Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất cồn bằng công nghệ expanded granular sludge bed (EGSB)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ NHƯ NGỌC

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN BẰNG
CÔNG NGHỆ EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED (EGSB)
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG
Mã số: 60.85.06

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ NHƯ NGỌC

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN BẰNG
CÔNG NGHỆ EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED (EGSB)
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG
Mã số: 60.85.06

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lê Thị Kim Phụng
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Đặng Vũ Bích Hạnh
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường 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. GS.TS. Lâm Minh Triết (Chủ tịch)
2. TS. Trần Tiến Khôi (Thư ký)
3. PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong (Ủy viên)
4. TS. Lê Thị Kim Phụng (Phản biện 1)
5. TS. Đặng Vũ Bích Hạnh (Phản biện 2)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 09 tháng 09 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Nguyễn Thị Như Ngọc

Ngày, tháng, năm sinh: 01/10/1988
Chuyên ngành:

Phái: Nữ
Nơi sinh: Quảng Ngãi

Công nghệ Môi trường

MSHV: 11250521

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN BẰNG CÔNG NGHỆ
EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED (EGSB).
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Đánh giá khả năng xử lý nước thải sản xuất cồn từ mật rỉ đường bằng cơng
nghệ EGSB với bùn hạt kỵ khí khi có và khơng có giá thể mang PVA.
Đánh giá vai trò của giá thể mang PVA trong việc tăng cường sự hình thành
bùn hạt.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. NGUYỄN TẤN PHONG
Tp. HCM, ngày … tháng … năm …
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn Thạc sỹ này, lời đầu tiên tôi xin được gửi lời biết ơn
chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong đã hỗ trợ kinh phí thực
hiện đề tài và ln quan tâm, tận tình hướng dẫn tơi về chun mơn trong suốt q
trình thực hiện đề tài.
Tơi cũng xin cảm ơn tất cả các Thầy Cô giáo trong Khoa Mơi trường, trường Đại
học Bách khoa đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức trong thời gian tôi theo học tại trường.
Xin cảm ơn các Anh, Chị trong Phịng Thí Nghiệm Khoa Môi trường đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi và hướng dẫn nhiệt tình khi tơi làm việc tại đây.
Xin chân thành cảm ơn Chú Trịnh Thành Quy, Giám Đốc Công ty TNHH SXTM-DV Tường Trung đã tạo điều kiện cho tơi lấy mẫu nước thải hồn thành đề tài.
Xin gởi lời cảm ơn đặc biệt nhất đến các anh, chị, các bạn cùng làm việc trong
phịng thí nghiệm và các em sinh viên khoa Môi trường, trường Đại học Bách khoa đã
luôn đồng hành, giúp đỡ, chia sẻ và an ủi tơi những lúc khó khăn nhất.
Lời cuối cùng tơi xin gởi những tình cảm sâu sắc nhất đến ba mẹ và gia đình tơi,
nguồn động viên tinh thần lớn nhất của tôi. Xin cảm ơn ba mẹ đã nuôi dạy tôi trưởng
thành, luôn yêu thương và ủng hộ tơi trong suốt thời gian qua.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013
Nguyễn Thị Như Ngọc

i


TÓM TẮT
Hai bể phản ứng Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) quy mơ phịng thí
nghiệm, một bể phản ứng sử dụng Polyvinyl Alcohol (PVA) để làm hạt nhân tăng
cường sự bắt giữ vi khuẩn, bể phản ứng cịn lại khơng có giá thể, được sử dụng để xử
lý nước thải sản xuất cồn từ mật rỉ đường. Dịng tuần hồn duy trì vận tốc dịng nước
trong bể là 2,95 m/giờ. Bùn kỵ khí được cấy vào chiếm khoảng 30% tổng thể tích mơ

hình với nồng độ 9,6 gVSS/L. Giá thể PVA có cấu trúc lỗ rỗng, khối lượng phân tử
1,04 g/cm3, đường kính 2-3 mm, chiếm khoảng 20% thể tích mơ hình. Khảo sát mơ
hình ở tải trọng từ 5-20,1 kgCOD/m3.ngày bằng cách thay đổi nồng độ COD đầu vào
từ 5000-20100 mg/L ở thời gian lưu nước 24 giờ. Nghiên cứu được thực hiện ở điều
kiện nhiệt độ Việt Nam. Trong suốt q trình vận hành mơ hình, kết quả cho thấy việc
sử dụng PVA cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ tốt và rút ngắn thời gian khởi động mơ
hình. Bể phản ứng EGSB với giá thể mang PVA có hiệu quả loại bỏ BOD5 cao, ln
đạt trên 90% trong khi bể EGSB khơng có giá thể chỉ đạt hiệu quả loại bỏ BOD5 trung
bình là 79,5% trong quá trình khởi động. Hiệu quả loại bỏ COD của hai bể EGSB
tương tự nhau do nước thải sản xuất cồn khó phân hủy sinh học, đạt giá trị cao nhất
khoảng 70% ở tải trọng 13,0-17,0 kgCOD/m3.ngày. Tốc độ loại bỏ COD và tải trọng
COD của hai bể EGSB có quan hệ tuyến tính với hệ số 0,98. Khí sinh ra từ bể phản
ứng EGSB với giá thể PVA luôn cao hơn so với bể EGSB khơng có giá thể, tuy nhiên
sự khác biệt không đáng kể. Hệ thống hoạt động ổn định về độ kiềm và độ acid.

ii


ABSTRACT
Two bench-scale Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) reactors, one using
Polyvinyl Alcohol (PVA) as a growth nucleus to enhance the retention of bacteria, the
other not using PVA, were applied to the treatment of wastewater from molasses-based
alcohol distilleries.. A liquid upflow velocity of 2.95 m/h was maintained by applying
effluent recirculation. The seed sludge volume was about 30% of the total reactor and
about 9.6 g VSS/L of the reactor. PVA carrier, characterized by porous beehive
structure, molecular weight 1.04g/cm3 and bead diameter 2-3 mm, is about 20% of the
total volume. Experimental studies were conducted at wide-range of organic loading
rate increased from 5 – 20.1 kgCOD.m3.day by varying influent wastewater COD
concentration from 5000 – 20100 mg/L at a constant hydraulic retention times 24 h.
The study was operated at Vietnam ambient temperature. Over the study period, the

results of this study showed that by using PVA-gel breads good treatment performance
could be achieved and shorten startup time. The reactor with PVA had good
performance in BOD5 removal, over 90% all the time; while the other had only 79.5%
on the average in the startup stage. The COD removal efficiency of two EGSB reactors
were the same because of non-biodegradation contents in distillery wastewater,
reaching the highest of 70% from OLR 13.0 to 17.0 kgCOD/m3.day. There was a linear
relationship between the COD removal rate and the COD loading rate of two EGSB
with the regression coefficient of 0.98. The biogas produced from the EGSB reactor
with PVA is always higher than that from the EGSB reactor without PVA, but it isn’t
significant difference. The systems exhibited the good stability in terms of alkalinity
and acidity.

iii


Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----oOo----

LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Như Ngọc

MSHV: 11250521

Sinh ngày: 01/10/1988
Nơi sinh: Quảng Ngãi
Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường

MS: 60 85 06

Tên đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất cồn bằng công nghệ Expanded
Granular Sludge Bed (EGSB)”
Ngày bắt đầu: 07/2012 Ngày hoàn thành: 06/2013
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và số liệu trong luận
văn chưa được ai cơng bơ dưới bất kỳ hình thức nào. Tơi hồn thành chịu trách nhiệm
trước Nhà trường về sự cam đoan này.
TP. HCM, ngày 09 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Thị Như Ngọc

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Mơ hình bể UASB ......................................................................................... 15
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bể EGSB ................................................................................. 16
Hình 2.3. Cấu trúc PVA ................................................................................................ 28
Hình 2.4. PVA dạng hạt ................................................................................................ 28
Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo mơ hình thí nghiệm EGSB..................................................... 32
Hình 3.2. Mơ hình EGSB thực tế .................................................................................. 32
Hình 3.3. Cấu trúc lỗ rỗng của hạt PVA ....................................................................... 33
Hình 3.4. Hạt PVA trước khi sử dụng ........................................................................... 33
Hình 3.5. Bùn hạt kỵ khí cấy vào mơ hình .................................................................... 34
Hình 4.1. Hiệu quả loại bỏ COD của mơ hình EGSB1 trong quá trình vận hành......... 41
Hình 4.2. Tốc độ loại bỏ COD ở các tải trọng .............................................................. 42
Hình 4.3. Hiệu quả loại bỏ BOD5 của mơ hình EGSB1 trong quá trình vận hành ....... 45
Hình 4.4. Hiệu quả loại bỏ độ màu của mơ hình EGSB1.............................................. 46
Hình 4.5. Sự thay đổi pH của EGSB1 trong suốt thời gian vận hành mơ hình ............. 48
Hình 4.6. Sự thay đổi độ kiềm của EGSB1 trong suốt thời gian vận hành mô hình..... 49

Hình 4.7. Mối quan hệ giữa tốc độ sinh khí với a) Tải trọng và b) Tốc độ loại bỏ COD
của mơ hình EGSB1 ....................................................................................................... 51
Hình 4.8. Hiệu quả loại bỏ COD của mơ hình EGSB2 và so sánh với EGSB1 ........... 52
Hình 4.9. Tốc độ loại bỏ COD theo tải trọng của mơ hình EGSB2 .............................. 53
Hình 4.10. Hiệu quả loại bỏ BOD5 của mơ hình EGSB2 và so sánh với EGSB1 ....... 55
Hình 4.11. Hiệu quả loại bỏ độ màu của mơ hình EGSB2 và so sánh với EGSB1 ...... 56
Hình 4.12. Sự thay đổi pH của EGSB2 và so sánh với EGSB1 trong thời gian vận hành
........................................................................................................................................ 57
Hình 4.13. Sự thay đổi độ kiềm của EGSB2 so với EGSB1 trong thời gian vận hành 58

v


Hình 4.14. Mối quan hện giữa tốc độ sinh khí với a) Tải trọng và b) Tốc độ loại bỏ
COD của mơ hình EGSB2 ............................................................................................. 60
Hình 4.17. Sự biến đổi màu sắc của PVA trong thời gian thí nghiệm .......................... 61
Hình 4.18. Hạt PVA ở cuối nghiên cứu ........................................................................ 61
Hình 4.15. Hạt PVA khi chưa sử dụng .......................................................................... 61
Hình 4.16. Hạt PVA sau khi vận hành ở tải 5 kgCOD/m3.ngày ................................... 61

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Đặc tính của nước thải sản xuất cồn phát sinh từ các nguyên liệu khác nhau 8
Bảng 2.2. Xử lý kỵ khí nước thải sản xuất cồn từ mật rỉ đường ở điều kiện mesophilic
........................................................................................................................................ 12
Bảng 2.3. Các công nghệ áp dụng của các nhà máy sản xuất cồn tại Việt Nam........... 14
Bảng 2.4. Các lý thuyết và mơ hình hình thành bùn hạt giả thuyết............................... 25
Bảng 3.1. Thơng số thiết kế mơ hình ............................................................................. 33

Bảng 3.2. Các chỉ tiêu và tần suất phân tích mẫu .......................................................... 35
Bảng 4.1. Thành phần nước thải sản xuất cồn từ mật rỉ đường sử dụng trong nghiên
cứu .................................................................................................................................. 39
Bảng 4.2. Các thơng số vận hành trong q trình thí nghiệm ....................................... 40
Bảng 4.3. So sánh xử lý kỵ khí nước thải cồn từ mật rỉ đường ở điều kiện mesophilic43
Bảng 4.4. Hiệu quả loại bỏ BOD5 của mô hình EGSB1 theo tải trọng ......................... 44
Bảng 4.5. Nồng độ VFA ở đầu và cuối mỗi tải trọng trong quá trình vận hành mơ hình
EGSB1 ............................................................................................................................ 49
Bảng 4.6. Hiệu quả loại bỏ BOD5 của mơ hình EGSB2 theo tải trọng ......................... 54
Bảng 4.7. Nồng độ VFA ở đầu và cuối mỗi tải trọng trong q trình vận hành mơ hình
EGSB1 ............................................................................................................................ 58
Bảng 4.8. Kết quả thí nghiệm xác định vật tốc lắng của hạt PVA ................................ 62

vii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AFB

Anaerobic Fluidized Bed Reactor (Bể phản ứng tầng sơi kỵ khí)

AFFR

Anaerobic Fixed Film Reactor (Bể phản ứng màng cố định)

BOD

Biochemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh hóa)

COD

Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

CSL

Corn Steep Liquor (Nước ngâm ngũ cốc)

EGSB

Expanded Granular Sludge Bed (Bể phản ứng tầng bùn giãn nở)

GAC

Granular Activated Carbon (Carbon hoạt tính dạng hạt)

HRT

Hydraulic Retention Time (Thời gian lưu nước)

OLR

Organic Loading Rate (Tải trọng hữu cơ)

PAC

Powder Activated Carbon (Carbon hoạt tính dạng bột)

PVA

Polyvinyl Alcohol

UASB

Upflow Anaerobic Sludge Bed

VFA

Volatile Fatty Acid (Acid béo dễ bay hơi)

viii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................i
TÓM TẮT .......................................................................................................................ii
ABSTRACT .................................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................... viii
MỤC LỤC ......................................................................................................................ix
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ........................................................................................... 1
1.1.

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

1.2.

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

1.3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................ 2

1.4.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 3

1.5.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................... 3

1.6.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .......................... 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.......................................................................................... 5
2.1.

TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT CỒN ............. 5

2.1.1.

Công nghệ sản xuất cồn............................................................................ 5

2.1.2.

Đặc tính nước thải cồn.............................................................................. 7

2.1.3.

Cơng nghệ xử lý nước thải sản xuất cồn [25] .......................................... 8

2.1.3.1. Một số nghiên cứu xử lý kỵ khí nước thải cồn trên thế giới ................ 9

ix


2.1.3.2. Những công nghệ xử lý nước thải sản xuất cồn đang được ứng dụng ở
Việt Nam ............................................................................................................ 13
2.2.

TỔNG

QUAN

VỀ

EXPANDED

GRANULAR

SLUDGE

BED

REACTOR (EGSB) VÀ BÙN HẠT KỴ KHÍ ............................................................... 14
2.2.1.

Giới thiệu về bể phản ứng Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) ..... 14

2.2.2.

Giới thiệu về Expanded Granular Sludge Bed reactor (EGSB) ............. 16

2.2.2.1. Quá trình phân hủy kỵ khí .................................................................. 17
2.2.2.2. Các yếu tố vận hành hiệu quả ............................................................. 19
2.2.2.3. Sự ứng dụng và phát triển của EGSB ................................................. 21
2.2.3.

Lý thuyết bùn hạt kỵ khí......................................................................... 22

2.2.3.1. Q trình hình thành hạt bùn .............................................................. 23
2.2.3.2. Sự ứng dụng bùn hạt vào bể EGSB .................................................... 25
2.2.3.3. Kỹ thuật cố định vi sinh sử dụng vật liệu mang ................................. 26
2.3.

CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN ĐỀ TÀI .............................................. 30

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 32
3.1.

VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ....................................................................... 32

3.1.1.

Mơ hình thí nghiệm ................................................................................ 32

3.1.2.

Giá thể .................................................................................................... 33

3.1.3.

Nước thải ................................................................................................ 34

3.1.4.

Bùn nuôi cấy ........................................................................................... 34

3.2.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 34

3.2.1.

Quy trình vận hành thí nghiệm ............................................................... 34

3.2.2.

Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu ................................................ 35

3.2.3.

Phương pháp xác định sinh khối ............................................................ 36

3.2.3.1. Xác định hàm lượng MLSS ................................................................ 36
3.2.3.2. Xác định hàm lượng MLVSS ............................................................. 36
3.2.3.3. Xác định lượng sinh khối bám trên giá thể ......................................... 37

3.2.4.

Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu .................................................. 37

3.2.4.1. Xác định tải trọng ............................................................................... 37
3.2.4.2. Xác định tốc độ loại bỏ COD ............................................................. 37

x


3.2.4.3. Xác định tốc độ sinh khí biogas .......................................................... 38
3.2.4.4. Xác định hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ ............................................... 38
3.2.4.5. Xử lý số liệu ........................................................................................ 38
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 39
4.1.

CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH .............................................................................. 39

4.2.

KẾT QUẢ KHẢO SÁT MƠ HÌNH EGSB VỚI BÙN HẠT (EGSB1) .... 40

4.2.1.

Hiệu quả loại bỏ COD ............................................................................ 40

4.2.2.

Hiệu quả loại bỏ BOD5 ........................................................................... 43

4.2.3.

Hiệu quả loại bỏ độ màu......................................................................... 46

4.2.4.

Đánh giá sự ổn định của mơ hình ........................................................... 47

4.2.4.1. Sự thay đổi pH trong thời gian vận hành ............................................ 47
4.2.4.2. Sự thay đổi độ kiềm trong thời gian vận hành.................................... 48
4.2.4.3. Sự thay đổi nồng độ VFA ................................................................... 49
4.2.5.
4.3.

Sản lượng khí biogas sinh ra .................................................................. 50
KẾT QUẢ KHẢO SÁT MƠ HÌNH EGSB KẾT HỢP GIÁ THỂ MANG

PVA (EGSB2) ................................................................................................................ 51
4.3.1.

Hiệu quả loại bỏ COD ............................................................................ 51

4.3.2.

Hiệu quả loại bỏ BOD5 ........................................................................... 54

4.3.3.

Hiệu quả loại bỏ độ màu......................................................................... 56

4.3.4.

Đánh giá sự ổn định của mơ hình ........................................................... 56

4.3.4.1. Sự thay đổi pH trong thời gian vận hành ............................................ 56
4.3.4.2. Sự thay đổi độ kiềm trong thời gian vận hành .................................... 57
4.3.4.3. Sự thay đổi nồng độ VFA ................................................................... 58
4.3.5.

Sản lượng khí biogas sinh ra .................................................................. 59

4.3.6.

Đánh giá sinh khối .................................................................................. 60

4.4.

TỔNG KẾT, ĐÁNH GIÁ CHUNG........................................................... 63

4.4.1.

Hiệu quả loại bỏ COD ............................................................................ 63

4.4.2.

Hiệu quả loại bỏ BOD5 ........................................................................... 64

4.4.3.

Hiệu quả loại bỏ độ màu......................................................................... 64

4.4.4.

Sản lượng khí sinh ra .............................................................................. 64
xi


4.4.5.

Vai trò của giá thể mang PVA và sinh khối sinh ra ............................... 65

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................. 66
5.1.

KẾT LUẬN................................................................................................ 66

5.2.

KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 68
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ..................................................... 79
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 80
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ......................................................................................... 86

xii


Chương 1: Giới thiệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngành sản xuất cồn là một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm nhất cả
về lượng nước thải phát sinh cũng như tải trọng ơ nhiễm [1]. Ước tính khoảng 6 – 15 L
nước thải (spent wash) phát sinh trên mỗi lít cồn sản xuất ra, phụ thuộc vào từng q
trình sản xuất [2-4], do đó gây ra những vấn đề mơi trường nghiêm trọng. Với đặc
trưng nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao (COD khoảng 80000 – 100000 mg/L,
BOD khoảng 40000 – 50000 mg/L), pH thấp, nước thải có màu nâu đen [5], nhiệt độ
cao khoảng 80-85oC, nước thải từ sản xuất cồn được xem là loại nước thải rất khó xử
lý. Ngồi ra, nước thải còn chứa các chất dinh dưỡng ở dạng Nitơ (1660–4200 mg/L),
Phospho (225–3038 mg/L) và Kali (9600– 17475 mg/L) [6] có thể gây ra hiện tượng
phú dưỡng ở các nguồn nước nếu thải trực tiếp ra mơi trường.
Xử lý kỵ khí được xem là lựa chọn kinh tế và hiệu quả nhất để giảm nồng độ các
chất hữu cơ trong nước thải sản xuất cồn trước khi vào các công đoạn xử lý tiếp theo.
Quá trình Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) là quá trình cải tiến của Upflow
Anaerobic Sludge Blanket (UASB), được giáo sư Letttinga và cộng sự phát triển vào
năm 1983 tại Hà Lan. Sự ra đời của EGSB mang lại những ưu thế rất lớn so với quá
trình xử lý nước thải bằng UASB như giảm tối thiểu vùng chết, tăng cường sự tiếp xúc
giữa nước thải và bùn, do đó tăng cường hiệu quả xử lý và tính ổn định. Các nghiên
cứu và ứng dụng thực tế trên thế giới cho thấy EGSB có thể xử lý hiệu quả nhiều loại
nước thải với tải trọng rất cao và rút ngắn thời gian lưu nước. Mặt khác, trong quá trình
kỵ khí tăng trưởng lơ lửng thì sự hình thành bùn hạt là yếu tố quyết định để vận hành
thành cơng. Tuy nhiên, cơ chế hình thành bùn hạt vẫn chưa được hiểu thấu đáo. Sự
phát triển của bùn hạt chịu ảnh hưởng rất lớn bởi tính chất nước thải cũng như các điều
kiện vận hành và trong thực tế rất khó tạo ra và duy trì bùn hạt trong các bể phản ứng.
Dựa vào lý thuyết của Hulshoff Pol và cộng sự (2004) [7], quá trình hình thành bùn hạt
1
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc

Chương 1: Giới thiệu

có thể chia thành hai bước: sự hình thành hạt nhân và sự hình thành lớp màng sinh học
của vi khuẩn trên hạt nhân dó. Để hình thành những hạt nhân ban đầu, rất nhiều hợp
chất hay các hạt giá thể sinh học đã được nghiên cứu. Các vật liệu tự nhiên như agar,
agarose, k-carrageenan, collagen, alginates và chitosan) và vật liệu polymer nhân tạo
(polyacrylamide, polyurethane, polyethylene glycol và polyvinyl alcohol) cho thấy có
tác dụng tăng cường sự tạo thành bùn hạt [8, 9]. Tuy nhiên những vật liệu này không
đáp ứng đầy đủ tất cả các yêu cầu mong muốn về diện tích bề mặt, trọng lượng riêng,
dạng hình cầu và chi phí. Trong các loại vật liệu nhân tạo, polyvinyl alcohol (PVA) đã
được sử dụng như vật liệu mang trong nhiều nghiên cứu và cho hiệu quả xử lý cao [10,
11]. PVA có cấu trúc dạng lỗ rỗng thích hợp cho việc bắt giữ vi sinh vật và có trọng
lượng riêng hơi nặng hơn nước làm tăng khả năng lắng của hạt bùn, ngăn cản sự rửa
trơi bùn. Nghiên cứu này sử dụng mơ hình EGSB kết hợp với giá thể mang PVA để
tăng cường quá trình tạo thành bùn hạt, nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của mơ hình đối
với nước thải từ sản xuất cồn.
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Xác định khả năng xử lý nước thải sản xuất cồn từ mật rỉ đường bằng công nghệ
EGSB kết hợp với giá thể mang PVA đóng vai trị hạt nhân cho sự hình thành bùn hạt.
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
 Nước thải sản xuất cồn từ mật rỉ đường, lấy ở Công ty TNHH SX-TM-DV Tường
Trung, KCN Tân Phú Trung, huyện Củ Chi.
 Bùn hạt kỵ khí hình thành trên giá thể polyvinyl alcohol (PVA) trong bể EGSB.
Phạm vi nghiên cứu
Do nước thải sản xuất cồn có nồng độ chất hữu cơ quá cao và đây là bước đầu
nghiên cứu trên mơ hình EGSB quy mơ phịng thí nghiệm, nên nghiên cứu được thực
hiện với nước thải pha loãng để xác định khả năng chịu tải và đánh giá hiệu quả xử lý
của mơ hình đối với nước thải sản xuất cồn.

2
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc


Chương 1: Giới thiệu

1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Kế thừa hai mơ hình thí nghiệm EGSB để thực hiện nghiên cứu: một mơ hình
EGSB với bùn hạt kỵ khí, một mơ hình EGSB với bùn hạt kỵ khí và giá thể PVA.
 Kiểm sốt các yếu tố thích hợp và tăng dần tải trọng hữu cơ.
 Đánh giá, so sánh khả năng xử lý của bùn hạt kỵ khí trong bể EGSB khi có và
khơng có giá thể PVA đối với nước thải sản xuất cồn.
 Đánh giá khả năng chịu tải của mơ hình EGSB.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, đã thực hiện các phương pháp
nghiên cứu sau đây:
 Phương pháp kế thừa tài liệu: thu thập, tổng hợp các tài liệu trong và ngoài nước
liên quan đến đề tài.
 Phương pháp thực nghiệm: sử dụng hai mơ hình EGSB với một mơ hình khơng
có giá thể, một mơ hình có giá thể PVA để thực hiện nghiên cứu. Duy trì các điều
kiện vận hành hai mơ hình giống nhau và đánh giá, so sánh hiệu quả quả lý hai
mơ hình.
 Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu: phân tích các thơng số theo tiêu chuẩn
APHA, 2005.
 Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu: phân tích bằng các cơng thức tốn học và
phần mềm Excel.
1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học
Về khoa học, đề tài bước đầu đánh giá hiệu quả xử lý của bể EGSB đối với nước
thải sản xuất cồn khó phân hủy sinh học và đánh giá khả năng của vật liệu mang PVA

với vai trò tăng cường sự hình thành bùn hạt trong mơi trường bể EGSB có vận tốc
dịng nước cao. Đây là cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng bể EGSB và giá thể PVA

3
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc


Chương 1: Giới thiệu

trong xử lý nước thải nói chung cũng như các nghiên cứu tiếp theo về nước thải sản
xuất cồn.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài ứng dụng trong xử lý nước thải ngành sản xuất cồn,
cung cấp thêm một lựa chọn công nghệ xử lý kỵ khí để ứng dụng trong thực tế.
Tính mới của đề tài
Đề tài được nghiên cứu là sự kết hợp của q trình kỵ khí với dịng chảy ngược
cao trong bể EGSB và giá thể mang PVA để tăng cường quá trình hình thành bùn hạt,
nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và ngăn quá trình rửa trơi bùn so với q trình
bùn lơ lửng thơng thường.

4
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc


Chương 2: Tổng quan

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CƠNG NGHIỆP SẢN XUẤT CỒN
2.1.1. Cơng nghệ sản xuất cồn
Sản xuất cồn từ vật liệu nông nghiệp được sử dụng như nhiên liệu thay thế đã thu

hút sự quan tâm trên tồn thế giới do nguồn năng lượng khơng tái tạo đang dần cạn kiệt
và giá khí tự nhiên, giá dầu tăng cao. Bên cạnh đó, cồn cịn được sử dụng như dung
môi trong công nghiệp và đồ uống. Cồn có thể được sản xuất từ các vật liệu sinh khối
khác nhau, phụ thuộc vào chi phí, tính sẵn có, thành phần carbonhydrate và sự dễ dàng
lên men [12]. Nguyên liệu sản xuất cồn từ sinh khối, có thể là từ những nguyên liệu
chứa đường (củ cải đường, mía, mật rỉ đường,…), tinh bột (bắp, lúa mì, gạo, khoai
mì,…) hay các vật liệu cellulose (phế phẩm nông nghiệp, bã mía, gỗ, chất thải đơ
thị,…). Gần 61% cồn trên thế giới sản xuất từ mật rỉ đường [13] vì giá thành của
nguyên liệu rẻ và mật rỉ đường có thể được pha lỗng thích hợp để có mức độ sucrose
mong muốn.
Quá trình sản xuất cồn gồm 4 bước như sau:
Chuẩn bị nguyên liệu:
Nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất cồn rất đa dạng, bao gồm các nguyên liệu
từ đường (mía, củ cải đường), các nguyên liệu từ tinh bột (ngũ cốc, lúa mì, sắn, gạo,
lúa mạch) và nguyên liệu từ cellulose (phế phẩm nông nghiệp, gỗ,…). Các nguyên liệu
từ mía đường dễ dàng lên men hơn so với các nguyên liệu từ tinh bột hay cellulose nên
được ưu tiên sử dụng. Thành phần của rỉ đường thay đổi theo các điều kiện về giống
mía, khí hậu của vùng, quá trình sản xuất đường và lưu trữ. Rỉ đường được pha loãng
thành 20 – 25 brix (chỉ số nồng độ đường trong dung dịch) và điều chỉnh pH nếu cần
thiết trước khi lên men.

5
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc


Chương 2: Tổng quan

Lên men:
Môi trường men được chuẩn bị trong phịng thí nghiệm và cấy trong các bồn lên
men, chiếm khoảng 10% thể tích men (Saccharomyces cerevisiae). Đây là q trình kỵ

khí xảy ra dưới những điều kiện được kiểm sốt về nhiệt độ và pH. Ở đó, các phân tử
đường được bẻ gãy thành C2H5OH và CO2, phản ứng tỏa nhiệt. Để duy trì nhiệt độ từ
25 đến 32oC, sử dụng tháp trao đổi nhiệt và luân phiên phun nước làm mát lên thành bể
lên men. Quá trình lên men có thể được thực hiện ở chế độ liên tục hoặc theo mẻ [5].
Thời gian lên men của chế độ vận hành theo mẻ thông thường từ 24 – 36 giờ với hiệu
quả khoảng 95%. Chế độ vận hành liên tục (nồng độ đường cao hơn và sự đa dạng của
các vi sinh vật chịu áp trong men) diễn ra nhanh hơn (thời gian lên men khoảng 16 – 24
giờ) nhưng hiệu quả thấp hơn. Dung dịch sau lên men chứa 6 – 8% cồn. Bùn thải (chủ
yếu là các tế bào men) được phân tách bằng quá trình lắng và thải bỏ từ đáy, dung dịch
sau quá trình lên men được đem đi chưng cất.
Chưng cất:
Chưng cất là q trình hai giai đoạn: qua cột phân tích và qua cột chưng cất.
Dung dịch sau quá trình lên men (wash) được gia nhiệt lên 90oC và cho qua bộ phận
tách khí của cột phân tích. Ở đây chất lỏng được gia nhiệt bằng hơi nước và cắt phân
đoạn cho ra khoảng 40 – 45% cồn (alcohol). Nước thải ra ở đáy cột phân tích là
“spentwash”. Hơi cồn được dẫn qua cột chưng cất theo dòng ngược, khoảng 96% cồn
được làm lạnh và thu hồi. Nước cô đặc từ giai đoạn này gọi là “spentless”, thường
được bơm ngược về cột phân tích.
Đóng thành phẩm:
Rượu tinh cất (96% cồn) được bán trực tiếp để sản xuất các hóa chất như acid
acetic, acetone, acid oxalic và cồn nguyên chất. Ethanol sử dụng trong cơng nghiệp và
phịng thí nghiệm chủ yếu chứa 60 – 95% ethanol và từ 1 – 5% methanol hoặc
isopropanol, methyl isobutyl ketone, ethyl acetate,…[14].

6
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc


Chương 2: Tổng quan

2.1.2. Đặc tính nước thải cồn
Sự sản sinh và tính chất của nước thải cồn biến động lớn và phụ thuộc vào nguồn
nguyên liệu đầu vào, cũng như quá trình sản xuất. Nước rửa bồn lên men, nước làm
mát, nước đun sôi kết hợp với nước thải từ q trình chưng cất tạo nên những tính chất
khác nhau.
Nước thải phát sinh chủ yếu từ quá trình chưng cất và có màu nâu đen (gọi là
spentwash, stillage, slop hay vinasse), nhiệt độ khoảng 71 – 81oC [15-17]. Tính chất
nước thải cồn phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào [1]. Người ta ước tính khoảng 88%
thành phần rỉ đường trở thành chất thải [18]. Nước thải chứa nồng độ BOD, COD, tỉ lệ
COD/BOD, thành phần K, P, sulphate cao (bảng 2.1). Ngồi ra, nước thải cịn chứa các
hợp chất trọng lượng phân tử thấp như acid lactic, glycerol, ethanol và acid acetic [19].
Mật rỉ đường còn chứa khoảng 2% chất màu nâu sẫm gọi là các hợp chất
melanoidin gây ra độ màu của nước thải [20]. Các hợp chất melanoidin là các polymer
có trọng lượng phân tử cao và thấp, là một trong những sản phẩm cuối cùng của phản
ứng Maillard. Các hợp chất melanoidin chỉ phân hủy khoảng 6 – 7% trong các q
trình xử lý kỵ khí – hiếu khí thơng thường [21]. Melanoidin là chất độc đối với nhiều vi
sinh vật trong xử lý nước thải [22]. Ngồi ra, nước thải cịn chứa các chất gây màu
khác như phenolics (tannic và humic acids) từ nguyên liệu, caramels hình thành khi
đường bị đun nóng và melanin. Phenolics có nhiều trong nước thải từ rỉ đường mía,
melanin phổ biến trong mật rỉ cây của cải đường [23].

7
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc


Chương 2: Tổng quan

Bảng 2.1. Đặc tính của nước thải sản xuất cồn phát sinh từ các nguyên liệu
khác nhau [6, 19]
Nguyên liệu đầu vào

Mật đường mía

Đặc tính

Mật củ cải đường

Pathade (1999)

Mahimairaja

Wilkie và cộng sự

[24]

(2004) [6]

(2000) [19]

COD (mg/L)

65000 - 130000

104000 – 134400

91100

BOD (mg/L)

30000 - 70000

46100 - 96000

44900

COD/BOD

2,49

TS (mg/L)

30000 – 100000

TSS (mg/L)

350

TDS (mg/L)

80000

79000 – 87990

TN (mg/L)

1000 - 2000

1660 - 4200

3569

TP (mg/L)

800 - 1200

225 - 3038

163

K (mg/L)

8000 - 12000

9600 - 17475

10030

SO42- (mg/L)

2000 - 6000

3240 - 3425

3716

pH

3 – 5,4

3,9 – 4,3

5,35

1,95

2.1.3. Công nghệ xử lý nước thải sản xuất cồn [25]
Tỷ lệ COD/BOD phổ biến của nước thải sản xuất cồn là 1,8-1,9 cho thấy nước
thải thích hợp với xử lý sinh học [26]. Xử lý sinh học hiếu khí gây khó khăn trong vận
hành như các hiện tượng bùn nổi, không xử lý được ở tải trọng hữu cơ cao, lượng sinh
khối sinh ra lớn và chi phí vận hành cao [27]. Hơn nữa, tỷ lệ BOD:N:P khoảng
100:2,4:0,3 cho thấy xử lý kỵ khí ở bước đầu sẽ hiệu quả hơn so với xử lý hiếu khí để
làm giảm ơ nhiễm trong nước thải đầu ra. Nước thải sau quá trình kỵ khí sẽ tiếp tục
được xử lý hiếu khí, sau đó là các phương pháp hóa lý để xử lý các chất hữu cơ và độ
màu còn lại. Phần lớn những phương pháp này khử màu bằng cách tập trung độ màu
vào bùn hoặc bẽ gãy các phân tử gây màu.
8
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc


Chương 2: Tổng quan

2.1.3.1. Một số nghiên cứu xử lý kỵ khí nước thải cồn trên thế giới
Hồ kỵ khí (Anaerobic lagooning)
Hồ kỵ khí là lựa chọn đơn giản nhất để xử lý kỵ khí nước thải từ sản xuất cồn.
Rao [28] đã thực hiện những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực quản lý chất thải từ
sản xuất cồn bằng việc nghiên cứu ứng dụng của hồ kỵ khí trong hệ gồm 2 hồ quy mô
pilot, với hiệu quả loại bỏ BOD dao động từ 82 – 92%. Tuy nhiên, những hệ hồ ít hoạt
động thì chua là hiện tượng thường xun. Nước ngầm có thể bị ơ nhiễm khi hồ khơng
được lót đáy tốt. Chúng địi hỏi diện tích rộng để xử lý một lượng nước thải lớn và dẫn
đến phát sinh mùi.
Những hệ thống kỵ khí truyền thống

Các bể xử lý truyền thống như Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR) là hình
thức đơn giản nhất của bể phản ứng khép kín có thu hồi khí. Xử lý nước thải sản xuất
cồn bằng CSTR có thể vận hành một giai đoạn hoặc hai giai đoạn, giảm được 80 –
90% COD trong thời gian từ 10 – 15 ngày [24]. Thời gian lưu nước trong bể CSTR
được xác định bằng tốc độ sinh trưởng riêng của các vi khuẩn tăng trưởng chậm nhất
trong hệ thống, nghĩa là đòi hỏi thời gian lưu nước rất cao để phân hủy các chất ô
nhiễm. Thời gian lưu nước cao là nhược điểm khiến cho CSTR ít được sử dụng trong
xử lý nước thải [29].
Bể phản ứng màng cố định (Anaerobic fixed film reactors - AFFR)
Bể phản ứng màng cố định sử dụng giá thể cho các vi sinh vật bám lên. Bể phản
ứng màng cố định có ưu điểm dễ xây dựng, loại bỏ sự xáo trộn cơ học, ổn định hơn
ngay cả ở tải trọng hữu cơ cao và khả năng chịu được sốc chất độc. Bể phản ứng có thể
khơi phục nhanh chóng sau q trình thiếu cơ chất [30]. Giữa các bể phản ứng kỵ khí,
AFFR được xem như phổ biến nhất so với các loại bể phản ứng khác do khả năng duy
trì sinh khối cao trong bể phản ứng [31]. Quá trình hình thành màng sinh học trải qua 3
giai đoạn liên tiếp: pha lag (sự gắn kết các tế bào chính), pha sản sinh màng sinh học
(sự tích lũy vi khuẩn với sự sản sinh ma trận polymer sinh học) và pha thiết lập giai

9
HVTH: Nguyễn Thị Như Ngọc