tiểu luận công nghệ MÀNG

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC MBR1.1 Một số khái niệm về màng và các quá trình màng Màng membrane: là một bề mặt mỏng phân cách giữa hai pha, đóng vai trò là rào cản chủ động hay bị đ

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-o0o -TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ MÀNG

GIỚI THIỆU MỘT HỆ THỐNG MÀNG ƯU NHƯỢC ĐIỂM, SO

SÁNH VỚI PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG

Học viên: Trịnh Thị Thủy

Mã học viên: 20812025 Lớp: Kỹ thuật Môi trường 2020A Khoa: Công nghệ Môi trường

Hà Nội, năm 2021

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội ngày càng mạnh mẽ, tình trạng ô nhiễm nước đặc biệt là nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt đang trở nên đáng báo động Trước tình trạng nguồn nước đang bị ô nhiễm do nước thải, công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, đảm bảo vệ sinh là vấn đề mà tất cả mọi người đều quan tâm Nguyên nhân gây ra tình trạng ô nhiễm nguồn nước chính là do chủ yếu lượng nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp Chính vì thế,khoa học đang không ngừng nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải hiện đại nhất, mang đến hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt nhanh chóng và phù hợp Công nghệ xử lý nước thải luôn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng và ảnh hưởng tới hiệu xuất của hệ thống xử lý nước thải Đó là điều hiển nhiên, không phải trong lĩnh vực xử lý nước thải, mà bất kỳ lĩnh vực nào khác công nghệ cũng luôn đóng vai trò quan trọng Việc lựa chọn được công nghệ xử lý là một khâu quan trọng, lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện tự nhiên, quy mô, đặc điểm đô thị và điều kiện kinh tế giúp hệ thống vận hành tốt hơn với hiệu suất tối ưu hơn Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải và trong số đó sử dụng bể MBR đang là một trong những phương pháp xử lý tiên tiến nhất MBR là phương pháp xử lý, lọc nước thải bằng màng, được đánh giá cao với những ưu điểm vượt trội

I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC MBR

1.1 Một số khái niệm về màng và các quá trình màng

Màng (membrane): là một bề mặt mỏng phân cách giữa hai pha, đóng vai trò là rào cản chủ động hay bị động đối với việc vận chuyển vật chất giữa 2 pha dưới tác dụng của một lực hóa học (nồng độ, …) hoặc vật lý (áp suất, nhiệt độ, điện thế,…)

Hình 1 Quá trình màng

Phân loại màng

Màng được phân loại theo cấu trúc:

- Màng đồng nhất: được chế tạo theo một nước duy nhất từ cùng loại vật liệu

- Màng Composit: lớp bề mặt chọn lọc và khung đỡ có bản chất hoá học khác nhau

❖ Màng phân loại theo hình thái cấu trúc

- Màng xốp: Có chưa các lỗ xốp (ống mao quản) có kích thước lớn hơn kích thước

phân tử Độ chọn lọc được xác định bởi kích thước lỗ xốp

Bảng 1: Phân loại màng theo hình thái cấu trúc Loại màng Micropore Mesopore Macromore

Kích thước lỗ xốp < 2 nm 2 – 50 nm > 50 nm

- Màng đặc: Không chứa các lỗ xốp (micropore), các cấu tử thẩm qua màng bằng khuếch tán dưới tác dụng của gradient điện thế, nồng độ hoặc áp suất, màng đặc có thể tách các hợp chất có kích thước tương tự

❖ Màng phân theo hình thái cấu trúc

- Đối xứng (đẳng hướng): cùng một loại vật liệu và có cấu trúc đồng nhất trong toàn

bộ chiều dày màng Các ống mao quản hình trụ, có đường kính đồng đều và song song với nhau Màng này ít sử dụng do tính thấm thấp

- Bất đối xứng (dị hướng): đường kính của mao quản thay đổi theo chiều dày của màng Loại màng này thường có 2 lớp: lớp trên dày 0,1-0,5μm, đường kính mao quản nhỏ, quyết định khả năng phân tách của màng Lớp dưới dày 100-200 μm, đường kính mao quản lớn, đóng vai trò làm khung đỡ

❖ Màng phân theo cấu trúc hình học

Hình 2 Phân loại màng theo cấu trúc hình học

Ngoài ra, màng còn được phân loại dựa vào bản chất hoá học hay vật lý của vật liệu màng

Các loại quá trình màng

- Vi lọc (MF) : Dung môi (nước) và chất tan thấm qua Giữ lại chất rắn lơ lửng, hạt mịn

và một số chất keo

- Siêu lọc (UF): Dung môi (nước) và một số chất tan có khối lượng phân tử nhỏ < 1000Da được thấm qua Giữ lại chất có kích thước phân tử lớn và chất keo

- Lọc nano (NF): Dung môi (nước) và một số chất tan có khối lượng phân tử nhỏ và ion hoá trị I được thấm qua Giữ lại chất có khối lượng phân tử >200Da và chất có hoá trị cao

- Thẩm thấu ngược (RO): Dung môi (nước) thấm qua Giữ lại chất rắn lơ lửng và chất rắn hoà tan

- Tách khí bằng màng (GS): Phân tử khí có trọng lượng phân tử thấp hoặc độ hoà tan- độ khuếch tán cao được đi qua Giữ lại phân tử khí có trọng lượng phân tử cao hoặc độ hòa tan- độ khuếch tán thấp

- Thẩm tách (D): Chất tan (ion & chất hữu cơ khối lượng phân tử nhỏ), một lượng nhỏ dung môi được được thấm qua Giữ lại chất rắn hoà tan, huyền phù có khối lượng phân tử

>10kDa

- Điện thẩm tách (ED): Chất tan (ion), một lượng nhỏ dung môi được thấm qua, giữ lại chất cao phân tử và chất không điện ly

- Thẩm thấu (O): chất thấm qua: dung môi Giữ lại chất rắn hoà tan và huyền phù

- Bốc hơi thẩm thấu (PV): Chất thấm: Dung môi hoặc chất tan có tính thấm cao.Giữ lại dung môi hoặc chất tan có độ thấm nhỏ

1.2 Khái quát công nghệ màng lọc MBR

Công nghệ màng lọc MBR được viết tắt từ cụm từ Membrane Bioreactor được khái quát là sự kết hợp giữa vi sinh trong bể bùn hoạt tính lơ lửng và công nghệ màng lọc sợi rỗng trong xử lý nước thải, hàm lượng bùn trong bể sinh học sẽ được giữ lại thông qua cơ chế vi lọc của màng, nhờ kích thước nhỏ (µm) nên nước thải sau khi ra khỏi màng có chất lượng rất tốt Đây là công nghệ xử lý nước thải thông qua các sợi màng có kích thước rất nhỏ (0.01 µm,0.03 µm,…) tách nước ra khỏi hỗn hợp nước và bùn hoạt tính, công nghệ này đang được sử dụng nhiều trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, y

tế, bệnh viện, và công nghiệp trong các dự án lớn tại Việt Nam.[1]

Hình 3 Bể MBR với công nghệ vận hành tự động

Công nghệ màng MBR gồm quá trình xử lý tích hợp một màng thẩm thấu hoặc bán thẩm thấu với một quá trình sinh học (kết hợp giữa hai phương pháp sinh học và lý học)

Nó là sự kết hợp giữa quá trình màng vi lọc hoặc siêu vi lọc với quá trình tăng trưởng lơ

lửng và bây giờ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải đô thị và nước thải khu công nghiệp Với công nghệ MBR, chúng ta có thể cải taọ các nhà máy xử lý nước thải cũ Đây là một giải pháp công nghệ rất hiệu quả.[2]

Quá trình màng được giới thiệu vào cuối những năm 1960 khi các màng vi lọc và siêu vi lọc đã có sẵn Quy trình ban đầu được đưa ra bởi Dorr-Oliver và kết hợp với quá trình bùn hoạt tính với dòng chảy lặp lại qua màng, kích thước lỗ đặc trưng từ 0,003 đến 0,01 μm

Sự đột phá của màng MBR được đưa ra 1989 với ý tưởng của Yamamoto và các đồng nghiệp về việc ngâm chìm các màng trong bể sinh học Cho đến sau, các màng MBR được thiết kế với thiết bị tách nằm ngoài khu vực phản ứng và dựa vào áp suất màng cao để duy trì sự lọc Với việc màng được nhúng chìm trực tiếp trong bể sinh học, các hệ thống màng MBR ngập trong nước thường được ưa chuộng hơn, đặc biệt trong lĩnh vực xử lý nước thải sinh hoạt Trong cấu hình này, việc cung cấp khí được coi là một thông số chính trong quá trình trong quá trình vận hành cả về thủy lực lẫn sinh học Việc sục khí nhằm tránh tình trạng bùn bám trên các sợi màng, duy trì bùn ở trạng thái lơ lửng

và cung cấp oxy cho sinh khối, dẫn đến khả năng tổng hợp tế bào và phân hủy sinh học diễn ra tốt hơn.[2 3]

1.3 Đặc trưng, tính năng

- Phương pháp bùn hoạt tính tiêu chuẩn vốn là phương pháp truyền thống cần phải có bể lắng để tạo hiện tượng lắng nhờ trọng lực Mặt khác, MBR hút nước sau xử lý trực tiếp từ cụm màng phân li ngâm trong bể phản ứng bằng bơm cạn nằm ngoài hệ thống, hiện thực hóa việc tiết kiệm diện tích và nâng cao khả năng duy trì, quản lý

- Nâng cao hiệu suất xử lý: có thể vận hành với tải trọng cao (nồng độ cao: lượng nước lọc bằng màng trên một đơn vị thời gian và đơn vị diện tích lọc) nhờ màng PVDF bền và khó tắc cùng với thiết bị sục khí hiệu suất cao

- Giảm chi phí vận hành: nhờ đa tầng hóa lõi màng phân li và sử dụng thiết bị sục khí hiệu suất cao nên giảm được lượng khí cần sục và tiết kiệm năng lượng (so sánh giữa các sản phẩm trong công ty chúng tôi)

- Hạ chi phí đầu tư ban đầu: việc có thể vận hành với nồng độ cao giúp giảm diện tích lọc cần thiết Hơn nữa, công ty có thể tự sản xuất màng lọc tấm bằng phương pháp hàn bằng tia laser nên có thể nâng cao được năng suất và chất lượng sản phẩm (so sánh giữa các sản phẩm trong công ty chúng tôi)

- Tiết kiệm diện tích: bùn được phân li trực tiếp bằng “màng” nên không cần bể lắng Do vậy mà diện tích lắp đặt chỉ bằng 1/3 phương pháp OD, giúp hạ thấp chi phí đầu tư ban đầu Không cần bể lắng, không cần bể cô đặc bùn

- Thời giản xử lý ngắn: nhờ sử dụng mô đun màng phân li nên có thể duy trì nồng độ bùn hoạt tính trong bể phản ứng ở mức cao Nồng độ bùn từ 10.000～15.000mg/ℓ Theo đó, thời gian xử lý là 3 tiếng ở bể yếm khí, 6 tiếng ở bể hiếu khí, tổng cộng là 6 tiếng

Phương pháp này cần khoảng thời gian xử lý bằng 1/4 so với phương pháp OD vốn được ứng dụng chủ yếu ở các trạm xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ

- Quản lý bùn dễ dàng: do có thể duy trì nồng độ bùn hoạt tính trong bể phản ứng ở mức cao, quá trình phân giải bùn tiến triển nhanh nên ít phát sinh bùn dư Hơn nữa, do có thể khử nước trực tiếp nên không cần công đoạn cô đặc

- Đạt chất lượng nước sau xử lý vượt trội: so với phương pháp OD, chất lượng nước sau xử

lý tốt vượt bậc Nước sau xử lý không chứa SS và vô khuẩn nên có thể tái sử dụng vào nhiều mục đích như để huấn luyện trị thủy hay tôn tạo cảnh quan Hơn nữa, do có thể loại

bỏ hiệu quả virus có trong nước sau xử lý hơn các phương pháp thông P P B Nước sau xử

lý Nước bẩn Phương pháp bùn hoạt tính màng phân li Bể yếm khí Bể hiếu khí Trạm MBR Cụm MBR Quy trình xử lý MBR 83 thường nên cũng phù hợp với mục đích loại

bỏ virus trong nước

1.4 Điều kiện, lĩnh vực ứng dụng

Mô hình kinh doanh Xây dựng nhà máy xử lý nước bẩn và tái chế nước ở gần các khu lao động, chi phí xử lý nước thải sinh hoạt sẽ được thu hồi với giá rẻ hơn giá thị trường Nước thải sinh hoạt được xử lý bằng MBR và RO～thẩm thấu ngược: Reverse Osmosis～nên có thể sản xuất được nước tái sinh ở chất lượng trung bình và cao Nước MBR có chất lượng trung bình có thể bán với giá rẻ để làm nước dội toa lét hoặc thủy lợi, nước RO có chất lượng cao có thể bán với giá nước máy để bổ sung cho nước sản xuất như nước trộn bê tông hay dùng để làm mát cả một khu vực Xung quang khu lao động thường có các khu công nghiệp nên có thể tái sử dụng nước trong một vùng hẹp dưới vài

km

Ví dụ về sử dụng để tôn tạo cảnh quan Xung quanh tòa nhà cao nhất thế giới “Tháp Dubai Burji” có một hồ nước, hồ nước này đang xây dựng một thiết bị phun nước có thể phun tới độ cao 150 ～ Nước sử dụng cho mục đích này dự kiến là nước tái sinh xử lý bằng hệ thống MBR-RO từ 3.000m3 /ngày nước thải sinh hoạt của dân cư trong vùng Do xét tới phương diện vệ sinh của cư dân trong vùng cũng như đây là khu vực có lượng nước bay hơi cao nên nước dùng cho mục đích trên sẽ là nước tái sinh đã khử muối bằng thiết bị RO, ngoài ra, một phần nước này còn được sử dụng như nguồn nước cấp bổ sung

để làm mát cả khu vực Công ty chúng tôi nhận thầu và đang trong quá trình xây dựng thiết bị này, dự kiến sẽ hoàn công vào cuối tháng 3

II. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ VẬN HÀNH

2.1 Cấu tạo màng lọc MBR

Về mặt cấu tạo, màng được tạo từ các sợi rỗng, thường có dạng hình phẳng Màng

có thể là dạng phẳng, dạng ống hoặc kết hợp cả hai và thậm chí kết hợp hệ thống rửa ngược làm giảm bám dính trên bề mặt màng nhờ bơm màng thẩm thấu qua màng Mỗi đơn vị MBR được cấu tạo gồm nhiều sợ rỗng liên kết với nhau, mỗi sợi rỗng lại cấu tạo

giống như một màng lọc với các lỗ lọc rất nhỏ mà một só vi sinh vật không có khả năng xuyên qua Các đơn vị MBR này sẽ liên kết với nhau thành những module lớn hơn và đặt vào các bể xử lý sinh học Kích thước lỗ thường vào khoảng 0,01 – 0, 03 micromet Do

đó, có thể loại bỏ được các chất ô nhiễm, các hạt keo, vi khuẩn, virus.[4]

Có năm loại cấu hình màng hiện đang hoạt động:

• Sợi rỗng (HF)

• Xoắn ốc

• Phiến và khung (dạng phẳng)

• Hộp lọc

• Dạng ống

Màng MBR kết hợp các quá trình xử lý sinh học thông thường ( ví dụ như bùn hoạt tính) với màng lọc để tạo ra hiệu quả loại bỏ các chất hữu cơ và các chất rắn lơ lửng cao nhất Khi được thiêt kế phù hợp, các hệ thống này cho khả năng loại bỏ các chất hữu cơ

và chất rắn lơ lửng tốt nhất Các thành phần đi qua lỗ màng được gọi là thẩm thấu, trong khi các chất bẩn, các chất lơ lửng sẽ được giữ lại trên các sợi màng

Hình 4 Sơ đồ cấu tạo màng MBR

2.2 Nguyên lý hoạt động của màng lọc sinh học MBR

• Màng lọc MBR được đặt trong bể sinh học hiếu khí lơ lửng Aerotank

• Nước thải được thẩm thấu qua màng lọc vào ống mao dẫn nhờ những vi lọc có kích thước rất nhỏ từ (0.01 ~ 0.2 µm), chỉ cho nước sạch đi qua giữ lại bùn, chất rắn vô

cơ, hữu cơ, vi sinh trên bề mặt màng

• Hệ thống bơm bút sẽ hút nước từ ống mao dẫn ra bể chứa nước sạch, bơm hút được cài đặt hoạt động 10 phút chạy, 1-2 phút ngừng hoạt động tùy theo mức hiệu chỉnh Khi áp suất trong màng vượt quá áp suất 50kpa so với bình thường (từ 10 – 30 kpa) thì hệ thống bơm hút sẽ ngừng hoạt động, đồng thời kích hoạt bơm rửa ngược để rửa màng đảm bảo màng không bị tắc nghẽn

Cơ chế hoạt động của vi sinh vật trong công nghệ màng cũng tương tự như bể hiếu khí aerotank, nhưng thay vì công nghệ truyền thống tách bùn bằng công nghệ lắng thì công nghệ này tách bùn bằng màng

Theo đó, khi dòng nước thải chảy qua màng, nước sạch sẽ được thẩm thấu qua các sợi rỗng chảy về hệ thống thu nước và được bơm hút ra ngoài Vi sinh vật,chất ô nhiễm, bùn được giữ lại bề mặt màng và định kỳ hút vào bể chứa bùn để xử lý Hệ thống có sục khí để cung cấp oxy cho vi sinh vật và giữ bùn ở trạng thái lơ lửng, tránh bị nghẹt màng Thường trên màng, sẽ có hệ thống ống đục lỗ để phân phối khí

Hình 5 Nguyên lý hoạt động của màng lọc MBR

2.3 Vận hành, duy tu, quản lý

Bảo dưỡng đơn giản: chịu hóa chất tốt, độ bền được nâng cao nhờ sử dụng màng PVDF có ưu điểm vượt trội trong việc phân tách bùn

Vận hành quản lý dễ dàng: hệ thống này sử dụng màng mỏng để phân li chất rắn một cách hiệu quả nên không cần đo đạc chất lượng nước trong bể lắng hay các thao tác vận hành, quản lý nhỏ nhặt khác Do đó, việc vận hành có thể được tiến hành ổn định bằng cách kiểm tra các thông số giám sát như lượng nước, nhiệt độ nước, mực nước v.v Hơn nữa còn có thể quản lý, vận hành từ một nơi cách xa trạm xử lý một cách dễ dàng nhờ hệ thống giám sát từ xa Nếu sử dụng “Hệ thống hỗ trợ mạng lưới (Network Support

System)” của một công ty giàu kinh nghiệm như chúng tôi thì các cảnh báo sẽ được đưa

ra và việc đối phó sẽ được thực hiện nhanh chóng ngay cả trong những trường hợp xảy ra tình huống khẩn cấp như sự cố Cấu tạo hệ thống đơn giản, không cần quản lý khả năng lắng của bùn

Rửa màng phân li: có 2 phương pháp là (Chemical Dosing / Chemical Soaking)rửa bằng hóa chất (bơm hóa chất vào trong lõi màng phân li) và rửa ngâm (rút mô đun màng phân li ra và ngâm bào trong chậu hóa chất) Thông thường thì rửa bằng dung dịch hóa chất 3 tháng 1 lần, hoặc trong trường hợp áp suất chênh lệch lớn hơn mức thiết lập Tiến hành rửa ngâm 1 năm 1 lần hoặc trong trường hợp hiện tượng gia tăng chênh lệch áp suất giữa các màng xảy ra thường xuyên Nếu việc rửa ngâm vẫn không thể khôi phục lại được màng phân li thì phải thay màng mới

III. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC MBR

3.1 Ưu điểm của công nghệ màng lọc MBR

Hình 6 Ưu điểm của công nghệ màng MBR

• Công nghệ màng lọc MBR được xem là công nghệ mới, triển vọng của tương lai

có thể loại bỏ chất ô nhiễm khá triệt để

• Màng lọc MBR có thể sử dụng cho bể sinh học hiếu khí và kỵ khí Sự kết hợp màng lọc MBR và bể sinh học như là một giai đoạn trong quy trình xử lý nước thải đóng vai trò thay thể bể lắng 2 giúp tiết kiệm diện tích, đồng thời có thể hoạt động ở nồng độ bùn cao hơn, giúp giải quyết

• Nước thải đầu ra có chất lượng tốt do loại bỏ được vi khuẩn, vi sinh vật có kích thước rất nhỏ, Coliform, E-Coli gây bệnh