Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu thực cá nhân, hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Lan Hương Các số liệu, kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa công bố hình thức Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội,ngày tháng năm 2016 Tác giả Tô Tiến Tài Tô Tiến Tài CB140380 i Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Lan Hương tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, cán công tác Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm, Viện Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dạy dỗ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập trường Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn động viên, giúp đỡ gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016 Học viên Tô Tiến Tài Tô Tiến Tài CB140380 ii Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC BẢNG VIII DANH MỤC HÌNH IX MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Hệ thống UASB 1.1.1 Giới thiệu UASB 1.1.2 Quá trình phân huỷ yếm khí bể UASB 1.1.3 Ứng dụng hệ thống UASB 1.2 Bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt UASB 1.2.1 Giới thiệu bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt 1.2.2 Các thông số đánh giá bùn hạt yếm khí 1.2.3 Các kỹ thuật tạo bùn hạt yếm khí 1.3 Giới thiệu vật liệu PVA 11 1.3.1 Cấu tạo PVA 11 1.3.2 Tính chất PVA 11 1.3.3 Phương pháp tạo gel PVA 14 1.3.4 PVA thương mại Việt Nam 16 1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến khả cố định vi sinh vật lên giá thể 18 Tô Tiến Tài CB140380 iii Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB 1.4.1 Ảnh hưởng đặc tính bùn giống tỷ lệ phối trộn bùn/giá thể 18 1.4.2 Ảnh hưởng chế độ vận hành hệ thống UASB: 18 1.4.3 Ảnh hưởng chất: 19 1.4.4 Nhiệt độ: 19 1.5 Ứng dụng bùn hạt bùn yếm khí từ giá thể PVA hệ thống UASB 20 CHƢƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 21 2.1 Vật liệu 21 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 21 2.1.2 Dụng cụ hóa chất 21 2.1.3 Thiết bị 22 2.2 Phƣơng pháp 23 2.2.1 Nghiên cứu tạo hạt gel PVA 23 2.2.2 Cố định vi sinh vật lên giá thể hạt gel PVA 24 2.2.3 Các phƣơng pháp phân tích 25 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Tạo hạt giá thể từ vật liệu PVA 29 3.1.1 Lựa chọn điều kiện tạo hạt giá thể từ vật liệu PVA 29 3.1.2 Quy trình tạo hạt giá thể từ PVA 34 3.1.3 Đánh giá thông số hạt giá thể 35 3.2 Khả cố định vi sinh vật lên hạt giá thể 40 3.2.1 Sự thay đổi màu sắc hạt PVA thời gian cố định 40 3.2.2 Sự thay đổi tỷ lệ gVSS/gPVA 42 3.2.3 Sự thay đổi SMA hạt giá thể cố định 43 3.2.4 Vi sinh vật bám dính hạt giá thể 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 Tô Tiến Tài CB140380 iv Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Kết luận 46 Kiến nghị 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 Tô Tiến Tài CB140380 v Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký tự Tiếng Anh Chú giải AFB Anaerobic Fluidized Bed Thiết bị tầng sôi yếm khí BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học BR Baffled Reactor Thiết bị vách ngăn COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DHS Downflow Hanging Sponge DRC Dry Rubber Content Hàm lượng cao su khô HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu nước thải MLSS Mixed Liquor Suspended Solid Nồng độ sinh khối lơ lửng MLVSS N-NH3 NRPW Mixed Liquor Volatile Suspended Solid Amonia Natural rubber processing wastewater Thiết bị lọc hiếu khí với dòng chảy từ xuống qua lớp mút xốp Nồng độ sinh khối lơ lửng bay Nitơ amoni Nước thải chế biến cao su thiên nhiên OLR Organic Loading Rate Tải trọng hữu SBR Sequencing Batch Reactor Thiết bị xử lý theo mẻ SEM Scanning electron microscopic Kính hiển vi điện tử quét SMA Specific Metan Activity Hoạt tính sinh metan riêng SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN TN Total Nitrogen Tô Tiến Tài CB140380 Tổng nitơ vi Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Ký tự Tiếng Anh Chú giải TOC Total Organic Carbon Tổng cacbon hữu Upflow Anaerobic Thiết bị xử lý yếm khí với dòng chảy ngược Slugde Blanket qua lớp bùn hoạt tính Volatile Fatty Axit Axit béo bay UASB VFA VSS Volatile Suspended Solid Tô Tiến Tài CB140380 Chất rắn lơ lửng bay vii Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính PVA dạng rắn 17 Bảng 2.1 Đặc tính bùn giống 21 Bảng 3.1 Đặc tính số loại hạt giá thể PVA 40 Bảng 3.2 SMA mẫu hệ thống UASB cố định vi sinh vật thời điểm 17 tuần 44 Tô Tiến Tài CB140380 viii Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống UASB Hình 1.2 Các phương thức trao đổi chất trình lên men yếm khí Hình 1.3 Cấu trúc phân tử PVA thủy phân không hoàn toàn hoàn toàn 11 Hình 1.4 Phản ứng axetat hóa PVA 12 Hình 1.5 Phản ứng tạo phức PVA axit Boric 14 Hình 1.6 Liên kết ngang PVA- Boric 15 Hình 1.7 Liên kết hydro hình thành mạng lưới 15 Hình 1.8 Cơ chế làm cứng hạt PVA dung dịch Na2SO4 16 Hình 2.1 Quy trình đánh đông 21 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống thiết bị sử dụng để tạo hạt gel PVA 22 Hình 2.3 Hệ thống UASB 23 Hình 2.4 Quy trình tạo hạt giá thể PVA dạng gel 23 Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm tạo hạt gel PVA 24 Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống cố định vi sinh vật 24 Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ PVA đến trình tạo hạt 29 Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tạo hạt 31 Hình 3.3 Ảnh hưởng thời gian ngâm hạt khả biến tính hạt 32 Hình 3.4 Ảnh hưởng dung dịch làm cứng với hạt gel PVA 33 Hình 3.5 Quy trình tạo hạt giá thể từ PVA 34 Hình 3.6 Hình thái kích thước hạt giá thể PVA 35 Hình 3.7 Khả đàn hồi hạt giá thể 36 Hình 3.8 Cấu trúc bề mặt mặt cắt hạt giá thể 38 Hình 3.9 Khả trương nở hạt giá thể PVA dạng khô 39 Hình 3.10 Sự thay đổi màu sắc hạt theo thời gian 41 Hình 3.11 Sự thay đổi giá trị gVSS/gPVA theo thời gian hệ thống 42 Hình 3.12 Bề mặt mặt cắt ngang hạt giá thể PVA 45 Tô Tiến Tài CB140380 ix Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB MỞ ĐẦU Hiện nay, công nghệ xử lý yếm khí với dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) ứng dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp khác như: công nghiệp thực phẩm, giấy, hóa chất, dầu mỏ, dệt nhuộm, nước thải sinh hoạt nước thải sơ chế cao su Hệ thống UASB cho hiệu xử lý COD cao với tải trọng lớn thu hồi biogas làm lượng đồng thời thể tích công trình nhỏ nên tiết kiệm diện tích mặt xây dựng Tuy nhiên, hiệu xử lý bể UASB bị ảnh hưởng lớn việc trì hệ bùn trạng thái lơ lửng tách sinh khối vi sinh vật (bùn yếm khí) khỏi dòng Trong thực tế, bùn trạng thái lơ lửng dạng hạt vàchống lại rửa trôi khỏi thiết bị UASB Bùn tự cố định thành hạt trình tự cố định bùn hạt bị tác động nhiều yếu tố nên thời gian kéo dài từ – tháng, chí hàng năm Hiện nay, bên cạnh nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện nhằm rút ngắn thời gian tự cố định bùn hạt, nghiên cứu cố định bùn hạt giá thể dạng gel khác thực Có nhiều vật liệu sử dụng để tạo giá thể dạng hạt gel Một số loại vật liệu agar, alginate, carrageenan, chitosan, polyacrylamid, polyurethan, xelluloza sử dụng để tạo hạt gel thành công hạt gel có nhược điểm độ bền học thấp, số độc với vi sinh vật có giá thành cao Vật liệu gel polyvinyl alcohol (PVA) có ưu điểm lớn độ bền học cao, ổn định mặt hóa học, không độc với vi sinh vật giá thành thấp phổ biến thị trường Hạt gel PVA có đặc tính diện tích bề mặt, trọng lượng riêng, dạng cầu dễ sản xuất đáp ứng yêu cầu sử dụng làm giá thể cố định vi sinh vật Với cấu trúc vi mô xốp, hạt gel PVA phù hợp cho việc lưu giữ vi sinh vật yếm khí Bên cạnh đó, trọng lượng riêng chúng nặng nước chút nên hạt gel PVA giá thể thích hợp sử dụng để cố định vi sinh vật yếm khí thiết bị UASB Do đó, nhằm rút ngắn thời gian khởi động, tăng cường tách bùn - nước dòng thiết bị UASB việc cố định bùn hạt gel PVA cần thiết tiến hành thực đề tài: Tô Tiến Tài CB140380 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB 3.1.3.4 Tỷ trọng hạt giá thể Hạt giá thể PVA nghiên cứu với quy trình tạo hạt hình 3.5 có tỷ trọng so với nước đạt giá trị 1,07±0,01 Hạt giá thể PVA thương mại có tỷ trọng khoảng 1,03 -1,08 [27] Như vậy, hạt giá thể tạo nghiên cứu có tỷ trọng tương tự với hạt giá thể PVA thương mại Giá trị có tính tương đương với tỷ trọng hạt bùn tự cố định hệ thống UASB [35] 3.1.3.5 Độ rỗng hạt giá thể PVA Độ rỗng hạt giá thể PVA cho biết khả tạo khoảng trống cho vi sinh vật bám vào Kết xác định hạt giá thể PVA có độ rỗng cao (83,26%) Như vậy, hạt gel PVA có khoảng trống lớn để vi sinh vật cố định 3.1.3.6 Các đặc điểm bề mặt phần lõi hạt giá thể PVA Các đặc điểm bề mặt phần lõi cắt ngang hạt giá thể PVA hình 3.8 Kết chụp SEM bề mặt hạt gồ ghề (hình 3.8a) tạo điều kiện cho vi sinh vật bám dính để hình thành màng sinh học vi sinh vật Bề mặt cắt ngang hạt có cấu trúc mạng lưới xốp có nhiều vết lõm Kích vết lõm đồng đều, xem độ phóng đại 2000 lần (hình 3.8b) Đường kính vết lõm từ 0,5-2μm, số vết lõm có kích thước đến 3μm (hình3.8c) Kích thước lỗ lớn vi khuẩn chút nên thích hợp cho việc bẫy giữ lại chúng Như vậy, hạt giá thể PVA có bề mặt gồ ghề, cấu trúc bên hạt mạng lưới không gian xốp thích hợp cho vi sinh vật bám vào, sinh trưởng phát triển Tô Tiến Tài CB140380 37 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB a b 20µm c 5µm 20µm Hình 3.8 Cấu trúc bề mặt mặt cắt hạt giá thể a- Bề mặt hạt giá thể PVA với độ phóng đại 2000 lần; b-Mặt cắt hạt giá thể PVA với độ phóng đại 2000 lần; c- Mặt cắt hạt giá thể PVA với độ phóng đại 10000 lần 3.1.3.7 Khả trương nở hạt giá thể PVA dạng khô Để thuận tiện cho trình bảo quản vận chuyển, hạt giá thể PVA sấy khô nhiệt độ 40oC Sau trình sấy khô, hạt giá thể PVA ngâm nước để kiểm tra mức độ trương nở Kết trương nở hạt giá thể PVA dạng khô hình 3.9 Hạt giá thể PVA dạng khô sau ngâm vào nước với thời gian 1h có khả trương nở trở hình dạng kích thước ban đầu với cấu trúc rỗng xốp Tô Tiến Tài CB140380 38 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Hạt sấy khô Trương nở hạt sau ngâm nước Hình 3.9 Khả trƣơng nở hạt giá thể PVA dạng khô 3.1.3.8 So sánh với số loại hạt giá thể PVA thương mại Kết hình dạng, kích thước tỷ trọng hạt giá thể PVA nghiên cứu có mức độ tương đồng cao so với số loại hạt giá thể PVA thương mại Điều hạt giá thể PVA nghiên cứu có tiềm lớn cho việc ứng dụng làm giá thể xử lý nước thải thiết bị UASB hạt giá thể PVA thương mại cho kết khả quan Các đặc tính hạt giá thể PVA nghiên cứu so với hạt giá thể PVA thương mại Kuraray hạt giá thể PVA sáng chế Liu cộng (2015) bảng 3.1 Tô Tiến Tài CB140380 39 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Bảng 3.1 Đặc tính số loại hạt giá thể PVA Hạt giá thể PVA Hạt giá thể PVA Hạt giá thể PVA nghiên cứu thương mại sáng chế (Kuraray) [5] [27] Hình dạng Tròn Tròn Tròn Đường kính hạt 3,5- 4,5mm 3-4mm – 5mm Tỷ trọng hạt 1,06 -1,08 1,025 ± 0,01 1,03 - 1,08 Độ rỗng hạt 83,26% Không có Không có Thông số 3.2 Khả cố định vi sinh vật lên hạt giá thể Các hạt PVA sau tạo thành trộn với bùn theo tỷ lệ bùn/hạt 1/1, 2/1, 3/1 chạy cố định vi sinh vật ba hệ thống UASB kí hiệu UASB1, UASB2, UASB3 với nước thải sơ chế mủ cao su Hạt giá thể lấy định kì đánh giá thông số màu sắc, gVSS/gPVA SMA 3.2.1 Sự thay đổi màu sắc hạt PVA thời gian cố định Sự thay đổi màu sắc hạt giá thể PVA thời gian cố định vi sinh vật hình 3.10 Kết thời gian cố định vi sinh vật lên hạt giá thể PVA, màu sắc hạt thay đổi từ màu trắng sang màu vàng nâu Thời gian cố định lâu màu sắc hạt đậm lên Màu sắc hạt giá thể PVA phụ thuộc vào chế độ chạy hệ thống UASB Tô Tiến Tài CB140380 40 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB UASB1 UASB2 Đối chứng UASB1 Đối chứng UASB3 UASB2 UASB3 1tuần UASB1 UASB2 12tuần 8tuần Đối chứng UASB1 UASB3 UASB2 Đối chứng 17tuần UASB3 Hình 3.10 Sự thay đổi màu sắc hạt theo thời gian Trong tuần đầu, chế độ chạy với tỷ lệ bùn/hạt: 1/1 ứng với hệ thống UASB1 có màu nhạt nhất, tỷ lệ bùn/hạt: 3/1ứng với hệ thống UASB3 có màu đậm Sau 12 tuần, tỷ lệ bùn/hạt: 1/1 có màu nhạt nhất, tỷ lệ bùn/hạt: 2/1 ứng với hệ thống UASB2 tỷ lệ bùn/hạt: 3/1 cường độ màu đậm chạy với tỷ lệ bùn/hạt: 1/1 Đến tuần thứ 17, bùn hệ thống UASB có màu sắc Kết chứng tỏ màu sắc hạt giá thể PVA hệ thống phản ánh mức độ vi sinh vật bám dính Sau tuần chạy hệ thống UASB với tỷ lệ bùn thấp, hạt có xu hướng bám dính Tuy nhiên sau thời gian chạy tiếp màu sắc hạt giá thể PVA hệ thống điều chỉnh đến tuần 17 Do đó, việc vi sinh vật bám dính hạt, vi sinh vật sinh Tô Tiến Tài CB140380 41 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB trưởng phát triển bề mặt hạt Các hình ảnh hình 3.11 độ bền hạt sau 17 tuần chạy Các hạt không bị vỡ bị bóp méo Kết kết luận hạt giá thể PVA có độ bền học cao trình chạy hệ thống UASB Các kết nghiên cứu cải thiện so với kết Dinh cộng (2014) chạy hệ thống với hạt PVA có bổ sung 1% alginate hạt bị vỡ sau 15 ngày vận hành liên tục [37] Zhang cộng (2009) sử dụng hạt PVA thương mại Kuraray cố định vi sinh vật hệ thống UASB xử lý nước ngô sau 115 ngày hạt giá thể chuyển từ màu trắng ban đầu sang màu xám đen [48] Zhang cộng (2011) chạy hệ thống UASB cố định vi sinh vật lên giá thể PVA thương mại Kuraray xử lý nước thải ethylene glycol, ban đầu hạt giá thể có màu trắng chuyển đen sau 30 ngày vận hành hạt giá thể đen hoàn toàn sau 137 ngày [50] 3.2.2 Sự thay đổi tỷ lệ gVSS/gPVA Tỷ lệ gVSS/gPVA sử dụng để đánh giá khả vi sinh vật cố định hạt giá thể PVA Hình 3.12 thay đổi tỷ tệ gVSS/gPVA trình cố định vi sinh vật Hình 3.11 Sự thay đổi giá trị gVSS/gPVA theo thời gian hệ thống Tô Tiến Tài CB140380 42 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Kết tuần đầu tỷ lệ gVSS/gPVA hệ thống UASB tăng không đáng kể, từ tuần thứ tỷ lệ tăng nhanh UASB Đến tuần 12, tỷ lệ gVSS/gPVA hạt giá thể PVA UASB3 tăng nhanh tốc độ tăng tỷ lệ hệ thống UASB1 UASB2 giảm Đến tuần thứ 17, tỷ lệ gVSS/gPVA hạt giá thể hệ thống UASB đạt giá trị 1,09±0,01 gVSS/gPVA Như vậy, tỷ lệ gVSS/gPVA hệ thống UASB tăng theo thời gian cố định Thời gian cố định dài tỷ lệ hạt giá thể PVA UASB tiến đến gần đến thời điểm 17 tuần tỷ lệ gVSS/gPVA đạt giá trị cân hệ thống Zhang cộng (2008) cố định vi sinh vật lên hạt giá thể PVA thương mại Kuraray xử lý nước thải tổng hợp hệ thống UASB, sau 120 ngày vận hành mật độ vi sinh vật đạt 0,93gVSS/gPVA [51] Liu cộng (2015) với hạt giá thể PVA hệ thống xử lý nước thải ép hoa cho giá trị 1,02gVSS/g PVA, hệ thống xử lý nước thải đô thị cho giá trị 0,92 gVSS/gPVA hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm có giá trị 0,9gVSS/gPVA [27] 3.2.3 Sự thay đổi SMA hạt giá thể cố định SMA đánh giá lực sinh metan vi sinh vật Trong hệ thống cố định vi sinh vật có phối trộn bùn phân tán hạt giá thể PVA Với mục đích cố định vi sinh vật lên hạt giá thể đạt hiệu cao, kết đạt tốt SMA hạt giá thể PVA gần với giá trị SMA bùn phân tán có hệ thống Bảng 3.2 giá trị SMA hạt giá thể PVA hệ thống UASB sau 17 tuần cố định vi sinh vật Kết SMA tăng theo thời gian cố định, thời gian cố định dài hoạt tính cao SMA hạt giá thể PVA cố định vi sinh vật tăng theo lượng bùn chứa hệ thống UASB, lượng bùn lớn đưa đến SMA hạt giá thể PVA cố định vi sinh vật cao Sau 17 tuần SMA hạt giá thể PVA hệ thống UASB3 có giá trị lớn nhất, đạt 0,357(gCOD/gVSS/ngày) Tô Tiến Tài CB140380 43 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Bảng 3.2 SMA mẫu hệ thống UASB cố định vi sinh vật thời điểm 17 tuần SMA hạt giá thể PVA SMA bùn phân tán (gCOD/gVSS/ngày) gCOD/gVSS/ngày) UASB1 0,172 0,916 UASB2 0,338 0,637 UASB3 0,357 0,971 Hệ thống Như vậy, hoạt tính sinh khí metan riêng hạt giá thể PVA cố định hệ thống UASB3 cho giá trị cao nhất, đạt 0,357(gCOD/gVSS/ngày) nhiên giá trị thấp nhiều so với SMA bùn phân tán có hệ thống nên cần có thêm nghiên cứu tối ưu điều kiện cố định vi sinh vật lên giá thể để hình thành hạt bùn hoạt tính yếm khí giá thể PVA với thời gian nhanh 3.2.4 Quan sát cố định vi sinh vật hạt PVA Quá trình cố định vi sinh vật lên hạt giá thể PVA hệ thống UASB tạo hạt có màu sắc thay đổi theo thời gian có xu hướng chuyển sang màu đen kéo dài thời gian vận hành, hạt giá thể PVA cố định có hoạt tính sinh khí metan có vi sinh vật sinh trưởng phát triển hạt giá thể Để đánh giá cố định vi sinh vật lấy mẫu hạt giá thể hệ thống quan sát kính hiển vi điện tử quét Tại ngày thứ 90 trình cố định vi sinh vật hệ thống UASB3 hạt giá thể lấy chụp SEM vi sinh vật, kết hình 3.12 Tô Tiến Tài CB140380 44 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB a b 10µ m c 4µm 10µ m Hình 3.12 Bề mặt mặt cắt ngang hạt giá thể PVA (a) bề mặt hạt giá thể PVA với độ phóng đại 5000 lần, (b) bề mặt hạt giá thể PVA với độ phóng đại 12000 lần, (c) mặt cắt ngang hạt giá thể PVA với độ phóng đại 5000 lần Kết chụp SEM thời điểm ngày 90 trình cố định vi sinh vật, xuất vi sinh vật bề mặt mạng lưới không gian phía hạt giá thể PVA Trên bề mặt hạt giá thể phần mặt cắt ngang bên hạt có vi sinh vật hình cầu tụ cầu, vi sinh vật dự đoán loài Methanosarcina, loài có khả chuyển hóa axetat, hydro CO2 [40] Zhang cộng (2011) quan sát SEM hạt giá thể PVA thương mại Kuraray cố định hệ thống UASB xử lý nước thải ethylen glycol, kết hợp kỹ thuật lai huỳnh quang chỗ kết quan sát thấy lượng lớn vi sinh vật giá thể sau 137 ngày vận hành điều kiện HRT 8-14h, COD đầu vào 600-3700mg/L Các dạng vi sinh vật hình que, cầu khuẩn sợi hạt giá thể cầu khuẩn chiếm ưu Quan sát đặc điểm hình thái cầu khuẩn hạt cổ khuẩn Methanosarcina [50] Tô Tiến Tài CB140380 45 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đã lựa chọn điều kiện tạo hạt giá thể PVA nồng độ vật liệu PVA 8% (w/v) ngâm dung dich axit boric bão hòa (6%) thời gian lớn 30 phút ngâm dung dịch làm cứng Na2SO41M 30 phút Hạt giá thể PVA hình cầu đường kính 3,5-5mm có độ bền học cao, độ rỗng hạt 83,3%, tỷ trọng hạt 1,06-1,08g/cm3, hạt giá thể làm khô có khả trương nở tốt trở hình dạng kích thước ban đầu trước làm khô, quan sát kính hiển vi điện tử quét cho thấy hạt giá thể PVA có bề mặt gồ ghề cấu trúc xốp bên hạt với kích thước lỗ hạt 0,5-3μm Bước đầu cố định vi sinh vật lên hạt giá thể PVA hệ thống UASB xử lý nước thải chế biến mủ cao su với tỷ lệ phối trộn bùn/PVA 1/1, 2/1 3/1, thời gian lưu nước 8-12h, pH điều chỉnh mức 6-8 Mật độ vi sinh vật cố định lên hạt giá thể PVA đạt 1,09gVSS/gPVA sau 17 tuần vận hành hệ thống SMA hạt giá thể PVA chạy hệ thống UASB3 với tỷ lệ bùn/PVA 3/1 cho SMA cao nhất, đạt 0,357(gCOD/gVSS/ngày) Tô Tiến Tài CB140380 46 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Kiến nghị Nghiên cứu tối ưu điều kiện cố định vi sinh vật lên hạt giá thể PVA nhằm rút ngắn thời gian tạo bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt Đánh giá hiệu hạt cố định hệ thống UASB Tô Tiến Tài CB140380 47 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 11 12 13 14 TCVN 4195:2012, Xác định khối lượng riêng 2012 Batstone D.J, Keller J, Angelidaki I, Kalyuzhnyi S.V, Pavlostathis S.G, Rozzi A, Sanders W.T.M, Siegrist H,Vavilin V.A, Anaerobic Digestion Model No (ADM1) 2002, London: IWA Task Group for Mathematical Modelling of Anaerobic Digestion Processes Bitton G, Wastewater Microbiology, ed Cail R.G and Barford J.P 1999, New York: Wiley-Liss Britz T.J, Enhanced granulation in UASB by process induction and microbial stimulation WRC Report, 1999(677/1/99) Supawat Chaikasem, Effect of PVA-gel on performance improvement of a two stage thermophilic anaerobic membrane bioreactor., in Asian Institute of Technology 2015 Chang CC,Tseng SK, Immobilization of Alcaligenes eutrophus using PVA crosslinked with sodium nitrate Biotechnology Techniques, 1998 12: p 865–868 Chen J,Lun S.Y, Study on mechanism of anaerobic sludge granulation in UASB reactors Water Science and Technology, 1993 28: p 171–178 Chernicharo L, Anaerobic Reactors 2007, Alliance House, 12 Caxton Street, London , UK: IWA Publishing Dolfing J., Bloemen,W.G.B.M, Activity measurements as a tool to characterize the microbial composition of methanogenic environments Journal of Microbiological Methods, 1985 4: p 1-12 F.L.Marten, Encyclopedia of polymer Science and Technology Air Products and Chemicals Vol 2004 399-429 Fang H.H.P, Chui H.K,Li Y.Y, Microstructural analysis of UASB granules treating brewery wastewater Water Science and Technology 1995 31(9): p 129–135 Gavrilescu M, Engineering concerns and new developments in anaerobic wastewater treatment Clean Technologies and Environmental Policy, 2002 3: p 346–362 Gerardi M.H, The Microbiology of Anaerobic Digesters 2003: A John Wiley & Sons, Inc Guiot S.R, Nutritional and enviromental fators contributing to microbial aggegation during UBF start up Water Science and Technology, 1986 23: p 51 -57 Tô Tiến Tài CB140380 48 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Hach company, DR 2800 Spectrophotometer: Procedures Manual 2007: Catalog Number DOC022.53.00725 Manfred L Hallensleben, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Polyvinyl Compounds, Others 2000, Weinheim: Wiley-VCH Hampannavar U S.,B Shivayogimath C., Anaerobic Treatment of Sugar Industry Wastewater by Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor at Ambient Temperature Int J Envi-ron Sci., 2010 1(4): p 631-639 Harada H, Vemura S,Momonoi K, Interaction between sulfate-reducing bacteria and methane-producing bacteria in VASB reactors fed with low strength wastes containing different levels of sulfate Water Reseacher, 1994 28: p 355-367 Hulshoff Pol L.W, de Castro Lopes S.I, Lettinga G,Lens P.N, Anaerobic sludge granulation Water Research, 2004 38: p 1376-1389 In-Soung Chang , Chi-Il Kim,Byeong-Uk Nam, The influence of poly-vinylalcohol (PVA) characteristics on the physical stability of encapsulated immobilization media for advanced wastewater treatment Process Biochemistry 2005 40: p 3050–3054 Jawjit S,Liengcharernsit W, Anaerobic treatment of concentrated latex processing wastewater in two-stage upflow anaerobic sludge blanket Journal of Environmental Engineering and Science, 2013 8(5): p 541 – 549 Khanh D., Quan L., Zhang W., Hira D.,K Furukawa, Effect of temperature on low-strength wastewater treatment by UASB reactor using poly (vinyl alcohol)-gel carrier Bioresource Technology, 2011 102: p 11147–11154 Leitao R.C, Santaellla S.T, van Haandel A.C, Zeeman G,Lettinga G, The effect of operational conditions on the sludge specific methanogenic activity and sludge iodegradability Water Science and Technology, 2009 59(9): p 1847 -1853 Lettinga G, Field J, van Lier J, Zeeman G,Hulshoff L.W, Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future Water Science and Technology, 1997 35: p – 12 Liu Y, Xu H.L, Show K.Y,Tay J.H, Anaerobic granulation technology for wastewater treatment World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2002 18: p 99 -113 Liu Y, Xu H.L, Yang S.F,Tay J.H, Mechanisms and models for anaerobic granulation in upflow anaerobic sludge blanket reactor Water Research, 2003 37: p 661-673 LIU Y.H, LI Ting, HE Chao,L.N WANG, Anaerobic granular sludge and engineering fast culture method thereof 2015, Bằng sáng chế số CN 103771584 B Mackie R I ,P Bryant M., Metabolic activity of fatty acidoxidizing bacteria and the contribution of acetate, propionate, and butyrate, and CO2 to methanogenesis in cattle waste at 40 and 60oC Appl Environ Microbiol, 1981 41: p 1363–1373 Tô Tiến Tài CB140380 49 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 McCann B Gatze Lettinga: urging uptake of UASB technology in Water 21 2009 London, England: IWA Publishing Nguyen Trung Viet, Sustainable treatment of rubber latex processing wastewater: the UASB-system combined with aerobic post-treatment 1999, Wageningen University: Netherland Nor Azimah Mohd Zaina, Mohd Suardi Suhaimib,Idris Ani, Development and modification of PVA–alginate as a suitable immobilization matrix Process Biochemistry, 2011 46: p 2122–2129 Onodera T, Sase S, Choeisai P, Yoochatchaval W, Sumino H, Yamaguchi T, Ebie Y, Xu K, Tomioka N, Mizuochi M,Syutsubo K, Evaluation of Process Performance and Sludge Properties of an up-flow staged Sludge Blanket (USSB) reactor for Treatment of Molasses Wastewater International Journal Environmental Research, 2012 6(4): p 1015 -1024 Osamu Ariga, Hiromi Takagi, Hironori Nishizawa,Yoshiki Sano, Immobilization of microorganisms with PVA hardened by iterative freezing and thawing Fermentation Technology, 1987 65(6): p 651-658 P Mijaylova Nacheva, G Moeller Chávez, J Matías Chacón,Chuil A Canul, Treatment of cane sugar mill wastewater in an upflow anaerobic sludge bed reactor Water Science & Technology, 2009 60(5): p 13471352 Pareboom J, Size Distribution Model for Methanogenic Granules from Full Scale UASB and IC Reactor Water Science and Technology, 1994 30: p 211-221 Pareboom J,Vereijken T, Methanogenic Granule Development in Full Scale Internal Recirculation Reactors Water Science and Technology, 1994 30: p 9-21 Pham Van Dinh,L.T.Bach, Immobilized bacteria by using PVA(Polyvinyl alcohol) crosslinked with Sodium sulfate International Journal of Science and Engineering, 2014 7: p 41-47 Phoolphundh S, Hanvajanawong N,Hathaisamit K Performance of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor Treating Rubber Latex Wastewater Under Acidogenic Conditions in The Joint International Conference on Sustainable Energy and Environment (SEE) 2004 Hua Hin, Thailand Shah F.A, Mahmood Q, Shah M.M, Pervez A,Asad A, Microbial Ecology of Anaerobic Digesters: The Key Players of Anaerobiosis The Scientific World Journal, 2014 2014: p - 21 Shimizu S, Ueno A, Naganuma T,Kaneko K, Methanosarcina subterranea sp nov., a methanogenic archaeon isolated from a deep subsurface diatomaceous shale formation International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology., 2015 65: p 1167-1171 Tô Tiến Tài CB140380 50 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Shin H.S, Han S.K, Song Y.C,Lee C.Y, Performance of UASB reactor treating leachate from acidogenic fermenter in the twophase anaerobic digestion of food waste Water Research, 2001 35(14): p 3441–3447 Susumu Hashimoto,Kenji Furukawa, Immobilization of Activated Sludge by PVA-Boric Acid Method Biotechnology and Bioengineering, 1987 30(1): p 52–59 Tsuyoshi Imai, Masao Ukita, Jun Liu, Masahiko Sekine, Hiroshi Nakanishi,Masayuki Fukagawa, Advanced start up of UASB reactors by adding of water absorbing polymer Water Science and Technology, 1997 36: p 399-406 Viness Pillay, Wilbert Sibanda,Michael P Danckwerts, Sequential design of a novel PVA-based crosslinked ethylenic homopolymer for extended drug delivery International Journal of Pharmaceutics, 2005 301: p 89–101 J A Polack W Y Kuu Improving Immobilized Biocatalysts by Gel Phase Polymerization Biotechnology and Bioengineering, 1983 25(8): p 1995– 2006 Walsdorff , Van Kraayenburg M,Barnardt CA, A multi-site approach towards integrating environmental management in the wine production industry Water Science and Technology, 2005 51(1): p 61 - 69 Watari T, Thanh N.T, Tsuruoka N, Tanikawa T, Kuroda K, Huong N.L, Tan N.M, Hai H.T, Hatamoto M, Syutsubo K, M Fukuda,T Yamaguchi, Development of BR-UASB-DHS system of natural rubber processing wastewater Environmental Technology, 2016 37: p 459-465 Qinglin X Wenjie Z., Rouse J.D., Qiao S and Furukawa K, Treatment of highstrength corn steep liquor using cultivated polyvinyl alcohol gel beads in an anaerobic flidized-bed reactor Journal of Bioscience and Bioengineering, 2009 107: p 49–53 Wu KY,KD Wisecarver, Cell immobilization using PVA crosslinked with boric acid Biotechnology and Bioengineering, 1992 39(4): p 447-449 W Zhang, Zhang, X., Wang, D., Koga, Y., Rouse, J D and Furukawa, K., Trace elements enhance biofilm formation in UASB reactor for solo simple molecule wastewater treatment Bioresource Technology, 2011 102(19): p 9296-9299 Zhang Wenjie, Wang Dunqiu , Koga Yasunori, Yamamoto Taichi, Zhang Li,Furukawa Kenji, PVA-gel beads enhance granule formation in a UASB reactor Bioresource Technology, 2008 99: p 8400–8405 Chang chun petrochemical Co.Ltd Available from: http://www.ccp.com.tw/PRODUCT.NSF/0/40566EC20BC08A82482568D5 00357B44?OpenDocument HunanXiangwei Co.Ltd Available from: http://hunanxiangwei.lookchem.com/Productinfo_1990.html Kuraray Co.Ltd 2010; Available from: WWW.kuraray-pva-pvb.ue Tô Tiến Tài CB140380 51 ... thống xử lý nƣớc thải UASB Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nƣớc thải UASB Với mục tiêu Tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống UASB , để đạt mục... yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý nước thải UASB mang lại hiệu cao cho xử lý nước thải sơ chế cao su Tô Tiến Tài CB140380 Nghiên cứu tạo lập bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt cho hệ thống xử lý. .. nƣớc thải UASB 1.2 Bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt UASB 1.2.1 Giới thiệu bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt Bùn hoạt tính yếm khí dạng hạt quần xã vi sinh vật sống cộng sinh hình thành trình xử lý nước