Mở đầu

Việt Nam là một trong số các nước dẫn đầu thế giới về khai thác và xuất khẩu cao su tự nhiên (CSTN). Theo thống kê của Hiệp hội Cao su, sản lượng CSTN năm 2019 của nước ta đạt khoảng 1,68 triệu tấn. Bên cạnh những tác động tích cực đến sự phát triển KT-XH, ngành công nghiệp chế biến CSTN cũng gây nên những vấn đề môi trường cấp bách do phát sinh một lượng lớn nước thải. Nước thải chế biến CSTN có mức độ ô nhiễm rất cao, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ, với giá trị COD có thể lên tới 11.000 - 27.000 mg/L. Như vậy, với lượng nước thải phát sinh trung bình 25 m3/tấn sản phẩm, mỗi năm ngành công nghiệp chế biến cao su Việt Nam phát sinh khoảng 42 triệu m3 nước thải, tương ứng với thải lượng COD có thể lên tới 462.000 - 1.134.000 tấn COD/năm. Đây là khối lượng chất hữu cơ rất lớn cần phải được xử lý trước khi thải vào môi trường [1].

Thiết bị đệm bùn hạt mở rộng (EGSB) là một biến thể của thiết bị UASB do G. Lettinga và cộng sự phát triển những năm 1970 tại Hà Lan và trở thành công nghệ được áp dụng phổ biến để xử lý nước thải (XLNT) sinh hoạt và công nghiệp. Cả hai hệ thống đều có nhiều ưu điểm so với các công nghệ khác như: Xây dựng và vận hành đơn giản; mặt bằng xây dựng nhỏ; tiêu tốn ít năng lượng và hóa chất; phát sinh ít bùn thải; khả năng lưu trữ bùn kéo dài nhiều tháng trong điều kiện thông thường. Tuy nhiên, do một số ưu điểm vượt trội so với UASB, đặc biệt là hiệu suất xử lý cao và ổn định với các mức tải trọng hữu cơ (OLR) cao nên từ cuối những năm 1990, việc ứng dụng thiết bị EGSB trong XLNT bắt đầu phát triển mạnh và nhanh chóng vượt thiết bị UASB theo tỷ lệ % các dự án sử dụng [2]. Trên thế giới hiện nay, thiết bị EGSB đã được ứng dụng rộng rãi để xử lý các chất hữu cơ trong các loại hình nước thải khác nhau: Nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải công nghiệp bia, nước thải sản xuất dầu cọ, nước thải chăn nuôi lợn, nước thải từ các lò mổ gia cầm, nước thải sản xuất thuốc kháng sinh,… [3]. Tại Việt Nam, các nghiên cứu XLNT bằng thiết bị EGSB cũng đã được nghiên cứu đối với nước thải dệt nhuộm và nước thải chế biến thủy sản [4, 5]. Tuy nhiên, thiết bị EGSB ít được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong XLNT chế biến CSTN.

Với mục đích tăng khả năng lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện của Việt Nam để xử lý các chất hữu cơ trong nước thải chế biến CSTN, bài báo này trình bày khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước thải chế biến CSTN bằng công nghệ sinh học kỵ khí trên thiết bị EGSB.

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

 Nước thải

Nước thải sử dụng trong nghiên cứu này là nước thải được lấy tại mương đánh đông của Nhà máy chế biến Cao su Hà Tĩnh. Nước thải được lấy vào các can nhựa 10 - 30 L theo từng đợt, mỗi đợt 1,2 - 1,5 m3 để phục vụ thí nghiệm, giá trị COD dao động trong khoảng 3.400 - 6.600 mg/L.

Bùn giống

Thiết bị EGSB được khởi động bằng nguồn bùn phân tán kỵ khí lấy từ bể UASB đang hoạt. Bùn được sàng lọc các tạp chất hoặc các hạt bùn nổi kích thước > 0,5 mm, chỉ lấy bùn có kích thước > 0,5 mm.

Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị EGSB được chế tạo từ nhựa acrylic trong suốt được chia thành hai vùng: Vùng phản ứng (I) và vùng lắng (II). Hai vùng được ngăn cách với nhau bởi vách ngăn nhưng thông với nhau ở đáy vùng lắng. Các thông số của thiết bị như sau: Chiều cao tổng HT = 15,5 dm; chiều cao làm việc HLV = 14,0 dm; chiều cao ngăn lắng HL = 3,95 dm; diện tích mặt lắng SL = 1,35 dm2; thể tích tổng VT = 15,0 dm3; thể tích vùng phản ứng VPƯ = 10,75 dm3; thể tích vùng lắng VL= 4,25 dm3. Trên thiết bị bố trí 5 van lấy mẫu bố trí dọc theo chiều cao thiết bị, cách đáy lần lượt 5, 35, 65, 95 và 125 cm. Ngoài bơm cấp nước thải (3) còn bố trí bơm tuần hoàn (4) và bơm phá váng (5) như thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Hệ thiết bị thí nghiệm EGSB 

Quy trình và chế độ thí nghiệm

Qui trình thí nghiệm

Nước thải từ thùng chứa (2) (Hình 1) được bơm cấp nước thải (3) bơm vào đường ống dẫn nước thải phía trên thiết bị EGSB. Ống dẫn nước thải nằm trong bể phản ứng đưa nước thải vào đáy thiết bị EGSB. Trong thiết bị, nước thải chảy từ dưới lên xuyên qua lớp bùn sinh học và quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra tại đây. Nước thải qua vùng phản ứng (I) di chuyển sang vùng lắng (II) qua khe hở ở đáy vùng lắng. Nhờ tấm chắn nghiêng ở đáy vùng lắng, khí biogas được tách ra khỏi hỗn hợp bùn – nước trước khi đi qua vùng lắng. Tại vùng lắng, các hạt bùn lắng xuống và quay trở về vùng phản ứng. Nước sau xử lý chảy qua ống dẫn nước thải vào bể chứa nước sau xử lý (7). Khí biogas sinh ra do quá trình phân hủy kỵ khí thoát ra từ phía trên vùng (I) đi vào khoảng không phía trên thiết bị, rồi qua đường ống dẫn khí đến thiết bị đo khí trước khi thoát ra môi trường. Để tăng hiệu quả tiếp xúc giữa nước thải và hệ bùn sinh học, bơm tuần hoàn nước thải (4) được bố trí để bơm nước thải phía trên thiết bị tuần hoàn trở lại đáy thiết bị (thông qua ống cấp nước thải) nhằm tăng tốc độ dâng. Lớp bùn được giữ ở trạng thái lơ lửng trong thiết bị nhờ khí thoát ra từ quá trình phân hủy và dòng nước dâng từ đáy lên đỉnh thiết bị (dòng nước thải vào và nước thải tuần hoàn). Để tránh hiện tượng bí đọng khí (khí không thoát ra được) do sự hình thành lớp váng phía trên vùng phản ứng (I), bơm phá váng (5) được sử dụng để phá váng hình thành phía trên vùng phản ứng (I) bằng cách bơm nước thải ở phần trên vùng (I) dội vào lớp váng.

Chế độ thí nghiệm

Thiết bị EGSB được khởi động trong khoảng 90 ngày với OLR khoảng 2,9 - 8.0 kg COD/m3ngày. Sau khi đạt trạng thái ổn định tiến hành thí nghiệm với các điều kiện và chế độ thí nghiệm nghiên cứu. Trong suốt thời gian thí nghiệm, bùn trong thiết bị được duy trì, không rút bùn, ngoại trừ một phần bùn bị nổi và thoát ra ngoài theo nước thải ra. Các chế độ thí nghiệm như sau:

Phương pháp phân tích

COD, BOD được xác định theo TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989), TCVN 6001-1:2008 (ISO 5815-1:2003).

Kết quả và thảo luận

Để đánh giá khả năng xử lý COD và tính ổn định của thiết bị EGSB, hiệu quả xử lý COD đã được khảo sát ở các chế độ OLR thay đổi, từ 7,7 ± 0,3 kg COD/m3ngày đến 19,0 ± 0,9 kg COD/m3ngày. Hiệu suất xử lý COD được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2: Hiệu suất xử lý COD của thiết bị EGSB 

Kết quả tại Hình 2 cho thấy, hiệu suất xử lý COD khá ổn định trong các chế độ thí nghiệm và có xu hướng giảm trong những ngày đầu tăng OLR, nhưng sau đó nhanh chóng ổn định tại mỗi chế độ thí nghiệm (khoảng 5 ngày). Đặc biệt, khi chuyển từ chế độ (II) sang chế độ (III) với mức tăng OLR khá lớn (từ 11,3 lên 17,7 kg COD/m3ngày), hiệu suất xử lý giảm mạnh, sau đó tăng dần nhưng khá chậm. Nồng độ bùn trong thiết bị ở giai đoạn này chưa cao, nên ảnh hưởng của OLR là rất rõ ràng. Hiệu suất xử lý COD trung bình của các chế độ thí nghiệm từ (I) đến (V) đều trên 80%. Tại mức OLR 19 ± 0,9 kg COD/m3ngày hiệu suất xử lý trung bình đạt 82,5 ± 1,3%. Mặc dù hiệu suất xử lý có giảm hơn so với tại mức OLR 7,7 ± 0,3 và 10,8 ± 0,6 kg COD/m3ngày, nhưng đây cũng là mức tương đối cao. Giá trị COD nước thải đầu ra của các chế độ thí nghiệm từ (I) đến (V) lần lượt như sau: 504 ± 21 mg/L; 733 ± 38 mg/L; 1.246 ± 169 mg/L; 1.150 ± 85 mg/L; và 615 ± 62 mg/L.

Hình 3. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý COD và OLR của thiết bị EGSB  

Hình 3, thể hiện mối quan hệ giữa OLR và hiệu suất xử lý COD. Kết quả thu được cho thấy, hiệu suất xử lý COD có xu hướng giảm nhẹ khi tăng OLR. Tại mức OLR 7,7 ± 0,3 kg COD/m3ngày hiệu suất xử lý tương đối cao và ổn định ở mức trung bình trên 85%. Với mức OLR 10 - 12 kg COD/m3ngày, hiệu suất xử lý COD vẫn ổn định và đạt mức trung bình trên 80%. Tại mức OLR cao 16 - 20 kg COD/m3ngày, hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 70 - 80%, tuy nhiên đã có biên độ dao động xung quanh giá trị trung bình lớn hơn so với các chế độ tải trọng thấp hơn. Điều này cho thấy, với mức OLR>16 kg COD/m3ngày, hiệu suất xử lý COD của hệ thống EGSB bắt đầu nhạy cảm hơn với sự thay đổi OLR. Tuy nhiên, kết quả cũng chỉ ra rằng hiệu suất xử lý COD chỉ bị ảnh hưởng khi tăng đột ngột OLR, nhưng sau thời gian khoảng 5 ngày, hệ thống dần phục hồi và hiệu suất xử lý COD trở nên ổn định. Kết quả này cho thấy, đối với nước thải chế biến CSTN, hệ thống EGSB có khả năng hoạt động ổn định ở mức OLR đến 20 kg COD/m3ngày ngay ở điều kiện nhiệt độ thường.

Tốc độ xử lý COD thể hiện trong Hình 4, kết quả cho thấy, tốc độ xử lý COD tăng tuyến tính với OLR, đạt trung bình cao nhất là 15,7 ± 0,9 kg COD/m3ngày tại mức OLR 19,0 ± 0,9 kg COD/m3ngày, tương ứng với hiệu suất xử lý COD đạt 82,5 ± 1,3%.

Hình 4: Tốc độ xử lý COD của thiết bị EGSB ở các chế độ OLR khác nhau trong giai đoạn vận hành ổn định

Kết luận

Qua nghiên cứu này cho thấy, thiết bị EGSB hoạt động ổn định trong khoảng tải trọng nghiên cứu 7 -20 kg COD/m3ngày với hiệu suất xử lý COD trung bình là trên 80%. Hiệu suất xử lý COD của thiết bị có xu hướng giảm nhẹ khi tăng OLR. Giá trị COD trong nước thải đầu ra của các chế độ thí nghiệm với mức OLR (kg COD/m3ngày) 7,7 ± 0,3; 11,3 ± 0,3; 17,7 ± 0,8; và 19,0 ± 0,9 lần lượt là: 504 ± 21 mg/L; 733 ± 38 mg/L; 1.246 ± 169 mg/L; và 1.150 ± 85 mg/L. Đây là các giá trị COD tương đối cao so với QCVN 01-MT:2015/BTNMT, cần thiết thực hiện các biện pháp xử lý tiếp theo trước khi thải ra môi trường.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong khuôn khổ Nhiệm vụ thuộc Chương trình Sự nghiệp môi trường mã số: UQSNMT.01/19-20. Các tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của các đồng nghiệp tại Viện Khoa học vật liệu và Viện Công nghệ môi trường trong quá trình thực hiện nghiên cứu.

Tài liệu tham khảo

1. Trần Thị Thúy Hoa. Tổng quan yêu cầu phát triển bền vững đối với ngành cao su thế giới và Việt Nam. Hội thảo tập huấn Giảm thiểu rủi ro môi trường - xã hội cho doanh nghiệp đầu tư cao su trong tiểu vùng Mê Koong, 2017;

2. J.B.V. Lier, N. Mahmoud, and G. Zeeman, Biological Wastewater Treatment: Principles Modelling and Disign. Chapter 16: Anaerobic Wastewater Treatment. IWA Publishing, 2008, London, UK;

3. Dương Văn Nam, Luận án tiến sĩ Kỹ thuật môi trường. Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2020;

4. Tôn Thất Lãng, Kết nối hệ thống EGSB - bùn hoạt tính - lọc để xử lý nước thải dệt nhuộm. Tạp chí Khí tượng thủy văn, 2006, 1, 39-45;

5. Vu Dinh Khang and Nguyen Tan Phong, Research on Wastewater Treatment by Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) Reactor using Polyvinyl Alcohol (PVA) Carier. International Journal of Biological Sciences and Engineering, 2012, 3 (2), 66-70.

DƯƠNG VĂN NAM, LÊ THỊ HẢI NINH, NGUYỄN ĐỨC NÚI

Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam