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

su li tâm trong phòng thí nghiệm. Quy trình đánh đông tuân thủ theo quy trình của nhà máy cao su tại Thanh Hóa. Đặc tính của nước thải sơ chế mủ cao su trong phòng thí nghiệm được thể hiện trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Đặc tính nước 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 tại phòng thí nghiệm sử dụng mủ ly tâm có tỷ lệ BOD/COD là 0,7; VFA/BOD từ 60,3 – 99,4%, 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 từ nhà máy cao su ở tỉnh Thanh Hóa trừ hàm lượng nitơ cao hơn. Hàm lượng nitơ trong nước thải này tương đương với nước thải của một số nhà máy cao su tại Nam Bộ. Do đó, sử dụng nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm có thể thay thế nước thải sơ chế mủ cao su lấy tại nhà máy. 3.1.3. Tiền xử lý nước thải nhà máy Trong các công trình xử lý hiện tại, các hạt cao su dư trong nước thải đi vào hệ thống UASB kết tụ với bùn và nổi lên mặt nước, cản trở dòng khí thoát ra. Hình 3.1. mô tả sự kết tụ của hạt cao su dư trong hệ thống UASB. A B Hình 3.1. Sự kết tụ cao su trong hệ thống UASB (A), hạt cao su kết tụ với bùn (B) Như vậy, việc loại bỏ hạt cao su là yêu cầu bắt buộc trước khi tiến hành xử lý bằng hệ thống UASB. Để giảm lượng cao su dư mà ít tiêu tốn năng lượng, quá trình loại bỏ cao su dư đã được tiến hành trong thiết bị bẫy cao su. Nước thải sơ chế mủ cao su được pha loãng với nước máy để đạt nồng độ COD theo yêu cầu. Khả năng loại SS của thiết bị bẫy cao su được chỉ ra trong hình 3.2. Khi hàm lượng SS dòng vào từ 200 - 2000 mg/L, hiệu suất xử lý SS tỷ lệ thuận với hàm lượng SS dòng vào. Nước thải dòng vào có 6 hàm lượng SS trong khoảng 200 - 500 mg/L, 500 - 1000 mg/L và 1000 – 2000 mg/L, hiệu suất xử lý SS lần lượt là 14,9 ± 6,9%, 50,2 ± 1,8% và 70,8 ± 2,2%. Khi hàm lượng SS dòng vào khoảng 2000 mg/L, hiệu suất xử lý SS của thiết bị bẫy cao su đạt 73,0% với HRT 23 giờ. Hình 3.2. Hiệu suất xử lý SS biến động theo hàm lượng SS đầu vào Đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su trước và sau khi qua bẫy cao su được chỉ ra trong bảng 3.4. Bảng 3.4. Đặc tính nước thải trước 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 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 sau khi qua thiết bị bẫy cao su có tỷ lệ BOD/COD là 0,82, VFA tăng nhẹ. Nước thải sau quá trình tiền xử lý sẽ tiếp tục được xử lý trong hệ thống UASB. 3.2. Nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB 3.2.1. Hoạt hóa bùn trong hệ thống UASB Bùn được hoạt hóa bằng nước thải sơ chế mủ cao su từ nhà máy trong 73 ngày. Nước thải được pha loãng đến nồng độ thích hợp bằng nước máy, pH: 6,8 – 7,2. OLR được tăng trong khoảng 0,72 – 2,61 kg- COD/m 3 .ngày thông qua việc tăng COD dòng vào, HRT là 18h. Trong quá trình hoạt hóa, bùn được lấy 7 mẫu định kỳ sau 15 ngày và xác định các thông số: hoạt tính sinh metan riêng (SMA), chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp lỏng (MLSS) và chất rắn lơ lửng dễ bay hơi trong hỗn hợp lỏng (MLVSS). Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI) trước và sau hoạt hóa cũng được xác định. a. Hoạt tính sinh metan riêng SMA của bùn hoạt hóa trong hệ thống UASB được biểu diễn trong hình 3.3. Hình 3.3. SMA của bùn và ảnh hưởng của OLR đến SMA trong thời gian hoạt hóa SMA của bùn giống là 0,310 ± 0,007 gCH4-COD/gVSS.ngày. Khi tăng OLR, SMA cũng tăng theo và đạt giá trị ổn định khi OLR > 2,65 kg-COD/m3.ngày. Sau 73 ngày hoạt hóa bùn, SMA đạt 0,831 ± 0,013 gCH4-COD/gVSS.ngày với OLR là 2,65 kg-COD/m 3 .ngày. Như vậy, bùn sau quá trình hoạt hóa đã ở trạng thái hoạt động ổn định. b. Nồng độ MLSS, MLVSS và chỉ số SVI Bảng 3.5 chỉ ra sự thay đổi hàm lượng MLSS và MLVSS của bùn giống và bùn sau quá trình hoạt hóa theo chiều cao thiết bị. Bảng 3.5. Hàm lượng MLSS và MLVSS của bùn giống và bùn đã hoạt hóa Hàm lượng MLSS của bùn giống và bùn sau hoạt hóa 73 ngày tương ứng là 53,10 g/L và 58,86 g/L. MLVSS của bùn giống và bùn sau hoạt hóa lần lượt là 26,98g/L và 31,86 g/L; tương ứng với tỷ lệ MLVSS/MLSS của bùn giống và bùn sau hoạt hóa lần lượt là 0,51 và 0,54. Khả năng lắng của bùn được biểu diễn thông qua chỉ số SVI. SVI của bùn giống (ngày 1) và bùn hoạt tính (ngày 73) lần lượt là 59,3 mL/g và 29,2 mL/g (hình 3.4). Như vậy, trong quá trình hoạt hóa bùn giống chỉ số SVI đã giảm, bùn có khả năng lắng tốt hơn và ở dạng phân tán. 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 8 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 0,5, chỉ số SVI đạt 29,2 mL/g. Bùn có màu đen và ở dạng phân tán, đạt trạng thái hoạt động ổn định. 3.2.2. Nghiên cứu một số điều kiện ảnh hưởng tới sự hình thành bùn hạt 3.2.2.1. Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ OLR được thay đổi trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg-COD/m3.ngày và trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg- COD/m 3 .ngày, HRT giữ ở 18h, nhiệt độ duy trì 35 oC trong 70 ngày. Các thông số xác định: kích thước bùn hạt, thành phần khí, thể tích khí, COD và SVI. a. Kích thước hạt bùn Khi vận hành UASB với OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg-COD/m3.ngày, bùn hạt không được hình thành (như bùn giống hình 3.5A). Khi tăng OLR lên 3,10 ± 0,92 kg-COD/m3.ngày hạt bùn đã hình thành. Bùn hạt được quan sát sau 45 ngày tại OLR 3,75 kg-COD/m3.ngày (hình 3.5B) và sau 60 ngày vận hành tại OLR là 3,95 kg-COD/m3.ngày (hình 3.5C) (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 Hình 3.6. Phân bố kích thước hạt bùn tại OLR đạt 3,75 và 3,95 kg-COD/m3.ngày 9 Hạt bùn có màu đen, có hình cầu hoặc oval. Bùn hạt hình thành khi OLR đạt 3,75 kg-COD/m3.ngày với kích thước hạt < 1 mm, trong đó các hạt có kích thước 0,5 – 1,0 mm chiếm 40,9%. Khi OLR đạt 3,95 kg-COD/m 3 .ngày, tỷ lệ phân bố kích thước bùn hạt đã được cải thiện, các hạt có đường kính lớn hơn 2 mm đã xuất hiện với tỷ lệ 5,1%, các hạt có đường kính 1 - 2 mm chiếm 9,8% và các hạt có đường kính 0,5 - 1 mm chiếm 44,6% (hình 3.6). b. Chỉ số thể tích lắng của bùn SVI của bùn sau 60 ngày vận hành hệ thống UASB với OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg- COD/m 3 .ngày giảm từ 42,6 mL/g xuống 26,4 mL/g trong khi vận hành với OLR trong khoảng 3,1 ± 0,92 kg-COD/m 3 .ngày giảm đến 16,6 mL/g (hình 3.7). Hình 3.7. SVI của bùn giống và bùn trong hệ thống UASB ứng với các OLR c. Hiệu suất sinh khí metan Hình 3.8 biểu diễn tỷ lệ khí metan và hiệu suất sinh khí metan khi vận hành hệ thống UASB làm việc tại các chế độ OLR khác nhau. Hình 3.8. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi thay đổi OLR Khi vận hành hệ thống UASB với OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg-COD/m3.ngày, tỷ lệ khí metan trong hỗn hợp khí là 79,8 ± 7,7%, hiệu suất sinh khí metan đạt 0,258 ± 0,066 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa. Khi vận hành hệ thống UASB với OLR là 3,1 ± 0,92 kg-COD/m3.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. 10 Khi vận hành hệ thống UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao su với OLR tăng trong khoảng 3,1± 0,92 kg-COD/m 3 .ngày; HRT 18h, bùn hạt đã hình thành sau 45 ngày khởi động. Sau 60 ngày hạt bùn có kích thước lớn hơn 2 mm chiếm tỷ lệ 5,1%, chỉ số lắng của bùn 16,6 mL/g, hiệu suất sinh metan đạt 0,260 ± 0,093 m 3 -CH4/kg-CODchuyển hóa với tỷ lệ khí metan đạt 80,6 ± 6,1%. 3.2.2.2. Ảnh hưởng của AlCl3 Nước thải sơ chế mủ cao su từ nhà máy được pha loãng bằng nước máy đến COD theo yêu cầu, bổ sung 300 mg- AlCl3/L và điều chỉnh pH bằng NaOH đến 6,8 – 7,2. OLR trong khoảng 3,18 ± 0,74 kg- COD/m 3 .ngày, HRT là 18h, nhiệt độ duy trì 35 oC trong 103 ngày. Các thông số xác định: kích thước bùn hạt, thành phần khí, thể tích khí, COD và SVI. a. Kích thước hạt bùn Sự thay đổi về hình thái bùn giống và bùn hạt trong hệ thống UASB khi vận hành với nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung 300 mg- AlCl3/L sau 60 và 103 ngày được chỉ ra trong hình 3.9. 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 Khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L, bùn hạt hình thành sau 20 ngày với kích thước khoảng 0,2 mm (hình ảnh không đưa vào) trong khi không bổ sung AlCl3 bùn hạt xuất hiện vào ngày thứ 45. Hạt bùn có kích thước trên 2 mm đã xuất hiện vào ngày 60. Kích thước hạt bùn lớn hơn 1 mm tiếp tục tăng và đạt xấp xỉ 78% vào ngày 103. Hình 3.10 mô tả phân bố kích thước bùn hạt của quá trình không bổ sung và bổ sung AlCl3 vào ngày 60 và 103. Hình 3.10. Phân bố kích thước hạt bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 và ngày 103 Sau 60 ngày bổ sung 300mg-AlCl3/L hạt bùn có kích thước trên 2,0 mm chiếm 13,0%, kích thước 1,0 – 2,0 mm chiếm 28,1%, kích thước 0,5 - 1,0 mm chiếm 26,6%, và kích thước dưới 0,5 mm chiếm 32,3%. Khi không bổ sung AlCl3 các hạt bùn có kích thước lớn hơn 2,0 mm chiếm 5,1%, kích thước 1,0 mm < d < 2,0 mm chiếm 9,8%, kích thước 0,5 mm < d < 1 mm chiếm 44,6%. So với khi không bổ sung AlCl3, kích thước bùn hạt lớn hơn. Như vậy, bổ sung 300mg-AlCl3/L đã rút ngắn được thời gian tạo bùn hạt và tỷ lệ kích thước hạt bùn từ 1,0 mm trở lên được cải thiện. 11 Vào ngày 103, kích thước hạt bùn trên 2,0 mm chiếm 36,9%, kích thước 1,0 - 2,0 mm chiếm 39,9%, kích thước 0,5 - 1,0 mm chiếm 11,2% và kích thước dưới 0,5 mm chiếm 12,1%. Tỷ lệ kích thước hạt bùn lớn hơn 2,0 mm tăng 2,84 lần so với ngày 60. Như vậy, khi bổ sung 300 mg-AlCl3 kích thước hạt bùn vẫn tiếp tục phát triển theo thời gian. b. Chỉ số thể tích lắng của bùn SVI của bùn sau quá trình tạo bùn hạt trong nước thải sơ chế mủ cao su không bổ sung AlCl3 và có bổ sung 300mg- AlCl3/L được chỉ ra trên hình 3.11. Hình 3.11. Chỉ số SVI của bùn khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 vào ngày 60 SVI của bùn vào ngày 60 của quá trình tạo bùn hạt trong nước thải sơ chế mủ cao su bổ sung và không bổ sung AlCl3 lần lượt là 17,68 mL/g và 16,64 mL/g. Mặc dù SVI của bùn hạt bổ sung AlCl3 cao hơn khi không bổ sung AlCl3 một chút nhưng bùn hạt vẫn lắng tốt. c. Hiệu suất sinh khí metan Hình 3.12 biểu diễn hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan trong hỗn hợp khí thu được khi vận hành hệ thống UASB bằng nước 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 khi bổ sung và không bổ sung AlCl3 Tỷ lệ khí metan khi không bổ sung AlCl3 và bổ sung AlCl3 lần lượt 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 lượt là 0,260 ± 0,093 m 3 -CH4/kg- 12 CODchuyển hóa và 0,322 ± 0,091 m 3 -CH4/kg-CODchuyển hóa . Như vậy, việc bổ sung 300 mg-AlCl3/L đã cải thiện hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan của hệ bùn trong hệ thống UASB. Khi vận hành hệ thống UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao su, bổ sung 300 mg-AlCl3/L, hạt bùn xuất hiện sau 20 ngày. Tại thời điểm ngày 60, kích thước hạt bùn trên 2 mm chiếm 13%, cao hơn mẫu không bổ sung AlCl3 (5,1%). Kích thước hạt bùn vẫn tiếp tục tăng theo thời gian (ngày 103, các hạt có kích thước trên 2 mm là 36,9%). SVI đạt 17,68 mL/g. Hiệu quả sinh khí metan đạt 0,322 ± 0,091 m3-CH4/kg- CODchuyển hóa và tỷ lệ khí metan trong hỗn hợp khí đạt 81,8 ± 11,3%. 3.2.2.3. Ảnh hưởng của rỉ đường Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm được pha loãng bằng nước máy đến COD theo yêu cầu, bổ sung 1 g/L rỉ đường, pH dòng vào 6,0 – 8,0, OLR trong khoảng 3,19 ± 0,68 kg-COD/m3.ngày, HRT là 12h. Các thông số xác định: kích thước bùn hạt, thành phần khí, thể tích khí, COD và SVI. a. Kích thước bùn hạt Bùn hạt xuất hiện vào ngày thứ 20. Hạt bùn có màu đen, hình cầu hoặc oval. Kích thước tăng dần theo thời gian (hình 3.13). (A): 20 ngày (B): 38 ngày Hình 3.13. Hình thái bùn hạt trong hệ thống UASB có bổ sung rỉ đường Phân bố kích thước của hạt bùn được biểu biến trong hình 3.14. Vào ngày 20, kích thước hạt bùn từ 1 - 2 mm chiếm 9,02%, kích thước 0,5 - 1 mm chiếm 35,5% và kích thước nhỏ hơn 0,5 mm chiếm 55,5%. Vào ngày 38, phân bố kích thước đã thay đổi, kích thước hạt bùn lớn hơn 2 mm chiếm 13,8%, kích thước 1 - 2 mm chiếm 24,9%, kích thước 0,5 - 1 mm chiếm 42,4% và kích thước nhỏ hơn 0,5 mm chiếm 19%. So với mẫu đối chứng (không bổ sung gì), bổ sung 1 g/L rỉ đường đã rút ngắn thời gian tạo bùn hạt từ 45 ngày còn 20 ngày và kích thước bùn hạt cũng lớn hơn. Hình 3.14. Phân bố kích thước hạt bùn vào ngày 20 và ngày 38 khi bổ sung rỉ đường b. Chỉ số thể tích lắng của bùn Hình 3.15 chỉ ra SVI của bùn hạt khi vận hành hệ thống UASB với nước thải sơ chế mủ cao su bổ sung 300 mg-AlCl3/L và bổ sung 1 g/L rỉ đường. Chỉ số SVI của bùn hạt trong quá trình vận hành hệ thống UASB với nước thải sơ chế mủ cao su bổ sung 1 g/L rỉ đường đạt giá trị thấp nhất (12,03 mL/g). Do đó, bổ sung 1 g/L rỉ đường được chọn để tạo bùn hạt cho các thí nghiệm tiếp theo. 13 Hình 3.15. Chỉ số SVI cùa bùn hạt khi bổ sung AlCl3 và rỉ đường c. Hiệu suất sinh khí metan Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan trong hỗn hợp khí của các quá trình tạo hạt được biểu diễn trong hình 3.16. Hình 3.16. Hiệu suất sinh khí metan và tỷ lệ khí metan khi vận hành UASB bằng nước thải sơ chế mủ cao bổ sung AlCl3 và rỉ đường Hiệu suất sinh metan trong 38 ngày đầu bổ sung 1g/L rỉ đường là 0,289 ± 0,07 m3-CH4/kg- CODchuyển hóa và trong 22 ngày tiếp theo khi không bổ sung rỉ đường là 0,324 ± 0,037 m 3 -CH4/kg- CODchuyển hóa với tỷ lệ khí metan chiếm 85,0 ± 3,1%. Khi bổ sung rỉ đường với liều lượng là 1 g/L vào nước thải sơ chế mủ cao su thời gian hình thành bùn hạt trong hệ thống UASB được rút ngắn. Hạt bùn hình thành sau 20 ngày vận hành trong điều kiện OLR 3,31 ± 0,68 kg-COD/m 3.ngày, HRT 12h. Sau 38 ngày kích thước hạt bùn lớn hơn 2 mm là 13,8%. Chỉ số SVI giảm đến 12,03 mL/g. Hiệu suất sinh khí metan là 0,324 ± 0,037 m3-CH4/kg-CODchuyển hóa và tỷ lệ khí metan 85,0 ± 3,1%. 14 Bảng 3.6 tổng hợp các phương án tạo bùn hạt và tính chất của bùn hạt khi tăng OLR, khi bổ sung AlCl3, khi bổ sung rỉ đường. Bảng 3.6. Tính chất bùn hạt kỵ khí ở các điều kiện khác nhau Thông số kiểm soát Điều kiện vận hành OLR: 3,10 ± 0,92 kg-COD/m 3 .ngày OLR: 3,18 ± 0,74 kg-COD/m 3 .ngày và 300 mg-AlCl 3 /L OLR: 3,19 ± 0,68 kg-COD/m 3 .ngày và 1 g/L rỉ đường SVI hạt bùn (mL/g) 16,64 17,1 12,03 Hiệu suất sinh metan trong 60 ngày (m 3 -CH4/kg-CODchuyển hóa ) 0,260 ± 0,093 0,322 ± 0,091 0,324 ± 0,037* Thời gian xuất hiện hạt bùn (ngày) 45 20 20 Đường kính hạt khi xuất hiện (mm) d < 1 d < 0,5 d < 2 Thời gian hạt đạt kích thước ≥ 2 mm (ngày) 60 60 38 Tỷ lệ hạt bùn kích thước ≥ 2 mm (%) 5,1 13,0 13,8 * Xác định từ ngày 38 đến ngày 60 Hình 3.17 trình bày quy trình tạo bùn hạt trong UASB trên quy mô 20 L. Hình 3.17. Quy trình tạo bùn hạt trong UASB (quy mô phòng thí nghiệm). Tạo hạt bùn  Thể tích UASB: 20L  MLSS: 48,85 g/L  HRT: 12h  Nhiệt độ: 35oC Thời gian: 38 ngày Nước thải cao su (OLR: 3,19 ± 0,68 kg-COD/m 3 .ngày, pH: 6,0 – 8,0) Rỉ đường 1g/L Đánh giá sự hình thành bùn hạt Bùn hạt Bùn phân tán: SMA: 0,310 ± 0,007 (gCH4- COD/gVSS.ngày) Hoạt hóa bùn  Thể tích UASB: 20L  MLSS: 53,10 g/L  HRT: 18h  Thời gian:75 ngày Nước thải cao su (OLR 0,72 – 2,61 kg-COD/m 3 .ngày, pH: 6,8 –7,2)  MLSS: 58,87 g/L  SMA: 0,831 ± 0,013 (gCH4-COD/gVSS.ngày)  Kích thước hạt ≥ 2mm: 13,8%  Hình thái hạt: tròn hoặc oval  SVI: 12 (mL/g)  Hiệu suất sinh metan: 0,324 ± 0,037 (m 3 -CH4/kg-CODchuyển hóa) Sàng cỡ lỗ: 0,2 mm, lấy phần dưới sàng 15 3.3. Cấu trúc quần xã vi sinh vật trong hạt bùn kỵ khí Tỷ lệ các ngành vi sinh vật chiếm ưu thế trong các mẫu bùn được biểu diễn trên hình 3.18. Hình 3.18. Tỷ lệ các ngành vi sinh vật của bùn phân tán đã hoạt hóa và bùn hạt Các ngành Chloroflexi, Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria, Euyachaeota và WWE1 chiếm ưu thế trong các mẫu bùn. Ngành Chloroflexi xuất hiện trong các mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và hạt bùn khi tăng OLR, bổ sung AlCl3, bổ sung rỉ đường lần lượt là 34,2%, 30,7%, 25,1% và 6,5%. Ngành Proteobacteria có tỷ lệ lần lượt là 3,8%, 6,4%, 5,8% và 28,7%. Ngành Firmicutes có tỷ lệ lần lượt là: 24,3%, 26,61%, 22% và 20,7%. Ngành Bacteroidetes có tỷ lệ lần lượt là: 9,3%, 11,2%, 11,3% và 10,3%. Ngành WWE1 cũng chiếm tỷ lệ lần lượt là 4%, 0,5%, 4,8% và 0,3%. Ngành cổ khuẩn Euyachaeota chiếm tỷ lệ trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và bùn hạt khi tăng OLR, bổ sung AlCl3, bổ sung rỉ đường tỷ lệ lần lượt là 7,4%, 8,9%, 11,2% và 19,0%. Kết quả này chỉ ra rằng khi thay đổi điều kiện vận hành, tỷ lệ các ngành Firmicutes và Bacteroidetes ít biến động trong khi tỷ lệ các ngành Chloroflexi, Proteobacteria và Euyachaeota biến động rõ rệt. Khi bổ sung rỉ đường, tỷ lệ ngành Chloroflexi giảm, tỷ lệ các ngành Proteobacteria và Euyachaeota tăng. Các ngành Proteobacteria và Euyachaeota chiếm tỷ lệ cao nhất trong bùn hạt khi bổ sung rỉ đường. Như vậy, bổ sung rỉ đường đã thúc đẩy các ngành cổ khuẩn sinh metan phát triển mạnh mẽ. 3.3.1. Thành phần vi khuẩn Các vi khuẩn chiếm ưu thế (>1%) trong các mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa, bùn hạt khi tăng OLR, bổ sung AlCl3 và bổ sung rỉ đường được chỉ ra trong bảng 3.7. Lớp Gammaproteobacteria và Betaproteobacteria chiếm tỷ lệ vượt trội trong mẫu bùn hạt khi bổ sung rỉ đường với tỷ lệ lần lượt là: 20,34% và 6,00%. Loài Comamonas sp. chiếm tỷ lệ vượt trội trong bùn hạt khi bổ sung rỉ đường (5,76%). Loài Acinetobacter johnsonii chiếm ưu thế trong bùn hạt khi bổ sung rỉ đường với tỷ lệ 18,59%. Họ Anaerolinaceae chiếm ưu thế trong bùn hạt với tỷ lệ trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và bùn hạt khi tăng OLR, bổ sung AlCl3 và bổ sung rỉ đường lần lượt là 21,76%, 16,39%, 16,01% và 4,55%. Bộ Bacteroidales chiếm ưu thế trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và bùn hạt khi tăng OLR, bổ sung AlCl3, bổ sung rỉ đường với các tỷ lệ lần lượt là 8,8%, 3,38%, 10,31% và 9,85%. Các thành viên chiếm ưu thế trong bùn hạt khi tăng OLR là lớp Thermoleophilia (3,42%) và khi bổ sung rỉ đường là lớp Actinobacteria (5,9%). Chi Corynebacterium chiếm tỷ lệ cao (5,6%) trong bùn hạt bổ sung rỉ đường. Họ Cloacamonaceae trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và bùn hạt khi tăng OLR, bổ sung AlCl3 với tỷ lệ lần lượt là 4,65%; 0,13% và 4,47%. Như vậy, khi bổ sung rỉ đường, các loài A. johnsonii, Comamonas sp., Clostridium sp., chiếm ưu thế trong bùn hạt. 16 Bảng 3.7. Tỷ lệ các nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế trong các mẫu bùn Các nhóm vi khuẩn chiếm ƣu thế Tỷ lệ (%) Lớp/bộ Họ Bùn phân tán Bùn hạt Tăng OLR Bổ sung AlCl3 Bổ sung rỉ đƣờng Bacilli/ Lactobacillales Carnobacteriaceae 7,95 8,08 6,10 0,64 Chưa nuôi cấy được 0 0,00 0,02 1,42 Clostridia/ Clostridiales Syntrophomonadaceae 6,63 10,47 6,71 1,66 Clostridiaceae 2,86 2,59 2,57 10,59 Christensenellaceae 0,99 1,20 1,23 1,21 Peptococcaceae 1,02 0,44 0,65 0,03 Peptostreptococcaceae 0,84 0,11 0,68 1,57 Chưa nuôi cấy được 0,72 0,68 0,82 2,13 Deltaproteobacteria/ Syntrophobacterales Syntrophobacteraceae 1,86 4,78 3,46 0,47 Betaproteobacteria/ Burkholderiales Comamonadaceae 1,13 0,07 0,07 5,76 Gammaproteobacteri/ Pseudomonadales Moraxellaceae 0,04 0,01 0,35 18,59 Chưa nuôi cấy được 0,01 0,31 0,35 1,75 Anaerolineae/ Anaerolineales Anaerolinceae 21,76 16,39 16,01 4,55 Chưa nuôi cấy được 12,30 14,18 9,02 1,92 Bacteroidia/ Bacteroidales Chưa nuôi cấy được 8,9 3,39 10,64 8,77 Flavobacteria/ Flavobacteriales Cromorphaceae 0,01 0,01 0,00 1,10 Actinobacteria/ Actinomycetales Corynebacteriaceae 0,41 0,5 0,35 5,90 Micromonosporaceae 1,02 0,01 0,27 0,02 Thermoleophilia/ Gaiellales Chưa nuôi cấy được 0,64 3,42 0,48 0,20 Cloacamonales Cloacamonaceae 3,65 0 4,47 0 3.3.2. Thành phần cổ khuẩn Trong các loại bùn xuất hiện 3 ngành cổ khuẩn sinh metan là: Euryachaeota, Parvarchaeota và Crenarchaeota. Ngành Parvarchaeota và Crenarchaeota chiếm tỷ lệ rất nhỏ (0,10% – 0,30%). Ngành Euryacheaota chiếm ưu thế trong tất cả các mẫu bùn. Thành phần các nhóm cổ khuẩn chiếm ưu thế trong ngành Euryacheaota trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và các mẫu bùn hạt được chỉ ra ở hình 3.19. Bùn phân tán sau hoạt hóa chứa đầy đủ các nhóm chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành metan. Các nhóm chiếm ưu thế trong mẫu bùn này là Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium, Candidatus methanoregula và nhóm không nuôi cấy được Methanomicrobiales với tỷ lệ lần lượt là 1,2%, 1,1%, 0,6%, 2,1% và 1,6%. Khi tăng OLR, tất cả các nhóm Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium, Candidatus methanoregula và nhóm không nuôi cấy được Methanomicrobiales đều xuất hiện với tỷ lệ lần lượt là 2,39 %; 0,21%, 3,07%, 1,10% và 2,50%. Khi bổ sung AlCl3 các nhóm Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium, Candidatus methanoregula và nhóm không nuôi cấy được Methanomicrobiales cũng xuất hiện với tỷ lệ lần lượt là 2,70%, 2,30%, 0,90%, 0,20% và 1,40%. Khi bổ sung rỉ đường, chi Methanosaeta và Methanobacterium chiếm ưu thế với số lượng vượt trội, chi Methanosaeta chiếm 12,96% và chi Methanobacterium chiếm 5,08% trong khi chi Methanosarcina chỉ 17 chiếm 0,02%, nhóm không nuôi cấy được Methanomicrobiales chiếm 0,45% và loài Candidatus methanoregula chiếm 0,05%. Như vậy, khi thay đổi các điều kiện vận hành hệ thống UASB tập hợp vi sinh vật đã thay đổi đáng kể. Hình 3.19. Các nhóm cổ khuẩn chiếm ưu thế trong ngành Euryacheaota Bùn hạt hình thành trong các điều kiện vận hành khác nhau có đặc điểm và sự đa dạng vi sinh vật khác nhau. Nhìn chung, các loài cổ khuẩn sinh metan chiếm tỷ lệ cao trong các loại bùn hạt là chi Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium, nhóm không nuôi cấy được Methanomicrobiales và loài Candidatus methanoregula. Khi bổ sung 1g/L rỉ đường, các chi Methanosaeta và Methanobacterium chiếm ưu thế với tỷ lệ cao nhất. 3.3.3. Dự đoán vai trò của các nhóm vi sinh vật trong bùn hạt bổ sung rỉ đường Dựa vào kết quả phân tích thành phần vi sinh vật chiếm ưu thế trong bùn hạt tham gia vào con đường chuyển hóa kỵ khí nước thải sơ chế mủ cao su (bảng 3.7) và các công bố về vai trò của các vi sinh vật trong con đường chuyển hóa. Chúng tôi đã đề xuất sơ đồ quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa kỵ khí và hình thành bùn hạt trong hình 3.20. Hình 3.20. Quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa và hình thành bùn hạt Protein Axit amin Cacbonhydrat Axetat Propionat, lactat CO2 H2 Metan format Corynebacterium Bacteroidales Bacteroidales Acinetobacter johnsonii Methanobacterium Methanosaeta Không nuôi cấy được Methanomicrobiales Anaerolinceae Chất béo Clostridiacea e Comamonas Syntrophomonadaceae Bacteroidales 18 Các nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế trong bùn hạt khi bổ sung rỉ đường là họ Bacteroidale, Clostridiaceae, Syntrophomonadaceae, Anaerolinceae và các chi Corynebacterium, Comamonas, Methanobacterium, Methanosaeta và loài A. johnsonii. Các nhóm vi sinh vật này có tiên mao và lông mao. Loài A. johnsonii có tính kỵ nước lớn nên dễ bám dính và hình thành các cụm tế bào. Như vậy việc bổ sung 1g/L rỉ đường có thể thúc đẩy sự phát triển của các loài vi sinh vật có vai trò quan trọng trong quá trình h