Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://vietbaitotnghiep.com/dich-vu-viet-thue-luan-van Download luận án tiến sĩ ngành kĩ thuật môi trường với đề tài: Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội- IC (internal circulation), cho các bạn làm luận án tham khảo

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
TRẦN MẠNH HẢI
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ CAO TẢI TUẦN HOÀN NỘI- IC
(INTERNAL CIRCULATION)
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Hà Nội, 2019

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
TRẦN MẠNH HẢI
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ CAO TẢI TUẦN HOÀN NỘI- IC
(INTERNAL CIRCULATION)
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã sỗ: 9.52.03.20
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Cao Thế Hà
2. PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu
Hà Nội, 2019

3. i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí
cao tải tuần hoàn nội IC (Internal Circulation)” là do tôi thực hiện với sự hướng
dẫn của PGS.TS. Cao Thế Hà và PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu.
Các kết quả công bố trong luận án là trung thực, chính xác.
Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về những nội dung mà tôi trình bày trong
luận án này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 6 năm 2019
Nghiên cứu sinh
Trần Mạnh Hải

4. ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Cao Thế Hà (Trung tâm
nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững CETASD- Trường Đại
học Khoa học tự nhiên) và PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu (Viện Công nghệ môi
trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tận tình hướng dẫn
vàđịnh hướng cho tôi những hướng nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực
hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể: (i) Học viện Khoa học và Công nghệ
(GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST); (ii) Khoa
Công nghệ môi trường – GUST; (iii) Viện Công nghệ môi trường (IET) – VAST;
và(iv) Phòng Ứng dụng và chuyển giao công nghệ - IET đã hỗ trợ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng Công nghệ môi trường (Trung tâm
nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững) đã hỗ trợ và cùng với tôi
thực hiện các nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phạm Hồng Hải và TS. Hoàng Văn Hàđã
hỗ trợ trong việc xử lý số liệu thực nghiệm.
Nghiên cứu sinh
Trần Mạnh Hải

5. iii
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG............................................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................x
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của luận án...................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................2
4. Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án ...........................................3
5. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án...........................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................4
1.1. Các quá trình vi sinh yếm khí ..........................................................................4
1.2. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt...........................................6
1.3. Các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm bùn vi sinh và vi sinh dạng
hạt..........................................................................................................................11
1.3.1. Hệ yếm khí tiếp xúc AC và Bồn/bể lọc yếm khí AF..............................12
1.3.2. Bồn/bể phản ứng kiểu UASB.................................................................12
1.3.3. Bồn phản ứng kiểu FB............................................................................15
1.3.4. Bồn/bể phản ứng kiểu EGSB .................................................................16
1.4. Kỹ thuật tuần hoàn nội IC..............................................................................18
1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .............................................................18
1.4.2. Thiết bị phản ứng khí nâng – ALR.........................................................23
1.4.3. Thông số thiết kế hệ IC ..........................................................................29
1.4.4. Những vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu thiết kế hệ IC ..................31
1.5. Công nghệ xử lý yếm khí cao tải ở Việt Nam ...............................................33
1.6. Chất lượng nước thải chăn nuôi lợn ..............................................................34
Kết luận chương 1.................................................................................................41
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....42
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................42

6. iv
2.2. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................42
2.2.1. Thực nghiệm xác định đại lượng K (K = QN/QK) ..................................43
2.2.2. Thiết lập phương trình biểu diễn liên hệ giữa các thông số thiết kế hệ
airlift vàcác thông số vận hành-lưu lượng nước và tỷ lệ khí/nước..................45
2.2.3. Phương pháp tìm mô hình thực nghiệm thống kê. .................................46
2.2.4. Thực nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi lợn. .........................................48
2.2.5. Phương pháp đánh giá tiềm năng tạo biogas..........................................54
2.2.6. Tính công suất và cường độ khuấy trộn trong vùng phản ứng từ lượng
biogas phát sinh ................................................................................................57
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..........................................................61
3.1. Xác định K bằng thực nghiệm (KTN).............................................................61
3.1.1. Các điều kiện thí nghiệm:.......................................................................61
3.1.2. Kết quả thí nghiệm .................................................................................61
3.2. Phương trình biểu diễn liên hệ giữa các thông số thiết kế hệ airlift và các
thông số vận hành-lưu lượng nước và tỷ lệ khí/nước...........................................65
3.2.1. Đánh giá sự phù hợp của phương trình với kết quả thực nghiệm ..........66
3.2.2. Đánh giá sự thay đổi của K khi tăng tiết diện ống lên ...........................68
3.2.3. Đánh giá sự thay đổi của K theo độ nhớt và khối lượng riêng...............69
3.2.4. Lựa chọn mô hình biểu diễn...................................................................74
3.2.5. Mô hình thực nghiệm thống kê ..............................................................78
3.3. Kết quả vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn ....................................81
3.3.1. Hệ IC thí nghiệm ....................................................................................81
3.3.2. Mối quan hệ giữa năng suất và hiệu suất xử lý với tải lượng. ...............87
3.3.3. Kết quả thử nghiệm tách rắn lỏng ..........................................................92
3.3.4. Kết quả đo lượng biogas và metan .........................................................96
3.4. Tính toán khả năng khuấy trộn do khí biogas sinh ra....................................98
3.5. Tính thông số công nghệ hệ IC....................................................................103
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ......................................................................................107
Kết luận...............................................................................................................107
Kiến nghị.............................................................................................................108
Danh mục các công trình đã công bố......................................................................109

7. v
Tài liệu tham khảo...................................................................................................110
PHỤ LỤC 1.............................................................................................................120
PHỤ LỤC 2.............................................................................................................130
PHỤ LỤC 3.............................................................................................................132

8. vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí ..............5
Hình 1. 2. Sơ đồ hệ xử lý UASB...............................................................................14
Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý hệ EGSB .......................................................................17
Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý hệ IC..............................................................................19
Hình 1. 5. Sơ đồ ALR với ống lên đồng trục............................................................24
Hình 1. 6. Thiết diện để nước chảy vào ống lên .......................................................28
Hình 1. 7. Tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian ....................30
Hình 2. 1. Sơ đồ hệ thí nghiệm xác định K...............................................................43
Hình 2. 2. Sơ đồ hệ IC thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi ..................................48
Hình 2. 3. Sơ đồ hệ thí nghiệm tách rắn-lỏng ...........................................................52
Hình 2. 4. Sơ đồ hệ thu và đo khí biogas ..................................................................56
Hình 2. 5. Các thành phần khuấy trộn trong hệ IC ...................................................59
Hình 3. 1. Sự thay đổi của K khi vk tăng (tại H1 = 285 vàH2 = 50 cm) ...................62
Hình 3. 2. Sự thay đổi của K khi H1/H2 tăng (tại vk = 582 m/h; H1 = 285 cm) ........62
Hình 3. 3. Xu hướng sự thay đổi giá trị của QN khi vận tốc khí vk tăng (tại H1 = 285
vàH2 = 50 m) ............................................................................................................63
Hình 3. 4. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi mức ngập nước H1 thay đổi
(H2 = 50 cm; v khí= 582 m/h)..................................................................................63
Hình 3. 5. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi chiều cao xả nước H2 thay
đổi (H1 = 185 cm; v khí= 582 m/h)..........................................................................64
Hình 3. 6. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN (tại H1 = 285 và185 cm) ......64
Hình 3. 7. Sự thay đổi giá trị của K ở các độ nhớt khác nhau ..................................71
Hình 3. 8. Độ giảm giá trị của K ở các giá trị độ nhớt khác nhau ............................71
Hình 3. 9. Sự thay đổi giá trị của K khi tăng khối lượng riêng.................................73
Hình 3. 10. Mức giảm của K khi khối lượng riêng dung dịch tăng..........................74
Hình 3. 11. Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 50 cm) ............75
Hình 3. 12. Xu hướng của K và hàm biểu diễn (H1 = 285 cm, H2 = 10 cm) ............76

9. vii
Hình 3. 13. Xu hướng của Ktn vàKMH ......................................................................81
Hình 3. 14. Một số cơ cấu tách 3 pha phổ biến.........................................................82
Hình 3. 15. Mô hình hệ IC và bộ tách pha................................................................83
Hình 3. 16. OLRvào, OLRra và hiệu suất xử lý ..........................................................88
Hình 3. 17. Mối quan hệ giữa năng suất với tải lượng COD đầu vào ......................91
Hình 3. 18. Mối quan hệ giữa Hiệu suất xử lý với tải lượng COD đầu vào .............91
Hình 3. 19. Hiệu quả tách rắn - lỏng sử dụng polyme C525 ...................................93
Hình 3. 20. Thử nghiệm tạo bông với các loại polime khác nhau ............................93
Hình 3. 21. Diễn biến OLRlọc vào-ra và hiệu suất xử lý ...........................................95
Hình 3. 22. Diễn biến OLRtổng vào-ra và hiệu suất xử lý..........................................96
Hình 3. 23. Lượng khí biogas và metan sinh ra theo thực nghiệm và theo lý thuyết
...................................................................................................................................97

10. viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Đặc trưng của bùn hạt tốt.........................................................................11
Bảng 1. 2. Hiệu quả xử lý của kỹ thuật IC và UASB ...............................................29
Bảng 1. 3. Các thông số thiết kế các hệ XLYK .......................................................29
Bảng 1. 4. Một số thông số kỹ thuật của hệ tuần hoàn nội .......................................30
Bảng 1. 5. Đặc tính chất thải chăn nuôi lợn từ bể chứa dưới sàn .............................34
Bảng 1. 6. Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn............................................35
Bảng 1. 7. Thống kê chất thải chăn nuôi lợn ở Singapo. ..........................................37
Bảng 1. 8. Chất lượng NTCNL tại hố thu gom ở Singapo, Trung Quốc và Ý .........38
Bảng 1. 9. Chất lượng NTCNL từ bể điều hòa (sau tách SS) ...................................39
Bảng 1. 10. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung ......40
Bảng 1. 11. Tổng hợp chất lượng NTCNL tại trang trại...........................................40
Bảng 2. 1. Các nội dung thực nghiệm và tính toán...................................................42
Bảng 2. 2. Thành phần nước thải các chuồng ở trại Hòa bình xanh.........................50
Bảng 3. 1. Sai số của các phương pháp xác định COD ............................................67
Bảng 3. 2. Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 4,45 cm2
......................................68
Bảng 3. 3. Giá trị của K với tiết diện ống lên S = 15,76 cm2
....................................68
Bảng 3. 4. Giá trị của K và mức giảm (%) ở các độ nhớt khác nhau tại H1=285 cm
vàH2 = 50 cm............................................................................................................70
Bảng 3. 5. Giá trị của K và mức giảm K (%) khi khối lượng riêng của dung dịch ()
tăng............................................................................................................................73
Bảng 3. 6. Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và
H2=50).......................................................................................................................77
Bảng 3. 7. Giá trị của K tính theo hàm biểu diễn và mức sai số (tại H1=285 và
H2=10).......................................................................................................................77
Bảng 3. 8. Giá trị các hệ số b0,bj, bu,j vàbjj ...............................................................79
Bảng 3. 9. Thông số hệ IC thí nghiệm ......................................................................81
Bảng 3. 10. Tổng hợp chế độ thí nghiệm..................................................................84
Bảng 3. 11. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn ra khỏi bình
phản ứng....................................................................................................................84

11. ix
Bảng 3. 12. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là
NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 500 mg/L.....................................85
Bảng 3. 13. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là
NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 1000 mg/L...................................86
Bảng 3. 14. Ảnh hưởng vận tốc dâng nước đến khả năng rửa trôi bùn khi đầu vào là
NTCNL được pha loãng đến hàm lượng COD = 2500 mg/L...................................87
Bảng 3. 15. Kết quả tách TSS bằng bộ lọc thô .........................................................94
Bảng 3. 16. Cường độ và công suất khuấy trộn do khí biogas sinh ra......................98
Bảng 3. 17. Thông số công nghệ của hệ IC ở các năng suất xử lý khác nhau........104
Bảng 3. 18. Giá trị của Ktn=QN/QK, Ktính theo phương trình 3.10 và sai số (%).....121
Bảng 3. 19. Mối liên hệ giữa độ nhớt của dung dịch đường và nước tại 200
C.......131
Bảng 3. 20. Kết quả tính KMH và mức sai số so với Ktn..........................................137

12. x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ABR Anaerobic Baffled Reactor Bồn xử lý chảy ngược qua nhiều ngăn
yếm khí
AC Anaerobic Contac Yếm khí tiếp xúc
AF Anaerobic Filter Lọc yếm khí
ALR Airlift Reactor Thiết bị phản ứng khí nâng
BAS Biofilm Airlift Suspension Màng vi sinh khí nâng lơ lửng
BFB Biofilm Fluidized Bed Màng vi sinh tầng sôi
CNL Chăn nuôi lợn
CSTR Continuous Stirred-Tank
Reactor
Bồn phản ứng khuấy trộn liên tục
đktc Điều kiện tiêu chuẩn
ECP Extra-cellular Polymer Polyme ngoại bào
EGSB Expanded Granular Sludge
Bed
Kỹ thuật tầng bùn hạt giãn nở
FB Fluidized Bed Tầng lưu thể
HSXL Hiệu suất xử lý
GLSS Gas-Liquid-Solid Separator Bộ tách pha R/L/K
HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu thủy lực (giờ hoặc ngày)
IC Internal Circulation Tuần hoàn nội
OLR Organic Loading Rate Tải lượng hữu cơ (kgCOD/m3
.ngày)

13. xi
NSXL Năng suất xử lý
NTCNL Nước thải chăn nuôi lợn
NTSH Nước thải sinh hoạt
SMA Specific Methanogenic
Activity
Hoạt tính tạo metan riêng
SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng
SRT Solids Retention Time Thời gian lưu bùn
TS Total Solid Tổng chất rắn (kg/m3
; mg hoặc g/L)
TSS Total Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng (kg/m3
; mg hoặc
g/L)
UASB Upflow Anaerobic Sludge
Blanket
Dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí
USB Upflow Sludge Bed Tầng bùn dòng chảy ngược
VSS Volatile Suspended Solids Chất rắn lơ lửng cháy được (kg/m3
; mg
hoặc g/L)
VSYK Vi sinh yếm khí
XLYK Xử lý yếm khí
YK Yếm khí

14. 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Hiện nay, khoảng 80% lượng nước thải có thể xử lý được bằng công nghệ
sinh học [1], bao gồm: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp chứa các hợp
chất hữu cơ sinh hủy được, ở mức độ nhất định công nghệ sinh học xử lý được cả
các hóa chất độc. Trong xử lý nước thải, công nghệ sinh học luôn được ưu tiên do
chi phí thấp, sản sinh ít bùn, ít sử dụng hóa chất, … đặc biệt là còn thu được năng
lượng tái tạo dưới dạng khíbiogas. Như vậy, xử lý yếm khí không chỉ là công cụ để
bảo vệ môi trường mà còn là bảo vệ tài nguyên.
Trong lịch sử phát triển, kỹ thuật vi sinh yếm khí đã phát triển dần từ các hệ
đơn giản (bồn kín, bể phốt, . . . làcác công trình xử lý chỉ sử dụng các hiện tượng tự
nhiên) đến những kỹ thuật mang nhiều yếu tố “bể phản ứng” hơn và hiệu quả hơn.
Theo bước phát triển của công nghệ, có 4 loại kỹ thuật xử lý yếm khí đã được ứng
dụng là: (1) bồn phản ứng khuấy trộn đều – CSTR, (2) kỹ thuật phản ứng tiếp xúc -
AC, (3) kỹ thuật dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí – UASB và (4) kỹ thuật
tầng bùn hạt giãn nở - EGSB vàkỹ thuật tuần hoàn nội - IC. Trong khoảng 40 năm
trở lại đây nhiều công trình áp dụng kỹ thuật yếm khí cao tải với các thiết kế khác
nhau được áp dụng [2]. Các tài liệu tham khảo cho thấy IC cùng với EGSB là 2 thiết
bị xử lý yếm khí cónăng suất cao nhất và tiên tiến nhất hiện nay, kỹ thuật IC có khả
năng chịu tải và cónăng suất cao nhất trong các kỹ thuật hiện có [3]. Do vậy tốc độ
tăng trưởng của các hệ IC rất cao. Năm 1997 cả thế giới mới có 32 hệ IC, tới năm
2007 trên thế giới đã cótới 2266 hệ, đến năm 2015 ước tính số lượng các hệ yếm
khícao tải được lắp đặt đã vượt quá 4000 hệ [4].
Một yếu tố quan trọng của các kỹ thuật xử lý vi sinh là sự khuấy trộn, tăng
khuấy trộn làm tăng khả năng tiếp xúc của vi sinh vật với chất ô nhiễm nên hiệu quả
chuyển hóa tăng. Các kỹ thuật UASB và EGSB sử dụng năng lượng của khí sinh ra
và dòng chất lỏng tuần hoàn (bằng bơm tuần hoàn) để tăng khả năng khuấy trộn. Kỹ
thuật IC sử dụng khí sinh ra để tuần hoàn nước. Đây chính là ưu thế làm cho IC có
hiệu quả xử lý cao trong khi lại tiêu thụ ít năng lượng hơn (vìkhông dùng bơm tuần
hoàn). Để nghiên cứu chế tạo thành công hệ IC, điểm mấu chốt là cần nghiên cứu
chế tạo các cơ cấu tự tuần hoàn không cần năng lượng bên ngoài (bơm tuần hoàn),
sử dụng quá trình kéo nước bằng khí tự sinh để tuần hoàn hỗn hợp bùn và nước thải.

15. 2
Hiện nay, các tài liệu hướng dẫn thiết kế hệ UASB tương đối phổ biến nhưng
tài liệu về các kỹ thuật tuần hoàn nước như IC được công bố rất ít. Ví dụ, trong
cuốn sách chuyên khảo mới nhất về công nghệ sinh học xử lý nước thải “Handbook
of Biological Wastewater Treatment, 2012” [5] có tới 14 ví dụ tính thiết kế hệ
UASB kèm lời giải chi tiết mà không có ví dụ nào về các hệ tiên tiến kiểu EGSB và
IC. Do vậy, để thúc đẩy ứng dụng hệ IC ở Việt Nam cần phải có các nghiên cứu để
xác định các thông số cơ bản phục vụ việc thiết kế và chế tạo thiết bị.
Trong luận án này tập trung mô phỏng quá trình tuần hoàn nội (khí kéo nước)
nhằm xác định lượng nước (QN) được kéo lên bởi mỗi lượng khí (QK) (K = QN/QK)
và khả năng khuấy trộn của khí sinh ra và nước tuần hoàn nhằm phục vụ tính toán
cơ cấu khí kéo nước (airlift) trong hệ IC. Trong luận án cũng trình bày kết quả thử
nghiệm chế tạo vàvận hành mô hình hệ IC quy mô phòng thí nghiệm nhằm xác
định năng lực xử lý của hệ IC khi vận hành hệ thống với nước thải chăn nuôi lợn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng hệ xử lý yếm khí tuần hoàn nội (IC) trong xử lý nước
thải giàu hữu cơ, cụ thể là:
(i) Xác lập quan hệ giữa các thông số thiết kế thường dùng (ví dụ: tải lượng,
tốc độ nước dâng) với các thông số thiết kế hệ IC (ví dụ: kích thước ống
khí-nước lên, chiều cao vùng phản ứng).
(ii) Xác định mối tương quan giữa tải lượng và năng suất xử lý của hệ yếm
khíIC trong trường hợp NTCNL.
(iii) Xác định khả năng khuấy trộn trong hệ bằng khí sinh ra.
(iv) Xác định giá trị các thông số (chiều cao thiết bị, chiều cao vùng phản
ứng, đường kính thiết bị, kích thước ống lên) phục vụ thiết kế hệ yếm
khíIC.
3. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Thực nghiệm xác định tỷ lệ lượng nước được kéo lên bởi mỗi
lượng khí (
K
N
Q
Q
K  ) ở các mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2) vàtiết diện
ống dẫn lên khác nhau ở độ nhớt và khối lượng riêng xác định của dung dịch.

16. 3
Nội dung 2: Thiết lập phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa
K
N
Q
Q
K  với
các thông số: mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2), tiết diện ống dẫn lên (S)
ở độ nhớt và khối lượng riêng xác định của dung dịch.
Nội dung 3: Chế tạo và vận hành hệ IC với nước thải chăn nuôi lợn nhằm xác
định năng suất xử lý của hệ IC.
Nội dung 4: Tính toán xác định khả năng khuấy trộn của khí nội sinh và nước
tuần hoàn để xác định các thông số thiết kế hệ IC.
4. Những đóng góp khoa học và tính mới của luận án
Với mục tiêu nghiên cứu xác định giá trị các thông số thiết kế công nghệ hệ
thống IC, các kết quả thu được từ nghiên cứu gồm:
(i) Phương trình lý thuyết tính toán đại lượng K = QN/QK (tỷ lệ lượng nước
được kéo lên bởi mỗi lượng khí) phụ thuộc vào tiết diện ống lên (S),
mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2), độ nhớt (µ) vàkhối lượng
riêng của dung dịch (ρ).
(ii) Phương trình kinh nghiệm để tính toán đại lượng K = QN/QK (tỷ lệ
lượng nước được kéo lên bởi mỗi lượng khí) phụ thuộc vào tiết diện ống
lên (S), mức ngập nước (H1), chiều cao xả nước (H2).
(iii) Từ việc định lượng khả năng khuấy trộn trong hệ xử lý bằng khí nội
sinh (ở đây là khí biogas) và dòng tuần hoàn nội thông qua công suất P
(W/m3
) vàgradient tốc độ G (s-1
) đã xác định các thông số thiết kế hệ IC
(chiều cao thiết bị, tải lượng, tốc độ dâng).
5. Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án
Trong xử lý nước thải thì xử lý yếm khí ngày càng đóng vai trò quan trọng
không chỉ bởi chi phí đầu tư và vận hành thấp mà còn bởi năng lực xử lý ngày càng
cao và tiềm năng thu hồi năng lượng. Hệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội (IC) đang
ngày càng được áp dụng rộng rãi. Nghiên cứu này cung cấp các thông tin liên quan
đến thiết kế hệ IC và khả năng ứng dụng của hệ IC.

17. 4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Các quá trình vi sinh yếm khí
Mặc dù hiện tượng phân hủy yếm khí chất hữu cơ thành khí cháy được (ngày
nay gọi là biogas) đã được Van Helmont phát hiện từ thế kỷ 17 nhưng mãi tới
những năm 1890 Omelianski mới phân lập thành công các vi khuẩn tạo hyđrô, axit
axetic và butyric trong quá trình lên men xellulo. Ông cũng là người đầu tiên giả
định về phản ứng vi sinh tạo metan từ hyđrô và carbon đioxit, điều mà tới 1910 mới
được Sohngen khẳng định, đồng thời với phản ứng tạo metan từ axit axetic qua con
đường giải phóng CO2 [6].
Vấn đề phân hủy yếm khí bắt đầu được quan tâm thực sự từ những năm 1930,
các nghiên cứu về vấn đề này dẫn tới sự phát hiện các loại vi khuẩn yếm khí có khả
năng phân hủy chất hữu cơ. Tiếp theo là các nghiên cứu về các điều kiện mà vi
khuẩn yếm khí có thể phát triển và sinh trưởng tốt [7].
Tới những năm 1970, do các vấn đề địa chính trị ở Trung Cận Đông, khủng
hoảng năng lượng kéo theo sự gia tăng đột biến của giá dầu mỏ thì tiềm năng năng
lượng từ biogas - một nguồn năng lượng tái tạo bắt đầu được chú ý hơn nên bản
chất của quá trình XLYK cũng như các kỹ thuật XLYK trở thành đề tài nóng trong
giới nghiên cứu. Hơn nữa, những năm 1970 chính là thời điểm mà Luật môi trường
được thông qua ở hàng loạt các nước phát triển, đây chính là những động lực chính
để phát triển các công nghệ XLYK, nhất là với những nguồn nước thải giàu hữu cơ.
Kết quả của các nỗ lực này là sự hệ thống hóa, lượng hóa cơ chế phân hủy chất hữu
cơ vốn rất phức tạp thành sơ đồ Hình 1.1 [8].
Theo Hình 1.1, dưới tác dụng của các tổ hợp vi sinh vật khác nhau các chất
hữu cơ sẽ phân hủy qua bốn công đoạn chuyển hóa: (1) thủy phân, (2) axit hóa, (3)
axetat hóa và(4) metan hóa. Theo Gujer vàZehnder (1983) [8], 70% metan sẽ hình
thành từ chất trung gian là axetat theo phản ứng (a) và 30% metan còn lại là sản
phẩm chuyển hóa của chất trung gian rất quan trọng là hyđrô theo phản ứng (b).
CH3COOH  CH4 + CO2 (a)
4H2 + CO2  CH4 + 2H2O (b)

18. 5
Theo một số tác giả khác tỷ lệ này có chút khác biệt, cụ thể là 72/28 [9] song
bản chất các giai đoạn không thay đổi. Các phản ứng trung gian khác và nhiệt động
học của các quá trình yếm khí có thể tham khảo chi tiết hơn ở [10].
Hình 1. 1. Sơ đồ chuyển hóa của chất thải hữu cơ trong điều kiện yếm khí
Ngay từ 1982 Mc Carty [11] đã liệt kê các bước tiến hóa của công nghệ này.
Bắt đầu của các hệ thống xử lý năng suất cao là “bồn phản ứng khuấy trộn hoàn
toàn” cho tới bồn phản ứng có kiểm soát nhiệt độ thường sử dụng cho “nước” thải
có nồng độ hữu cơ rắn cao (thực chất là bùn thải và các chất thải hữu cơ), cuối cùng
là những hệ phản ứng có năng suất rất cao nhờ mật độ cao của vi sinh hoạt tính.
So với quá trình hiếu khí thì quá trình yếm khí tiêu tốn ít năng lượng hơn,
sinh ra ít bùn thải hơn, chi phíxử lý thấp hơn, hơn nữa lại có tiềm năng thu hồi năng
lượng ở dạng năng lượng tái tạo. Trong điều kiện yếm khí, các chất hữu cơ được
chuyển đổi thành khíCH4, mỗi 1 kg COD được loại bỏ sinh ra khoảng 13,5 MJ CH4
năng lượng, đem lại 1,5 kWh điện (với hiệu suất chuyển đổi điện đạt 40%) [4].
Trong lĩnh vực công nghệ vi sinh xử lý nước thải, động học của phản ứng
phân hủy yếm khí nói riêng và các phản ứng vi sinh nói chung tuân theo phương
trình Monod [12]:

19. 6
𝑟𝑠𝑢 =
𝑘.𝑆
𝐾 𝑆+𝑆
𝑋 (1.1)
Trong đó:
rsu = tốc độ tiêu thụ cơ chất (chất ô nhiễm), g/m3
/ngày
k = tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa, g cơ chất/g VSS/ngày
X = nồng độ sinh khối (vi khuẩn), g VSS/m3
S = nồng độ cơ chất (quyết định tốc độ), g/m3
Ks = hằng số bán bão hòa = nồng độ cơ chất mà ở đó tốc độ tiêu
thụ cơ chất riêng bằng 50% tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa,
g/m3
Theo phương trình (1.1), tốc độ phản ứng (xử lý) tỷ lệ thuận với tốc độ riêng
tối đa k (trong quá trình XLYK là hoạt tính tạo metan riêng - SMA (Specific
Methanogenic Activity)) và nồng độ vi sinh X trong hệ phản ứng. SMA đặc trưng
cho tổ hợp vi khuẩn yếm khí xúc tác cho hệ phản ứng, đây là đại lượng rất đặc thù
và phụ thuộc vào nhiều yếu tố [10]: nhiệt độ; khả năng sinh hủy của chất bẩn; sự có
mặt của chất độc hay chất ức chế; nồng độ và phần VSS trong nước vào; mức độ
axit hóa trước của nước thải.
Như vậy tốc độ phản ứng sẽ tỷ lệ thuận với mật độ vi sinh X, nghĩa là muốn
giảm thể tích thiết bị phải tăng X. Tuy nhiên, khi đã tăng X cần những hệ phản ứng
cho phép làm việc ở X lớn mà không ảnh hưởng đến quá trình vận hành (bùn bông
lắng cũng chỉ có mật độ 6-8 g/L). Vì vậy, các kỹ thuật phản ứng mới muốn có năng
suất xử lý cao phải đồng thời giải quyết được các yêu cầu: tăng X nhưng không thất
thoát mất vi sinh và tiếp xúc vi sinh/nước thải tốt (khuấy trộn). Các thiết bị phản
ứng “cao tải” (high - rate) thế hệ mới (AC, AF, UASB, FB, EGSB, IC, . . .) trình
bày ở sau giải quyết được các vấn đề này.
1.2. Lớp đệm bùn vi sinh yếm khí và vi sinh dạng hạt
Đột phá trong công nghệ XLYK đối với nước thải giàu hữu cơ là phát minh
của nhóm G. Lettinga [13]. Theo ý tưởng của tác giả, khả năng lưu giữ bùn hoạt
tính trong bồn phản ứng được đảm bảo nhờ sự hình thành lớp bùn bông mật độ cao
dày vài mét và nhất là bùn dạng hạt có tốc độ lắng rất cao kết hợp với việc áp dụng
cơ cấu tách ba pha K/L/R có dạng hình nón ở phần trên của lớp nước. Theo G.
Lettinga [14], ý tưởng về UASB được kế thừa và phát triển khi nghiên cứu hệ lọc

20. 7
yếm khí với tải lượng trên 10 kg COD/m3
/ngày. Trong quá trình nghiên cứu các tác
giả đã ghi nhận sự xuất hiện của bùn hoạt tính cóhoạt tính cao và lắng rất tốt. Điều
này đã dẫn tới cách tiếp cận về một kỹ thuật XLYK mới mà bây giờ gọi là UASB.
Năm 1971-1972 các pilot quy mô6 và30 m3
lần lượt được thử nghiệm, kết quả thu
được đã chứng minh tính khả thi của UASB. Năm 1976 hệ UASB đầu tiên quy mô
200 m3
được đưa vào vận hành ở nhà máy đường, một năm sau hệ UASB quy mô
1000 m3
được xây dựng và ngay sau đó là nhà máy thứ hai ở Breda – HàLan.
Thành công của UASB kéo theo hàng loạt những nghiên cứu về vi sinh dạng hạt.
Sự hình thành vi sinh dạng hạt
Trong công nghệ XLYK nước thải, nhất là nước thải giàu hữu cơ, khi các tế
bào tự tập hợp lại để tạo thành các hạt bùn bền, có hoạt tính cao và có khả năng lắng
rất nhanh đã trở thành đối tượng nghiên cứu hàng đầu [15]. Hạt bùn vi sinh yếm khí
là tập hợp vi sinh có mật độ cao được hình thành trong mối quan hệ tương hỗ với
môi trường xung quanh (đặc trưng nước thải, đặc trưng thủy động của dòng chảy).
Sự phân hủy các thành phần ô nhiễm trong nước thải được thực hiện nhờ những lớp
vi sinh chức năng tương ứng có mặt trong hạt bùn. Trên cơ sở các quan hệ tương hỗ
này Fitzpatrick vàcs. (1989) [16] cho rằng sự hình thành bùn dạng hạt là bản năng
của vi sinh, nó có thể là do (1) sự tập hợp các tế bào (tạo hạt bùn) để hình thành các
quần thể vi sinh không đồng nhất dưới dạng tập hợp đa tế bào ở điều kiện sinh lý
thuận lợi, điều này dẫn tới (2) tương tác tương hỗ giữa các vi sinh vật lân cận tạo
thuận lợi cho trao đổi các yếu tố di truyền, (3) sự tạo hạt có thể bảo vệ các vi sinh
khỏi các nguyên sinh động vật ăn vi khuẩn yếm khí, (4) trong thể tích hạt quãng
đường khuếch tán của các sản phẩm lên men trung gian tới các vi khuẩn chuyển hóa
tiếp theo được rút ngắn. Điều này làm giảm năng lượng tiêu tốn cho quá trình vận
chuyển chất, tăng hiệu quả chuyển hóa, và (5) ở điều kiện không tốt cho sự sinh
trưởng của vi sinh (ví dụ, pH vượt ngưỡng, có mặt chất độc v.v…), môi trường cục
bộ trong hạt vi sinh sẽ ít bị ảnh hưởng hơn, vì vậy sự chuyển hóa ít bị ảnh hưởng.
Các lý thuyết/quan điểm về sự hình thành bùn vi sinh yếm khí dạng hạt liên quan
đến hoạt động của các hệ XLYK cao tải, một số quan điểm về sự tạo hạt bùn được
tóm tắt dưới đây.

21. 8
Đối với quá trình metan hóa, sự tự bám dính của vi khuẩn hay hiện tượng tự
tập hợp của vi khuẩn được coi là sự bắt đầu của quá trình tạo hạt bùn. Nó là hệ quả
của tương tác vi khuẩn-vi khuẩn hoặc vi khuẩn-bề mặt rắn. Về mặt nhiệt động học,
khi vi khuẩn tiến lại gần nhau chúng đồng thời chịu các lực tác động ngược chiều
nhau, một mặt là lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu, mặt khác là lực hút phân
tử van de Waals, tiếp theo là tương tác với các phân tử nước (hydrat hóa) và giữa
các hạt đã hydrat hóa. Một số lý thuyết/quan điểm, thuyết hóa lý, đã được xây dựng
trên cơ sở phân tích các hiện tượng này.
Lettinga et al. (1980) [13] cho rằng khi có mặt “mầm” hoặc các hạt vật liệu
rắn rất nhỏ, vi khuẩn có thể bám lên bề mặt “mầm” để tạo thành các phôi hạt. Tiếp
theo, vi khuẩn tiếp tục bám lên các phôi hạt này cho tới khi tạo hạt bùn thấy được
bằng mắt. Minh chứng cho vai trò của mầm rắn đã được chứng minh bằng thực
nghiệm khi Hulshoff Pol cho thêm các hạt khoáng chất zeolit hoặc hydro-anthraxit
có kích cỡ khoảng 100 m vào môi trường nuôi vi khuẩn, chúng đã đẩy nhanh quá
trình tạo hạt bùn yếm khí[17]. Hulshoff Pol vàcs. (1988) [18] cho rằng sự tập hợp
vi khuẩn thành hạt là phản ứng của vi khuẩn để chống lại các áp lực trong quá trình
chọn lọc. Trong bồn/bể phản ứng kiểu UASB, dòng chất lỏng chảy ngược chính là
áp lực của quá trình chọn lọc, dưới tác dụng của dòng chảy các bông tế bào cókhả
năng tạo hạt/bám dính kém vànhẹ sẽ bị rửa trôi theo nước ra khỏi bồn phản ứng,
khi đó trong bồn sẽ còn lại các tập hợp vi sinh có khả năng bám dính có mật độ lớn
hơn, nặng hơn. Áp lực chọn lọc do dòng chảy rất quan trọng [15]. Thực tế cho thấy
bùn bông yếm khí có thể dần chuyển thành các tập hợp dạng hạt khi thời gian lưu
thủy lực (HRT) nhỏ hơn 8 giờ. Trong trường hợp HRT quá lớn hay áp lực chọn lọc
nhỏ không thấy hiện tượng tạo bùn hạt [17] [18]. Như vậy, trong UASB cũng như
các hệ cao tải khác như EGSB và IC dòng nước thải luôn chảy từ dưới lên, ngược
dòng cặn lắng là áp lực chọn lọc trong quá trình tạo bùn dạng hạt.
Pereboom vàVereijken (1994) [19] cho rằng xuất phát điểm của quá trình
tạo hạt là do quá trình va chạm, bám dính giữa các hạt chất rắn lơ lửng (SS) có
trong nước thải đầu vào. Chuyển động hỗn loạn có định hướng của dòng chất lỏng
và chất khí trong bồn là nguyên nhân của các va chạm này. Sự tăng kích thước tiếp
theo của các hạt ban đầu thuần túy là do khả năng bám dính của vi khuẩn. Đã ghi

22. 9
nhận là nước thải có hàm lượng SS cao sẽ tạo thành nhiều hạt bùn nhỏ với phân bố
rất hẹp, còn nếu SS thấp hoặc không có SS thì hạt bùn sinh ra có phân bố theo kích
thước đều.
Ở pH trung tính các vi khuẩn là các hạt tích điện âm. Vìvậy, để tăng cường
khả năng bám dính cần cấp thêm các ion hóa trị dương cao (cation đa điện tích) cho
hạt mầm. Nhiều thực nghiệm đã chứng minh là sự bổ sung các ion Ca2+
, Mg2+
và
Al3+
tăng tốc quá trình tạo hạt trong bồn UASB [20] [21]. Tuy nhiên, nồng độ Ca2+
 500 mg/L là có hại đối với quá trình tạo hạt [21].
Các cation đa điện tích tăng cường quá trình tạo hạt nhờ tương tác giữa
chúng với lớp polyme ngoại bào (Extracellular Polymers-ECPs) được vi khuẩn tiết
ra [22]. Ca2+
tạo liên kết bắc cầu giữa ECPs với ECPs, vi khuẩn lại bám dính theo
ECPs để tạo cấu trúc ba chiều từ các tập hợp đa tế bào, ở đây vi khuẩn tiếp tục phát
triển để tiếp tục tăng kích thước hạt. Bản thân ECPs có thể thúc đẩy đồng thời các
quá trình bám dính (adhesion) của các vi khuẩn bên ngoài cũng như lực hút nội hạt
(cohesion) đem lại độ bền cho các hạt bùn. ECP cũng có thể làm giảm điện tích âm
bề mặt của vi khuẩn, khi đó lực đẩy tĩnh điện giảm làm chúng có thể hút nhau bằng
lực van de Waals cũng như tăng cường khả năng bám dính của vi khuẩn lên vật liệu
mầm hạt [23]. Show & cs. (2004a,b) [24] [25] vàWang & cs. (2004) [26] đã nghiên
cứu ảnh hưởng của các chất keo tụ polyme lên quá trình tạo hạt bùn trong quátrình
khởi động UASB ở cấp độ phòng thí nghiệm. Các kết quả cho thấy với liều polyme
ở mức 20 mg/L thời gian khởi động giảm 46%, đồng thời tải hữu cơ đầu vào tăng
thêm hơn 33%.
Một yếu tố cản trở khả năng tự tập hợp của các vi khuẩn là lực đẩy giữa các
tế bào đã hydrat hóa (bọc bởi các phân tử nước). Để giảm điều này cần giảm yếu tố
hydrat hóa hay dehydrat hóa hay hydrophob hóa (làm kị nước) đối với các tế bào.
Mô hình kỵ nước hóa tế bào được đề xuất bởi J. Wilschut vàD. Hoekstra [27], theo
đó khi bề mặt vi khuẩn trở nên kị nước chúng sẽ hút nhau để tạo hạt. Về mặt nhiệt
động, tăng tính kị nước sẽ làm giảm năng lượng tự do Gibbs của bề mặt tế bào, điều
này sẽ hỗ trợ tương tác tế bào-tế bào và tăng cường quá trình tự tạo hạt vi khuẩn
trong nước [28]. Yếu điểm chính của các mô hình/lý thuyết hóa lý là coi tế bào như

23. 10
hạt vật chất thuần túy. Để khắc phục nhược điểm này cần xét đến các yếu tố sinh
học. Hướng nghiên cứu này được thúc đẩy mạnh trong hai thập kỷ gần đây.
Trong hệ xử lý nước thải vi khuẩn thường là tập hợp của nhiều loài cộng sinh
có tác dụng tương hỗ phù hợp với những quá trình chuyển hóa sinh hóa mà chúng là
xúc tác để thực hiện. Mô hình tác động tương hỗ cho rằng các tác động tương hỗ
ban đầu sẽ dẫn tới sự hình thành những tập hợp tế bào đầu tiên, các vi khuẩn lạc là
các vi hạt bao gồm các vi khuẩn của nhiều chủng với các chức năng tương hỗ nhau,
tiếp theo là tăng kích thước ba chiều nhờ sinh trưởng. Điều này giải thích hoạt tính
cao của bùn dạng hạt vì các tế bào không cần thiết cho chuỗi các quá trình chuyển
hóa sẽ tự bị loại bỏ. Để duy trì cấu trúc tối ưu này, các tế bào trong thành phần hạt
sẽ tự tập hợp theo một trật tự hợp lý, và nhờ cơ chế thông tin di truyền chúng có thể
phát triển để tạo các hạt mới [29].
MacLeod & cs. (1990) [30] vàGuiot & cs. (1988) [31] là những tác giả đầu
tiên đề xuất mô hình đa lớp (multi-layer). Theo đó, hạt bùn có cấu trúc đa lớp, mỗi
lớp sẽ có thành phần tế bào và chức năng chuyển hóa tương ứng. Lớp trong cùng
chủ yếu là các vi khuẩn metan hóa, chúng đồng thời đóng vai trò vi hạt ban đầu để
từ đây sẽ phát triển thành hạt bùn. Các vi khuẩn tạo H2 và tiêu thụ H2 sẽ nằm ở các
lớp giữa của hạt, lớp ngoài cùng là hỗn hợp các vi khuẩn dạng que, dạng cầu và
dạng sợi. Để tạo metan, thứ tự không gian của các lớp rất quan trọng. Mô hình cấu
trúc đa lớp được nhiều tác giả nghiên cứu.
Dubourgier & cs. (1987) [32] khi kết hợp quan sát hiển vi kết hợp với các
phép đo hoạt tính đã đề xuất mô hình tự tạo hạt. Theo đó bắt đầu là các vi khuẩn
Methanosaeta dạng sợi cuốn theo các khuẩn lạc của các vi khuẩn axit hóa dạng cầu
hoặc que để tạo các hạt kích thước 10–50 m. Tiếp theo, các sợi Methanosaeta nhờ
cấu trúc dạng sợi có bề mặt phát triển sẽ đóng vai trò cầu nối kéo các hạt nhỏ này lại
với nhau để tạo các hạt lớn hơn có kích thước từ 200 m trở lên. Tiếp theo chúng sẽ
dính tiếp các vi khuẩn axit hóa và các vi khuẩn chức năng phù hợp khác. Ý tưởng
chính của tác giả là các sợi Methanosaeta đóng vai trò quyết định trong việc tạo độ
bền cho hạt bùn bằng cách tạo mạng lưới cấu trúc ổn định. Các công trình sau đó
của Morgan &cs. (1991a,b) [33] [34] cũng củng cố giả thiết về vai trò quyết định
của Methanosaeta và các polyme ngoại bào trong việc tạo hạt bùn.

24. 11
Các hệ XLYK cao tải thường được khởi động với mầm bùn hạt nhập từ các
hệ XLYK đang hoạt động. Các loại bùn hạt trong các hệ xử lý nước thải khác nhau
có các đặc trưng khác nhau, các khái niệm về bùn hạt và các đặc trưng của chúng
được van Lier, (2015) [4] đề xuất và tóm tắt trong Bảng 1.1.
Bảng 1. 1. Đặc trưng của bùn hạt tốt [4]
Năng lực chuyển hóa
- Vùng hoạt tính tạo metan riêng: 0,1–2,0 kg COD-
CH4/kg VSS/ngày
- Thường gặp, nước thải công nghiệp: 0,3–1,0 kg
COD-CH4/kg VSS/ngày
Tốc độ lắng và các tính
chất vật lý
- Tốc độ lắng: 2–100 m h1
; thường gặp: 30–75 m h1
- Đường kính: 0,1–8 mm; thường gặp: 0,15–4 mm
- Hình dạng: gần cầu và có bề mặt rõ ràng
- Màu sắc: đen/xám/trắng
Trong trường hợp khởi động hệ XLYK cao tải với bùn bông cần chú ý tới tốc
độ lắng của bùn bông, thường bùn bông tốt có tốc độ lắng khoảng 8-10 m/h [35],
lưu ý là tốc độ nước dâng phải kiểm soát ứng với HRT dưới 8h [15]. Trong quá
trình khởi động, ngoài việc theo dõi các thông số thông thường như tải lượng vào,
tải lượng ra, … còn cần quan tâm đến mức độ tạo bùn hạt và các đặc trưng của
chúng. Khi bùn hạt đã hình thành tốt thì có thể tăng tải lượng tới hoặc vượt mức
thiết kế.
1.3. Các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm bùn vi sinh và vi sinh
dạng hạt
Theo J.B. van Lier (2015) [4], các hệ thống yếm khí cao tải sử dụng lớp đệm
bùn vi sinh và vi sinh dạng hạt gồm:
i) Hệ yếm khí tiếp xúc AC (Anaerobic Contact) và Bồn/bể lọc yếm khí
AF (Anaerobic Filter).
ii) Bể phản ứng kiểu UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket = Bể
phản ứng ngược dòng qua lớp đệm bùn yếm khí).
iii) Bể phản ứng kiểu FB (Fluidised Bed = Bể phản ứng với lớp vi sinh
dạng lưu thể).

25. 12
iv) Bể phản ứng kiểu EGSB (Expanded Granular Sludge Bed = Bể phản
ứng với lớp bùn hạt giãn nở).
v) Bể phản ứng kiểu IC (Internal Circulation = tuần hoàn nội).
vi) Các thiết bị đang được phát triển cho tương lai
1.3.1. Hệ yếm khí tiếp xúc AC và Bồn/bể lọc yếm khí AF
Trong số các hệ XLYK cao tải thì AC và AF được coi là thế hệ đầu [4]. Đặc
trưng của AC là thời gian lưu bùn SRT bằng thời gian lưu nước HRT. Để đảm bảo
tiếp xúc tốt, bồn phản ứng kiểu AC luôn được khuấy trộn tốt, dòng ra khỏi AC được
đưa qua bể lắng, bùn lắng được bơm tuần hoàn về bể AC để duy trì mật độ vi sinh
cố định. Hệ AC đầu tiên được ứng dụng năm 1955 để xử lý nước thải nhà máy thực
phẩm đóng hộp có COD tương đối loãng, khoảng 1300 mg.L-1
[36]. Các cố gắng áp
dụng AC để xử lý nước thải đặc không thành công. Ngoài ra, AC còn có nhược
điểm nữa là bùn yếm khí rất khó lắng. Các cố gắng khắc phục ít kết quả, từ khi xuất
hiện các hệ XLYK thế hệ hai và ba hệ AC gần như không được phổ biến thêm [37].
Để giảm thiểu sự thoát bùn, các hệ XLYK cao tải tiếp theo sử dụng vật liệu
mang vi sinh cố định và hệ AF ra đời. Trong thực tế AF cũng được ứng dụng từ
những năm 1960, bắt đầu ở Mỹ để xử lý nước thải công nghiệp đậm đặc [12]. Hệ
AF còn được gọi là bồn/bể phản ứng yếm khí với lớp đệm cố định, vật liệu đệm
đóng vai trò là vật liệu bám dính, lớp vi sinh bám dính khi bong ra rất dễ lắng. Ưu
điểm của hệ AF là dễ khởi động, chấp nhận tải lượng VLR khá cao (khoảng 10 kg
COD.m-3
.ngày-1
) cho phép xử lý tốt nước thải công nghiệp đậm đặc, nhờ đó mà nó
phổ biến cho tới những năm 1980, giảm dần từ những năm 1990 khi UASB và các
hệ yếm khí cao tải thế hệ ba ra đời. Yếu điểm chính của AF là khả năng tắc lớp lọc,
sinh ra các dòng chảy tắt dẫn đến giảm hiệu quả xử lý, vì vậy chúng cần có bơm
tuần hoàn mạnh và giới hạn ứng dụng với nước thải không có hoặc có SS rất thấp
hoặc phải có hệ tiền xử lý [37].
1.3.2. Bồn/bể phản ứng kiểu UASB
UASB được coi là hệ XLYK cao tải thế hệ hai, phổ biến mạnh từ 1980 bắt
đầu từ Hà Lan. UASB có thể làm việc với bùn bông tốt hoặc bùn hạt, hỗn hợp phản
ứng và khí sinh ra đi từ dưới lên va chạm với bộ tách ba pha K/L/R dạng hình nón
ngược, khí sẽ tách khỏi bùn rắn thoát ra ngoài, bùn vi sinh sẽ rơi trở lại vùng phản

26. 13
ứng vàtiếp tục quátrình xử lý, biogas sinh ra lại kéo bùn lên và cứ thế hỗn hợp
phản ứng được tự khuấy trộn nên hiệu quả xử lý rất cao. Nhờ sự đơn giản, hiệu quả
xử lý cao, kể từ đầu những năm 1980 UASB dần thay thế chỗ của AC và AF, hàng
nghìn thiết bị UASB đã được triển khai trên toàn thế giới [12] [35] [37]. Thập niên
1990 là thời gian UASB thống trị thị trường các hệ XLYK, các hệ XLYK với lớp
đệm bùn chiếm tới khoảng 90% công suất XLYK mới được lắp đặt [37]. Đến nay,
UASB là hệ được nghiên cứu kỹ nhất.
Nguyên tắc căn bản của kỹ thuật UASB là sử dụng khả năng tạo thành hạt vi
sinh của một số dạng vi sinh yếm khí nhất định, chúng tạo thành tập hợp kết tụ đặc,
thường được gọi là hạt vi sinh với kích thước có thể đạt đến vài mm. Hạt vi sinh với
tính chất trên có khả năng lắng rất tốt và vì vậy dễ tích lũy sinh khối trong hệ phản
ứng, loại không có khả năng tạo hạt sẽ trôi theo nước ra ngoài. Với phương thức
chọn lọc vi sinh trên, mật độ sinh khối trong bể phản ứng đạt rất cao, thông thường
20 – 30 kg/m3
.
Ưu điểm của UASB so với AF là UASB không cần vật liệu mang. Điều này
góp phần loại trừ hiện tượng tắc, chảy tắt và giảm chi phí đầu tư. Bùn UASB, nhất
là bùn hạt lắng tốt, điều này cho phép áp dụng HRT nhỏ, nồng độ vi sinh cao (có thể
tới 80 g/L) góp phần tăng năng suất xử lý và có thể áp dụng cho VLR cao, hệ tách
K/L/R hiệu quả làm tăng chất lượng nước ra và kiểm soát tốt nồng độ vi sinh trong
bồn phản ứng [38]. Đối với UASB, giá trị tải thể tích (VLR) thiết kế thường nằm
trong khoảng 4–15 kgCOD/m3
/ngày [39]. Một trong những nhược điểm chính của
UASB là khi áp dụng cho nước thải giàu SS, sự có mặt của cặn lơ lửng sẽ cản trở sự
hình thành bùn hạt [40].
Bể xử lý theo kỹ thuật UASB có các đặc trưng chính sau: nước thải cần xử lý
được phân bố đều vào đáy bể, tại một khoảng chiều cao nhất định tồn tại một lớp
sinh khối với mật độ cao, tầng hạt vi sinh có độ cao chiếm tới 2/3 của chiều cao cột
nước, trên lớp sinh khối là lớp nước cómật độ sinh khối thấp và trên cùng là lớp
tách pha (rắn - lỏng – khí). Bể xử lý theo kỹ thuật UASB có thể là dạng hình trụ
hoặc khối hộp chữ nhật với chiều cao của mức nước 4 – 5 m.
Nước của dòng vào được phân tán đều ở phía dưới lớp bùn, chảy ngược lên
phía trên với tốc độ 1 – 2 m/h, cùng với khí tạo thành để duy trì trạng thái lơ lửng

27. 14
của tầng vi sinh. Nhằm đảm bảo cho vi sinh được giữ lại trong khối phản ứng, hạt vi
sinh, nước và khí trong khối phản ứng được tách rời nhau nhờ hệ thống tách ba pha:
khí và nước thoát ra ngoài bể phản ứng, hạt vi sinh rơi trở lại vào vùng phản ứng.
Quátrình rơi trở lại khối phản ứng của hạt vi sinh làm tăng khả năng tiếp xúc với
nguồn cơ chất, tức là thúc đẩy thêm quá trình chuyển khối trong hệ ngoài quá trình
khuấy trộn do dòng chảy ngược và chuyển động của khí. Sơ đồ hệ thống xử lý theo
kỹ thuật UASB được trình bày trong Hình 1.2.
Hình 1. 2. Sơ đồ hệ xử lý UASB [41]
Có thể thay thế bộ tách K/L/R bằng tầng AF ở phía trên bể phản ứng, khi đó
ta có hệ lai UASB-AF, lúc này hệ lai sẽ mang đầy đủ các ưu điểm của hai hệ.
Những hệ lai kiểu này đã được áp dụng để xử lý nhiều loại nước thải công nghiệp
và cả nước thải sinh hoạt [40] [41]. Các hệ XLYK lai thể hiện tốt hơn UASB khi xử
lý nước thải hóa chất.
Do các kỹ thuật này sử dụng quá trình yếm khí chuyển hóa chất hữu cơ thành
biogas, nhóm công nghệ tốc độ cao này trong nhiều trường hợp đã trở thành công
cụ để thực hiện chiến lược WtE (Waste to Energy – biến chất thải thành năng lượng)
trong bối cảnh an ninh năng lượng ngày càng được coi trọng không chỉ ở cấp độ của
các công ty mà còn ở cấp độ quốc gia, kể cả ở Việt Nam.
Do khả năng xử lý rất hiệu quả của UASB, công nghệ xử lý yếm khí với lớp
bùn vi sinh dạng hạt tiếp tục được hoàn thiện, các biến thể sau đó là các kỹ thuật
EGSB và IC . . ., chúng đã thực sự trở thành nhóm công nghệ xử lý tốc độ cao

28. 15
(“high – rate”) và được áp dụng rộng rãi để xử lý nước thải cũng như rác hữu cơ
(sau thủy phân). Sau UASB, các loại thiết bị chính sử dụng màng vi sinh dạng hạt
gồm FB, EGSB vàIC.
1.3.3. Bồn phản ứng kiểu FB
Hệ phản ứng yếm khí FB được coi là hệ phản ứng với lớp đệm bùn hoạt tính
thế hệ hai có VLR rất cao (ở điều kiện phòng thí nghiệm có thể đạt tới 30–60 kg
COD/m3
.ngày1
, ở điều kiện thực tế: 20–40 kgCOD/m3
.ngày1
) [4]. Để tăng cường
yếu tố VLR, ngoài mật độ vi sinh (thường được giới hạn) và nhiệt độ T (thường cố
định) thì yếu tố tiếp xúc hay khuấy trộn đóng vai trò quyết định (nhờ tăng tốc độ
khuếch tán). Tăng yếu tố tiếp xúc đồng nghĩa với tăng cường độ khuấy trộn (thường
là bằng bơm tuần hoàn) dòng nước đi lên có tốc độ lớn sẽ kéo theo vi sinh. Để đảm
bảo yêu cầu ổn định mật độ vi sinh thì không được để vi sinh thoát ra. Về mặt kỹ
thuật, điều này được giải quyết bằng các phương pháp phổ biến đã biết, ví dụ như
sử dụng bộ tách K/L/R, sử dụng vi sinh bám dính trên các hạt vật liệu nhỏ đủ nặng.
Trong hệ FB, vật liệu vi sinh bám dính thường là cát mịn (đường kính 0,1–0,3 mm),
hoặc đá basalt, pumice hoặc plastic. FB được coi là hệ xử lý tiên tiến vì VLR có thể
vượt 40 kgCOD/m3
.ngày1
[42] [43]. Tuy nhiên, điều này chỉ đạt được trong những
điều kiện nhất định [44]. Việc sử dụng vật liệu mang cũng gây ra những khó khăn
khi vận hành. Độ ổn định của hệ thống chỉ đạt được nếu các hạt vi sinh tạo thành
nhờ sự bám dính của vi sinh trên các hạt vật liệu mang phải tương đối ổn định và
đồng nhất (về độ dày, mật độ, độ bền). Đây là điều rất khó đạt được trong điều kiện
FB, nhất là khi nước thải đầu vào chứa SS cao [45]. Trong thực tế, hiện tượng bong,
tróc màng vi sinh thường xảy ra, khi đó trong bồn sẽ xuất hiện hai loại vi sinh: loại
bám dính có tỷ khối nặng hơn và loại vi sinh không bám dính nhẹ hơn có xu thế nổi
lên và thoát ra ngoài, khi đó sẽ phải giảm tốc độ nước dâng, hoặc phải bố trí hệ tách
lỏng-rắn và tuần hoàn, điều này đi ngược lại nguyên lý của hệ FB [4].
Hiện nay, rất ít hãng theo đuổi thiết kế kiểu hệ FB, nổi tiếng nhất là hệ
Anaflux của Degrémont (CH Pháp), thực tế là Anaflux giống hệ với lớp đệm giãn
nở hơn là lưu thể [46], điểm khác biệt so với EGSB chỉ là ở đây có sử dụng vật liệu
mang vi sinh. Trong Anaflux sử dụng vật liệu trơ, xốp có đường kính < 0,5 mm để
vi sinh bám dính. Hệ Anaflux cũng trang bị hệ tách 3 pha K/L/R trên đỉnh bồn

29. 16
tương tự như UASB và EGSB. Bằng cách này mật độ bùn trong bồn phản ứng có
thể được kiểm soát ở mức ổn định rất cao, tới 30–90 kg VSS/m3
. Để các hạt vi sinh
luôn ở trạng thái lơ lửng, tốc độ nước dâng tới 10 m/h được duy trì bằng bơm tuần
hoàn. Hệ này yêu cầu khống chế SS trong nước thải đầu vào dưới 500 mg/L. Mặc
dù năng suất xử lý rất cao nhưng do độ phức tạp của hệ thống cũng như quy trình
vận hành, FB không được phổ biến rộng như EGSB [4].
Phụ thuộc vào chất mang (cát, đá bazan, thủy tinh xốp, than hoạt tính, vật
liệu polymer), kích thước của chúng cũng như cấu hình của bể phản ứng, tốc độ
dòng nước duy trì trong vùng 5 – 30 m/h nhằm giữ cho tầng vi sinh có một chiều
cao nhất định và sinh khối không bị trôi ra ngoài. Tốc độ dòng quá cao làm bong
màng vi sinh ra khỏi chất mang.
Để xử lý được tải lượng hữu cơ cao, bể phản ứng tầng lưu thể (thực chất là
bể metan hóa) đòi hỏi nguồn nước thải chứa ít cặn không tan và nguồn thải đó đã
qua giai đoạn axit hóa, vì vậy những hệ thống hoạt động trong thực tế đều thiết kế
hệ thống axit hóa riêng biệt, ghép trước giai đoạn tầng lưu thể.
Chiều cao của bể xử lý tầng lưu thể có thể tới 30 m, tỷ lệ giữa chiều cao và
đường kính của bể nằm trong khoảng giá trị 2 – 6 [47].
1.3.4. Bồn/bể phản ứng kiểu EGSB
Một trong các biến thể của thiết bị UASB là thiết bị EGSB (Hình 1.3). Cấu
tạo và nguyên lý hoạt động gần giống như UASB, nước thải đi vào đáy thiết bị và đi
qua lớp bùn hạt yếm khí, tại đó xảy ra quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ. Điểm
khác biệt là để tạo được tầng sôi của lớp bùn thì các điều kiện liên quan đến vận tốc
dòng cần cung cấp với chất lỏng (10 m.h-1
) vàkhí(7 m.h-1
) [48]. Bùn hạt, khí và
nước được tách ra tại bộ tách ba pha ở phía trên của bồn phản ứng. Nước thải ra sau
khi đi qua phần lắng tách bùn, các hạt lắng xuống trở lại vùng thể tích hoạt động
của lớp bùn giãn nở trong bồn phản ứng, khí biogas được thải ra qua các đường
thoát khí. Thiết kế đặc biệt của bộ tách ba pha cho phép tải thủy lực cao hơn nhiều
so với khả năng đạt được trong các bồn phản ứng USB [49]. Sinh khối được giữ lại
trong bể phản ứng nhờ cấu trúc mở rộng của bể xử lý ở phía bên trên.

30. 17
Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý hệ EGSB [48]
Hệ EGSB chỉ áp dụng với bùn vi sinh yếm khí dạng hạt. Tải lượng VLR và
tốc độ nước dâng trong EGSB cao hơn nhiều so với UASB. Nhờ tốc độ nước dâng
lớn, lớp bùn hạt trong EGSB luôn ở trạng thái lơ lửng. Mật độ vi sinh lớn kết hợp
với khuấy trộn thủy lực mạnh đảm bảo tiếp xúc nước thải/vi sinh tốt nên hệ này có
thể chấp nhận VLR cao hơn nhiều so với UASB.
Trong các hệ XLYK công nghiệp với lớp bùn giãn nở, ví dụ Biobed EGSB
và Biopaq IC, khi xử lý các loại nước thải khác nhau tải VLR thường được lấy ở
mức 25–35 kg COD/m3
/ngày. Tùy vào tải COD lượng biogas sinh ra được tính theo
phương trình 1.1 [4].
liquidupw
biogasmeth
metheff
concbiogas
V
T
F
E
CODV 

 
 .
273
)273(
.
35,0
.
100
.
(1.1)
Trong đó:
Eff-meth = lượng COD chuyển hóa thành CH4 hoặc hiệu quả xử lý COD
dựa trên CH4 thành phẩm.
Fmeth-biogas = phần của mêtan trong khí sinh học (ví dụ 0,6 cho 60% CH4).
T = nhiệt độ hoạt động của thiết bị phản ứng (° C)
Vupw-liquid = vận tốc đi lên của chất lỏng trong thiết bị phản ứng UASB,
m/h.

31. 18
Thông thường, tải biogas không được vượt quá 2–3 m3
/m2
/h là giới hạn dùng
để tính thiết kế bộ tách K/L/R trong UASB. Nếu tải biogas vượt giới hạn này thì cần
thiết kế bộ tách K/L/R có diện tích lớn hơn và hiệu quả hơn. EGSB thường có tỷ lệ
chiều cao:đường kính lớn, trong đó chiều cao có thể lên tới 25 m, khi đó lượng khí
càng lên cao. Mặt khác, việc lưu giữ bùn sinh khối là nguyên tắc của EGSB, vì vậy
hiệu quả tách K/L/R rất quan trọng. Các thiết kế bộ tách K/L/R thường có bản
quyền và phụ thuộc vào hãng thiết kế.
Thực tế ứng dụng cho thấy hệ EGSB và các hệ tương tự xử lý được nhiều
loại nước thải mà UASB không xử lý được, chẳng hạn: nước thải chứa formalđehit
có nồng độ tới 10 g/L [50] [51]; Nước thải dệt nhuộm chứa chất màu thường độc
đối với vi sinh [52].
1.4. Kỹ thuật tuần hoàn nội IC
Sự thành công của kỹ thuật UASB cũng như trào lưu nghiên cứu và ứng
dụng các biến thể mạnh mẽ hơn về sau của kỹ thuật sử dụng vi sinh yếm khí dạng
hạt, điều này được chứng minh bằng sự xuất hiện của hàng loạt các sách chuyên
khảo về vi sinh dạng hạt [53].
Các kỹ thuật vi sinh yếm khí dạng hạt bắt đầu phát triển từ giữa những năm
1970. Số liệu tới năm 2000 cho thấy các kỹ thuật này hiện đã chiếm tới khoảng 65%
tổng số các nhà máy yếm khí xử lý nước thải công nghiệp. Nhiều nhà máy dùng các
kỹ thuật cũ cũng đang chuyển dần sang nhóm kỹ thuật này, trong số các hệ thống
xây mới thì hầu như sử dụng kỹ thuật vi sinh dạng hạt, đến 2015 ước tính khoảng
4000 hệ yếm khí cao tải đã được xây dựng [4]. Trong khoảng 40 năm trở lại đây
nhiều thiết kế khác nhau được đề xuất, ứng dụng của kỹ thuật yếm khí bắt đầu từ
nước thải công nghiệp đậm đặc đã lan sang nước thải sinh hoạt. Tài liệu hướng dẫn
thiết kế kỹ thuật yếm khí, nhất là kỹ thuật UASB là tương đối phổ biến. Tuy nhiên
đối với các kỹ thuật tiên tiến nhất như EGSB hoặc IC thì tài liệu thường bị hạn chế
bởi các patent nên chỉ có thể tìm thấy các thông tin lẻ tẻ qua các báo cáo khoa học.
1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Kỹ thuật tuần hoàn nội IC bắt đầu từ bằng sáng chế của Vellinga (1986) [54].
Thành phần cấu tạo cơ bản của hệ xử lý tuần hoàn nội gồm hệ phân bố nước đầu

32. 19
vào, cơ cấu tuần hoàn nội, vùng phản ứng cao tải ở phía dưới và vùng phản ứng tải
lượng thấp (làm sạch sâu) nằm ở phía trên (Hình 1.4).
Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý hệ IC [48]
Thiết bị phản ứng kiểu IC có dạng như hai bồn UASB chồng lên nhau,
thường là hình trụ có chiều cao khoảng 20 m, tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính
nằm trong khoảng giá trị 2,3 – 8.
Cấu trúc của bộ phận phân phối dòng vào có dạng hình nón, dòng tuần hoàn
nội hướng từ trên xuống vào vị trí chóp nón theo phương tiếp tuyến, tạo thành dòng
chảy xoáy khi hòa trộn với dòng vào trong cấu trúc hình nón. Trên lớp vỏ của cấu
trúc hình nón cần chọn một khoảng cách và một khoảng trống hình thành do sự xen
phủ của các tấm vỏ để nước từ phía trong phân bố ra đáy của bể xử lý với tiêu chí
phân bố đều trên toàn bộ tiết diện đáy và theo phương tiếp tuyến so với lớp bùn.
Bên trên hệ phân bố dòng vào là vùng phản ứng cao tải với lớp hạt vi sinh
giãn nở. Nước thải được đưa vào đáy của hệ xử lý, tiếp xúc với lớp bùn hạt mật độ
cao, phần lớn chất hữu cơ được chuyển hóa ở khoang này, khí biogas được sinh ra
được thu gom nhờ bộ tách pha thứ nhất và dẫn lên qua ống lên 1 (riser). Sự phân
hủy chất hữu cơ và hình thành biogas xảy ra chủ yếu tại đây. Vùng phản ứng cao tải
kéo dài cho tới tận phía dưới của bộ tách khí thứ nhất, chiếm 55 – 65% chiều cao
của cột nước và tầng hạt vi sinh cũng có thể chiếm trọn chiều cao của nó (bộ tách

33. 20
khí thứ nhất có chiều cao khoảng 2m). Nhờ khả năng tự khuấy trộn mạnh trong
vùng phản ứng cao tải do dòng nước và khí nên khả năng tiếp xúc của vi sinh với cơ
chất rất tốt, dẫn đến tăng cường hiệu quả hoạt động của vi sinh vật.
Khi dòng khí chuyển động lên trong ống lên (riser) sẽ cuốn theo nước và bùn
(gas-lift) từ vùng phân hủy cao tải lên khoang tách khí-lỏng, khí đi ra ngoài, nước
và vi sinh được đưa trở lại đáy bể, hòa trộn với dòng vào qua đường ống dẫn xuống
rồi vào vùng phản ứng. Nước thải sau khi thoát khỏi vùng cao tải và qua hệ thống
tách khí số 1 chỉ còn chứa phần nhỏ lượng chất ô nhiễm vào vùng xử lý sâu (vùng
trên), khoang này đóng vai trò như một hệ xử lý thứ cấp và thực hiện tiếp quá trình
chuyển hóa chất hữu cơ, khí sinh ra cũng được thu gom nhờ bộ tách pha thứ hai và
cũng thực hiện quá trình gas-lift giống như khoang thứ nhất.
Phía trên của bộ phận tách số 2 có đường thoát nước ra giống như hệ UASB.
Nắp đậy phía trên có thể mở ra và được thiết kế kín để có thể hút khí và làm sạch nó.
Trên đỉnh bồn phản ứng còn có cơ cấu tách khí-lỏng, trong đó có hai ống lên từ hai
vùng phản ứng, một ống xuống. Khi vận hành, nước thải giàu hữu cơ sẽ được phân
phối đều từ đáy bồn, nước sau xử lý được thu gom ở mức nước trên.
Nước thải vào bồn, khi ra khỏi hệ phân phối ở đáy bồn sẽ đi từ dưới lên, qua
lớp bùn hoạt tính ở ngăn thứ nhất, phản ứng phân hủy yếm khí chất hữu cơ xảy ra
và sinh ra một lượng lớn biogas, khi đó cùng với dòng nước chảy ngược các bọt khí
sẽ kéo các hạt hoặc bông bùn hoạt tính đi lên như trong hệ tuyển nổi, khi va chạm
với bộ phận tách pha K/L/R thì khí tách ra, hạt bùn sẽ quay trở lại vùng phản ứng.
Như vậy, có thể nói cơ chế hoạt động của ngăn thứ nhất của IC giống hệt UASB.
Điểm khác biệt là toàn bộ lượng khí sau khi tách pha được gom vào ống đi lên, còn
ở UASB thì không. Trong UASB các tổ hợp khí-bùn đi lên, khi va chạm với cơ cấu
tách K/L/R thì các bọt khí biogas sẽ tách ra và đi vào ống thu biogas, còn những hạt
bùn đã tách khí hoàn toàn sẽ rơi xuống đáy bồn để tiếp tục chu kỳ phản ứng. Những
hạt bùn theo hỗn hợp phản ứng đi lên, nếu thoát được qua khe chắn tạo bởi bộ tách
pha K/L/R sẽ vào vùng lắng, quá trình phản ứng sẽ tiếp tục nhưng ở mức độ thấp
hơn. Với hệ UASB, tốc độ dâng nước bồn khoảng 1 m/h thìmột phần bông bùn nhẹ
sẽ theo nước vào các máng thu thoát ra ngoài làm giảm hiệu quả xử lý. Để khắc

34. 21
phục nhược điểm này của hệ UASB, hệ IC có ít nhất 2 ống lên cho mỗi ngăn/tầng
phản ứng.
Dòng nước vào được phân phối tại đáy bể, hòa trộn với các dòng tuần hoàn
(nước, bùn) tạo thành dòng chảy có tốc độ lớn dọc theo suốt chiều cao của vùng
phản ứng bên dưới. Dòng nước và vi sinh kéo lên nhờ khí nội sinh và quay vòng trở
lại vùng phản ứng cao tải là tính chất đặc trưng của kỹ thuật IC và vì vậy có tên là
tuần hoàn nội. Lượng bùn và nước tuần hoàn phụ thuộc vào lượng khí hình thành
trong khoang phản ứng cao tải.
Ở tầng một của IC, với tốc độ nước dâng có thể lên tới trên 20 m/h, khi tổ
hợp hạt bùn-biogas va chạm với bộ tách pha K/L/R ở tốc độ cao thì hiệu quả tách
khí sẽ cao hơn. Hơn nữa, biogas thoát ra sẽ kéo theo hỗn hợp những hạt bùn chưa
kịp tách khí đi vào ống lên rồi xả vào cơ cấu tách khí-lỏng thứ ba lắp trên nắp bồn,
quá trình tách khí tiếp tục xảy ra lần nữa, hỗn hợp bùn và nước đã tách khí sẽ theo
ống xuống quay lại đáy bồn để thực hiện chu trình phản ứng. Các hoạt động này
được lặp lại khi mà các tổ hợp khí-bùn “thoát” được hệ tách pha K/L/R ở tầng một,
chúng theo nước lên tầng hai, phản ứng sẽ tiếp tục nhưng ở mức độ thấp hơn nhiều
do phần lớn bùn hoạt tính được tập trung ở tầng một. Các tổ hợp bùn-biogas nếu
tránh được tác động của hệ tách K/L/R ở tầng hai sẽ được khí cuốn vào ống lên nữa
ở tầng 2, vào bộ tách pha trên đỉnh bồn, bùn sau khi được giải phóng khỏi các bọt
khí cũng theo ống xuống đáy bồn để tiếp tục chu kỳ phản ứng.
Điểm nổi bật của kỹ thuật IC là mật độ vi sinh rất cao và do đóng góp của
dòng tuần hoàn nội nên tốc độ dòng chảy ngược rất lớn (có thể lên tới 20 m/h), cộng
với việc dòng khí sinh ra lớn (do tốc độ chuyển hóa cao) làm tăng cường khả năng
khuấy trộn của hệ. Dòng tuần hoàn nội có tính chất tự điều chỉnh: nồng độ cơ chất
cao sinh ra lượng khí lớn kéo theo lưu lượng lớn của dòng tuần hoàn, tăng khả năng
khuấy trộn và pha loãng dòng vào.
Như vậy, để tăng cường khuấy trộn, khác với các trường hợp AF, FB, EGSB
phải dùng bơm tuần hoàn thì trong IC động lực để khuấy trộn bao gồm thành phần:
(1) dòng nước vào, (2) biogas phát sinh do phân hủy yếm khí, (3) dòng nước tuần
hoàn do airlift (khi khởi động sẽ phải dùng bơm và khi đó ta có (4) dòng lỏng do
bơm tuần hoàn. Trong IC, biogas phát sinh từ quá trình phân hủy yếm khí COD là

35. 22
động lực khuấy trộn quan trọng nhưng mức độ phát sinh biogas lại phụ thuộc vào
VLR và khả năng chuyển hóa của vi sinh [19] [55].
Cơ chế dâng (cuốn theo) dòng nước nhờ dòng khí (airlift) là nguyên tắc hoạt
động của thiết bị phản ứng kiểu khí dâng nước (airlift reactor – ALR). ALR gồm
một ống dâng nước (riser), một đường khí cấp khí vào ống dâng nước và một đường
xuống (downcomer). Khí sinh ra được gom về đáy ống đặt ngập trong nước, khi
chuyển động lên trên sẽ giãn nở ra (do giảm áp suất và khối lượng riêng) và gây tác
động tương tự như vậy đối với nước trong ống, dẫn tới nước chảy ngược lên theo và
kéo theo dòng nước xung quanh cùng chảy ngược thành dòng như bơm khí nâng
(airlift).
Như vậy, có thể nhận xét:
(1) IC là hệ phức tạp nhất trong số các hệ kể trên (ba lần tách pha, hệ tuần
hoàn bằng khí nội sinh), tuy nhiên nhờ cơ cấu tuần hoàn nội khuấy trộn sẽ tốt hơn
nên năng suất xử lý sẽ cao hơn, ít chi phí bơm tuần hoàn hơn để duy trì tốc độ dâng
nước lớn. Đây là lí do vì sao hệ IC hiện được cho là có năng suất xử lý cao nhất.
(2) Về khía cạnh thiết kế, chế tạo thì hệ IC rất khó thiết kế. Ngoài các vấn
đề về thiết kế cơ khí đối với các bộ tách pha, các vấn đề chính cần được giải quyết
gồm: (i) làm sao duy trì được tốc độ nước dâng ở ngăn dưới là 10-20m/h trong khi
ngăn trên (thông với ngăn dưới) là 2-10m/h?; (ii) dựa trên cơ sở lí thuyết nào để
tính thiết kế ống lên và ống xuống?; (3) làm sao định lượng được hiệu quả khuấy
trộn ba pha?
Hệ IC là hệ phản ứng yếm khí có năng suất cao nhất hiện nay, thậm chí nó
được coi là giới hạn [3], tuy nhiên khác với hệ UASB thiết kế hệ IC thường được
bảo vệ bởi các patent. Các thông số cần được tính trước là mức độ khuấy trộn, tốc
độ dòng lên và xuống và mức tuần hoàn. Có hai phương pháp tính thiết kế: (1) dựa
vào các thông số vận hành thường được công bố trong các tài liệu mở; (2) dựa vào
các tài liệu tính toán cho các hệ tương tự (hệ phản ứng kiểu bơm khí – nước (air lift
reactor – ALR).
Với thiết kế đặc thù của IC: hai lần tách pha K/L/R ngập nước, một lần tách
pha trên đỉnh, kết hợp với tốc độ nước dâng cao nhờ dòng tự tuần hoàn qua hệ ống
lên-ống xuống, có thể nói hệ IC đã giảm thiểu cơ hội để bùn hạt có thể thoát ra theo

36. 23
nước đã được xử lý. Hơn nữa, nhờ dòng bùn-nước tuần hoàn, khả năng tự khuấy
trộn rất tốt, tải hữu cơ vào hệ và năng suất xử lý của IC thường lớn hơn vài lần hệ
UASB. Chức năng tuần hoàn bùn hoạt tính và nước của IC được thực hiện bởi cơ
cấu airlift. Vìvậy, để thiết kế được IC thìđiểm mấu chốt là phải lượng hóa
được hoạt động của hệ thống ống lên-ống xuống.
1.4.2. Thiết bị phản ứng khínâng – ALR
Khác với các bồn phản ứng thông thường khi hỗn hợp phản ứng được khuấy
trộn bằng thiết bị cơ khí (máy khuấy), ALR sử dụng khí nén để khuấy trộn hỗn hợp
phản ứng pha lỏng, điều này đặc biệt hiệu quả trong các hệ phản ứng sinh hóa khi
khí được dùng để khuấy trộn thường làkhông khíhoặc CO2 cũng là tác nhân phản
ứng. Khác với bồn phản ứng khuấy trộn cơ khí hay bồn sục khí, khi hỗn hợp phản
ứng lỏng chuyển động hỗn loạn, trong ALR khí nén cấp vào sẽ tạo chuyển động
tuần hoàn của hỗn hợp lỏng có định hướng từ ống lên sang ống xuống [56]. Ống lên
và ống xuống nối với nhau qua cơ cấu tách khí-lỏng phía trên và vùng đáy bồn phía
dưới. Thông thường, khi ALR hoạt động khí được nén vào và phân tán thành các
bọt khí nhỏ qua đầu phân tán đặt ở dưới ống lên, các bọt khí trong ống chuyển động
lên kéo theo một lượng hỗn hợp phản ứng, tới khu vực tách khí-lỏng khí được giải
phóng thoát ra ngoài, chất lỏng trở nên nặng hơn theo ống xuống chảy xuống dưới
đáy. Ở đáy bồn, dưới tác dụng của dòng khí đi lên, chất lỏng lại được kéo vào ống
lên và thực hiện vòng chuyển động tiếp theo (Hình 1.5).
Chức năng chính của cơ cấu tách khí-lỏng là giải phóng khí ra khỏi hỗn hợp,
khi đó khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng gần như không có khí sẽ tăng lên, dòng
chất nặng hơn sẽ tự chảy xuống theo ống xuống. Lượng khí cấp vào ống lên ở đáy
bồn sẽ quyết định tần xuất quay vòng hỗn hợp. Yếu tố này quyết định động lực học
của hỗn hợp lỏng và hệ quả là hiệu quả của bồn phản ứng.
Vì động lực của chuyển động tuần hoàn chất lỏng lần lượt qua các cơ cấu
ống lên, tách khí-lỏng và ống xuống chủ yếu là do chênh lệch mật độ chất lỏng giữa
hai vùng lên và xuống nên trong ALR hoàn toàn không có những điểm tập trung
năng lượng khuấy, bơm cơ khí hoặc lực cắt, chúng được phân bố đồng đều trong
toàn thể tích. Điều này rất hữu ích khí thực hiện các phản ứng mà ở đó các tế bào
sống cần được bảo tồn, tránh các sức căng quá mức trong khi vẫn đạt được yếu cầu

37. 24
khuấy trộn đều. ALR cũng được coi là có hệ số chuyển khối tính theo đơn vị năng
lượng áp vào lớn hơn so với các hệ phản ứng thông thường và hiệu quả chuyển khối
(ví dụ như lượng O2 hòa tan trên đơn vị công suất áp đặt) cũng cao hơn, dẫn đến chi
phí năng lượng thấp hơn.
Hình 1. 5. Sơ đồ ALR với ống lên đồng trục [48]
Thông thường, việc nghiên cứu ALR chủ yếu tập trung theo hướng phát triển
tiềm năng ứng dụng của hệ phản ứng này hoặc mô hình hóa các quan hệ phức tạp
giữa các thông số thiết kế và vận hành, liên hệ chúng với động lực học chất lỏng và
các thông số chuyển khối. Có khá nhiều mô hình thực nghiệm cũng như lý thuyết
mô tả hoạt động và hiệu quả của ALR, chúng được trình bày ở tài liệu nổi tiếng của
Christi (1989) [57]. Tuy nhiên, do tính đặc thù của các thiết kế ALR và sự đa dạng
về quy mô, các mô hình này thường giới hạn đối với những cấu hình và ứng dụng
cụ thể. Theo đó, rất nhiều yếu tố được đề cập, từ yếu tố năng lượng (công suất áp
đặt), thủy động lực học hỗn hợp phản ứng, tới các yếu tố chuyển khối, truyền nhiệt
và khuấy trộn. Sau đây chỉ trình bày những mô hình cơ bản được chấp nhận rộng rãi
để minh họa cách thiết kế hệ ALR.
Tuy nhiên, mục đích chính của luận án là ứng dụng nguyên lý ALR vào hệ
IC, sử dụng khí biogas phát sinh trong quá trình phản ứng và dùng năng lượng của
biogas để kéo nước (có thể kèm bùn hoạt tính) lên bộ tách 3 pha thứ ba lắp trên đỉnh

38. 25
bồn nhằm thực hiện chu trình tuần hoàn nội, hơn nữa trong IC phản ứng phân hủy
hữu cơ chủ yếu được thực hiện trong thể tích bồn nằm dưới bộ tách K/L/R ở tầng
một chứ không phải trong ống lên, ống xuống, vì vậy các yếu tố chuyển khối khí-
lỏng, lỏng-rắn, truyền nhiệt trong ALR sẽ được bỏ qua, chỉ tập trung vào các yếu tố
liên quan đến vận chuyển khí, nước và khuấy trộn.
1.4.2.1. Công suất áp đặt
Không phụ thuộc vào cấu hình, hiệu quả của ALR luôn được quyết định bởi
công suất áp vào thể tích phản ứng. Ở đây, công suất (năng lượng) áp đặt trước hết
được lấy từ quá trình giãn nở đẳng nhiệt của khí nén cấp vào ở đáy ống lên, khi khí
phải vượt qua áp suất thủy tĩnh do cột nước để lên không gian chứa khí phía trên
đỉnh bồn. Năng lượng này sẽ được truyền vào pha lỏng-pha phản ứng để gây sự
khuấy trộn [55]. Tổn thất năng lượng qua các đầu phân tán khí thường chỉ ở mức
1,5% tổng năng lượng nên có thể bỏ qua [57]. Giá trị năng lượng áp đặt riêng trong
ALR tính cho 1 m3
thể tích phản ứng được tính như sau [57]:
𝑃 𝐺
𝑉 𝐿
=
𝜌 𝐿 𝑔𝑈 𝐺𝑟
1+
𝐴 𝑑
𝐴 𝑟
(1.2)
Trong đó: PG = công suất áp đặt tính theo công suất cấp khí vào (kW/m3
); VL
= thể tích pha lỏng trong ALR (m3
); ρL = khối lượng riêng pha lỏng (kg/m3
);
Ad, Ar tiết diện ống xuống/ống lên (m2
); g = gia tốc trọng trường (m/s2
); và
UGr = tốc độ khí dâng (m.s-1
) tính theo công thức (1.3):
𝑈 𝐺𝑟 =
𝑄 𝑚 𝑅𝑇
ℎ 𝐿 𝐴 𝑟 𝜌 𝐿 𝑔
𝑙𝑛 (1 +
𝜌 𝐿 𝑔ℎ 𝐿
𝑃ℎ
) (1.3)
Trong đó: Qm = tốc độ mol của khí (mol/s); hL = chiều cao cột nước (áp suất
thủy tĩnh) khi chưa sục khí (m); R = hằng số khí lý tưởng
(J.K−1
.mol−1
); T = nhiệt độ Kelvin của pha khí; và Ph = áp suất ở
vùng trên bề mặt nước (Pa).
Trong phần lớn các trường hợp thực tế (dòng chảy rối), kích thước bọt khí tối
đa trong hỗn hợp thường liên quan đến công suất áp đặt theo công thức (1.4):
𝑑 𝑚𝑎𝑥 = [
𝜎
2𝜌 𝐿
1/3
(
𝑃 𝐺
𝑉 𝐿
)
2/3]
3/5
(1.4)
Trong đó: σ = sức căng bề mặt của hỗn hợp phản ứng (N.m−1
).

39. 26
Theo Chisti (1998) [55], các quy tắc kinh nghiệm là: công suất riêng áp vào
ALR không vượt quá 2– 3 kW/m3
, giá trị này có thể giảm một bậc so với trường
hợp khuấy trộn cơ khí cùng mục đích vàcó thể giảm tới 0,1 kW m−3
hoặc thấp hơn
nếu lĩnh vực ứng dụng yêu cầu lực cắt thấp, đây chính là trường hợp của IC.
1.4.2.2. Phần thể tích khí (gas holdup)
Phần khí tổng (εG), khí trong ống lên (εGr), và ống xuống (εGd) đóng vai trò
quan trọng trong việc tuần hoàn pha nước trong ALR [55] [57]. Các thông số này
được tính theo:
𝜀 𝐺 =
𝑉 𝐺
𝑉 𝐺+𝑉 𝐿+𝑉 𝑆
(1.5)
Trong đó: VG, VL vàVS = thể tích các pha khí, lỏng và rắn tương ứng (m3
).
Hoặc theo:
𝜀 𝐺 =
𝐴 𝑟 𝜀 𝐺𝑟+𝐴 𝑑 𝜀 𝐺𝑑
𝐴 𝑟+𝐴 𝑑
(1.6)
Trong đó: Ad vàAr là tiết diện ống xuống và ống lên (m2
).
Phần khí trong hệ sẽ quyết định thể tích bồn ALR, ngoài ra nó sẽ tác động
đến các tính chất chuyển khối, giá trị εG thường gặp trong các hệ ALR là 0,3 - đây là
mức tối đa mà một hệ ALR có thể chấp nhận [57].
Các tính chất của môi trường (sức căng bề mặt, mật độ, độ nhớt, lực ion), và
các thông số thiết kế ALR (tỷ lệ tiết diện ống xuống:ống lên, Ad/Ar) đều có thể ảnh
hưởng lên phần khí và kích thước bọt khí. Ví dụ: khi tăng Ad/Ar giá trị của εG sẽ
giảm do tốc độ tuần hoàn tăng [57] [58]. Sự có mặt của cặn lơ lửng cũng làm εG
giảm. Giá trị εG trong ống lên và ống xuống rất quan trọng vì đây là động lực của
quá trình tuần hoàn nội pha lỏng [58]. Các giá trị εGr vàεGd thường được coi như
thông số để tính thiết kế cũng như vận hành, mối liên hệ giữa εGr vàεGd thường có
dạng tuyến tính [57]. Phần lớn các tương quan dạng này được công bố dưới dạng số,
các thông số phần khí trong mỗi thể tích và các thông số thủy khí động lực liên
quan thường được xác định bằng phương pháp số (fitting). Các tương quan này đã
được thiết lập cho nhiều loại cấu hình cũng như điều kiện vận hành ALR [55] [58].

40. 27
1.4.2.3. Tốc độ tuần hoàn pha lỏng
Trong ALR khí dâng sẽ kéo theo chất lỏng, sự chênh lệch mật độ chất trong
ống lên và ống xuống là động lực của dòng chảy, vì vậy mật độ pha lỏng có vai trò
lớn. Yếu tố còn lại là cấu hình bồn phản ứng và tốc độ khí dâng.
Trong ống lên, tốc độ khí và nước được tính theo các phương trình kinh
nghiệm (1.7) [57]:
𝑈𝐿𝑟 = 𝜔𝑈 𝐺𝑟
𝑣
(1.7)
Trong đó: ω = yếu tố hình học của ALR và tính chất chất lỏng (thường: 0,166
< ω < 1 [57]) vàν = hàm của chế độ dòng chảy và yếu tố hình học
của bồn phản ứng (thường: 0,237 <v< 0,4 [57]). UGr được tính từ
phương trình (1.3).
Trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng, Christi (1989) [57] đã đề xuất một
model chung có thể ứng dụng cho bất kỳ cấu hình ALR nào và sau đó đã kiểm định
cho các loại ALR, cả ALR ngoài lẫn trong [55]. Đối với chất lỏng Newton (nước
thuộc loại này), tốc độ nước ULr được tính bằng phương trình:
𝑈𝐿𝑟 = [
2𝑔ℎ 𝐷(𝜀 𝐺𝑟−𝜀 𝐺𝑑)
(
𝐾 𝑇
(1−𝜀 𝐺𝑟)
2+𝐾 𝐵(
𝐴 𝑟
𝐴 𝑑
)
2
1
(1−𝜀 𝐺𝑑)
2)
]
0.5
(1.8)
Trong đó: hD = chiều cao phân tán khí–lỏng và KT, KB là hệ số tổn thất do ma
sát ở vùng chuyển giữa ống lên và ống xuống ở phía trên và dưới
đáy bồn phản ứng, tương ứng. Trong các cấu hình ALR, KT rất
nhỏ nên thường cho = 0, còn KB được tính từ các phương trình
kinh nghiệm (1.9).
𝐾𝐵 = 11.402 ∗ (
𝐴 𝑑
𝐴 𝑏
)
0.789
(1.9)
Trong đó: Ab = thiết diện để nước vào dưới ống lên hoặc thiết diện vách chắn
(m2
) như trên Hình 1.6 [55].

41. 28
Hình 1. 6. Thiết diện để nước chảy vào ống lên
(a) cho cấu hình ống đồng tâm và (b) cho cấu hình vách ngăn.
Tương tự, từ định luật bảo toàn momen Heijnen & cs (1997) [59] đã đề xuất
model chung để tính hầu hết các thông số vĩ mô cho các hệ ALR nội. Ví dụ, độ
chênh áp (ΔP) là động lực cho chuyển động của chất lỏng được coi là hàm số của
độ chênh lệch phần khí và phần rắn trong ống lên và ống xuống ((εGr − εGd) và(εSr
− εSd) tương ứng). Nếu xem xét riêng rẽ các đại lượng này thì sẽ rất phức tạp. Theo
đó, ta có:
∆𝑃
𝑔𝐻
= ( 𝜀 𝐺𝑟 − 𝜀 𝐺𝑑) 𝜌 𝐿 − ( 𝜀𝑆𝑟 − 𝜀𝑆𝑑)( 𝜌 𝑆 − 𝜌 𝐿) (1.10)
với ρS = mật độ của SS, (kg/m3
).
Những hiện tượng thực tế như phần khí trong tổng thể tích phản ứng giảm
khi tốc độ tuần hoàn pha lỏng giảm, điều này thường do sự có mặt của SS hoặc ULr
tăng khi tăng chiều cao bồn phản ứng đã được giải thích bằng mô hình toán học này
[60].
1.4.2.4. Mở rộng quy mô
Các thông số quá trình được khuyến cáo là cần phải cố định khi tính thiết kế
mở rộng quy mô bao gồm các tiêu chínhư hệ số chuyển khối thể tích của ôxy, kLa;
ứng suất cắt tối đa; công suất áp đặt vào 1 đơn vị thể tích hỗn hợp lỏng, Pg/V; lưu
lượng khí tính trên một đơn vị thể tích chất lỏng, Q/V; tốc độ khí thoát ra, vs; và
thời gian khuấy trộn, các thông số này thường sử dụng khi mở rộng quy mô các bồn
phản ứng sinh học [61].

42. 29
1.4.3. Thông số thiết kế hệ IC
1.4.3.1. Tải lượng hữu cơ
Tải lượng hữu cơ (OLR) là thông số thường được sử dụng khi tính toán thiết
kế các hệ thống xử lý sử dụng quá trình vi sinh, OLR áp dụng trong kỹ thuật IC cao
hơn nhiều so với kỹ thuật truyền thống, với các hệ cao tải khả năng xử lý thường đạt
70-85% COD (Bảng 1.2).
Bảng 1. 2. Hiệu quả xử lý của kỹ thuật IC và UASB [62]
UASB IC IC UASB IC
Nguồn thải Bia Bia Bia Khoai tây Khoai tây
Thể tích bể, m3
1400 50 162x6 1700x2 100
Tải hữu cơ, kgCOD/(m3
d) 6,8 20 24 10 48
Tải lượng bùn, kgCOD/(kg.d) 0,2 0,7 0,96 0,35 1,3
Biogas, m3
/(m3
d) 2,0 5,5 - 3,0 -
Hiệu suất xử lý COD, % 80 85 80 95 85
Bảng 1. 3. Các thông số thiết kế các hệ XLYK [63]
Kỹ thuật xử
lý
Tải lượng,
kgCOD/m3.ngày
Sinh khối/
Phương pháp lưu
Sinh khối/Phương pháp
tiếp xúc
Ao hồ 0,1-1 lơ lửng -
CSTR 1-5 lơ lửng/Lắng ngoài
- khuấy cơ khí
- biogas
AF 5-10
bám dính/lơ lửng
vật liệu mang vi sinh
UASB 5-15
vi sinh dạng hạt/
tách 3 pha
- nước dâng ngược dòng
- biogas
EGSB 15-25
vi sinh dạng hạt/
tách 3 pha
- nước dâng ngược dòng
- biogas
IC 20-30
vi sinh dạng hạt/ tách 3
pha
- nước dâng ngược dòng
- biogas + tuần hoàn nội
Số liệu thiết kế kỹ thuật IC (từ 114 hệ) của hãng Paques theo tải lượng hữu
cơ áp dụng được trình bày trong Hình 1.7. Tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật
IC trong thời gian 1994 – 2000 có giá trị trung bình 22 kgCOD/(m3
.ngày). Giá trị đó
khá ổn định trong thời gian dài đã được kiểm nghiệm trong thực tiễn chứng tỏ hiệu
quả xử lý cao của hệ IC [47].

43. 30
Hình 1. 7. Tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian [47].
Tuy nhiên, giá trị tải lượng 22 kg COD/(m3
.ngày) không phải là một con số
cố định đối với mọi nguồn nước thải, nó phụ thuộc vào khả năng sinh hủy của chất
ô nhiễm trong dòng thải và các điều kiện kèm theo (Hình 1.7). Với một vài nguồn
thải, ví dụ sản xuất bia, khoai tây, tải lượng hữu cơ có thể áp dụng tới 25, thậm chí
30 kgCOD/(m3
.ngày), trong khi đối với một số loại nước thải khác chưa tới 20
kgCOD/(m3
.ngày) (xem Bảng 1.4).
Bảng 1. 4. Một số thông số kỹ thuật của hệ tuần hoàn nội [47]
Nguồn
thải
OLR
kg/(m3d)
(SK-
HC)V
kg/m3
OLRB
kg/(kg.d)
vT
m/h
Mức tuần
hoàn, %
vD
m/h
COD0
kg/m3
CODe
kg/m3
Insulin
(B)
30,3 32,4 0,94 3,8 420 19,6 7,9 2,0
Sữa (B) 15,2 - - 8,0 60 12,6 1,7 0,84
Khoai tây
(B)
21,0 37,8 0,56 2,9 350 13,1 6,0 1,00
Tinh bột
(A)
26,4 47,6 0,55 4,2 1510 19,9 25 3,70
Bia (B) 26,0 27,0 0,96 8,9 140 21,1 2,4 0,48
Càphê 28,5 34,3 0,83 6,3 870 19,8 15 2,80
Chúthích:
(SK-HC)V: mật độ sinh khối tính theo chất hữu cơ tính theo toàn bộ thể tích
nước; vT: tốc độ dòng nước ở khoang trên; vD: tốc độ dòng nước ở khoang dưới; A:
số liệu thiết kế; B: số liệu vận hành.

44. 31
1.4.3.2. Mật độ sinh khối
Trên cơ sở tốc độ dòng chảy ngược cao, chiều cao của tầng vi sinh được nới
rộng đáng kể, dẫn đến mật độ sinh khối trong tầng bùn giảm so với trong kỹ thuật
UASB. Mật độ sinh khối trung bình trong tầng bùn đạt 60 – 90 kg/m3
, cao nhất
cũng có thể tới 100 kg/m3
. Nếu trong thành phần sinh khối không chứa nhiều hợp
chất canxi thì thành phần hữu cơ trong hạt vi sinh chiếm 75 – 90 %.
Chiều cao của tầng hạt vi sinh chiếm 60 – 70% chiều cao cột nước, mật độ
sinh khối tính theo phần hữu cơ trong khoảng 30 – 50 kg/m3
, thường là35 kg/m3
(xem Bảng 1.4).
1.4.3.3. Tải lượng bùn.
Do được khuấy trộn mạnh, quá trình chuyển khối thuận lợi nên tải lượng bùn
trong kỹ thuật IC cao hơn so với trong kỹ thuật UASB. Giá trị sử dụng để thiết kế
nằm trong khoảng 0,55 – 1,0 kg/(kg.ngày), trung bình là0,7 – 0,8 kg/(kg.ngày).
1.4.3.4. Tốc độ dòng
Trong vùng phản ứng cao tải, tốc độ dòng vào, dòng hồi lưu nội, dòng hồi
lưu ngoại vi và dòng khí đóng vai trò quan trọng đối với quá trình chuyển khối
trong vùng đó. Trong ngăn dưới tốc độ dâng nước được thiết kế ở mức 10– 30
(thường 10-20) m/h (tương tự EGSB). Ngăn trên thực tế thực hiện xử lý lần hai nên
chịu tải thấp, tốc độ dòng lên chỉ khoảng 2 đến 10 (thường 4-8) m/h. Để bố trí được
các cơ cấu đã nêu trên, hệ IC thường có dạng bồn trụ rất cao, độ cao lên tới 25m,
cùng với năng suất xử lý thuộc loại cao nhất nó chiếm diện tích nhỏ nhất.
Giá trị tốc độ dòng trong khoang trên từ Bảng 1.4 cho thấy giá trị vận hành
trong thực tế có trường hợp cao hơn đối với dòng thải loãng và hệ hoạt động ổn
định. Tốc độ dòng trong khoang dưới sử dụng trong thiết kế không vượt quá 20 m/h.
Tốc độ dòng tuần hoàn nội bị khống chế bởi tốc độ hình thành khí, thấp đối
với dòng thải loãng, cao đối với dòng thải đặc, có thể dưới 100 % và cao có thể đạt
tới 1000 %.
1.4.4. Những vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu thiết kế hệ IC
Như đã nêu trên, trong phương trình (1.1) nồng độ vi sinh X vừa là thông số
thiết kế vừa là thông số vận hành. Giá trị thiết kế cho các hệ XLYK cao tải thường
lấy là 25-40 kg/m3
[4]. Trong quá trình vận hành, nếu không xả bùn, ở điều kiện cơ