MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Tinh bột mì là sản phẩm tồn tại dưới dạng hydrat cacbon hữu cơ tự
nhiên với hàng ngàn công dụng khác nhau. Ước tính ngành sản xuất
tinh bột mì hàng năm thải vào môi trường 500.000 tấn bả thải và 15
triệu m
3
nước thải. Đây là nguồn thải ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng
cao với COD lên đến 20.000 mg/L, N khoảng 50 – 300 mg/L.
Hiện nay, các công nghệ xử lý chưa hiệu quả. Do vậy, cần thiết phải
xác định công nghệ xử lý đảm bảo hiệu quả về môi trường và đáp
ứng về mặt kinh tế, phù hợp với điều kiện các cơ sở sản xuất trong
nước.
Hệ sinh học hybrid kỵ khí USBF và hybrid hiếu khí Bio 2 Sludge lần
đầu được lựa chọn cho nghiên cứu nhờ tính khả thi về công nghệ, sử
dụng hệ vi sinh hỗn hợp với mật độ sinh khối dày đặc tham gia vào
quá trình phân hủy cơ chất, cho phép giảm khối tích công trình, tăng
tải trọng xử lý và phân hủy triệt để thành phần chất hữu cơ và dinh
dưỡng. Công nghệ trên còn có khả năng chịu sốc tải tốt, không bị ảnh
hưởng đáng kể bởi tải trọng và chế độ hoạt động gián đoạn do đặc
thù của ngành chế biến tinh bột mì.
2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN
• Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ Hybrid
kỵ khí và hybrid hiếu khí.
• Đề xuất công nghệ phù hợp cho xử lý nước thải tinh bột mì và
ứng dụng triển khai thực tế.
3. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ sinh học
hybrid bao gồm các nội dung chính sau:
• Đánh giá hàm lượng CN
-

phục vụ thiết kế các cộng trình xử lý thực tiễn.
• Xác định tính ưu việt và hàm lượng xơ dừa cần thiết đối với hệ
hybrid hiếu khí.
• Đề xuất quy trình xử lý nước thải phù hợp theo công nghệ sinh
học hybrid với chi phí đầu tư và vận hành thấp
5. PHƯƠNG PHÁP LUẬN
Các công nghệ xử lý nước thải hiện hữu chỉ xử lý một phần hàm
lượng ô nhiễm. Nghiên cứu chú trọng các giải pháp công nghệ liên
quan đến quá trình khử, chuyển hoá CN
-
cho công đoạn ban đầu. Sau
xử lý độc tố, áp dụng công nghệ sinh học hybrid kỵ khí kết hợp
hybrid hiếu khí, sử dụng hệ vi sinh lơ lửng và bám dính trên cùng
một hệ thống nên ưu điểm hơn so với các hệ thống sinh học truyền
thống.
2
Đối với hệ sinh học hybrid kỵ khí (USBF), tỉ lệ giữa vùng UASB và
vùng lọc kỵ khí sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu sốc tải và hiệu quả
phân hủy cơ chất. Do đó, nội dung luận án sẽ khảo sát tỉ lệ phù hợp
giữa vùng UASB và lọc sinh học.
Luận án còn tập trung vào việc lựa chọn vật liệu tiếp xúc, cách bố trí
và vận hành hệ thống. Trong đó, chú trọng đến các vật liệu lọc rẻ
tiền, có sẵn trên thị trường và độ bền cho phép mà xơ dừa, than hoạt
tính, nhựa tái sinh là những vật liệu đang được ứng dụng hiện nay.
Từ kết quả nghiên cứu, luận án xác định mô hình động học và các
thông số động học cho các hệ sinh học hybrid.
Từ kết quả khảo sát trên từng hệ hybrid riêng biệt, luận án nghiên
cứu kết hợp hai hệ hybrid USBF và bio 2 sludge, vận hành theo chế
độ tuần hoàn nước sau sinh học hiếu khí về vùng kỵ khí nhằm xử lý
hiệu quả hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng.

phía Nam.
Đặc điểm và thành phần của nước thải tinh bột mì
Bình quân 4 tấn củ mì tươi sẽ sản xuất ra được 1 tấn tinh bột mì khô
tương ứng thải vào môi trường 12 – 20 m
3
nước thải. Trong thực tế có
sự chênh lệch lưu lượng nước thải giữa quy mô lớn và nhỏ. Thành
phần tính chất nước thải tinh bột mì được trình bày ở bảng sau:
Bảng 1.1 Thành phần nước thải tinh bột mì
STT Thông số
Đơn
vị
Tây Ninh Bình Định
Đồng
Nai
1 pH - 4,00 – 4,16 5,60 3,6
2 TDS mg/L 1.758 – 2.120 1.587 1.819
3 SS mg/L 1.477 – 2.585 1.197 1.413
4 COD mg/L
14.323 –
17.764
13.068
20.340
5 BOD
5
mg/L
8.858 –
11.005
7.381
15.188

thống các hồ sinh học
7
Vedan Phước
Long
Song chắn rác → bể chứa → ngăn keo tụ →
Bể phản ứng → bể lắng → ngăn trung hòa
→ điều hòa → UASB → Hồ sinh học
8 Bình Định
Song chắn rác → lắng bột → trung hòa →
UASB → Hồ sinh học có sự tham gia thực
vật nước
9 Tây Ninh
Song chắn rác → lắng → trung hòa → hệ
thống các hồ sinh học (15,8 ha)
10
Hộ gia đình
Hoài Hảo,
Hoài Nhơn
Lắng bột → Điều hòa → Axit hóa → lọc kỵ
khí → lọc hiếu khí
Nguồn: Khoa Môi Trường, ĐHBK.Tp HCM 2005
Mặc dầu hàng loạt nhà máy sản xuất tinh bột mì đã xây dựng hệ
thống xử lý nước thải nhưng hầu hết các hệ thống được thiết kế chưa
phù hợp. Kết quả là nước sau xử lý không thể đạt tiêu chuẩn thải
QCVN 24:2009/BTNMT cột B.
1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID
Hệ sinh học hybrid là mô hình phản ứng sinh học có sự hiện diện kết
hợp của các chủng loại vi khuẩn khác nhau bao gồm: vi khuẩn sinh
trưởng lơ lửng và vi khuẩn sinh trưởng bám dính phát triển trong
5

• Xử lý CN
-
: Đảm bảo không ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ
thống sinh học; Loại bỏ triệt để chất hữu cơ, đảm bảo nước sau
xử lý đạt quy chuẩn thải cho phép. Xử lý hiệu quả N, P.
• Chịu biến động về lưu lượng, tải lượng ô nhiễm và chế độ vận
hành không liên tục.
6
• Quy trình đơn giản, chi phí thấp.và phát triển công nghệ theo
hướng tái sinh năng lượng và tái sử dụng nguồn thải.
Với luận điểm trên, một số mô hình được lựa chọn cho nghiên cứu
trong luận án bao gồm: Mô hình axit hóa khử CN
-
; hai hệ thống sinh
học hybrid: kỵ khí (USBF: kết hợp UASB + AnF) và hiếu khí (Bio 2
sludge – kết hợp bùn hoạt tính và lọc hiếu khí)
Mô hình USBF lựa chọn tỉ lệ vùng hoạt động, tải trọng hữu cơ, thời
gian lưu nước, thành phần khí sinh học. Xác định hiệu quả xử lý và
các thông số động học.
Mô hình Bio 2 sludge (bùn hoạt tính kết hợp lọc sinh học): Lựa chọn
loại vật liệu, chế độ vận hành, tải trọng hữu cơ, mô hình động học và
các thông số thiết kế. Sau cùng, kết hợp mô hình USBF và Bio 2
sludge.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 HỆ SINH HỌC HYBRID USBF
Công nghệ USBF được nghiên cứu từ năm 1984, sau đó tiếp tục phát
triển bởi nhiều nhà khoa học ở các quốc gia khác nhau để xử lý nước
thải của nhiều ngành như nước thải dệt nhuộm, nước thải chế biến cà
phê, nước thải sinh hoạt, nước thải nhiễm dầu… Ưu điểm chính của
công nghệ hybrid USBF là khả năng chịu tải cao, ngăn ngừa trường

+
, CN
-
.
Hình 3.1 Mô hình axit hóa (mô hình tĩnh)
3.2 MÔ HÌNH HYBRID SINH HỌC KỊ KHÍ
3.2.1 Mô hình USBF (tỉ lệ UASB/AF = 1/2)
Mô hình gồm 2 vùng: Phía dưới là UASB cao 400mm, chiếm thể tích
là 5L, phía trên là phần lọc kỵ khí có chiều cao làm việc 800mm,
chiếm thể tích là 10L. Khối lượng xơ dừa trong mô hình 250g.
8
3.2.2 Mô hình USBF 2/1
Mô hình gồm 2 vùng: Vùng UASB (bố trí dưới đáy) cao 800mm,
đường kính: 125 mm, chiếm thể tích là 10L, vùng lọc kỵ khí (bố trí
phía trên) cao 400mm, chiếm thể tích là 5L, khối lượng xơ dừa trong
mô hình 125 g.
3.2.3 Mô hình UASB
Cấu tạo giống mô hình USBF nhưng toàn bộ mô hình không bố trí
lớp vật liệu lọc.
3.2.4 Tiến trình thí nghiệm
Giai đoạn thích nghi bắt đầu với COD = 1000mg/L, pH ở giá trị
khoảng 7. Bùn kỵ khí cho vào mô hình với nồng độ khoảng
15gVSS/L
Với HRT=2 ngày, mô hình được vận hành với các tải trọng: 1; 2; 3
kgCOD/(m
3
.ngày) tương ứng với COD: 2000mg/L; 4000mg/L;
6000mg/L. Sau đó giảm HRT = 1 ngày, mô hình sẽ vận hành với tải
trọng 6 kgCOD/(m
3

1.500 mg/L và 2000 mg/L. Các thông số khảo sát: COD, TKN, N-
NH
4
+
, N-NO
2
-
, N-NO
3
-
theo thời gian. So sánh hiệu quả xử lý của 4
mô hình theo thời gian để đề xuất được loại vật liệu lọc phù hợp.
Hình 3.7 Mô hình lọc sinh học hiếu khí
3.3.2 Xác định kết cấu xơ dừa
Thực hiện trong 3 thùng nhựa (20 L), kích thước Dxh=20cmx50cm,
thể tích làm việc 15L, MLVSS = 4.600 mg/L. Khí cấp: 12 L/phút.
Ba kết cấu xơ dừa được nghiên cứu gồm:
• Kết cấu I: đặt ngẫu nhiên và nén lại ở một mức nhất định, khối
lượng riêng của xơ dừa là 15 kg/m
3
.
• Kết cấu II: kết thành từng tấm và các tấm này đặt có khoảng cách
với nhau, khối lượng riêng của xơ dừa là 7,5 kg/m
3
• Kết cấu III: đặt cố định và phân bố đều, các sợi xơ dừa được để ở
dạng sợi tơi không nén, khối lượng riêng của xơ dừa là 3 kg/m
3
.
Vận hành với COD tăng dần 500 mg/L, 1.000 mg/L, 1.500 mg/L,
2.000 mg/L, 2500 mg/L. Ứng với mỗi COD, khảo sát sự phân phối

, N – NO
2
-
, N –
NO
3
-
, độ kiềm ở 3 vị trí: đầu vào, sau kỵ khí, đầu ra.
11
Hình 2.1 Cấu tạo mô
Hình 3.13 Cấu tạo mô hình USBF + Bio 2 Sludge
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH AXIT HÓA
Khả năng phân hủy CN
-
trong mô hình axit hóa cao hơn so với mô
hình đối chứng. Khi hàm lượng CN
-
nhỏ hơn 12 mg/L, 90-100% CN
-
được xử lý chỉ sau 5 ngày, khi hàm lượng CN
-
khoảng 16 – 35 mg/L
thì 70% CN
-
được xử lý sau 5 ngày.
Đối với mô hình đối chứng, pH tăng chậm, CN
-
tự phân hủy nhưng
cần thời gian dài (30% CN

3
.ngày), 2kg COD/
(m
3
.ngày), 3 kg COD/(m
3
.ngày) và 6 kg COD/(m
3
.ngày), hiệu quả xử
12
lý COD ổn định và rất cao, đạt 90 – 97%. Tuy nhiên, khi tăng tải
trọng lên 12 kg COD/(m
3
.ngày), hiệu quả xử lý chất hữu cơ giảm còn
58 – 72%.
Lượng khí CH
4
sinh ra tăng dần từ 3,82 lên 4,82 L CH
4
/ngày khi tăng
tải trọng hữu cơ từ 1 lên 12 kg COD/(m
3
.ngày). Tương ứng, tốc độ
sinh khí riêng gần như ổn định, 0,25 – 0,36 m
3
CH
4
/kgCOD.
Tải trọng càng cao, N-NH
4

và giảm chậm (khoảng 7,2 – 26,64%) tại vùng lọc sinh học kỵ khí (vị
trí 3 – 8). Trong toàn bộ chiều cao cột, độ kiềm tăng nhanh đến
13
2.100mg CaCO
3
/L ở vùng UASB, sau đó tăng nhẹ khoảng 120 mg
CaCO
3
/L ở vùng lọc kỵ khí và hàm lượng amonia sau xử lý: 58,46 –
212,04 mg/L.
VFA ban đầu tăng 5 – 23 đơn vị tại vùng UASB sau đó giảm mạnh
28 – 61 đơn vị tại vùng lọc kỵ khí. Có sự tương quan giữa sự biến
thiên pH, độ kiềm, COD, VFA và amonia theo chiều cao cột.
Ảnh hưởng của nồng độ CN
-
ban đầu
Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý CN
-
trong mô hình USBF được trình
bày ở đồ thị hình 4.11.
Hình 4.11 Sự biến thiên CN
-
trong mô hình hybrid USBF
Với CN
-
vào: 25 mg/L; 50 mg/L và 75 mg/L, hiệu quả xử lý CN
-
dao
động từ 48 – 92,7%. Ở tải trọng hữu cơ 3kgCOD/(m
3

UASB
1
90,5-
95,2
89-93,5
89-
92,7
228 -
490
337-
500
203-329
2
91,4-
94,5
91,8-
94,6
89,7-
91,6
552-
1070
580-
950
226-644
3 90-95,7 90-92,8
89,4-
91,4
2006-
2646
998-

Động học mô hình USBF
Kết quả ứng dụng mô hình bậc hai
Bảng 4.3 Các thông số động học cho mô hình USBF, ứng dụng mô
hình bậc 2
Thông số UASB AF USBF
a 0,1286 0,4032 0,1685
b 0,9493 1,1999 0,9513
k
2(S)
1,999 0,126 1,717
R
2
0,9354 0,7253 0.9963
Kết quả ứng dụng mô hình Stover Kicannon
Bảng 4.4 Các thông số động học cho mô hình USBF, ứng dụng mô
hình Stover Kincannon
Mô hình UASB AF USBF
15
U
max
(g/L) 250 6,57 67,57
K
B
(g/L) 313 9,559 68,63
R
2
0,9821 0,914 0,999
Nhận xét: Hệ số tương quan trong mô hình Stover Kincannon lớn
hơn so với hệ số tương quan trong mô hình bậc 2
Bảng 4.5.Thông số động học cho mô hình USBF

0
0148.00157.1
1
S
SS
θ
θ
mô hình nhựa PE và mô hình than đá (97%). Khi tăng tải trọng lên
1,5 và 2 kgCOD/(m
3
.ngày), hiệu quả xử lý COD giảm dần.
Hiệu quả xử lý TKN trên mô hình xơ dừa ở các tải trọng khoảng
90%. Ba mô hình còn lại, hiệu quả xử lý giảm còn khoảng 60 - 85%.
Mô hình xơ dừa cũng xử lý P hiệu quả với hiệu suất đạt giá trị 60-
81,5%; trong khi các mô hình còn lại chỉ xử lý 28 – 60%. Tron g mô
hình xơ dừa, đường cong tốc độ phân hủy dốc, thŒng đứng, đặc biệt
trong 4 giờ đầu với tốc độ phân hủy trong giờ đầu tiên có thể đạt giá
trị 2,5 kg COD/(m
3
.h). Rõ ràng, việc lựa chon loại vật liệu phù hợp
cho phép giảm thời gian lưu nước, đồng nghĩa với việc giảm thể tích
bể, tiết kiệm chi phí xây dựng và gia tăng hiệu quả xử lý.
4.3.2. Mô hình xác định kết cấu xơ dừa
Thời gian đầu, trên 3 mô hình đều hình thành một lớp màng vi sinh
mỏng. Thời gian để tạo được lớp màng vi sinh dày ở 3 mô hình
tương ứng là 2 tuần, 3 tuần và 5 tuần. Tải trọng càng cao hàm lượng
vi sinh càng tăng, hàm lượng MLSS cao nhất tại mô hình 3 ứng với
lượng xơ dừa là 3 kg/m
3
.

Hình 4.35, 4.36 Sự biến thiên MLVSS và tốc độ tiêu thụ COD trên
một đơn vị sinh khối theo tải trọng
Sinh khối trong hệ hybrid cao. Ở tải trọng 1 kgCOD/(m
3
.ngày), hàm
lượng sinh khối trong vùng bùn hoạt tính, lọc sinh học và toàn bộ hệ
thống lần lượt là 1.000 – 5.550 mg/L; 5.100 – 7.000 mg/L và 2.100 –
18
6.000 mg/L. Như vậy, với mật độ sinh khối cao, các chủng vi sinh
vật đa dạng kết hợp cả kỵ khí và hiếu khí tạo điều kiện thuận lợi cho
phân hủy triệt để hàm lượng hữu cơ.
Động học mô hình Bio 2 Sludge
Kết quả mô hình Stover Kincannon: U
max
= 20 g/L ngày và hằng số
bão hòa K
B
là 22,58 g/L ngày với R
2
= 0,999.
Kết quả mô hình Monod: k = 1,412 (1/ngày); K
s
= 308,54 (g/l); R
2
=
0,9771.
Cân bằng vật chất: Thông số động học: Y= 0,3263 mgVSS/mgCOD,
k
d
= 0,0267 ngày

khoảng 4,57-5,39 mg/L và N – NO
3
-
sau hiếu khí khoảng 14,25-17,02
mg/L. Tổng nitơ sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường.
Trong mô hình Bio 2 sludge đã diễn ra quá trình xử lý đồng thời
COD và amoni. Theo thực nghiệm, khả năng phát triển của loại vi
sinh tự dưỡng hiếu khí thấp hơn nhiều so với loại dị dưỡng hiếu khí
(hiệu suất sinh khối của vi sinh tự dưỡng là 0,16 và của vi sinh dị
dưỡng là 0,6). Do vậy, với tỉ lệ tuần hoàn là 2, hệ thống đã xử lý hiệu
quả N thì hầu như hàm lượng hữu cơ cũng được xử lý triệt để.
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ
5.1 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ
Hình 5.1 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì qui mô vừa
và nhỏ
Thuyết minh qui trình công nghệ
Nước thải sau công đoạn ngâm, tách bột được xả thŒng xuống bể lắng
(bể đào, đầm nén chống thấm), với một loạt các hồ lắng nối tiếp. Tại
đây, sau thời gian lắng 24 – 48 giờ, phần lớn bột mịn lắng sẽ được thu
hồi, tận dụng làm thức ăn gia súc, còn phần nước trong trên bề mặt
được bơm về bể trung hòa.
Tại bể trung hòa, nước vào hòa trộn với nước tuần hoàn sau hồ sinh
học (pH trên 7,5) với tỉ lệ tuần hoàn 2:1. Tại đây, tảo và vi sinh vật
20
tham gia quá trình quang hợp và phân hủy cơ chất, hấp thu CO
2
, tiêu
thụ NO
3
-

Hiếu
khí
Hồ sinh
học
N tổng (mg/L)
1 48,3 40,8 41,5 33,04 28,3
2 32,4 31,7 28,6 24,6 20,3
3 49,3 41,6 38,9 29,8 25,5
4 48,8 40,8 39,3 25,8 19,1
P tổng(mg/L)
1 4,2 4,3 4,1 3,2 1,6
2 3,9 2,2 2,1 1,07 0,67
3 5,6 4,3 4,1 2,8 1,05
21
Lần lấy
mẫu
Đầu
vào
Điều hòa Kỵ khí
Hiếu
khí
Hồ sinh
học
4 4,2 4,38 4,2 2,01 0,9
COD(mg/L)
1 6614 6115 536 90 61
2 6928 6216 385 97 59
3 6135 6248 483 76 73
4 6768 6232 224 82 62
Bảng 5.2 Kết quả phân tích nước thải sau xử lý

CN
-
có thể xử lý đến 90-100% trên mô hình axit hóa. Mô hình hybrid
kỵ khí USBF không bị ảnh hưởng bởi độc tính CN
-
với nồng độ CN
-
nhỏ hơn 50 mg/L. Khi tăng nồng độ CN
-
đầu vào lên đến 75 mg/l,
ảnh hưởng của độc tính thể hiện rõ qua hiệu quả xử lý COD và CN
-
thấp, còn 72,7% và nhỏ hơn 50%.
Mô hình USBF tỉ lệ 1/2 được chọn cho thiết kế với hiệu quả xử lý
COD trên toàn mô hình USBF là 96%. Trong đó, vùng UASB đã xử
lý 60-90% COD, vùng lọc kỵ khí xử lý 3,13 - 21,6% COD ở tải trọng
phù hợp là 3- 6 kgCOD/(m
3
.ngày) tương ứng thời gian lưu nước là 1
-2 ngày. Lượng khí sinh học trong mô hình USBF thu hồi khá cao
dao động khoảng 0,3 – 0,36 kg CH
4
/kg COD phân hủy. Trong thành
phần khí sinh học, khoảng 65-71% là metan.
Các thông số động học cho mô hình USBF, tối ưu theo mô hình
Stover Kincannon là (U
max
) là 67.57 g/L ngày, K
B
là 68.63 g/L ngày.

= 0,999 và
1=
θ
ngày
Mô hình hybrid cho hiệu quả xử lý COD, N-NH
4
+
cao hơn mô hình
Aeroten và lọc sinh học thông thường. Với tải trọng tăng dần từ 0,5;
0,8; 1; 1,5; 2; 3 kg COD/(m
3
.ngày), hiệu quả xử lý COD trong mô hình
hybrid tăng từ 91% lên 93%; 95% sau đó giảm còn 91%. Hiệu quả xử lý
23
của mô hình hybrid cao hơn so với Aeroten từ 2 - 5% và lọc sinh học từ 1-
4%.
Hệ hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí, hệ số tuần hoàn α= 2 (nước sau xử
lý tuần hoàn về bể sinh học kỵ khí) cho phép xử lý nước thải đạt tiêu
chuẩn nước thải loại B.
Đề tài đã triển khai công nghệ hybrid kết hợp kỵ khí và hiếu khí và
hồ sinh học cho các hộ sản xuất tinh bột mì có công suất 25-100
m
3
/ngày. Kết quả thực tế đã chứng minh, hệ sinh học kết hợp hybrid
kỵ khí và hiếu khí xử lý hiệu quả COD (trên 97%), N (trên 90%) và P
(trên 75%). Nước sau xử lý trong, không màu, không mùi đạt giá trị
quy định theo QCVN 24:2009/BTNMT.
KIẾN NGHỊ
• Nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế chuyển hóa các sản phẩm
trung gian và thành phần vi khuẩn hiện diện trong mô hình