The dependence of removal rate and efficiency on COD loading rate in two anaerobic systems treating high organic suspended wastewater

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