Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng chitosan lignosulfonate cố định bùn kỵ khí

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN
NI HEO BẰNG CHITOSAN/LIGNOSULFONATE
CỐ ĐỊNH BÙN KỴ KHÍ
Chun ngành : Công nghệ môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
VÀ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS.NGUYỄN VĂN SỨC

Cán bộ chấm nhận xét 1 :..........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 :..........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI

HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày 05 tháng 11 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 14 / 04/ 1982

Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MSHV: 02506586

I- TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG
CHITOSAN/LIGNOSULFONATE CỐ ĐỊNH BÙN KỴ KHÍ

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Nhiệm vụ:

Điều chế bùn hạt nhân tạo kết hợp bởi Chitosan và bùn kỵ khí khâu mạch bằng
Lignosulfonate
Nghiên cứu hiệu quả của quá trình khử COD, diễn biến và mối quan hệ của VFA,
độ kiềm, pH, NH3 trong bể UASB sử dụng bùn hạt điều chế
- Nội dung:
+ Điều chế bùn hạt nhân tạo
+ Nghiên cứu hiệu quả khử COD theo tải trọng.
+ Khảo sát biến thiên của pH, VFA, NH3, độ kiềm theo tải trọng.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định
giao đề tài):
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

TS. NGUYỄN VĂN SỨC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chun ngành thơng qua.
Ngày
TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH

tháng

năm 2008

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện với sự giúp đỡ nhiệt tình của
thầy cơ trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh và trường
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Sức đã nhiệt
tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt q trình học tập và
nghiên cứu tại phịng thí nghiệm Mơi trường, trường đại học Sư
phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Cảm ơn sinh viên Vũ Đình Khang và Nguyễn Thị Phương
đã giúp tơi trong q trình nghiên cứu.
Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên và gíup đỡ tơi
trong chặng được học tập và nghiên cứu.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2008

Hồng Thị Tuyết Nhung


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu xử lý nước thải bằng bùn hạt kỵ khí trong bể UASB đã được rất
nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tìm hiểu do những ưu điểm của bùn hạt kỵ khí
mang lại như khả năng xử lý đạt hiệu quả cao, chịu được tải trọng cao, ổn định và
có khả năng chịu được mức độ chất độc hại cao hơn. Tuy nhiên, bùn hạt kỵ khí
cũng có những nhược điểm cần khắc phục là thời gian tạo hạt lâu, cần phải điều

chỉnh các thông số vận hành thích hợp,… Do vậy, đề tài nghiên cứu tạo bùn hạt kỵ
khí cố định bởi Chitosan khâu mạch lignosulfonate áp dụng trong xử lý nước thải
chăn nuôi heo nhằm hạn chế những nhược điểm trong quá trình tạo bùn hạt.
Quá trình tạo bùn hạt được tiến hành bằng sự khuấy trộn hỗn hợp Chitosan và
bùn kỵ khí lấy từ bể UASB với tỷ lệ 1 : 2 có sự khâu mạch bởi lignosulfonate đảm
bảo sự bền vững trong mơi trường pH thấp. Bùn hạt nhân tạo có kích thước 2-4
mm, thể tích 1 ml, tốc độ lắng 80 mm/s.
Với hạt bùn được tạo ứng dụng xử lý nước thải chăn ni heo COD 3000 mg/l
trong mơ hình pilot UASB 15 lít ở các tải trọng 1.5 ; 4.5 ; 7 và 10 kgCOD/m3/ngày
và thời gian lưu nước lần lượt là 48 ; 16 ; 10 ; 7.2 h.
Kết quả nghiên cứu cho thấy bùn hạt kỵ khí nhân tạo giúp thời gian khởi động
mơ hình nhanh và hiệu quả cao, 21 ngày hiệu quả đạt trên 90%. Đồng thời đạt hiệu
quả trên 85% ở tải trọng 4.5; 83% ở tải trọng 7 và tải trọng 10 hiệu quả khử COD
giảm cịn 60%. Ngồi ta, hiệu quả khử SS và VSS rất cao, với SS đạt trên 90% (cao
nhất 96%) và VSS đạt trên 85% (cao nhất 89%).


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Tóm tắt luận văn
Mục lục
Danh mục các hình
Danh mục các bảng
Danh mục các thuật ngữ viết tắt
CHƯƠNG 1 : PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................1
1.2. Nội dung và ý nghĩa của đề tài .......................................................................2
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................2
1.2.2. Nội dung nghiên cứu...............................................................................3
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................3

1.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................4
1.2.5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của đề tài ................................4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về q trình kỵ khí và bể UASB.....................................................6
2.1.1. Lý thuyết về q trình kỵ khí trong xử lý nước thải................................6
2.1.2. Thuận lợi và giới hạn của hệ thống xử lý nước thải kỵ khí ..................12
2.1.3. Lý thuyết về bể UASB ...........................................................................13
2.2. Lý thuyết về bùn hạt kỵ khí và q trình hình thành bùn hạt kỵ khí ............15
2.2.1. Khái niệm bùn hạt kỵ khí ......................................................................15
2.2.2. Cơ sở lý thuyết về bùn hạt và hình thành bùn hạt kỵ khí......................16
2.2.3. Nâng cao quá trình tạo hạt bằng tạo nhân...........................................31
2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý của bùn hạt kỵ khí.............33
2.3. Lý thuyết về Chitosan và Lignosulfonate .....................................................35


2.3.1. Chitosan................................................................................................35
2.3.2. Lignosulfonate ......................................................................................36
2.4. Một số nghiên cứu điển hình.........................................................................37
2.5. Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo tại Tp. Hồ Chí Minh .......................43
2.5.1. Hiện trạng nước thải chăn ni heo tại thành phố Hồ Chí Minh ........43
2.5.2. Thành phần, tính chất nước thải chăn ni heo...................................44
2.5.3. Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo............................46
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm.............................................................47
3.1.1. Cách tiếp cận ........................................................................................47
3.1.2. Phương pháp nghiên cứu......................................................................47
3.1.3. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu .....................................................47
3.2. Mơ tả mơ hình và nguyên vật liệu sử dụng...................................................49
3.2.1. Nguyên vật liệu sử dụng .......................................................................49
3.2.2. Tiến trình thực hiện ..............................................................................50

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, BÀN LUẬN
4.1. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................56
4.1.1. Điều chế bùn hạt kỵ khí cố định bởi Chitosan/lignosulfonate..............56
4.1.2. Giai đoạn thích nghi .............................................................................63
4.1.3. Giai đoạn vận hành mơ hình ................................................................65
4.2. Nhận xét ........................................................................................................82
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận .........................................................................................................84
5.2. Kiến nghị.......................................................................................................85
Phụ lục
Tài liệu tham khảo


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình

Tên hình

Trang

2.1

Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ

2.2

Các bước chuyển hóa phức chất hữu cơ thành metan

10

2.3

Cấu trúc của bùn hạt kỵ khí

17

2.4

Bùn hạt lấy từ bể kỵ khí (A), bùn hạt kỵ khí phóng to (x2.9K)

18

2.5

Phân bố kích thước hạt cho bùn hạt metan hóa

20

2.6

Chụp SEM vi khuẩn methanothrix phát triển

25

2.7

Cụm vi khuẩn methanosarcina ở đáy bể UASB

25

2.8

Thành phần của bùn hạt

27

2.9

Bùn hạt hình thành theo thuyết Thaveesri và các đồng nghiệp

29

2.10

Cấu trúc của phân tử chitosan

35

2.11

Công thức cấu tạo của Lignin và Lignosulfonate

36

2.12

Hạt Chitosan/lignosulfonate cố định bùn kỵ khí

38

2.13

Mơ hình nghiên cứu bể UASB

39

2.14

Khả năng loại bỏ COD theo thời gian

41

2.15

Khí biogas sản sinh theo thời gian

41

2.16

Kích thước hạt theo thời gian

42

3.1

Khuấy hỗn hợp bùn kỵ khí và Chitosan

51

3.2

Tạo bùn hạt bằng bình nén áp lực

51

3.3

Mơ hình thí nghiệm dự kiến

53

4.1

Đồ thị hiệu quả xử lý COD 6 ngày và 12 ngày của các mẫu bùn hạt 58

4.2

Bùn hạt nhân tạo

59

4.3

Kích thước bùn hạt nhân tạo

59

4.4

Bùn hạt chụp microscope độ phóng đại 40x và phóng đại 100x

60

4.5

SEM bề mặt hạt bùn độ phóng đại x3000

61

4.6

SEM cấu trúc hạt bùn độ phóng đại x2000

61

7


4.7

Cấu tạo của Chitosan khâu mạch lignosulfonate

62

4.8

Các thông số đầu ra mơ hình UASB trong giai đoạn khởi động

63

4.9
4.10

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa pH và VFA
trong giai đoạn khởi động
Đồ thị biểu diễn N-NH4 trong giai đoạn khởi động bể UASB

64
65

4.11

Đồ thị biễu diễn pH đầu vào/ra theo thời gian

66

4.12

Đồ thị biến thiên COD theo thời gian

67

4.13

Đồ thị biểu diễn hiệu quả khử COD theo tải trọng

68

4.14

Đồ thị biễu diễn biến thiên SS theo thời gian

69

4.15

Đồ thị biểu diễn % loại bỏ SS theo tải trọng

70

4.16

Đồ thị thể hiện VSS/TS đầu vào

70

4.17

Đồ thị thể hiện VSS/TS đầu ra

71

4.18

Đồ thị biểu diễn VSS theo thời gian

72

4.19

Đồ thị mối tương quan giữa SS và 72VSS đầu ra của bể UASB

72

4.20

Lượng thức ăn cho vi sinh vật (tỷ lệ F/M)

74

4.21

Đồ thị biểu diễn NH3 biến thiên theo thời gian

74

4.22

Mối quan hệ giữa pH và % tăng N-NH4

75

4.23

Đồ thị biểu diễn độ kiềm và pH đầu vào, đầu ra

77

4.24

Đồ thị biểu diễn VFA theo tải trọng

78

4.25

Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa pH và VFA đầu vào

79

4.26

Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa pH và VFA đầu ra

79

4.27

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa VFA và độ kiềm theo mg/l

80

4.28

Đồ thị biểu diễn tỷ lệ giữa VFA/độ kiềm tổng

81

4.29

Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa VFA và hiệu quả khử COD

82


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng

Tên bảng

Trang

2.1

So sánh các yếu tố giữa q trình kỵ khí và hiếu khí

12

2.2

Ảnh hưởng của việc bổ sung vật chất trơ trong tạo bùn hạt

32

2.3

Tính chất của lignosulfonate

37

2.4

Thành phần tính chất hóa lý của nước thải chăn ni heo

45

3.1

Các phương pháp phân tích và thiết bị phân tích

48

3.2

Tính chất nước thải chăn ni heo

50

3.3

Các mẫu bùn hạt theo các tỷ lệ bùn/Chitosan khác nhau

52

3.4

Các loại bùn ni cấy ban đầu cho bể xử lý kỵ khí

54

4.1

Kết quả tạo bùn hạt theo các tỷ lệ bùn/Chitosan khác nhau

56

4.2

Hiệu quả xử lý COD 6 ngày và 12 ngày của các hạt bùn

57

4.3

Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo đầu vào

70

4.4

Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo đầu vào

71


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Aerobic

Q trình hiếu khí/điều kiện hiếu khí/bể xử lý hiếu khí

Anaerobic

Q trình kị khí/điều kiện kị khí/bể xử lý kị khí

Anammox

Oxi hóa ammonia trong điều kiện kị khí

Anoxic

Q trình thiếu khí/điều kiện thiếu khí/bể xử lý thiếu khí

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa

COD

Nhu cầu oxy hóa học

DO

Oxy hịa tan

ECP

Polyme ngoại bào

F/M

Tỷ lệ chất dinh dưỡng, chất hữu cơ/lượng vi sinh vật, vi khuẩn

HRT

Thời gian lưu nước thủy lực

MLSS

Tổng chất rắn lơ lửng trong hệ bùn lỏng

MLVSS

Tổng chất rắn bay hơi trong hệ bùn lỏng

N-NH4

Nitơ ammonium

SRT

Thời gian lưu bùn

SS

Chất rắn lơ lửng

SVI

Chỉ số thể tích bùn

TDS

Tổng chất rắn hòa tan

TKN

Tổng nitơ Kjedahl

TS

Tổng chất rắn hòa tan

UASB

Bể phản ứng có lớp bùn lơ lửng dịng chảy ngược

VFA

Acid béo bay hơi

WAP

Polyme hấp thụ nước


1

CHƯƠNG 1

PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây,ô nhiễm môi trường đang là vấn đề quan tâm của
thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Ơ nhiễm mơi trường nước,. khơng khí,
đất càng ngày càng nghiêm trọng. Nguồn gốc của các chất ô nhiễm từ các họat động
công nghiệp và nông nghiệp. Chất thải không được xử lý thải trực tiếp ra môi
trường làm suy kiệt sự sống của thực vật và động vật và tác hại lâu dài đến sức khỏe
con người. Thành phố Hố Chí Minh – một đơ thị lớn đang phải đối mặt với tình
trạng ơ nhiễm mơi trường đến mức khơng thể kiểm sóat, những dịng kênh trước
đây trong xanh đầy cá tơm nay đã trở thành dịng kênh chết. Mức độ ô nhiễm đã
vượt hàng trăm lần so với tiêu chuẩn cho phép. Các chất thải từ các cơ sở sản xuất,
khu dân cư thải ra, một số cơ sở đặc trưng cịn thải các chất độc với mơi trường thủy
sinh như kim loại nặng hay những hợp chất hữu cơ khó phân hủy,…
Tuy nhiên, khơng thể hạn chế các cơ sở sản xuất vì đó là sự phát triển chung
của toàn xã hội. Vậy làm thế nào để giảm thiểu ơ nhiễm trong q trình cơng nghiệp
hóa như hiện nay? Các nhà nghiên cứu đã bắt tay nghiên cứu rất nhiều công nghệ
xử lý nước thải áp dụng cho các cơ sở sản xuất đạt tiêu chuẩn nước thải đầu ra.
Các ngành nghề công nghiệp ở thành phố Hồ Chí Minh rất đa dạng, chăn
ni là trong những ngành đặc trưng chiếm tỷ lệ lớn. Tuy nhiên, phương pháp chăn
ni nhỏ lẻ, ở từng hộ gia đình đã tạo ra một nguồn chất thải khó kiểm sóat. Do vậy,
nước thải chăn nuôi cũng là vấn đề rất được nhiều quan tâm. Hiện nay, ở các nước
trên thế giới các công nghệ áp dụng xử lý nước thải chăn nuôi gia súc chủ yếu bằng
phương pháp truyền thống như aerotank, lọc sinh học hiếu khí, kỵ khí đã đạt được
một số những hiệu quả nhất định về chất lượng nước sau xử lý trước khi thải ra
nguồn tiếp nhận.

Luận văn thạc sĩ

2

Xử lý kỵ khí qua lớp cặn lơ lửng trong bể kỵ khí (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket – UASB), là một trong những phương pháp xử lý nước thải có hàm
lượng chất ô nhiễm cao đang được chú ý nhiều trong những năm gần đây. Do sự
tiếp xúc liên tục giữa bùn hạt được tạo ra trong quá trình sinh học kỵ khí và nước
thải nên thường đạt hiệu quả cao hơn các phương pháp xử lý kỵ khí khác. Nhiều đề
tài nghiên cứu về bùn hạt đã thực hiện áp dụng đối với nước thải chăn nuôi nhằm
nâng cao hiệu quả với tính lắng, tính nén của bùn tốt nên giảm thiểu mất lượng
MLVSS trôi ra khỏi bể. Mặc dù bùn hạt là vấn đề tương đối mới với Việt Nam
nhưng nó đã cho thấy những điểm ưu việt vượt trội so với những phương pháp xử lý
khác với nước thải tải trọng cao. Tuy nhiên, việc vận hành tạo ra bùn hạt là một vấn
đề khó khăn, địi hỏi phải có sự chính xác, các thơng số điều chỉnh rất nghiêm ngặt
nên việc ứng dụng trên thực tế Việt Nam hiện nay vẫn chưa được áp dụng. Chính vì
thế, ý tưởng tạo bùn hạt trước khi cho vào bể bùn kỵ khí để xử lý nước thải từ chăn
ni heo trong đề tài này sẽ ưu điểm hơn so với q trình tạo bùn hạt trong bể kỵ
khí truyền thống hiện nay.
Để nâng cao hiệu quả hơn nữa trong cơng nghệ xử lý kỵ khí nước thải chăn
ni heo, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu điều chế bùn hạt từ bùn kỵ khí và
chitosan khâu mạch bằng lignosulfonate là q trình tạo cố định bùn kỵ khí dưới
dạng hạt bằng polymer cao phân tử, chitosan, sau đó cho vào bể bùn kỵ khí để đánh
giá hiệu quả xử lý của loại bùn hạt nhân tạo này.
1.2. NỘI DUNG VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu điều chế bùn hạt kỵ khí bằng phương pháp cố định bùn bởi
chitosan, khâu mạch bằng lignosulfonate.
Nghiên cứu khả năng xử lý của bùn hạt đã điều chế đối với nước thải chăn
ni heo trong mơi trường mơ hình bể UASB.

Luận văn thạc sĩ

3

1.2.2. Nội dung nghiên cứu
-

Điều chế bùn hạt từ bùn kỵ khí và Chitosan, ổn định bùn trong thời gian
nhất định để ứng dụng xử lý hiệu quả nước thải chăn nuôi heo.

-

Khảo sát sự ảnh hưởng của tải trọng đối với hiệu quả xử lý nước thải
chăn nuôi heo trong q trình vận hành mơ hình xử lý.

-

Khảo sát, đánh giá khả năng xử lý của bùn hạt dựa trên một số chỉ tiêu
như pH, COD, MLSS, MLVSS, NH3, VFA, độ kiềm.

-

Tổng hợp số liệu, đánh giá khả năng xử lý của bùn hạt điều chế từ bùn kỵ
khí và Chitosan được khâu mạch bằng Lignosulfonate.

1.2.3. Phương pháp nghiên cứu
1.2.3.1. Phương pháp tổng quan tài liệu
Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu
kiến thức lý thuyết, khai thác thông tin hay học tập kinh nghiệm của những cơng
trình nghiên cứu, những ứng dụng thực tiễn đã triển khai, những ưu nhược điểm,…

có liên quan đến vấn đề ta đang nghiên cứu. Các kiến thức này có thể khai thác từ
các nguồn: sách vở, báo chí, kinh nghiệm, internet, nghiên cứu của những người đi
trước,…
1.2.3.2. Phương pháp phân tích hệ thống
Phương pháp phân tích hệ thống là xem xét đối tượng trong một khơng
gian kín và phân tích các đầu vào, đầu ra, yếu tố ảnh hưởng và động thái của quá
trình. Trong đề tài này, phân tích hệ thống là mơ hình bể UASB với sự đánh giá các
thông số đầu vào và đầu ra.
1.2.3.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
Quá trình thực hiện nghiên cứu ln cần phải có phương pháp lấy mẫu và
phân tích mẫu phù hợp, đúng theo tiêu chuẩn của từng chỉ tiêu đánh giá đã đề ra.

Luận văn thạc sĩ


4

1.2.3.4. Phương pháp thống kê, xử lý số liệu
Phương pháp này được ứng dụng nhằm thu được kết quả có độ tin cậy
cao, đúng, đủ và phù hợp với mục đích nghiên cứu.
1.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.4.1. Đối tượng nghiên cứu
Trong đề tài nghiên cứu này, với quy mơ phịng thí nghiệm và mơi trường
miền Đơng Nam bộ nên đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một số vấn đề sau:
- Đề tài sử dụng nguồn nước thải chăn nuôi heo từ một làng nghề nuôi heo
khu vực Quận 9, thành phố Hồ Chí Minh.
- Cơng nghệ nghiên cứu là điều chế bùn hạt dựa trên polymer tự nhiên,
Chitosan, sử dụng trong bể UASB để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.
- Mơ hình UASB được thiết kế theo tỷ lệ thích hợp và vận hành hợp lý trong
thời gian nghiên cứu.

1.2.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Đây là một nghiên cứu thuộc phạm vi phịng thí nghiệm. Do vậy, đề tài chỉ
nghiên cứu những chỉ tiêu cơ bản cần lưu ý trong quá trình xử lý yếm khí, do đó,
khi có điều kiện nghiên cứu áp dụng thực tiễn cần nghiên cứu sâu thêm những chỉ
tiêu khác.
Nghiên cứu bước đầu chỉ ứng dụng trong xử lý nước thải chăn ni heo điển
hình của khu vực miền nam Việt Nam nên cần phải có những nghiên cứu sâu hơn
về một số loại nước thải có nồng độ ơ nhiễm cao hơn để xét hết tính hiệu quả của
bùn hạt điều chế.
1.2.5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của đề tài
1.2.5.1.

Ý nghĩa khoa học

Cơng nghệ bùn hạt nổi lên với khả năng xử lý tải trọng cao, giảm khả
năng mất bùn,…Hiện nay, mặc dù có nhiều nghiên cứu về bùn hạt nhưng việc áp

Luận văn thạc sĩ


5

dụng thực tế tại Việt Nam vẫn gặp nhiều khó khăn do khả năng vận hành địi hỏi
phải chính xác và chun mơn cao để q trình tạo bùn đạt hiệu quả tốt. Do đó,
nghiên cứu tạo bùn hạt nhân tạo trước khi cho vào bể kỵ khí giúp cho q trình họat
động của vi khuẩn kỵ khí nhanh hơn và hiệu quả hơn và có khả năng triển khai bùn
hạt có khả năng ứng dụng rộng rãi.
1.2.5.2.

Ý nghĩa thực tiễn

Với những ưu việt đã nêu, việc ứng dụng thực tiễn rất có khả năng cao vì:
-

Chitosan là một polyme sinh học được trích ly từ chitin – một nguyên
liệu phong phú trong thiên nhiên

-

Quá trình tạo bùn hạt tương đối đơn giản và nhanh chóng

-

Q trình thích nghi nhanh và hiệu quả

-

Mặt bằng xử lý nhỏ

-

Thời gian xử lý nhanh chóng

-

Hiệu quả cao, mức tiêu hao năng lượng thấp.
1.2.5.3.

Tính mới của đề tài

Vấn đề bùn hạt là vấn đề đang được bắt đầu ứng dụng trên thế giới, và chỉ
mới bắt đầu nghiên cứu ở Việt Nam. Tuy nhiên, với đề tài này, cái hay và mới so
với các đề tài bùn hạt khác là khả năng điều chế được hạt bùn từ bên ngoài nên
giảm được thời gian hình thành bùn trong bể kỵ khí, giảm chi phí. Vì thế, việc
nghiên cứu tạo ra bùn hạt nhân tạo là điều cần thiết và hợp lý.

Luận văn thạc sĩ


6

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ VÀ BỂ UASB
2.1.1. Lý thuyết về q trình kỵ khí trong xử lý nước thải
Q trình phân huỷ kỵ khí truyền thống bao gồm bể chứa chất thải và vi sinh
vật phân huỷ trong điều kiện kỵ khí. Chất thải đầu vào có thể là gián đoạn hoặc liên
tục.
Trong nước thải, chất hữu cơ phân hủy sinh học bao gồm các phân tử keo
hoặc hòa tan và các hạt. Trước khi vi sinh vật sử dụng, phải có enzymes để hòa tan
hoặc thủy phân. Để thủy phân những vật chất hữu cơ này, thành phần chủ yếu là
proteins, carbonhydrates và lipids, vi sinh vật phải tổng hợp và tiết ra những enzym
thủy phân khác nhau. Sự phân hủy các phức chất hữu cơ được mô tả trong chuỗi các
phản ứng liên tiếp, được tiến hành bởi các nhóm vi sinh phức tạp, vi sinh vật thủy
sinh, lên men, homoacetogen, tổng hợp, metan (Zinder, 1993; Stams, 1994; Schink,
1997). Phân hủy sinh học carbonhydrate, protein và lypid được tiến hành liên tục
bởi các nhóm vi khuẩn kỵ khí được mơ tả qua các bước sau:
a. Thủy phân
Các enzym ngoại bào được sản xuất ra bởi các vi khuẩn thủy phân và lên

men thủy phân các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn, dưới dạng dễ phân hủy hơn
và lên men đường thành acid carboxylic và các rượu.
b. Acid hóa
Bao gồm q 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, and Staphylocococcus. Acid béo bay hơi (VFA), như propionic acid
và butyric acid được tạo ra bởi carbon dioxide và hydro.

Luận văn thạc sĩ


7

c. Aceton hóa
Vi khuẩn aceton bẻ gãy các acid bay hơi và rượu thành acetate, hydro và
carbon dioxide.

Hình 2.1: Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ. Năng
lượng tạo ra tương đối thấp vì hợp chất hữu cơ sử dụng cho vừa là electron cho và
nhận (Giraldo and Eugenio, 1993)

Luận văn thạc sĩ


8

d. Metan hóa
Trong giai đoạn này, vi khuẩn metan hóa như

Methanobacillus,

Methanococcus, Methanobacterium và Methanosarcina chịu trách nhiệm chuyển
hóa sản phẩm cuối cùng của phản ứng aceton hóa thành khí metan và carbon
dioxide (Metcalf and Eddy, 1991).
Một số phương trình phản ứng diễn ra trong q trình phân hủy kỵ khí:
4H2 + CO2 → CH4 +2H2O4
HCOO- + 4H+ →

CH4 + 3CO2 + 2H2O

4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2
4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
4(CH3)3N + H2O9 → CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
CH3COOH → CH4 + CO2
Có nhiều loại vi khuẩn tạo metan khác nhau cũng như có nhiều loại vi khuẩn
sinh acid khác nhau. Vấn đề ổn định chất thải đòi hỏi phải cân bằng các sinh vật này
với nhau. Việc ổn định và duy trì cân bằng này là một trong những điều kiện vận
hành quan trọng nhất, được thể hiện qua nồng độ acid bay hơi. Acid bay hơi là acid
hữu cơ mạch ngắn, là thành phần chủ yếu được tạo ra từ giai đoạn chuyển hóa đầu
tiên. Chúng là hợp chất trung gian quan trọng trong q trình kỵ khí. Và hầu như
metan sinh ra từ kết quả của quá trình lên men bởi các vi sinh vật metan. Khi hệ cân
bằng, vi sinh vật metan sử dụng acid trung gian ngay khi chúng sinh ra. Tuy nhiên,
nếu vi khuẩn metan không đủ số lượng hoặc bị giảm do điều kiện môi trường,
chúng sẽ không sử dụng acid nhanh bằng lượng acid sinh ra, khi đó, nồng độ acid
bay hơi tăng. Do đó, khi nồng độ acid tăng cho thấy vi khuẩn metan không cân bằng
với vi khuẩn sinh acid.

Luận văn thạc sĩ

9

Vi khuẩn sinh metan rất khó để cơ lập và nghiên cứu. Do vậy, rất ít hiểu biết
về đặc tính sinh hóa cơ bản của chúng được biết. Sự chuyển hóa vật chất hữu cơ
thành metan chắc chắn thơng qua một chuỗi các giai đoạn sinh hóa phức tạp. Mặc
dù không biết rõ từng bước riêng lẽ nhưng những nghiên cứu cũng cho thấy những
nguồn chính của metan là acid acetic và carbon dioxyt được tạo thành thành từ acid
acetic :
C*H3COOH → C*H4 + CO2
Acid này là một trong những acid bay hơi quan trọng được hình thành từ quá
trình phân hủy của chất hữu cơ phức tạp và là nguồn chính tạo metan trong kỵ khí.
Carbon metyl của acid acetic được đánh dấu * cùng với 3 nguyên tử H chuyển hóa
thành khí metan. Carbonyl carbon (khơng có *) chuyển hóa thành CO2.
Hầu hết carbon cịn dư trong q trình kỵ khí được tạo thành từ q trình
khử CO2. Hydro, được tạo ra từ hợp chất hữu cơ bởi các enzym, sẽ khử CO2 thành
CH4. CO2 ở đây đóng vai trò như là chất nhận điện tử, giống như vai trị của oxy
trong q trình hiếu khí. Ln ln có một lượng CO2 dư lớn cho xử lý kỵ khí, do
đó, CO2 cho q trình khử này khơng bao giờ là yếu tố giới hạn của quá trình xử lý
phức chất.
Quá trình khử carbon dioxide:
CO2 + 8H → CH4 + 2H2O
Acid hữu cơ bay hơi
Có hai loại acid hữu cơ bay hơi chủ yếu được tạo thành từ quá trình kỵ khí là
acetic acid và propionic acid. Hai loại acid này là tiền thân của metan, chúng
chuyển hóa thành metan như trong hình 2.2. Phần trăm chuyển hóa được thể hiện
qua sự chuyển hóa COD và qua q trình lên men metan của phức chất. Phần trăm
chuyển hóa thay đổi phụ thuộc vào bản chất của chất thải.
Điều kiện trong q trình kỵ khí

Luận văn thạc sĩ

10

Vi khuẩn metan, vi khuẩn chịu trách nhiệm chính trong q trình ổn định
chất thải xử lý kỵ khí, phát triển rất chậm so với vi khuẩn hiếu khí và do đó nó cần
nhiều thời gian để thích nghi với sự biến đổi tải trọng, nhiệt độ, và những điều kiện
khác. Chính vì thế, các giải pháp thiết kế và vận hành cần phải được xem xét trong
các điều kiện môi trường tối ưu để đạt hiệu quả xử lý cao và nhanh.
4%

H2
24%

Chất thải hữu cơ,
carbonhydrate,
chất béo, protein

76%

Acid hữu
cơ cao
phân tử
20%

Giai đoạn 1
Thủy phân và lên men hóa

28%

CH4
52%

72%

Acetic
acid
Giai đoạn 2
Aceton hóa

Giai đoạn 3
Metan hóa

Hình 2.2: Các bước chuyển hóa phức chất hữu cơ thành metan
Ở nhiệt độ cao, tốc độ phản ứng nhanh hơn nên vận hành hiệu quả hơn và
kích thước bể nhỏ hơn. Hai mức nhiệt độ tối ưu cho xử lý kỵ khí là ở mức
mesophilic nhiệt độ từ 85-100oF và ở mức thermophilic nhiệt độ từ 120-135oF. Mặc
dù ở mức thermophilic đạt hiệu quả cao hơn nhưng phải bổ sung thêm nhiệt độ nên
có thể làm phức tạp thêm q trình. Do đó, hệ thống thường thiết kế theo mức
mesophilic hoặc thấp hơn.
Một yêu cầu khác trong q trình kỵ khí là phải duy trì điều kiện khơng có
oxy. Một lượng nhỏ oxy có thể làm ảnh hưởng đến vi khuẩn sinh metan và những
loại sinh vật kỵ khí khác.Chính vì thế, bể thường phải được đóng kín và khí metan
sinh ra được thu lại để làm nguồn nhiệt.

Luận văn thạc sĩ


11

Vi khuẩn trong q trình kỵ khí địi hỏi phải có nitơ, phospho và một số
nguyên tố khác cho sự phát triển tối ưu. Tuy nhiên, một số nước thải khơng đáp ứng
được điều này, do đó cần thiết phải bổ sung dinh dưỡng. Trong một số trường hợp,
cần phải bổ sung 30-60mg/l sắt dưới dạng FeCl3.
pH cũng là một u cầu quan trọng trong q trình kỵ khí, q trình kỵ khí
hoạt động tốt ở pH từ 6.6 – 7.6 nhưng tối ưu là 7.0-7.2. Khi pH dưới 6.2, mơi
trường acid trong bể có thể làm nguy hại đối với vi khuẩn metan.
Một yêu cầu cuối cùng đối với quá trình này là về việc chất độc hại như
muối vô cơ, chất hữu cơ độc hại hoặc các kim loại nặng. Nước thải cơng nghiệp
thường có chứa nhiều muối như muối kali, muối magie, muối calci, ammonium
hoặc sulfide có thể gây ảnh hưởng đến xử lý kỵ khí.
Các chỉ thị của việc xử lý không cân bằng
Một số chỉ thị giúp nhận biết q trình xử lý khơng cần bằng là
- Các thông số tăng : nồng độ acid bay hơi, phần trăm khí CO2 trong khí
- Các thơng số giảm : pH, tổng khí tạo ra, ổn định chất thải
Trong các thông số trên, thông số thể hiện rõ nhất q trình xử lý khơng cân
bằng là nồng độ acid bay hơi. Trong xử lý kỵ khí, vi khuẩn metan phân hủy acid
bay hơi, nên khi trong môi trường độc hại, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi
khuẩn metan, làm cho số lượng vi khuẩn metan giảm xuống, tương ứng với việc
tiêu thụ acid bay hơi giảm so với tốc độ sinh acid bay hơi sinh ra từ quá trình lên
men. Vì vậy nồng độ acid bay hơi trong bể sẽ tăng cao. Nồng độ acid bay hơi cao
khơng gây hại nhưng nó chỉ ra cho thấy số lượng của vi khuẩn metan đang bị ảnh
hưởng. Một chỉ thị khác là pH giảm, do nồng độ acid bay hơi tăng.
Một số loại độc tố ảnh hưởng đến lượng khí sinh ra. Tuy nhiên, thơng số này
chỉ đánh giá được khi đầu vào hằng ngày ổn định và khí sinh ra cũng khơng biến
động lớn trong điều kiện thông thường. Sự biến động của phần trăm CO2 trong khí

Luận văn thạc sĩ

12

sinh ra cũng có thể chỉ thị sự mất cân bằng mạnh. Khi xử lý mất cân bằng, khí
metan sinh ra giảm, do đó, phần trăm CO2 tăng lên.
Những chỉ thị ở trên thường gắn kết với nhau tạo thành một bức tranh tổng
thể về hiệu quả vận hành không đạt điều kiện cân bằng.

2.1.2. Thuận lợi và giới hạn của hệ thống xử lý nước thải kỵ khí
Hệ thống xử lý kỵ khí hiện đại có những thuận lợi hơn hệ thống hiếu khí:
-

Cơng nghệ đơn giản, như UASB, AF, EGSB hoặc bể hybrid

-

Có thể xử lý nước thải tải trọng hữu cơ cao

-

Tiêu thụ ít năng lượng, ngồi ra cịn tạo năng lượng dưới dạng biogas,
phân bón (ammonia, phosphate) và bã phân huỷ sinh học dùng làm môi
trường cho đất.

-

Thích hợp xử lý nước thải có thành phần phức tạp, nồng độ quá thấp hoặc
quá cao cũng như nhiệt độ thấp hoặc cao.

-

Thích hợp cho cơng nghiệp chế biến rượu champagne bởi vì bùn kỵ khí
có thể duy trì trong điều kiện khơng có thức ăn trong thời gian dài.

Nhiều nhà nghiên cứu đã đưa ra sự so sánh giữa hệ thống phân huỷ hiếu khí
và kỵ khí trong bảng 2.1 sau:
Bảng 2.1: So sánh các yếu tố giữa q trình kỵ khí và hiếu khí
Yếu tố so sánh

Kỵ khí

Hiếu khí

Sự khống hóa của cơ C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 +

chất

6H2O

(∆Go= -393kJ/mol glucose)

(∆Go= -393kJ/mol glucose)

Cân bằng carbon

95% chuyển thành khí

50-60% thành CO2

5% kết hợp với sinh khối 40-50% kết hợp với sinh

Luận văn thạc sĩ


13

sinh vật
Cân bằng năng lượng

khối sinh vật

95% ở dạng CH4, 3-5% 60% tạo sinh khối mới,
chuyển thành nhiệt, 5-7% 40% chuyển thành nhiệt
tạo sinh khối mới

Năng lượng cần cung cấp

Năng lượng yêu cầu thấp

Năng lượng yêu cầu cao
cho việc cung cấp khí

Dinh dưỡng cần cung cấp

Ít u cầu cung cấp

Thỉnh thoảng cần bổ sung

Giai đoạn khởi động

Dài

Ngắn

Loại bỏ chất dinh dưỡng

Loại bỏ dinh dưỡng ở quá Quá trình loại bỏ dinh

Diệt khuẩn

trình sau

dưỡng kết hợp

Thấp

Thấp

Tuy nhiên bể kỵ khí cũng có một số giới hạn cần lưu tâm
-

Nhiệt độ vận hành trên 20oC mới đạt hiệu quả tốt

-

Thời gian khởi động lâu do sự tăng trưởng chậm của vi khuẩn hiếu khí

-

Xử lý bổ sung bằng phương pháp hiếu khí đòi hỏi phải cung cấp oxy

-

Cần thiết xử lý mùi hơn so với hiếu khí

-

Hoạt động của vi khuẩn methanogen có thể bị hạn chế khi có mặt các
chất độc như kim loại nặng, chất độc hữu cơ, ammonia tự do, H2S tự do

-

Cần phải bổ sung chất đệm để duy trì độ kiềm trong bể

-

Cần có những vật liệu chống ăn mòn như nhựa (plastic) và masonry để
bảo vệ bể và đường ống.

2.1.3. Lý thuyết về bể UASB
Bể xử lý kị khí dịng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB)
ứng dụng công nghệ phân hủy sinh học kỵ khí để xử lý các loại nước thải có hàm
lượng chất hữu cơ cao, nhưng không sử dụng các vật liệu đỡ. Nước được dẫn vào từ
bên dưới đáy bể và đi ra phía trên, dưới áp lực đẩy ngược của dòng chảy đầu vào

Luận văn thạc sĩ


14

làm cho các hạt bùn kỵ khí trong bể ở trạng thái lơ lửng xáo trộn, tạo sự tiếp xúc
đồng đều giữa nước thải và bùn. Sự tiếp xúc giữa bùn và nước thải vào càng tốt thì
hiệu quả xử lý của bể càng cao. Cũng như các loại xử lý kỵ khí khác, q trình phân
hủy kỵ khí trong bể UASB sinh ra các loại khí như CH4, CO2, H2S, NH3,… Các loại
khí tạo ra sẽ tạo ra dịng tuần hoàn cục bộ làm xáo trộn lớp bùn tạo sự tiếp xúc giữa
bùn và nước thải nhiều hơn và được thu tại hệ thống tách rắn – khí đặt trên đỉnh bể
phản ứng (hình 3.4)
Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bể UASB
a. Hàm lượng chất hữu cơ
Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải có thể được xác định theo COD. Khi
COD nhỏ hơn 100 mg/l thì xử lý bằng UASB khơng đạt hiệu quả cao. Khi COD lớn
hơn 5000 mg/l cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra.
b. Chất dinh dưỡng
Nhu cầu chất dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn kỵ khí tuy thấp hơn
so với vi khuẩn hiếu khí nhưng khơng thể thiếu. Nồng độ (COD/Y):N:P:S =
(50/Y):5:1:1 trong đó Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào nước thải. Nước
thải khó acid hố có Y = 0.15, nước thải dễ acid hố có Y = 0.03.
Vi khuẩn methane đòi hỏi hàm lượng sắt, nickel, và cobalt tương đối cao. Tuy
nhiên thông thường phần lớn các loại nước thải có đủ các chất dinh dưỡng vi lượng
này.
c. Hàm lượng cặn lơ lững
UASB khơng thích hợp đối với nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng lớn hơn
3000 mg/l. Cặn này khó có thể phân huỷ sinh học trong thời gian lưu nước ngắn và
sẽ tích luỹ dần trong bể gây trở ngại cho quá trình phân huỷ nước thải. Tuy nhiên,
nếu lượng cặn này bị cuốn trơi ra khỏi bể thì khơng có trở ngại gì.
Cặn lơ lửng sẽ lưu lại trong bể hay không tuỳ thuộc vào kích thước hạt cặn và
hạt bùn ni cấy. Khi kích thước của cả hai loại này gần bằng nhau thì cặn lơ lửng

Luận văn thạc sĩ