởi động của quá trình nghiên
cứu
Hình 3.2. Nồng độ N-NH 3 biến đổi trong giai đoạn thích nghi
Hình 3.3. Nồng độ TKN biến đổi trong giai đoạn thích nghi
Hình 3.4. Nồng độ TP biến đổi trong giai đoạn thích nghi

Hình 3.5. Biến thiên nồng độ VFA theo chiều cao của mơ hình FBBR
Hình 3.6. Hiệu suất xử lý COD với tải trọng 1
Hình 3.7. Nồng độ N-NH 3 trong tải trọng 1
Hình 3.8. Nồng độ TKN trong tải trọng 1
Hình 3.9. Nồng độ TP biến đổi trong tải trọng 1
Hình 3.10. Hiệu suất xử lý COD với tải trọng 2
Hình 3.11. Nồng độ N-NH 3 biến đổi trong tải trọng 2
Hình 3.12. Nồng độ TKN biến đổi trong tải trọng 2
Hình 3.13. Nồng độ TP biến đổi trong tải trọng 2
Hình 3.14. Hiệu suất xử lý COD với tải trọng 3
Hình 3.15. Biến thiên N-NH 3 trong tải trọng 3
Hình 3.16. Nồng độ TKN trong tải trọng 3
Hình 3.17. Nồng độ TP biến đổi trong tải trọng 3
Hình 3.18. Hiệu suất xử lý COD với tải trọng 4
Hình 3.19. Hiệu suất xử lý COD với tải trọng 5
Hình 3.20. Hiệu suất xử lý COD cả quá trình nghiên cứu
Hình 3.21. Sự tương quan giữa hiệu suất xử lý COD và tải trọng hữu cơ cho cả
quá trình nghiên cứu
Hình 3.22. Nồng độ N-NH 3 biến đổi trong các tải trọng xử lý
Hình 3.23. Nồng độ TKN biến đổi trong các tải trọng xử lý
Hình 3.24. Nồng độ TP biến đổi trong các tải trọng xử lý
Hình 3.25. Mối quan hệ giữa tải trọng hữu cơ loại bỏ và tổng thể tích khí sinh ra
Hình 3.26. Mối tương quan giữa hiệu suất xử lý COD và sản lượng khí sinh ra
Hình 3.27. Hạt PVA trước khi sử dụng
Hình 3.28. Hạt PVA sau khi chạy với mơ hình nghiên cứu được 30 ngày
Hình 3.29. Hạt PVA trước khi sử dụng và sau giai đoạn thích nghi
Hình 3.30. Hạt PVA trong giai đoạn xử lý tải trọng 5 kgCOD/m3.ngày
Hình 3.31. Hạt PVA cuối tải trọng 7 kgCOD/m3.ngày
Hình 3.32. Hạt PVA sau nghiên cứu với tải trọng 12 kgCOD/m3.ngày

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

Ý nghĩa tiếng việt (nếu có)

ADS

Air Dried Sheet

Mủ tờ hong khói

AF

Anaerobic Filter

Lọc kỵ khí

BOD

Biological Oxygen Demand

Nhu cầu oxy sinh hóa

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxi hóa học

CSTN

Cao su tự nhiên

EGSB

Expanded granular sludge bed

FA

Free Ammonia

Ammonia tự do

FBBR

Fluidized Bed Bioreactor

Bể kỵ khí tầng giá thể lơ lửng

HRT

Hydraulic Retention Time

Thời gian lưu nước

IRSG

International Rubber Study Group

Tổ chức nghiên cứu CSTN
thế giới

MLSS

Mixed Liquor Suspended Solid

Cặn lơ lửng của hỗn dịch bùn

OLR

Organic Loading Rate

Tải trọng hữu cơ

PVA

Polyvinyl alcohol

TAN

Total Ammonia Nitrogen

Nồng độ N-NH 3 tổng cộng

TP

Total Phosphorus

Photpho tổng

TSS

Total Suspended Solid

Tổng chất rắn lơ lửng

SS

Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng.

SVI

Sludge Volume Index

Chỉ số thể tích bùn

RSS

Ribbed Smoked Sheet

Mủ tờ xơng khói

UASB

Upflow Anaerobic Sludge

Bể phản ứng kỵ khí với lớp

Blanket

bùn dịng chảy ngược

UMBR

Upflow Mutilayer Bioreactor


VFA

Volatile Fat Acid

Axit béo bay hơi

VS

Volatile Solid

Chất rắn bay hơi

VSS

Volatile Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng bay hơi

VSV

Vi sinh vật


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

GIỚI THIỆU
1. Đặt vấn đề
Việt Nam là một trong số những quốc gia đang phát triển, đã có sự tăng
trưởng cơng nghiệp vượt bậc trong những năm gần đây. Trong quá trình hoạt động
sản xuất, các nhà máy, xí nghiệp trong khu cơng nghiệp đã t ạo ra một lượng lớn
chất thải có mức độ gây ơ nhiễm cao và tính chất phức tạp.
Chế biến cao su thiên nhiên (CSTN) là một loại hoạt động sản xuất có khả năng gây
ơ nhiễm nước rất lớn. Và với tình hình sản xuất và xuất khẩu tăng mạnh như hiện
nay thì hàng năm th ải vào mơi trường khoảng hơn 9 triệu m 3 nước thải, trung bình
lượng nước thải phát sinh khoảng 25 m3/ tấn sản phẩm (tính theo khối lượng khơ)
sản xuất từ mủ tinh, 35 m3/ tấn sản phẩm sản xuất từ mủ tạp và 18 m3/ tấn sản phẩm
sản xuất từ mủ ly tâm. Công nghiệp trồng và sản xuất cao su (CSTN) thải ra nhiều
nước thải có nồng độ ơ nhiễm rất cao bởi các thành phần COD (trung bình 5320
mg/L), ammonium (trung bình 237 mg/L) và photpho (trung bình 88,1-125,5 mg/L).
Nước thải chế biến CSTN từ mủ nước thường có pH thấp (pH= 4-6) do việ c sử
dụng axit để làm đơng tụ CSTN, trong đó nước thải phát sinh từ chế biến mủ tạp có
pH khoảng 6-7. Hàm lượng N -NH 3 trong nước thải cao chủ yếu là do việc sử dụng
amoniac là chất chống đông tụ trong quá trình thu hoạch, vận chuyển và tồn trữ mủ,
đặc biệt là trong chế biến mủ ly tâm. Bên cạnh đó, hàm lượng photpho trong nước
thải cũng rất cao (88,1-109,9 mg/l).
Vì thế, nếu không được xử lý tốt sẽ gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm
nguồn nước mặt, nước ngầm. Để kiểm sốt được lượng ơ nhiễm hữu cơ này thì hiện

nay, cơng nghệ xử lý nước thải CSTN chủ yếu áp dụng phương pháp cơ học và sinh
học (hệ thống hồ sinh học). Nếu chỉ áp dụng phương pháp sinh học thì rất khó đạt
được tiêu chuẩn đang áp dụng, đặc biệt là đối với hai chỉ tiêu COD và NH 3 -N.
Trong vài thập kỷ gần đây có nhiều nghiên cứu ứng dụng bể kỵ khí, kỵ khí kết hợp
để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau. Hơn nữa bể kỵ khí có vật liệu làm giá thể
cũng rất phong phú đa dạng với nhiều loại vật liệu và kích thước khác nhau. Theo
1


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

nghiên cứu của Nguyễn Trung Việt (thực hiện từ 1990 - 1995), cho thấy: xử lý kỵ
khí tốc độ cao đặc biệt là q trình hệ thống bùn kỵ khí dịng chảy ngược (UASB) là
phương án thích hợp để XLNT CSTN, là một giải pháp lý ưt ởng để làm giảm ô
nhiễm môi trường của ngành chế biến mủ CSTN ở miền Nam Việt Nam. Tuy nhiên
ở Việt Nam vẫn chưa có các nghiên cứu về cơng nghệ xử lý kỵ khí với vật liệu hạt
polyvinyl alcohol (PVA - gel) cho xử lý nước thải và đặc biệt là nước thải CSTN.
Trong nghiên cứu này hạt PVA gel được sử dụng làm vật liệu mang cho bùn kỵ khí
trong một cột phản ứng có tầng vật liệu lưu động. Hạt PVA - gel có thể duy trì sự
tiếp xúc tốt với chất nền dưới điều kiện lưu động.
Từ tình hình thực tế trên thì đề tài “Nghiên cứu ứng dụng của bể phản ứng
kỵ khí dòng chảy ngược với chất mang hạt PVA - gel xử lý nước thải chế biến
mủ cao su” để có thể kiểm soát và xử lý hiệu quả nước thải chế biến CSTN và giảm
thiểu tác động đến môi trường là cần thiết, nó khơng chỉ góp phần hạn chế tình
trạng ơ nhiễm nguồn nước do các nguồn cơng nghiệp, cải thiện lợi ích kinh tế của
các ngành kinh tế khác và sức khỏe cộng đồng, mà cịn góp phần vào mục tiêu phát
triển bền vững của đất nước.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
2.1.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn được thực hiện với mục tiêu chính sau:
 Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang
hạt PVA-gel xử lý nước thải sản xuất CSTN.
2.2.

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đề tài thực hiện các nội dung chính sau:


Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải chế biến CSTN đang được áp dụng

ở nước ta và trên thế giới.


Thiết lập và nghiên cứu mơ hình FBBR có giá thể là hạt PVA - gel.



Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chế biến mủ CSTN của bể kỵ khí với

giá thể PVA - gel theo những tải trọng L=0,3; 0,6; 1,5; 2,5; 5; 7; 10; 12
kgCOD/m3.ngày đêm;
2


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel

xử lý nước thải chế biến mủ cao su



Đánh giá sản lượng khí.



Đề xuất một số thông số vận hành tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo khi xử

lý kỵ khí có giá thể PVA - gel.

3. Ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội và môi trường
 Đánh giá hiệu quả xử lý và khả năng áp dụng thực tiễn.
 Đề xuất phương án xử lý hữu hiệu cho nước thải sản xuất CSTN với nhiều
ưu điểm.
3.1.

Tính mới của đề tài
Hiện nay có nhiều nghiên cứu ứng dụng bể kỵ khí, kỵ khí kết hợp để xử

lý nhiều loại nước thải khác nhau. Bên cạnh đó bể kỵ khí có vật liệu làm giá thể
cũng rất phong phú đa dạng với nhiều loại vật liệu và kích thước khác nhau.
Tuy nhiên ở Việt Nam vẫn chưa có các nghiên cứu về cơng nghệ xử lý
kỵ khí với vật liệu hạt polyvinyl alcohol (PVA – gel) cho xử lý nư ớc thải và đặc
biệt là nước thải cao su thiên nhiên. Do đó đây là một đề tài hồn tồn mới và có
tính thực tiễn cao.

3.2.

Phạm vi - Giới hạn của đề tài

 Thí nghiệm được tiến hành trên quy mơ phịng thí nghiệm tại Phịng thí
nghiệm của Khoa Mơi trường - Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.
 Nước thải được lấy sau bể tuyển nổi của nhà máy sản xuất cao su Bến Súc Bình Dương và cơng ty cao su Liên Anh - Tây Ninh.

3


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 . Hiện trạng sản xuất CSTN tại Việt Nam
1.1.1. Tổng quan về ngành cơng nghiệp sản xuất CSTN ở Việt Nam

Hình 1.1. Cây cao su- Hevea brasiliensis

Sau khi thống nhất đất nước năm 1975, ngành chế biến mủ CSTN là mặt
hàng xuất khẩu quan trọng đứng thứ 2 ở nước ta (sau xuất khẩu gạo). Điều kiện về
khí hậu và đất thuận lợi kết hợp với ứng dụng công nghệ mới đã góp phần cho sự
thành cơng này.
Năm 1999 có 21 công ty CSTN và 29 nhà máy chế biến mủ với tổng diện
tích cây CSTN 300.000 ha và sản lượng 169.567 tấn/năm. Mức sản lượng CSTN
toàn thế giới năm 2008 tăng khoảng 3,1% so với năm 2007. Trong đó sản lượng
CSTN từ khu vực Châu Á chiếm khoảng 96,8% tổng sản lượng CSTN toàn thế giới,
sản lượng CSTN Châu Âu chiếm 4,6% và Châu Mỹ Latinh chỉ chiếm khoảng 2%.
Thái Lan vẫn tiếp tục dẫn đầu về sản lượng CSTN, tiếp sau là Indonesia, Malaysia.
Những nước khác tăng sản lượng đáng kể là Trung Quốc, Sri Lanka, Philippines,
Myanmar và Việt Nam.

4


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

Dưới ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu, giá CSTN xuất
khẩu đã giảm mạnh trong quý 4/2008 sang đến tháng 1/2009, nhưng sau đó đã tăng
dần, tháng 1 chỉ đạt 1.324 USD/tấn, đến tháng 8 đã đạt 1.715 USD/tấn.
Trung Quốc vẫn là thị trường xuất khẩu CSTN chính của Việt Nam với
khối lượng trong 8 tháng đầu năm là 263 ngàn tấn, chiếm 67,4% và trị giá 391,6
triệu đơ-la.

Hình 1.2. Biểu đồ về sản lượng cao su tự nhiên thế giới và một số nước sản xuất lớn
từ năm 2006 đến 2008 (AGROINFO, Tính tốn theo số liệu của IRSG, 2008).

1.1.2. Triển vọng xuất khẩu năm 2009

Hình 1.3. Cơng nhân đang lấy mủ
cao su tại vườn cây cao su

Cung cầu CSTN thế giới năm 2009 mặc dù giảm nhưng vẫn ở mức tương đối
ổn định. Dựa theo số liệu về tốc độ tăng trưởng kim ngạch nhập khẩu CSTN trong
5


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

năm 2007 – 2008 và tốc độ tăng trưởng kinh tế năm 2009 thì Trung Quốc vẫn được
đánh giá là thị trường tiềm năng nhập khẩu CSTN lớn trên thế giới. Dự báo về tăng
trưởng kinh tế Trung Quốc năm 2009 đạt 6,7% (IMF). Với mức tăng trưởng đó,
Trung Quốc được đánh giá vẫn là thị trường nhập khẩu CSTN triển vọng trong
năm 2009.
Thị trường Hàn Quốc với tốc độ tăng trưởng kinh tế năm 2009 dự báo đạt
3,4% và tốc độ tăng trưởng kim ngạch nhập khẩu năm 2007 – 2008 đạt 28 ,72%,
cũng được đánh giá là thị trường nhập khẩu CSTN triển vọng trong năm 2009.
Cộng hồ Czech mặc dù có kim ngạch nhập khẩu CSTN trong năm 2008
không lớn, chỉ đạt 8,3 triệu USD, nhưng lại có tốc độ tăng trưởng kim ngạch nhập
khẩu cao trong giai đoạn 2007 – 2008. Dự báo tốc độ tăng trưởng của thị trường này
trong năm 2009 sẽ đạt 3 ,3%. Thị trường này cũng được coi là thị trường triển vọng
xuất khẩu CSTN của Việt Nam trong năm 2009.
Do diện tích trồng mới và diện tích khai thác CSTN từ năm 1995 – 2008 của
cả nước liên tục tăng, với mức sản lượng của năm 2008, sản xuất CSTN của Việt
Nam hiện đứng thứ năm thế giới (chiếm khoảng 5,4% sản lượng cao su thế giới),
đứng sau Thái Lan, Indonesia, Malaysia và Ấn Độ.
Nguyên nhân diện tích trồng cao su tăng nhanh trong những năm gần đây là
vì những lợi ích như sau: Mủ CSTN có giá trị kinh tế cao, 1ha khai thác mủ bình
qn đạt 1,5 tấn/năm, có nhiều nơi đạt 1,8 - 2,0 tấn/năm (giá bán trên 35 triệu
đồng/1 tấn) . Gỗ cây CSTN có thể sử dụng trong cơng nghiệp chế biến gỗ và xây
dựng; hiện giá trị xuất khẩu bình quân đạt 1.200 USD/m3 gỗ. Hạt CSTN được dùng
để làm giống, làm nguyên liệu tẩy rửa, thức ăn gia súc, hoá chất sơn và các loại phụ
liệu khác. Cành khơ làm củi, lá CSTN phân huỷ có tác dụng cải tạo đất, những vùng
đất cằn cỗi sau khi trồng CSTN một thời gian có khả năng màu mỡ trở lại.
Cũng vì những lợi ích này theo đề án phát triển của bộ Nông nghiệp và phát
triển nông thôn, dự kiến năm 2009, diện tích CSTN của cả nước đạt 640 nghìn
hécta; và sản lượng sẽ đạt 680 nghìn tấn. Trong việc chuyển từ đất rừng nghèo kiệt
sang trồng CSTN tại các tỉnh Tây Nguyên đặc biệt chú ý thực hiện đúng quy định
6

Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

đã đề ra. Đối với khu vực Tây Bắc, chỉ nên trồng CSTN mang tính chất thí điểm,
khơng ồ ạt mở rộng diện tích.
Trong báo cáo tổng kết trong năm 2009 của Tập đồn Cơng Nghiệp CSTN
Việt Nam thì Tập đồn hiện có 42 nhà máy, xí nghiệp và xưởng chế biến mủ CSTN:
Tổng cơng suất thiết kế các nhà máy chế biến là 372.000 Tấn/năm, khu vực Đơng
Nam Bộ có 28 nhà máy và xưởng chế biến với tổng công suất 293.000 Tấn/năm, khu
vực Tây Ngun có 10 nhà máy với tổng cơng suất 65.000 Tấn/năm, khu vực Miền
Trung có 4 nhà máy tổng công suất 14.000 tấn/năm. Với tổng công suất như trên, các
nhà máy trong Tập đoàn đã chế biến hết lượng mủ khai thác trong năm 2009, đồng
thời đã chế biến và gia công cho tiểu điền; nhằm tận dụng tối đa công suất của thiết bị,
tạo thêm việc làm, tăng thu nhập cho công nhân chế biến và quản lý chất lượng sản
phẩm CSTN trong khu vực.
Theo Tổ chức nghiên cứu CSTN thế giới (IRSG) dự báo, nhu cầu CSTN của
thế giới dự kiến đạt 9,56 triệu tấn, giảm 0,9% so với năm 2008. Trong năm 2009,
Trung Quốc được dự báo là nước tiêu dùng CSTN lớn nhất thế giới, ở mức 2,75
triệu tấn. Thứ hai là thị trường Mỹ, ở mức 884.000 tấn. Thứ ba là thị trường Ấn Độ,
ở mức 832.000 tấn và thị trường Nhật Bản dự kiến tiêu dùng ở mức 761.000 tấn.
Hai thị trường được đánh giá là tiềm năng trong năm 2008 và 2009 là Hàn Quốc và
Brazil dự kiến tiêu dùng sẽ đạt 369.000 tấn và 359.000 tấn. Như vậy, cung cầu
CSTN thế giới năm 2009 mặc dù giảm nhưng vẫn ở mức tương đối ổn định
(Nguyễn Trang Nhung - Phạm Quang Diệu- Các thị trường triển vọng cao su
Việt Nam, 2009).

7

Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

Hình 1.4. Biểu đồ biểu thị diện tích và
sản lượng cao su của cả nước từ năm
2000 đến 2008 ( AGROINFO, Tính
tốn theo số liệu của Tổng cục Thống
kê, 2008).

1.2.

Hình 1.5. Biểu đồ dự báo cung cao su
thế giới và một số nước 2009
(AGROINFO, Tổng hợp từ số liệu của
IRSG, 2008).

Đặc tính của nước thải ngành chế biến CSTN

1.2.1. Quy trình cơng nghệ sơ chế mủ
Ở Việt Nam hiện nay có 3 cơng nghệ chính đang áp dụng trong thực tế: công nghệ
chế biến mủ ly tâm, công nghệ chế biến mủ cốm và công nghệ chế biến mủ tờ.
1.2.1.1. Công nghệ chế biến mủ ly tâm
Mủ nước có khoảng 30% hàm lượng khơ (DRC) và 65% nước, thành phần còn lại là
các chất phi CSTN. Các phương pháp ãđ đư ợc triển khai để cô đặc mủ nước từ
vườn cây là ly tâm, tạo kem và bốc hơi. Trong công nghiệp ly tâm do sự khác nhau
về tỷ trọng giữa CSTN và nước, các hạt CSTN dưới dạng serum được tách ra nhờ
lực ly tâm để sản xuất ra mủ ly tâm tiêu chuẩn với 60% DRC. Mủ ly tâm sau đó
được xử lý với các chất bảo quản phù hợp và đưa vào bồn lưu trữ để ổn định tối
thiểu từ 20 đến 25 ngày trước khi xuất. Một sản phẩm phụ của công nghệ chế biến

mủ CSTN là mủ skim (DRC khoảng 6%). Mủ skim thu được sau khi ly tâm được

8


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

đánh đông bằng acid và được sơ chế thành các tờ crep dày hay sử dụng để sản xuất
cao su cốm dưới nhiều dạng khác nhau.
1.2.1.2. Công nghệ chế biến CSTN cốm
Trong công nghệ này, mủ nước từ vườn cây sau khi được đánh đông
bằng axit và mủ đông vườn cây được đưa vào dây chuyền máy sơ chế để đạt
kết quả sau cùng là các hạt CSTN có kích thước trung bình 3 mm trư ớc khi
đưa vào lò sấy. CSTN sau khi sấy được đóng thành bành có trọng lượng 33,3
kg hay 35 kg tuỳ theo yêu cầu của khách hàng. Phương pháp này cũng đư ợc
sử dụng để chế biến CSTN cốm từ mủ đông phát sinh từ mủ skim.
1.2.1.3. Công nghệ sơ chế mủ tờ
Mủ nước từ vườn cây được lọc tự nhiên để loại bớt tạp chất, các mảnh vụn,
rác… Mủ sau đó được đổ vào khay đánh đơng và được pha lỗngđ ể DRC cịn
khoảng 10%, pH của mủ nước được giảm xuống còn 4,5 bằng cách sử dụng axit
fomic hay axit acetic và mủ nước thường được để đơng đặc qua đêm. Sau khi hồn
tồn đơng đặc, tấm mủ đông nổi lên trên serum và được đưa qua giàn mủ cán tờ.
Cặp trục cuối của giàn cán có cắt rãnh đ ể tạo lớp nhăn trên tờ mủ. Mủ tờ sau đó
được phơi cho khơ và được đưa vào lị xơng đ ể sản xuất mủ tờ xơng khói (RSS).
Sản phẩm này được phân loại từ RSS1 đến RSS6.
Mủ tờ hong khói (ADS) là dạng mủ tờ khơng xơng khói có màu vàng lợt.
Việc chế biến mủ ADS hoàn toàn giống như chế biến RSS ngoại trừ được sấy
khơng khói. Người ta thêm vào 0,04% muối metabíulphit vào mủ nước để giữ màu
CSTN. Nhiệt độ sấy là yêu cầu quan trọng để đạt được màu sáng.

1.2.2. Lưu lượng và thành phần nước thải ngành CSTN
1.2.2.1. Lưu lượng nước thải
Hàng năm ngành chế biến CSTN phát sinh khoảng 9 tri ệu m3 nước thải, trung
bình lượng nước thải phát sinh khoảng 25 m3/ tấn sản phẩm (tính theo khối lượng
khô) sản xuất từ mủ tinh, 35 m3/ tấn sản phẩm sản xuất từ mủ tạp và 18 m3/ tấn sản
phẩm sản xuất từ mủ ly tâm. Nước thải CSTN được xem là một trong những loại
nước thải có nồng độ ô nhiễm rất cao bởi các thành phần COD, ammonium và
9


Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dịng chảy ngược với chất mang hạt PVA- gel
xử lý nước thải chế biến mủ cao su

photpho. Nước thải chế biến CSTN từ mủ nước thường có pH thấp (pH= 4-6) do
việc sử dụng axit để làm đông tụ CSTN, trong đó nước thải phát sinh từ chế biến
mủ tạp có pH khoảng 6 - 7. Hàm lượng N-NH 3 trong nước thải cao chủ yếu là do
việc sử dụng amoniac là chất chống đơng tụ trong q trình thu hoạch, vận chuyển
và tồn trữ mủ, đặc biệt là trong chế biến mủ li tâm. Bên cạnh đó, hàm lượng
photpho trong nước thải cũng rất cao (88,1 - 109,9 mg/l).
Hiện nay, công nghệ xử lý nước thải CSTN chủ yếu áp dụng phương pháp
cơ học và sinh học (hệ thống hồ sinh học). Nếu chỉ áp dụng phương pháp sinh học
thì rất khó đạt được tiêu chuẩn đang áp dụng, đặc biệt là đối với hai chỉ tiêu COD
và NH 3 -N (Nguyễn Thị Phương Loan và nhiều người khác, 2009).
Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Thị Phương Loan và nhiều người khác
(2009) cho thấy: Một số thành phần ô nhiễm của nước thải sau xử lý của các nhà
máy chế biến mủ CSTN cao hơn so với quy chuẩn QCVN 01:2008 B TNMT cột B
(COD, N-NH 3 , photpho…).
1.2.2.2. Thành phần nước thải
Từ Bảng 2.1 có thể rút ra những nhận xét dưới đây về nước thải ngành chế biến
CSTN:

không có khác biệt về số lượng các chất hóa học giữa các loại nước thải từ các dây
chuyền sản xuất các loại sản phẩm khác nhau. Các loại nước thải này khác nhau chủ
yếu về hàm lượng các chất đó.
Ngồi chất ơ nhiễm hữu cơ, nước thải cịn chứa Nitơ, trong đó đáng kể nhất là Nitơ
ở dạng amơni với hàm lượng trong khoảng 40 - 400 mg/L.
Nước thải chế biến CSTN có pH trong khoảng 4,2 - 5,2 do việc sử dụng axit để làm
đông tụ mủ CSTN. Đối với mủ skim đơi khi nước thải có pH thấp hơn nhiều (đến
pH=1). Đối với CSTN khối được chế biến từ ngun liệu đơng tụ tự nhiên thì nước
thải có pH cao hơn (khoảng pH=6) và tính axit của nó chủ yếu là do các axit béo
bay hơi, kết quả của sự phân hủy sinh học các lipid và phospholipid xảy ra trong khi
tồn trữ nguyên liệu. Hơn 90% chất rắn trong nước thải CSTN là chất rắn bay hơi,

10