Nghiên cứu hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho hệ thống hợp khối uasb dhs dnr xử lý nước thải cao su

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho
hệ thống hợp khối UASB-DHS-DNR
xử lý nước thải cao su
NGUYỄN HỒNG DUNG


Ngành: Cơng nghệ sinh học

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Lan Hương
Viện:

Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm

HÀ NỘI, 4/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho
hệ thống hợp khối UASB-DHS-DNR
xử lý nước thải cao su
NGUYỄN HỒNG DUNG


Ngành: Cơng nghệ sinh học

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Lan Hương

Viện:

Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm

HÀ NỘI, 4/2021


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

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Hồng Dung
Đề tài luận văn: Nghiên cứu hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho hệ thống hợp
khối UASB-DHS-DNR xử lý nước thải cao su
Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số SV: CB190014
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
Trang

Nội dung chỉnh sửa

iii
11, 40,
41, 49

Bổ sung từ viết tắt
Chỉnh sửa trình bày bảng 1.4, 3.4, 3.5, 3.6, 3.8

19
20
27
46

Bổ sung quy trình lấy mẫu và bảo quản mẫu nước thải
Bổ sung thông tin giá thể G3, phương pháp xử lý bùn giống DNR
Chỉnh sửa tên đề mục 2.2.2, bổ sung phương pháp xử lý số liệu và sai số
Chỉnh sửa hình 3.8

54
57-63

Chỉnh sửa bình luận cho kết quả
Chỉnh sửa định dạng tài liệu tham khảo
Ngày

Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm 2021

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


NHIỆM VỤ TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Dung

Ngành: Cơng nghệ Sinh học

Khố: 2019B

Viện Cơng nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm
1. Đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho hệ thống hợp
khối UASB-DHS-DNR xử lý nước thải cao su
2. Nội dung chính của đề tài:
-

Khảo sát mức độ ơ nhiễm hữu cơ và nitơ trong nước thải cao su.

-

Hoạt hóa hệ bùn hoạt tính kỵ khí cho thiết bị UASB.

-

Hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho thiết bị DHS.

-

Hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho thiết bị DNR.

3. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Lan Hương
4. Ngày giao nhiệm vụ: 05/11/2019
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/04/2021.
Ngày

tháng

năm 2021

TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

(Ký ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành nhiệm vụ được giao của luận văn, ngồi nỗ lực học hỏi của
bản thân cịn có sự hướng dẫn tận tình của thầy cơ và sự giúp đỡ động viên của
bạn bè, người thân và gia đình.
Qua trang viết này, em xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới PGS. TS.
Nguyễn Lan Hương – Bộ môn Công nghệ sinh học – Viện Công nghệ sinh học
và Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn và
chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn này.
Em cũng xin cảm ơn TS. Nguyễn Thị Thanh cán bộ phịng thí nghiệm
Trung tâm khoa học và công nghệ cao su và các thầy cô thuộc Viện Công nghệ
sinh học và Công nghệ thực phẩm đã giúp đỡ chỉ bảo em trong thời gian làm việc
tại phịng thí nghiệm.
Bên cạnh đó, người thân và bạn bè luôn là động lực cho em, đặc biệt là các
anh chị và các bạn làm việc cùng em tại Phịng thí nghiệm Trung tâm khoa học
và cơng nghệ cao su đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt q trình học tập, nghiên
cứu và hồn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2021

Học viên

Nguyễn Hoàng Dung


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Việt Nam là một trong những nước dẫn đầu thế giới về sản lượng và xuất
khẩu cao su. Ngành công nghiệp cao su đang phát triển nhanh theo đà tăng
trưởng kinh tế, đóng góp một phần không nhỏ GDP cho đất nước. Bên cạnh
những triển vọng, ngành công nghiệp này cũng đang phải đối mặt với những vấn
đề đáng lo ngại về chất lượng môi trường, đặc biệt là ô nhiễm do nước thải đối
với nguồn nước ngầm và nước mặt. Hiện nay Việt Nam đã áp dụng một số công
nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su chủ yếu như hồ kỵ khí – hiếu khí, mương
oxi hóa. Tuy nhiên, các cơng nghệ này bị hạn chế về diện tích xây dựng và thời
gian xử lý. Một số công nghệ khác cho chất lượng dòng thải chưa đạt tiêu chuẩn
thải QCVN 01 -MT:2015/BTNMT. Ba thiết bị UASB-DHS-DNR được mắc nối
tiếp hứa hẹn sẽ loại bỏ COD tối đa, chuyển hóa nitơ từ dạng độc về dạng khí nitơ
thân thiện với mơi trường và làm giảm lượng nitơ trong nước thải sơ chế cao su.
Vì những lý do đó, đề tài: “Nghiên cứu hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho hệ thống
hợp khối UASB-DHS-DNR xử lý nước thải cao su” được thực hiện. Đề tài đã
tiến hành đánh giá các chỉ số đặc trưng của nước thải tại một nhà máy sơ chế cao
su thiên nhiên ở Thanh Hóa. Các chỉ số pH, BOD, COB, TSS, TN, NH3 được
phân tích theo TCVN và kit thử của nhà sản xuất, chất lượng nước thải chưa đạt
QCVN 01 -MT:2015/BTNMT. Đã tiến hành hoạt hóa, đánh giá hiệu suất xử lý

nước thải và một số thông số đặc trưng của bùn tại các thiết bị trong hệ hợp khối
UASB-DHS-DNR. Kết quả chỉ ra rằng: (i) Đã hoạt hóa thành cơng hệ bùn
UASB, ngày 100 bùn hạt PVA có màu vàng nâu, SMA đạt 0,217
(gCOD/gVSS.ngày). (ii) Đã hoạt hóa thành cơng hệ bùn DHS, giá thể ngày 120
có màu vàng nâu, mật độ VSS đạt 3,22 gVSS/ L-sponge, tỷ lệ VSS/SS là 0,91.
Tốc độ hấp thụ oxi riêng nội sinh, tự dưỡng, dị dưỡng của bùn lần lượt là 0,0452;
0,0326; 0,0320 (gO2/gVSS/ngày). (iii) Đã hoạt hóa thành cơng hệ bùn DNR,
Bùn tại ngày 120 có hàm lượng MLSS là 74,01 g/L, tỷ lệ MLVSS/MLVSS đạt
0,71, SVI5 của bùn đạt 54 ml/g MLSS. Nước thải dòng ra của toàn hệ thống đã đã
đạt cột A QCVN01:2015/BTNMT. Hệ vi sinh vật trong các mẫu bùn chứa nhiều
nhóm vi sinh vật liên quan đến quá trình phân giải chất hữu cơ và chuyển hóa
nitơ. Nhìn chung kết quả của của luận văn phù hợp và giải quyết được các vấn đề
đã đặt ra.


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................... 3
1.1. Giới thiệu nước thải cao su .............................................................................. 3
1.1.1. Tình hình sản xuất cao su tại Việt Nam.....................................................3
1.1.2. Nguồn gốc phát sinh nước thải cao su .......................................................3
1.1.3. Đặc tính nước thải cao su ..........................................................................5
1.2. Hệ thống hợp khối UASB-DHS-DNR ............................................................. 6
1.2.1. Thiết bị xử lý kỵ khí dịng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) ....6
1.2.2. Thiết bị lọc nhỏ giọt qua lớp vật liệu xốp (DHS) ....................................12
1.2.3. Thiết bị khử nitơ (DNR) ..........................................................................15
1.3. Các nghiên cứu trong và ngồi nước về hoạt hóa hệ bùn hoạt tính ............... 17
1.3.1. Hệ bùn hoạt động trong thiết bị UASB ...................................................17
1.3.1. Hoạt hóa hệ bùn DHS ..............................................................................18
1.3.2. Hoạt hóa hệ bùn khử nitơ ........................................................................18

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PHƯƠNG PHÁP ............................................................. 20
2.1. Vật liệu ........................................................................................................... 20
2.1.1. Nước thải .................................................................................................20
2.1.2. Bùn giống.................................................................................................20
2.1.3. Hóa chất phân tích ...................................................................................21
2.1.4. Thiết bị .....................................................................................................22
2.1.5. Thiết bị phân tích .....................................................................................23
2.2. Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 23
2.2.1. Các phương pháp phân tích ....................................................................23
2.2.2. Bố trí thí nghiệm .....................................................................................28
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 30
3.1. Khảo sát nước thải tại nhà máy cao su ........................................................... 30
3.2 . Hoạt hóa hệ bùn UASB ................................................................................ 31
3.2.1. Khả năng xử lý nước thải của thiết bị UASB trong giai đoạn 1 .............32
3.2.2. Đặc tính bùn hạt PVA tại ngày 100 ........................................................35
3.2.3. Đặc tính nước thải UASB trong giai đoạn 2 ...........................................40
3.3. Hoạt hóa hệ bùn DHS .................................................................................... 42
3.3.1. Khả năng xử lý nước thải trên thiết bị DHS quy mô 2L .........................42
3.3.2. Khả năng xử lý nước thải của thiết bị DHS quy mô 40L .......................43
i


3.4. Hoạt hóa hệ bùn DNR .................................................................................... 50
3.4.1. Khả năng xử lý nước thải của thiết bị DNR .......................................... 50
3.4.2. Hiệu suất sinh khí trên thiết bị DNR2 .................................................... 51
3.4.3. Đặc tính của bùn trong thiết bị DNR2 .................................................... 52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 56
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 56
KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 58

PHỤ LỤC.................................................................................................................. 67

ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký tự

Tiếng Anh

Chú giải

BOD

BiologicalOxygen Demand

Nhu cầu oxi hóa sinh học

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxi hóa học

HRT

Hydraulic retention time

Thời gian lưu của nước

OLR

Organic Loading Rate

Tải trọng hữu cơ

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

SS

Suspended Solid

Chất rắn lơ lửng

TN

Total Nitrogen

Nitơ tổng

UASB

Upflow Anerobic Slugde Hệ thống xử lý kỵ khí với dịng chảy

USB

Blanket

ngược qua lớp bùn hoạt tính

Upflow Slugde Blanket

Hệ thống xử với dòng chảy ngược
qua lớp bùn hoạt tính

DHS

Downflow haging sponge

Thiết bị lọc nhỏ giọt qua lớp vật liệu
xốp

DNR

Denitrification Reactor

Thiết bị phản nitrat

VFA

Volatile Fatty acid

Axit béo bay hơi

SBR

Sequencing batch reactor

Bể phản ứng theo mẻ

PVA

Polyvinyl alcohol

Polyvinyl alcohol

MLSS

Mixed liquor suspended

Hỗn hợp chất rắn lơ lửng

solids
MLVSS

Mixed liquor volatile

Hỗn hợp chất rắn lơ lửng dễ bay hơi

suspended solids
SVI

Sludge Volume Index

Chỉ số thể tích lắng của bùn

SMA

Specific Methane Activity

Hoạt tính sinh metan riêng

DO

Dissolved oxygen

Oxi hòa tan

SOUR

Specific oxygen uptake rate Tốc độ hấp thụ oxi riêng

DRC

Dry rubber content

Hàm lượng cao su khô

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Diện tích, sản lượng, năng suất cây cao su Việt Nam từ 2015-2019 ......... 3
Bảng 1.2 Đặc tính nước thải sơ chế cao su thiên nhiên .............................................. 5

Bảng 1.3 Các thông số đặc trưng của bùn trong thiết bị UASB ............................... 10
Bảng 1.4 Hàm lượng COD và amoni trong nước thải dòng ra UASB .................... 11
Bảng 1.5 Các thông số đặc trung của bùn trong thiết bị DHS .................................. 14
Bảng 1.6 Một số loài trong các nhóm vi sinh vật khử nitơ ....................................... 16
Bảng 1.7 Các thơng số đánh giá hệ bùn hoạt tính trong các thiết bị khử nitơ .......... 16
Bảng 3.1 Đặc tính nước thải sơ chế cao su ............................................................... 30
Bảng 3.2 Các thông số của bùn hạt PVA sau 100 ngày hoạt hóa ............................. 35
Bảng 3.3 Tỷ lệ các nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế trong mẫu bùn UASB ................. 38
Bảng 3.4 Đặc tính nước thải UASB trong giai đoạn 2 ............................................. 41
Bảng 3.5 Đặc tính nước thải của thiết bị DHS quy mơ 2 L ...................................... 42
Bảng 3.6 Đặc tính nước thải của thiết bị DHS quy mô 40 L .................................... 43
Bảng 3.7 Các thông số của bùn DHS........................................................................ 45
Bảng 3.8 Đặc tính nước thải dịng ra thiết bị DNR .................................................. 50
Bảng 3.9 Các thông số của bùn trong thiết bị DNR2 ............................................... 52

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sơ chế cao su và nguồn phát sinh nước thải ......................4
Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị UASB ....................................................................................7
Hình 1.3 Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn UASB .................8
Hình 1.4 Cấu tạo thiết bị DHS ..................................................................................12
Hình 1.5 Mặt cắt ngang giá thể DHS .......................................................................13
Hình 1.6 Cấu tạo thiết bị DNR ..................................................................................15
Hình 2.1 Sơ đồ đánh đơng cao su..............................................................................20
Hình 2.2 Bùn giống và giá thể sử dụng trong thiết bị UASB ...................................20
Hình 2.3 Giá thể G3 ..................................................................................................21
Hình 2.4 Bùn giống trong DNR ................................................................................21
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống hợp khối UASB-DHS-DNR .............................................23

Hình 3.1 Sự biến động pH của thiết bị UASB trong giai đoạn 1 ..............................32
Hình 3.2 Sự biến động COD, OLR của thiết bị UASB ............................................33
Hình 3.3 Hiệu quả xử lý COD của thiết bị UASB ....................................................33
Hình 3.4 Tổng lượng khí và hiệu suất sinh khí metan trong giai đoạn 1 ..................34
Hình 3.5 Sự thay đổi màu sắc hạt gel PVA...............................................................36
Hình 3.6 Thành phần vi sinh vật trong bùn hạt PVA ngày 100 ................................37
Hình 3.7 Giá thể DHS G3 .........................................................................................45
Hình 3.8 Thành phần các ngành sinh vật trên giá thể G3 ngày 120 .........................47
Hình 3.9 Các chi vi sinh vật nitrat và phản nitrat chiếm ưu thế trong bùn ...............48
Hình 3.10 Thể tích và thành phần khí trong thiết bị DNR ........................................51
Hình 3.11 Sự biến động thành phần vi sinh vật (mức độ ngành) trong bùn .............53
Hình 3.12 Tỷ lệ các chi vi khuẩn phản nitrat trong bùn............................................54

v


LỜI MỞ ĐẦU
Việt Nam là một trong những nước dẫn đầu thế giới về sản lượng và xuất
khẩu cao su. Tính chung 9 tháng đầu năm 2020, xuất khẩu cao su ước đạt 1,14
triệu tấn, trị giá 1,45 tỷ USD. Ngành công nghiệp cao su đang phát triển nhanh
theo đà tăng trưởng kinh tế và đã đóng góp một phần không nhỏ GDP cho đất
nước. Bên cạnh những triển vọng, ngành công nghiệp này cũng đang phải đối
mặt với những vấn đề đáng lo ngại về chất lượng môi trường, đặc biệt là ô nhiễm
do nước thải đối với nguồn nước ngầm và nước mặt. Theo nghiên cứu của
Nguyễn Như Hiền và cộng sự (2012), để thu được 1 tấn cao su thành phẩm trong
quá trình sản xuất các nhà máy hoặc cơ sở sản xuất thường xả ra môi trường từ
18 m3 đến 35 m3 nước thải. Ước tính lượng nước thải ra môi trường hiện nay
khoảng 20 triệu m3 nước thải/năm. Nước thải sơ chế mủ cao su có hàm lượng
COD, BOD, SS và TN (chủ yếu là amoni) rất cao do một lượng lớn ammoniac
được sử dụng để chống đơng trong q trình thu hoạch mủ tươi từ các đồn điền.

Hơn nữa, mùi hôi thối từ quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong nước
thải ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống người dân khu vực xung quanh.
Hiện nay Việt Nam đã áp dụng một số công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ
cao su chủ yếu như cơng nghệ hồ kỵ khí – hiếu khí, mương oxi hóa. Tuy nhiên,
nồng độ ơ nhiễm trong nước thải sau q trình xử lý cịn cao so với Quy chuẩn
kỹ thuật quốc gia về nước thải sơ chế cao su thiên nhiên (QCVN 01 MT:2015/BTNMT). Một trong các ngun nhân chính dẫn đến tình trạng này là
sự quá tải ô nhiễm hữu cơ với các hệ thống xử lý này vượt quá khả năng xử lý
của vi sinh vật trong hệ thống khiến phương pháp sinh học đạt hiệu quả xử lý
kém.
Với nhiều ưu điểm như hiệu quả loại bỏ COD cao, thu hồi biogas làm
năng lượng tái tạo, cơng nghệ xử lý kỵ khí với dịng chảy ngược qua lớp bùn hoạt
tính (UASB) đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải sơ chế cao
su. Tuy nhiên nước thải sau UASB có hàm lượng COD gấp đơi tiêu chuẩn xả thải
và hàm lượng amoni rất cao nên việc dùng thiết bị lọc nhỏ giọt qua lớp xốp
(Downflow hanging sponge – DHS) để loại bỏ COD và oxy hóa amoni thành
nitrit và nitrat là cần thiết. Hàm lượng nitrat, nitrit từ DHS sẽ tiếp tục bị khử đến
phân tử khí nitơ nhờ thiết bị phản nitrat (Denitrification reactor – DNR). Ba thiết
1


bị trên được mắc nối tiếp sẽ loại bỏ COD tối đa, chuyển hóa nitơ từ dạng độc về
dạng khí nitơ thân thiện với môi trường và làm giảm lượng nitơ trong nước thải
sơ chế cao su. Bên cạnh đó bùn hoạt tính có vai trị quan trọng quyết định thời
gian khởi động và hiệu suất xử lý nước thải của hệ hợp khối nói trên. Vì những lý
do đó, đề tài: “Nghiên cứu hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho hệ thống hợp khối
UASB-DHS-DNR xử lý nước thải cao su” được thực hiện với các nội dung
nghiên cứu như sau:
- Khảo sát mức độ ô nhiễm hữu cơ và nitơ trong nước thải cao su.
- Hoạt hóa hệ bùn hoạt tính kỵ khí cho thiết bị UASB.
- Hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho thiết bị DHS.

- Hoạt hóa hệ bùn hoạt tính cho thiết bị DNR.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.

Giới thiệu nước thải cao su
1.1.1. Tình hình sản xuất cao su tại Việt Nam
Tại Việt Nam cây cao su được trồng từ năm 1897, cho đến nay diện tích

trồng và thu hoạch đối với lồi cây cơng nghiệp này đã được mở rộng trên khắp
cả nước [1]. Từ năm 2009 diện tích thu hoạch, sản lượng và năng suất cây cao su
không ngừng tăng và được duy trì ổn định cho đến nay. Bảng 1.1. chỉ ra diện tích,
sản lượng và năng suất cây cao su trong 5 năm gần đây.
Bảng 1.1 Diện tích, sản lượng, năng suất cây cao su Việt Nam từ 2015-2019
[2]
Tổng diện tích Diện tích thu hoạch Sản lượng mủ khơ

Năm

Năng suất

(nghìn ha)

(nghìn ha)

(nghìn tấn)

(tấn/ha/năm)

2015

985,6

604,3

1012,7

1.676

2016

973,5

621,4

1035,3

1.666

2017

971,6

653,2

1094,5

1.676

2018

961,8

685,5

1137,7

1,660

2019 (sơ bộ)

922,0

698,1

1167,3

1,672

Bảng 1.1 cho thấy mức năng suất cho mủ khơ bình qn 1,6 – 1,7
tấn/ha/năm được giữ vững trong nhiều năm liên tục, đây là mức cao nhất tại khu
vực châu Á và thứ hai trên thế giới. Năm 2019 sản lượng cao su đạt 1.167,3
nghìn tấn, tăng 2,6% so với năm 2018. Số doanh nghiệp đang hoạt động có kết
quả sản xuất kinh doanh các sản phẩm từ cao su và plastic tăng đáng kể, tăng từ
2856 doanh nghiệp (năm 2010) lên đến 6033 doanh nghiệp (năm 2018) [2]. Việt
Nam hiện đang là nước đứng thứ 3 thế giới về sản xuất cao su, chiếm khoảng
7,7% tổng sản lượng và khoảng 5,6% tổng diện tích trồng cao su tồn cầu [3].

Như vậy sau hơn 100 năm phát triển, ngành công nghiệp cao su vẫn là một trong
những ngành nông nghiệp và lâm nghiệp quan trọng nhất của Việt Nam.
1.1.2. Nguồn gốc phát sinh nước thải cao su
Mặc dù cây cao su đem lại rất nhiều lợi ích về mặt kinh tế, tuy nhiên
ngành công nghiệp cao su cũng phải đối mặt với các vấn đề ô nhiễm môi trường,
đặc biệt là ô nhiễm do nước thải từ quá trình chế biến mủ cao su. Mủ cao su được
3


chia thành nhiều loại: mủ nước (latex), mủ chén, mủ đất…Để mủ không bị đông
trước khi đem về nhà máy, người ta bổ sung NH3 (0,003% - 0,1%) vào bình chứa
khi thu mủ để chống đông và tránh sự oxi hóa làm giảm chất lượng mủ nước [4].
Mủ cao sau thu hoạch được xử lý theo 2 quy trình là tạo mủ cô đặc bằng cách ly
tâm (nước thải phát sinh chủ yếu từ khâu vệ sinh thiết bị) hoặc tạo mủ khối bằng
cách đánh đông bằng axit acetic hoặc axit formic (nước thải phát sinh chủ yếu từ
khâu đánh đơng, cán băm, cán tạo tờ, băm cốm). Ngồi ra, nước thải cịn phát
sinh từ q trình rửa xe chở mủ nước và vệ sinh nhà xưởng, sinh hoạt. Nguồn
phát sinh nước thải phụ thuộc vào công nghệ sơ chế cao su. Nhìn chung quy trình
sơ chế mủ ly tâm và cao su khối bao gồm các công đoạn và các nguồn xả thải
được miêu tả ở hình 1.1

Nước thải

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sơ chế cao su và nguồn phát sinh nước thải [4]

4


1.1.3. Đặc tính nước thải cao su
Trong q trình sơ chế mủ cao su, nước thải phát sinh chủ yếu ở các công

đoạn đánh đông, kéo/cán, cắt và nước rửa bồn. Nước thải từ bồn khuấy trộn chứa
một ít hạt cao su. Nước thải từ mương đông tụ chứa phần lớn là serum có hàm
lượng chất ơ nhiễm cao nhất. Nước thải từ các cơng đoạn khác có bản chất tương
tự trong mương đơng tụ nhưng lỗng hơn. Nước thải đánh đông chứa một số
thành phân đặc trưng như các axit dễ bay hơi (VFA), protein, đường, cao su, pH
khoảng 5-5,5. Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su của một số nhà máy sản xuất
cao su ở Việt Nam và QCVN 01-MT:2015/BTNMT được thể hiện ở bảng 1.2
Bảng 1.2 Đặc tính nước thải sơ chế cao su thiên nhiên
Thơng
số

Nước thải từ các quy trình sơ chế cao su

QCVN 01MT:2015/BTNMT [5]

Ly tâm [6]

Tờ [7]

Khối [8, 9]

Loại A

Loại B

pH

8,1-9,4

5,0-5,9

4,6-5,2

6-9

6-9

BOD

7590-13820

3430-9430

8990-15120

30

50

COD

7590-26920

75(a)

200(a)

100(b)

250(b)

TSS

470-2220

93-525

870-2020

50

100

TN

450-1310

80-160

630-800

40(a)

60(a)

50(b)

80(b)

10(a)

40(a)

N-NH3

290-1040

45-110

210-420

35(b)

60(b)

N-NO3-

(-)

1,5 -2,8

(-)

(-)

(-)

N-NO2-

(-)

KPH

(-)

(-)

(-)

514015070

16390-28940

Đơn vị mg/L (trừ pH)
(-) – Không đề cập
KPH – Không phát hiện
(a) – dành cho cơ sở mới
(b) – dành cho cơ sở đang hoạt động
Cột A: quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải sơ chế cao su
thiên nhiên khi xả ra nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
5


Cột B: quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải sơ chế cao su
thiên nhiên khi xả ra nguồn nước khơng dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Tùy từng hình thức sản xuất các loại sản phẩm cao su mà đặc điểm nước
thải cao su được phân chia làm các loại như sau:
* Sản xuất cao ly tâm:
Nước thải sản xuất cao su ly tâm (khơng gộp nước thải từ quy trình đánh
đơng mủ skim) thường có pH cao (pH 8,1 – 9,4) và giá trị BOD, COD, TN, đặc

biệt là N-NH3 rất cao do mủ cao su được bổ sung thêm amoniiac để chống đông.
* Sản xuất cao su tờ và cao su khối:
Cao tờ và cao su khối được sản xuất từ mủ nước có bổ sung amoniac và
dùng axit hữu cơ để đánh đơng nên nước thải có BOD, COD, hàm lượng TN và
SS rất cao và pH thấp.
Nhìn chung, nước thải sơ chế mủ cao su có hàm lượng chất rắn lơ lửng SS
(hạt cao su dư), hàm lượng ô nhiễm hữu cơ, hàm lượng nitơ tổng (chủ yếu từ
ammoniac bảo quản mủ,) rất cao so với QCVN 01-MT:2015/BTNMT. Để sản
xuất 1 tấn cao su thành phẩm, gồm cao su cốm (Standard Vietnamese Rubber –
SVR) hoặc cao su tờ xông khói (Ribbed Smoked Sheets – RSS), các nhà máy và
cơ sở sản xuất xả ra từ 18 m3 đến 35 m3 nước thải ra môi trường [6]. Nước thải
nhà máy sơ chế cao su không được xử lý trước khi thải ra môi trường sẽ phát
sinh mùi hôi thối (NH3, H2S, CO2, CH4…) ảnh hưởng đến môi trường nước và
không khí xung quanh. Chính vì vậy việc xử lý nước thải nhà máy sơ chế mủ cao
su là một vấn đề bức thiết cần giải quyết
1.2.

Hệ thống hợp khối UASB-DHS-DNR
1.2.1. Thiết bị xử lý kỵ khí dịng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính

(UASB)
Nước thải sơ chế cao su với giá trị COD và BOD cao; tỷ lệ BOD/COD lớn
hơn 0,5 nên thường được xử lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí để đạt hiệu
quả cao, giá thành rẻ và thân thiện với môi trường [10]. Một trong những thiết bị
kỵ khí điển hình được sử dụng trong xử lý nước thải cao su hiện nay là xử lý kỵ
khí với dịng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB). Sơ đồ mô tả cấu tạo và
nguyên lý hoạt động của UASB được thể hiện ở hình 1.2.

6

Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị UASB [11]
Trong hệ thống xử lý kỵ khí với dịng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính,
các chất bẩn hữu cơ trong nước thải được giữ lại và ơxy hố trong điều kiện yếm
khí ngay tại lớp bùn hoạt tính kỵ khí ở vùng đáy bể. Các chất khí tạo thành trong
q trình lên men trong lớp bùn này sẽ nổi lên, cuốn theo các hạt bùn và được
tách khỏi chúng khi va phải tấm chắn phía trên. Các hạt bùn được quay rơi trở lại
tầng cặn. Khí được thu và dẫn ra ngồi về thùng chứa khí. Nước thải sau khi lắng
tách bùn cặn được thu về máng nước trong phía trên và dẫn ra khỏi bể. Thiết bị
UASB có thể xử lý hiệu quả các loại nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao
với hiệu suất loại bỏ COD > 90%,thời gian lưu ngắn (<24 giờ) và tải trọng hữu
cơ tương ứng > 20 kg COD/m3/ngày) [12]. Như vậy UASB có phổ ứng dụng rất
lớn, giảm chi phí vận hành đồng thời có thể thu hồi nguồn năng lượng từ khí
metan.
Hiệu quả xử lý và độ ổn định của UASB phụ thuộc rất nhiều vào việc khởi
động hoạt hóa bùn ban đầu. Các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học như đặc điểm
nước thải, điều kiện vận hành hệ thống, sự sẵn có và sự phát triển của các quần
thể vi sinh vật hoạt động trong bùn hạt quyết định đến chất lượng dòng ra sau này
7


[13]. Mặc dù UASB có thể hoạt động hiệu quả mà không cần tạo hạt nhưng việc
tạo hạt bùn trong quá trình khởi động hệ thống mang lại lợi thế quyết định cho
khả năng loại bỏ COD cao trong thời gian ngắn hơn, cho phép xử lý lượng nước
thải lớn hơn [11]. Tầm quan trọng của bùn hoạt tính trong UASB đã dẫn đến
ngày càng nhiều nghiên cứu về lý thuyết và cơ chế liên quan của quá trình tạo
hạt kỵ khí (Hulshoff Pol và cộng sự, 2004; Schmidt và Ahring, 1996; Liu và
cộng sự, 2002) [27–29].
Bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt là một quần xã vi sinh vật sống cộng sinh
được hình thành trong quá trình xử lý nước thải với tốc độ lắng nhanh và hoạt

tính sinh metan cao. Hạt bùn chứa tất cả các loài vi khuẩn cần thiết cho sự phân
hủy các chất ô nhiễm hữu cơ xuất hiện trong nước thải. Chúng có thể được xem
là một hệ sinh thái vi sinh vật [17]. Các hạt bùn có dạng hình cầu đường kính phổ
biến 0,5 mm < d < 2 mm với tính chất cơ học ổn định, tỷ trọng hạt bùn 1,033 –
1,065 g/cm3. Người ta đã xác định 1g bùn hạt có thể chuyển hóa 0,5 – 1g
COD/ngày [18]. Mơ hình cấu trúc nhiều lớp của hạt bùn kỵ khí tự cố định được
mơ tả như hình 1.3:

Hình 1.3 Các lớp vi sinh vật và quá trình phân hủy trong hạt bùn UASB [19]

8


Vi sinh vật xung quanh tiết ra các enzym ngoại bào phân hủy các hợp chất
cao phân tử thành đơn phân từ (đường, axit amin, axit béo) và được tiêu thụ bởi
các vi khuẩn ở lớp ngoài cùng của hạt. Các sản phẩm đơn phân từ này cũng được
khuếch tán vào phía trong và được nhóm acidogen lên men thành VFA và
alcohol. Do sự chênh lệch nồng độ, các VFA này sẽ khuếch tán vào phía trong và
trở thành nguồn thức ăn cho nhóm acetogen là nhóm chiếm ưu thế vượt trội ở lớp
giữa. Tại đây VFA được bẻ gẫy và tạo thành các cơ chất chính cho các lồi cổ
khuẩn sinh metan ở trung tâm hạt. [19]
Nhược điểm của q trình tự cố định hạt bùn là khó thực hiện, khó kiểm
sốt các điều kiện vận hành và thời gian tạo hạt bùn hoạt tính có thể kéo dài. Một
số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các ion dương như Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ và Al3+
được bổ sung vào bùn giúp làm thúc đẩy quá trình tạo hạt diễn ra nhanh hơn, tuy
nhiên cần kiểm soát hàm lượng các ion này ở một lượng nhất định và khả năng
tách nước của bùn cũng chưa được cải thiện [11].
Ngoài tạo hạt tự nhiên, các kỹ thuật cố định vi sinh vật lên giá thể được
nghiên cứu gần đây đã cho các kết quả đầy hứa hẹn trong việc cải thiện hiệu quả
khởi động và tạo hạt trong thiết bị UASB. Các vật liệu tạo giá thể như alginate,

carageenan, agar, polyacrylamide có những ưu điểm riêng song chúng cùng có
một nhược điểm lớn là khả năng thẩm thấu kém. Điều này làm giảm tốc độ thẩm
thấu của các chất trong dung dịch vào tới tế bào vi khuẩn được cố định và tốc độ
thẩm thấu của các chất thải của tế bào ra ngồi. Một số vật liệu khác lại có độ
bền cơ học kém (agar, K-carragennan, Ca-alginate, chitosan) và độc với vi sinh
vật (polyacrylamid, polyurethan) [20, 21]. Vật liệu gel polyvinyl alcohol (PVA)
có ưu điểm lớn là độ bền cơ học cao, ổn định về mặt hóa học, khơng độc với vi
sinh vật, giá thành thấp và phổ biến trên thị trường.
Để đánh giá hiệu quả hoạt động của UASB ngoài việc quan tâm đến chất
lượng nước thải trước và sau xử lý, các thông số về bùn cũng được nhiều nghiên
cứu đề cập. Bảng 1.3 trình bày một số thơng số của bùn hoạt tính tạo hạt tự nhiên
và cố định trên giá thể PVA trong một số nghiên cứu xử lý nước thải cao su và
các loại nước thải khác bằng thiết bị UASB.

9


Bảng 1.3 Các thông số đặc trưng của bùn trong thiết bị UASB
Thơng số

Ý nghĩa

Bùn hạt tự cố định

SMA

Hoạt tính sinh metan

0,831 ± 0,013

riêng. Thể tích khí

VSS

gCH4-

metan sinh ra trên

COD/gVSS.ngày

một lượng sinh khối

[8]

Bùn hạt PVA
0,133 gCH4/COD/gVSS.ngày
[22]
0,87 gCH4-

trong một đơn vị thời

/COD/gVSS.ngày

gian.

[23]

Mật độ vi sinh vật,

0.936gVSS/1g

g VSS/ L bùn

VSS càng cao, mật

31,86 g/L [8]

PVA [22]

gVSS/1g hạt

độ vi sinh vật càng

0,97gVSS/1g

bùn gVSS/1g

lớn.

PVA [23]

PVA
Kích

thước Kích thước hạt quá

hạt

2-5 mm[19]

Hạt thương mại

nhỏ sẽ bị rửa trơi.

Kuraray 4mm

Kích thước hạt q

3.5-5mm [22]

lớn hiệu suất chuyển
hóa trong hạt kém.
Tỉ trọng hạt

Tỷ trọng càng cao 1,033–1,065 g/cm3 1.025g/cm3
bùn lắng càng nhanh [8]

1.06-1.08g/cm3

và dễ tách ra khỏi

[22]

dòng nước
SVI

Chỉ số thể tích bùn

10 – 20 mL/g [8]

-

lắng,SVI càng nhỏ
bùn lắng nhanh, mật
độ tế bào càng lớn
Độ bền cơ học Phản ánh độ rắn chắc Siêu âm đo độ đục
và cấu trúc ổn định

Không vỡ, biến
dạng khi ly tâm
2500-10000 rpm

Màu sắc

Phản ánh sự thay đổi
trong trao đổi chất và

Đen

Đen- nâu đậm
[22], [23]

thành phần của bùn
10


Trong thiết bị UASB chất hữu cơ trong nước thải được chuyển hoá bởi
các vi sinh vật đến sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí sinh học gồm 50 – 70%
metan (nhưng có thể cao hơn tùy thuộc vào cơ chất và điều kiện vận hành), 25 –
40% cacbonic và một lượng nhỏ hydro, nitơ, sulfua [22, 23]. Nước thải dòng ra

UASB vẫn còn chứa một lượng hữu cơ và amoni cao, bảng 1.4 chỉ ra một số
thông số của nước thải sau UASB trong nghiên cứu của Watari năm 2017.
Thơng số

Dịng vào UASB

Dịng ra UASB

Hiệu suất xử lý

pH

5,9±0,3

6.5±0.3

-

COD

3020±710

1990±790

34%

BOD

2030±1360

630±160

69%

TN

224±53

197±38

12%

N-NH4+

232±44

224±4.3

-

N-NO3-

0.3±0.4

0.5±0.6

-

N-NO2-

-

-

-

Bảng 1.4 Hàm lượng COD và amoni trong nước thải dòng ra UASB [9]
Để đảm bảo chất lượng dòng ra, nước thải sau khi qua thiết bị xử lý kỵ
khí thường được tiếp tục xử lý với các thiết bị hiếu khí để loại bỏ COD và oxi
hóa amoni thành nitrat để tạo điều kiệm cho quá trình phản nitơ. Để xử lý nước
thải sau bể kỵ khí từ xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên, một số loại hệ
thống xử lý kỵ khí kết hợp hiếu khí đã được áp dụng [6, 12]. Một trong những hệ
thống phổ biến hiện nay là kết hợp thêm thiết bị bị lọc nhỏ giọt qua lớp vật liệu
xốp (DHS) theo sau UASB [11]. Theo Tanikawa và cộng sự (2016) hệ thống
UASB kết hợp DHS có ưu điểm là tiết kiệm 95% điện năng cho việc vận chuyển
dòng thải và giảm 98% lượng bùn thải so với các thiết bị xử lý sục khí [27].
UASB – DHS được xem là hệ thống hứa hẹn để xử lý nước thải tại các nhà máy
chế biến cao su thiên nhiên.

11


1.2.2. Thiết bị lọc nhỏ giọt qua lớp vật liệu xốp (DHS)
Thiết bị DHS (Down flow hanging sponge) có bản chất tương tự thiết bị
lọc sinh học nhỏ giọt [28]. Thiết bị DHS cấu tạo bởi nhiều khoang nối tiếp nhau,
mỗi khoang chứa nhiều giá thể nằm chồng chất lên nhau. Nước thải được tưới
đều trên bề mặt giá thể nhờ đĩa phân phối nước và được chảy từ trên xuống dưới.
Khi đi qua các lớp giá thể, các chất hữu cơ và vô cơtrong nước thải được các vi
sinh vật bám các giá thể chuyển hóa. Nước thải sau xử lý được thốt ra ngồi tại
khoang chảy tràn dưới cùng. Điểm khác biệt giữa DHS thế hệ thứ 3(G3) với các

thiết bị lọc nhỏ giọt khác là các giá thể được làm từ các miếng mút xốp
polyurethane, mỗi miếng được cố định bằng một rọ nhựa rỗng.

Hình 1.4 Cấu tạo thiết bị DHS
Thông thường vi sinh vật trong các thiết bị lọc nhỏ giọt chỉ phát triển trên
bề mặt các vật liệu hình thành một màng sinh học phủ quanh giá thể. Vật liệu
mút xốp có khoảng trên 90% thể tích trống [29], tạo ra một diện tích bề mặt lớn
giúp vi sinh vật dễ dàng phát triển [30] [31]. Độ xốp cao của vật liệu đảm bảo
rằng sinh khối hoạt động được giữ lại bên trong và bên ngồi giá thể một lượng
vừa phải, khơng q ít cũng khơng q nhiều q nhiều làm bít tắc thiết bị, đồng
thời thời gian lưu của bùn tương đối dài (thường là hơn 90 ngày) [32]. Theo
12


nghiên cứu của Nomoto và cộng sự (2017) tải trọng hữu cơ mà DHS có thể xử lý
dựa trên khối lượng mút xốp là dưới 2 kgCOD/m3 mút xốp/ngày [33]. Các lỗ
Thông số

Ý nghĩa

Giá trị tham khảo

rỗng của giá thể có khả năng giữ nước tốt, làm cho thời gian lưu của nước thải
được kéo dài, do đó DHS có thể được xây dựng quy mô nhỏ hơn giúp tiết kiệm
diện tích so với các thiết bị nhỏ giọt xử lý nước thải thông thường. Ưu điểm lớn
nhất của giá thể DHS là các miếng mút xốp không bị phân hủy sinh học, cấu tạo
đơn giản, giá thành rẻ và phổ biến.
Bùn trong thiết bị DHS được giữ lại cả bên trong và bên ngoài giá thể.
Điểm độc đáo trong cấu tạo của của miếng mút xốp là có thể cung cấp mơi
trường hiếu khí ở bề mặt ngồi (phần phản ứng nitrat hóa) và mơi trường kỵ khí

sâu hơn bên trong (phần phản nitrat). Do đó mà trong thiết bị DHS các phản ứng
nitrat hóa – và phản nitrat đồng thời xảy ra [34]. Hình 1.5 mơ tả cấu tạo mặt cắt
ngang và các phản ứng xảy ra trong quá trình xử lý nước thải trên miếng mút
xốp .

Hình 1.5 Mặt cắt ngang giá thể DHS [35]
Với các ưu điểm vượt trội, thiết bị DHS ngày càng được nhiều nhà khoa
học quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là khả năng hoạt động của hệ bùn trong thiết
bị. Bảng 1.5 tổng hợp một số thông số đặc trung của hệ bùn trong thiết bị DHS.

13


VSS/SS

Hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi/

0,68 [36]

tổng hàm lượng chất rắn. Đặc trưng
cho mật độ vi sinh vật có trong bùn
SVI

Chỉ số thể tích lắng của bùn, SVI càng

28-33 mg/L [37] [36]

nhỏ khả năng lắng và phân tách bùn dư
càng tốt
Tỷ lệ sinh

Tỷ lệ vi sinh vật sống

66% [38]

khối hoạt
tính
SOUR

Tốc độ hấp thụ oxi riêng gO2/ Nội sinh 0,043-0,089
(gVSS/ngày). Phản ánh khả năng loại Dị dưỡng 0,016-0,056
bỏ hữu cơ và nitơ, tỷ lệ cao hoạt tính Tự dưỡng 0,073-0,107
cao

[37]

VSS/L-

Khả năng duy trì sinh khối, hàm lượng

15.3–26.4 g VSS/L

sponge

chất rắn lơ lửng dễ bay hơi trên một

sponge [37]

đơn vị thể tích giá thể
ESL

Lượng bùn dư

SRT

Thời gian lưu của bùn.

18 mg/L[37]
90-135 ngày [32] [36]

Bảng 1.5 Các thông số đặc trung của bùn trong thiết bị DHS
Mặc dù phản ứng nitrat hóa – và phản nitrat đồng thời xảy ra trong thiết bị
nhưng DHS vẫn được xem là thiết bị có vai trị chính trong q trình nitrat hóa [9,
30, 31].Nước thải sau khi xử lý bằng thiết bị DHS vẫn chứa một lượng nitrat và
nitrit tương đối cao, do đó việc mắc thêm một thiết bị xử lý giúp khử nitơ đến
nitơ dạng phân tử là hết sức cần thiết.

14