Xác định các thông số động học của vi sinh vật trong mô hình bể bùn hoạt tính dòng chảy liên tục xử lý nước thải chế biến thủy sản - lê Thị Cẩm Chi

An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 20 (2), 90 – 96 90 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA VI SINH VẬT TRONG MÔ HÌNH BỂ BÙN HOẠT TÍNH DÒNG CHẢY LIÊN TỤC XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN Lê Thị Cẩm Chi1, Trương Khanh Nhật Thảo1, Thái Vân Anh2 1Trường Đại học An Giang 2Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh Thông tin chung: Ngày nhận bài: 21/04/2018 Ngày nhận kết quả bình duyệt: 04/06/2018 Ngày chấp nhận đăng: 06/2018 Title: Detemination of kinetic coefficients through lab-scale continuous-flow activated sludge reactor for aqua product wastewater treatment Keywords: Continuous-flow activated sludge reactor, kinetic coefficients Từ khóa: Bể bùn hoạt tính dòng chảy liên tục, thông số động học ABSTRACT The aqua product industry is becoming increasingly developed in our country. As a result, a large amount of wastewater is created as well as activated sludge process is widely used for treating this wastewater. Thus, it is essential to conduct a research on “Detemination of kinetic coefficients through lab-scale continuous-flow activated sludge reactor for aqua product wastewater treatment”, such as maximum specific substrate utilization rate (k), half-velocity constant (Ks), synthesis yield coefficient (Y), and endogenous decay coefficient (kd). The lab-scale continuous-flow activated sludge reactor for aqua product wastewater treatment was started with hydraulic detention times: 5.4; 6.0; 6.7; 8.2 hours and sludge is returned 100%. After running the lab-scale reactor: maximum specific substrate utilization rate (k): 1.429 d-1, half-velocity constant Ks: 119 mgBOD/L, synthesis yield coefficient Y: 0.5382 mgVSS/mgBOD, endogenous decay coefficient kd: 0.0973 d-1. TÓM TẮT Ngành chế biến thủy sản ngày càng phát triển ở nước ta. Vì vậy, nó sinh ra một lượng lớn nước thải, quá trình bùn hoạt tính được sử dụng phổ biến ở các trạm xử lý nước thải này. Do vậy, cần xác định các thông số động học trong mô hình bể bùn hoạt tính dòng chảy liên tục xử lý nước thải chế biến thủy sản như hệ số sử dụng chất nền tối đa (k), hằng số bán vận tốc (Ks), hệ số năng suất tối đa (Y), hệ số phân hủy nội bào (kd). Chạy thí nghiệm mô hình bể bùn hoạt tính với các thời gian lưu nước: 5,4; 6,0; 6,7; 8,2 giờ và bùn được tuần hoàn lại 100%. Sau quá trình chạy thí nghiệm, ta xác định được: k = 1,429 ngày-1, Ks = 119 mgBOD/L, Y = 0,5382 mgVSS/mgBOD, kd = 0,0973 ngày-1. 1. GIỚI THIỆU Ngành chế biến thuỷ sản là ngành tiêu thụ nhiều nước nhất trong công nghiệp dao động từ 40 đến 114 m3/tấn thành phẩm, lượng nước thải trung bình là 70 đến 120 m3 nước thải/tấn sản phẩm và gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng (Nguyễn Trọng Lực, 2008). Ngành chế biến thủy sản đang phát triển mạnh ở nước ta mà đặc biệt là ở An Giang nên phát sinh một lượng lớn nước thải chế biến thủy sản cần xử lý. Thành phần của nước thải An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 20 (2), 90 – 96 91 phát sinh từ ngành công nghiệp chế biến thủy sản chủ yếu là các chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và dầu mỡ nên hệ thống xử lý loại nước thải này thường có các công trình xử lý bằng phương pháp sinh học mà thường là bể bùn hoạt tính. Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thực hiện ở Anh từ năm 1914, đã được duy trì và phát triển đến nay, với phạm vi ứng dụng rộng rãi xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Quá trình bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó nồng độ cao của vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải (Nguyễn Văn Phước, 2007). Hiệu suất của quá trình sinh học được sử dụng cho xử lý nước thải phụ thuộc động học sử dụng cơ chất và sự phát triển của vi khuẩn (Tchobanoglous, Burton, Stensel, 2003). Theo Đỗ Thị Viên (2005), kết quả thí nghiệm xác định các thông số động học của vi sinh vật trong bể bùn hoạt tính chạy theo dạng mẻ xử lý nước thải chế biến thực phẩm là tốc độ sử dụng chất nền tối đa k = 2,088 ngày-1, hằng số bán tốc độ Ks = 33,226 mg/L, hệ số phân hủy nội bào kd = -0,0784 ngày-1, hệ số năng suất tối đa Y = 0,622 mg/mg. Để tính toán thiết kế và vận hành tốt bể bùn hoạt tính thì cần phải có thông số động học phù hợp với loại nước thải mà bể bùn hoạt tính xử lý. Chính vì vậy, đề tài “Xác định một số thông số động học của vi sinh vật trong mô hình bể bùn hoạt tính dòng chảy liên tục xử lý nước thải chế biến thủy sản” cần thiết được tiến hành nghiên cứu. Theo Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân (2006) có các phương trình động học như sau: 0 1 1 1 .s KX U S S k S k      Trong đó: U: tốc độ sử dụng cơ chất riêng (ngày) X: MLVSS trong ngăn thổi khí (mg/L) S0: BOD đầu vào (mg/L) S: BOD đầu ra (mg/L) θ: thời gian lưu nước của ngăn thổi khí (ngày) Ks: hằng số bán vận tốc (mg/L) k: hệ số sử dụng cơ chất tối đa (ngày-1) Ta có 1 su d c r Y k X    Trong đó: θc: thời gian lưu bùn (ngày) Y: hệ số năng suất tối đa (mg/mg) rsu: tốc độ sử dụng cơ chất (mg/L/ngày) kd: hệ số phân hủy nội bào (ngày-1) Do 0 su S S r     Nên 1 d c YU k    w V Xr c Q X Q Xr e e    Trong đó: Vr: thể tích ngăn thổi khí (L) X: MLVSS trong ngăn thổi khí (mg/L) Qw: lưu lượng bùn thải bỏ (L/ngày) Qe: lưu lượng đầu ra sau bể lắng (L/ngày) Xe: MLVSS trong nước đầu ra (mg/L) 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô hình nghiên cứu Hệ thống bùn hoạt tính dùng chạy thí nghiệm là bể (được làm bằng meca dày 3 mm) gồm 2 ngăn: - Ngăn thổi khí (bể aeroten) (có thể tích 4,9 lít) là vùng số 1 trên Hình 1a. - Ngăn lắng (có thể tích 3,4 lít) là vùng số 2 trên Hình 1a. An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 20 (2), 90 – 96 92 a) b) Hình 1. Mô hình nghiên cứu a) Sơ đồ mô hình bể bùn hoạt tính; b) Mô hình bể bùn hoạt tính tại Khu thí nghiệm Các máy móc, thiết bị sử dụng trong quá trình vận hành mô hình hệ thống bùn hoạt tính: - Bơm định lượng (Blue – White Industries, tốc độ tối đa 0,8 galon/giờ, điện thế 220 ~ 50Hz ~ 45W) - Máy thổi khí. (RAMBO Hi-tec & stil/powerful air pump, 220 đến 240 V/50 Hz, 5,6 W). 2.2 Nguyên liệu thí nghiệm và phương pháp phân tích các chỉ tiêu Nước thải dùng chạy thí nghiệm được lấy tại Công ty TNHH TMDV Giang Long tại Long Xuyên, An Giang. Nước thải lấy về phòng thí nghiệm được lọc qua vải để loại bỏ bớt cặn lơ lửng nhằm thỏa điều kiện nước thải trước khi vào bể bùn hoạt tính có SS < 150 mg/L. Sau đó, pha nước thải với nước máy theo tỉ lệ 1:1. Bùn hoạt tính được lấy từ bể aeroten của hệ thống xử lý nước thải ở Công ty Cổ phần Xuất nhập khẩu Thủy sản An Mỹ tại Phú Hòa, Thoại Sơn, An Giang. Bảng 1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu STT Thông số Phương pháp 1 BOD SMEWW 5210B:2012 2 SS, MLSS, MLVSS TCVN 6625:2000 3 DO Máy đo cầm tay 4 pH Máy đo để bàn 1 2 Nước thải đầu vào Nước thải đầu ra Bơm định lượng máy thổi khí An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 20 (2), 90 – 96 93 Chỉ số thể tích lắng của bùn: langV SVI MLSS  Trong đó: Vlang: thể tích lắng của bùn sau khi để hỗn hợp bùn hoạt tính từ bể aeroten cho vào ống đong 1 lít rồi để lắng trong 30 phút. 2.3 Tiến trình nghiên cứu Tiến trình nghiên cứu được thể hiện qua sơ đồ quy trình nghiên cứu như Hình 2. Mỗi thời gian lưu nước lấy mẫu 1 lần. Các số liệu thu thập được thống kê bằng phần mềm Excel. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chế độ vận hành Bùn hoạt tính lấy từ Công ty Cổ phần Xuất nhập khẩu Thủy sản An Mỹ tại Phú Hòa, Thoại Sơn, An Giang về Khu Thí nghiệm Trung tâm tiến hành nuôi ở dạng mẻ để chạy thích nghi với nước thải chế biến thủy sản lấy từ Công ty TNHH TMDV Giang Long. Sau 1 tuần chạy thích nghi, khi thấy SVI < 150 mL/g thì xem như quá trình chạy thích nghi kết thúc vì bùn hoạt tính có SVI < 150 mL/g thì có khả năng lắng khá tốt (Sperling, Chernicharo, Andreoli, Fernandes, 2005). Bùn chạy thích nghi kết thúc thì cho bùn vào mô hình thí nghiệm chạy theo chế độ dòng chảy liên tục với thời gian lưu nước là 8,2 giờ. Trong quá trình vận hành ta kiểm soát pH, DO trong ngăn thổi khí mỗi ngày và SS đầu vào mỗi khi lọc nước thải bằng vải như Bảng 2. Xây dựng mô hình nghiên cứu Chạy thích nghi 1 tuần Vận hành mô hình với các thời gian lưu nước 8,2; 6,7; 6,0; 5,4 giờ. Phân tích BOD, SS đầu vào và đầu ra; MLSS, MLVSS tại ngăn thổi khí và đầu ra tại mỗi thời gian lưu nước Thống kê số liệu. Vẽ đường hồi quy tuyến tính xác định một số thông số động học của vi sinh vật k, Ks, Y, kd Hình 2. Sơ đồ quy trình nghiên cứu An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 20 (2), 90 – 96 94 Bảng 2. Các thông số kiểm soát trong quá trình vận hành mô hình nghiên cứu STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 pH 6,5 ÷ 7,5 2 DO mg/L > 2 3 SS đầu vào mg/L < 150 Sau 2 ngày chạy với thời gian lưu nước 8,2 giờ thì tiến hành lấy mẫu xác định BOD, MLVSS, MLSS. Làm tương tự với các thời gian lưu nước: 6,7; 6,0; 5,4 giờ. Ở thời gian lưu nước sau cùng vẫn là ở mức 5,4 giờ mà chỉ thay đổi BOD của nước thải đầu vào và MLVSS trong bể aeroten. 3.2 Kết quả thí nghiệm Sau hơn 2 tháng chạy mô hình hệ thống bùn hoạt tính xử lý nước thải chế biến thủy sản với các thời gian lưu nước khác nhau ta có kết quả thí nghiệm như Bảng 3. Trong suốt quá trình vận hành bể bùn hoạt tính không có thải bỏ bùn tại ngăn lắng tuần hoàn bùn từ ngăn lắng về ngăn aeroten (bùn được tuần hoàn lại 100%). Bảng 3. Kết quả vận hành mô hình hệ thống bùn hoạt tính xử lý nước thải thủy sản STT Q (L/ngày) BOD vào (S0) (mg/L) BOD ra (S) (mg/L) X (mg/L) Xe (mg/L) SS vào (mg/L) SS ra (mg/L) θ (giờ) 1 14,4 221 36 1650 38 124 42 8,2 2 17,6 234 20 3750 20 68 22 6,7 3 19,7 156 35 1580 30 128 32 6,0 4 21,6 201 38 1900 40 152 41 5,4 5 21,6 252 60 1820 68 142 72 5,4 Qua kết quả ở Bảng 3 cho ta thấy, nước thải đầu vào thường có SS < 150 mg/L nên thỏa yêu cầu nước thải đầu vào bể bùn hoạt tính và không ảnh hưởng đến quá trình vận hành hệ thống bùn hoạt tính, hiệu suất xử lý BOD của mô hình thí nghiệm đạt thấp nhất từ 76,2% ứng với thời gian lưu nước 5,4 giờ đến cao nhất là 91,5% ở thời gian lưu nước 6,7 giờ. Ở thời gian lưu nước 8,2 giờ thì hiệu suất xử lý BOD là 83,7% thấp hơn hiệu suất xử lý ở thời gian lưu nước 6,7 giờ. Điều này là do thời gian lưu nước cao nên không đủ thức ăn cho vi sinh vật sử dụng cho nhu cầu sinh trưởng và phát triển của tế bào. Từ kết quả Bảng 3 thì tính được tuổi của bùn (θc), tốc độ sử dụng chất nền (U), 1/U, 1/θc, 1/S như Bảng 4. Bảng 4. Số liệu tính toán cho thí nghiệm xác định các thông số động học STT θc (ngày) 1/θc (ngày-1) U (ngày-1) 1/U (ngày) 1/S (mg/L)-1 1 14,775 0,068 0,329 3,035 0,028 2 52,202 0,019 0,205 4,879 0,050 3 13,100 0,076 0,308 3,248 0,029 4 10,775 0,093 0,378 2,644 0,026 5 6,072 0,165 0,465 2,150 0,017 An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 20 (2), 90 – 96 95 Từ số liệu Bảng 4, ta vẽ biểu đồ như Biểu đồ 1 biểu diễn sự biến thiên của 1/U theo 1/S rồi vẽ đường hồi quy tuyến tính có dạng y = ax + b để xác định hệ số sử dụng chất nền tối đa (k) và hằng số bán vận tốc (Ks) theo phương trình 0 1 1 1 .S KX U S S k S k      . Biểu đồ 1. Đồ thị biểu diễn biến thiên của 1/U theo 1/S Từ đồ thị Hình 3 ta có: 1 0,6996 k  Suy ra k = 1,429 ngày-1 Hệ số góc của đường thẳng: 83, 425S K a k   Ks = 119 mg/L Từ số liệu Bảng 4 ta vẽ biểu đồ như Biểu đồ 2 biểu diễn sự biến thiên của 1/θc theo U rồi vẽ đường hồi quy tuyến tính có dạng y = ax + b để xác định hệ số phân hủy nội bào (kd) và hệ số năng suất tối đa (Y) theo mối quan hệ 1 d c YU k    . Biểu đồ 2. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của 1/θc theo U 0,005 0,003 0,003 0,003 0,002 y = 83,425x + 0,6996 R² = 0,9779 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 y = 0,5382x - 0,0973 R² = 0,9487 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,001 X = 1/S (1/mg/L) X = U (ngày-1) Y = 1 /θ c (n g ày -1 ) Y = 1 /U ( n g ày ) An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 20 (2), 90 – 96 96 Từ Biểu đồ 2 ta có: kd = 0,0973 ngày-1. Hệ số góc: a= Y = 0,5382 mg/mg. Giá trị của hệ số phân hủy nội bào (kd) và hệ số năng suất tối đa (Y) nằm trong khoảng giá trị đặc trưng như trong Bảng 4 trong quá trình bùn hoạt tính xử lý nước thải sinh hoạt. 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau 2 tháng chạy mô hình hệ thống bùn hoạt tính xử lý nước thải chế biến thủy sản ở các thời gian lưu nước: 5,4 giờ; 6,0 giờ; 6,7 giờ; 8,2 giờ với điều kiện nhiệt độ 27 oC – 29 oC, pH của nước thải đầu vào trong khoảng 6,5 – 7,5 đề tài đã xác định được các thông số động học của vi sinh vật trong hệ thống ở chế độ dòng chảy liên tục như sau: Hệ số sử dụng chất nền tối đa k: 1,429 ngày-1. Hằng số bán vận tốc Ks: 119 mgBOD/L. Hệ số năng suất tối đa Y: 0,5382 mgVSS/mgBOD. Hệ số phân hủy nội bào kd: 0,0973 ngày-1. Trong các nghiên cứu tiếp theo nên xác định hàm lượng nitơ, photpho để điều chỉnh tỉ lệ BOD:N:P thích hợp cho vi sinh phát triển tốt. TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Thị Viên. (2005). Xác định một số thông số động học của vi sinh vật trong bể bùn hoạt tính. Luận văn Đại học ngành Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Cần Thơ. Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân. (2006). Xử lý nước thải đô thị & công nghiệp – Tính toán thiết kế công trình. Hồ Chí Minh: Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Nguyễn Trọng Lực. (2008). Nghiên cứu quá trình nitrat hoá của bùn hạt hiếu khí. Luận văn Thạc sĩ ngành Công nghệ Môi trường. Hồ Chí Minh: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa. Nguyễn Văn Phước. (2007). Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học. Hà Nội: Nhà xuất bản Xây dựng. Sperling, M.V., Chernicharo, C.A.D.L., Andreoli, C.V., Fernandes, F. (2005). Biological wastewater treatment in warm climate regions. London: IWA. Tchobanoglous, G., Burton, F.L., Stensel, H.D. (2003). Wastewater engineering treatment and reuse. McGraw-Hill.