Hiện nay, ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải đang là vấn đề quan tâm của nhiều nhà khoa học. Trong đó, bùn hạt hiếu khí là công nghệ xử lý mang lại hiệu quả tốt hơn bùn hoạt tính với nước thải có nồng độ hữu cơ cao. Sử dụng nguồn nước thải và bùn hoạt tính ở bể xử lý sinh học hiếu khí của nhà máy sản xuất liên hợp bột và giấy (Tổng công ty Giấy Việt Nam), nhóm nghiên cứu đã nuôi tạo thành công bùn hạt hiếu khí trong bể phản ứng hiếu khí luân phiên theo mẻ (Sequencing batch reactor - SBR) với thời gian lưu 4 giờ, vận tốc cấp khí 3 lít/phút (tương ứng vận tốc khí nâng là 2cm/s) và tỷ lệ thể tích nước thải trao đổi theo mẻ (Volume exchange ratio -VER) ở 03 mức là 30, 60 và 80%. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng với VER 60%, sau 18 ngày vận hành hệ thống bùn hạt đã hình thành với kích thước 1mm và tăng dần đến 2 - 2,5mm sau 40 ngày. Bùn hạt tạo thành có khả năng xử lý COD đạt hiệu suất trên 96%; tốc độ lắng nhanh đạt 48m/h với chỉ số lắng SVI là 58ml/g vào ngày thứ 38. Như vậy, so với bùn hoạt tính, bùn hạt hiếu khí có thời gian lắng nhanh hơn, hiệu quả xử lý cao hơn.

Bùn hạt hiếu khí đã được nghiên cứu phát triển thành công bởi Mishima và Nakamura (1991) với hệ thống hiếu khí ngược dòng, tạo thành hạt và đến nay, các nghiên cứu tạo bùn hạt vẫn được thực hiện trong bể hiếu khí, tuy nhiên cơ chế hình thành vẫn chưa có kết quả rõ ràng [4]

Sự hình thành bùn hạt bị ảnh hưởng bởi một số các thông số vận hành như: bùn giống, thành phần chất nền, tải lượng hữu cơ, cấu trúc bể phản ứng, thời gian lắng, tỷ lệ trao đổi nước (Volume Exchange Ratio- VER), và thủy lực.

Ở Việt Nam, công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hạt hiếu khí vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện. Hầu hết các nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí được tiến hành với các loại nước thải tổng hợp gluco, sacrit, acetat và metal. Trên thực tế, chưa có nghiên cứu nào nuôi tạo và áp dụng bùn hạt hiếu khí cho quá trình xử lý nước thải ngành sản xuất giấy và bột giấy. Với mục tiêu nghiên cứu tạo thành công bùn hạt hiếu khí từ nước thải sản xuất giấy và bột giấy, nâng cao hiệu quả xử lý, khắc phục những nhược điểm của công nghệ xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính thông thường (mịn, khó lắng) đang được áp dụng phổ biến ở các nhà máy hiện nay. Trong khuôn khổ thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ tạo bùn hạt hiếu khí nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà máy liên hợp bột và giấy”, cấp Bộ Công Thương, thực hiện năm 2018.

Bài viết này là kết quả nghiên cứu xác định mức VER (Tỷ lệ trao đổi nước) phù hợp với khả năng hình thành bùn hạt hiếu khí, khả năng lắng và hiệu quả xử lý COD của nước thải sản xuất bột giấy.

Bể SBR thí nghiệm có dạng hình trụ, làm bằng vật liệu acrylic, thể tích làm việc V = 2 lít, đường kính D = 6cm, chiều cao H = 105cm. Sơ đồ thí nghiệm được thể hiện ở hình 1.

Bể SBR vận hành theo chu kỳ lặp lại, mỗi mẻ tương ứng với 1 chu kỳ, thời gian vận hành là 4 giờ/mẻ (tương ứng với 6 chu kỳ/ngày), mỗi chu kỳ gồm 4 pha: 3 phút bơm nước thải vào, 212-232 phút sục khí, 2-20 phút thời gian lắng và 3 phút xả nước thải. Không khí được cấp từ dưới đáy bằng hệ thống cấp khí có công suất 6 lít/phút, nước thải đưa vào hệ thống bằng bơm định lượng, thải ra theo từng điểm xả tương ứng với VER nước thải đầu vào mỗi mẻ là 30%, 60% và 80% tổng thể tích nước trong hệ thống.

Bảng 1. Chế độ vận hành hệ thống SBR

Sự biến đổi hình thái bùn hạt, kích thước hạt bùn, thời gian hình thành, mật độ vi sinh được theo dõi thường xuyên thông qua việc quan sát, ghi chép và đo các thông số MLSS, MLVSS, SVI và mật độ vi sinh MLVSS/MLSS của mẫu bùn thường xuyên trong quá trình nghiên cứu.

Nguồn nước thải: Nước thải được lấy trực tiếp tại bể điều hòa, sau bể lắng sơ cấp - cũng chính là nước thải đầu vào của bể Aeroten trong hệ thống xử lý nước thải sản xuất bột giấy của Tổng công ty giấy Việt Nam tại Phù Ninh, Phong Châu, Phú Thọ.

Bảng 2. Đặc tính đầu vào của hệ thống thí nghiệm bùn hạt hiếu khí

Thành phần vô cơ và vi lượng được bổ sung để đảm bảo điều kiện tối ưu, để duy trì tỷ lệ dinh dưỡng nước thải COD:N:P=100:5:1, bổ sung thêm NH₄Cl 26 - 60 mg/l và KH₂PO₄ là 13-26 mg/l. pH nước thải đầu vào ổn định ở mức 7,2 ± 0,2 bằng dung dịch NaHCO₃.

Nguồn bùn giống: Bùn dùng để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí là bùn hoạt tính của bể sinh học hiếu khí của hệ thống xử lý nước thải tập trung của Tổng Công ty Giấy Việt Nam với các đặc tính như trong bảng 3.

Bảng 3. Các thông số đặc tính của bùn giống

Trong 05 ngày đầu tiến hành thí nghiệm, hệ vi sinh ổn định, nhóm vi sinh vật dạng sợi phát triển và chiếm ưu thế. Sau 12 ngày, tại thí nghiệm VER 30%, chưa có dấu hiệu thay đổi, tại VER 60% và 80% đã thấy xuất hiện các mầm bùn nhỏ dạng vệt dài và lông tua mịn. Từ ngày 12-16, bùn hạt đã bắt đầu hình thành ở thí nghiệm VER 60% và 80% tuy nhiên kích thước bùn hạt còn rất nhỏ (<0,5mm). Từ ngày 18, kích thước bùn hạt hiếu khí đã bắt đầu lớn   hơn ở VER 60% và 80%, lúc này tại VER 30% mầm bùn mới bắt đầu xuất hiện. Sau 40 ngày, kích thước hạt bùn hiếu khí tại các thí nghiệm VER 30%, 60% và 80% lần lượt đạt 0,9- 1mm, 2-2,5mm và 3-3,5mm Màu của hạt bùn tạo thành có màu nâu đen với 3 lớp: lớp trong cùng là nhân có màu đen, lớp giữa màu nâu nhạt và lớp ngoài cùng có màu vàng nhạt trông giống như lớp màng nhầy bao quanh hạt, đây có thể là lớp EPS được hình thành trong quá trình hoạt động của các vi sinh vật trong bùn hạt, lớp EPS này có tác dụng như một dạng keo sinh học để kết dính các thành phần trong hạt bùn.

Kết quả thu được tương tự như công bố của BK Bindhu và cs. (2015) khi tạo bùn hạt với nước thải tổng hợp COD 2000mg/l tương ứng với tải lượng hữu cơ 6kg COD/m³ ngày đêm. Với thí nghiệm VER 30% , bùn hạt nhỏ xuất hiện vào ngày thứ 21 ngày, nhưng kích thước hạt chỉ đạt được tối đa là 0,9mm, còn với tỷ lệ 50% bùn hạt hình thành ở ngày thứ 17 và kích thước đạt được là 2,4mm ở cuối giai đoạn tạo bùn. Bùn hạt cấu trúc lỏng lẻo khi VER tăng lên 75% [3].

Sinh khối (MLSS) là sự tăng trưởng của hệ vi  sinh vật trong bể SBR. Mật độ  sinh khối của  bể được đặc trưng bởi tỷ lệ MLVSS/MLSS. 

Với nồng độ MLSS bùn hoạt tính ban đầu là 3541mg/l và mật độ vi sinh MLVSS/MLSS là 63%. Trong 12 ngày đầu thích nghi, tải lượng hữu cơ 2,4kg/m³.ngày, thời gian lắng là 15 phút, giá trị MLSS tăng nhẹ ở cả ba thí nghiệm VER 30, 60 và 80% từ 3541mg/l lên 3662mg/l. Sau khi tăng tải lượng hữu cơ lên 4,8 kg/m³.ngày và thời gian lắng giảm xuống còn 5-9 phút từ ngày thứ 10 trở đi, một lượng bùn mịn ở trạng thái lơ lửng chưa kịp lắng, bị đẩy thoát ra ngoài cùng nước thải đã làm giảm giá trị MLSS trong bể của cả ba thí nghiệm. Sau khi các mầm bùn hạt hình thành - bắt đầu từ ngày thứ 18, bùn lắng nhanh hơn nên lượng sinh khối bị cuốn ra khỏi bể không còn, sinh khối có dấu hiệu tăng nhanh chóng ở các thí nghiệm và duy trì mức tăng ổn định đó cho đến cuối chu trình vận hành bể SBR tại thí nghiệm VER 30 và 60%. Riêng với thí nghiệm VER 80%, từ ngày thứ 28 cho đến hết chu kỳ vận hành, các hạt có kích thước lớn có dấu hiệu bị vỡ, hình thành những mảnh vụn lơ lửng khó lắng, bị tháo ra ngoài cùng với nước thải nên giá trị MLSS giảm mạnh.

SVI là chỉ số thể tích bùn quan trọng để  đánh  giá sự tách pha rắn - lỏng của bùn. Khi chỉ số  SVI càng nhỏ chứng tỏ bùn  càng dễ lắng,  bùn  hạt tạo thành dễ lắng  hơn bùn hoạt tính,  chỉ  số SVI bùn hạt  thấp hơn so với bùn hoạt  tính  ban đầu.

Trong giai đoạn thích nghi, khoảng 5 ngày đầu, hệ vi sinh vật dạng sợi phát triển, chúng liên kết với nhau tạo các bông bùn có kích thước lớn (50-200µm), thời gian lắng gần rút ngắn, giá trị SVI ở cả 3 thí nghiệm có xu hướng giảm, khoảng từ (180, 250ml/g). 

Sau khí có sự thay đổi về tải lượng hữu cơ từ 2,4kgCOD/m³.ngày lên 4,8kgCOD/m³.ngày và khi có sự hình thành mầm bùn hạt. Giá trị SVI của cả 3 nghiệm thức tăng nhẹ sau đó giảm liên tục từ 230ml/g xuống còn 72ml/g từ ngày thứ 10 tới cuối chu trình vận hành 40 ngày đối với VER 30%, từ   200 xuống còn 53 ml/g từ ngày thứ 10 tới hết chu trình vận hành 40 ngày với VER 60%. Riêng đối với VER 80% giá trị SVI của bể giảm từ 280 xuống còn 100ml/g từ ngày thứ 10 đến ngày thứ 25, sau ngày 25, giá trị SVI tăng đột biến từ 100 lên 163mg/l.

So sánh kết quả thu được với kết quả của Trần Quang Lộc và các cộng sự (2015), bùn hạt được hình thành từ nguồn cacbon nhân tạo gluco với kích thước 2-3mm sau 35 ngày, chỉ số SVI giữ ở mức ổn định là 43ml/g là có sự tương đồng [2].

Hiệu suất xử lý COD nước thải ở cả ba thí  nghiệm VER 30, 60 và 80% ổn định, đạt 78-  82% ở giai đoạn thích nghi trong 8 ngày đầu.

Hiệu suất xử lý COD có dấu hiệu thay đổi, khi  tải lượng COD tăng từ 2,4kgCOD/m³.ngày lên  4,8kgCOD/m³.ngày và  khi có sự hình  thành  mầm bùn hạt.

Sau khi bùn hạt được hình thành, hiệu suất xử lý COD của bể SBR tăng từ 70% - 91% với VER 30%, từ 80 – 94% với VER 60%và từ 80 – 92% với VER 80%.                                          

Hiệu suất xử lý COD tại thí nghiệm VER 30 và 60% duy trì ổn định từ sau khi bùn hạt hình thành đến hết chu trình vận hành thí nghiệm 40 ngày. Riêng, tại thí nghiệm VER 80%, khi hạt bùn đạt kích thước 3-3,5mm vào ngày thứ 28, hạt bùn có hiện tượng vỡ ra và bị cuốn theo nước thải đi ra ngoài làm cho giá trị COD nước thải đầu ra tăng lên. Hiệu suất COD giảm từ 92% xuống còn 73% và giữ ở mức 73% đến hết chu trình vận hành. Hiệu suất này thấp hơn so với hiệu suất xử lý sinh học với bùn hiếu khí ban đầu của Tổng công ty Giấy Việt Nam là 85%.

Kết quả nghiên cứu thu được cho thấy hiệu quả loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải của bùn hạt tạo thành phụ thuộc vào kích thước hạt bùn, cấu trúc, sự độ ổn định của hạt và nồng độ sinh khối trong bể. Kích thước hạt tăng lên, sinh khối tăng, mật độ vi sinh vật sẽ tăng lên đã thúc đẩy nhanh qua trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong nước thải nên hiệu quả xử lý COD sẽ tăng lên.

Bảng 4. Kết quả của 3 thí nghiệm sau 40 ngày vận hành trên bể SBR

Trong 3 thí nghiệm trên, thí nghiệm có tỷ lệ trao đổi nước VER 60% được đánh giá là tối ưu hơn với hiệu suất xử lý COD là 94%, sinh khối MLSS đạt 6491mg/l, mật độ vi sinh MLVSS/MLSS đạt 96% và chỉ số thể tích bùn đạt 53 ml/g. Mặc dù, tại thí nghiệm có tỷ lệ trao đổi nước là 80% (VER 80%) các hạt hình thành có kích thước lớn hơn nhưng cấu trúc hạt không ổn định, dễ bị phá vỡ làm cho nước thải đầu ra bị đục, chỉ số SVI của VER 80% do đó mà cũng cao hơn so với tỷ lệ trao đổi nước VER 60 % và 30% là 163 ml/g.

So sánh với các nghiên cứu khác (bảng 8) thấy rằng, hiệu quả xử lý của bùn hạt hiếu khí tạo thành của nhóm nghiên cứu tương đương với các nghiên cứu của các tác giả khác nhau đã được công bố. [1,2,8].

Bảng 5. So sánh đặc điểm bùn hạt tạo thành với các nghiên cứu khác

​

VER 30%, bùn hạt hình thành sau 22 ngày, kích cỡ ổn định trong khoảng 0.9-1mm từ ngày 22 đến hết chu trình vận hành 40 ngày, cấu trúc hạt bùn: nhỏ, ổn định, chỉ số SVI 88-92ml/g - bùn lắng nhanh, nước đầu ra sạch, không có vẩn đục, hiệu suất xử lý COD đạt 91%.

VER 60%, bùn hạt hình thành sau 12 ngày, kích thước hạt ổn định trong khoảng 2-2,5mm từ ngày 22 đến hết chu trình vận hành 40 ngày, cấu trúc hạt bùn: tròn đều, chỉ số SVI: 53ml/g ở ngày 38- bùn lắng nhanh, nước đầu ra sạch, không có vẩn đục, hiệu suất xử lý COD đạt 96%.

VER 80%, bùn hạt hình thành sau 12 ngày, đạt kích thước 3-3,5mm sau 22 ngày vận hành, cấu trúc hạt không ổn định, dễ vỡ làm xuất hiện các mảng bông bùn và dễ bị thất thoát sinh khối thông qua hoạt động xả nước. Mật độ sinh khối MLVSS/MLSS đạt 83%, chỉ số SVI cao 113ml/g ở ngày thứ 38, khả năng lắng thấp hiệu quả xử lý COD nước thải chỉ đạt 73% ở ngày vận hành thứ 40.

1. Nguyễn Trọng Lực, Nguyễn Phước Dân, Trần Tây Nam (2008), Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí khử COD và Amoni trên bể phản ừng nâng từng mẻ luân phiên (SBAR), Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 12, số 2/2009, NXB Khoa học Kỹ thuật.

2. Trần Quang Lộc (2015), Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí trên bể phản ứng theo mẻ luân phiên, Tạp chí Khoa học Trường Đại học An Giang, tập 8, số 4/2015.

3. BK Bindhu & Madhu (2015), Influence of three selection pressure on aerobic granualation in sequencing batch reactor, Indian Jounrnal of Chemical Technology, Vol 22, pp 241- 247.

4. K & Nakamura.M (1991), Self - immobilization of aerobic actived sludge planket process in municipal sewage treatment water Sci. Techno 23,981-990

5. Tay JH, Liu QS, Liu Y (2001), The effect of shear force on formation, structure and metabolism of earobic granular, Application Microbiotechnol 57, pp 227-233.

6. Tay JH, Pan S, Tay S, Ivanov V, Liu Y (2003). The effect of organic loading rate on aerobic granulation: The development of shear force theory, Water Science and Technology, 47, 235-240.

7. Jiang HL, Tay JH, Tay STL (2004). Changes in structure, activity and metabolism of aerobic granules as a microbial response to high phenol loading. Appl Microbiol Biotechnol 2004a; 63:602–8.

8. Laya Siroos Rezaei., Bita Ayati., & Hossein Ganjidoust. (2012). Cultivation of Aerobic Granules in a Novel Configuration of SBAR. Proceeding of International Conference on Chemical, Biological and Environment Sciences (ICCEBS'2011) Bangkok , 2011, pp 352-356.