ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TRANG
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Lời cảm ơn
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Cao Thế Hà đã tận tình
hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu cho em trong quá trình thực
hiện và hoàn thành luận văn này.
Trong quá trình thực hiện, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận
được sự giúp đỡ tận tình, những ý kiến đóng góp, chỉ bảo quý báu của các anh chị ở
phòng Công Nghệ - Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền
vững (CETASD), đặc biệt Thạc sĩ Nguyễn Trường Quân . Em xin bày tỏ lòng biết
ơn đến các anh chị đã dành cho em sự giúp đỡ quý báu đó.
Ðồng thời, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo
Khoa Môi trường, Trường Ðại học Khoa học Tự nhiên – Ðại học Quốc gia Hà Nội
đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng em xin cảm ơn sự cổ vũ, động viên và giúp đỡ của gia đình và bạn
bè trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này.
Công trình này được thực hiện trong khuôn khổ Đề tài KC 08.04/11-15, tác
giả xin chân thành cảm ơn Chương trình KC08, Bộ KH&CN tài trợ cho đề tài
nhánh này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2014
Học viên

Nguyễn Thị Trang


2.3.2.1 Thiết kế hệ IC 33
2.3.2.2 Thiết kế hệ ABR 36
2.4. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 39
2.4.1. Hóa chất 40
2.4.2. Thiết bị và dụng cụ 40
2.4.3. Các quy trình phân tích 40
2.5. Xử lý số liệu (Các số liệu phân tích được đưa vào và xử lý trong bảng excel) 40
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1 Đánh giá ảnh hưởng của yếu tố tăng dần tải lượng đến khả năng xử lý chất hữu
cơ trong giai đoạn khởi động của 2 hệ ABR và IC 42
3.1.1 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=30h), IC(HRT=24h) ( thời gian khảo sát 30
ngày) 43
3.1.2 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=25h), IC(HRT=20h) ( thời gian khảo sát 30
ngày) 45
3.1.3 Chạy hệ ABR (HRT=20h), IC(HRT=16h) (thời gian khảo sát 30 ngày) 47
3.1.4 Chạy hệ ABR (HRT=15h), IC(HRT=12h) (thời gian khảo sát 30 ngày) 49
3.1.5 Chạy hệ ABR (HRT=10h), IC(HRT=10h) (thời gian khảo sát 45 ngày) 51
3.1.6 Chạy hệ ABR (HRT=6h), IC(HRT=6h)( thời gian khảo sát 45 ngày) 53
3.1.7 Đánh giá mối quan hệ giữa TL và NSXL COD 56
3.2 Đánh giá khả năng xử lý COD, TSS qua các cột hệ ABR 58
3.3 Đánh giá khả năng giảm SS khi có và không có vật liệu mang 61
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC 72 DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào nước thải 13
Bảng 2: tải hữu cơ cho ba hệ thống xử lý kỵ khí phổ biến [25] 19
Bảng 3. Tóm tắt về các đặc trưng của các hệ sử dụng bùn vi sinh dạng hạt có tăng

Hình 6: sơ đồ thiết bị phản ứng BFB 16
Hình 7: hạt bùn sinh học 16
Hình 8: sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội bộ 18
Hình 9: tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian 22
Hình 10. Cấu hình bể xử lý ABR 24
Hình 11. Bình phản ứng dạng IC khi hoàn chỉnh 34
Hình 12: Hình ảnh bộ tách 3 pha 36
Hình 13. Hình ảnh nón phân phối bùn 36
Hình 14.Sơ đồ công nghệ hệ ABR quy mô phòng thí nghiệm ( Q =50 L/ngày ) 37
Hình 15 : hình ảnh hệ ABR hoàn chỉnh 39
Hình 16. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 30h, IC 24h 44
Hình 17. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 30h, IC 24h 44
Hình 18. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 30h, IC 24h 45
Hình 19. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 25h, IC 20h 46
Hình 20. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 25h, IC 20h 46
Hình 21. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 25h, IC 20h 47
Hình 22. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 20h, IC 16h 48
Hình 23 .Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 20h, IC 16h 48
Hình 24. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 20h, IC 16h 49

Hình 25 .Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 15h, IC 12h 50
Hình 26. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 15h, IC 12h 50
Hình 27. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 15h, IC 12h 51
Hình 28. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 10h, IC 10h 52
Hình 29. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 10h, IC 10h 52
Hình 30. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 10h, IC 10h 53
Hình 31. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 6h, IC 6h 54
Hình 32. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 6h, IC 6h 54
Hình 33. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 6h, IC 6h 55
Hình 34. Mối quan hệ giữa TL và NSXL COD tổng hệ ABR và IC qua các HRT 56

H% : Hiệu suất
Tb : trung bình
TL : Tải lượng
Vd : Vận tốc dâng nước 2

MỞ ĐẦU
Xử lý nước thải bằng các công nghệ vi sinh ngày càng được ứng dụng hiệu
quả và rộng rãi trên thế giới và cũng như Việt Nam bởi nhẽ, đây là giải pháp xử lý
với chi phí thấp, thân thiện với môi trường do không phải sử dụng nhiều hóa chất.
Phương pháp vi sinh bao gồm phương pháp yếm khí, hiếu khí, các phương pháp
này có thể được sử dụng riêng rẽ hoặc xử lý kết hơp với nhau nhằm xử lý triệt để
các chất ô nhiễm sinh học trong nước thải.
Đối với các công nghệ yếm khí thì có nhiều lựa chọn, trước hết là lựa chọn kĩ
thuật phản ứng. Loại đơn giản và chi phí thấp như hầm biogas phủ bạt nhưng gặp
nhiều khó khăn. Trong trường hợp này thì rõ ràng là các hệ phản ứng kiểu các kĩ
thuật lọc ngập nước (Submerged Biotrickling Filter), UASB (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket), EGSB (Extended Granule Sludge Blanket),… sẽ là sự lựa chọn.
Lựa chọn của chúng tôi là nếu cần năng suất cao thì chọn kĩ thuật cho khả năng xử
lý cao nhất. Nếu coi kĩ thuật đời đầu- bồn phản ứng khuấy trộn hoàn toàn có công
suất trên đơn vị thể tích là 1 thì bồn tiếp xúc là 5, hệ UASB là 25 và hệ EGSB, IC là
75 như hình dưới đây. Vậy theo các tài liệu trên thế giới cho biết kĩ thuật IC cho
năng suất và hiệu quả cao nhất và ở Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu nào quan
tâm.


chỉ là ao hồ yếm khí, bồn yếm khí cổ điển (có khuấy, điều nhiệt); kĩ thuật hiếu khí
là mương ôxi hóa, chưa quan tâm đầy đủ đến xử lí N, P. Ở Châu Á, các nước như: Trung Quốc, Thái Lan,… là những nước có ngành
chăn nuôi công nghiệp lớn trong khu vực nên rất quan tâm đến vấn đề xử lý nước
thải chăn nuôi. Nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra nhiều công nghệ xử lý
nước thải thích hợp như là:
 Kỹ thuật lọc yếm khí
 Kỹ thuật phân hủy yếm khí hai giai đoạn
 Bể Biogas tự hoại

4

Hiện nay ở Trung Quốc các bể Biogas tự hoại đã sử dụng rộng rãi như phần
phụ trợ cho các hệ thống xử lý trung tâm. Bể Biogas là một phần không thể thiếu
trong các hộ gia đình chăn nuôi heo vừa và nhỏ ở các vùng nông thôn, nó vừa xử lý
được nước thải và giảm mùi hôi thối mà còn tạo ra năng lượng để sử dụng.
Trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo tại Thái Lan thì
trường đại học Chiang Mai đã có nhiều đóng góp rất lớn.
- HYPHI (hệ thống xử lý tốc độ cao kết hợp với hệ thống chảy nút): hệ thống
HYPHI gồm có thùng lắng, bể chảy nút và bể UASB. Phân heo được tách làm 2
đường, đường thứ nhất là chất lỏng có ít chất rắn tổng số, còn đường thứ hai là phần
chất rắn với nồng độ chất rắn tổng số cao, kỹ thuật này đã được xây dựng cho các
trại heo trung bình và lớn.
Một số tác giả Úc cho rằng chiến lược giải quyết vấn đề xử lý nước thải chăn
nuôi heo là sử dụng kỹ thuật SBR (sequencing batch reactor). Ở Ý đối với các loại
nước thải giàu Nitơ và Phospho như nước thải chăn nuôi heo thì các phương pháp
xử lý thông thường không thể đạt được các tiêu chuẩn cho phép về hàm lượng về
Nitơ và Phospho trong nước ra sau xử lý. Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi giàu

nước thải gây ô nhiễm nghiêm trọng. Việc mở rộng các khu dân cư xung quanh các
xí nghiệp chăn nuôi heo nếu không được giải quyết thỏa đáng sẽ gây ra ô nhiễm
môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và gây ra những vấn đề mang tính
chất xã hội phức tạp. Hiện nay trên cả nước ta đã xây dựng nhiều mô hình chăn trại
chăn nuôi heo với quy mô lớn, chủ yếu phân bố tại 5 vùng trọng điểm là Mộc Châu
(Sơn La), Hà Nội và các vùng phụ cận, khu vực TPHCM và các tỉnh xung quanh,
Lâm Đồng và một số tỉnh duyên hải miền Trung.
Vấn đề phát triển chăn nuôi và chất thải chăn nuôi được xã hội và nhà nước
VN rất quan tâm và được các tổ chức quốc tế như FAO, GEF, … với các nước như
Hà Lan, Đan Mạch, Đức, Pháp, Bỉ, … hỗ trợ mạnh mẽ. Đã xuất hiện nhiều doanh
nghiệp cung cấp các dịch vụ xử lý chất thải chăn nuôi. Đáng kể nhất là Chương
trình khí sinh học cho chăn nuôi do Cục Chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và
Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan (SNV) thực hiện khởi động từ 2003.
“Chương trình Khí sinh học cho Ngành Chăn nuôi Việt Nam 2007-2011” là
giai đoạn II, ().
Nhiều nguyên cứu trong lĩnh vực xử lý nước thải chăn nuôi heo đang được
hết sức quan tâm vì mục tiêu giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, đồng thời với
việc tạo ra năng lượng mới. Các nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi heo ở Việt
Nam đang tập trung vào hai hướng chính, hướng thứ nhất là sử dụng các thiết bị

6

yếm khí tốc độ thấp như bể lên mem tạo khí Biogas kiểu Trung Quốc, Ấn độ, Việt
Nam, hoặc dùng các túi PE. Phương hướng thứ nhất nhằm mục đích xây dựng kỹ
thuật xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi heo trong các hộ gia đình chăn nuôi heo
với số đầu heo không nhiều. Hướng thứ hai là xây dựng quy trình công nghệ và
thiết bị tương đối hoàn chỉnh, đồng bộ nhằm áp dụng trong các xí nghiệp chăn nuôi
mang tính chất công nghiệp. Trong các nghiên cứu về quy trình công nghệ xử lý
nước thải chăn nuôi heo công nghiệp đã đưa ra một số kiến nghị sau:
Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi công nghiệp có thể tiến hành như sau:

lắng tạo điều kiện thuận lợi và giảm khối tích của các công trình xử lý tiếp theo.
Ngoài ra có thể dùng phương pháp ly tâm hoặc lọc. Hàm lượng cặn lơ lửng trong
nước thải chăn nuôi khá lớn (khoảng vài ngàn mg/L) và dễ lắng nên có thể lắng sơ
bộ trước rồi đưa sang các công trình xử lý phía sau.
Sau khi tách, nước thải được đưa sang các công trình phía sau, còn phần chất
rắn được đem đi ủ để làm phân bón.
1.2.2. Phương pháp xử lý hóa lý
Nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ dạng hạt có kích
thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học thông thường
vì tốn nhiều thời gian và hiệu quả không cao. Ta có thể áp dụng phương pháp keo tụ
để loại bỏ chúng. Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, phèn
bùn,… kết hợp với polymer trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ.
Nguyên tắc của phương pháp này là : cho vào trong nước thải các hạt keo mang
điện tích trái dấu với các hạt lơ lửng có trong nước thải (các hạt có nguồn gốc silic
và chất hữu cơ có trong nước thải mang điện tích âm, còn các hạt nhôm hidroxid và
sắt hidroxi được đưa vào mang điện tích dương). Khi thế điện động của nước bị phá
vỡ, các hạt mang điện trái dấu này sẽ liên kết lại thành các bông cặn có kích thước
lớn hơn và dễ lắng hơn.

8

Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) tại trại chăn nuôi heo 2/9:
phương pháp keo tụ có thể tách được 80-90% hàm lượng chất lơ lửng có trong nước
thải chăn nuôi heo.
Ngoài keo tụ còn loại bỏ được P tồn tại ở dạng PO
4
3-
do tạo thành kết tủa AlPO
4


 
Enzyme
CO
2
+ H
2
O + OH
Tổng hợp tế bào mới :

9

C
x
H
y
O
z
+ O
2
+ NH
3
 
Enzyme
Tế bào vi khuẩn (C
5
H
7
O
2
N) + CO

a. Thủy phân : Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết
ra, các phức chất và các chất không tan (như polysaccharide, protein, lipid) chuyển
hóa thành các phức chất đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (như đường, các acid amin,
acid béo).
b. Acid hóa : Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa
tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, rượu, acid lactic, methanol, CO
2
,
H
2
, NH
3
, H
2
S và sinh khối mới.
c. Acetic hóa : Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa
thành acetat, H
2
, CO
2
và sinh khối mới.
d. Methane hóa : Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kỵ khí. Acid
acetic, H
2
, CO
2
, acid formic và methanol chuyển hóa thành methane, CO
2
và sinh
khối mới.

C. Hiệu suất riêng (tính theo
thể tích khí biogas sinh ra/ 1m3 bồn xử lý/ 1 ngày) có thể đạt được từ 1-1.5, với thời
gian lưu 40 ngày và tải lượng là 3.4 kg tổng chất rắn/ 1m3/ ngày.
Hình 3. Sơ đồ bể xử lí yếm khí kiểu UASB và hình hạt bùn
Bồn phản ứng dòng liên tục khuấy trộn đều
Các hệ đã nêu có thiết kế rất đơn giản, cơ cấu cơ khí không có, vận hành chỉ
nhờ dòng nước tự chảy nên chi phí rất thấp. Yếu điểm lớn nhất của các hệ xử lý
kiểu này là tốc độ phân hủy các chất tan rất chậm, thực chất chúng chỉ đóng vai trò
của một hệ lắng sơ cấp và phân hủy một phần bùn.Do các hệ cổ điển không có
khuấy trộn sinh khối vi khuẩn hoạt động không thể tiếp xúc tốt với nước thải để
thực hiện quá trình chuyển hóa, hơn nữa, vùng hoạt động thực trong các bể cổ điển
chỉ là một phần nhỏ thể tích thiết bị (Hình 4), vì vậy hiệu quả xử lí của các hệ đơn
giảnchỉ được thể hiện chủ yếu là đối với phần bùn cặn lắng được, do đó thời gian
lưu nước trong các hệ thụ động phải tính bằng vài chục ngày.
Nước vào
Nước ra
Khí sinh học CH4, CO
2

1.2.3.3 Các quá trình trong xử lý yếm khí
Các quá trình vi sinh trong hệ xử lý yếm khí
Phương trình tổng của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau:
C
c
H
h
O
o
N
n
S
s
+ 1/4(4c–h–2o+3n+2s)H
2
O  1/8(4c –h+2o+3n+2s)CO
2
+ 1/8(4c +
h – 2o – 3n – 2s)CH
4
+ nNH
3
+ sH
2
S (1.1)
Trong đó C
c
H
h
O

Bảng 1. Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào nước thải
Cơ chất
Luợng,
cm
3
/g
Biogas
%C
H
4
%CO
2
Thiêu nhiệt, kWh/m
3(d)

Cacbonhyđrat
a

Chất béo
b

746,7
1434
50
71
50
29
4,95
7,02


35°C).
- Khó đạt được hiệu suất xử lí cao như quá trình hiếu khí.
- Do bản chất quá trình trong nước ra và biogas luôn có mùi do H
2
S và
mercaptan, điều này sẽ hạn chế khả năng sử dụng ở đô thị.
- Bùn yếm khí khó lắng hơn bùn hiếu khí, vì vậy nếu áp dụng kĩ thuật lắng thì chi
phí sẽ cao hơn.
1.3 Các kĩ thuật yếm khí cao tải trong xử lý nước thải
1.3.1.Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt (UASB)
UASB là kỹ thuật đầu tiên sử dụng vi sinh dạng hạt tự sinh không chất mang
được đề xuất bởi GS. Lettinga. Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý
nước thải có độ ô nhiễm hữu cơ cao và kể cả nước thải sinh hoạt [4, 8, 15, 20].

15 Hình 5: sơ đồ hệ xử lý UASB [16]
Nguyên tắc căn bản của kỹ thuật UASB là sử dụng khả năng tạo thành hạt vi
sinh của một số dạng vi sinh yếm khí nhất định, chúng tạo thành tập hợp keo tụ đặc,
thường được gọi là hạt vi sinh. Hạt vi sinh có khả năng lắng rất tốt và vì vậy dễ tích
lũy trong khối phản ứng, trong khi loại không có khả năng tạo hạt sẽ trôi theo nước
ra ngoài. Với phương thức chọn lọc vi sinh này, mật độ sinh khối trong bể phản ứng
đạt rất cao, thông thường 20 - 30 kg/m
3
tính theo hàm lượng chất hữu cơ. Nét đặc
trưng nổi bật của hệ xử lý UASB là bộ phận tách ba pha. Nhờ các cấu trúc cản khí
(sắp xếp theo kiểu dích dắc, xen phủ lẫn nhau của các vòm thu khí) nên dòng khí
được thu về các vòm thu khí, tại đó khí thoát ra khỏi nước và tách khỏi các hạt vi
sinh. Bộ phận tách pha chia bể yếm khí thành hai vùng: vùng phân hủy nằm ở dưới

xử lý các loại nước thải từ công nghiệp hóa chất, sinh hóa và sinh học [23]. Có thể thấy, BFB và EGSB nhìn rất giống nhau bởi cả hai hệ này sử dụng
vật liệu mang dạng hạt cho vi khuẩn bám dính, dưới tác động của dòng nước hạt
màng sinh học sẽ lơ lửng. Sự khác biệt chính giữa BFB và EGSB là BFB cần tốc độ
Wastew
Efflue
Efflue
Wastew
Gas
Gas
(a) (b
)
(a) (b)
Hình 6: sơ đồ thiết bị phản ứng BFB
(a)
và EGSB (b)

Hình 7: hạt bùn sinh học
: (a) kích thướ
c
1,7 mm trên vật liệu mang, tỉ lệ 1 mm; (b)
hạt bùn trong hệ UASB không vật liệu
mang, tỷ lệ 0,4 mm

17