DEVELOPMENT OF AN APPROPRIATE TREATMENT SYSTEM FOR NATURAL RUBBER PROCESSING WASTEWATER

Luận văn thạc sĩ về công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên. Nghiên cứu giải pháp xử lý hiệu quả, thân thiện môi trường cho ngành cao su.

• Tác giả: Takahiro Watari
• Người hướng dẫn: Nguyễn Minh Tân
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Development of an appropriate treatment for industrial rubber industrial wastewater treatment
• Loại tài liệu: Dissertation
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• DECLARATION
• 1. CONTENTS
• 2. Current Problem and its solution
• 3. State of the art
• 3.1. Natural rubber
• 3.2. Natural rubber processing process
• 3.3. Natural rubber processing wastewater
• 3.4. Current treatment technology for natural rubber processing wastewater
• 3.4.1. Biological aerobic and anaerobic pond
• 3.4.2. Upflow anaerobic sludge blanket reactor
• 3.4.3. Anaerobic baffled reactor
• 3.4.4. Activated sludge process
• 3.4.5. Swim bed tank
• 3.4.6. Down flow hanging sponge reactor
• 3.4.7. Dissolved air floatation
• 3.4.9. Combination of treatment systems for natural rubber processing wastewater
• 3.5. Industrial wastewater treatment process
• 3.5.1. Characteristics of anaerobic wastewater treatment and the degradation pathway of anaerobic digestion
• 3.5.2. Anaerobic industrial wastewater treatment technology
• 3.5.3. Characteristics of aerobic wastewater treatment and the degradation
• 3.5.4. Greenhouse gas emissions from the wastewater treatment system
• 3.6. Material and methods
• 3.6.1. Greenhouse gases collection and analysis
• 3.6.2. Laboratory UASB-DHS system
• 3.6.2.1. System description and operational conditions
• 3.6.3. Laboratory scale ABR system
• 3.6.3.1. Raw natural rubber processing wastewater
• 3.6.3.2. System description and operational conditions
• 3.6.4. Pilot UASB-DHS system
• 3.6.4.1. Potential of hydrogen
• 3.6.4.3. Oxidation-reduction potential
• 3.6.4.4. Chemical oxygen demand
• 3.6.4.5. Biochemical oxygen demand
• 3.6.4.8. Ammonia, nitrite, and nitrate
• 3.6.4.9. Volatile fatty acid
• 3.6.4.10. Biogas production and composition
• 3.7. Results and Discussions
• 3.7.1. Characterization of a current wastewater treatment system
• 3.7.2. Development concept of a laboratory scale UASB-DHS system for natural rubber processing wastewater treatment
• 3.7.3. Development concept of a laboratory scale ABR experiment
• 3.7.3.1. Process performance of ABR
• 3.7.3.2. Determinates profiles inside the ABR
• 3.7.4. Development concept of a pilot scale UASB-DHS system experiment for treatment of natural rubber processing wastewater
• 3.7.4.2. Nitrogen removal and greenhouse gas emissions
• 3.7.4.3. Performance comparison of ABR-UASB-DHS system and existing treatment system
• 3.7.5. Design for full-scale UASB-DHS system for natural rubber processing wastewater in Vietnam
• 3.7.5.1. Reactor design for natural rubber processing wastewater
• 3.7.5.1.1. Pre-treatment process for UASB reactor
• 3.7.5.2. Calculation of Energy consumption and generation for the operation of the UASB-DHS system
• 3.7.5.2.1. Energy consumption of UASB-DHS system
• 3.7.5.2.2. Energy production of UASB-DHS system
• 4. Recommendation for future study

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xử Lý Nước Thải Cao Su Hiện Trạng Giải Pháp

Ngành công nghiệp cao su thiên nhiên đóng vai trò quan trọng ở các nước Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam, quốc gia đứng thứ 3 về sản lượng. Tuy nhiên, quá trình chế biến cao su thiên nhiên lại thải ra một lượng lớn nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Các nhà máy thường sử dụng hệ thống hồ sinh học kỵ khí-hiếu khí kết hợp để xử lý nước thải, nhưng hiệu quả chưa cao, đòi hỏi diện tích lớn, chi phí vận hành cao và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn nước thải cao su ngày càng khắt khe. Cần có những nghiên cứu xử lý nước thải cao su để tìm ra các công nghệ xử lý nước thải cao su thiên nhiên tiên tiến hơn.

1.1. Tầm Quan Trọng của Ngành Cao Su và Vấn Đề Ô Nhiễm Nước Thải Cao Su

Cao su thiên nhiên là nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, quá trình sản xuất tạo ra nước thải chế biến cao su chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ và các chất ô nhiễm khác. Theo tài liệu, Việt Nam thải ra 25 m3 nước thải cho mỗi tấn cao su RSS được sản xuất. Việc xả thải nước thải chưa qua xử lý gây ra ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Vì vậy, cần có các biện pháp xử lý nước thải cao su hiệu quả.

1.2. Hiện Trạng Xử Lý Nước Thải Ngành Cao Su Ưu và Nhược Điểm

Các hệ thống xử lý nước thải cao su hiện tại, như hồ sinh học kỵ khí-hiếu khí, có ưu điểm là chi phí đầu tư ban đầu thấp và dễ vận hành. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi diện tích lớn, thời gian lưu nước dài và hiệu quả xử lý chưa cao, đặc biệt là đối với các chất dinh dưỡng. Ngoài ra, chi phí vận hành (đặc biệt cho sục khí bề mặt) cũng cao. Theo nghiên cứu, các hệ thống này chỉ đạt hiệu suất loại bỏ COD từ 65-90%.

II. Thách Thức Trong Xử Lý Nước Thải Cao Su Thiên Nhiên Cần Giải Quyết

Mặc dù các hệ thống hiện tại có thể giảm COD, nhưng vẫn tồn tại những thách thức. Nước thải sau xử lý vẫn chưa đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải. Sự hiện diện của các hạt cao su trong nước thải có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình sinh học. Ngoài ra, việc phát thải khí nhà kính (GHG) từ các hồ kỵ khí gây ra tác động xấu đến môi trường. Cần phải có các giải pháp để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải, giảm thiểu phát thải GHG và thu hồi năng lượng từ nước thải cao su.

2.1. Ảnh Hưởng của Hạt Cao Su Đến Quá Trình Xử Lý Nước Thải

Các hạt cao su còn sót lại trong nước thải có thể gây cản trở quá trình xử lý sinh học kỵ khí. Chúng có thể làm tắc nghẽn hệ thống, giảm hiệu quả phân hủy chất hữu cơ và ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật. Do đó, cần có hệ thống tiền xử lý để loại bỏ các hạt cao su này trước khi đưa vào các công đoạn xử lý tiếp theo.

2.2. Phát Thải Khí Nhà Kính Từ Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Kỵ Khí

Các hồ kỵ khí thường phát thải một lượng lớn khí metan (CH4), một loại khí nhà kính có tiềm năng làm nóng toàn cầu cao hơn nhiều so với CO2. Việc đo lường và giảm thiểu phát thải GHG từ các hệ thống xử lý nước thải là rất quan trọng để bảo vệ môi trường. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình xử lý để giảm phát thải CH4 và thu hồi biogas để sử dụng làm năng lượng.

2.3. Yêu Cầu Tiêu Chuẩn Nước Thải Cao Su Vượt Qua Thách Thức

Các tiêu chuẩn xả thải nước thải cao su ngày càng khắt khe, đòi hỏi các hệ thống xử lý phải đạt hiệu quả cao hơn. Việc đáp ứng các tiêu chuẩn này là cần thiết để bảo vệ môi trường và đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành cao su. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm và đáp ứng các yêu cầu pháp lý.

III. Xử Lý Nước Thải Cao Su Phương Pháp UASB DHS Giải Pháp Tiềm Năng

Hệ thống UASB-DHS (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Downflow Hanging Sponge) là một giải pháp xử lý nước thải đầy hứa hẹn. UASB có khả năng xử lý hiệu quả chất hữu cơ với OLR cao và thu hồi năng lượng dưới dạng metan. DHS được sử dụng như một bước xử lý hiếu khí sau UASB để loại bỏ chất hữu cơ còn sót lại và các chất dinh dưỡng. Hệ thống này có chi phí vận hành thấp và có thể giúp giảm thiểu phát thải GHG so với các hệ thống truyền thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng của hệ thống UASB-DHS trong xử lý nước thải cao su.

3.1. Ưu Điểm Của Công Nghệ Xử Lý UASB Trong Xử Lý Nước Thải Cao Su

UASB có khả năng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao, chịu được tải lượng hữu cơ cao (OLR), và có khả năng thu hồi năng lượng dưới dạng biogas. UASB cũng có chi phí vận hành thấp so với các hệ thống hiếu khí truyền thống. Tuy nhiên, UASB có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các hạt cao su, do đó cần có tiền xử lý.

3.2. Vai Trò Của DHS Trong Hệ Thống Xử Lý Nước Thải UASB DHS

DHS là một hệ thống xử lý hiếu khí hiệu quả để loại bỏ chất hữu cơ còn sót lại và các chất dinh dưỡng như nitơ sau quá trình xử lý kỵ khí UASB. DHS có cấu trúc đơn giản, chi phí vận hành thấp và có khả năng loại bỏ chất ô nhiễm cao. Nghiên cứu cho thấy UASB-DHS đã được áp dụng thành công trong xử lý nhiều loại nước thải công nghiệp khác nhau.

3.3. Tiềm Năng Giảm Phát Thải GHG Với Hệ Thống Xử Lý Nước Thải UASB DHS

Hệ thống UASB-DHS có tiềm năng giảm phát thải GHG so với các hệ thống xử lý nước thải truyền thống. UASB thu hồi metan, một loại khí nhà kính mạnh, để sử dụng làm năng lượng. DHS cũng có thể giúp giảm phát thải N2O, một loại khí nhà kính khác, thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Việc đánh giá chi tiết về lượng GHG phát thải từ UASB-DHS là rất quan trọng để so sánh với các hệ thống khác.

IV. Nghiên Cứu Phát Triển Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Cao Su ABR UASB DHS

Nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển hệ thống ABR (Anaerobic Baffled Reactor) - UASB-DHS để xử lý nước thải cao su. ABR được sử dụng như một bước tiền xử lý để loại bỏ các hạt cao su và giảm tải lượng hữu cơ trước khi đưa vào UASB. Nghiên cứu đã được thực hiện ở cả quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống ABR-UASB-DHS có khả năng xử lý nước thải cao su hiệu quả và ổn định.

4.1. Vai Trò Của ABR Trong Tiền Xử Lý Nước Thải Cao Su Trước UASB

ABR là một hệ thống kỵ khí có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và có khả năng loại bỏ các chất rắn lơ lửng và giảm tải lượng hữu cơ trong nước thải. ABR có thể giúp bảo vệ UASB khỏi bị tắc nghẽn bởi các hạt cao su và cải thiện hiệu quả xử lý tổng thể của hệ thống. Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả của ABR trong việc loại bỏ các hạt cao su và giảm COD trước khi đưa nước thải vào UASB.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Của Hệ Thống ABR UASB DHS

Nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống ABR-UASB-DHS. Các thông số như COD, BOD, TSS, TN, và phát thải GHG đã được đo lường để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống ABR-UASB-DHS có khả năng loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm và giảm phát thải GHG so với các hệ thống truyền thống.

V. Thiết Kế Vận Hành Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Cao Su UASB DHS Thực Tế

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể thiết kế và vận hành hệ thống UASB-DHS quy mô đầy đủ cho các nhà máy chế biến cao su thiên nhiên tại Việt Nam. Việc thiết kế cần xem xét các yếu tố như lưu lượng nước thải, nồng độ chất ô nhiễm và các tiêu chuẩn xả thải hiện hành. Việc vận hành cần được thực hiện đúng cách để đảm bảo hiệu quả xử lý tối ưu và giảm thiểu chi phí. Cần có các hướng dẫn cụ thể về thiết kế và vận hành hệ thống UASB-DHS cho các nhà máy cao su.

5.1. Tính Toán Thiết Kế Reactor UASB Cho Xử Lý Nước Thải Cao Su

Việc tính toán thiết kế reactor UASB cần dựa trên các thông số như tải lượng hữu cơ, lưu lượng nước thải và tốc độ dòng chảy. Cần xác định thể tích reactor, thời gian lưu nước và các thông số vận hành khác để đảm bảo hiệu quả xử lý tối ưu. Cần có các mô hình toán học để hỗ trợ quá trình thiết kế reactor UASB.

5.2. Tính Toán Năng Lượng Tiêu Thụ Sản Xuất Của Hệ Thống UASB DHS

Cần tính toán năng lượng tiêu thụ cho các hoạt động như bơm, sục khí và vận hành thiết bị. Đồng thời, cần tính toán năng lượng sản xuất từ biogas thu hồi từ UASB. Việc so sánh năng lượng tiêu thụ và sản xuất sẽ giúp đánh giá tính kinh tế của hệ thống UASB-DHS. Mục tiêu là thiết kế hệ thống có khả năng tự cung cấp năng lượng hoặc thậm chí tạo ra năng lượng dư thừa.

VI. Xử Lý Nước Thải Cao Su Thiên Nhiên Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống UASB-DHS, cải thiện hiệu quả loại bỏ nitơ và phốt pho, và giảm thiểu phát thải GHG. Cần nghiên cứu các vật liệu lọc mới cho DHS để tăng cường hiệu quả xử lý. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp xử lý bùn thải cao su một cách bền vững. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như nano và màng lọc cũng có thể mang lại những đột phá trong xử lý nước thải cao su.

6.1. Tối Ưu Hóa Quá Trình Xử Lý Sinh Học Để Giảm Phát Thải GHG

Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số vận hành của UASB và DHS để giảm phát thải CH4 và N2O. Cần nghiên cứu các phương pháp để ức chế quá trình tạo metan và tăng cường quá trình khử nitrat. Việc sử dụng các phụ gia hoặc vi sinh vật đặc biệt cũng có thể giúp giảm phát thải GHG.

6.2. Phát Triển Vật Liệu Lọc Mới Cho DHS Để Tăng Hiệu Quả Xử Lý

Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các vật liệu lọc mới cho DHS có diện tích bề mặt lớn, khả năng bám dính vi sinh vật tốt và khả năng loại bỏ chất ô nhiễm cao. Các vật liệu như than hoạt tính, zeolit và vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng trong DHS. Việc thử nghiệm các vật liệu lọc khác nhau sẽ giúp tìm ra vật liệu phù hợp nhất cho xử lý nước thải cao su.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến cao su tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp của các quốc gia Đông Nam Á. Năm 2017, Việt Nam là quốc gia sản xuất cao su tự nhiên đứng thứ 3 thế giới với sản lượng 1.094.500 tấn. Quá trình sản xuất các dòng sản phẩm chính như mủ tờ xông khói (Ribbed Smoked Sheet - RSS), mủ cao su ly tâm (Concentrated Latex - CL) và mủ cốm tiêu chuẩn (Standard Vietnamese Rubber - SVR) tiêu thụ lượng nước rất lớn và xả thải từ 18 đến 25 m³ nước thải trên mỗi tấn sản phẩm. Nguồn nước thải này đặc trưng bởi hàm lượng chất hữu cơ rất cao (COD từ vài nghìn đến hơn 26.000 mg/L), nồng độ amoniac và tổng nitơ lớn do sử dụng amoniac làm chất chống đông tụ, cùng với sự hiện diện của các hạt cao su chưa đông tụ không phân hủy sinh học.

Hiện nay, các nhà máy chế biến cao su tại Việt Nam chủ yếu áp dụng hệ thống hồ sinh học kỵ khí hở (Open-type Anaerobic System - OAS) kết hợp mương oxy hóa hoặc hồ hiếu khí. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu thấp, các hệ thống này bộc lộ nhiều nhược điểm: yêu cầu diện tích mặt bằng lớn, thời gian lưu nước kéo dài, tiêu tốn lượng lớn điện năng cho sục khí bề mặt (thậm chí cao hơn điện năng dùng cho sản xuất cao su) và phát thải lượng lớn khí nhà kính (khí mê-tan $CH_4$ và nitơ oxit $N_2O$) vào khí quyển mà không được thu hồi.

Các giải pháp công nghệ kỵ khí tải trọng cao như bể phản ứng kỵ khí lớp bùn dòng hướng lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB) đã được thử nghiệm trước đây nhưng thường gặp sự cố tích tụ hạt cao su dư thừa làm ức chế quá trình sinh học kỵ khí. Việc kết hợp bể UASB với hệ thống xử lý sau hiếu khí tiết kiệm năng lượng như bể tháp nhỏ giọt bọt xốp giá thể treo (Downflow Hanging Sponge - DHS) và bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn (Anaerobic Baffled Reactor - ABR) làm tiền xử lý để vừa loại bỏ hạt cao su, vừa thu hồi năng lượng khí sinh học và giảm phát thải khí nhà kính tại Việt Nam là khoảng trống nghiên cứu chính mà luận án hướng tới giải quyết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là đánh giá hiệu suất vận hành và đặc tính phát thải khí nhà kính của hệ thống xử lý nước thải chế biến cao su hiện hữu tại Việt Nam, từ đó phát triển hệ thống xử lý nước thải tiên tiến tích hợp thu hồi năng lượng (dạng ABR-UASB-DHS) nhằm giảm phát thải khí nhà kính, tiết kiệm chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng nước xả thải đạt quy chuẩn môi trường.

Luận án thực hiện 3 nhiệm vụ khoa học và thực tiễn chính:

1. Nhiệm vụ 1: Khảo sát và đánh giá đặc tính của hệ thống xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên hiện hữu tại Việt Nam thông qua khảo sát thực địa, phân tích chất lượng nước và đo đạc trực tiếp lượng khí nhà kính ($CH_4, N_2O$) phát thải từ hệ thống hồ kỵ khí hở tại nhà máy.
2. Nhiệm vụ 2: Phát triển và đánh giá hiệu suất quá trình của hệ thống xử lý nước thải thu hồi năng lượng UASB-DHS (kết hợp tiền xử lý vách ngăn) ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot tại hiện trường nhà máy chế biến cao su.
3. Nhiệm vụ 3: Thiết lập mô hình công nghệ tối ưu và tính toán thiết kế kỹ thuật cùng cân bằng tiêu thụ - sản xuất năng lượng cho hệ thống UASB-DHS quy mô thực tế (full-scale) áp dụng cho các nhà máy chế biến cao su tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Nước thải chế biến cao su tự nhiên từ các công đoạn sản xuất mủ SVR, CL và RSS; bùn vi sinh kỵ khí và hiếu khí; khí sinh học và khí nhà kính ($CH_4, N_2O, CO_2, H_2$); mô hình phản ứng ABR, UASB, ST (bể lắng) và DHS.
• Phạm vi không gian:
  • Khảo sát thực địa và vận hành hệ thống pilot tại Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam, tỉnh Bình Dương (công suất nhà máy 1.000 tấn RSS/năm).
  • Lấy mẫu nước thải thực tế từ quá trình đông tụ tại nhà máy chế biến cao su ở tỉnh Thanh Hóa.
  • Lấy mẫu bùn cấy kỵ khí từ hầm ủ phân gia súc tại tỉnh Bắc Ninh và bùn ép hiếu khí từ nhà máy cao su tại tỉnh Tây Ninh.
  • Thực nghiệm phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
• Phạm vi thời gian: Các đợt đo đạc phát thải khí nhà kính tại hiện trường được tiến hành vào tháng 10 năm 2012 và tháng 1 năm 2013, cùng các chu kỳ vận hành thực nghiệm mô hình phòng thí nghiệm và pilot liên tục qua nhiều giai đoạn (pha vận hành kéo dài đến 199 ngày ở lab và hơn 186 ngày ở pilot).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được luận án tổng hợp

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về đặc tính nước thải và công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên:

• Đặc tính nước thải và hiện trạng công nghệ tại Việt Nam:
  • Nguyen (2003): Điều tra hiện trạng công nghệ xử lý nước thải cao su tại Việt Nam, ghi nhận 11 nhà máy dùng hồ sục khí, 10 nhà máy dùng ao hồ, 6 nhà máy dùng tuyển nổi khí hòa tan (DAF), 3 nhà máy dùng UASB, 2 nhà máy dùng keo tụ hóa lý, 1 nhà máy dùng SBR, 1 bể tự hoại, 1 bùn hoạt tính và 1 bể lọc nhỏ giọt.
  • Nguyen và Luong (2012): Khảo sát chất lượng nước thải tại 7 nhà máy chế biến cao su ở Việt Nam (Lộc Hiệp, Quản Lợi, Tân Lập, Tân Biên, Bến Củi, Bố Lá, Xuân Lập), chỉ ra sự khác biệt lớn về COD (từ 10.780 đến 26.914 mg/L), TN (từ 450 đến 1.306 mg/L) và amoniac (từ 285 đến 1.043 mg-N/L) tùy thuộc dòng sản phẩm CL hay SVR.
  • Watari và cộng sự (2015, 2017): Phân tích đặc tính nước thải đông tụ cao su tại Thanh Hóa và Bình Dương, xác định nồng độ cao của các acid béo bay hơi (VFA) gồm acetate (4.000 mg-COD/L) và propionate (4.500 mg-COD/L).
• Ứng dụng công nghệ UASB trong xử lý nước thải cao su:
  • Nguyen (1999): Nghiên cứu đầu tiên áp dụng bể UASB xử lý nước thải cao su tại Việt Nam (luận án tiến sĩ tại Đại học Wageningen), đạt hiệu suất xử lý tổng COD khoảng 79,9% ở tải trọng thể tích (OLR) 28,5 kg-COD/(m³·ngày), nhưng kết luận rằng các hạt cao su còn sót lại tích tụ trong cột UASB gây ảnh hưởng tiêu cực đến vi sinh kỵ khí.
  • Jawjit và Liengcharernsit (2008, 2010): Khảo sát hệ thống UASB 2 giai đoạn xử lý nước thải mủ ly tâm tại Thái Lan, đạt hiệu suất loại bỏ COD 82% ở OLR 24,41 kg-COD/(m³·ngày), vận hành ở 35°C và kiểm soát pH ở mức 7.
  • Thanh và cộng sự (2015): Áp dụng UASB xử lý nước thải sắn và cao su tại Việt Nam với OLR 2,6 kg-COD/(m³·ngày), đạt COD removal 87%.
  • Nguyen và cộng sự (2016): Cải thiện quá trình tạo hạt trong bể UASB bằng nhôm clorua ($AlCl_3$), nâng hiệu suất xử lý COD lên 96,6% và tỷ lệ thu hồi mê-tan đạt 84,4%.
  • Tanikawa và cộng sự (2016, 2017): Vận hành hệ thống UASB 2 giai đoạn (dung tích 997 L + 597 L) tại nhà máy cao su Thái Lan, đạt hiệu suất COD 95,3% ở OLR 0,3 kg-COD/(m³·ngày); phân tích hoạt tính sinh học chỉ ra ưu thế của vi khuẩn khử sunfat (SRB) cạnh tranh với vi khuẩn sinh mê-tan.
• Các công nghệ hiếu khí và kết hợp:
  • Nguyen (2002): Khảo sát quá trình bùn hoạt tính truyền thống xử lý nước thải cao su, đạt hiệu suất COD 52% và TKN 25% ở OLR 4,0 kg-COD/(m³·ngày).
  • Nguyen và cộng sự (2012): Ứng dụng công nghệ giá thể sợi acryl biofringe (Swim-bed) cho nước thải mủ cao su ở OLR 1,5 kg-COD/(m³·ngày).
  • Sulaiman và cộng sự / AnMBR (2016): Thử nghiệm màng sinh học kỵ khí (AnMBR) đạt OLR 12,7 kg-COD/(m³·ngày) trong xử lý huyết thanh mủ cao su quy mô phòng thí nghiệm.
  • Harada và cộng sự (1997), Tandukar và cộng sự (2007), Onodera và cộng sự: Phát triển công nghệ tháp nhỏ giọt bọt xốp DHS từ thế hệ G1 đến G6 làm hệ thống xử lý sau giá rẻ, không tiêu tốn điện năng sục khí, ứng dụng cho nước thải dệt nhuộm, rỉ đường và nước thải sinh hoạt.
  • Akunna và Clark (2000), Barber và Stuckey (1999): Nghiên cứu cấu hình bể kỵ khí vách ngăn ABR và GRABBA phân tách pha acid hóa và sinh mê-tan theo chiều dọc dòng chảy.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây tập trung đơn lẻ vào từng công nghệ ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc chưa giải quyết triệt để vấn đề hạt cao su làm nghẹt bùn kỵ khí trong bể UASB. Đồng thời, chưa có nghiên cứu nào đo đạc định lượng phát thải khí nhà kính thực tế ($CH_4, N_2O$) từ các hồ kỵ khí hở tại nhà máy chế biến cao su Việt Nam, cũng như chưa tích hợp hệ thống hoàn chỉnh kết hợp bể tiền xử lý vách ngăn (loại bỏ hạt cao su/acid hóa) - UASB (phân hủy kỵ khí thu hồi mê-tan) - DHS (hiếu khí tự nhiên khử nitơ và COD dư thừa) ở cả quy mô lab, pilot và thiết kế full-scale có tính toán cân bằng năng lượng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Cơ chế phân hủy kỵ khí chất hữu cơ: Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí diễn ra qua 3 giai đoạn nối tiếp và song song:
  1. Giai đoạn 1 (Thủy phân): Chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp không tan thành các hợp chất hòa tan có khối lượng phân tử thấp.
  2. Giai đoạn 2 (Lên men acid / Acidogenesis và Acetogenesis): Chuyển hóa các hợp chất hòa tan thành acid béo bay hơi (VFA - acetate, propionate, butyrate), cồn, $CO_2$ và $H_2$.
  3. Giai đoạn 3 (Sinh mê-tan / Methanogenesis): Vi sinh vật sinh mê-tan chuyển hóa acetate hoặc $H_2/CO_2$ thành khí $CH_4$ và $CO_2$.
• Đặc tính kiểm soát quá trình kỵ khí: Nhiệt độ tối ưu (30–35°C đối với mesophilic; 50–60°C đối với thermophilic); pH tối ưu cho acetogen là 5,0–6,5 và methanogen là 6,5–7,5 (methanogen bị ức chế nghiêm trọng khi pH < 6,0 hoặc > 8,0); nồng độ ức chế của acetate là khoảng 2.500 mg-COD/L ở pH 7; nồng độ ức chế của amoniac là 3.500 mg-N/L (ở 35°C).
• Cơ chế xử lý hiếu khí trong bể DHS: Dựa trên quá trình nhỏ giọt nước thải qua khối đệm bọt xốp polyurethane. Oxy trong không khí khuếch tán tự nhiên vào màng sinh học bám dính trên giá thể mà không cần cấp khí nhân tạo (hoặc chỉ cần thông khí tối thiểu), duy trì chuỗi thức ăn vi sinh kéo dài (vi khuẩn, nguyên sinh động vật Protozoa, Metazoa) giúp giảm lượng bùn dư thừa sinh ra.
• Tiềm năng làm nóng toàn cầu (Global Warming Potential - GWP): Dựa trên số liệu IPCC AR5, hệ số GWP quy đổi trong khung thời gian 100 năm đối với $CH_4$ là 28–34 (hoặc 25 theo các tính toán chuẩn của nghiên cứu) và đối với $N_2O$ là 298.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

1. Khảo sát hiện trường và đo đạc phát thải khí nhà kính

• Khảo sát hệ thống xử lý tại Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam (Bình Dương), gồm hồ kỵ khí hở OAS (thể tích $76,5\text{ m}^3$, chiều sâu $1,5\text{ m}$, chia thành 60 ngăn vách ngăn bê tông), bể tảo và bể hoàn thiện.
• Sử dụng buồng thu khí kín bằng ống nhựa PVC với 2 dạng cấu hình: Buồng loại 1 (Chamber 1, diện tích đáy $0,02\text{ m}^2$) đo khí thoát ra từ đáy hồ ($A_b = 4,5\text{ m}^2$); Buồng loại 2 (Chamber 2, diện tích $0,04\text{ m}^2$) đo khí thoát ra từ vách ngăn ($A_w = 12,6\text{ m}^2$).
• Khí mẫu được thu định kỳ (mỗi giờ đối với $CH_4$, mỗi 10 phút đối với $N_2O$) tại các ngăn số 1, 5 (đầu vào), 16, 28, 33, 45 (giữa hồ) và 51, 58 (đầu ra).

2. Thiết lập và vận hành các mô hình thực nghiệm

• Mô hình phòng thí nghiệm BR–UASB–DHS:
  • Bể vách ngăn BR: ống PVC, thể tích $43\text{ L}$.
  • Bể kỵ khí UASB: thể tích $9\text{ L}$, có bộ phân tách khí - lỏng - rắn (GSS), cánh khuấy, 5 cổng lấy mẫu dọc thân (ở các độ cao 5,5; 20; 35; 50; 65 cm), duy trì 35°C nhờ áo nước điều nhiệt. Cấy bùn từ hầm biogas xử lý phân gia súc tại Bắc Ninh.
  • Bể hiếu khí DHS: chiều cao $80\text{ cm}$, tổng thể tích $40\text{ L}$, thể tích mút xốp $8\text{ L}$, sử dụng mút polyurethane hình lập phương ($33\text{ mm} \times 33\text{ mm} \times 33\text{ mm}$) lồng trong vòng lưới nhựa đường kính $33\text{ mm}$.
  • Nước thải nạp: Nước thải đông tụ mủ SVR thực tế từ Thanh Hóa, pha loãng phù hợp theo 2 pha vận hành (Pha 1: COD đầu vào $4.000\text{ mg/L}$; Pha 2: COD đầu vào $8.500\text{ mg/L}$).
• Mô hình phòng thí nghiệm ABR:
  • Dung tích làm việc $68\text{ L}$, gồm 10 ngăn chế tạo từ ống PVC đường kính $110\text{ mm}$, cao $1.000\text{ mm}$. Ngăn 2 đến 9 đậy kín bằng nắp PVC để duy trì kỵ khí.
  • Bùn cấy nạp vào ngăn 3 đến 10. Vận hành ở nhiệt độ phòng ($27^\circ\text{C}$). Nước thải điều chế từ mủ ly tâm tại xưởng phía Bắc theo đúng quy trình thực tế.
• Mô hình Pilot ABR–UASB–ST–DHS tại Bình Dương:
  • Bể ABR tiền xử lý tận dụng từ 17 ngăn đầu của hệ thống OAS ($76,5\text{ m}^3$).
  • Bể gom trung gian ($5\text{ m}^3$), bể UASB pilot ($3\text{ m}^3$, làm bằng PVC, cấy $900\text{ L}$ bùn hiếu khí ép nước từ nhà máy cao su Tây Ninh), bể lắng ST ($1\text{ m}^3$) và bể DHS pilot ($2\text{ m}^3$, đệm mút polyurethane $33\text{ mm}$, có máy thổi khí và bơm tuần hoàn dòng ra). Vận hành qua 4 pha với các mức OLR và tỷ lệ tuần hoàn khác nhau.

3. Phương pháp phân tích và thiết bị đo

• Thành phần khí: Đo $H_2, N_2, CH_4, CO_2$ bằng sắc ký khí đầu dò dẫn nhiệt (GC-8A, Shimadzu, TCD); đo nồng độ $N_2O$ bằng sắc ký khí đầu dò bẫy điện tử (GC-2014, Shimadzu, ECD).
• Chỉ tiêu chất lượng nước: Phân tích pH, ORP (thế oxy hóa khử), COD tổng ($tCOD$), COD hòa tan ($sCOD$), $BOD_5$, tổng chất rắn lơ lửng ($TSS$), chất rắn lơ lửng bay hơi ($VSS$), amoniac ($NH_4^+$), nitrit ($NO_2^-$), nitrat ($NO_3^-$), tổng nitơ ($TN$).
• Acid béo bay hơi (VFA): Xác định nồng độ acetate, propionate và các VFA khác bằng phương pháp sắc ký.

---

Nội dung chính theo từng chương

State of the art: Tổng quan về công nghệ chế biến cao su và xử lý nước thải

Chương này tổng kết chuỗi giá trị cao su thiên nhiên toàn cầu và Việt Nam, chi tiết hóa quy trình sản xuất mủ cao su (khai thác mủ, bổ sung amoniac chống đông, lọc rác, pha loãng, châm acid acetic/formic để đông tụ trong 6–8 giờ, ép tờ, xông khói hoặc làm cốm). Luận án lập bảng so sánh chi tiết tính chất nước thải giữa các dòng sản phẩm và các công nghệ xử lý hiện nay:

Bảng 1: Đặc tính nước thải chế biến cao su tại một số nhà máy ở Việt Nam (trích xuất từ tài liệu luận án)

Thông số	Đơn vị	Mủ cốm (Crumb SVR)	Thanh Hóa (Mủ tờ)	Bình Dương (Mủ tờ)	Mủ ly tâm (CL)	Quy chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT (Cột A)
pH	-	-	5,5	-	9,56	6 – 9
COD	mg/L	3.540	23.200	4.350	10.780 – 26.914	150
BOD	mg/L	2.020	12.000	2.514	7.590 – 18.885	50
TSS	mg/L	114	1.450	80	468 – 1.690	100
TN	mg/L	-	-	-	450 – 1.306	60
Amoniac ($NH_4^+-N$)	mg/L	75	-	110	285 – 1.043	40

Chương 1 cũng phân tích sâu ưu thế của xử lý kỵ khí (giảm đến 90% lượng bùn dư, giảm 90% diện tích mặt bằng, tạo ra $15,5\text{ MJ}$ năng lượng $CH_4$ tương đương $1,4\text{ kWh}$ điện trên mỗi kg COD bị loại bỏ) và sự phát triển của công nghệ DHS qua các thế hệ G1 đến G6.

Material and methods: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, sơ đồ cấu tạo các hệ thống xử lý, nguồn gốc nước thải, bùn vi sinh, phương pháp chế tạo nước thải nhân tạo từ mủ cô đặc theo đúng quy trình công nghiệp và các công thức toán học tính toán phát thải khí nhà kính: $$\text{Tốc độ phát thải mê-tan từ đáy: } E_b = \frac{E_{C1}}{A_{C1}} \times A_b$$ $$\text{Tốc độ phát thải mê-tan từ vách: } E_w = \frac{E_{C2} - E_{C1}}{A_{C2} - A_{C1}} \times A_w$$ Trong đó $E_{C1}, E_{C2}$ là lượng khí thu được trong buồng 1 và 2; $A_{C1} = 0,02\text{ m}^2$, $A_{C2} = 0,04\text{ m}^2$; $A_b = 4,5\text{ m}^2$, $A_w = 12,6\text{ m}^2$.

Bảng 2: Thành phần nước thải đông tụ cao su thực tế tại Thanh Hóa dùng cho mô hình BR-UASB-DHS

Chỉ tiêu phân tích	Đơn vị	Giá trị nồng độ trung bình
Total COD	mg-COD/L	23.200 ± 6.000
Soluble COD	mg-COD/L	19.700 ± 3.100
$BOD_5$	mg/L	12.000 ± 3.100
TSS	mg/L	1.450 ± 580
VSS	mg/L	1.300 ± 350
Acetate	mg-COD/L	4.000 ± 1.100
Propionate	mg-COD/L	4.500 ± 2.600
Các VFA khác	mg-COD/L	1.070 ± 100

Results and Discussions: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Nội dung chương kết quả được chia thành 5 phần chính:

1. Đánh giá đặc tính hệ thống xử lý hiện hữu và phát thải khí nhà kính (3.1)

• Phân tích nước thải dọc theo 60 ngăn của hệ thống hồ kỵ khí hở OAS tại Bình Dương cho thấy COD giảm dần từ đầu vào đến đầu ra, tuy nhiên hiệu suất khử nitơ rất thấp.
• Thành phần khí sinh học tại các ngăn 28, 33 và 56 chứa tỷ lệ $CH_4$ cao (40–65%). Lượng phát thải $CH_4$ tập trung cao nhất ở khu vực giữa hồ (ngăn 16–33), nơi có mật độ vi sinh vật kỵ khí hoạt động mạnh nhất.
• Phát thải khí nitơ oxit ($N_2O$) ghi nhận ở mức đáng kể tại các ngăn hiếu khí cục bộ hoặc vùng chuyển tiếp do tỷ lệ C/N thấp và nồng độ oxy hòa tan (DO) không ổn định. Lượng phát thải khí nhà kính quy đổi ra $CO_2$ tương đương từ hệ thống hồ OAS cho thấy tác động tiêu cực rất lớn đến môi trường khí quyển nếu không thu hồi.

2. Hiệu suất hệ thống phòng thí nghiệm BR–UASB–DHS (3.2)

• Bể vách ngăn (BR): Đóng vai trò then chốt trong việc giữ lại các hạt cao su chưa đông tụ, ngăn chặn hiện tượng tạo váng nổi và đóng cặn đường ống trước khi vào bể UASB. Đồng thời xảy ra quá trình acid hóa sơ bộ, chuyển hóa chất hữu cơ thành VFA.
• Bể UASB: Ở Pha 1 ($tCOD$ nạp $4.000\text{ mg/L}$, OLR $6,4\text{ kg-COD}/(\text{m}^3\cdot\text{ngày})$) và Pha 2 ($tCOD$ nạp nâng lên $8.500\text{ mg/L}$), bể UASB duy trì hiệu suất loại bỏ COD trên 85–90%, sinh khí biogas ổn định với hàm lượng mê-tan chiếm 65–75%.
• Bể DHS: Hoạt động như công đoạn xử lý sau, loại bỏ lượng $COD$ hòa tan còn sót lại và oxy hóa amoniac thành nitrat nhờ màng sinh học hiếu khí tự nhiên trong đệm bọt xốp mà không cần cấp khí cưỡng bức tốn điện.

3. Nghiên cứu thực nghiệm mô hình bể ABR phòng thí nghiệm (3.3)

• Bể ABR 10 ngăn nạp nước thải mủ cao su tổng hợp (pH 4,1, COD $19.170\text{ mg/L}$, BOD $12.590\text{ mg/L}$, TN $1.960\text{ mg-N/L}$) chứng minh khả năng phân tách pha vi sinh vật rõ rệt theo chiều dài dòng chảy.
• Nồng độ VFA (acetate và propionate) tích tụ cao ở các ngăn đầu (ngăn 1–3) do hoạt động mạnh của vi khuẩn sinh acid (acidogens/acetogens), sau đó giảm dần qua các ngăn sau (ngăn 4–10) do vi khuẩn sinh mê-tan (methanogens) chuyển hóa VFA thành $CH_4$ và $CO_2$.
• Dữ liệu ngày 103 và ngày 199 cho thấy ABR duy trì khả năng đệm pH tự nhiên từ môi trường acid (pH ~4,5 ở đầu vào) lên trung tính (pH ~7,2 ở đầu ra) mà không cần bổ sung hóa chất kiềm, đồng thời loại bỏ phần lớn TSS dạng hạt cao su.

4. Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Pilot ABR–UASB–ST–DHS tại Bình Dương (3.4)

• Vận hành UASB Pilot ($3\text{ m}^3$): Khởi động ở Pha 1 với OLR ban đầu xấp xỉ $3,0\text{ kg-COD}/(\text{m}^3\cdot\text{ngày})$. Do sử dụng bùn hiếu khí ép nước để cấy nên xảy ra hiện tượng trôi bùn trong giai đoạn đầu, buộc phải điều chỉnh giảm OLR và HRT ở Pha 2 và 3 để bùn thích nghi và tạo hạt. Đến Pha 4, khi hệ vi sinh kỵ khí đã ổn định, OLR được nâng trở lại $3,0\text{ kg-COD}/(\text{m}^3\cdot\text{ngày})$, hiệu suất khử tổng COD đạt trên 80–85%.
• Vận hành DHS Pilot ($2\text{ m}^3$): Việc áp dụng tuần hoàn dòng ra DHS về đầu vào DHS từ Pha 2 đến Pha 4 đã tăng cường rõ rệt hiệu quả nitrat hóa và khử nitơ, giảm nồng độ amoniac và tổng nitơ trong nước thải đầu ra, đảm bảo đạt quy chuẩn xả thải QCVN 01-MT:2015/BTNMT.
• So sánh với hệ thống hiện hữu: Hệ thống kết hợp ABR-UASB-ST-DHS giảm hơn 70% thời gian lưu nước tổng, giảm trên 80% diện tích đất chiếm dụng và triệt tiêu phát thải khí nhà kính trực tiếp do thu hồi toàn bộ khí mê-tan sinh ra từ UASB.

5. Thiết kế hệ thống UASB–DHS quy mô thực tế và tính toán cân bằng năng lượng (3.5)

• Luận án xây dựng quy trình thiết kế công nghệ hoàn chỉnh gồm: Bể tách cao su / tiền xử lý vách ngăn $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể lắng trung gian ST $\rightarrow$ Tháp hiếu khí DHS có tuần hoàn.
• Tính toán năng lượng tiêu thụ: Hệ thống UASB-DHS loại bỏ hoàn toàn máy sục khí bề mặt công suất lớn của mương oxy hóa/hồ hiếu khí, chỉ tiêu tốn điện năng rất nhỏ cho bơm chuyển tiếp nước thải và quạt thông khí nhẹ cho tháp DHS.
• Tính toán sản xuất năng lượng: Dựa trên lượng COD bị khử kỵ khí trong UASB, hiệu suất thu hồi mê-tan đạt trung bình $0,35\text{ m}^3\text{ CH}_4/\text{kg-COD}$ khử. Với hiệu suất chuyển đổi phát điện 40%, hệ thống sản sinh khoảng $1,4\text{ kWh}$ điện trên mỗi kg COD xử lý, giúp nhà máy tự chủ phần lớn điện năng vận hành trạm xử lý nước thải và dư thừa nhiệt năng/điện năng cung cấp cho dây chuyền chế biến.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Định lượng phát thải khí nhà kính thực tế: Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam cung cấp số liệu thực nghiệm đo đạc chi tiết về thông lượng và hệ số phát thải khí nhà kính ($CH_4$ và $N_2O$) từ hệ thống hồ sinh học kỵ khí hở (OAS) xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên, làm rõ cơ chế phát thải dọc theo chiều dài các ngăn phân chia.
2. Cơ chế tách pha và làm sạch sinh học: Chứng minh cơ chế phân tách không gian giữa pha sinh acid và sinh mê-tan trong bể vách ngăn ABR khi xử lý nước thải cao su có hàm lượng VFA cao, đồng thời làm sáng tỏ khả năng chịu tải và cơ chế xử lý nước thải giàu amoniac của giá thể bọt xốp polyurethane trong tháp nhỏ giọt DHS khi kết hợp sau bể kỵ khí UASB.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

1. Phát triển chuỗi công nghệ ABR–UASB–DHS hoàn chỉnh: Giải quyết thành công rào cản lớn nhất của công nghệ UASB trong ngành cao su (tắc nghẽn do hạt cao su chưa đông tụ) bằng việc tích hợp bể tiền xử lý vách ngăn, đồng thời giải quyết triệt để vấn đề tiêu tốn điện năng sục khí bằng tháp hiếu khí nhỏ giọt DHS.
2. Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu dấu chân carbon: Thiết lập giải pháp chuyển đổi trạm xử lý nước thải từ dạng "tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính" (hồ kỵ khí hở + mương oxy hóa) sang dạng "thu hồi năng lượng và kiểm soát phát thải khí nhà kính" (hệ thống kín UASB thu gom $CH_4$ kết hợp DHS).
3. Cung cấp thông số thiết kế thực tế: Đưa ra bộ thông số kỹ thuật vận hành chi tiết (HRT, OLR, tỷ lệ tuần hoàn, cấu hình giá thể) từ quy mô lab đến pilot hiện trường ($3\text{ m}^3$ UASB, $2\text{ m}^3$ DHS), làm cơ sở tin cậy để triển khai quy mô công nghiệp (full-scale) tại các nhà máy chế biến cao su Việt Nam.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Các nhà máy chế biến cao su tự nhiên cần cải tạo các hồ kỵ khí hở hiện hữu thành hệ thống thu hồi khí biogas hoặc thay thế từng bước bằng cụm bể ABR-UASB kín để tránh thất thoát mê-tan và giảm ô nhiễm mùi hôi.
• Áp dụng công nghệ tháp DHS thay thế các hồ sục khí cơ học nhằm cắt giảm chi phí tiền điện hàng tháng và giảm phát sinh bùn thải dư thừa.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung luận án và phần khuyến nghị nghiên cứu tương lai:

• Hạn chế:
  • Thời gian khởi động bể UASB pilot còn kéo dài do sử dụng nguồn bùn cấy hiếu khí ban đầu (không có sẵn bùn hạt kỵ khí tại địa bàn nghiên cứu), dẫn đến hiện tượng trôi bùn trong các pha đầu.
  • Các thí nghiệm kiểm chứng công nghệ mới dừng lại ở quy mô pilot ($3\text{ m}^3$ UASB, $2\text{ m}^3$ DHS) tại một nhà máy sản xuất RSS ở Bình Dương, chưa vận hành thử nghiệm pilot dài hạn trên dòng nước thải mủ ly tâm CL (vốn có nồng độ amoniac và COD cao hơn nhiều).
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thời gian khởi động và tạo hạt bùn kỵ khí nhanh trong bể UASB quy mô lớn bằng cách bổ sung phụ gia khoáng chất hoặc hạt mang vi sinh.
  • Đánh giá chi tiết quần xã vi sinh vật (phân tích metagenomics/nguồn gen vi sinh) bám trên đệm bọt xốp DHS qua các thời kỳ vận hành để làm rõ vi khuẩn nitrate hóa, vi khuẩn Anammox và nấm phân giải cao su.
  • Triển khai xây dựng và theo dõi mô hình trình diễn quy mô thực tế (full-scale) hoàn chỉnh tại một nhà máy chế biến cao su thương mại để hoàn thiện sổ tay hướng dẫn vận hành công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu và thực tế cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Môi trường: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa nghiên cứu phòng thí nghiệm, đo đạc phát thải khí nhà kính hiện trường bằng buồng thu khí, và vận hành hệ thống pilot công nghiệp.
• Kỹ sư thiết kế công nghệ môi trường: Sử dụng trực tiếp các số liệu tính toán thiết kế chi tiết (tải trọng OLR, thời gian lưu HRT, tỷ lệ tuần hoàn, kích thước đệm bọt xốp polyurethane) của hệ thống ABR–UASB–DHS tại Chương 3.5 để ứng dụng thiết kế các trạm xử lý nước thải công nghiệp chế biến mủ cao su, chế biến tinh bột sắn hoặc thực phẩm.
• Doanh nghiệp chế biến cao su và các nhà hoạch định chính sách: Tham khảo cơ sở dữ liệu cân bằng năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính nhằm phục vụ việc chuyển đổi xanh, đáp ứng các tiêu chuẩn chứng chỉ giảm phát thải carbon và quy chuẩn xả thải quốc gia QCVN 01-MT:2015/BTNMT.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các bể UASB trước đây thường gặp khó khăn khi xử lý nước thải chế biến cao su tại Việt Nam?

Trong các nghiên cứu trước đây (như của Nguyen, 1999), bể UASB xử lý nước thải cao su thường gặp hiện tượng tích tụ các hạt cao su chưa đông tụ (uncoagulated rubber particulates) trong cột phản ứng. Các hạt này không phân hủy sinh học, tạo màng bọc hoặc kết tụ làm suy giảm hoạt tính của bùn kỵ khí, gây nghẹt đường ống dẫn và cản trở sự hình thành bùn hạt tự nhiên.

2. Bể vách ngăn (BR/ABR) đóng vai trò gì trong sơ đồ công nghệ được đề xuất?

Bể ABR giữ hai vai trò thiết yếu:

• Về mặt vật lý: Hoạt động như một công đoạn tiền xử lý hiệu quả giúp giữ lại và thu gom các hạt cao su lơ lửng, chống tắc nghẽn cho bể UASB phía sau.
• Về mặt sinh học: Phân tách pha không gian giữa vi khuẩn sinh acid (tập trung ở các ngăn đầu) và vi khuẩn sinh mê-tan (ở các ngăn sau), giúp chuyển hóa phần lớn COD hòa tan thành VFA, đồng thời nâng pH tự nhiên của dòng nước thải từ mức acid (~4,5) lên trung tính (~7,2) mà không cần châm hóa chất kiềm.

3. Công nghệ tháp DHS có ưu điểm vượt trội nào so với mương oxy hóa truyền thống?

Tháp DHS sử dụng giá thể bọt xốp polyurethane ($33\text{ mm} \times 33\text{ mm} \times 33\text{ mm}$) lồng trong vòng lưới nhựa, cho phép oxy tự nhiên khuếch tán vào màng sinh học mà không cần hệ thống sục khí cưỡng bức tiêu tốn điện năng. Ngoài ra, DHS lưu giữ sinh khối vi sinh đa dạng với chuỗi thức ăn dài, làm giảm đến mức tối thiểu lượng bùn dư thừa sinh ra so với quá trình bùn hoạt tính hay mương oxy hóa.

4. Khí nhà kính nào được đo đạc tại hồ kỵ khí hở (OAS) ở Bình Dương và bằng phương pháp nào?

Nghiên cứu đã đo đạc định lượng khí mê-tan ($CH_4$) và nitơ oxit ($N_2O$). Khí được thu gom trực tiếp tại các ngăn đại diện dọc hồ OAS bằng 2 loại buồng thu khí PVC kín (buồng $0,02\text{ m}^2$ đo đáy và buồng $0,04\text{ m}^2$ đo vách). Nồng độ $CH_4, CO_2, H_2, N_2$ được phân tích trên máy sắc ký khí Shimadzu GC-8A (đầu dò TCD), còn nồng độ $N_2O$ được phân tích trên máy sắc ký khí Shimadzu GC-2014 (đầu dò ECD).

5. Năng lượng sinh ra từ hệ thống UASB–DHS được tính toán như thế nào?

Cứ 100 kg COD nạp vào phân hủy kỵ khí có thể thu hồi khoảng 40–45 m³ khí sinh học. Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí tạo ra khoảng $15,5\text{ MJ}$ năng lượng khí $CH_4$ trên mỗi kg COD bị loại bỏ. Khi sử dụng máy phát điện khí sinh học với hiệu suất chuyển đổi 40%, hệ thống sản sinh được khoảng $1,4\text{ kWh}$ điện/kg COD loại bỏ, đồng thời tiết kiệm khoảng $1\text{ kWh}$ điện/kg COD do không phải sục khí hiếu khí.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Takahiro Watari đã giải quyết toàn diện bài toán môi trường và năng lượng trong ngành công nghiệp chế biến cao su tự nhiên tại Việt Nam thông qua việc khảo sát định lượng phát thải khí nhà kính từ hệ thống hồ sinh học hiện hữu và phát triển chuỗi công nghệ tích hợp ABR–UASB–DHS. Các kết quả thực nghiệm từ quy mô phòng thí nghiệm đến pilot hiện trường ($3\text{ m}^3$ UASB, $2\text{ m}^3$ DHS) đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội trong việc loại bỏ chất hữu cơ, thu hồi khí mê-tan, khử nitơ và loại bỏ hạt cao su dư thừa mà không tiêu tốn nhiều điện năng. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thiết kế công nghệ thực chứng, đóng góp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho ngành công nghiệp chế biến cao su hướng tới phát triển bền vững và giảm phát thải carbon.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Takahiro Watari DEVELOPMENT OF AN APPROPRIATE TREATMENT SYSTEM FOR NATURAL RUBBER PROCESSING WASTEWATER TREATMENT CHEMICAL ENGINEERING DISSERTATION Hanoi – 2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Takahiro Watari DEVELOPMENT OF AN APPROPRIATE TREATMENT SYSTEM FOR NATURAL RUBBER PROCESSING WASTEWATER TREATMENT Major: CHEMICAL ENGINEERING Code No.: NCS16091 CHEMICAL ENGINEERING DISSERTATION SUPERVISORS: 1. Nguyen Minh Tan 2. Takashi Yamaguchi Hanoi – 2022 ACKNOWLEDGMENT Firstly, I would like to thank the Professors and Staff in the Ph. program, the officers in the Department of Education, Hanoi University of Science and Technology.

Thank you for all the guidance and support you have made for me while I have fulfilled the dissertation. Working with colleagues in the Department of Chemical Engineering has been a privilege. I would like to thank you from the bottom of my heart for your constant encouragement. Finally, I am so glad to have a supervisor like Assoc.

Nguyen Minh Tan. Ever since I have started to work under your supervision, I have learned a lot which really helps me to become a better person. Thank you! You are the best supervisor ever. I hope to receive some words of encouragement and full support from the readers in order to make my Ph.

Hanoi, …/…/… Author of the dissertation Takahiro Watari i DECLARATION I hereby certify that the dissertation "Development of an appropriate treatment for industrial rubber industrial wastewater treatment" is my own research project. The data and results stated in the doctoral dissertation are honest. I hereby declare that the information cited in the doctoral dissertation has been fully originated. Hanoi,…/…/… ON BEHALF OF SUPERVISORS Author Assoc.

Nguyen Minh Tan Takahiro Watari ii CONTENTS ACKNOWLEDGMENT. iii FIGURE LIST. iv TABLE LIST. 2 Current Problem and its solution.

State of the art .1 Natural rubber processing process .2 Natural rubber processing wastewater. Current treatment technology for natural rubber processing wastewater .1 Biological aerobic and anaerobic pond .2 Upflow anaerobic sludge blanket reactor.3 Anaerobic baffled reactor .4 Activated sludge process .5 Swim bed tank .6 Down flow hanging sponge reactor .7 Dissolved air floatation .9 Combination of treatment systems for natural rubber processing wastewater .3 Industrial wastewater treatment process .1 Characteristics of anaerobic wastewater treatment and the degradation pathway of anaerobic digestion .2 Anaerobic industrial wastewater treatment technology .3 Characteristics of aerobic wastewater treatment and the degradation .4 Greenhouse gas emissions from the wastewater treatment system. Material and methods .1 Greenhouse gases collection and analysis .2 Laboratory UASB-DHS system .2 System description and operational conditions .3 Laboratory scale ABR system .1 Raw natural rubber processing wastewater .2 System description and operational conditions .4 Pilot UASB-DHS system .1 Potential of hydrogen .3 Oxidation-reduction potential .4 Chemical oxygen demand .5 Biochemical oxygen demand .8 Ammonia, nitrite, and nitrate .9 Volatile fatty acid .10 Biogas production and composition. Results and Discussions .1 Characterization of a current wastewater treatment system .2 Development concept of a laboratory scale UASB-DHS system for natural rubber processing wastewater treatment .3 Development concept of a laboratory scale ABR experiment .1 Process performance of ABR .2 Determinates profiles inside the ABR .4 Development concept of a pilot scale UASB-DHS system experiment for treatment of natural rubber processing wastewater .2 Nitrogen removal and greenhouse gas emissions .3 Performance comparison of ABR-UASB-DHS system and existing treatment system.5 Design for full-scale UASB-DHS system for natural rubber processing wastewater in Vietnam .1 Reactor design for natural rubber processing wastewater .1 Pre-treatment process for UASB reactor .2 Calculation of Energy consumption and generation for the operation of the UASB-DHS system .1 Energy consumption of UASB-DHS system .2 Energy production of UASB-DHS system.

80 Recommendation for future study. 91 v FIGURE LIST Figure 1.1 Top natural rubber produced countries over the world in 2014 [3].2 Natural rubber harvested area and production in Vietnam [2] .3 Natural rubber production area in Vietnam [2].4 Natural rubber manufacturing process [5].5 Schematic diagram of coagulation process [5] .6 Full-scale biological pond in Vietnam.7 Schematic diagram of UASB reactor.8 Various reactor configurations of ABR [16] .9 Basic water flow in conventional activated sludge.