Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn bằng hệ thống liên tục với thiết bị kỵ khí dạng uasb nối tiếp bởi thiết bị nấm men hiếu khí dạng FBR

Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.T.K. Giang, , “Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn nấm men hiếu khí dạng FBR.” 164 XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỮU CƠ NHIỄM MẶN BẰNG HỆ THỐNG LIÊN TỤC VỚI THIẾT BỊ KỴ KHÍ DẠNG UASB NỐI TIẾP BỞI THIẾT BỊ NẤM MEN HIẾU KHÍ DẠNG FBR Lương Thị Kim Giang1, Nguyễn Quốc Tuyên2, Ngô Văn Thanh Huy2, Trần Minh Chí 2* Tóm tắt: Sinh khối vi khuẩn kỵ khí và sinh khối nấm men chịu mặn được phân lập từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến hải sản, được làm giàu, thích nghi với các độ mặn từ 5 đến 30 g/l NaCl và thử nghiệm khả năng phân hủy hữu cơ trong các thí nghiệm mẻ [6]. Sau đó, sinh khối này được sử dụng trong hệ thống thiết bị UASB với tải trọng hữu cơ từ 1.0 - 1.5 kgCOD/l.ngày, nối tiếp với thiết bị nấm men hiếu khí dạng FBR để xử lý nước thải mô phỏng ở các độ mặn lần lượt 20, 25 và 30 g/L NaCl. Thí nghiệm được thực hiện trong 2 trường hợp: i) thiết bị UASB có dung dịch đệm NaHCO3 và nước thải sau UASB được điều chỉnh pH tới 3,5 trước khi vào thiết bị nấm men và ii) cả hai thiết bị UASB và nấm men không điều chỉnh pH. Thời gian thích nghi với độ mặn cao kéo dài từ 20 - 40 ngày. Khi có điều chỉnh pH, tổng hiệu quả loại COD ở độ mặn 30g/lNaCl, đạt 95%, cao hơn đáng kể so với trường hợp không điều chỉnh pH (80%). Tuy nhiên, hiệu quả loại COD ở thiết bị UASB rất khác biệt: 71% so với 19%, còn ở thiết bị nấm men khác biệt thấp hơn, chỉ khoảng 10%) Từ khóa: Nhiễm mặn, Vi khuẩn, Kỵ khí, Nấm men, Hiếu khí 1. GIỚI THIỆU Nước thải hữu cơ có nồng độ muối cao hay nước thải nhiễm mặn phát sinh từ nhiều nguồn: nước thải sinh hoạt, chăn nuôi và sản xuất công nghiệp. Ngoài các đặc trưng COD, NH4-N , nồng độ NaCl có thể dao động trong khoảng từ 5g/L đến hơn 30 g/L. Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn bằng phương pháp sinh học truyền thống gặp nhiều khó khăn vì sự có mặt của NaCl gây ức chế khả năng hoạt động của vi sinh vật (VSV)[1]. Do đó, việc sử dụng VSV ưa mặn/chịu mặn để xử lý nước thải dạng này là một giải pháp cần nghiên cứu. Hệ thống kỵ khí có ưu điểm nổi bật là khả năng xử lý chất ô nhiễm với nồng độ cao và nhu cầu năng lượng thấp. Kapdan, I. K. và B. Erten đã sử dụng VSV chịu mặn Halanaerobium lacusrosei với mô hình UAPB để loại bỏ COD có giá trị đầu vào từ 1900 – 3400 mg/L và độ mặn 3%. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý COD đạt 60 – 80% và tối đa lên đến 94% [2]. Tại Việt Nam, một số chủng VSV kỵ khí chịu mặn đã được phân loại và xác định [3]. Trong điều kiện hiếu khí, nhiều chủng vi khuẩn thuần như Zooglea ramigera, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus flexus, Exiguobacterium homiense và Staphylococcus aureus đã được sử dụng và hiệu quả loại COD đạt từ 70 – 85% với giá trị COD đầu vào từ 200 – 2000 mg/L và nồng độ muối 5- 25 g/L [4]. Nấm men đã được phân lập và ở độ mặn lên đến 32 g/L, COD đầu vào 5.000 mg/l, hiệu quả xử lý COD lên đến hơn 90% bằng công nghệ màng sinh học MBR [5]. Trong nước, nấm men Candida sp. YH đã được phân lập, làm giàu và thử nghiệm ở dạng mẻ, cho hiệu quả xử lý COD có thể đạt tới 90 – 96% với giá trị COD đầu vào 5.000 mg/L [6]. Bài báo này giới thiệu kết quả xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn bằng mô hình kết hợp giữa quá trình kỵ khí trong thiết bị dạng UASB nối tiếp bởi thiết bị nấm men dạng FBR hiếu khí, thông qua hiệu quả loại COD cũng như ảnh hưởng của pH đến quá trình xử lý nước thải hữu cơ có độ mặn cao (lên đến 30 g/L NaCl). Kết quả nghiên cứu này có thể góp Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 165 phần xây dựng cơ sở để ứng dụng xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn trong điều kiện thực tế, đáp ứng yêu cầu xử lý lượng nước thải hữu cơ nhiễm mặn xả ra ngày càng cao do dân số và quân số đồn trú ngày càng tăng, cùng với nhu cầu sử dụng nước ngày càng nhiều và sự khan hiếm nước ngọt trên các đảo hiện nay. 2. VẬT LIỆU, MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP Nước thải nhân tạo được sử dụng trong thí nghiệm có thành phần gồm: 1.200 mg/l NH4Cl, 500 mg/l KH2PO4, 400 mg/l MgSO4.7H2O, 50 mg/l CaCl2; 40 mg/l FeCl2; 5 mg/l NH4Mo4.4H2O; 0,2 mg/l CuSO4 và 10 mg/l CoCl2 và nồng độ muối NaCl thay đổi từ 20 – 30 g/l. Glucose được sử dụng như nguồn cacbon và có giá trị 1.500 mg/l [6]. Sinh khối chứa vi khuẩn kỵ khí Desulfovibrio sp. BH sử dụng trong mô hình UASB, nấm men Candida sp. YH sử dụng trong mô hình FBR được phân lập trong mô hình thí nghiệm mẻ quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Nhiệt đới Môi trường.[6] pH được đo bằng máy đo pH cầm tay Hach Sension pH1, USA. COD được phân tích bằng phương pháp so màu hồi lưu kín 5220D – Standard Method [7] trên thiết bị Hach Model DR/2010, USA. HgSO4 được thêm vào mẫu để loại bỏ sự ảnh hưởng của Cl - đến phép đo [8] Hình 1. Mô hình thí nghiệm liên tục vi khuẩn kỵ khí hết hợp nấm men. Mô hình thí nghiệm như Hình 1 gồm một thiết bị kỵ khí UASB có thể tích làm việc 5L được kết nối với thiết bị hiếu khí FBR hai ngăn với dung tích làm việc mỗi ngăn là 5L. Nước thải và dinh dưỡng được bơm liên tục vào bể UASB chứa sinh khối kỵ khí và từ đó chảy tràn qua ngăn thứ nhất của bể FBR sử dụng giá thể bằng vật liệu polyarcrylic dạng sợi, được sục khí liên tục. Sinh khối ở các thiết bị khi bắt đầu thí nghiệm là MLSS 1000mg/l. Tiếp theo, nước thải đi qua ngăn lắng. Tiến hành lấy mẫu nước thải đầu ra và phân tích định kỳ 3 lần/tuần tại bể UASB và sau ngăn lắng FBR để theo dõi hiệu quả xử lý của mô hình. Bảng 1. Thông số vận hành mô hình thí nghiệm. Thông số vận hành Bể UASB sử dụng dung dịch đệm Bể UASB không sử dụng dung dịch đệm Bể FBR pHvào 7,0 – 8,0 7,0 – 8,0 - NaCl (g/L) 20 – 25 – 30 20 – 25 – 30 20 – 25 – 30 COD inf (mg/L) 1.500 1.000 - Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.T.K. Giang, , “Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn nấm men hiếu khí dạng FBR.” 166 HRT (h) 27 – 30 27 – 30 27 – 30 Nhiệt độ (0C) 25 – 32 25 – 32 25 – 32 Chế độ vận hành Liên tục Liên tục Liên tục 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiệu quả loại COD của sinh khối kỵ khí trong thiết bị UASB Vì kết quả thí nghiệm mẻ cho thấy sinh khối kỵ khí thích nghi nhanh chóng tại các độ mặn muối thấp, thí nghiệm liên tục sẽ chỉ khảo sát từ độ mặn 20 g/L trở lên. 3.1.1. Trường hợp có sử dụng dung dịch đệm NaHCO3 Thiết bị UASB hoạt động với độ mặn 20, 25 và 30g/L trong vòng 120 ngày liên tục với pH 7,0 – 8,0 với NaHCO3 là dung dịch đệm. Giá trị pH đầu ra trung bình đạt từ 6,28 – 6,75. Bảng 2. Hiệu quả loại COD của thiết bị UASB sử dụng dung dịch đệm. Ngày thứ 1 – 30 31 – 60 61 – 80 81 – 120 Độ muối (g/L) 20 20 25 30 pH ra 6,75 6,52 6,28 6,66 COD vào (mg/L) 1493 1462 1509 1494 COD ra (mg/L) 779 692 588 430 Hiệu suất (%) 47,8 52,7 61,0 71,3 Với nồng độ muối 20 g/L, trong 30 ngày đầu tiên, hiệu quả loại COD đạt trung bình 47,8%. và tăng lên 52,7% trong 30 ngày tiếp theo. Độ mặn tăng lên 25 g/L trong 20 ngày tiếp theo với hiệu quả loại COD đạt 61% và ở độ mặn 30 g/L trong suốt 40 ngày cho đến khi kết thúc thí nghiệm, hiệu quả loại COD đạt 71,3%. 3.1.2. Trường hợp không sử dụng dung dịch đệm NaHCO3 Thiết bị UASB hoạt động với các độ mặn 20, 25 và 20g/L trong vòng 120 ngày liên tục với pH không điều chỉnh, ổn định trong khoảng 4,40 – 4,94. Trong 60 ngày đầu tiên với nồng độ muối 20 g/L, hiệu quả loại COD đạt trung bình 31,6% trong 30 ngày đầu và giảm xuống 13,26% trong 30 ngày tiếp theo. Trong suốt 60 ngày tiếp theo, khi nồng độ muối tăng lên 25 g/L, hiệu quả loại COD đạt 18,66% và không thay đổi đáng kể với chỉ 19,02% khi độ độ mặn đạt 30 g/L,. Như vậy, hiệu quả loại COD của thiết bị khi không có dung dịch đệm giảm đáng kể do quá trình axit hóa chiếm ưu thế, ức chế khả năng sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn. Bảng 3. Hiệu quả loại COD của vi khuẩn kỵ khi không sử dụng dung dịch đệm. Ngày thứ 1 – 30 31 – 60 61 – 80 81 – 120 Độ muối (g/L) 20 20 25 30 pH ra 4,40 4,49 4,65 4,94 COD vào (mg/L) 999 1007 1091 1017 COD ra (mg/L) 680 872 889 827 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 167 Hiệu suất (%) 31,6 13,26 18,66 19,02 3.2. Hiệu quả xử lý COD của thiết bị nấm men FBR hiếu khí 3.2.1. Trường hợp có sử dụng dung dịch đệm NaHCO3 Nước đầu ra tại cột UASB có sử dụng dung dịch đệm được chảy qua thiết bị FBR chứa nấm men và vận hành liên tục trong 120 ngày. Tại đây với nồng độ muối 20 g/L, hiệu quả loại COD bắt đầu tăng dần, khá ổn định đạt giá trị trung bình khoảng 68%.. Tiếp tục tăng nồng độ muối lên đến 25 g/L, hiệu quả loại COD vẫn ổn định ở mức 70% trước khi tăng nồng muối lên 30 g/L. Tại nồng độ muối này, hiệu quả loại COD tăng dần và đạt trung bình khoảng 77%. Bảng 4. Hiệu quả loại COD của thiết bị nấm men FBR khi có sử dụng dung dịch đệm. Ngày thứ 1 – 30 31 – 60 61 – 80 81 – 100 101 – 120 Độ muối (g/L) 20 20 25 30 30 pH vào 6,75 6,52 6,30 6,6 6,7 pH ra 6,12 5,89 5,17 5,3 5,8 COD vào (mg/L) 779 692 588 469 381 COD ra (mg/L) 241 225 174 127 85 Hiệu suất (%) 68,9 66,7 70,3 72,1 77,5 3.2.2. Trường hợp không sử dụng dung dịch đệm NaHCO3 Tại bể FBR với nồng độ muối 20 g/L, hiệu quả loại COD bắt đầu tăng dần, khá ổn định đạt giá trị trung bình khoảng 70 %. Tiếp tục tăng nồng độ muối lên đến 25 g/L, hiệu quả loại COD trong giai đoạn này vẫn giữ ổn định và giảm nhẹ hiệu quả loại COD, trung bình đạt ổn định ở mức 71,9% trước khi tăng nồng muối lên 30 g/L. Tại nồng độ muối này, hiệu quả loại COD tăng dần và đạt trung bình khoảng 72,9% theo như Bảng 5 dưới đây: Bảng 5. Hiệu quả loại COD của thiết bị nấm men FBR khi không sử dụng dung dịch đệm. Ngày thứ 1 – 30 31 – 60 61 – 80 81 – 100 101 – 120 Độ muối (g/L) 20 20 25 30 30 pH vào 4,40 4,49 4,65 4,81 5,09 pH ra 6,04 4,50 3,38 3,44 4,35 COD vào (mg/L) 680 872 889 917 718 COD ra (mg/L) 195 293 250 246 194 Hiệu suất (%) 71,2 66,7 71,9 73,2 72,9 3.3. Đánh giá hiệu quả loại COD của toàn quá trình xử lý kết hợp Trong trường hợp không sử dụng dung dịch đệm, tại nồng độ muối 20 g/L, hiệu quả loại COD đạt trên 80% trong 20 ngày đầu tiên và giảm dần xuống 70%. Tuy nhiên khi tăng nồng độ muối lên 25 g/L, hiệu quả loại COD tăng và ổn định khoảng 80% cho đến Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.T.K. Giang, , “Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn nấm men hiếu khí dạng FBR.” 168 khi kết thúc thí nghiệm với nồng độ muối 30 g/L, do sinh khối kỵ khí đã thích nghi tốt với độ mặn cao. Hình 3. Hiệu quả loại COD của toàn quá trình xử lý kết hợp giữa vi khuẩn kỵ khí và nấm men. Khi sử dụng dung dịch đệm để ổn định pH, hiệu quả loại COD cao hơn rõ rệt. Trong 60 ngày đầu với nồng độ muối 20 g/L, hiệu quả loại COD đạt trung bình trên 80%, tăng lên khoảng 90% mặc dù nồng độ muối tăng lên 25 g/L trong 20 ngày tiếp theo và tiếp tục tăng khi nồng độ muối tăng lên 30 g/L , ổn định tại khoảng 95% cho đến khi kết thúc thí nghiệm. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu cho mô hình kết hợp giữa quá trình kỵ khí trong thiết bị dạng UASB và quá trình hiếu khí sử dụng nấm men trong thiết bị dạng FBR có hiệu quả loại COD trung bình toàn hệ đạt 95% và đạt khoảng 80%, với độ mặn cao lên đến 30 g/L, tương ứng với trường hợp có sử dụng dung dịch đệm và không sử dụng dung dịch đệm. Sự khác biệt về hiệu quả xử lý COD trong hai trường hợp chủ yếu xảy ra ở thiết bị UASB, với hiệu quả loại COD trung bình tại độ mặn 30 g/L lần lượt là 71,3% trong trường hợp có sử dụng dung dịch đệm so với 19% khi không có sự điều chỉnh pH. Ở thiết bị nấm men khác biệt không lớn, chỉ 77,5% và 72,9%, tại độ mặn cao nhất là 30g/L. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn Viện Khoa học Công nghệ quân sự đã cung cấp kinh phí cho đề tài Công nghệ nền “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh để xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn”, thực hiện từ 01/2014 đến 01/2016. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Sivaprakasam, S., S. Mahadevan, S. Sekar and S. Rajakumar (2008). "Biological treatment of tannery wastewater by using salt-tolerant bacterial strains." Microbial Cell Factories7(1): 1-7. [2]. Kapdan, I. K.; Erten, B., “Anaerobic treatment of saline wastewater by Halanaerobium lacusrosei”. Process Biochemistry 2007,42 (3), 449-453. [3]. Nguyễn Thị Tâm Thư, Nguyễn Thị Nhung, Bùi Thu Hà. “Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến hoạt tính proteinnaza của chủng vi sinh vật chịu mặn P3”. Tạp chí Nghiên cứu KHCN Quân sự, số 6, 04 – 2010, t. 76 – 82 (b) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 Không dung dịch đệm Có dung dịch đệm Độ muối Hiệu suất,% NaCl, g/L Ngà y Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 169 [4]. Mancini, G., S. Cappello, M. M. Yakimov, A. Polizzi and M. Torregrossa (2012). "Biological approaches to the treatment of saline oily waste (waters) originated from marine transportation." Chemical Engineering Transaction 27.. [5]. Dan N.P. 2001. “Biological treatment of high salinity wastewater using yeast and bacterial systems”. PhD thesis, AIT, Bangkok, Thailand [6]. Lương Thị Kim Giang, Ngô Văn Thanh Huy, Trần Minh Chí (2015). “Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn bằng nấm men trong các thí nghiệm mẻ”. Tạp chí Nghiên cứu KHCN Quân sự (ISSN 1859:1043), 12 -2015, tr.130 – 135. [7]. Clesceri, L. S.; Greenberg, A. E.; Eaton, A. D., “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater”, 20th Edition. APHA American Public Health Association: 1998. [8]. I. Vyrides, D.C. Stuckey (2009). “A modified method for the determination of chemical oxygen demand (COD) for samples with high salinity and low organics.” Bioresource Technology, Vol 100 (2): 979-982. ABSTRACT SALINE WASTEWATER TREATMENT USING CONTINUOUS EXPERIMENT IN COMBINED UASB AND YEAS T REACTOR OF FBR TYPE Halotolerant anaerobes and yeast separated from sludge of the WWTP of a seafood processing factory and then enriched and adapted to salinities increased from 5 to 30 g/l NaCl and tested for degradability of organic compounds in batch experiments (7) were inoculated into a system of UASB at OLR 1.0 – 1.5 kgCOD/l.day, HRT 24h,followed by an yeast reactor type aerobic FBR, HRT 24h to treat synthetic wastewaterin two cases i) UASB was buffered with NaHCO3 solution and the effluent pH was decreased to 3.5 before entering the FBR and ii) both UASB and FBR were not adjusted in pH during the entire experiment. Adaptation to higher salinities took 20 – 40 days and when pH was adjusted, the total COD removal efficiency at 30g/l NaCl reached 95%, much higher compared to that (80%) when pH was not regulated. However the difference in COD removal occurred rather immensely in the UASB: 71% compared to 19%, while that of the FBR it was much only around 10% Keywords: Salinity, Halotolerant bacteria, Yeast, Organic loading rate, UASB, FBR Nhận bài ngày 13 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày 22 tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 4 năm 2016 Địa chỉ: 1 Khoa Môi trường, ĐH Khoa học tự nhiên HCM; 2 Viện Nhiệt đới môi trường, Viện KHCNQS; * Email: tranminhchi57@gmail.com.