Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường bằng công nghệ sinh học kỵ khí UASB

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢ I SỐ 18 - 2013 1
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP ĐƯỜNG 
BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ UASB 
PGS.TS Lều Thọ Bách, KS. Phạm Văn Định 
Đại học Xây dựng 
 ThS. Lê Hạnh Chi 
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam 
Tóm tắt: Bài báo đề cập đến m ột số kết quả nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường quy 
m ô phòng thí nghiệm bằng công nghệ xử lý sinh học kỵ khí (Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược 
qua lớp bùn kỵ khí - Up flow Anaerobic Sludge Blanket). Mô hình thí nghiệm bể UASB (dung 
tích 12,5l) đã được thiết lập để xử lý hỗn hợp nước thải đường nhân tạo có nồng độ cacbon hữu 
cơ cao (TOC). Mô hình được vận hành liên tục với thời gian 440 ngày trong điều kiện ổn định 
nhiệt độ tại 370C. Hiệu quả xử lý của bể UASB đạt 80~98% tương ứng với giới hạn về tải lượng 
hữu cơ là 16 g-TOC/l.ngđ. Lượng chất hữu cơ phân hủy tính theo TOC được chuyển hóa thành: 
khí sinh học với thành phần CO2 - 46% , CH4 - 49% và sinh khối - 5%. Hệ số tăng sinh khối bùn được tính bằng 0.094 g-VSS/g-TOC. Để đạt được hiệu quả xử lý cao, bể UASB cần được vận 
hành trong điều kiện: i) Tỷ lệ các chất dinh dưỡng trong nước thải C: N: P = 350: 10: 2; ii) pH 
6.8~7.2; iii) Nồng độ axit béo (VFAs) nhỏ hơn 1000mg/l; iv) Thời gian lưu nước lớn hơn 12 giờ. 
Từ khóa: UASB, Nước thải công nghiệp đường, COD, TOC, VFAs 
Summary: This article refers to the research on sugars industrial wastewater treatm ent using 
UASB reactor (Up flow Anaerobic Sludge Blanket) in laboratory. An UASB reactor with 12.5l of 
volum e has been established for high strength sugary wastewater treatm ent. The UASB reactor 
operated at 37oC for 440 days. The UASB reactor achieved 80~98% TOC reduction at VLRs up 
to 16 g-TOC/l.d. Mass balance calculations revealed that 46% and 49% of TOC rem oved was 
converted to CO2 and CH4 respectively, while the rest was converted to biom ass with an average 
observed sludge yield of 0.094 g-VSS/g-TOC. For results of effective TOC rem oval efficiencies, 
the following parameters must be m aintained at i) C: N: P = 350: 10: 2; ii) pH: 6.8~7.2; iii) 
VFAs less than 1000mg/l; and iv) HRT greater than 12 hrs. 
Keywords: Waste water from processing, sugar industrial 
I. MỞ ĐẦU* 
Sản xuất mía - đường là ngành công nghiệp đã 
có từ lâu ở Việt Nam. Để đáp ứng nhu cầu tiêu 
dùng trong nước cũng như xuất khẩu sản 
phẩm, ngành công nghiệp đường Việt Nam 
cũng đã có những bước phát triển lớn về qui 
mô sản xuất. Tuy nhiên, hiện nay hầu hết các 
cơ sở sản xuất đường ở Việt Nam đều chưa có 
trạm xử lý nước thải hoặc có nhưng hoạt động 
với hiệu quả thấp. Nước thải từ loại hình công 
Người phản biện: PGS.TS Phạm Thị Ngọc Lan 
Ngày nhận bài: 10/5/2013 - Ngày thông qua phản biện: 
01/8/2013 - Ngày duyệt đăng: 25/9/2013 
nghiệp này có nồng độ các chất hữu cơ COD, 
BOD cao là một trong những nguồn gây ô 
nhiễm đáng kể tới các thuỷ vực sông hồ tại 
Việt Nam. 
Ở Việt Nam phương pháp xử lý nước thải 
bằng bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge 
Blanket - Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược 
qua lớp bùn kỵ khí) cũng đã được đề cập đến 
với những ưu điểm: hiệu quả xử lý cao, lượng 
bùn dư thấp và được ổn định tốt, nhu cầu về 
năng lượng ít và ngược lại có thể tận dụng 
lượng khí sinh học sinh ra trong quá trình xử 
lý như một nguồn năng lượng mới. Đó là 
phương pháp có tính ứng dụng cao trong điều 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 18 - 2013 
NaCl 
sol. 
SP-1 
SP-2 
SP-3 
SP 5
Nước sau XL 
Ng
ăn 
TB tách pha 
Khí Rắ Lỏ
Đư
ờng
 d
ẫn 
kh
í 
Đư
ờng
 n
ướ
c t
uầ
n 
ho
àn
TB cấp 
nước nóng 
Bơm tuần hoàn
Bơm đầu vào 
Nước vào 
TB thu 
khí 
TB
 k
hu
ấy 
Ng
ăn 
bù
n 
hạt
Hình 1. Mô hình nghiên cứuLNT bằng bể UASB 
kiện Việt Nam. Tuy nhiên, để áp dụng vào 
thực tế cũng tồn tại nhiều vấn đề cần được 
nghiên cứu cụ thể. Bài báo giới thiệu kết quả 
nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường 
bằng công nghệ sinh học kỵ khí UASB, nhằm 
làm rõ khả năng ứng dụng bể UASB trong xử 
lý nước thải công nghiệp đường trong điều 
kiện Việt Nam, đồng thời xác định các thông 
số kỹ thuật cần thiết cho việc tính toán thiết kế 
và vận hành bể 
II. BỐ TRÍ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH 
THỰC NGHIỆM 
2.1 Mô hình thực nghiệm 
Mô hình thực nghiệm áp dụng trong nghiên 
cứu được mô phỏng theo Hình-1. Bể UASB 
có hình trụ tròn, cấu tạo bởi hai lớp vỏ nhựa 
thuỷ tinh (acrylic glass). Kích thước phần 
trong của bể gồm: chiều cao 1,18m, dung tích 
12,5l, trong đó khoang phân huỷ 7,5l (10cm, 
h= 100cm), khoang lắng 5,0 l ( 20cm, h= 
18cm). Phần ngoài liên kết với hệ thống cấp và 
tuần hoàn nước nóng đảm bảo ổn định nhiệt độ 
bên trong bể theo yêu cầu nghiên cứu. Nước 
thải được bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 
4oC và được bơm vào từ đáy bể UASB. Để 
nghiên cứu về sự phân bố nồng độ chất bẩn và 
sự thay đổi các đặc tính của bùn trong bể, dọc 
theo chiều cao bể có bố trí các vòi lấy mẫu 
(SP-1~SP-5). Tại khoang lắng có bố trí thiết bị 
(TB) tách các pha Khí-Rắn-Lỏng hình phễu 
đảm bảo thu hồi toàn bộ lượng khí sinh học 
sinh ra trong quá trình phân huỷ các chất hữu 
cơ, đồng thời các hạt bùn sẽ quay trở lại 
khoang phân huỷ nhờ tác dụng của trọng lực. 
Nước sau xử lý thoát ra qua cửa xả bố trí phía 
trên của bể. 
2.2 Bùn gốc và hỗn hợp nước thải dùng 
trong nghiên cứu 
(1) Bùn gốc: Bùn gốc dùng trong nghiên cứu 
là loại bùn hạt lấy từ bể UASB đang vận hành 
xử lý nước thải công nghiệp bia với các đặc 
tính: MLSS 78,5 g/L, VSS 69,4 g/L, cỡ hạt 
1~3mm. 
(2) Thành phần của hỗn hợp nước thải 
nhân tạo: Nước thải công nghiệp đường là 
loại nước thải có nồng độ BOD và COD cao, ở 
mức độ 10  50 g/L, tỷ lệ BOD/COD khoảng 
0,75  0,9. Trong loại nước thải này, thành 
phần gây ô nhiễm chủ yếu là các bon hữu cơ 
dưới dạng sucrose (C12H22O11), glucose 
(C6H12O6)... [2]. 
Trong nghiên cứu này, để khống chế được nồng 
độ các bon hữu cơ trong nước thải ở các giai 
đoạn vận hành theo yêu cầu nghiên cứu, nước 
thải sử dụng là loại nước được pha chế nhân tạo 
từ các chất dinh dưỡng gồm: Các bon dưới dạng 
sucrose C12H22O11, Nitơ- NH4Cl, Phốt pho- 
KH2PO4, với nồng độ theo tỷ lệ C: N: P tương 
ứng trong từng giai đoạn vận hành. Tỷ lệ C: N: P 
= 350:5:1 thường có trong nước thải công 
nghiệp đường và một số dạng nước thải công 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢ I SỐ 18 - 2013 3
nghiệp giàu hữu cơ khác [2,3] được áp dụng 
trong giai đoạn nghiên cứu đầu. NaHCO3 được 
thêm vào với nồng độ thích ứng để giữ độ pH 
trong bể ở mức trung tính nhưng không vượt quá 
8000 mg/L nhằm hạn chế ảnh hưởng của các ion 
Na+ (tồn tại với nồng độ cao) tới quá trình phân 
huỷ các chất hữu cơ [1]. 
2.3 C hế độ vận hành m ô hình nghiên cứu 
Nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm được 
khởi động từ tháng 6 năm 2010 và được vận 
hành liên tục trong thời gian 440 ngày. Tại 
mỗi giai đoạn nghiên cứu, mô hình được vận 
hành với chế độ ổn định về thời gian lưu nước 
(HRT), tỷ lệ dinh dưỡng C:N:P và nhiệt độ. 
Nồng độ TOC được điều chỉnh tăng dần khi 
kết quả quan trắc cho thấy mô hình đạt hiệu 
suất xử lý ổn định (ổn định về lượng khí sinh 
học phát sinh và hiệu suất khử TOC). 
Bảng1. Chế độ vận hành mô hình (tháng 6/2010) 
Giai 
đoạn 
Thời gian 
vận hành 
(ngày) 
Nồng độ TOC 
đầu vào 
(mg/L) 
HRT 
(h) 
Tỷ lệ phân hủy 
chất hữu cơ 
(gTOC/L.ngđ) 
C: N: P 
Nhiệt 
độ (oC) 
1 0 ~ 80 500 ~ 6000 36 0.33 ~ 4 350: 5: 1 37 
2 81~161 1000 ~ 16000 36 0.65 ~ 10.6 350: 10: 2 37 
3 162~206 1000~ 4000 24 1 ~ 4 350: 10: 2 37 
4 207~211 6000 18 8 350: 10: 2 37 
5 212~259 4000 ~ 8000 12 8 ~ 16 350: 10: 2 37 
6 260~307 1000 ~ 6000 6 4 ~ 24 350: 10: 2 37 
7 308~352 1500 ~ 4000 4 9 ~ 24 350: 10: 2 37 
8 353~440 2000 ~ 4000 12 4 ~ 8 350: 10: 2 37 
2.4 C ác chỉ tiêu quan trắc và phương pháp phân tích 
Các chỉ tiêu quan trắc, chu kỳ lấy mẫu và phương pháp phân tích được áp dụng theo phương 
pháp chuẩn [4] như nêu trong Bảng- 2. 
Bảng 2. Chỉ tiêu quan trắc và phương pháp phân tích 
Chỉ tiêu Chu kỳ Phương pháp phân tích Thiết bị / Tiêu chuẩn 
pH 1 lần/ ngày Điện cực thuỷ tinh Tiêu chuẩn PTNT (Nhật) 
TOC 3 lần/ tuần Nung, phân tích tia tử ngoại SIMADZU TOC-5050A 
Axit bay hơi (VFAs) 3 lần/ tuần Chưng cất Standard methods 19th 
SS 3 lần/ tuần Lọc- sấy 105oC Tiêu chuẩn PTNT (Nhật) 
MLSS, VSS (＊) 1 lần/ tháng Ly tâm, sấy 105oC; nung 550oC Tiêu chuẩn PTNT (Nhật) 
Thành phần không khí 1 lần/ tháng Sắc ký khô SHIMADZU GC14B 
(*) MLSS- (Mixed liquior suspended solid) - Nồng độ bùn (chất khô) 
 VSS- (Volatile suspended solid) - Nồng độ chất bay hơi (vi khuẩn) 
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1 Xác định các thông số vận hành tối ưu 
Kết quả nghiên cứu sự thay đổi hiệu quả xử lý 
TOC, nồng độ axit béo dễ bay hơi và độ pH 
của nước sau xử lý trong quá trình vận hành bể 
(440 ngày) được mô tả trên Hình- 2. 
(1) Tỷ lệ chất dinh dưỡng C , N, P trong 
nước thải: 
Trong giai đoạn vận hành 1, với thời gian lưu 
nước (HRT) 36 h, hàm lượng các chất dinh 
dưỡng trong nước thải được pha theo tỷ lệ C: 
N: P = 350: 5: 1, nồng độ TOC tăng từ 500 
đến 6000 mg/l. Kết quả trên Hình- 2(a) cho 
thấy hiệu quả xử lý TOC thấp, trung bình ở 
mức 60%. Nguyên nhân có thể do thiếu về 
lượng nitơ và phốt pho so với các bon trong tỷ 
lệ nêu trên. Trong giai đoạn vận hành 2, lượng 
nitơ và phốt pho trong hỗn hợp nước thải được 
thêm vào gấp 2 lần so với tại giai đoạn 1. 
Kết quả cho thấy, mặc dù nồng độ TOC tăng 
tới 16.000 mg/l nhưng hiệu quả xử lý TOC vẫn 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 18 - 2013 
0
2000
4000
6000
8000
0 92 172 242 342 440
Thêi gian vËn hµnh (ngµy)
 N
ån
g 
®é
 V
F
A
s 
(m
g/
l)
4
5
6
7
8
pH
VFAs pH
0
4000
8000
12000
16000
20000
0 92 172 242 342 440
N
ån
g 
®é
 T
O
C
 (
m
g/
l)
0
20
40
60
80
100
H
iÖ
u 
qu
¶ 
X
L
 (%
)
§Çu vµo §Çu ra HiÖu qu¶ XL
G§ 1 2 3 5 6 7 84
(a) 
(b) 
đạt 80~98%. Như vậy tỷ lệ C: N: P = 350: 10: 
2 là thích hợp với sự phát triển của các vi sinh 
vật có ích cho quá trình xử lý nước thải đường 
bằng phương pháp UASB. 
(2) Nồng độ axit béo dễ bay hơi 
(VFAs) và độ pH của nước sau xử lý: 
Sự thay đổi nồng độ VFAs và độ pH của 
nước thải sau xử lý trong suốt quá trình 
vận hành được mô tả trên Hình 2(b). 
Kết quả cho thấy sự gia tăng về nồng độ 
VFAs trong nước thải làm cho độ pH và 
hiệu quả xử lý TOC giảm. Như vậy, sự 
tồn tại của VFAs ở nồng độ cao ức chế 
quá trình phát triển của các loài vi sinh 
vật kỵ khí có ích, gây ảnh hưởng xấu tới 
hiệu quả xử lý nước thải. Từ kết quả nêu 
trên Hình- 2 (b) cho thấy để đạt hiệu 
quả xử lý nước thải cao, việc duy trì các 
thông số như nồng độ VFAs, độ pH của 
nước thải sau xử lý ở các giới hạn: Nồng 
độ VFAs nhỏ hơn 1000mg/l, pH trong 
khoảng 6,8 ~7,2 là hữu ích. 
(3) Tải lượng hữu cơ và thời gian lưu nước: 
Tại các giai đoạn vận hành từ 2 đến 7, 
HRT được điều chỉnh từng bước từ 36 h 
đến 4 h. Từ Hình- 3 có thể nhận thấy với 
Hình 4. Quan hệ giữa hiệu quả xử lý và HRT 
y = 1.56x
0
50
100
150
200
250
0 30 60 90 120
L−îng TOC ®Çu vµo (gTOC/d)
L
−î
ng
 b
io
-g
as
ph
t¸ 
si
n
h 
 (
l/
d)
Hình 5. Quan hệ về lượng giữa TOC đầu vào 
và khí phát sinh 
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nång ®é TOC (g/l )
H
iÖ
u 
q
u¶
 X
L
 (
%
)
H R T 36
H R T 12
H R T 6
H R T 4
Hình 2. Sự thay đổi 
theo thời gian về: 
(a) Hiệu quả xử lý; 
(b) Nồng độ axit béo 
dễ bay hơi và độ pH 
trong nước sau xử lý. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢ I SỐ 18 - 2013 5
giới hạn tải lượng hữu cơ 16 g-TOC/L.ngđ 
(tương đương với 42,72 g-COD/L.ngđ), hiệu 
quả xử lý đạt trên 80%. Giới hạn này có giá trị 
cao về mặt thực tế, chứng tỏ việc áp dụng 
phương pháp UASB trong xử lý nước thải 
đường có hiệu quả cao. 
Hình- 4 mô tả kết quả nghiên cứu hiệu quả xử 
lý ứng với các trường hợp khác nhau về nồng 
độ TOC trong nước thải và thời gian lưu nước 
(HRT). Đối với trường hợp nước thải có nồng 
độ TOC cao, để đạt được hiệu quả xử lý trên 
80%, cần vận hành với HRT tối thiểu là 12 h. 
Dựa vào kết quả nêu trên Hình- 4 có thể lựa 
chọn thời gian lưu nước phù hợp với nồng độ 
TOC trong nước thải và mức độ cần xử lý 
trong việc tính toán thiết kế bể UASB. 
3.2 Sản lượng khí và hệ số tăng sinh khối 
Kết quả nghiên cứu về mối quan hệ giữa lượng 
TOC trong nước thải được cấp vào bể và 
lượng khí sinh học phát sinh được mô tả trên 
Hình- 5. Từ độ dốc của đường hồi qui tuyến 
tính có thể xác định được sản lượng khí với 
hàm giá trị 1,56 l/g-TOC. 
Hệ số tăng sinh khối bùn được xác định dựa 
trên các số liệu về tổng lượng TOC bị phân 
huỷ, lượng khí CO2 và CH4 trong khí phát 
sinh. Hình- 6 mô tả kết quả nghiên cứu về mối 
quan hệ giữa tốc độ xử lý TOC và tốc độ 
chuyển hoá thành các thành phần CO2, CH4 
trong khí phát sinh. Từ độ dốc của các đường 
hồi qui xác định được 46% lượng TOC bị phân 
huỷ được chuyển hoá thành CO2, tương tự 
49% thành CH4 còn lại 5% được chuyển hoá 
thành bùn. 1 g sinh khối (C5H7O2N) được tính 
bằng 0,53 g-TOC nên hệ số tăng sinh khối bùn 
được tính bằng 0,094 g-VSS/g-TOC 
(0,05/0,53). 
4. KẾT LUẬN 
Từ các kết quả thu được trong thời gian nghiên 
cứu quá trình xử lý hỗn hợp nước thải đường bằng 
bể UASB, có thể rút ra được các kết luận sau: 
(1) Trong xử lý nước thải công nghiệp 
đường, phương pháp xử lý sinh học kỵ khí 
bằng bể UASB là phương pháp khả thi thích 
hợp với điều kiện Việt Nam. Với tải lượng hữu 
cơ 0,3~16 g-TOC/L.ngđ bể UASB có khả 
năng xử lý với hiệu quả 80~98%, lượng khí 
sinh học sinh ra với sản lượng 1,56 l/g-TOC, 
lượng bùn phát sinh với tỷ lệ tăng sinh khối 
0,094 g-VSS/g-TOC 
(2) Để thu được hiệu quả xử lý cao, cần đảm 
bảo các điều kiện vận hành sau: 
- C : N : P = 350 : 10 : 2; 
- Thời gian lưu nước tối thiểu (HRT): 12 h; 
- Tải lượng hữu cơ: dưới 16 g-TOC/l.ngđ; 
- pH: 6,8 ~ 7,2; 
- Nồng độ axit béo dễ bay hơi (VFAs): dưới 
1000 mg/l 
Kết quả nghiên cứu đã cung cấp thêm cơ sở 
khoa học cho khả năng ứng dụng bể UASB 
trong xử lý nước thải công nghiệp đường theo 
điều kiện Việt Nam, đồng thời xác định các 
thông số kỹ thuật cần thiết cho việc tính toán 
thiết kế và vận hành bể. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. R.F.HICKEY, W.M. WU, M.C. VEIGA AND JONES: Start-up, operation, monitoring and control of 
high-rate anaerobic treatment systems, Wat.Sci.Tech.V.24, No.8, pp. 207-255, 1991. 
[2]. W.M. Wiegant and G. Lettinga: Therrmophilic Anaerobic Digestion of Sugars in Upflow Anaerobic 
Sludge Blanket Reactors, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 27, 1603-1607, 1985. 
[3]. TIN SANG KWONG AND HERBERT H.P. FANG, Member, ASCE: Anaerobic degradation of 
cornstarch in wastewater in two upflow reactors, Journal of Environmental Engineering, Journal of 
Environmental Engineering, Vol. 122, No.1, pp. 9-15, January 1996. 
[4]. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, MJ Taras at. all. American Public 
Health Association, NY, 1971.