Đặt vấn đề

Nước thải từ ngành công nghiệp chế biến thủy sản có COD dao động từ 550 – 93000 mg/L [4]. Hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thuỷ sản chủ yếu dựa trên công nghệ xử lý truyền thống là bể bùn hoạt tính. Bể này đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình vận hành và chỉ chịu được tải trọng thấp. Phần lớn nước thải từ ngành công nghiệp chế biến thuỷ sản có hàm lượng chất hữu cơ cao. Điều này làm cho các công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống bùn hoạt tính tiêu tốn nhiều năng lượng trong khi đó nước ta là một nước đang phát triển nên cần tiết kiệm năng lượng để phục vụ cho phát triển kinh tế. Biogas từ các hầm khí thải trại chăn nuôi lợn ở nông thôn Việt Nam có thể được dùng chạy máy phát điện cỡ nhỏ với giá trị ô nhiễm mà khí thải động cơ dùng biogas như HC khoảng 523 ppm và CO khoảng 1,99% thỏa mãn giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam [3]. Các công nghệ phân huỷ kỵ khí là những công nghệ có thể tiết kiệm được năng lượng mà còn tạo ra khí sinh học cung cấp năng lượng trở lại cho hệ thống xử lý nước thải. Việc vận hành các bể phản ứng kỵ khí đòi hỏi thời gian thích nghi rất lâu và khó khăn trong việc hình thành bùn hạt để quá trình phân huỷ sinh học trong bể xảy ra tốt. Việc sử dụng một chất mang để giúp cho vi sinh phát triển tốt xảy ra nhanh hơn tạo bùn hạt không có chất mang.

Hạt PVA gel

Hạt PVA (polyvinyl alcohol) gel có mạng lưới những lỗ rỗng nhỏ dùng như bẫy chứa vi sinh vật. Mỗi hạt có đường kính khoảng 4 mm, có thể giữ lên đến 1 tỷ vi sinh vật tùy thuộc vào điều kiện. Tính lưu động của hạt PVA - gel trong môi trường nước tốt nên đòi hỏi năng lượng tối thiểu cho việc xáo trộn chúng. PVA - gel có cấu trúc mạng với những lỗ rỗng xuyên suốt có đường kính 20 mm. Các hạt có chu vi 4 mm thì trọng lượng riêng 1,025 [7].

PVA gel có hàm lượng nước cao do lỗ rỗng rộng nên cho phép oxy và chất dinh dưỡng thấm vào các vi khuẩn sống bên trong hạt.

Hình 1. Bề mặt PVA gel được chụp qua kính hiển vi điện tử 

Hình 2. Hạt PVA gel trước khi sử dụng của Công ty Kuraray Qua

Hiệu quả xử lý nước thải có chất hữu cơ của bể FBBR

Wenjie, Z. và csv đã dùng hạt PVA gel như là chất mang trong bể UASB qui mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải nhân tạo được tạo từ nước ngâm ngũ cốc (corn steep liqour) với mục đích đánh giá tính hữu dụng của nó như một hạt nhân để nâng cao sự hình thành bùn hạt. Hơn 117 ngày vận hành, tải trọng hữu cơ tăng đến 22,5 kgCOD/m3.ngày, COD đầu vào khoảng 10,8 g/L, HRT 12 giờ với hiệu suất loại bỏ cao hơn 87%. Trước khi kết thúc giai đoạn nghiên cứu hạt PVA-gel trở nên đen và hình thành hạt như sự hình thành một vài hạt tự nhiên không có giá thể hạt PVA gel. Không có vi khuẩn hình sợi được tìm thấy trên bề mặt hay bên trong hạt PVA gel. Hạt PVA gel có vận tốc lắng trung bình 200 m/h (5 cm/s) và sinh khối dính bám là 0,93 gVSS/g PVA gel. Thời gian để hình thành bùn hạt dùng PVA gel làm nhân là ngắn hơn hình thành bùn hạt tự nhiên [6].

Một nghiên cứu về mô hình bể FBBR (fluidized bed biological reactor) kỵ khí có chất mang là hạt PVA gel xử lý nước thải chế biến thủy sản có COD nằm trong khoảng 1291 ÷ 4414 mg/L, NH3 trong khoảng 95,2 ÷ 137,4 mg/L. Mô hình được khởi động ở tải trọng hữu cơ là 1 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 12,9 giờ trong 18 ngày do các hạt PVA gel đã có vi sinh dính bám sau khi xử lý nước thải chế biến cao su bằng bể phân hủy kỵ khí có chất mang là hạt PVA gel. Sau đó, vận hành trong 111 ngày với tải trọng hữu cơ là 3; 5; 7 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 10,2 giờ; 12 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 6,1 giờ; 15; 20 kgCOD/m3.ngày ứng với HRT 4,9 giờ, đạt hiệu suất loại bỏ COD trung bình của 10 ngày cuối của mỗi tải trọng khoảng 88 ÷ 91%. Ở tải trọng hữu cơ 20 kgCOD/m3.ngày thì hiệu suất loại bỏ COD là 91,8 ± 2,1%. Giá trị pH, độ kiềm đầu ra tăng so với đầu vào. Lưu lượng bơm tuần hoàn dao động trong khoảng 210 ÷ 960 L/giờ tuỳ theo từng tải trọng khác nhau. Hạt PVA gel là rất thích hợp làm chất mang cho vi sinh phát triển dính bám, biomass trên hạt có tỉ lệ MLVSS/MLSS dao động trong khoảng 0,727 đến 0,904 [1].

Hình 3. Mô hình bể FBBR

Một nghiên cứu về bể phân hủy kỵ khí có chất mang là hạt PVA-gel (chiếm 10 % thể tích cột phản ứng) làm giá thể cho vi sinh vật xử lý nước thải sản xuất cao su. Mô hình vận hành trong giai đoạn thích nghi tạo lớp màng sinh học là 45 ngày, sau đó với giai đoạn xử lý mỗi tải trọng vận hành trong khoảng 20 ngày. Thời gian chạy mô hình khoảng 160 ngày. Trong đó giai đoạn thích nghi tạo lớp màng sinh học là 45 ngày và thời gian còn lại chạy với các tải trọng 2,5; 5,0; 7,0 ; 10 kgCOD/m3.ngày. Nước thải sản xuất cao su có COD là 3500 mg/L; pH = 4,7 ÷ 5,8; NH3 từ 80 ÷ 150 mg/L. Hiệu suất loại bỏ COD ở tải trọng 2,5; 5,0; 7,0 kgCOD/m3.ngày gần 80% và ở tải trọng 10 kgCOD/m3.ngày. Sản lượng khí sinh ra dao động trong khoảng 0,3 ÷ 0,4 m3/kgCOD [2].

Kết luận và kiến nghị

Hạt PVA gel sử dụng làm chất mang trong bể phân hủy kỵ khí xử lý nước thải với hiệu quả cao và đặc biệt là trong xử lý nước thải ô nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Khi hạt PVA gel đã có màng vi sinh dính bám thì thời gian vi sinh kỵ khí thích nghi rất nhanh. Đồng bằng sông Hồng, Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long là những khu vực có nhiều trang trại trong lĩnh vực trồng trọt, chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản nên lượng sinh khối là rất dồi dào để sản xuất biogas. Các trang trại dùng biogas để phát điện cung cấp cho quá trình sản xuất nhằm giảm chi phí điện năng do giá điện hiện nay ngày càng tăng.

Bên cạnh hình thức chăn nuôi tập trung thì hiện nay nước ta vẫn còn các hoạt động chăn nuôi qui mô nhỏ lẻ dẫn đến các hộ chăn nuôi xây dựng các hầm biogas thu được lượng khí nhỏ chỉ dùng để đun nấu hoặc đốt bỏ chứ không thu hồi hết biogas sinh ra từ các hầm phân hủy kỵ khí. Vì vậy các cơ quan chức năng cần quy hoạch tốt hơn nữa vùng chăn nuôi để tận thu biogas một cách có hiệu quả.

Tài liệu tham khảo

1. Lê Hoàng Nghiêm, Lê Thị Cẩm Chi: Nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng kỵ khí dòng chảy ngược với chất mang hạt PVA gel xử lý nước nước thải chế biến thủy sản. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, tập 49, số 5C, 2011.

2. Le Thi Thuy Phuong, Nguyen Phuoc Dan, Le Hoang Nghiem và Kenji Furukawa: Study on application of anaerobic PVA gel carrier reactor for latex processing wastewater treatment, 2nd International conference on environment and natural resources Ho Chi Minh city, Viet Nam, organized by Vietnam national university – Ho Chi Minh city and Institute for environment and Resources, 2010.

3. Nguyễn Đình Hùng, Nguyễn Hữu Hường, Đoàn Thanh Vũ, Vũ Việt Thắng: Ứng dụng biogas chạy máy phát điện cỡ nhỏ tại nông thôn Việt Nam. Tạp chí phát triển KH & CN, tập 12, số 14, 2009.

4. Nguyễn Văn Phước: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học. NXB Xây dựng, 2007.

5. Tổng cục Thống kê: Niên giám thống kê 2016: Nhà xuất bản Thống kê Hà Nội, 2017.

6. Zhang Wenjie, Wang Dunqiu, Koga Yasunori, Yamamoto Taichi, Zhang Li, Furukawa Kenji: PVA-gel beads enhance granule formation in a UASB reactor”. Bioresource technology, , November 2008, pp. 8400-8405, 2008.

[7]. http://www.kuraray-aqua. co.jp/en/product/pvagel.html.

LÊ THỊ CẨM CHI

Khoa Kỹ thuật - Công nghệ - Môi trường, Trường Đại học An Giang