Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012

160 � TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG

KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC

XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN CHITIN BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC TẦNG CHUYỂN ĐỘNG KẾT HỢP

VỚI BỂ ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO

CHITIN PROCESSING WASTEWATER TREATMENT BY MOVING BED BIOFILM RE-ACTOR COMBINED WITH CONSTRUCTED WETLAND

Phạm Đình Hải1, Lê Hoàng Nghiêm2, Trang Sĩ Trung3

Ngày nhận bài: 16/01/2012; Ngày phản biện thông qua: 05/06/2012; Ngày duyệt đăng: 10/06/2012

TÓM TẮTNước thải từ công nghệ sản xuất chitin sau khi đã thu hồi protein được nghiên cứu xử lý bằng phương pháp sinh học

áp dụng công nghệ màng sinh học tầng chuyển động (Moving Bed Bio-Reactor - MBBR) kết hợp với bể đất ngập nước kiến tạo (Constructed Wetland - CW). Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian cần thiết để màng sinh học hình thành và phát triển ổn định trên giá thể động trong bể MBBR kỵ khí là 75 ngày và đối với bể MBBR hiếu khí là 60 ngày. Sau khi đạt trạng thái ổn định, hiệu quả xử lý của bể MBBR kỵ khí cao nhất ở tải trọng hữu cơ (OLR) là 7 kgCOD/m3ngày và COD trong nước thải đầu ra giảm còn 795 mg/L. Nồng độ COD đầu ra thấp nhất của nước thải sau khi xử lý bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí là 179 mg/L tương ứng với thời gian lưu nước (Hydraulic retention time - HRT) là 8 giờ. Tiếp theo nước thải được xử lý bậc hai bằng bể đất ngập nước kiết tạo với thời gian lưu nước 11 ngày để đạt được giá trị cho phép theo mức B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT.

Từ khóa: nước thải sản xuất chitin, xử lý sinh học, công nghệ MBBR, đất ngập nước kiến tạo.

ABSRACTChitin processing wastewater treated by Moving Bed Biofi lm Reactor technology (MBBR) combined with

Constructed Wetland was studied. Biofi lm growth reached stable state after 75 days and 60 days for the anaerobic MBBR tank and for aerobic MBBR tank, respectively. After reaching steady state, treatment effi ciency of the anaerobic MBBR tank highest rate of OLR = 7 kg COD/m3. day, and outlet COD reduced to 795 mg/L. The effective treatment of aerobic MBBR with the retention time (Hydraulic retention time - HRT) of 8 h was highest and the effl uent COD was 179 mg/L. Then the effl uent was fed to constructed wetland to remove the remaining COD and TN for 11 days, the fi nal effl uent from the system met the level B according to National Technical Regulations on Industrial Wastewater QCVN 40: 2011/BTNMT.

Keywords: Chitin processing wastewater, biological treatment, MBBR, constructed wetland.

1 Phạm Đình Hải: Lớp Cao học Công nghệ Sau thu hoạch 2009 - Trường Đại học Nha Trang2 TS. Lê Hoàng Nghiêm: Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Tp. Hồ Chí Minh3 PGS.TS. Trang Sĩ Trung: Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀCông nghệ chế biến chitin đang phát triển

mạnh ở Việt Nam do nguồn phế liệu vỏ tôm dồi dào, đặc biệt ở Đồng bằng Sông Cửu Long và các tỉnh duyên hải Nam Trung bộ. Trong quá trình sản xuất chitin bao gồm hai công đoạn chính là tách protein và tách khoáng ra khỏi phế liệu để thu nhận

chitin [1]. Hiện nay, protein và khoáng sau khi tách ra chưa được thu hồi mà đi vào trong nước thải nên nước thải chitin có nồng độ ô nhiễm hữu cơ và các chất dinh dưỡng (N, P) cao, nếu không được xử lý đúng mức thì sẽ gây ô nhiễm môi trường trầm trọng cho các nguồn tiếp nhận. Do đó việc nghiên cứu tìm ra công nghệ xử lý thích hợp cho loại nước

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG � 161

thải này và đạt yêu cầu của các quy chuẩn môi trường hiện hành là rất cần thiết.

Công nghệ màng sinh học tầng chuyển động (MBBR) đã được ứng dụng phổ biến trên thế giới để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau ở mức độ ô nhiễm cao, như nước thải nhà máy chế biến sữa [9], nước thải đô thị [8], nước thải các nhà máy chế biến thủy sản [2]. Ưu điểm của công nghệ MBBR này là tốc độ phản ứng phân hủy sinh học chất thải cao, vận hành ít phức tạp hơn so với quá trình bùn hoạt tính, có khả năng vận hành ở tải trọng cao. Công nghệ đất ngập nước kiến tạo đã được sử dụng để xử lý bậc hai nước thải sinh hoạt, đô thị hoặc để xử lý bậc ba (xử lý bổ sung) nước thải công nghiệp nhằm mục đích tái sử dụng nước thải [3,4, 6]. Trong nghiên cứu này, hiệ u quả xử lý nướ c thả i chế biế n chitin trên hệ thố ng mô hì nh thí nghiệ m gồ m bể MBBR kỵ khí nối tiếp với bể MBBR hiếu khí kết hợp với bể đất ngập nước kiến tạo được đánh giá.

II. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁPNGHIÊN CỨU

1. Nguyên vật liệuNước thải sử dụng để nghiên cứu là nước

thải từ công nghệ sản xuất chitin cải tiến từ phế liệu tôm sau khi đã thu hồi protein với các thông số dao động ở mức: nồng độ COD 6000 ± 200 mg/L, nồng độ BOD 4000 ± 100 mg/L, nitơ tổng số300 ± 10 mg/L. Giá thể sử dụng trong các bể MBBR cho nghiên cứ u nà y là giá thể Kaldnes loạ i K3 là m từ polyetylen, vớ i kí ch thướ c: đườ ng kí nh x chiề u dà i là 25mm x 10mm, diệ n tí ch bề mặ t hữ u í ch là 500 m2/m3, khối lượng riêng là0,16 kg/dm3. Bể đất ngập nước kiến tạo sử dụng cây sậy (Phragmites Australis) thu ở khu vực xã Suối Tiên, huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa.

2. Mô hình và phương pháp nghiên cứuHệ thống mô hình thí nghiệm bố trí trong

nghiên cứu này được trình bày trong Hình 1, bao gồm một bể MBBR kỵ khí nối tiếp sau đó là bể MBBR hiếu khí và cuối cùng là bể đất ngập nước kiến tạo. Các thông số thiết kế mô hình được trình bày ở Bảng 1. Thể tích giá thể K3 cho vào mỗi bể

MBBR là 60% thể tích nước trong bể [2, 7]. Bể đất ngập nước kiến tạo trồng sậy với mật độ 12 bụi/m2 [3, 4]. Các thiết bị cần thiết bao gồm: 1 máy bơm định lượng nước thải đầu vào, 1 môtơ khuấy trộn bể MBBR kỵ khí và 1 máy thổi khí vào bể MBBR hiếu khí. Hệ thống mô hình này được lắp đặt và vận hành tại Cơ sở Chế biến phế liệu thủy sản, huyện Cam Lâm, tỉnh Khánh Hòa.

Nước thải từ quá trình chế biến chitin của Cơ sở Chế biến phế liệu thủy sản Cam Lâm sau khi thu hồi protein (loại bỏ chất rắn lơ lững) được lấy và chứa ở thùng chứa nước thải thô. Sau khi điều chỉnh pH về khoảng 6,8 - 7,5 bằng dung dịch NaOH được bơm định lượng bơm vào bể MBBR kỵ khí từ dưới lên trên qua lớp giá thể động để chất hữu cơ được phân hủy kỵ khí do màng vi sinh vật bám dính trên giá thể động K3 trong bể này. Việc tăng các tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate - OLR) từ 3 lên 5, 7 và 9kgCOD/m3.ngày trong nghiên cứu được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tăng lưu lượng của bơm định lượng. Nước thải sau bể MBBR kỵ khí được tiếp tục dẫn vào bể MBBR hiếu khí với thời gian lưu nước lần lượt là 6, 8 và 10 giờ. Trong bể này phần chất ô nhiễm hữu cơ còn lại trong dòng nước thải ra từ bể MBBR kỵ khí được phân hủy bằng các vi sinh vật hiếu khí bám dính trên giá thể động K3. Cuối cùng, nước thải được đưa đến xử lý hoàn thiện trong bể đất ngập nước kiến tạo có thời gian lưu nước 11 ngày để chất lượng nước đầu ra đạt giới hạn cho phép theo mức B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT. Trước khi thực hiện các tải trọng nghiên cứu trên hệ thống mô hình được nuôi cấy thích nghi để tạo màngbiofi lm trên giá thể ở các tải trọng nhỏ hơn từ 0,3 đế 0,5; 0,9 và 1,5kg COD/m3.ngày. Giai đoạn thích nghi kết thúc khi màng biofi lm đã hình thành và nồng độ COD đầu ra ổn định không thay đổi nhiều. Nước thải sau xử lý của các bể thí nghiệm được lấy định kỳ 2 lần/tuần để phân tích đánh giá các thông số ô nhiễm đặc trưng như COD và nitơ tổng số (TN). Ở mỗi mức tải trọng hay thời gian lưu nước, bể xử lý được vận hành trong khoảng thời gian từ 15 đến 20 ngày.

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012

162 � TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG

Màng biofi lm kỵ khí: giai đoạn thích nghi và hình thành màng sinh học (biofi lm) trong bể MBBR kỵ khí trải qua 75 ngày với các tải trọng COD tăng dần: 0,3; 0,5; 0,9 và 1,5kg COD/m3.ngày(Hình 2). Màng biofi lm trên giá thể kỵ khí hình thành chậm, trong các ngày đầu lớp màng mỏng có màu đen sậm càng về sau lớp màng càng dày và bền. Nồng độ TS trên giá thể kỵ khí vào ngày thứ 15 là 160 ± 10mg/L và tăng đều các ngày còn lại, các ngày cuối đạt ổn định là 1209 ± 7,1mg/L và duy trì trong suốt quá trình vận hành tiếp theo.

Màng biofi lm hiếu khí: Vận hành bể MBBR hiếu khí với các tải trọng 0,05; 0,1 và0,2 kgCOD/m3.ngày. Trong thời gian 60 ngày, lớp màng biofi lm hiếu khí được hình thành gần như hoàn thiện, chắc chắn và có màu nâu sậm (Hình 3). Nồng độ tổng rắn lơ lửng (TS) trên giá thể tăng lên rất nhanh và đều đặng từ 1048 ± 55 mg/L ở các ngày đầu và đạt ổn định ở các ngày cuối vào khoảng 3000 mg/L, màng biofi lm trên giá thể hiếu khí rất dễ bị bong tróc.

Hình 1. Mô hình thí nghiệm xử lý nước thải chitinI: Xử lý kỵ khí, II: Xử lý hiếu khí, III: Xử lý ở bể đất ngập nước kiến tạo. (1) Bơm định lượng, (2) Van lấy mẫu, (3) Giá thể động, (4) Motor khuấy, (5) Máy thổi khí, (6) Van xả bùn, (7) Cây sậy.

Bảng 1. Các thông số thiết kế của mô hình thí nghiệm xử lý nước thải chitin

Thông số Đơn vị Bể

Kỵ khí Hiếu khí Ngăn lắng Ngập nước kiến tạo

Vật liệu - Arcrylic Arcrylic Arcrylic Gạch xâyChiều dài cm 15 30 20 120Chiều rộng cm 15 20 10 60Chiều cao cm 100 30 30 80

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Giai đoạn tạo màng biofi lm trên giá thể lơ lửng K3

Hình 2. Màng biofi lm kỵ khí bám dính vào giá thể các ngày thứ 15 (1), 38 (2), 44 (3), 74 (4)

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG � 163

2. Giai đoạn vận hành mô hình MBBR kỵ khí với các tải trọng nghiên cứu

Sau giai đoạn thích nghi, hệ thống mô hình thí nghiệm được tiếp tục được vận hành ở các tải trọng 3,0; 5,0; 7,0 và 9,0 kg COD/m3.ngày. Đối với hiệu quả khử COD (Hình 4) thì 3 tải trọng đầu có hiệu quả khá tốt (85 - 88%), nồng độ COD đầu ra chỉ còn lại 733 ± 2,1mg/L. Tuy nhiên hiệu quả xử lý COD ở 2 tải trọng đầu tiên các ngày cuối tăng rất chậm và thậm chí còn giảm, nguyên nhân là do quá trình lưu nước dài thì sẽ xảy ra quá trình hô hấp nội bào do vi sinh vật thiếu thức ăn. Đối với tải trọng OLR = 7

kg COD/m3.ngày, hiệu quả xử lý tăng rất đều và đạt trên 90% và ổn định cho các ngày cuối trong thời gian vận hành ở tải trọng này. Ở tải trọng cao nhất, OLR = 9kg COD/m3.ngày, thì hiệu quả xử lý cao nhất chỉ 60% và đầu ra thấp nhất là 2402 ± 5,6mg/L. Như vậy, dựa trên kết quả vận hành với 4 tải trọng OLR khác nhau ta có thể thấy rằng tải trọng thích hợp cho quá trình kỵ khí là 7kg COD/m3.ngày tương ứng với thời gian lưu nước trong bể kỵ khí là 21 giờ và nước thải đầu ra ở tải trọng này được sử dụng cho việc vận hành bể MBBR hiếu khí phía sau.

Hình 4. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý H% ở

Hình 3. Màng biofi lm hiếu khí bám dính vào giá thể các ngày thứ 5 (1), 10 (2), 32 (3), 50 (4)

các tải trọng của mô hình MBBR kỵ khí

3. Giai đoạn vận hành mô hình MBBR kỵ khí nối tiếp hiếu khí

Sau khi vận hành và lựa chọn tải trọng thích hợp cho bể MBBR kỵ khí, ta vận hành mô hình này ổn định ở tải trọng OLR = 7 kg COD/m3.ngày và khảo sát hiệu quả xử lý của bể MBBR hiếu khí với các thời gian lưu nước là 6, 8, và 10 giờ. Kết quả vận hành bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí được trình bày ở các Hình 5, 6 và 7.

Đối với thời gian lưu nước 10 giờ ở bể MBBR hiếu khí, nồng độ COD đầu ra dao động trong khoảng 192 - 202mg/L, tương ứng hiệu quả xử lý COD đạt ổn định trong khoảng 75 - 76%. Hiệu quả xử lý TN tăng dần và vào cuối thời điểm vận hành là 82% với nồng độ TN đầu ra là 190 - 215mg/L. Nồng độ BOD5 đầu ra dao động trong khoảng 75 - 78mg/L, tương ứng hiệu quả xử lý BOD5 dao động trong khoảng 80 - 82%.

Hình 5. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý H% của bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí với các thời gian lưu nước khác nhau

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012

164 � TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG

Đối với thời gian lưu nước 8 giờ thì hiệu quả xử lý COD, BOD5 và TN là rất tốt. Nồng độ COD, BOD5 và TN trung bình đầu ra lần lượt 175 mg/L, 79mg/L và 38mg/L. Hiệu suất khử COD là 78%, khử BOD5 là 81% và khử TN là

83%. Đây là thời gian lưu nước thích hợp cho mô hình MBBR kỵ khí nối tiếp MBBR hiếu khí vì hiệu quả xử lý COD, TN, BOD5 đều tăng đều và cho giá trị nồng độ đầu ra của các chỉ tiêu nhỏ nhất.

Hình 6. Biến thiên nồng độ BOD5 và hiệu quả xử lý của bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí với các thời gian lưu nước khác nhau

Khi thời gian lưu nước còn lại 6 giờ thì hiệu quả khử COD, BOD5, TN giảm dần, đối với chỉ tiêu COD hiệu quả xử lý cao nhất chỉ 57%, BOD5 là 59%, TN là 58% và đầu ra rất cao vượt xa mức loại B của quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (COD là 361 ± 3,5mg/L, BOD5 là 184 ± 4,2mg/L, TN là 53

± 0,9mg/L). Nguyên nhân là do thời gian lưu nước ngắn nên vi sinh vật không có khả năng khử đồng thời chất hữu cơ và nitơ. Như vậy đối với mô hình MBBR kỵ khí nối tiếp MBBR hiếu khí chỉ có khả năng làm việc hiệu quả ở thời gian lưu nước là 8 giờ.

Hình 7. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý của bể MBBR kỵ khí nối tiếp bể MBBR hiếu khí với các thời gian lưu nước khác nhau

4. Giai đoạn vận hành mô hình đất ngập nước trồng cây sậy

Kết quả vận hành bể thí nghiệm đất ngập nước kiến tạo được trình bày trên Hình 8 và 9. Nồng độ COD và TN trung bình trong nước thải sau bể này lần lượt là 76mg/L và 14mg/L. Điều này cho thấy mô hình đất ngập nước trồng cây

sậy cho hiệu quả xử lý COD và TN rất tốt và tăng đều, hiệu quả khử COD và TN ở cuối thời điểm vận hành lần lượt là 57% và 62%. Các chỉ tiêu ô nhiễm trong nước đầu ra đạt giới hạn cho phép theo mức B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT.

Hình 8. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả Hình 9. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý mô hình đất ngập nước kiến tạo xử lý mô hình đất ngập nước kiến tạo

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG � 165

Hiệu quả xử lý nitơ biến động lớn trong các ngày xử lý (Hình 9), nhưng so vẫn tăng, hiệu quả cao và ổn định vào các ngày cuối. Trong đất ngập nước xảy ra đồng thời hai quá trình song song,nitrat hóa và khử nitrat. Lượng oxy hòa tan trong đất ngập nước không đều, trên bề mặt nồng độ oxy hòa tan cao và càng xuống lớp cát thì lượng oxy càng thấp dần. Chính vì vậy mà trên bề mặt xảy ra quá trình chuyển hóa ammonia thành nitrat và càng xuống dưới thì xảy ra quá trình chuyển hóa khử ni-trat thành khí nitơ.

Đối với quá trình xử lý BOD5 toàn bộ quá trình xử lý có biến đổi lớn, thế nhưng các ngày sau lại ổn định và cho hiệu quả xử lý rất cao, nguyên nhân là do bể chưa thích ứng kịp kiểu cung cấp chất dinh dưỡng liên tục. Đầu vào của nồng độ BOD5 trong bể dao động trong khoảng 75 đến 89mg/L, đầu ra thấp nhất đạt 30mg/L.

Bảng 2. So sánh các chỉ tiêu môi trường cơ bản của nước thải đầu ra

Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị Giá trị tới hạn loại B QCVN 40: 2011/BTNMT

BOD5 mg/L 30 50

COD mg/L 76 150TN mg/L 14 40

IV. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu ở quy mô thí nghiệm cho

thấy hiệu quả xử lý COD và nitơ của hệ thống mô hình MBBR kỵ khí nối tiếp hiếu khí kết hợp với xử lý bằng đất ngập nước kiến tạo đối với nước thải sản xuất chitin khá cao, nồ ng độ COD và TN của nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩ n loạ i B QCVN 40:2011/BTNMT. Tuy nhiên, đây chỉ là kết quả bước đầu nghiên cứu ở quy mô nhỏ nên cần được tiếp tục nghiên cứu hoàn chỉnh và thử nghiệm ở quy mô lớn hơn để có thể ứng dụng vào thực tế xử lý nước thải chế biến chitin.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trang Sĩ Trung, Trần Thị Luyến, Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Thị Hằng Phương (2010), "Chitin-chitosan từ phế liệu thủy sản và ứng dụng", NXB Nông Nghiệp.

2. Nguyễn Đan Bảo Linh, Hồ Thanh Nhung, Lê Hoàng Nghiêm (2011), “Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ Moving Bed Biofi lm Reactor (MBBR)”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 49, 45 - 51.

3. Võ Thị Diệu Hiền, Bùi Xuân Thành (2011), “Ứng dụng mô hình đất ngập nước trên mái xử lý nước thải cuả một số thực vật tại các tải trọng khác nhau”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 49, 28 - 36.

4. Nguyễn Phú, Vũ Lê Quyên, Đỗ Hồng Lan Chi, Nguyễn Phước Dân (2011), “Ứng dụng đất ngập nước kiến tạo tái sinh nước thải công nghiệp”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 49, 01 - 08.

5. Aya S. C. and Akca L. (2000), "Treatment of wastewater by constructed wetland in small settlement", Water Science and Technology, 41, 69-72.

6. Aya S. C. (2008), "Post - treatment and reuse of tertiary treated wastewater by constructed wetlands", Desalination, 226,249 - 255.

7. Asiedu, K. (2001), "Evaluating Biological Treatment Systems - Report", Department of Civil and Environmental Engineer-ing, Blacksburg, Virginia.

8. Plattes M., Henry E., Schosseler P.M., Weidenhaupt A. (2006), “Modeling and dynamic simulation of a moving bedbioreactor for the treatment of municipal wastewater”, Biochemical Engineering Journal, 32, 61 - 68.

9. Wang S., ChandraseKhara Rao N., Qiu R., Moletta R. (2009), “Performance and kinetic evaluation of anaerobic moving bed biofi lm reactor for treating milk permeate from dairy industry”, Bioresource Technology, 100, 5641 - 5647.