Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại cơ chất khác nhau đến đặc tính của bùn hạt hiếu khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------o0o--------------

DƢƠNG THỊ VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC LOẠI CƠ
CHẤT KHÁC NHAU ĐẾN ĐẶC TÍNH CỦA BÙN HẠT HIẾU KHÍ

Chun ngành
Mã số

: Cơng nghệ mơi trƣờng
: 60 85 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------o0o--------------

DƢƠNG THỊ VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC LOẠI CƠ
CHẤT KHÁC NHAU ĐẾN ĐẶC TÍNH CỦA BÙN HẠT HIẾU KHÍ

Chun ngành
Mã số

: Cơng nghệ mơi trƣờng
: 60 85 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học
TS. BÙI XUÂN THÀNH


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐAI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Bùi Xuân Thành

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Lê Hoàng Nghiêm

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Thế Vinh

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 29 tháng 08 năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn ............ (CT)
2. TS. Lê Hoàng Nghiêm ....................... (PB1)
3. TS. Nguyễn Thế Vinh ........................ (PB2)
4. TS. Bùi Xuân Thành .......................... (UV)
5. TS. Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh ........... (TK)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: DƢƠNG THỊ VIỆT..................... MSHV: 11250536......................
Ngày, tháng, năm sinh: 08/01/1985......................... Nơi sinh: QUẢNG NAM..........
Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng .................... Mã số: 608506..........................
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các loại cơ chất khác nhau đến đặc tính
của bùn hạt hiếu khí
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của tỷ lệ N/COD đến q trình hình thành và đặc
tính của bùn hạt hiếu khí
Đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ và khả năng nitrate hóa và khử nitrate đồng thời
của bùn hạt hiếu khí
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013 ..............................................................
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 .............................................
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. BÙI XUÂN THÀNH .............................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2013
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Môi Trƣờng, trƣờng
đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tơi có thể
học tập, rèn luyện trao dồi kỹ năng và kiến thức chuyên môn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Bùi Xuân Thành đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
và hƣớng dẫn nhiệt tình giúp tơi hoàn thành đề tài nghiên cứu.
Cảm ơn các bạn sinh viên khóa 2008, K2009 đã đồng hành cùng tơi trong q
trình thực hiện đề tài nghiên cứu này tại phịng thí nghiệm.
Xin đƣợc gửi lời cám ơn đến các thầy cơ và anh chị phịng thí nghiệm khoa
Mơi Trƣờng, trƣờng đại học Bách Khoa tp.HCM đã tạo mọi điều kiện và hồn tất
nhanh chóng mọi thủ tục cho chúng tơi trong quá trình thực hiện đề tài.
Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi trong chặng đƣờng học
tập và nghiên cứu.
DƢƠNG THỊ VIỆT

iii


TĨM TẮT
Bùn hạt hiếu khí có những ƣu điểm vƣợt bậc so với bùn hoạt tính thơng

thƣờng nhƣ khả năng lắng tốt, tích lũy sinh khối cao, chịu đƣợc tải trọng cao và ít bị
ảnh hƣởng bởi các chất độc hại. Nghiên cứu này nhằm đánh giá sự ảnh hƣởng của
các loại cơ chất khác nhau đến quá trình hình thành, đặc tính cũng nhƣ khả năng xử
lý của bùn hạt hiếu khí.
Bùn hạt hiếu khí đƣợc ni cấy trong mơ hình phản ứng khí nâng từng mẻ
ln phiên (Sequencing Batch Airlift Reactor – SBAR) sử dụng nguồn nƣớc thải
tổng hợp với thành phần cơ chất có các tỷ lệ N/COD khác nhau (R1 - N/COD =
5/150; R2 - N/COD = 10/150; R3 - N/COD = 30/150; và R4 - N/COD → ∞ (chỉ
chứa nguồn cơ chất ở dạng ammonia). Trong đó OLR = 3 kgCOD/m3.ngày đƣợc cố
định cho cả R1, R2, R3 và R4 (OLR =0); NLR có giá trị tăng dần 0.1, 0.2, 0.6 và
0.9 kgN/m3.ngày. Điều kiện vận hành của bốn mơ hình giống nhau (HRT: 8h, VER:
50%, vận tốc thổi khí 1.67cm/s).
Kết quả thí nghiệm cho thấy mầm bùn hạt bắt đầu hình thành sau tuần vận
hành thứ sáu của mơ hình. Khi kích thƣớc đạt tới giá trị ổn định thì vận tốc lắng của
bùn hạt dao động từ 23 – 35m/h, chỉ số SVI dao động 17 – 40 mL/g. Hiệu quả xử lý
COD đạt giá trị ổn định lớn hơn 90%, hiệu quả xử lý ammonia đạt 100% ở R2, R3,
R1 và 65% ở R4.
Bùn hạt hình thành ở bốn bể theo từng thời gian vận hành khác nhau. Ở bể
có tỷ lệ N/COD = 10/150, với lƣợng nitơ đầu vào ở 2 dạng: 50% NH4+-N, 50%
NO3-N, bùn hạt có kích thƣớc lớn nhất với đƣờng kính hạt trung bình là 2 mm; ở bể
có tỷ lệ N/COD = 30/150, kích thƣớc hạt trung bình là 1.1 mm; ở bể có tỷ lệ
N/COD = 5/150, kích thƣớc hạt trung bình là 0.5 mm và ở bể có tỷ lệ N/COD → ∞,
kích thƣớc hạt trung bình là 0.35mm. Điều này chứng tỏ nguồn cơ chất đã ảnh
hƣởng đến thời gian hình thành, kích thƣớc và khả năng xử lý của bùn hạt.

iv


ASBTRACT
As compared with conventional activated sludge, aerobic granular sludge has

some outstanding advantages such as excellent settle ability, accumulating biomass
well, ability to tolerate high organic loading and toxicity. This study followed
previous studies to evaluate effects of different substrates on the formation,
properties and treatment ability of aerobic granular sludge.
Aerobic granular sludge was cultured in sequencing batch airlift reactor
(SBAR) and used a synthetic wastewater with different N/COD ratio (R1 - N/COD
= 5/150; R2 - N/COD = 10/150; R3 - N/COD = 30/150; and R4 - N/COD → ∞
(containing only substrate sources in the form of ammonia). OLR = 3
kgCOD/m3.day was fixed for the R1, R2, R3 and R4 (OLR =0); NLR increased 0.1,
0.2, 0.6 and 0.9 kgN/m3.day. Operating conditions of four models were same
(HRT: 8h, VER: 50%, blower speed of 1.67cm/s).
Results showed granular sludge’s seed appeared after 6 weeks operation.
When the size reached a stable value, the settling velocity of granules were from 23
to 35 m/h, SVI of 17 – 40 mL/g. COD removal efficiency reached a stable value
greater than 90%, ammonia removal efficiency of 100% for R2, R3, R1 and 65%
for R4.
The granular sludge formed in four reactors with different operating time.
For the reactor had N/COD ratio of 10/150 and nitrogen inputs in 2 forms: 50%
NH4+-N, 50% NO3-N, the size of granules was the largest with the average diameter
of 2 mm. For reactors had N/COD ratio of 30/150, 5/150, average diameters were
1.1 mm and 0.5 mm, respectively; and at N/COD → ∞the average diameter was
0.35 mm. These proved that substrate sources effected on formation, size and
treatment ability of the granular sludge.

v


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
 Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi.

 Số liệu trong luận văn đƣợc thực hiện trung thực.
 Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Dƣơng Thị Việt

vi


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1.

GIỚI THIỆU ............................................................................... 1

1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1

1.2

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................................................... 2

1.3

PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................................. 2

1.4

Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA NGHIÊN CỨU ......................................... 2

CHƢƠNG 2.

TỔNG QUAN .............................................................................. 3

2.1

GIỚI THIỆU .................................................................................................. 3

2.2

TỔNG QUAN VỀ BÙN HẠT ....................................................................... 3

2.2.1

Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo bùn hạt hiếu khí ................................. 3

2.2.2

Đặc tính của bùn hạt hiếu khí ................................................................. 5

2.2.3

Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình hình thành bùn hạt hiếu khí .......... 6

2.2.4

Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của bùn hạt hiếu khí ................................ 15

2.3

TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH NITRATE HĨA VÀ KHỬ NITRATE .. 16

2.3.1

Q trình nitrate hóa ............................................................................. 16

2.3.2

Q trình khử nitrate ............................................................................. 20

2.4

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC ....................... 23

2.4.1

Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngồi ...................................................... 23

2.4.2

Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ......................................................... 29

CHƢƠNG 3.

NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............... 32

3.1

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 32

3.2

NƢỚC THẢI ĐẦU VÀO ............................................................................ 33

3.3

BÙN NI CẤY ......................................................................................... 33

3.4

MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU .......................................................................... 33

3.5

QUY TRÌNH VẬN HÀNH ......................................................................... 35

3.6

CHỈ TIÊU VÀ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .......................................... 37

3.6.1

Lấy mẫu ................................................................................................ 37

3.6.2

Các chỉ tiêu phân tích............................................................................ 37

3.6.3

Phƣơng pháp cân bằng Nitơ.................................................................. 38

CHƢƠNG 4.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 39
vii


4.1

Ảnh hƣởng của tỷ lệ N/COD đến quá trình hình thànhvà đặc tính của bùn
hạt hiếu khí: .................................................................................................. 39

4.1.1

Kích thƣớc hạt bùn................................................................................ 39

4.1.2

Khả năng lắng của bùn hạt .................................................................... 41

4.1.3

Tỷ lệ MLVSS/MLSS ............................................................................ 45

4.1.4 Sự phát triển của VSV dạng sợi (filamentous) trong mơi trƣờng ni
cấy bùn hạt hiếu khí trong bể phản ứng SBR ..................................................... 46
4.2

Ảnh hƣởng của tỷ lệ N/COD đến q trình nitrate hóa của bùn hạt hiếu khí47

4.2.1

Ảnh hƣởng của tỷ lệ N/COD đến q trình nitrate hóa ........................ 47

4.2.2

Ảnh hƣởng của ammonia tự do đến q trình nitrate hóa .................... 50

4.3

Ảnh hƣởng của tỷ lệ N/COD đến q trình nitrate hóa và khử nitrate đồng
thời (SND) .................................................................................................... 50

4.4

Hiệu quả xử lý .............................................................................................. 52

4.4.1

Hiệu quả xử lý COD ............................................................................. 52

4.4.2

Hiệu quả xử lý nitơ theo thời gian ........................................................ 54

4.4.3

Khảo sát sự cân bằng nitơ ..................................................................... 56

CHƢƠNG 5.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 58

5.1

KẾT LUẬN .................................................................................................. 58

5.2

KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 58

PHỤ LỤC A: CƠNG THỨC TÍNH TỐN ......................................................... 66
PHỤ LỤC B: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM ............................................ 67
PHỤ LỤC C: BẢNG SỐ LIỆU KẾT QUẢ PHÂN TÍCH .................................... 73

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Sơ đồ q trình hình thành bùn hạt hiếu khí từ bùn hoạt tính ......................4
Hình 3.1 Sơ đồ nội dung thí nghiệm .........................................................................33
Hình 3.2 Mơ hình thí nghiệm ....................................................................................34
Hình 3.3 Chi tiết cấu tạo mơ hình nghiên cứu ..........................................................35
Hình 4.1 Mầm bùn hình thành ở bốn bể phản ứng ..................................................39
Hình 4.2 Kích thƣớc bùn hạt thay đổi theo thời gian ở bốn mơ hình .......................40
Hình 4.3 Kích thƣớc bùn hạt ở giai đoạn ổn định .....................................................40
Hình 4.4 Sự thay đổi SVI theo thời gian của bùn hạt trong bốn mơ hình ................41
Hình 4.5 Sự thay đổi SVI của bùn hạt ......................................................................42
Hình 4.6 Vận tốc lắng của bốn mơ hình ...................................................................43

Hình 4.7 Thể tích lắng của bùn hạt theo thời gian ....................................................44
Hình 4.8 Tỷ số MLVSS/MLSS theo thời gian vận hành ở bốn bể phản ứng ...........45
Hình 4.9. Hình ảnh filamentous xuất hiện ở mơ hình R1 và R2 ...............................46
Hình 4.10. Hình bùn hạt bị rã sau khi filamentous phát triển trong mơ hình R1 và
R2 ..............................................................................................................................47
Hình 4.11. Hiệu quả xử lý COD và Nitơ trong mô hình R1 .....................................48
Hình 4.12. Hiệu quả xử lý COD và Nitơ trong mơ hình R2 .....................................48
Hình 4.13. Hiệu quả xử lý COD và Nitơ trong mơ hình R3 .....................................49
Hình 4.14. Q trình nitrate hóa trong mơ hình R4 .................................................49
Hình 4.15. Nồng độ trung bình ammonia tự do trong nƣớc thải đầu vào của 4 mơ
hình ............................................................................................................................50
Hình 4.16. Hiệu quả SND của 3 mơ hình R1, R2 và R3 theo thời gian ...................51
Hình 4.17. Hiệu quả SND của mơ hình R4 theo thời gian .......................................52
Hình 4.18. Hiệu quả xử lý COD theo thời gian của R2 ............................................53
Hình 4.19. Hiệu quả xử lý Nitơ theo thời gian ở R1. ................................................54
Hình 4.20. Hiệu quả xử lý Nitơ theo thời gian ở R2. ................................................55
Hình 4.21. Hiệu quả xử lý Nitơ theo thời gian ở R3. ................................................55
Hình 4.22. Hiệu quả xử lý Nitơ theo thời gian ở R4. ................................................56
Hình 4.23. Khảo sát cân bằng nitơ theo thời gian .....................................................57

ix


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Đặc điểm của bùn hạt hiếu khí tại các OLR khác nhau, với vận tốc khí
nâng 0,041 m/s ............................................................................................................8
Bảng 2.2. Đặc tình của bùn hạt ở giai đoạn ổn định tại các chu kỳ hoạt động khác
nhau ...........................................................................................................................13
Bảng 2.3. Ƣu điểm của bùn hạt hiếu khí so với bùn hoạt tính .................................15
Bảng 2.4. Ảnh hƣởng của pH đến q trình nitrate hóa ..........................................18

Bảng 2.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên tốc độ tăng trƣởng đặc trƣng tối đa của q
trình nitrate hóa. ........................................................................................................19
Bảng 2.6. Đặc điểm và hiệu quả xử lý bùn hạt hiếu khí (Qin và Liu, 2006) ...........28
Bảng 3.1. Thành phần nƣớc thải tổng hợp ...............................................................33
Bảng 3.2. Thông số vận hành của 4 mô hình ...........................................................36
Bảng 3.3. Chế độ vận hành của bốn bể phản ứng trong giai đoạn thích nghi .........37
Bảng 3.4. Chế độ vận hành của bốn mơ hình trong giai đoạn ổn định ....................37
Bảng 3.5. Các chỉ tiêu phân tích đối với mẫu nƣớc đầu vào, đầu ra........................37
Bảng 3.6. Các chỉ tiêu phân tích đối với mẫu bùn ...................................................38

x


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AS

Activated Sludge

Bùn hoạt tính

BAS

Biofilm Airlift Sequencing

Bể phản ứng màng sinh học
lơ lửng có khí nâng

BOD

Biochemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy sinh hố

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hố học

DO

Dissolved Oxygen

Oxy hịa tan

EPS

Extracellular Polymeric Substance

Polymer ngoại bào

FA

Free Ammonia

Nồng độ Ammonia tự do

HRT

Hydraulic Retention Time

Thời gian lƣu nƣớc

MBR

Membrane Bioreactor

Bể phản ứng sinh học màng
nhúng chìm

MLSS

Mixed Liquor Suspended Solids

Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng

MLVSS

Mixed Liquor Volatile Suspended Solids

Hàm lƣợng chất rắn bay hơi

NLR

Nitrogen Loading Rate

Tải trọng nitơ

OLR

Organic Loading Rate

Tải trọng hữu cơ

SBAR

Sequencing Batch Airlift Reactor

Bể phản ứng khí nâng từng
mẻ luân phiên

SBR

Sludge Retention Time

Thời gian lƣu bùn

SND

Simultaneous Nitrificationand

Đồng Nitrate hóa và khử

Denitrification

Nitrate

SOUR

Special Oxygen Utilization Rate

Tỷ lệ sử dụng oxi riêng

SRT

Sludge Retention Time

Thời gian lƣu bùn

SS

Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng

TDS

Total Dissolved Solids

Tổng chất rắn hòa tan

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen

Tổng nitơ Kjeldahl

UASB

Upflow Anaerobic Sludge Blanket

VER

Volume Exchange Ratio

Tỷ lệ trao đổi thể tích

VSV

Vi sinh vật

xi


CHƢƠNG 1. CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Các công nghệ xử lý nƣớc thải bằng bùn hoạt tính thơng thƣờng đang dần trở
nên hạn chế ở khả năng lắng, tải trọng thấp và khả năng khử nitơ kém. Bùn hạt
hiếu khí là cơng nghệ đƣợc đầu tƣ nghiên cứu ứng dụng trong xử lý nƣớc thải
trong thời gian gần đây. Bùn hạt có nhiều ƣu điểm hơn so với bùn hoạt tính thơng
thƣờng: ổn định và duy trì nồng độ sinh khối cao, có khả năng chịu đƣợc tải trọng
hữu cơ cao 15 kg COD/m3.ngày (Moy và cộng sự, 2002) trong khi bùn hoạt tính

thơng thƣờng là 0.5 – 2 kg COD/m3.ngày, khả năng lắng tốt (SVI < 30 mL/g, vận
tốc lắng rất cao v > 10 m/h) (Linlin và cộng sự, 2005), chịu sốc tải và đồng thời xử
lý nitrogen, photpho hiệu quả cao. Khả năng xử lý ammonia nồng độ cao 1000 –
1400 mg/L, hiệu quả xử lý lớn hơn 80% (Tsuneda và cộng sự, 2005). Khả năng
lắng tốt của bùn hạt làm cho quá trình tách sinh khối từ nƣớc thải nhanh và hiệu
quả hơn dẫn đến tiết kiệm diện tích xây dựng cơng trình.
Ngồi ra, bùn hạt còn cung cấp mật độ vi khuẩn dày đặc, có tính ổn định tốt
hơn, duy trì sinh khối cao và khả năng loại bỏ các chất dinh dƣỡng. Do kích thƣớc
và cấu trúc của hạt hình thành các vùng hiếu khí và yếm khí, là mơi trƣờng tốt cho
q trình nitrate hóa và khử nitơ đồng thời (SND). Vì vậy việc loại bỏ nitơ của hạt
hiếu khí đã thu hút nhiều quan tâm. Tốc độ tăng trƣởng bề mặt của vi sinh vật phân
hủy sinh học và bề mặt liên quan đến bề mặt chất nền. Tỷ lệ N/COD cao làm tăng
cƣờng các hoạt động nitrate và khử nitơ. Tăng nồng độ của nguồn carbon có lợi
cho nitrate hóa và khử nitơ xảy ra đồng thời, đƣợc điều khiển bởi q trình khử
nitơ trong bùn hạt hiếu khí (Qian Feng và cộng sự, 2012). Do đó, bùn hạt hiếu khí
sẽ là giải pháp thay thế khả thi cho các q trình bùn hoạt tính thơng thƣờng trong
tƣơng lai.
Vì thế đề tài “Ảnh hưởng của các loại cơ chất khác nhau đến đặc tính của
bùn hạt hiếu khí” đƣợc thực hiện để đánh giá ảnh hƣởng của tỷ lệ cơ chất
N/COD, tải trọng nitơ (NLR) đến sự hình thành bùn hạt và đặc tính của bùn hạt.
Sau khi bùn hạt hình thành, tiếp tục đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ đối với
nƣớc thải tổng hợp.

1


1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu gồm hai mục tiêu:


Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của tỷ lệ N/COD đến q trình hình thành và
đặc tính bùn hạt hiếu khí.



Đánh giá khả năng khử COD và nitơ của bùn hạt hiếu khí ở các điều kiện cơ
chất khác nhau.

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu đƣợc tiến hành ở quy mơ phịng thí nghiệm nên phạm vi nghiên
cứu giới hạn trong một số vấn đề sau:


Nghiên cứu này sử dụng dạng bể phản ứng khí nâng từng mẻ SBAR
(sequencing batch airlift reactor) để ni cấy bùn hạt hiếu khí và theo dõi sự
phát triển của hạt bốn mơ hình phản ứng. Nguồn nƣớc thải tổng hợp của bốn
mơ hình có tỷ lệ N/COD khác nhau (R1 - N/COD = 5/150; R2 - N/COD =
10/150; R3 - N/COD = 30/150; và R4 - N/COD → ∞ (chỉ chứa nguồn cơ chất
ở dạng ammonia). Trong đó OLR = 3 kgCOD/m3.ngày đƣợc cố định cho cả
R1, R2, R3 và R4 (OLR =0); NLR có giá trị tăng dần 0.1, 0.2, 0.6 và 0.9
kgN/m3.ngày.



Đề tài chỉ khảo sát các đặc tính cơ bản của bùn hạt hiếu khí nhƣ: kích thƣớc
hạt, chỉ số thể tích bùn SVI, vận tốc lắng, nồng độ sinh khối trong bể. Từ đó
đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ, khả năng nitrate hóa và khử nitrate đồng
thời (SND) của bùn hạt hiếu khí đƣợc hình thành ở các nguồn nƣớc thải tổng
hợp có tỷ lệ N/COD khác nhau.

1.4 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA NGHIÊN CỨU
Cơng nghệ xử lý nƣớc thải bằng bùn hạt hiếu khí rất có triển vọng trong
tƣơng lai. Với các ƣu điểm của hệ thống xử lý nhƣ diện tích mặt bằng nhỏ, thể tích
cơng trình nhỏ, thời gian xử lý nhanh và hiệu quả xử lý cao hơn bùn hoạt tính thì
việc áp dụng công nghệ này giúp giảm phần nào chi phí xử lý nƣớc thải và giảm
đƣợc nồng độ chất ô nhiễm thải ra môi trƣờng. Kết quả của đề tài mang tính thực
tiễn cao, là tiền đề nghiên cứu áp dụng vào thực tế đối với các nƣớc thải có tải
trọng nitơ cao và khơng ổn định.

2


CHƢƠNG 2.

CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN

2.1 GIỚI THIỆU
Bùn hạt là quá trình tập hợp nhiều vi sinh vật kết lại dày đặc với hình dáng
bên ngồi là hình cầu. Mỗi bùn hạt là hàng triệu vi sinh vật khác nhau với lƣợng
sinh khối lớn. Bùn hạt đã đƣợc phát triển thành công cả mơi trƣờng kỵ khí và hiếu
khí. Đối với bùn hạt hiếu khí, tùy thuộc vào mơi trƣờng và điều kiện nuôi cấy mà
thành phần vi sinh trong bùn hạt cũng khác nhau, bao gồm các nhóm sinh vật dị
dƣỡng, nitrate hóa, khử nitrate. Q trình hình thành bùn hạt là kết quả sự kết hợp
các tế bào vi sinh tiếp xúc nhau tƣơng đối ổn định dƣới các điều kiện lý - hóa sinh. Bùn hạt cũng có thể đƣợc xem nhƣ là trƣờng hợp đặc biệt của sự phát triển
màng sinh học biofilm (Liu và cộng sự, 2002; Yang và cộng sự, 2004).
2.2 TỔNG QUAN VỀ BÙN HẠT
2.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo bùn hạt hiếu khí
Nhiều nghiên cứu cho rằng q trình hình thành bùn hạt là quá trình tự cố
định các tế bào vi sinh dƣới các điều kiện lý - hóa - sinh tƣơng đối ổn định. Liu và

Tay (2002) đƣa ra mơ hình q trình hình thành bao gồm các bƣớc sau:
Bước 1: Các vi sinh vật tác động lẫn nhau hoặc bám dính lên bề mặt chất rắn
dƣới các điều kiện vật lý. Các yếu tố vật lý bao gồm: thủy động học, sự khuếch
tán, trọng lực, nhiệt động học và sự chuyển động tế bào.
Bước 2: Lực hấp dẫn ban đầu giúp ổn định sự tác động giữa các tế bào bám
dính lẫn nhau và ổn định trên bề mặt rắn. Những lực hấp dẫn bao gồm:
 Vật lý: Van der waals, lực tĩnh điện, nhiệt động học, tính kỵ nƣớc và cầu
nối giữa các tế bào
 Hóa học: liên kết hydro, liên kết đôi, liên kết ba, cầu nối giữa các hạt
 Sinh hóa: sự khử nƣớc trên bề mặt tế bào, liên kết màng tế bào
Bước 3: các tế bào tập hợp lại với nhau đạt trạng thái ổn định thông qua
polymer ngoại bào (EPS), sự phát triển cụm tế bào, sự trao đổi chất và ảnh hƣởng
môi trƣờng làm thuận lợi tác động qua lại giữa các tế bào và kết quả cấu trúc tế
bào dày hơn và dính chặt hơn.
Bước 4: dƣới tác động của lực cắt, cấu trúc ba chiều của bùn hạt ổn định. Bề
mặt và kích thƣớc của bùn hạt đƣợc quyết định nhờ ảnh hƣởng giữa tập hợp vi sinh
vật, lực cắt, chủng loại vi sinh và nồng độ cơ chất (Yu và cộng sự, 2002).
3


Theo nghiên cứu của Wang và cộng sự (2004); Beun và cộng sự (1999) thì
quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí nhƣ sau:
Bùn hoạt tính ban đầu ni cấy trong bể SBR có cấu trúc mềm, khó lắng.
Giai đoạn chạy thích nghi vận hành trong 25 ngày ở tải trọng 1,8 kg COD/m3.ngày.
Bùn khó lắng đƣợc loại bỏ ra khỏi hệ thống và chỉ giữ lại bùn có đặc tính dễ lắng.
Ở giai đoạn tạo hạt tải trọng đƣợc tăng lên 3,2 kg COD/m3.ngày, bùn hạt ban đầu
đƣợc hình thành dƣới dạng những viên bùn sợi và tốc độ phát triển chậm hơn bông
bùn. Ở giai đoạn này bông bùn vẫn chiếm ƣu thế. Khi tăng tải trọng lên 4,8 kg
COD/m3.ngày thì hạt bùn ban đầu xuất hiện rõ rệt và phát triển thành bùn hạt có
kích thƣớc ổn định 6-7mm. Quan sát dƣới kính hiển vi cho thấy các vi khuẩn dạng

sợi là giá thể cho các vi sinh dạng cầu và vi khuẩn hình que bám vào.
Theo nghiên cứu của Beun và cộng sự (1998) cho thấy sau giai đoạn thích
nghi nấm xuất hiện chủ yếu trong bơng bùn. Các nấm này dễ hình thành các viên
nhỏ, có khả năng lắng nhanh và đƣợc giữ lại trong hệ thống. Trong giai đoạn chạy
thích nghi, các viên sợi có chứa vi khuẩn dạng sợi chiếm ƣu thế. Dƣới tác động của
lực cắt các vi khuẩn dạng sợi tách ta khỏi bề mặt các viên này và viên này trở nên
dày đặc hơn. Các viên này phát triển nhanh thành các hạt có kích thƣớc 5-6mm.
Bên trong các hạt này bị giới hạn oxy khuếch tán vào nên các hạt này bị tách ra.
Các viên dạng sợi này đƣợc xem nhƣ là giá thể để các loại vi khuẩn cố định vào.
Khi các hạt đƣợc tách ra, các dòng vi khuẩn đủ lớn và có thể lắng tốt đƣợc duy trì
trong bể. Các dịng vi khuẩn này tiếp tục phát triển thành hạt bùn. Quá trình tạo hạt
bùn đƣợc thể hình ở Hình 2.1.

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí từ bùn hoạt tính

4


2.2.2 Đặc tính của bùn hạt hiếu khí
 Cấu trúc của bùn hạt
Sự hình thành bùn hạt do một số vi sinh vật tự cố định gắn kết với nhau. Cấu
trúc bùn hạt sẽ phụ thuộc vào thành phần các vi sinh vật này. Tùy thành phần cơ
chất ban đầu, OLR, NLR và điều kiện mơi trƣờng mà sẽ hình thành những loại vi
khuẩn khác nhau và hình thành bùn hạt với cấu trúc và đặc tính khác nhau.
Tùy thuộc vào sự phát triển của nhóm vi sinh vật, bề mặt của hạt bùn có thể
nhẵn hoặc nhám. Khi mơ hình có sự hiện diện q mức của sản phẩm
polysaccharides và lực cắt mạnh thì bùn hạt có một lớp vỏ bao bọc bên trên. Lớp
này sẽ làm giảm sự tách tế bào và hạn chế sự trao đổi chất của bùn hạt (Tay và cộng
sự, 2003).

Bùn hạt có chứa nhiều rãnh và lổ rỗng có thể xâm nhập ở độ sâu 900 µm từ
bề mặt bùn hạt. Độ xốp tồn tại ở độ sâu 300 – 500 µm tính từ bề mặt. Những rãnh
và lổ rỗng này sẽ thuận lợi cho việc vận chuyển oxy và chất dinh dƣỡng vào bên
trong bùn hạt và sản phẩm trao đổi chất ra bên ngoài. Vi khuẩn Nitrosomonas spp
cũng tồn tại trong bùn hạt ở độ sâu 70 – 100 µm tính từ bề mặt bùn hạt và vi khuẩn
kỵ khí Bacteroides spp tồn tại ở độ sâu 800 – 1000 µm.
 Thành phần vi sinh trong bùn hạt
Các vi khuẩn acid hóa, nitrate hóa, khử nitrate, vi khuẩn dị dƣỡng, vi khuẩn
tích lũy phosphose và vi khuẩn tích lũy glycogen cùng tồn tại trong bùn hạt (Jang
và cộng sự, 2003; Yang và cộng sự, 2003). Thành phần và chủng loại số vi sinh vật
thay đổi tùy thuộc vào từng loại cơ chất, tải trọng hữu cơ, tỷ lệ N/C trong nƣớc thải
và điều kiện môi trƣờng nuôi cấy.
Với cơ chất glucose sự hình thành bùn hạt chủ yếu là vi khuẩn filamentous,
trong khi đó cơ chất là acetate thì vi khuẩn hình que chiếm ƣu thế. Khi tỷ lệ N/C
tăng cao thì vi khuẩn dị dƣỡng giảm, vi khuẩn nitrate hóa và khử nitrate gia tăng
(Yang và cộng sự, 2003). Điều này cho thấy khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ và
nitơ trong bùn hạt.
 Đặc tính lắng của bùn
Đặc tính lắng của bùn là thơng số vận hành quyết định đến hiệu quả của tách
pha giữa rắn và lỏng, điều này thể hiện chức năng của hệ thống xử lý nƣớc thải.
Khả năng lắng của bùn hạt hiếu khí tốt hơn so với bơng bùn hoạt tính của q trình
bùn hoạt tính thơng thƣờng. Chỉ số thể tích bùn (SVI) của bùn hạt trƣởng thành là
51 – 85 mL/g cho nguồn cơ chất là Glucose và 50 – 80 cho nguồn cơ chất là
acetate. Giá trị chỉ số SVI thấp cho thấy khả năng kết hạt cao. So sánh với chỉ số
5


(SVI = 280 mL/g) của bùn gốc cho thấy khả năng lắng đã đƣợc cải thiện đáng kể
đối với bùn hạt, vận tốc lắng trung bình của bùn hạt với nguồn cơ chất là glucose
là 35m/h và 30 m/h đối với nguồn cơ chất là acetate. Nhƣ vậy vận tốc lắng của bùn

hạt hiếu khí có thể so đƣợc với vận tốc lắng của bùn hạt kỵ khí trong bể UASB, và
cao gấp ít nhất là 3 lần so với bơng bùn hoạt tính hiếu khí thơng thƣờng (<10m/h)
(Liu và cộng sự, 2008). Thực tế, vận tốc lắng của bùn hạt có thể lên đến 72m/h
(Etterer và cộng sự, 2001). Điều này đƣợc hiểu rằng vận tốc lắng sẽ bị ảnh hƣởng
bởi kích thƣớc và khả năng kết dính của bùn hạt hiếu khí.
 Độ bền vật lý và mật độ sinh khối
Độ bền vật lý của bùn hạt hiếu khí cụ thể nhƣ hệ số cịn ngun vẹn đƣợc
định nghĩa nhƣ lƣợng bùn hạt còn lại trên tổng khối lƣợng bùn hạt sau 5 phút
khuấy với vận tốc 200 rpm trên máy khuấy trộn, hệ số này đối với nguồn thức ăn
là glucose là 98%, đối với acetate là 97%(Ghangrekar và cộng sự, 1996). Điều này
cho thấy bùn hạt có hệ số nguyên vẹn cao hay nói cách khác là độ bền vật lý của
bùn hạt hiếu khí là rất lớn. Bùn hạt trƣởng thành có mật độ sinh khối khô là 41,1
g/L cho bùn hạt ở glucose và 32,3 g/L trong acetate (Beun và cộng sự, 1999). Với
mật độ sinh khối cao của bùn hạt hiếu khí phản ánh mật độ cấu trúc của vi sinh vật.
Khả năng lắng tốt hơn của bùn hạt phù hợp với mật độ sinh khối cao,cấu trúc vi
sinh đậm đặc(Liu và cộng sự, 2008).
 Tính kỵ nước của bề mặt tế bào
Bơng bùn giống có bề mặt kỵ nƣớc đo đƣợc là 39%. Sau khi hình thành bùn
hạt hiếu khí khả năng kỵ nƣớc của bề mặt tế bào tăng lên 68% ở Glucose và 73% ở
acetate. Tính kỵ nƣớc của bùn hạt hiếu khí cao gấp 2 lần so với bùn giống (Liu và
cộng sự, 2008).

 Hoạt tính của vi khuẩn
Bùn hạt với nguồn cơ chất là glucose có hoạt tính tốt ở tỷ lệ cung cấp oxy
69,4 mgO2/g MLSS.h và tỷ lệ này ở bùn hạt sử dụng cơ chất aceate là 55,9
mgO2/MLSS. Hoạt tính của bùn cịn phụ thuộc vào kích thƣớc và cấu trúc của hạt
bùn mà điều này lại bị ảnh hƣởng bởi lƣợng oxy và sự chuyển hóa chất nền. Lợi
ích đặc biệt của bùn hạt hiếu khí là tính chất vật lý, nồng độ vi sinh vật cao nhất
trong bể phản ứng kích thƣớc hệ thống đƣợc thu nhỏ (Liu và cộng sự, 2008).
2.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí

Thành phần cơ chất bùn hạt hiếu khí đƣợc nuôi cấy thành công bằng nhiều
loại cơ chất khác nhau bao gồm: glucose, acetate, ethanol, phenol, và nƣớc thải
tổng hợp. Tuy nhiên, cấu trúc và sự hiện diện một cách đa dạng của các chủng loại
vi sinh thì phụ thuộc vào loại nguồn carbon. Bùn hạt nuôi bằng glucose thì đặc
6


trƣng là vi khuẩn dạng sợi, cịn bùn hạt ni bằng acetate thì khơng tồn tại vi
khuẩn sợi thay vào đó là cấu trúc vi khuẩn đặc chắc, các chủng vi khuẩn dạng que
chiếm ƣu thế. Bùn hạt hiếu khí cũng đƣợc ni cấy với vi khuẩn nitrate hóa và
nguồn carbon vơ cơ. Những hạt bùn có chứa vi khuẩn nitrate cho thấy khả năng
nitrate hóa rất tốt.
2.2.3.1 Nguồn Carbon
Nguồn carbon để ni cấy bùn hạt hiếu khí thƣờng là acetate, glucose,
acetate và glucose hoặc nƣớc thải của các ngành công nghiệp (Arrojo và cộng sự,
2004). Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng sự hình thành bùn hạt khơng phụ thuộc vào
đặc điểm của nƣớc thải nhƣng cấu trúc và thành phần vi sinh vật trong bùn hạt liên
quan mật thiết với nguồn carbon sử dụng. Nguồn carbon là glucose bùn hạt có cấu
trúc đƣợc cấu tạo chủ yếu là vi khuẩn sợi, trong khi đó nguồn carbon là acetate thì
vi khuẩn hình que chiếm ƣu thế (Tay và cộng sự, 2001). Theo kết quả nghiên cứu
của Su và cộng sự (2006)trên cơ chất acetate, glucose, pepton và fecula cho thấy
hình dạng và đặc tính bùn hạt khác nhau trên các cơ chất này.
Những năm gần đây, bùn hạt cũng đƣợc ni cấy thành cơng trong phịng thí
nghiệm trên nƣớc thải ngành giết mổ gia súc, cộng nghiệp, sinh hoạt, bơ sữa, nƣớc
thải giàu chất hữu cơ (Cassidy và Belia, 2005; Arrojo và cộng sự, 2004;
Schwazenbeck và cộng sự, 2004,2005).
2.2.3.2 Tải trọng chất hữu cơ
Nhiều nghiên cứu cho rằng OLR đóng vai trị quan trọng việc ni cấy bùn
hạt. Theo Tay và cộng sự (2004) OLR nhỏ hơn 2 kg COD/m³.ngày khó tạo bùn
hạt. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, bùn hạt hiếu khí đƣợc hình thành ở OLR

từ 2,5-15 kgCOD/m³.ngày. Nếu OLR thấp thì quá trình hình thành bùn hạt chậm
và mất thời gian dài để đạt đến trạng thái ổn định. Khi gia tăng OLR từ
3,9kgCOD/m³.ngày, kích thƣớc của hạt bùn gia tăng từ 1,6-1,9 mm (Liu và cộng sự,
2003). Tải trọng chất hữu cơ không ảnh hƣởng đến hình thái của bùn hạt, mà ảnh
hƣởng đến mật độ sinh khối, trọng lƣợng riêng và SVI (Liu và cộng sự, 2003). Sự
gia tăng tải trọng chất hữu cơ có thể tăng sự phát triển sinh khối và điều này dẫn
đến cấu trúc của bùn hạt bị giảm. Vì vậy, cần phải duy trì một tải lƣợng vừa đủ để
cung cấp thức ăn cho vi sinh vật. Tuy nhiên khi tải trọng tăng cao cần phải tính đến
yếu tố ức chế sự phát triển của vi sinh vật, sự khuếch tán oxy, nhu cầu khuấy trộn,
độ bền của bùn.
Nghiên cứu của Tay và cộng sự (2003) ở các OLR 8,4 và 1 kg COD/m³.ngày
và kết quả cho ở Bảng 2.1. Với kết quả này, bùn hạt đƣợc tạo ở OLR 4 kg
COD/m³.ngày cho đặc tính cũng nhƣ khả năng xử lý tốt hơn các tải trọng còn lại.

7


Bảng 2.1. Đặc điểm của bùn hạt hiếu khí tại các OLR khác nhau, với vận tốc
khí nâng 0,041 m/s
STT
1
2
3
4
5
6
7

Bể phản ứng
OLR, kg COD/m³.ngày

SOUR, mg O2/mg VSS.h
Đƣờng kính hạt bùn, mm
Trọng lƣợng riêng, kg/l
SVI, ml/g
Hiệu quả xử lý COD%
VSS/SS

R1
8
148
8.8
1.024
65
79
0.91

R2
4
131
5.4
1.034
50
99
0.87

R3
1
82
4
1.011

138
95
0.88

Theo Bảng 2.1 tải trọng càng cao thì kích thƣớc hạt càng lớn, khả năng lắng
nhanh hơn. Kết quả này cũng nhƣ tƣơng tự kết quả nghiên cứu Yang và cộng sự
(2004), Chen và cộng sự (2008), khi gia tăng OLR thì hoạt động vi sinh vật giảm.
Theo kết quả nghiên cứu của (Su và cộng sự, 2005), oxygen có thể thấm sâu vào bùn
hạt có kích thƣớc 0.5-0.75 mm, trong khi hạt có kích thƣớc lớn hơn 1.0 mm oxy
xâm nhập vào bên trong bị giới hạn.
Bùn hạt đƣợc hình thành ở các tải trọng khác nhau có hình thái, tính chất và
các loài vi sinh khác nhau. Ở tải trọng cao nhất thì sự đa dạng các lồi vi sinh vật
thấp nhất, ngƣợc lại ở tải trọng thấp nhất thì sự phong phú các loài vi sinh vật cao
nhất (Yang và cộng sự, 2008). Khi tải trọng chất hữu cơ cao dẫn đến sự hình thành
bùn hạt nhanh, có kích thƣớc lớn hơn, cấu trúc yếu hơn và tính ổn định thấp, trong
khi đó ở tải trọng thấp sự hình thành bùn hạt chậm hơn và kích thƣớc nhỏ và cấu
trúc rắn chắc hơn, ổn định trong thời gian dài (Yet và cộng sự, 2012).
Nhƣ vậy, OLR có thể là yếu tố chính giúp hình thành bùn hạt nhanh, làm
kích thƣớc bùn hạt tăng nhanh và gia tăng nồng độ sinh khối trong phản ứng.
Nhƣng khi OLR cao quá làm ảnh hƣởng đến cấu trúc, độ rắn chắc và mất tính ổn
định của bùn hạt.
2.2.3.3 Lực cắt
Q trình tạo bùn hạt hiếu khí thực chất là q trình tự kết dính của các vi
khuẩn lại với nhau thành một cấu trúc bền vững. Lực cắt ảnh hƣởng đáng kể đến
quá trình hình thành, cấu trúc và tính bền vững của bùn hạt (Liu và cộng sự, 2001).
Lực cắt đƣợc tạo ra bởi vận tốc khí nâng trong bể phản ứng. Nhiều kết quả nghiên
cứu cho thấy quá trình hình thành bùn hạt diễn ra tốt khi vận tốc khí nâng cao dẫn
đến lực cắt cao, ngƣợc lại khi lực cắt thấp q trình hình thành bùn hạt sẽ khơng
diễn ra (Alphenaar và cộng sự, 1993; Oflaherty và cộng sự, 1997; Alves và cộng
sự, 2000). Tuy nhiên, khi vận tốc quá cao sẽ làm vỡ cấu trúc hạt bùn, nên cần phải

8


chọn vận tốc tối ƣu để lực cắt đủ lớn để tạo điều kiện quá trình tạo thành bùn hạt là
tốt nhất.
Lực cắt là yếu tố quan trọng nhất quyết định hình dạng đồng đều và săn chắc
của bùn hạt. Lực cắt ảnh hƣởng quan trọng đến sự trao đổi chất và sản sinh
polysaccharide. Lực cắt cũng ảnh hƣởng đến tính kỵ nƣớc của bề mặt tế bào vi
khuẩn. Tính kỵ nƣớc của bề mặt tế bào lại có vai trò quan trọng trong việc ổn định
và gia tăng sự tƣơng tác giữ các tế bào vi khuẩn làm hạt bùn trở nên nhẵn hơn. Lực
cắt càng cao thì vi khuẩn có khuynh hƣớng tiết ra nhiều polymer ngoại bào nhằm
kết dính các vi khuẩn lại với nhau.
Theo kết quả nghiên cứu của Chen và cộng sự (2008) cho thấy bùn hạt đƣợc
ni cấy ở vận tốc khí nâng 1.6 cm/s thì sau 40 ngày ni cấy thì vi khuẩn
filamentous chiếm ƣu thế trong bùn hạt và bùn hạt bị thải ra bể ni cấy, nhƣng tại
vận tốc khí nâng 2.4 cm/s và 3.2 cm/s có thể duy trì bùn hạt ổn định với đặc tính
bùn tốt và hoạt động đƣợc trong thời gian dài.
Để tạo đƣợc bùn hạt, vận tốc thổi khí trong bể phản ứng phải lớn hơn 1.2
cm/s (Jang và cộng sự, 2003). Dựa vào kết quả nghiên cứu, Tay và cộng sự đã kết
luận rằng ở vận tốc thổi khí bề mặt thấp (0.8 cm/s) thì hạt khơng thể hình thành
trong bể phản ứng mà chỉ quan sát đƣợc bông bùn. Ngƣợc lại, ở tốc độ thổi khí cao
(2.5 cm/s) thì hình thành và phát triển bùn hạt.
Khi lực cắt tăng, tỷ trọng của bùn sẽ tăng lên, chỉ số SVI sẽ giảm nghĩa là tốc
độ lắng sẽ đƣợc cải thiện.
2.2.3.4 Thời gian lắng – vận tốc lắng
Thời gian lắng là yếu tố tác động quan trọng đến q trình hình thành, kích
thƣớc và cấu trúc của bùn hạt hiếu khí khí (Beun và cộng sự, 2002; McSwain và
cộng sự, 2004). Lựa chọn thời gian lắng thích hợp có thể giữ lại trong bể phản ứng
những hạt bùn đặc chắc dựa trên tốc độ lắng khác nhau của bùn hạt và bông bùn.

Thời gian lắng quyết định đến tỷ lệ bùn hạt và bùn bông trong bể phản ứng.
Nếu thời gian lắng lâu thì trong bể phản ứng chỉ có bùn bơng phát triển (Hình 2.5),
nếu thời gian lắng quá ngắn sẽ làm rửa trôi các hạt bùn cũng có khả năng lắng tốt
(Qin và cộng sự, 2004). Vì thế, thời gian lắng phải đƣợc xem xét cẩn thận trong q
trình ni cấy bùn hạt.

9


Tỷ lệ phần trăm (
%)

120
100
80
60
40
20
0
3

6

9

12

15

18

21

Thời gian lắng ( phút)

Hình 2.1. Tỷ lệ phần trăm của bùn hạt và bùn bông trong bể SBR khi vận hành ở
những thời gian lắng khác nhau
Vận tốc lắng là một yếu tố đƣợc sử dụng để lựa chọn những bông bùn, hạt
bùn lắng nhanh và thải ra những bông bùn, thành phần lơ lửng khó lắng trong mơ
hình phản ứng. Bùn hạt có tốc độ lắng cao, ngƣợc lại bùn bơng có tốc độ lắng rất
thấp. Việc lựa chọn vận tốc lắng của bùn hạt liên quan đến thời gian lắng. Mối
quan hệ này đƣợc thể hiện qua biểu thức:
(

( )
( )

)

Thời gian lắng phải đƣợc lựa chọn sao cho tốc độ lắng lớn hơn 10 m/h (Beun
và cộng sự, 2002). Thời gian lắng q lâu sẽ khơng hình thành bùn hạt trong bể
phản ứng (Qin và cộng sự, 2004). Điều này có nghĩa là bùn hạt có thể hình thành và
chiếm ƣu thế trong bể có vận tốc lắng cao và thời gian lắng ngắn.
Bùn hạt có tính chất lắng tốt là rất cần thiết và hiệu quả cho cơng trình xử lý
nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học, đặc biệt là tách đƣợc pha rắn và lỏng sau xử
lý, giảm đƣợc công trình lắng phía sau. Lựa chọn thời gian lắng, vận tốc lắng tối
ƣu cũng là điều kiện rất quan trọng cho quá trình tạo hạt.
2.2.3.5 Thời gian rút nước
Tƣơng tự nhƣ thời gian lắng, thời gian xả là một trong những yếu tố quyết
định đến quá trình hình thành bùn hạt. Thời gian xả kéo dài sẽ trì hỗn hoặc ngăn

chặn sự hình thành bùn hạt trong bể phản ứng thậm chí có điều khiển thời gian
lắng hay tỷ lệ trao đổi thể tích. Một số nghiên cứu trƣớc đã chỉ ra rằng ở thời gian
xả ngắn hơn, hạt bùn sẽ tròn, nhẵn hơn; ở thời gian xả lâu, bùn hạt không tạo thành
hoặc chỉ mới trông thấy nhƣ dạng hạt (Wang và cộng sự, 2004). Kích thƣớc của hạt
tạo thành cũng tỷ lệ nghịch với thời gian xả.

10


Kích thƣớc hạt (mm)

2.5
2
1.5
1
0.5
0
5

10

15

Thời gian xả ( phút)

20

Hình 2.2. Kích thƣớc của bùn hạt hình thành ở những thời gian xả khác nhau
2.2.3.6 Tỷ lệ rút nước ra khỏi hệ thống
Tỷ lệ rút nƣớc ra khỏi hệ thống đƣợc định nghĩa là thể tích nƣớc đƣợc thải

ra khỏi hệ thống sau q trình lắng trên tổng thể tích làm việc của bể đƣợc hiểu
nhƣ Hình 2.4.

Hình 2.3. Sơ đồ lý giải tỷ lệ rút nƣớc trong hệ thống SBR
Chỉ số trao đổi thể tích VER (Volume Exchange Ratio) là tỷ lệ khoảng cách
giữa các van vào và ra của bể phản ứng. Nó đóng một vai trị thiết yếu trong quá
trình hình thành bùn hạt. Wang và cộng sự (2006) đã nghiên cứu và đánh giá ở chỉ
số trao đổi thể tích cao sẽ tạo điều kiện hình thành bùn hạt nhanh trong bể SBR.
Bốn mơ hình đƣợc nghiên cứu ở các tỷ lệ trao đổi thể tích là 20%, 40%, 60% và
80%, kết quả cho thấy ở tỷ lệ trao đổi thể tích là 20%, bùn hạt khơng đƣợc hình
thành và ở tỷ lệ trao đổi thể tích là 80%, bùn hạt hình thành và phát triển tốt nhất.

11


Frantion of aerobic granules (%)

100
80
60
40
20
0
80

60
40
Tỷ lệ rút nƣớc (%)

20

Hình 2.4. Tỷ lệ bùn hạt/tổng sinh khối tại các tỷ lệ rút nƣớc khác nhau
Nhƣ vậy, tỷ lệ trao đổi thể tích cao cũng sẽ tạo thành hạt bùn đạt kích thƣớc
lớn hơn và SVI thấp, tức là tính lắng tốt hơn.
Tỷ lệ rút nƣớc cũng liên quan đến vận tốc lắng, thời gian lắng của hạt bùn.
Mối quan hệ này đƣợc thể hiện trong biểu thức sau
(Vs)min = L/t
Trong đó:
L : khoảng cách từ mực nƣớc đền vị trí rút nƣớc
T: thời gian lắng
(Vs)min : vận tốc lắng tối thiểu của hạt bùn
Theo công thức này, những hạt bùn hay bơng bùn có vận tốc lắng thấp hơn
(Vs)min sẽ bị thải ra khỏi hệ thống, chỉ những hạt lớn hơn sẽ đƣợc giữ lại trong hệ
thống.
2.2.3.7 Chu kỳ hoạt động
Bể SBR hoạt động theo chu kỳ. Thời gian của một chu kỳ bể SBR có liên
quan hoạt động của vi sinh để oxy hoá các cơ chất trong trong hệ thống. Chu kỳ
hoạt động bể SBR cũng có liên quan đến thời gian lƣu nƣớc (HRT) của bể. Thời
gian lƣu nƣớc của bể SBR xác định bởi cơng thức
í

à

í
í

12

ƣ

ú