Luận án Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT . IV

DANH MỤC BẢNG .V

DANH MỤC HÌNH . VI

CHưƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU . 3

1.1. Tổng quan ngành công nghiệp sơ chế mủ cao su thiên nhiên .3

1.1.1. Cây cao su và tình hình phát triển.3

1.1.2. Thành phần và cấu trúc mủ cao su thiên nhiên .3

1.1.3. Công nghệ sơ chế mủ cao su.4

1.2. Tính chất nước thải sơ chế mủ cao su.5

1.3. Tình hình nghiên cứu về xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên .7

1.3.1. Ngoài nước.7

1.3.2. Trong nước.9

1.4. Bể kỵ khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) .11

1.4.1. Quá trình phân huỷ kỵ khí.11

1.4.2. Đặc tính chung của hệ thống UASB .14

1.4.3. Ưu, nhược điểm.15

1.5. Sự hình thành hạt bùn.16

1.5.1. Bùn kỵ khí dạng hạt .16

1.5.2. Cấu trúc hạt bùn kỵ khí.16

1.5.3. Các thành phần cơ bản của hạt bùn .18

1.5.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo hạt bùn kỵ khí .22

1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành bùn hạt kỵ khí.27

1.6.1. Ảnh hưởng của cơ chất .28

1.6.2. Tải trọng hữu cơ .28

1.6.3. Đặc tính của bùn giống.28

1.6.4. Các chất dinh dưỡng.29ii

1.6.5. Các nguyên tố khoáng.29

1.6.6. Các vitamin .29

1.6.7. Các chất tạo keo .30

1.6.8. Nhiệt độ.30

1.6.9. pH.30

1.7. Các thông số đánh giá hạt bùn kỵ khí .30

1.7.1. Hoạt tính sinh metan.30

1.7.2. Kích thước và tỷ trọng hạt bùn .31

1.7.3. Chỉ số thể tích bùn lắng .32

1.7.4. Độ bền cơ học .32

1.7.5. Màu sắc.32

1.8. Một số phương pháp sinh học phân tử ứng dụng trong xác định thành phần vi sinh

vật trong bùn kỵ khí.32

CHưƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHưƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 35

2.1. Vật liệu.35

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu.35

2.1.2. Hóa chất .36

2.1.3. Thiết bị.37

2.2. Phương pháp nghiên cứu.39

2.2.1. Các phương pháp phân tích .39

2.2.2. Nội dung nghiên cứu.44

CHưƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 47

3.1. Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên.47

3.1.1. Nước thải nhà máy tại khâu đánh đông.47

3.1.2. Tiền xử lý nước thải nhà máy.50

3.1.3. Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm.49

3.2. Nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB .53ii

pdf136 trang | Chia sẻ: lavie11 | Lượt xem: 442 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt trong hệ thống UASB nhằm xử lý nước thải sơ chế mủ cao su, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
lý bằng phƣơng pháp kỵ khí sẽ rất hiệu quả. Bảng 3.2. Hàm lƣợng VFA nƣớc thải khâu đánh đông của nhà máy cao su tại Thanh Hóa Thông số Thời gian lấy mẫu Tháng 4/2013 Tháng 9/2013 Tháng 12/2013 Giá trị trung bình VFA tổng 13210 6428 12860 10833 ± 3118 Axetic 5113 2956 4710 4260 ± 936 Propionic 7043 1932 7052 5342 ± 2411 Iso-Butyric 40 306 270 205 ± 118 N-Butyric 816 818 483 705 ± 157 Iso-valeric 80 296 270 215 ± 96 N-valeric 118 120 75 104 ± 21 Đơn vị: mg-COD/L Nước thải tại khâu đánh đông của nhà máy cao su trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa có pH thấp (4,6 – 5,2), hàm lượng chất hữu cơ cao (COD: 16390 – 28940 mg/L), giàu VFA (10833 ± 3118 mg/L) và dễ phân hủy sinh học, hàm lượng TN đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng và hàm lượng N-NH3 không gây độc cho quá trình kỵ khí. Tuy nhiên hàm lượng SS cao (870 – 2020 mg/L), dễ bám dính vào bùn nên cần loại bỏ trước quá trình xử lý kỵ khí. 3.1.2. Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm Hàng năm các nhà máy cao su chỉ sản xuất trong 9 tháng. Để chủ động về nguồn nƣớc thải sơ chế mủ cao su, chúng tôi đã tiến hành đánh đông mủ cao su li tâm có hàm lƣợng cao su khoảng 60% (công ty cổ phần cao su Merufa). Quy trình đánh đông tuân thủ theo quy trình đánh đông của các nhà máy cao su ở Thanh Hóa. Đặc tính của nƣớc thải sơ chế mủ cao su trong phòng thí nghiệm đƣợc thể hiện trong bảng 3.3. Kết quả trên cho thấy, nƣớc thải đánh đông bằng mủ li tâm trong phòng thí nghiệm có pH, tỷ lệ VFA/BOD (60,3 – 99,4%) tƣơng đồng với nƣớc thải tại khâu đánh đông của nhà máy cao su trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa. Hàm lƣợng TN và N-NH3 trong nƣớc thải đánh đông tại phòng thí nghiệm cao hơn so với nƣớc thải sơ chế mủ cao su từ nhà máy cao su trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa từ 1,5 – 2,5 lần, tuy nhiên tỷ lệ này tƣơng đƣơng với nƣớc thải của các nhà máy cao su ở phía Nam [112]. Tỷ lệ TN và N-NH3 cao hơn nƣớc thải nhà máy cao su trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa có thể do mủ cao su cô đặc (mủ cao su ly tâm) đã đƣợc bổ sung thêm ammoniac trong quá trình bảo quản nên khi sử dụng làm nguyên liệu để tạo nƣớc thải sơ chế 50 mủ cao su trong phòng thí nghiệm tỷ lệ TN và N-NH3 đã cao hơn. Nƣớc thải đánh đông tại phòng thí nghiệm cũng đƣợc tiền xử lý nhƣ nƣớc thải sơ chế mủ cao su từ nhà máy trƣớc khi đi vào hệ thống UASB. Bảng 3.3. Đặc tính nƣớc thải sơ chế mủ cao su đánh đông trong phòng thí nghiệm Thông số Đơn vị Hàm lƣợng pH 4,7 - 5,0 COD tổng mg-COD/L 12830 - 15270 BOD mg-BOD/L 9040 - 10740 SS mg-SS/L 976 - 1139 TN mg-N/L 2450 - 3400 N-NH3 mg-N/L 1121 - 2299 VFA tổng số mg-COD/L 5455 - 10672 Axetic mg-COD/L 2030 - 3992 Propionic mg-COD/L 2110 - 4337 Iso-Butyric mg-COD/L 49 - 151 N-Butyric mg-COD/L 180 - 983 Iso-valeric mg-COD/L 49 - 258 N-valeric mg-COD/L 363 - 951 Nước thải đánh đông từ mủ ly tâm trong phòng thí nghiệm có tỷ lệ BOD/COD là 0,7; VFA/BOD từ 60,3 – 99,4%, Hàm lượng TN từ 2450 – 3400 mg/L, N-NH3 từ 1121 – 2299 mg/L. Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm có các thông số tương đương nước thải nhà máy cao su trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa (trừ hàm lượng nitơ cao hơn). 3.1.3. Tiền xử lý nước thải nhà máy Do nƣớc thải sơ chế mủ cao su chứa các hạt cao su dƣ nên khi đi vào hệ thống UASB các hạt cao su kết tụ với bùn và nổi lên mặt nƣớc. Hình 3.1. mô tả sự kết tụ của hạt cao su trong hệ thống UASB. Việc bùn kết tụ với hạt cao su nổi lên mặt nƣớc sẽ gây ra trào bùn và tắc nghẽn đƣờng ống dẫn nƣớc và khí, cản trở dòng khí thoát ra. Ngoài ra, các hạt cao su còn gây tắc nghẽn 51 dòng vào hệ thống UASB. Do đó, trƣớc khi tiến hành xử lý bằng phƣơng pháp sinh học, việc loại bỏ hạt cao su là yêu cầu bắt buộc. A B Hình 3.1. Sự kết tụ cao su trong hệ thống UASB (A), mủ cao su dƣ (B) Trong thực tế để loại bỏ hạt cao su dƣ, ngƣời ta đã áp dụng một số phƣơng pháp nhƣ: tuyển nổi, lọc qua lớp sơ dừa kỵ khí. Tuy nhiên các phƣơng pháp này tiêu tốn năng lƣợng và hóa chất, lớp sơ dừa chƣa đƣợc đánh giá độ bền và có thể làm tắc nghẽn gây khó khăn cho vận hành [111]. Để giảm lƣợng cao su dƣ mà ít tiêu tốn năng lƣợng, quá trình loại bỏ hạt cao su dƣ đã đƣợc tiến hành trong thiết bị bẫy cao su. Thiết bị bẫy cao su là một biến thể của thiết bị vách ngăn (BR) cho phép dòng chảy lên xuống, kết quả là các chất rắn lơ lửng bị giữ lại trong thiết bị. Khả năng loại SS của bẫy cao su đƣợc chỉ ra trong hình 3.3. Kết quả ở hình 3.3 cho thấy khi hàm lƣợng SS dòng vào từ 200 -2000 mg/L, hiệu suất xử lý SS tỷ lệ thuận với hàm lƣợng SS dòng vào. Nƣớc thải dòng vào có hàm lƣợng SS trong khoảng 200-500 mg/L, 500 – 1000 mg/L và 1000 – 2000 mg/L, hiệu suất xử lý SS lần lƣợt là 14,9 ± 6,9%, 50,2 ± 1,8% và 70,8 ± 2,2%. Khi hàm lƣợng SS dòng vào khoảng 2000 mg/L, hiệu suất xử lý SS của bẫy cao su (đạt 73,0% với HRT 23 giờ) cao hơn công nghệ lọc mủ bằng sơ dừa (đạt 64,5% với HRT 24h) [5], tƣơng đƣơng với công nghệ gạn mủ gồm: bể gạn mủ, bể ổn định, bể tuyển nổi, bể đông tụ và tuyển nổi [111]. 52 Hình 3.2. Hiệu suất xử lý SS bằng bẫy cao su phụ thuộc hàm lƣợng SS đầu vào Đặc tính nƣớc thải sơ chế mủ cao su trƣớc và sau khi qua bẫy cao su đƣợc chỉ ra trong bảng 3.4. Kết quả cho thấy hàm lƣợng COD, BOD, SS, TN đều giảm trong khi đó hàm lƣợng N- NH3 và VFA tăng nhẹ. Sau khi đi qua hệ thống bẫy cao su nƣớc thải có tỷ lệ BOD/COD là 0,82. Trong quá trình thí nghiệm, các hạt cao su tích tụ và đƣợc giữ lại ở phần đỉnh của thiết bị bẫy cao su. Lƣợng cao su bị giữ này có thể lấy ra định kỳ. Nƣớc thải sơ chế mủ cao su sau khi qua thiết bị bẫy cao su đi vào hệ thống UASB cho hệ thống này vận hành ổn định (không bị tắc nghẽn). Khi sử dụng thiết bị bẫy cao su cho quá trình tiền xử lý nƣớc thải sơ chế mủ cao su có nhiều ƣu điểm nhƣ vận hành đơn giản, tiêu tốn năng lƣợng thấp hơn do không phải cung cấp hóa chất và/hoặc cung cấp năng lƣợng (tạo khí nén), tuy nhiên hạn chế của phƣơng pháp này là thời gian xử lý kéo dài hơn so với phƣơng pháp tuyển nổi. Đây cũng là nguyên nhân mà thiết bị bẫy cao su vẫn chƣa đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế. Ở quy mô sản xuất nhỏ hoặc quy mô phòng thí nghiệm bẫy cao su đƣợc sử dụng trong công đoạn tiền xử lý có hiệu quả kinh tế. 53 Bảng 3.4. Đặc tính nƣớc thải trƣớc và sau khi qua bẫy cao su Thông số Đơn vị Nƣớc thải trƣớc bẫy cao su Nƣớc thải sau bẫy cao su pH 4,6 – 5,4 5,1 – 6,5 COD tổng mg-COD/L 4735 - 9020 3585 - 7400 CODs mg-COD/L 4200 -7450 2736 - 7140 BOD mg-BOD/L 2662 - 6278 2734 - 6048 SS mg-SS/L 274 - 2033 239 - 533 TN mg-N/L 205 - 545 180 - 440 N-NH3 mg-N/L 106 - 257 109 - 344 VFA tổng số mg-COD/L 1343 - 5011 1979 - 5359 Axetic mg-COD/L 530 - 2043 537 - 2081 Propionic mg-COD/L 613 - 2148 776 - 2643 Iso-Butyric mg-COD/L 20 - 78 37 - 103 N-Butyric mg-COD/L 20 - 836 221 - 924 Iso-valeric mg-COD/L 0 - 31 0 – 86 N-valeric mg-COD/L 124 - 822 212 - 820 Nước thải nhà máy sau tiền xử lý có tỷ lệ BOD/COD từ 0,76 – 0,82, VFA/BOD từ 72,4 – 88,6%, phù hợp cho xử lý bằng phương pháp sinh học. 3.2. Nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB 3.2.1. Hoạt hóa bùn trong hệ thống UASB Bùn giống sử dụng trong hệ thống UASB đƣợc lấy từ bể kỵ khí của nhà máy sản xuất tinh bột sắn. Bùn đƣợc hoạt hóa với nƣớc thải sơ chế mủ cao su nhằm thích nghi và nâng cao khả năng chuyển hóa metan giúp quá trình xử lý ổn định. Trong quá trình hoạt hóa bùn đƣợc đánh giá qua các thông số SMA, MLSS, MLVSS và SVI. a. Hoạt tính sinh metan riêng 54 Hoạt tính sinh metan riêng là một trong những thông số quan trọng để lựa chọn bùn giống. SMA biểu thị khả năng sinh khí metan của bùn đối với một cơ chất cụ thể [72]. Hoạt tính sinh metan riêng của bùn khi tiến hành hoạt hóa trong hệ thống UASB, cũng nhƣ ảnh hƣởng của tải trọng đến chỉ số SMA đƣợc trình bày trong hình 3.3. Hình 3.3. SMA của bùn và ảnh hƣởng của OLR đến SMA trong thời gian hoạt hóa Hoạt tính sinh metan riêng tăng dần theo thời gian hoạt hóa bùn và tải trọng hữu cơ. Khi tăng OLR, SMA cũng tăng theo và đạt trạng thái ổn định từ ngày 36 tại OLR là 2,31 kg- COD/m 3 .ngày. Tiếp tục tăng OLR đến 2,65 kg-COD/m3.ngày, SMA vẫn tăng nhƣng với tốc độ chậm hơn và đạt giá trị ổn định khi OLR > 2,65 kg-COD/m3.ngày. Hoạt tính sinh metan riêng của bùn giống và bùn trong hệ thống ngày 73 lần lƣợt là 0,310 ± 0,007 gCH4- COD/gVSS.ngày và 0,831 ± 0,013 gCH4-COD/gVSS.ngày. Khi hoạt hóa bùn trong trong hỗn hợp VFA, SMA của bùn đã tăng từ 0,04 lên 0,85 gCH4- COD/gVSS.ngày [189]. Shin và cộng sự (2001) cũng công bố SMA của bùn trong hệ thống UASB xử lý nƣớc thải từ nhà máy thực phẩm là 0,81 gCH4-COD/ gVSS.ngày [148]. Các nghiên cứu trƣớc đây về ảnh hƣởng OLR đến SMA cũng chứng minh rằng khi tăng OLR thì SMA tăng [80, 87, 116, 185, 186]. Khi khởi động hệ thống UASB trong 60 ngày bằng nƣớc thải tổng hợp với OLR tăng từ 2,0 đến 2,7 kg-COD/m3.ngày, SMA cũng tăng từ 0,26 đến 0,70 gCH4-COD/gVSS.ngày [185, 186]. Các thí nghiệm xử lý nƣớc thải đô thị của Leitao và cộng sự (2009) cũng chỉ ra khi tăng OLR bằng cách giảm HRT với COD dòng vào cố định khoảng 816 mg/L, giá trị SMA là 0,18; 0,3 và 0,59 gCH4-COD/gVSS.ngày tƣơng ứng với HRT là 6h, 4h và 2h [87]. Trong nghiên cứu này, SMA cũng tăng theo OLR, SMA đạt giá trị 0,831 ± 0,013 gCH4-COD/gVSS.ngày khi OLR đạt 2,65 kg-COD/m 3 .ngày. Nhƣ vậy, bùn sau quá trình hoạt hóa đã ở trạng thái hoạt động tốt. b. Nồng độ MLSS, MLVSS và chỉ số SVI 55 Bảng 3.5 chỉ ra sự thay đổi hàm lƣợng MLSS và MLVSS của bùn giống và bùn sau quá trình hoạt hóa. Bảng 3.3. Hàm lƣợng MLSS và MLVSS của bùn giống và bùn đã hoạt hóa Kết quả chỉ ra rằng .hàm lƣợng MLSS trung bình của bùn giống và bùn sau hoạt hóa 73 ngày tƣơng ứng là 53,10 g/L và 58,86 g/L. Tại các vị trí từ đáy thiết bị đến chiều cao 77 cm, hàm lƣợng MLSS của bùn sau hoạt hóa lớn hơn bùn giống trong khi tại các vị trí chiều cao thiết bị từ 92 đến 137 cm hàm lƣợng MLSS của bùn sau hoạt hóa thấp hơn. Hàm lƣợng MLVSS của bùn giống và bùn sau hoạt hóa lần lƣợt là 26,98g/L và 31,86 g/L; tƣơng ứng với tỷ lệ MLVSS/MLSS của bùn giống và bùn sau hoạt hóa lần lƣợt là 0,51 và 0,54. Kết quả cho thấy hàm lƣợng sinh khối bùn sau hoạt hóa đã tăng so với bùn giống và bùn có thể có xu hƣớng lắng xuống đáy thiết bị. Chiều cao thiết bị (cm) Ngày 1 Ngày 73 MLSS (g/L) MLVSS (g/L) MLVSS/ MLSS MLSS (g/L) MLVSS (g/L) MLVSS/ MLSS 2 72,54 37,62 0,52 118,11 61,92 0,52 17 106,78 57,46 0,54 125,52 66,45 0,53 32 90,11 46,19 0,51 98,69 54,66 0,55 47 79,43 39,28 0,49 89,34 50,24 0,56 62 67,82 32,76 0,48 68,43 37,02 0,54 77 48,52 22,54 0,46 47,36 26,37 0,56 92 28,76 15,02 0,52 27,17 14,73 0,54 107 15,41 7,62 0,49 10,46 5,21 0,50 122 11,32 6,1 0,54 1,88 1,02 0,54 137 10,34 5,24 0,51 1,61 1,08 0,61 56 Kiểm tra khả năng lắng của bùn thông qua chỉ số SVI, kết quả chỉ trong hình 3.4. Kết quả cho thấy SVI của bùn giống (ngày 1) và bùn sau hoạt hóa (ngày 73) lần lƣợt là 59,3 mL/g và 29,2 mL/g. Khi SVI trong khoảng 20 – 40 mL/g bùn ở dạng kết bông và SVI trong khoảng 10 – 20 mL/g bùn ở dạng hạt [54]. Nhƣ vậy, trong quá trình hoạt hóa bùn giống chỉ số SVI đã giảm nghĩa là bùn lắng tốt hơn nhƣng bùn vẫn ở dạng phân tán. Hình 3.4. SVI của bùn ngày 1 và ngày 73 của quá trình hoạt hóa trong hệ thống UASB Sau quá trình hoạt hóa bùn giống, SMA đạt 0,831 ± 0,013 gCH4-COD/gVSS.ngày, hàm lượng MLSS là 58,9 g/L, tỷ lệ MLVSS/MLSS là 0,54 và chỉ số SVI là 29,2 mL/g. Bùn có màu đen, tuy nhiên vẫn ở dạng phân tán. Bùn sau quá trình hoạt hóa được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.2.2. Nghiên cứu một số điều kiện ảnh hưởng tới sự hình thành bùn hạt Quá trình hình thành hạt bùn rất nhạy cảm với sự thay đổi các điều kiện quá trình vận hành hệ thống UASB và thành phần cơ chất trong nƣớc thải. Trong đó các yếu tố ảnh hƣởng nhiều nhất đến quá trình hình thành hạt bùn là hàm lƣợng ô nhiễm hữu cơ (hay tải trọng hữu cơ) và thành phần nƣớc thải [61, 156]. Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung vào xác định ảnh hƣởng của tải trọng hữu cơ, việc bổ sung AlCl3 và rỉ đƣờng đến quá trình hình thành hạt bùn. Các thông số đánh giá quá trình hình thành bùn hạt là sự phân bố kích thƣớc hạt bùn (hình thái, kính thƣớc), chỉ số thể tích lắng (SVI) và hiệu suất sinh khí metan. 3.3.1. Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ Trong quá trình vận hành hệ thống UASB, tập hợp vi sinh vật sử dụng cơ chất và các sản phẩm ngoại bào nhƣ nguồn thức ăn để sinh trƣởng và phát triển. Các vi sinh vật này có thể 57 bám dính vào nhau và hình thành nên các cụm tế bào dẫn đến hình thành bùn hạt. Sự phát triển của vi sinh vật bị giới hạn bởi hàm lƣợng cơ chất. Nếu cung cấp lƣợng cơ chất không đủ dẫn đến việc suy vong các tế bào vi sinh vật làm mất đi sự liên kết giữa chúng trong hạt bùn và làm giảm mật độ vi sinh vật. Việc cung cấp đủ lƣợng cơ chất sẽ phát triển số lƣợng tế bào và hình thành nên các cụm tế bào. Các vi sinh vật trong các cụm tế bào này sinh trƣởng và phát triển dẫn đến làm tăng kích thƣớc bùn hạt tƣơng tự nhƣ mô hình phát triển hạt bùn đƣợc đề xuất bởi Pareboom (1994) [122]. Tác động của OLR đến quá trình hình thành bùn hạt trong nƣớc thải sơ chế mủ cao su đƣợc đánh giá thông qua các thông số: kích thƣớc hạt bùn, SVI và hiệu suất sinh khí metan. a. Kích thước hạt bùn Kích thƣớc hạt bùn là một trong những thông số quan trọng nhất trong vận hành hệ thống UASB thành công. Khi vận hành hệ thống UASB với OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg- COD/m 3 .ngày, bùn hạt không đƣợc hình thành (nhƣ bùn giống hình 3.5A). Trong khi đó, vận hành UASB với OLR trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg-COD/m3.ngày bùn hạt đã hình thành. Bùn hạt đƣợc quan sát sau 45 ngày (hình 3.5B) tại OLR là 3,75 kg-COD/m3.ngày và sau 60 ngày (hình 3.5C) tại OLR là 3,95 kg-COD/m3.ngày. Bùn giống ngày thứ nhất ở dạng phân tán (hình 3.5A). Sau 45 và 60 ngày vận hành với sự tăng dần OLR, bùn hạt đã xuất hiện. Bùn hạt có màu đen, hình cầu hoặc oval. Kích thƣớc bùn hạt phân bố trong một dải rộng. (A)-Bùn giống, (B)-Bùn khi OLR đạt 3,75 kg-COD/m3.ngày, (C)-Bùn khi OLR đạt 3,95 kg-COD/m3.ngày Hình 3.5. Hình thái bùn khi tăng OLR trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg COD/m3.ngày 58 Hình 3.6 thể hiện sự phân bố kích thƣớc hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg- COD/m 3 .ngày. Hạt bùn đã hình thành khi OLR đạt 3,75 kg-COD/m3.ngày với kích thƣớc hạt < 1 mm, trong đó các hạt có kích thƣớc 0,5 – 1,0 mm chiếm 40,9%. Khi OLR đạt 3,95 kg- COD/m 3 .ngày , tỷ lệ phân bố kích thƣớc đã đƣợc cải thiện, các hạt có đƣờng kính lớn hơn 2 mm đã xuất hiện với tỷ lệ 5,1%, các hạt có đƣờng kính 1 - 2 mm chiếm 9,8% và các hạt có đƣờng kính 0,5 - 1 mm chiếm 44,6%. Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu trƣớc đây cho thấy rằng quá trình hình thành hạt bùn tốt khi OLR từ 2 – 4,5 kgCOD/m3.ngày [54] và khi OLR < 1,5 kgCOD/m 3 .ngày sự hình thành hạt không rõ rệt [8] Hình 3.6. Phân bố kích thƣớc hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg-COD/m3.ngày Trong một số hệ thống UASB, kích thƣớc hạt bùn kỵ khí có thể phát triển đến 5 mm hoặc thậm chí lớn hơn nhƣng chúng dễ bị nổi [36, 122, 156]. Do đó, trong quá trình vận hành trên quy mô công nghiệp, phân bố kích thƣớc bùn hạt dao động trong khoảng hẹp là thích hợp và bùn hạt có đƣờng kính trung bình từ 1,0 - 2,0 mm đƣợc ƣa chuộng nhất. Bùn hạt có kích thƣớc trong khoảng này thƣờng đƣa đến khả năng lắng tốt [94]. b. Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI) Chỉ số SVI của bùn khi OLR (1,01±0,32 kg-COD/m3.ngày) và OLR (3,1±0,92 kg- COD/m 3 .ngày) tại ngày 60 đƣợc chỉ ra trong hình 3.7. 59 Hình 3.7. SVI của bùn giống và bùn trong hệ thống UASB ứng với các OLR Kết quả cho thấy sau 60 ngày vận hành hệ thống UASB với OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg-COD/m 3 .ngày, SVI của bùn giống đƣợc giảm từ 42,6 mL/g xuống 26,4 mL/g. Trong khi đó, vận hành với OLR trong khoảng 3,1 ± 0,92 kgCOD/m3.ngày, SVI giảm đến 16,6 mL/g. Ghangrekar và cộng sự (2005) cho rằng vận hành hệ thống UASB với OLR nhỏ hơn 5,0 kg-COD/m 3 .ngày, chỉ số SVI sau giai đoạn khởi động nhỏ hơn 16mL/g [54]. Yoochatchaval và cộng sự (2008) đã khởi động hệ thống UASB bằng nƣớc thải tổng hợp có hàm lƣợng COD thấp (0,6 – 0,8 g/L) với OLR tăng từng bƣớc đến 6,0 kg COD/m3.ngày trong 76 ngày, tác giả chỉ ra rằng chỉ số SVI của bùn hạt đã tăng từ 12,5 mL/g lên 17,4 mL/g và duy trì ổn định ở mức 17,3±1,2 mL/g [184]. Nhƣ vậy, thành phần và hàm lƣợng cơ chất khác nhau đã tác động đến chỉ số SVI và điều chỉnh giá trị của chỉ số này. Kết quả trong thí nghiệm này chỉ ra rằng vận hành hệ thống UASB với việc tăng dần OLR trong khoảng 3,1 ± 0,92 kg COD/m3.ngày, SVI của hệ bùn giảm rất nhiều so với bùn giống. Chỉ số SVI khi vận hành hệ thống với OLR trong khoảng 3,1 ± 0,92 kg COD/m3.ngày cũng nằm trong khoảng SVI của các loại bùn hạt [54]. Do đó, bùn hạt khi vận hành ở chế độ này đƣa đến kết quả về khả năng lắng tốt hơn. Điều này chứng tỏ điều kiện vận hành hệ thống UASB ở tải trọng trong khoảng 3,1 ± 0,92 kg COD/m 3 .ngày thuận lợi cho sự hình thành bùn hạt. c. Hiệu suất sinh khí metan Hình 3.8 biểu diễn thông số về tỷ lệ khí metan và hiệu suất sinh khí metan khi vận hành hệ thống UASB với các OLR khác nhau. 60 Hình 3.8. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi thay đổi OLR Kết quả chỉ ra rằng khi vận hành hệ thống UASB với OLR là 1,01 ± 0,32 kg COD/m 3 .ngày, tỷ lệ khí metan là 79,8 ± 7,7%. Hiệu suất sinh khí metan đạt 0,258 ± 0,066 m3- CH4/kg-CODchuyển hóa (ở nhiệt độ 0 o C, áp suất khí quyển). Khi vận hành hệ thống UASB với OLR là 3,1 ± 0,92 kg COD/m 3 .ngày, tỷ lệ khí metan từ 80,6 ± 4,1%. Hiệu suất sinh khí metan đạt 0,260 ± 0,093 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa. Kết quả này chỉ ra rằng hiệu suất sinh khí metan cũng nhƣ tỷ lệ khí metan trong quá trình vận hành hệ thống UASB với OLR là 3,1 ± 0,92 kg COD/m 3 .ngày tăng nhẹ so với quá trình vận hành hệ thống UASB với OLR là 1,01 ± 0,32 kg COD/m 3.ngày. Nhƣ vậy khả năng thích ứng của bùn tốt khi tăng dần tải trọng từ 1,16 kg COD/m 3.ngày đến 4,16 kg COD/m3.ngày và việc tăng dần tải trọng này không ảnh hƣởng nhiều đến hiệu suất sinh khí metan cũng nhƣ tỷ lệ khí metan thu đƣợc tuy nhiên thể tích khí sinh ra trong ngày cao hơn (kết quả không trình bày). 61 Khi nghiên cứu quá trình xử lý nƣớc thải cao su tại Thái Lan bằng hệ thống hai UASB mắc nối tiếp, bùn hạt đã hình thành trong thiết bị sau 89 ngày và hiệu suất sinh khí metan của bùn là 0,116 m 3 -CH4/kg-CODchuyển hóa [78]. Trong nghiên cứu này bùn hạt đã hình thành sớm hơn, hiệu suất sinh khí metan lớn hơn. Khi vận hành hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su với OLR trong khoảng 3,1± 0,92 kg-COD/m 3.ngày; thời gian lưu nước thải (HRT) 18h, bùn hạt được hình thành sau 45 ngày khởi động. Sau 60 ngày vận hành hệ thống UASB, hạt bùn có kích thước lớn hơn 2 mm chiếm 5,1%, chỉ số lắng của bùn 16,6 mL/g, hiệu suất sinh khí metan đạt 0,260 ± 0,093 m 3 /kg-CODchuyển hóa với tỷ lệ metan đạt 80,6 ± 6,1%. 3.3.2. Ảnh hưởng của AlCl3 Sự xuất hiện các ion dƣơng hóa trị 2 và 3 nhƣ Ca2+ , Mg2+ , Fe2+ và Al3+ có thể liên kết với các tế bào mang điện tích âm tại pH trung tính để tạo thành một hạt nhân vi sinh vật. Các nghiên cứu gần đây cho thấy nồng độ 300 mg- AlCl3/L đã nâng cao hiệu quả tạo hạt bùn trong nƣớc thải tổng hợp và nƣớc thải sơ chế mủ cao su tự nhiên ở Thái Lan [29]. Tuy nhiên quy trình sơ chế mủ cao su ở Thái Lan khác ở Việt Nam nên tính chất nƣớc thải cũng khác nhau. Ảnh hƣởng của AlCl3 tới hạt bùn trong môi trƣờng nƣớc thải sơ chế cao su của Việt Nam chƣa đƣợc công bố. Trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát ảnh hƣởng của AlCl3 đến quá trình hình thành hạt bùn trong nƣớc thải sơ chế mủ cao su. Tác động của AlCl3 đến quá trình hình thành bùn hạt đƣợc đánh giá qua các thông số kích thƣớc hạt bùn, khả năng lắng (SVI) và khả năng sinh khí metan. a. Kích thước hạt bùn Sự thay đổi về hình thái bùn giống và bùn hạt trong hệ thống UASB khi vận hành với nƣớc thải sơ chế mủ cao su có bổ sung 300 mg-AlCL3/L sau 60 và 103 ngày đƣợc chỉ ra trong hình 3.9. Khi bổ sung 300mg-AlCl3/L, bùn hạt hình thành sau 20 ngày với kích thƣớc hạt khoảng 0,2mm (hình ảnh không đƣa vào). Bùn hạt có kích thƣớc trên 2 mm xuất hiện vào ngày 60. Tỷ lệ bùn hạt kích thƣớc lớn hơn 1 mm tiếp tục tăng và đạt xấp xỉ 78% vào ngày 103. 62 Bùn giống (A), bùn hạt sau 60 (B) và 103 ngày (C) Hình 3.9. Hình thái bùn hạt khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L Hình 3.10 mô tả phân bố kích thƣớc bùn hạt trong quá trình khởi động hệ thống UASB không bổ sung và bổ sung AlCl3 vào ngày 60 và 103. Hình 3.10. Phân bố kích thƣớc hạt bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 và ngày 103 Sau 60 ngày bổ sung AlCl3 bùn hạt có đƣờng kính trên 2,0 mm; 1,0 – 2,0 mm; 0,5 - 1,0 mm và dƣới 0,5 mm có tỷ lệ lần lƣợt là 13,0%; 28,1%; 26,6% và 32,3%. Khi không bổ sung AlCl3 tỷ lệ này lần lƣợt là 5,1%; 9,8%; 44,6% và 59,5%. Kết quả này chỉ ra rằng khi bổ sung AlCl3 rút ngắn đƣợc thời gian hình thành bùn hạt và tỷ lệ bùn hạt kích thƣớc từ 1,0 mm trở lên đã đƣợc cải thiện. Sự phát triển của bùn hạt khi bổ sung AlCl3 vẫn tiếp tục tăng. Sau 103 ngày bổ sung AlCl3, bùn hạt có đƣờng kính hạt trên 2,0 mm chiếm 36,9%, hạt bùn có đƣờng kính 1,0 – 2,0 63 mm chiếm 39,9%, hạt có đƣờng kính 0,5 -1,0 mm chiếm 11,2% và dƣới 0,5 mm chiếm 12,1%. Tỷ lệ kích thƣớc bùn hạt lớn hơn 2,0mm tăng 2,84 lần so với ngày 60. Nhƣ vậy, kích thƣớc bùn hạt tiếp tục phát triển theo thời gian khi bổ sung AlCl3. Các nghiên cứu trƣớc đây chỉ ra rằng khi vận hành hệ thống UASB có bổ sung 300 mg/L AlCl3 vào nƣớc thải tổng hợp (cơ chất là glucoza) với OLR đƣợc tăng từ 2,0 – 8,0 kg- COD/m 3. ngày, sau 30 ngày bùn hạt hình thành với đƣờng kính lớn từ 0,2 – 0,6 mm [185]. Boonsawang và công sự (2008) cũng công bố bùn hạt có kích thƣớc lớn từ 0,5 - 0,8 mm xuất hiện trong nƣớc thải sơ chế mủ cao su sau 28 ngày khi bổ sung AlCl3 với liều lƣợng là 300 mg/L vào nƣớc thải có hàm lƣợng COD là 4000 mg/L và OLR là 1 kg-COD/m3.ngày [29]. Nghiên cứu về tác động của AlCl3 đến quá trình hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB với nƣớc thải từ nhà máy bánh kẹo cho thấy với liều lƣợng 300 mg-AlCl3/L, bùn hạt quan sát đƣợc sau 15 ngày với đƣờng kính hạt 0,5 – 1,0 mm [9]. Mặc dù bổ sung với liều lƣợng AlCl3 nhƣ nhau nhƣng thời gian tạo bùn hạt rất khác nhau đối với mỗi loại nƣớc thải. Các loại nƣớc thải giàu hidratcacbon đƣa đến việc hình thành hạt bùn nhanh hơn. Trong nghiên cứu này, khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L bùn hạt hình thành sau 20 ngày với kích thƣớc từ 0,2 - 0,5mm và sau 60 ngày kích thƣớc hạt đạt trên 1 mm là 41%. b. Chỉ số lắng của bùn (SVI) Hình 3.11 chỉ ra sự thay đổi chỉ số SVI trong quá trình tạo bùn hạt trong nƣớc thải sơ chế mủ cao su không bổ sung AlCl3 và có bổ sung 300mg- AlCl3/L. Hình 3.11. Chỉ số SVI của bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 Kết quả cho thấy sau ngày 60, SVI của bùn trong hệ thống UASB khi vận hành với chế độ bổ sung và không bổ sung AlCl3 lần lƣợt là 17,68 mL/g và 16,64 mL/g. Chỉ số SVI của cả mẫu thí nghiệm và đối chứng đều thấp hơn bùn giống, nói cách khác bùn hạt có khả năng lắng tốt hơn. Kết quả này cũng phù hợp với công bố của Abbasi và cộng sự (2013) khi cho rằng các giá trị SVI giảm khi kích cỡ hạt tăng trong quá trình hình thành bùn hạt có bổ sung AlCl3 [9]. 64 Trái lại, những nghiên cứu của Boonsawang và cộng sự (2008) lại cho rằng sau 30 ngày vận hành UASB với nƣớc thải sơ chế mủ cao su chỉ số SVI của mẫu bùn hạt có bổ sung 300mg- AlCl3/L tăng từ 77 mL/g đến 91 mL/g trong khi mẫu đối chứng chỉ tăng nhẹ (từ 77 mL/g đến 79 mL/g) [29]. Trong nghiên cứu này chỉ số SVI của cả mẫu bổ sung AlCl3 và không bổ sung đều giảm mạnh và đều nhỏ hơn 20 mL/g. Kết quả này khẳng định thêm rằng sau 60 ngày vận hành hệ thống với nƣớc thải sơ chế mủ cao su, bùn hạt đã hình thành và việc bổ sung 300mg- AlCl3/L đã rút ngắn thời gian thình thành bùn hạt. Kết quả này cho phép nâng tải trọng hữu cơ cho hệ thống UASB cao hơn mà quá trình vận hành vẫn ổn định. c. Hiệu suất sinh khí metan Hình 3.12 biểu diễn hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi vận hành UASB bằng nƣớc thải sơ chế mủ cao su không bổ sung AlCl3 và bổ sung AlCl3 với HRT là 18h, OLR tăng từ 1,2 – 4,2 kg-COD/m3.ngày. Hình 3.12. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan có bổ sung và không bổ sung AlCl3 65 Kết quả chỉ ra rằng khi không bổ sung AlCl3 và bổ sung AlCl3, tỷ lệ khí metan thu đƣợc lần lƣợt là 80,6 ± 4,1% và 81,8 ± 11,3%. Hiệu suất sinh khí metan khi không bổ sung AlCl3 và bổ sung AlCl3 lần lƣợt là 0,260 ± 0,093 m 3 -CH4/kg-CODchuyển hóa và 0,322 ± 0,091 m 3 -CH4/kg- CODchuyển hóa. Kết quả này chỉ ra rằng khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L, tỷ lệ khí metan trong hỗn hợp khí sinh học tƣơng đƣơng nhau nhƣng hiệu suất sinh khí metan đều cao hơn khi không bổ sung AlCl3. Các nghiên cứu của Yu và các cộng sự (2001) cũng chỉ ra rằng hiệu su

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfnghien_cuu_qua_trinh_tao_bun_hat_trong_he_thong_uasb_nham_xu_ly_nuoc_thai_so_che_mu_cao_su_4633_1937.pdf
Tài liệu liên quan