Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD của hai kĩ thuật xử lý yếm khí nước thải giàu cặn hữu cơ

 VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26 
 Original article 
 The Dependence of Removal Rate and Efficiency on COD 
 Loading Rate in Two Anaerobic Systems Treating High 
 Organic Suspended Wastewater 
 Nguyen Truong Quan1,*, Vo Thi Thanh Tam1, Cao The Ha1, 
 Le Van Chieu2, Tran Manh Hai3 
 1Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development (CETASD), 
 VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Ha Noi, Vietnam 
 2VNU Project Management Department, 144 Xuan Thuy, Cau Giay, Hanoi, Vietnam 
 3 Institute of Environmental Technology, Vietnam Academy of Science and Technology (VAST), 
 18 Hoang Quoc Viet, Hanoi, Vietnam 
 Received 20 March 2018 
 Revised 09 March 2019; Accepted 13 March 2019 
 Abstract: The dependence of removal rate and efficiency on COD loading rate in two anaerobic 
 systems using Internal Circulation (IC) and Modified Internal Circulation (MIC) models was 
 evaluated for treatment of piggery waste in this study. Two systems were operated at the similar 
 COD loading rate and retention times at room temperature when using anaerobic slugde 
 concentration of 13.3 gVMLSS/l. Generally, both IC and MIC achieved the similar performances 
 regarding total COD removal rate are in the range of 0.7 - 13.0 kgCOD/m3/day with influent COD 
 loading rate of 1.0 - 20.0 kg/m3/day; soluble COD removal rate are in the range of 0.3 - 4.0 
 kgCOD/m3/day with influent soluble COD of 0.6 - 7 kgCO/m3/day. Both IC and MIC showed the 
 similar performance regarding total and soluble COD removal efficiencies, which are in the range 
 of 69 - 71% and 65%, respectively. However, MIC is more advantaged in the aspects of system 
 manufacturing and operation. 
 Keywords: Loading rate, removal capacity, internal circulation, anaerobic. 
________ 
 Corresponding author. 
 E-mail address: nguyentruongquan@hus.edu.vn 
 https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4233 
 21 
 VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26 
 Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD 
 của hai kĩ thuật xử lý yếm khí nước thải giàu cặn hữu cơ 
 Nguyễn Trường Quân1,*, Võ Thị Thanh Tâm1, Cao Thế Hà1, 
 Lê Văn Chiều2, Trần Mạnh Hải3 
 1Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD), 
 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam 
 2Ban Quản lý các Dự án, Đại học Quốc gia Hà Nội, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam 
 3Viện Công nghệ Môi trường, Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 
 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam 
 Nhận ngày 20 tháng 3 năm 2018 
 Chỉnh sửa ngày 09 tháng 3 năm 2019; Chấp nhận đăng ngày 13 tháng 3 năm 2019 
 Tóm tắt: Bài báo đánh giá mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD đối 
 với công nghệ yếm khí cao tải bằng kĩ thuật tuần hoàn nội (IC) và tuần hoàn nội cải tiến (MIC) qui 
 mô phòng thí nghiệm áp dụng xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Hai hệ được vận hành ở điều kiện 
 nhiệt độ thường với thời gian lưu nước, tải trọng COD đầu vào tương đương nhau và có mật độ 
 bùn yếm khí ban đầu 13,3 g/l. Nhìn chung cả hai hệ IC và MIC có khả năng xử lý là tương đương 
 nhau với năng suất xử lý COD tổng trong khoảng 0,7 - 13,0 kgCOD/m3/ngày với tải trọng COD 
 vào từ 1,0 - 20,0 kg/m3/ngày; năng suất xử lý COD hòa tan trong khoảng 0,3 - 4,0 
 kgCOD/m3/ngày với tải trọng COD vào 0,6 - 7,0 kgCO/m3/ngày. Cả hai hệ IC và MIC có hiệu 
 suất xử lý COD tổng và hòa tan tương đương nhau dao động trong khoảng 69-71% và 65%. MIC 
 có ưu điểm hơn so với hệ IC về khía cạnh chế tạo và vận hành. 
 Từ khóa: Tải trọng, năng suất xử lý, tuần hoàn nội, yếm khí. 
1. Mở đầu đầu tiên đối với loại nước thải này. Theo 
 Lettinga [1], hệ yếm khí là quá trình diễn ra 
 Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải có chậm, tốc độ sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp 
thành phần cặn hữu cơ cao, chứa nhiều hợp chất và năng suất xử lý kém so với kĩ thuật hiếu khí. 
khó phân hủy sinh học và là một đối tượng rất Tuy nhiên các kĩ thuật yếm khí hiện đại gần đây 
khó xử lý. Kĩ thuật yếm khí luôn là sự lựa chọn được cải tiến như kĩ thuật tuần hoàn nội (IC - 
________ Internal Circulation) có thể chấp nhận tải trọng 
 đầu vào từ vài chục đến hàng trăm 
 Tác giả liên hệ. 3
 Địa chỉ email: nguyentruongquan@hus.edu.vn kgCOD/m /ngày với hiệu suất xử lý lên tới 70-
 90% [2, 3]. 
 https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4233 
 22 
 N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26 23 
 Kĩ thuật tuần hoàn nội hoạt động dựa trên 2. Thực nghiệm 
nguyên tắc của hai bồn phản ứng yếm khí 
ngược dòng qua lớp đệm vi sinh (Upflow 2.1. Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi qui mô 
Anaerobic Sludge Blanket - UASB) xếp chồng phòng thí nghiệm 
lên nhau. Khí tách ra từ bộ phận tách pha bên 
dưới chuyển động lên phía trên vào khoang thu Để đánh giá năng lực xử lý COD của kĩ 
khí qua đường ống dẫn lên. Dòng khí chuyển thuật tuần hoàn nội, các thí nghiệm được tiến 
động lên sẽ cuốn theo nước và bùn từ vùng hành trên 02 hệ thí nghiệm: (1) Hệ IC - được 
phân hủy cao tải bên dưới. Sau khi tách khí, thiết kế gồm 01 cột phản ứng có đường kính 
nước và vi sinh được đưa trở lại vào vùng phản 0,14m, cao 2m, ứng với thể tích V = 30 lít 
ứng xuống đáy bể, hòa trộn với dòng vào qua (Hình 1) và (2) Hệ MIC (Kĩ thuật tuần hoàn nội 
đường ống dẫn xuống. Dòng bùn-nước quay cải tiến – Modified Internal Circulation) - được 
ngược lại vùng phản ứng cao tải tạo ra dòng thiết kế gồm 03 cột phản ứng và 01 cột lắng có 
tuần hoàn liên tục trong cột phản ứng - đây là đường kính 0,14m và cao 1m, ứng với tổng thể 
tính chất đặc trưng của kĩ thuật tuần hoàn nội. tích V = 52 lít (Hình 2). Hệ MIC được cải tiến 
Kĩ thuật này được đánh giá rất cao cho năng từ kĩ thuật IC với mục đích làm giảm chiều cao 
suất xử lý khá lớn trên đơn vị thể tích, gấp tới từ 2-3 lần để dễ dàng chế tạo, vận hành và tăng 
75 lần so với kĩ thuật truyền thống (bồn phản cường khả năng tách bùn sau xử lý do bố trí 
ứng khuấy trộn hoàn toàn) và gấp 3 lần so với thêm một cột lắng phía sau. 
kĩ thuật UASB [4]. Do vậy, kĩ thuật này được Hai hệ IC và MIC được vận hành song 
lựa chọn để nghiên cứu đối với loại nước thải song, đều ở điều kiện thường (không điều nhiệt) 
có thành phần cặn hữu cơ cao. với thời gian lưu nước (24, 20, 16, 12, 10 và 6 
 giờ) và giá trị COD đầu vào tương đương nhau, 
 và có mật độ bùn yếm khí ban đầu là 13,3 g/l.
 Hình 1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm IC. Hình 2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm MIC. 
24 N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26 
2.2. Lấy mẫu, phân tích mẫu và tính toán Bảng 1. Thành phần nước thải đầu vào 
 Nước thải được lấy từ các hộ nuôi lợn thịt ở Nước thải 
 Thông số Nước thải sau lọc thô 
thôn Đông Mỹ, Thanh Trì, Hà Nội. Điểm lấy thô 
mẫu là hố ga, lấy lúc rửa chuồng với tần suất 
 pH 7,1 - 7,5 7,2 - 7,5 
lấy mẫu 1-3 lần/tuần. Mẫu được lọc cặn bằng 
rây có kích thước lỗ 1mm sau đó lưu vào bồn CODtổng 4.200 - 4.000 - 6.500 
chứa, nước thải được kiểm tra các chỉ tiêu (mg/l) 6.800 
COD, TSS, hiệu chỉnh nhằm đảm bảo sự ổn CODhòa tan 750 - 550 - 1.100 
định về thành phần và tải trọng COD. Ở chế độ (mg/l) 1.450 
khởi động (thời gian lưu thủy lực HRT=24h) cả 
 TSS 1.500 - 1.450 - 2.750 
hai hệ thí nghiệm được vận hành liên tục trong (mg/l) 2.800 
khoảng 2 tháng để vi sinh thích nghi, ở các chế 
độ tiếp theo (tăng dần tải trọng đầu vào) thì các 
hệ được vận hành trong khoảng 2-3 tuần và lấy 
mẫu đầu vào, đầu ra (tần suất 2 ngày/lần) để Nước thải thô ban đầu khi lấy về có giá trị 
phân tích các chỉ tiêu áp dụng các phương pháp COD tổng trong khoảng 4.200-6.800 mg/l, 
phân tích tiêu chuẩn [5, 6]. Các giá trị được lấy COD hòa tan trong khoảng 750-1.450 mg/l, 
trung bình trong từng chế độ thí nghiệm. nước thải sau khi lọc thô có giá trị COD tổng 
 Trên cơ sở kết quả phân tích chỉ tiêu COD trong khoảng 4.000-6.500 mg/l, COD hòa tan 
(g/l) và đánh giá hiệu quả xử lý đối với hai hệ trong khoảng khoảng 550-1.100 mg/l. 
thí nghiệm (IC và MIC), chúng tôi thiết lập mối 
 3.2. Mối quan hệ tải trọng với NSXL và hiệu 
quan hệ giữa tải trọng với năng suất xử lý và 
 suất xử lý COD tổng 
hiệu suất xử lý của COD tổng và COD hòa tan. 
 3
 Tải trọng (TT- kgCOD/m /ngày), năng suất Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất xử 
 3
xử lý (NSXL- kgCOD/m /ngày) và hiệu suất xử lý và hiệu suất xử lý COD tổng của hai hệ thí 
lý (HS - %) được tính theo các công thức sau: nghiệm IC và MIC được trình bày trong Hình 3 
 CODQ và Hình 4. Trong đó, đường nét liền thể hiện 
 TT (1) đường hồi quy các giá trị NSXL trung bình. 
 V Các đường chéo nét đứt biểu diễn các đường 
 mức hiệu suất xử lý tính theo tải trọng COD để 
 NSXL TTTTvào ra (2) 
 việc quan sát và đánh giá được thuận tiện. 
 TTTT 
 HS 100%vào ra (3) Đồ thị Hình 3 và Hình 4 cho thấy NSXL 
 TTvào COD tổng với tải trọng COD đầu vào của hệ IC 
 Trong đó: và MIC có mối quan hệ tuyến tính, tức là khi 
 tăng tải trọng COD tổng đầu vào thì NSXL tăng 
 - Q: Lưu lượng (m3/ngày) 
 lên. Trong các chế độ thí nghiệm, tải trọng 
 3
 - V: Thể tích phản ứng của hệ xử lý (m ). COD tổng đầu vào chỉ khảo sát đến 20,8 
 kgCOD/m3/ngày vì khi tiếp tục tăng bằng cách 
 bổ sung nước thải đậm đặc hoặc tăng lưu lượng 
3. Kết quả và thảo luận đầu vào (giảm thời gian lưu) thì lượng cặn 
3.1. Thành phần nước thải nuôi lợn (TSS) đi vào hệ thí nghiệm sẽ gây ảnh hưởng 
 rất lớn đến khả năng lắng và tách bùn (bao gồm 
 Nước thải có pH, giá trị COD tổng, COD cả cặn) dẫn đến bùn bị rửa trôi tại đầu ra. 
hòa tan và TSS được trình bày trong Bảng 1. 
 N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26 25 
 Hình 3. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT Hình 4. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT 
 COD tổng đầu vào (Hệ IC). COD tổng đầu vào (Hệ MIC). 
 Đối với hệ IC (Hình 3), tải trọng COD tổng này cho thấy hệ MIC có khả năng xử lý COD 
được khảo sát từ 1 - 19,7 kgCOD/m3/ngày thì tổng ổn định hơn so với hệ IC. 
NSXL của hệ xử lý được từ 0,7 - 13 
kgCOD/m3/ngày và HS xử lý dao động trong 3.3. Mối quan hệ tải trọng với NSXL và hiệu 
khoảng từ 63-75% (giá trị trung bình là 69%), suất xử lý COD hòa tan 
tại các điểm có tải trọng thấp thì hệ xử lý đạt 
HS xử lý trung bình trên 70% (HS cao nhất tại Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất xử 
TT = 4,9 kgCOD/m3/ngày đạt 75%). Trong khi lý và hiệu suất xử lý COD hòa tan của hai hệ thí 
đó, hệ MIC (Hình 4) được khảo sát tải trọng nghiệm IC và MIC được thể hiện trong Hình 5 
COD từ 0,8 - 20,8 kgCOD/m3/ngày thì NSXL và Hình 6. 
của hệ xử lý được từ 0,3 - 16 kgCOD/m3/ngày, Đồ thị Hình 5 và Hình 6 cho thấy NSXL 
đạt hiệu su So sánh hệ MIC và hệ IC có thể COD hòa tan với tải trọng COD đầu vào của hệ 
thấy rằng hiệu suất xử lý COD hòa tan trung IC và MIC cũng có mối quan hệ tuyến tính, tức 
bình của hai hệ là tương đương nhau và ổn định là khi tải trọng COD hòa tan đầu vào tăng thì 
như nhau do các giá trị NSXL nằm trong NSXL tăng. 
khoảng dao động gần như nhau, hiệu quả xử lý Đối với hệ IC (Hình 5), tải trọng COD hòa 
của hai hệ đều đạt giá trị trung bình là 65%. tan được khảo sát từ 0,6 - 7,2 kgCOD/m3/ngày 
 ất xử lý trong khoảng từ 67-77 % (giá trị thì NSXL của hệ xử lý được từ 0,3 - 4,8 
trung bình là 71%, trừ giá trị tại điểm ban đầu là kgCOD/m3/ngày và hiệu suất xử lý đạt trong 
giai đoạn khởi động có TT = 0,8 khoảng từ 54-72% (giá trị trung bình là 65%). 
kgCOD/m3/ngày, HS = 42%), HS xử lý cao Trong khi đó hệ MIC (Hình 6) được khảo sát 
nhất tại TT = 20,8 kgCOD/m3/ngày đạt 77%. tải trọng COD hòa tan từ 0,6 - 6,3 
 kgCOD/m3/ngày thì NSXL của hệ xử lý được 
 So sánh hai hệ IC và MIC có thể thấy rằng 3
HSXL trung bình của hệ MIC (71%) tương từ 0,2 - 4,0 kgCOD/m /ngày và đạt hiệu suất xử 
đương với hệ IC (69%). Tuy nhiên, hệ MIC có lý trong khoảng từ 60-71 % (giá trị trung bình 
 là 65% - trừ thời điểm ban đầu là giai đoạn khởi 
các giá trị NSXL nằm trong khoảng dao động 3
nhỏ hơn so với hệ IC (so sánh khoảng cực đại động có TT = 0,6 kgCOD/m /ngày, HS chỉ đạt 
trên và dưới tại mỗi giá trị TT trên đồ thị). Điều 33%). 
26 N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26 
 Hình 5. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT Hình 6. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT 
 COD hòa tan (Hệ IC). COD hòa tan (Hệ MIC). 
 Nhìn chung cả hai hệ IC và MIC có khả phù hợp với điều kiện Việt Nam để xử lý ô 
năng xử lý là tương đương nhau với NSXL nhiễm môi trường kết hợp với tận dụng chất 
COD tổng trong khoảng 0,7 - 13 thải của các trang trại chăn nuôi lợn.” Mã số: 
kgCOD/m3/ngày với TT COD vào từ 1,0 - 20 KC.08.04/11-15 do Bộ Khoa học và Công nghệ 
kg/m3/ngày; NSXL COD hòa tan trong khoảng tài trơ.̣ 
0,3 - 4,0 kgCOD/m3/ngày với TT COD vào 0,6-
7,0 kgCOD/m3/ngày. 
 Tài liệu tham khảo 
4. Kết luận [1] Lettinga G. , Anaerobic digestion and wastewater 
 treatment systems. Antonie van Leeuwenhoek, 1995, 
 Kết quả nghiên cứu và đánh giá mối quan Vol.67, Issue 1, pp 3-28. 
hệ giữa tải trọng với năng suất xử lý và hiệu [2] Kassam Z.A., Yerushalmi L. and Guiot S.R. , A 
 market study on the anaerobic wastewater treatment 
suất xử lý COD của hai hệ thí nghiệm IC và systems. Water, Air, and Soil Pollution 143 (2003) 
MIC cho thấy: Hệ MIC xử lý COD tổng hiệu 179-192, Kluwer Academic Publishers. 
quả và ổn định hơn một chút so với hệ IC, còn [3] Jules B. van Lier & Grietje Zeeman, Current Trends 
đối với COD hòa tan thì cả hai hệ đều xử lý ổn in Anaerobic Digestion: Diversifying from 
định và hiệu quả xử lý là tương đương nhau. Về waste(water) treatment to resource oriented energetic 
mặt ứng dụng thực tế, hệ MIC có ưu điểm hơn conversion techniques, 2009. 
so với hệ IC về khía cạnh chế tạo và vận hành. [4] Van Lier J.B. , New challenges for wastewater: from 
 pollution prevention to resource recovery in “Nieuwe 
 Mối quan hệ giữa tải trọng COD đầu vào Uitdagingen”, TU Delf, Published by water 
với năng suất xử lý và hiệu suất xử lý COD Management Academic Press, Delft, The 
thiết lập được làm cơ sở tính toán, thiết kế xây Netherlands, 2009, pp.57-67. 
dựng một hệ xử lý nước thải giàu hữu cơ trên [5] American Public Health Association, Standard 
thực tế khi lựa chọn công nghệ xử lý yếm khí Methods for the Examination of Water and 
cao tải. Wastewater, 19th Edition, American Public Health 
 Association, 5220 D Closed Reflux, Colorimetric 
 Method, 1995, pp 5.15 - 5.16. 
Lời cảm ơn [6] Adams. V. Dean, Water & Wastewater Examination 
 Manual, Lewis Publishers, 1990, pp. 168-17. 
 Các tác giả xin cám ơn Đề tài cấp nhà nước 
“Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiên tiến 
N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26 27