Quá trình kết hạt bùn sinh học hiếu khí trong xử lí nước thải và khả năng ứng dụng thực tiễn - Lê Ngọc Thuấn

Tài liệu Quá trình kết hạt bùn sinh học hiếu khí trong xử lí nước thải và khả năng ứng dụng thực tiễn - Lê Ngọc Thuấn: Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 24 - nm 2019 13 QUÁ TRÌNH KT HT BÙN SINH HC HIU KHÍ TRONG X LÝ NC THI VÀ KH NNG NG DNG THC TIN Lê Ngc Thun Trng i hc Tài nguyên và Môi trng Hà Ni Tóm tt Quá trình kt ht bùn sinh hc thông thng c hình thành trong c hai iu kin hiu khí và k khí. Quá trình kt ht bùn sinh hc din ra trong iu kin k khí ã c cp n trong nhiu nghiên cu, nhng trong iu kin hiu khí thì ch mi c quan tâm nghiên cu trong thi gian gn ây. Công ngh bùn ht k khí ã c ng dng rng rãi vi nhiu công trình trong thc tin, nhng vic ng dng công ngh này trong iu kin hiu khí còn cha nhiu, còn thiu nhng nghiên cu cung cp c s cho vic ng dng này. Ht bùn hiu khí ch yu c ghi nhn trong h thng x lý nc thi theo m (SBR), có s chn lc thy lc. Ht bùn hiu khí c ghi nhn là có kh nng vt tri v x lý ni t và phân hy cht hu c t...

pdf6 trang | Chia sẻ: quangot475 | Lượt xem: 406 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Quá trình kết hạt bùn sinh học hiếu khí trong xử lí nước thải và khả năng ứng dụng thực tiễn - Lê Ngọc Thuấn, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 24 - nm 2019 13 QUÁ TRÌNH KT HT BÙN SINH HC HIU KHÍ TRONG X LÝ NC THI VÀ KH NNG NG DNG THC TIN Lê Ngc Thun Trng i hc Tài nguyên và Môi trng Hà Ni Tóm tt Quá trình kt ht bùn sinh hc thông thng c hình thành trong c hai iu kin hiu khí và k khí. Quá trình kt ht bùn sinh hc din ra trong iu kin k khí ã c cp n trong nhiu nghiên cu, nhng trong iu kin hiu khí thì ch mi c quan tâm nghiên cu trong thi gian gn ây. Công ngh bùn ht k khí ã c ng dng rng rãi vi nhiu công trình trong thc tin, nhng vic ng dng công ngh này trong iu kin hiu khí còn cha nhiu, còn thiu nhng nghiên cu cung cp c s cho vic ng dng này. Ht bùn hiu khí ch yu c ghi nhn trong h thng x lý nc thi theo m (SBR), có s chn lc thy lc. Ht bùn hiu khí c ghi nhn là có kh nng vt tri v x lý ni t và phân hy cht hu c ti lng cao. Bài báo này cung cp nhng thông tin v quá trình hình thành bùn ht hiu khí, c tính ca ht bùn hiu khí, nhng yu t nh hng n quá trình hình thành và duy trì trng thái n nh ca ht bùn hiu khí và nhng trin vng ng dng trong thc t x lý nc thi. T khóa: Ht bùn sinh hc hiu khí; Nit; Cht hu c; Nc thi Abstract Aerobic biological granulation process in wastewater treatment and the practical application Granulation usually occurs in both anaerobic and anaerobic conditions. The anaerobic granulation process has been mentioned in many studies. However, aerobic granulation has only been studied in recently. The anaerobic sludge technology has been extensively used in industrial process. In contrast, the application of this technology in aerobic conditions is still limited as there is still lack of research providing the scientifi c basis for this application. Aerobic sludge was mainly recorded in sequencing batch reactor (SBR) with hydraulic selection. Aerobic granules have been found to be e ective in nitrogen removal and decomposition of high loading organic matter. This article provides information on the formation of aerobic sludge, the characteristics of aerobic granules, the factors infl uencing the formation and maintenance of steady state of aerobic granules and the application prospects in wastewater treatment. Key words: Aerobic biological granule; Nitrogen; Organic matter; Wastewater 1. Tng quan Công ngh bùn ht sinh hc hiu khí c quan tâm nghiên cu trong lnh vc công ngh k thut môi trng và ã t c nhiu thành tu có ý ngha. Quá trình kt ht sinh hc là mt quá trình t gn kt ca qun th vi sinh vt vi mt cao trong môi trng x lý nc thi. Hin tng kt ht bùn sinh hc c bit n trong h x lý k khí dòng bùn chy ngc (UASB) i vi c nc thi sinh hot và nc thi công nghip [9]. Bùn ht sinh hc k khí ch yu gm các nhóm sinh vt sinh metan, hoc nhóm acetic hóa và nhiu nhóm vi sinh vt lên men k khí, h thng này ã c áp dng nhiu trong Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 24 - nm 2019 14 các h thng x lý k khí t nhng nm 1980 [5]. Quá trình bùn ht sinh hc hiu khí c hình thành trong các quá trình phân hy hiu khí các cht hu c, x lý ni t trong iu kin hiu khí hoc thiu khí (Liu, 2014). Trong iu kin k khí hoc thiu khí, bùn ht sinh hc có s phát trin ca qun th các vi sinh vt oxy hóa amoni k khí (ANAMMOX) (Kartal, 2010). Quá trình kt ht bùn sinh hc hiu khí thng c bit n và nghiên cu trong các h b x lý dng theo m (SBR), thi gian hình thành bùn ht sau khong 40 ngày vn hành, cha thy hin tng kt ht bùn sinh hc trong h b x lý theo dòng liên tc [2, 11]. Hin tng này khác vi bùn ht k c bit n ã lâu trong công trình x lý dòng bùn chy ngc (UASB). Cho n hin nay, các nghiên cu thng tp trung vào tìm các iu kin ti u t trng thái n nh ca bùn ht hiu khí, các yu t nh hng n s kt ht bùn sinh hc hiu khí, thành phn qun th vi sinh vt trong ht bùn, kh nng áp dng quá trình này trong thc tin. Ht bùn sinh hc hiu khí là mt dng kt t ca mt tp hp các vi sinh vt, có mt vi sinh vt cao, kh nng lng nhanh. Ht bùn hiu khí có th t c sinh ra hoc phát trin trên b mt ca ht vt liu nn nh than hot tính, vt liu nha hoc cát. So vi bùn hot tính thông thng thì ht bùn sinh hc hiu khí có mt s u im nh sau: - Thi gian lu ca sinh khi duy trì lâu hn, iu này cho phép có th duy trì hàm lng sinh khi cao trong h thng x lý trong khi vn có th duy trì ti trng x lý cao. - Kh nng lng ca ht bùn hiu khí tt hn, tc lng ca ht bùn ph thuc vào kích thc và trng lng ca ht bùn, tc lng dao ng trong khong 50 - 90 m/h. - Ht bùn có kích thc ln to iu kin tn ti các môi trng khác nhau trong cùng mt ht bùn (k khí, thiu khí, hiu khí), iu này giúp quá trình nitrat hóa và phn nitrat hóa din ra ng thi, nâng cao kh nng x lý ni t trong nc thi [13]. - Quá trình to bùn ht hiu khí có th c s dng x lý nhiu loi nc thi khác nhau, có kh nng chu c hin tng shock ti lng do có cu trúc ht c bit và duy trì nng sinh khi cao [12]. 2. c im ca bùn ht hiu khí 2.1. C ch hình thành bùn ht Quá trình to ht là quá trình các bông bùn kt dính vi nhau di tác dng ca polymer ngoi bào. Lc xáo trn càng mnh thì các vi sinh vt càng tit ra nhiu polymer ngoi bào kt dính li vi nhau hoc là s b ra trôi ra ngoài. xáo trn cao to iu kin va chm tt và tác ng xoáy hình elip làm các ht c vo tròn, b mt mn có dng hình cu, c chc. Bùn ht c hình thành trên môi trng y cht dinh dng, các iu kin vn hành nghiêm ngt nh pH = 6.8 - 7.2. Oxy hoà tan phi ln hn 2 mg/l, thi gian lu nc càng ngn thì kh nng to ht càng cao, do ch chn lc kích thc ht bùn thun li hn, ti lng cht hu c cao hn. Trong thc t các giai on hình thành ht bùn c chia theo c ch nh sau: Thích nghi, hình thành ht và trng thành. Ban u ht c hình thành là nhng viên dng si trong b phn ng bt u phát trin nhanh hn, nhng ht này c gi là nhng ht ban u. Giai on tng ng t lúc bt u cho n khi hình thành ht ban u gi Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 24 - nm 2019 15 là giai on thích nghi. Tng t, nhng ht ban u có th phát trin hoàn toàn và nng sinh khi thì không thay i. Giai on hình thành ht tng ng t nhng ht ban u n im trng thành. Da vào s phân loi trên, quá trình hình thành ht c bt u và sau ó trng thành trong b phn ng. Hình 1: Màu sc ht bùn trng thành [7] 2.2. Kh nng lng ca bùn ht Kh nng lng ca bùn ht là mt ch tiêu quan trng, liên quan trc tip n kh nng lu bùn và kh nng loi tách bùn ra khi nc sau khi x lý. Tc lng ca bùn ht hiu khí rt dao ng, t 18 - 90 m/h, thm chí có th lên ti 130 m/h [18]. Tc lng này tng ng vi tc lng ca bùn ht k khí, nhng cao hn rt nhiu tc lng ca bùn sinh hc hiu khí thông thng (ch khong 7 - 10 m/h) [14]. Ch s th tích bùn (SVI), là mt ch tiêu th hin kh nng lng ca bùn ht, nm trong khong 50 - 80 ml/g, thm chí có th t 20 ml/g [6]. 2.3. Hình dng và kích thc bùn ht So vi bùn hot tính thông thng thì bùn ht có b mt nhn, hình tròn hoc hình elip. Các nghiên cu trong phòng thí nghim ch ra rng hình dng bùn ht ph thuc vào mt s iu kin vn hành nh: ti trng cht hu c, loi c cht s dng, qun th vi sinh vt và ch sc khí. Màu sc ca bùn ht ph thuc vào thành phn nc thi và nhóm vi sinh vt chim u th trong bùn ht, bùn ht có màu vàng hoc hi en [18]. Kích thc ht là c tính vt lý quan trng, nm trong khong 0,2 n 16 mm [2, 6]. S phân b v kích thc ca bùn ht liên quan n nhiu yu t, trong ó có ti lng cht hu c, kích thc ca bùn ht thng ln hn khi vn hành vi ti lng cht hu c ln, ngc li kích thc bùn ht s nh hn nu duy trì ch sc khí mnh và thiu c cht dài (Li, 2008). Nu khích thc nh hn 4 mm, ht bùn hiu khí có kh nng lng và mt vi sinh vt tt hn. Tuy nhiên nu kích thc ht bùn ln hn 4 mm, ng kính ht ln hn có th làm gim kh nng lng và mt ht bùn (Toh, 2003). Nng ô xy hòa tan (DO) là yu t gii hn chính i vi hot ng chuyn hóa và s phát trin kích thc ca bùn ht. Ht bùn có kích thc 0.5 mm có kh nng loi b cht hu c cao hn 3 ln so vi bùn ht có kích thc 1 mm [10]. 2.4. Tính k nc b mt t bào Tính k nc b mt t bào i vi bùn ht rt khác so vi bùn dng bông thông thng. Tính k nc ca t bào có s khác nhau áng k trc khi và sau khi hình thành ht hiu khí. Tính k nc b mt t bào gia tng t 50,6% giai on trc khi hình thành ht n 75,1% sau khi ht hình thành. iu ó nói lên rng s hình thành ht hiu khí s kt hp vi s gia tng tính k nc ca t bào. Tính k nc b mt t bào luôn c xem là óng vai trò quan trng trong vic c nh t bào và bám dính ca t bào lên b mt cng nh s dính bám gia các t bào vi nhau [16]. 2.5. Poymer ngoi bào (EPS) ca bùn ht hiu khí Các hp cht EPS (Extracellular Polymeric Substances) là nhng hp cht hu c phân t ln c tit ra bi vi sinh Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 24 - nm 2019 16 vt (ch yu là vi khun) trong các iu kin môi trng nht nh. Thành phn chính ca EPS là protein (PN), polysacarit (PS), axit humic, axit nucleic, lipid, và các hp cht khác ca t bào. EPS có th c s dng bi chính vi sinh vt, vì ít nht 50% PS và 30% PN trong EPS là nhng hp cht d phân hy sinh hc. EPS trong trong bùn ht hiu khí bao gm nhóm hp cht d phân hy và khó phân hy sinh hc. EPS d phân hy sinh hc có tc phân hy chm hn khong 5 ln so vi acetate, nhng nhanh hn 50 ln so vi EPS khó phân hy [17]. 2.6. Kh nng x lý cht hu c ca bùn ht Bùn hot tính có th c phát trin và c s dng x lý nc thi hu c khác nhau bao gm sa, bia, ch bin cá, rác thành ph. Các nghiên cu ã ch ra rng hiu qu x lý COD n nh t vic x lý tt nc thi hu c vi bùn hot tính bng cách tng tng nng ca cht hu c t 6 n 15 kg COD/m3.ngày. Mt tích cc ca ti trng COD trong s dng bùn hot tính có th b gii hn bi s thay i lng oxy, các nghiên cu cho thy không có s khác bit ln v tc x lý cht hu c khi thay i kích c bùn ht. S hình thành ca các vi khun hiu khí không ph thuc vào nng c cht. Các ht có th c to thành vi nng COD t 500 - 3000 mg/l. Arrojo (2004) phát trin bùn hot tính x lý nc thi công nghip t các nhà máy sa vi tng s COD ca 1500 - 3000 mg/L, COD hòa tan là 300 - 1500 mg/L và tng nit: 50 - 200 mg/L trong hai SBR. Mt b hot ng vi iu kin thiu ôxy 10 - 30 phút, nhng b còn li luôn luôn trong iu kin hiu khí. Các b phn ng ã c áp dng s dng các mc ti trng hu c và nit lên n 7 kg COD/m3.ngày và 0,7 kgN/m3.ngày vi hiu qu x lý N 70%. Trong mt th nghim ca x lý nc thi chn nuôi bò sa, vic loi b hiu qu n 90% i vi COD, 80% i vi Tng N và 67% cho Tng P vi t l th tích trao i là 50% và thi gian ca 1 chu k là 8h. Tác gi Wang SG và cng s [17] ã phát trin bùn hot tính vi nc thi nhà máy bia sau chín tun hot ng. Các vi khun hiu khí có hiu qu loi b cao và n nh là 88,7% i vi COD và 88,9% cho NH4+ vi t l trao i th tích là 50% và chu k là 6h. Các vi khun hiu khí xut hin vào ngày 19 trong b phn ng dùng x lý nc thi nhà máy sn xut bt giy. 2.7. Kh nng x lý ni t và pht pho Hình 2: S v nng cht nn trong ht hiu khí [7] Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 24 - nm 2019 17 Tu thuc vào cu trúc hình cu (spherical dense structure), ht hiu khí có c tính riêng ca bùn hiu khí lp ngoài và bùn k khí lp trong vì vy nitrogen có th d dàng b loi b nu s khuych tán oxygen b gii hn hoc ng kính ca ht thì ln. Do ó, trong bùn ht tn ti hai iu kin khác nhau. iu kin k khí tâm (central core) và iu kin hiu khí phn bên ngoài (outer part). Bên trong ht vi khun hình que (rod bacteria) chim u th (predominant) và có nhiu l hng (cavities). Nhng l hng này có th tng cng (enhance) s vn chuyn cht nn t khi cht lng vào trong ht và ng thi nhng sn phm trung gian (intermediate product) hoc sn phm ph (by-product) cùng vi các sn phm khác có th d dàng c vn chuyn t bên trong ht ra bên ngoài khi cht lng. Bùn ht hiu khí có kh nng loi b các hp cht ca ni t. Trong 1 ht hiu khí, mt gradient DO tn ti và mô t quá trình oxy hóa kh ca các bùn ht có th chia thành 3 vùng: vùng hiu khí sau ó là vùng thiu khí và vùng k khí vi rt nhiu các loài vi sinh vt. Các vi sinh vt này cho phép s phát trin ca vi khun dinh dng khác trong ht bùn vi các chc nng trao i cht khác nhau bao gm vi khun nitrat hóa, vi khun kh ni t và vi khun k khí (và c vi sinh vt sinh khí metan). Bùn hiu khí ã c th nghim ng thi cho các cht hu c và loi b ni t. Khi nghiên cu x lý nc thi t ngành công nghip óng hp cá vi tc x thi lên n 1,72 kg COD/m3.ngày. Ni t amoni ã c loi b thông qua quá trình oxy hóa kh nitrat n 40% khi ó ti lng ni t là 0,18 kg N/m3.ngày. S hình thành ca bùn hiu khí hoàn chnh din ra sau 75 ngày ca quá trình vi ng kính là 3,4 mm, SVI ca 30 mL/g VSS và 1 ht bùn có t trng khong 60g VSS/L [15, 17]. Theo Tác gi [17] ã s dng màng lc sinh hc bùn hiu khí x lý nc thi tng hp. Ti dòng thi tng Cacbon hu c (TOC) t 56,8 - 132,6 mg/L, quá trình loi b TOC t 84,7 - 91,9%. Vic loi b ni t amoni t 85,4 - 99,7% vi nng t 28,1 - 38,4 mg/L và tng Ni t c x lý là 41,7 - 78,4%. Ht bùn hiu khí vi kh nng nitrat hóa mt phn và hot ng ca anammox ã phát trin trong b SBR phòng thí nghim vi iu kin gii hn oxy sau 1,5 tháng. Tc loi b Ni t tng lên t 0,05 n 0,45 kgN/m3.ngày trong 2 tháng [16]. iu này ã xác nhn các ht cha trong quá trình Anammox có th phát trin trong iu kin DO thp cho mc ch loi b Ni t. Các ht hiu khí có th c s dng làm tng quá trình loi b photpho sinh hc. Vic loi b pht pho có th thành công khi s dng quá trình loi b photpho bng sinh hc, s kh pht pho và kt ta photpho vi các ht bùn hiu khí [3]. Tác gi Dulekgurgen và cng s [4] ã s dng ht bùn hiu khí loi b photpho trong b SBR vi bùn hot tính. Nng ca photpho u vào là 20,8 mg/L, trong khi u ra là 0,1 mg/l vi quá trình lai b P lên n 99,6%. Theo Cassidy và Belia [3] t c hiu qu loi b COD và P là 98% và vi N và VSS là hn 97% khi phn ng bùn hiu khí din ra vi nc thi cp t các lò m có cha tng COD là 7685 mg/L; COD hòa tan là 5163 mg/L; TKN là 1057 mg/L và VSS là 1520 mg/l. Young và cng s (2008) ã s dng acetate là c cht chính gia tng ht hiu khí cho vic tích ly pht pho. Hiu sut loi b COD là 95% ã t c vi gn 100% loi b pht pho. Thành phn c bn và s phân phi các bùn cha P rt cao kt hp vi các cht nn có t l P/COD khác nhau, và s tích ly canxi và magie trong các ht bùn và gn nh tng ng vi polyphophat trong các ht. 3. Kt lun Các yu t nh hng n quá trình kt ht sinh hc bao gm: áp lc sc khí, thi gian gian sc khí, tuy nhiên các kt qu ch yu mi thc hin quy mô phòng thí nghim, vi nc thi gi nh. Các nghiên Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 24 - nm 2019 18 cu sau này cn th nghim trên nc thi sinh hot hoc công nghip thc t, trên quy mô ln hn, c bit cn có các gii pháp rút ngn thi gian khi ng. Duy trì n nh ca bùn ht trong thi gian dài còn khó khn, c ch hình thành bùn ht còn cha c thng nht rõ ràng trong các nghiên cu, cha có các s liu mang tính nh lng. Kh nng x lý cht hu c (COD), ni t và pht pho trong nc thi ca bùn ht khá tt so vi bùn hot tính truyn thng, do có s hot ng ng thi ca nhóm vi sinh vt nitrat hóa và phn nitrat trong cùng ht bùn. TÀI LIU THAM KHO [1]. Arrojo B, Mosquera Corral A, Garrido JM, Méndez R. (2004). Aerobic granulation with industrial wastewater in sequencing batch reactors. Water Res, 38, 3389 - 3399. [2]. Beun JJ, Hendriks A, Van Loosdrecht MCM. (1999). Aerobic granulation in a sequencing batch reactor. Water Res, 33, 2283 - 2290. [3]. Cassidy DP, Belia E. (2005). Nitrogen and phosphorus removal from an abattoir wastewater in a SBR with aerobic granular sludge. Water Res, 39, 4817 - 4823. [4]. Dulekgurgen E, Ovez S, Artan N. (2003). Enhanced biological phosphate removal by granular sludge in a sequencing batch reactor. Biotechnol Lett, 25, 687 - 693. [5]. Hickey RF, Wu WM, Veiga MC, Jones R. (1991). The start-up, operation and monitoring of high-rate anaerobic treatment systems. Water Sci Technol, 24, 207 - 255. [6]. Gao DW, Lin L, Liang H, Wu WM (2010). Aerobic granules developed with di erent granulation enhancement strategies in sequencing batch reactor. J Hazard Mater. [7]. Jang A , Yoon YH, Kim IS, Kim K S, Bishop PL (2003). Characterization and evaluation of aerobic granules in sequencing batch reactor. J Biotechnol;105:71 - 82. [8]. Jiang HL, Tay JH, Liu Y. (2003). Ca2+ augmentation for enhancement of aerobically grown microbial granules in sludge blanket reactor. Biotechnol Lett, 25, 95 - 103. [9]. Lettinga G, van Velsen AFM, Hosma SW, de Zeeuw W, Klapwijk A. (1980). Use of the upfl ow sludge blanket (USB) reactor concept for biological wastewater treatment, especially for anaerobic treatment. Biotechnol Bioeng, 22, 699 - 734. [10]. Lin LH, Jian LW, Xiang HW, Yi Q. (2005). The formation and characteristics of aerobic granules in sequencing batch reactor (SBR) by seeding anaerobic granules. Process Biochem, 40, 1 - 7. [11]. Morgenroth E, Sherden T (1997). Aerobic granular sludge in a sequencing batch reactor. Water Res, 31, 3191–3194. [12]. Moy BYP, Tay JH, Toh SK, Liu Y, Tay STL. (2002). High organic loading infl uences the physical characteristics of aerobic sludge granules. Lett Appl Microbiol, 34, 407 - 412. [13]. Shi XY, Yu HQ, Sun YJ, Huang X (2009). Characteristics of aerobic granules rich in autotrophic ammonium-oxidizing bacteria in a sequencing batch reactor. Chem Eng J, 147, 102 - 109. [14]. Schmidt JE, Ahring BR (1996). Granular sludge formation in upfl ow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors. Biotechnol Bioeng, 49, 229 - 235. [15]. Schwarzenbeck N, Erley R, Wilderer PA (2004) . Aerobic granular sludge in an SBR- system treating wastewater rich in particul ate matter. Water Sci Technol;4 9:21 - 46. [16]. Tay JH, Liu QS, Liu Y (2002). Characteristics of aerobic granules grown on glucose and acetate in sequential aerobic sludge blanket reactors. Environ Technol, 23, 931 - 936. [17]. Wang SG, Liu XW, Gong WX, Gao BY, Zhang DH, Yu HQ (2007). Aerobic granulation with brewery wastewater in a sequencing batch reactor. Bioresour Technol, 98, 2142 - 2147. [18]. Zheng YM, Yu HQ, Liu SJ. (2006). Formation and instability of aerobic granules under high organic loading conditions. Chemosphere, 63, 1791 - 1800. BBT nhn bài: 20/10/2018; Phn bin xong: 24/12/2018

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdf41395_130857_1_pb_317_2154212.pdf
Tài liệu liên quan