ĐẶT VẤN ĐỀ Các công nghệ xử lý nƣớc thải bằng bùn hoạt tính thông thƣờng đang dần trở nên hạn chế ở khả năng lắng, tải trọng thấp và khả năng khử nitơ kém. Bùn hạt hiếu khí là công nghệ đƣợc đầu tƣ nghiên cứu ứng dụng trong xử lý nƣớc thải trong thời gian gần đây. Bùn hạt có nhiều ƣu điểm hơn so với bùn hoạt tính thông thƣờng: ổn định và duy trì nồng độ sinh khối cao, có khả năng chịu đƣợc tải trọng hữu cơ cao 15 kg COD/m3.ngày (Moy và cộng sự, 2002) trong khi bùn hoạt tính thông thƣờng là 0.ngày, khả năng lắng tốt (SVI < 30 mL/g, vận tốc lắng rất cao v > 10 m/h) (Linlin và cộng sự, 2005), chịu sốc tải và đồng thời xử lý nitrogen, photpho hiệu quả cao. Khả năng xử lý ammonia nồng độ cao 1000 – 1400 mg/L, hiệu quả xử lý lớn hơn 80% (Tsuneda và cộng sự, 2005).
Khả năng lắng tốt của bùn hạt làm cho quá trình tách sinh khối từ nƣớc thải nhanh và hiệu quả hơn dẫn đến tiết kiệm diện tích xây dựng công trình. Ngoài ra, bùn hạt còn cung cấp mật độ vi khuẩn dày đặc, có tính ổn định tốt hơn, duy trì sinh khối cao và khả năng loại bỏ các chất dinh dƣỡng. Do kích thƣớc và cấu trúc của hạt hình thành các vùng hiếu khí và yếm khí, là môi trƣờng tốt cho quá trình nitrate hóa và khử nitơ đồng thời (SND). Vì vậy việc loại bỏ nitơ của hạt hiếu khí đã thu hút nhiều quan tâm.
Tốc độ tăng trƣởng bề mặt của vi sinh vật phân hủy sinh học và bề mặt liên quan đến bề mặt chất nền. Tỷ lệ N/COD cao làm tăng cƣờng các hoạt động nitrate và khử nitơ. Tăng nồng độ của nguồn carbon có lợi cho nitrate hóa và khử nitơ xảy ra đồng thời, đƣợc điều khiển bởi quá trình khử nitơ trong bùn hạt hiếu khí (Qian Feng và cộng sự, 2012). Do đó, bùn hạt hiếu khí sẽ là giải pháp thay thế khả thi cho các quá trình bùn hoạt tính thông thƣờng trong tƣơng lai.
Vì thế đề tài “Ảnh hưởng của các loại cơ chất khác nhau đến đặc tính của bùn hạt hiếu khí” đƣợc thực hiện để đánh giá ảnh hƣởng của tỷ lệ cơ chất N/COD, tải trọng nitơ (NLR) đến sự hình thành bùn hạt và đặc tính của bùn hạt. Sau khi bùn hạt hình thành, tiếp tục đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ đối với nƣớc thải tổng hợp.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu gồm hai mục tiêu: Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của tỷ lệ N/COD đến quá trình hình thành và đặc tính bùn hạt hiếu khí. Đánh giá khả năng khử COD và nitơ của bùn hạt hiếu khí ở các điều kiện cơ chất khác nhau.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu đƣợc tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm nên phạm vi nghiên cứu giới hạn trong một số vấn đề sau: Nghiên cứu này sử dụng dạng bể phản ứng khí nâng từng mẻ SBAR (sequencing batch airlift reactor) để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí và theo dõi sự phát triển của hạt bốn mô hình phản ứng. Nguồn nƣớc thải tổng hợp của bốn mô hình có tỷ lệ N/COD khác nhau (R1 - N/COD = 5/150; R2 - N/COD = 10/150; R3 - N/COD = 30/150; và R4 - N/COD → ∞ (chỉ chứa nguồn cơ chất ở dạng ammonia).
Trong đó OLR = 3 kgCOD/m3.ngày đƣợc cố định cho cả R1, R2, R3 và R4 (OLR =0); NLR có giá trị tăng dần 0. Đề tài chỉ khảo sát các đặc tính cơ bản của bùn hạt hiếu khí nhƣ: kích thƣớc hạt, chỉ số thể tích bùn SVI, vận tốc lắng, nồng độ sinh khối trong bể. Từ đó đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ, khả năng nitrate hóa và khử nitrate đồng thời (SND) của bùn hạt hiếu khí đƣợc hình thành ở các nguồn nƣớc thải tổng hợp có tỷ lệ N/COD khác nhau.4 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA NGHIÊN CỨU Công nghệ xử lý nƣớc thải bằng bùn hạt hiếu khí rất có triển vọng trong tƣơng lai. Với các ƣu điểm của hệ thống xử lý nhƣ diện tích mặt bằng nhỏ, thể tích công trình nhỏ, thời gian xử lý nhanh và hiệu quả xử lý cao hơn bùn hoạt tính thì việc áp dụng công nghệ này giúp giảm phần nào chi phí xử lý nƣớc thải và giảm đƣợc nồng độ chất ô nhiễm thải ra môi trƣờng.
Kết quả của đề tài mang tính thực tiễn cao, là tiền đề nghiên cứu áp dụng vào thực tế đối với các nƣớc thải có tải trọng nitơ cao và không ổn định. CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU Bùn hạt là quá trình tập hợp nhiều vi sinh vật kết lại dày đặc với hình dáng bên ngoài là hình cầu. Mỗi bùn hạt là hàng triệu vi sinh vật khác nhau với lƣợng sinh khối lớn. Bùn hạt đã đƣợc phát triển thành công cả môi trƣờng kỵ khí và hiếu khí.
Đối với bùn hạt hiếu khí, tùy thuộc vào môi trƣờng và điều kiện nuôi cấy mà thành phần vi sinh trong bùn hạt cũng khác nhau, bao gồm các nhóm sinh vật dị dƣỡng, nitrate hóa, khử nitrate. Quá trình hình thành bùn hạt là kết quả sự kết hợp các tế bào vi sinh tiếp xúc nhau tƣơng đối ổn định dƣới các điều kiện lý - hóa - sinh. Bùn hạt cũng có thể đƣợc xem nhƣ là trƣờng hợp đặc biệt của sự phát triển màng sinh học biofilm (Liu và cộng sự, 2002; Yang và cộng sự, 2004).2 TỔNG QUAN VỀ BÙN HẠT 2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình tạo bùn hạt hiếu khí Nhiều nghiên cứu cho rằng quá trình hình thành bùn hạt là quá trình tự cố định các tế bào vi sinh dƣới các điều kiện lý - hóa - sinh tƣơng đối ổn định. Liu và Tay (2002) đƣa ra mô hình quá trình hình thành bao gồm các bƣớc sau: Bước 1: Các vi sinh vật tác động lẫn nhau hoặc bám dính lên bề mặt chất rắn dƣới các điều kiện vật lý.
Các yếu tố vật lý bao gồm: thủy động học, sự khuếch tán, trọng lực, nhiệt động học và sự chuyển động tế bào. Bước 2: Lực hấp dẫn ban đầu giúp ổn định sự tác động giữa các tế bào bám dính lẫn nhau và ổn định trên bề mặt rắn. Những lực hấp dẫn bao gồm: Vật lý: Van der waals, lực tĩnh điện, nhiệt động học, tính kỵ nƣớc và cầu nối giữa các tế bào Hóa học: liên kết hydro, liên kết đôi, liên kết ba, cầu nối giữa các hạt Sinh hóa: sự khử nƣớc trên bề mặt tế bào, liên kết màng tế bào Bước 3: các tế bào tập hợp lại với nhau đạt trạng thái ổn định thông qua polymer ngoại bào (EPS), sự phát triển cụm tế bào, sự trao đổi chất và ảnh hƣởng môi trƣờng làm thuận lợi tác động qua lại giữa các tế bào và kết quả cấu trúc tế bào dày hơn và dính chặt hơn. Bước 4: dƣới tác động của lực cắt, cấu trúc ba chiều của bùn hạt ổn định.
Bề mặt và kích thƣớc của bùn hạt đƣợc quyết định nhờ ảnh hƣởng giữa tập hợp vi sinh vật, lực cắt, chủng loại vi sinh và nồng độ cơ chất (Yu và cộng sự, 2002). 3 Theo nghiên cứu của Wang và cộng sự (2004); Beun và cộng sự (1999) thì quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí nhƣ sau: Bùn hoạt tính ban đầu nuôi cấy trong bể SBR có cấu trúc mềm, khó lắng. Giai đoạn chạy thích nghi vận hành trong 25 ngày ở tải trọng 1,8 kg COD/m3. Bùn khó lắng đƣợc loại bỏ ra khỏi hệ thống và chỉ giữ lại bùn có đặc tính dễ lắng.
Ở giai đoạn tạo hạt tải trọng đƣợc tăng lên 3,2 kg COD/m3.ngày, bùn hạt ban đầu đƣợc hình thành dƣới dạng những viên bùn sợi và tốc độ phát triển chậm hơn bông bùn. Ở giai đoạn này bông bùn vẫn chiếm ƣu thế. Khi tăng tải trọng lên 4,8 kg COD/m3.ngày thì hạt bùn ban đầu xuất hiện rõ rệt và phát triển thành bùn hạt có kích thƣớc ổn định 6-7mm. Quan sát dƣới kính hiển vi cho thấy các vi khuẩn dạng sợi là giá thể cho các vi sinh dạng cầu và vi khuẩn hình que bám vào.
Theo nghiên cứu của Beun và cộng sự (1998) cho thấy sau giai đoạn thích nghi nấm xuất hiện chủ yếu trong bông bùn. Các nấm này dễ hình thành các viên nhỏ, có khả năng lắng nhanh và đƣợc giữ lại trong hệ thống. Trong giai đoạn chạy thích nghi, các viên sợi có chứa vi khuẩn dạng sợi chiếm ƣu thế. Dƣới tác động của lực cắt các vi khuẩn dạng sợi tách ta khỏi bề mặt các viên này và viên này trở nên dày đặc hơn.
Các viên này phát triển nhanh thành các hạt có kích thƣớc 5-6mm. Bên trong các hạt này bị giới hạn oxy khuếch tán vào nên các hạt này bị tách ra. Các viên dạng sợi này đƣợc xem nhƣ là giá thể để các loại vi khuẩn cố định vào. Khi các hạt đƣợc tách ra, các dòng vi khuẩn đủ lớn và có thể lắng tốt đƣợc duy trì trong bể.
Các dòng vi khuẩn này tiếp tục phát triển thành hạt bùn. Quá trình tạo hạt bùn đƣợc thể hình ở Hình 2.1 Sơ đồ quá trình hình thành bùn hạt hiếu khí từ bùn hoạt tính 4 2.2 Đặc tính của bùn hạt hiếu khí Cấu trúc của bùn hạt Sự hình thành bùn hạt do một số vi sinh vật tự cố định gắn kết với nhau. Cấu trúc bùn hạt sẽ phụ thuộc vào thành phần các vi sinh vật này. Tùy thành phần cơ chất ban đầu, OLR, NLR và điều kiện môi trƣờng mà sẽ hình thành những loại vi khuẩn khác nhau và hình thành bùn hạt với cấu trúc và đặc tính khác nhau.
Tùy thuộc vào sự phát triển của nhóm vi sinh vật, bề mặt của hạt bùn có thể nhẵn hoặc nhám. Khi mô hình có sự hiện diện quá mức của sản phẩm polysaccharides và lực cắt mạnh thì bùn hạt có một lớp vỏ bao bọc bên trên. Lớp này sẽ làm giảm sự tách tế bào và hạn chế sự trao đổi chất của bùn hạt (Tay và cộng sự, 2003). Bùn hạt có chứa nhiều rãnh và lổ rỗng có thể xâm nhập ở độ sâu 900 µm từ bề mặt bùn hạt.
Độ xốp tồn tại ở độ sâu 300 – 500 µm tính từ bề mặt. Những rãnh và lổ rỗng này sẽ thuận lợi cho việc vận chuyển oxy và chất dinh dƣỡng vào bên trong bùn hạt và sản phẩm trao đổi chất ra bên ngoài. Vi khuẩn Nitrosomonas spp cũng tồn tại trong bùn hạt ở độ sâu 70 – 100 µm tính từ bề mặt bùn hạt và vi khuẩn kỵ khí Bacteroides spp tồn tại ở độ sâu 800 – 1000 µm.
