NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BSF – BAC KẾT HỢP VỚI MF - RO TÁI SỬ DỤNG NƯỚC SAU XỬ LÝ CỦA NHÀ MÁY NƯỚC THẢI SINH HOẠT

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BSF – BAC KẾT HỢP VỚI MF - RO TÁI SỬ DỤNG NƯỚC SAU XỬ LÝ CỦA NHÀ MÁY NƯỚC THẢI SINH HOẠT

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ô nhiễm môi trường đã và đang là một vấn đề quan trọng, hệ quả của một quá trình phát triển nóng của các nước đang phát triển trong giai đoạn công nghiệp hoá và hiện đại hoá như Việt Nam Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp và dịch

vụ, quá trình đô thị hoá và tập trung dân cư nhanh chóng là những nguyên nhân gây nên hiện trạng quá tải môi trường, nhất là ô nhiễm nước

Theo chỉ tiêu của Hội Tài nguyên Nước quốc tế, Việt Nam là một trong những nước

đã, đang và sẽ thiếu nước trong tương lai gần Tình hình càng nghiêm trọng do sự phân

bố nước không đều theo thời gian Trong 6 – 7 tháng mùa khô, dòng chảy chỉ đạt 15% – 30% tổng dòng chảy năm, nạn thiếu nước trở nên khá trầm trọng

Tuy nhiên, thiếu nước không chỉ là một khó khăn khách quan mà còn do sử dụng nguồn nước không hợp lý Tài nguyên nước ngầm của Việt Nam khá dồi dào với tổng trữ lượng có khả năng khai thác ước khoảng 60 tỷ m3 mỗi năm Mới chỉ 5% trữ lượng này được khai thác, nhưng ở một số vùng, đặc biệt là tại thành phố Hà Nội và đồng bằng sông Cửu Long, nước ngầm lại bị khai thác quá mức và không đúng cách, dẫn đến sụt giảm mực nước ngầm, góp phần gây ra lún sụt đất, nhiễm mặn và các dạng ô nhiễm khác

“Lượng” đã vậy, chất lượng nước cũng đã đến lúc cần cảnh báo Nước ở hạ lưu các con sông bị ô nhiễm khá rõ rệt, còn các hồ ao, kênh mương trong các khu đô thị thì đang trở thành các bể chứa nước thải

Theo các chuyên gia Cục Quản lý Tài nguyên nước, trong những năm tới, nếu không giải quyết được những thách thức lớn về quản lý nguồn nước, đa dạng hóa đầu tư cho

cơ sở hạ tầng ngành nước, tăng cường giám sát thực thi pháp luật về môi trường và tăng cường sự tham gia của người dân vào công cuộc bảo vệ nguồn tài nguyên thiết yếu này, thì nguy cơ thiếu nước và nước ô nhiễm tại nước ta sẽ trầm trọng hơn bao giờ hết

Vì vậy, việc nghiên cứu các biện pháp tái sử dụng nước là rất cần thiết Nước thải sau

xử lý có thể được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau, tuỳ theo nhu cầu và mức

độ xử lý Có nhiều phương pháp xử lý nước tái sử dụng khác nhau như lọc cát, lọc micro, lọc ultra, lọc nano, lọc thẩm thấu ngược RO, hấp phụ

Đề tài này sẽ đề xuất và nghiên cứu công nghệ xử lý tái sử dụng nước sau xử lý của

nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu ứng dụng khả năng xử lý của BSF – BAC, và MF – RO tái sử dụng nước thải sinh hoạt sau xử lý của Nhà máy xử lý nước thải hoạt Đà Lạt

 Xác định đối tượng sử dụng phù hợp

3 Nội dung của đề tài

 Đối tượng nghiên cứu: Nước sau xử lý của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà

Lạt

 Nội dung nghiên cứu:

 Nghiên cứu khả năng xử lý của BSF – BAC đối với nước sau xử lý của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt

 Nuôi cấy thích nghi

 Chạy thích nghi với tải trọng một tải trọng 0,5 – 1,5 m/h

 Chạy tải ổn định với tải trọng 1 m/h

 Tiến hành khảo sát các thông số pH, độ đục, PO43-, NO3-, TN, COD, TDS sau khi qua BSF, BAC để tính toán hiệu suất xử lý

 MF – RO đối với nước sau xử lý của BSF – BAC

 Xác định đối tượng sử dụng lại nước sau quy trình xử lý tái sử dụng

 Phương pháp nghiên cứu:

 Phương pháp lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước tại phòng thí nghiệm

 Phương pháp thu thập, phân tích, đánh giá tài liệu

 Phương pháp thống kê xử lý số liệu

4 Tính mới của đề tài

Để đáp ứng bảo tồn và sử dụng nguồn tài nguyên nước tiết kiệm, hợp lý có nhiều giải pháp trong đó có tái sử dụng nước Tuy nhiên việc nghiên cứu tái sử dụng nước ở nước

ta còn rất ít, chưa đánh giá đúng khả năng và tính cấp bách của vấn đề Do đó nghiên cứu quy trình công nghệ xử lý nước thải phục vụ tái sử dụng là cần thiết, đáp ứng được nhu cầu hiện tại cũng như tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 1 TỔNG QUAN VỀ TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI [5],[13],[14],[16]

1.1.1 Tái sử dụng nước

Tái sử dụng nước thải là quá trình phục hồi và tái sinh nước thải bỏ từ các hộ gia đình,

từ các quá trình sản xuất để tạo ra sản phẩm có ích hơn Với các biện pháp xử lý thích hợp, nước thải có thể đáp ứng được các nhu cầu khác nhau như dội rửa toilet, làm mát trong công nghiệp, tưới tiêu trong nông nghiệp và có thể dùng để uống, v.v Việc tái

sử dụng nước thải có rất nhiều lợi ích khác nhau, tùy thuộc vào các hình thức tái sử dụng

1.1.2 Những lợi ích và hạn chế của tái sử dụng nước

1.1.2.1 Các lợi ích và hạn chế về môi trường, sức khỏe của tái sử dụng nước thải

 Các lợi ích về mặt môi trường, sức khỏe của tái sử dụng nước thải bao gồm:

Tái sử dụng nước thải giúp bảo tồn và phân phối hợp lý nguồn tài nguyên nước ngọt, đặc biệt ở các vùng căng thẳng về nguồn nước

Tái sử dụng làm gia tăng nguồn nước cấp và giảm thiểu nhu cầu khai thác nguồn nước mới và do đó làm gia tăng giá trị của nước đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng do việc tăng dân số gây ra sự khan hiếm nước như hiện nay

Giảm thiểu lượng dòng thải vì thế giảm thiểu sự phát tán các các chất dinh dưỡng và các chất ô nhiễm vào trong môi trường nước

Cung cấp một giải pháp giảm thiểu sự thay đổi khí hậu thông qua việc giảm thiểu khí nhà kính bởi ít sử dụng năng lượng cho việc quản lý nguồn nước thải hơn là khai thác nguồn nước, bơm nước ngầm ở sâu, khử muối đối với nước biển

Tái sử dụng nước thải trong sản xuất công nghiệp làm giảm thiểu nhu cầu về nước ngọt

Tái sử dụng nước thải làm gia tăng nguồn nước trong môi trường thông qua việc gia tăng nước cho các dòng suối tự nhiên và nhân tạo, các đài phun nước, và các ao hồ Sự hoàn trả lại nước cho các dòng suối, đầm lầy, và các ao bằng nước thải tái sử dụng đã góp phần sự phục hồi đời sống thủy sinh, tạo ra vẻ đẹp mỹ quan cho đô thị Sự hồi phục các kênh mương nước có một ý nghĩa lớn cho việc tạo ra “hành lang sinh thái” ở các vùng đô thị và các vành đai xanh để kiểm soát sự xói mòn đất bởi gió ở các vùng khô hạn

Nước thải sau xử lý có thể sử dụng để tái nạp các tầng ngập nước So với việc lưu trữ nguồn nước mặt theo truyền thống, tái nạp nước ngầm có nhiều thuận lợi hơn, như là

sự bay hơi không đáng kể, ít nhiễm bẩn thứ cấp (secondary pollution) bởi xác động

vật, và không có hiện tượng nở hoa của tảo Ít tốn chi phí vì không yêu cầu lắp đặt đường ống và bằng nửa chi phí dự trữ nước uống Ngoài ra, nó có thể bảo vệ nguồn nước ngầm từ việc xâm nhập mặn bằng cách lập hàng rào ngăn mặn, và kiểm soát và ngăn chặn sụp lún đất

 Tuy nhiên, tái sử dụng nước thải có các hạn chế về môi trường và sức khỏe như sau:

Đe dọa đến sức khỏe cộng đồng nếu thực tiễn tái sử dụng nước thải không đảm bảo về mặt sức khỏe

Các chất thải nguy hại tồn tại trong nước thải có thể giảm thiểu chất lượng của nước thải tái sử dụng và có nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng, tạo ra các ảnh hưởng tiêu cực cho môi trường Do đó cần ngăn chặn bằng cách bảo vệ nguồn nước thải và quản lý một cách hiệu quả

Các tác động và nguy cơ gây ra do việc tập trung chất thải từ quá trình xử lý

Tái sử dụng nước thải sau xử lý có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái dưới nước và sức khỏe con người do các dược phẩm, chất nội tiết tố còn sót lại trong nước sau xử lý

1.1.1.2 Các lợi ích và hạn chế về kinh tế, xã hội của tái sử dụng nước thải

 Tái sử dụng nước thải có các lợi ích kinh tế và xã hội:

Chất lượng và lượng nước tái sử dụng có tính chất ổn định hơn so với nguồn nước mặt

và nước ngầm vì lượng lớn nước thải đô thị sau xử lý ít bị ảnh hưởng vào mùa khô Điều này có thể dẫn đến giảm thiểu chi phí sản xuất, duy trì ổn định quá trình sản xuất công nghiệp và hoạt động nông nghiệp

Gia tăng việc tiếp cận

với nguồn nước cấp

Tái sử dụng nước thải

Sự phát triển ra một nguồn nước mới

Ngăn chặn suy thoái nguồn nước (Giảm phát tán ô nhiễm vào nguồn nước)

Nâng cao hiệu quả tiêu thụ nước

(Khai thác nước ngọt hiệu quả hơn)

Hình 1.1 Vai trò của tái sử dụng nước thải

Góp phần vào việc cải tạo và gia tăng cảnh quan ở đô thị, nông thôn và vùng ven biển,

từ đó gia tăng việc làm và phát triển kinh tế ở địa phương thông qua hoạt động du lịch Thay thế cho nguồn nước ngọt để đáp ứng các nhu cầu và các mục đích cụ thể (như tưới tiêu, dội rửa toilet, nước làm mát và nước công nghệ …), do đó góp phần sử dụng nguồn tài nguyên nước một cách bền vững

Giảm thiểu hoặc loại bỏ dần việc sử dụng phân hóa học trong nông nghiệp và gia tăng năng suất sản phẩm do nước thải sau xử lý dùng để tưới tiêu vẫn còn một lượng cacbon hữu cơ và các chất dinh dưỡng

Giảm thiểu nhu cầu tiêu thụ nước và xử lý nước thải, từ đó dẫn đến tiết kiệm chi phí Trong nhiều ứng dụng, tái sử dụng nước thải sau xử lý có chi phí ít hơn khi so sánh với

sử dụng nước ngọt, nước ngầm, nhập khẩu nước, xây dựng các đập hoặc khử muối từ nước biển

Đáp ứng nhu cầu sử dụng nguồn tài nguyên nước ngày càng gia tăng (đặc biệt các vùng đô thị)

Giúp đạt được các mục tiêu phát triển của đất nước thông qua việc gia tăng tính sẵn có

sử dụng của nguồn nước.Góp phần đảm bảo an ninh lương thực

Là một công cụ gắng kết, khuyến khích các cơ quan cung cấp nước, xử lý nước thải, môi trường và các bên có liên quan khác làm việc cùng nhau, sử dụng một cách tiếp cận tổng hợp, giúp nhận ra các lợi ích cũng như các nguy cơ về sức khỏe của thực tiễn tái sử dụng và khuyến khích việc tái sử dụng nước được tốt hơn để mang lại các lợi ích cho cộng đồng

Gia tăng chất lượng cuộc sống, hạnh phúc và sức khỏe của người dân thông qua các cảnh quan ở công viên, đồng thời tạo điều kiện vui chơi giải trí công bằng giữa người giàu và người nghèo và cải thiện môi trường đô thị (các công viên và các đài phun nước ở đô thị)

 Tuy nhiên, các rủi về mặt kinh tế, xã hội khi tái sử dụng nước thải có thể kể đến: Các ảnh hưởng về mặt kinh tế do những tác động bất lợi về mặt sức khỏe đối với cộng đồng hoặc ô nhiễm môi trường từ tái sử dụng nước thải không an toàn

Chi phí phân phối và lưu trữ cao bởi vì khoảng cách xa giữa nơi cung cấp và nơi tiêu thụ

Có thể dẫn đến tình trạng căng thẳng của xã hội trong trường hợp tái sử dụng nước thải không được chấp nhận

1.1.3 Yêu cầu xử lý nước tái sử dụng

Một trong các mục tiêu của bất kỳ một chương trình tái sử dụng nước nào là bảo vệ sức khoẻ cộng đồng khi sử dụng nước tái sinh Các mục tiêu còn lại như ngăn ngừa nguy cơ suy thoái môi trường, tránh mối nguy hại đến cộng đồng và đáp ứng yêu cầu của người sử dụng USEPA (2004) báo cáo rằng cho đến nay vẫn chưa có một trường

hợp bệnh nào được phát hiện có nguồn gốc từ việc sử dụng nước tái sinh ở Mỹ Để bảo

vệ sức khoẻ cộng đồng, mức độ xử lý cần phải đạt được các yêu cầu sau: (1) giảm thiểu hoặc loại bỏ các vi khuẩn gây bệnh, động vật ký sinh, virut gây bệnh đường ruột trong nước tái sinh, (2) thành phần các hợp chất nguy hại trong nước tái sinh, (3) giới hạn tiếp xúc của cộng đồng qua đường tiếp xúc trực tiếp, hít thở, tiêu hoá đối với nước tái sinh

Khi nước tái sử dụng có khả năng tiếp xúc nhiều với con người thì nước tái sinh nên được xử lý đạt chất lượng cao trước khi sử dụng Ngược lại, tại nơi mà có sự hạn chế con người ra vào, tức sự tiếp xúc là không thể xảy ra nên mức xử lý thấp hơn có thể chấp nhận được

Để xác định mức xử lý cần thiết cho các ứng dụng tái sử dụng nước cần phải có các hiểu biết về: Thành phần các chất trong nước thải, mức độ xử lý và các quá trình ứng dụng để giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải để đạt được chất lượng nước tái sinh như mong muốn

Dưới đây tham khảo một số tiêu chuẩn chất lượng nước tái sinh cho các mục đích khác nhau:

Các hình thức tái sử dụng

Ứng dụng trong

đô thị

- Tưới công viên,

tưới đường, sân

gôn

- Cứu hoả

- Công trình xây

dựng

- Dội rửa toilet

- Nước giải nhiệt

hệ thống lạnh

Nông nghiệp

- Tưới rau, cây

ăn trái -Tưới cây công nghiệp, cây lương thực

Công nghiệp

- Nước làm mát

- Nước công nghệ

- Nước cấp nồi hơi

- Nước vệ sinh máy móc

Tái tạo cảnh quan

- Hồ bơi, công viên nước

- Hồ phục vụ cho mục đích câu cá

Tái nạp tầngnước ngầm

- Ngăn mặn

- Tái nạp nước

- Chống sụt lún

Nuôi trồng thuỷ sản

Nước uống

Hình 1.2 Các hình thức tái sử dụng nước

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn chất lượng nước tái sử dụng ở tỉnh British Columbia – Canada (Jenkins, 2002)

Độ đục – liên tục

Coli phân – hàng ngày

2 Vùng hạn chế tiếpxúc cộng đồng – đô

thị/hoạt động vui chơi giải trí , công nghiệp,

công trình xây dựng và sử dụng cho môi

trường

Xử lý bậc hai + khử trùng pH 6 – 9

BOD5 ≤ 45 mg/l TSS ≤ 45 NTU Coliform phân ≤ 200/100mL

pH – hàng tuần BOD5 – hàng tuần TSS – liên tục Coli phân – hàng ngày

(The British Columbia Ministry of Environment, Lands and Parks, 1999)

Bảng 1.2 Công nghệ áp dụng cho các yêu cầu tái sử dụng khác nhau

Phạm vi

ứng dụng Công nghệ áp dụng Yêu cầu xử lý Các trở ngại khi áp dụng Các trở ngại khi áp dụng

Dân dụng

Xử lý bậc 2 + lọc + khử trùng

BOD5 < 10 mg/L Coliform phân ND

Độ đục < 2 NTU Cl2 dư 1 mg/L

pH 6

Tưới cây trong công viên,

sân trường, vành đai

Ô nhiễm nước mặt và nước ngầm nếu không xử lý thích hợp

Ảnh hưởng của chất lượng nước lên đất Sức khoẻ cộng đồng Kiểm soát các vùng tưới, kể cả vùng đệm

Sức khoẻ cộng đồng do vi sinh gây bệnh phát tán trong không khí

Ăn mòn, nghẹt, đóng cáu cặn

Điểm giao nhau của các hệ thống cấp

nước

Xử lý bậc 2 + khử trùng

BOD5 < 30 mg/L Coliform phân 200MPN/100mL

Độ đục < 2 NTU TSS < 30 mg/L

pH 6 – 9

Tưới các khu vực ít dân cư qua lại: xa lộ, sân gôn, nghĩa trang, vành đai xanh

Ô nhiễm nước mặt và nước ngầm nếu không xử lý thích hợp

Ảnh hưởng của chất lượng nước lên đất

BOD5 < 30 mg/L Coliform phân ND

Độ đục < 2 NTU Cl2 dư 1 mg/L

BOD5 < 30 mg/L Coliform phân 200MPN/100mL

Độ đục < 2 NTU TSS < 30 mg/L Cl2 dư 1 mg/L

BOD5 < 30 mg/L Coliform phân 200MPN/100mL TSS < 30 mg/L

Nước làm mát Nước công nghệ Nước nồi hơi Nước rửa

Giải trí

Xử lý bậc 2 + lọc + khử trùng

BOD5 < 10 mg/L Coliform phân ND

Độ đục < 2 NTU Cl2 dư 1 mg/L

pH 6 – 9

Hồ sử dụng cho mục đích thể thao dưới nước, công viên nước

Sức khỏe cộng đồng

Xử lý bậc 2 + khử trùng

BOD5 < 30 mg/L Coliform phân 200MPN/100mL

Độ đục < 2 NTU TSS < 30 mg/L

pH 6 – 9

Câu cá, bơi thuyền và các hoạt động khác

Sức khỏe cộng đồng Độc với hệ thuỷ sinh

(Tchobanoglous và Burton, 1991, US EPA, 1992, Asano và Levine, 1998)

Như vậy, các tiêu chí về tái sử dụng nước bao gồm chất lượng nước ổn định, các tác động không gây bất lợi đối với sức khỏe, có thể chấp nhận về mặt mỹ quan, không ăn mòn, không đóng cặn, không bám rong rêu đối với thiết bị tái sử dụng Trong đó đảm bảo an toàn sức khỏe là quan trọng nhất

Ở Việt Nam hiện chưa cho tiêu chuẩn quy định về yêu cầu chất lượng nước sau tái sinh đối với các mục đích khác nhau Tuy nhiên dựa trên cơ sở về tiêu chí, tiêu chuẩn thải, và hướng dẫn tái sử dụng của các nước có thể đề nghị về những ứng dụng và giá trị giới hạn của các thông số đối với nước tái sử dụng

1.1.4 Các vấn đề của nước xả thải từ trạm xử lý nước thải không triệt để

Bảng 1.3 Các hợp chất được tìm thấy trong nước đầu ra của trạm xử lý nước thải và tác hại của chúng:

 Tốn kinh phí xử lý bùn hoặc có thểtác độngđến hiệu quả khử trùng bởi sự che chắn đến vi sinh vật

 Ảnh hưởng đến độ đục đầu ra

 Che chắn vi khuẩn trong quá trình khử trùng, tiêu tốn nguồn oxy trong nước

Các hợp chất hữu cơ hòa tan:

Tổng cacbon hữu cơ (TOC)

Các hợp chất hữu cơ phức tạp

Hợp chất hữu cơ bay hơi

Hợp chất dược phẩm

Chất hoạt động bề mặt

 Tiêu hao nguồn oxy trong nước

 Độc chất đối với con người, gây ung thư

 Độc chất đối với con người, gây ung thư, dạng oxy hóa quang hóa

 Tác động đến một số loại thủy vật (rối loan nội tiết, đảo ngược sinh lý…)

 Tạo bọt và có thể ảnh hưởng đến quá trình keo tụ Các hợp chất vô cơ hòa tan:

Ammonia

Nitrate

Phosphorus

 Tăng nhu cầu Cholorine

 Có thể chuyển thành nitrate và trong quá trình làm tiêu hao lượng oxy trong nước

 Với phospho, có thể gây ra hiện tương phú dưỡng với sự phát triển mạnh mẽ của tảo, gây thiếu hụt oxy hòa tan, ảnh hưởng đến động thực thủy sinh ở thủy vực đó, có thể thành “đầm chết”

 Độc chất đối với cá

 Kích thích phát triển của tảo và sinh vật thủy sinh

 Gây bệnh methemoglobinemia ở trẻ sơ sinh (baby xanh)



Caxi và Mage

Chloride

Tổng chất rắn hòa tan (TDS)

 Cản trở quá trình làm mềm nước cứng

 Tăng độ cứng và tổng chất rắn hòa tan

 Tạo vị mặn trong nước

 Gây cản trở quá trình công – nông nghiệp

Sự cần thiết xử lý nước thải bậc cao:

 Nhằm loại bỏ các hợp chất hữu cơ và lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải đầu ra từ bể lắng thứ cấp nhằm đáp ứng yêu cầu xả thải nghiêm ngặt hơn và là điều kiện cần thiết cho nhu cầu tái sử dụng nước

 Nhằm loại bỏ lượng chất rắn lơ lửng dư thừa nhằm tạo điều kiện khử trùng hiệu quả

 Loại bỏ hợp chất dinh dưỡng có trong nước đầu ra của bể lắng thứ cấp nhằm giới hạn đối với các sinh vật nhạy dinh dưỡng trong nước

 Nhằm loại bỏ các hợp chất vô cơ đặc biệt (kim loại nặng, ) và các hợp chất hữu cơ ( MBTE và NDMA,…) nhằm đạt yêu cầu xả thải khắt khe và nhu cầu tái sử dụng nước kể cả nước bề mặt và đất ngập nước

 Nhằm loại bỏ các hợp chất vô cơ đặc biệt (kim loại nặng, silica) và hợp chất hữu cơ trong tái sử dụng nước cho công nghiệp ( nước làm lạnh, hơi nước ở áp suất thấp, hơi nước ở áp suất cao,.,)

Sau quá trình xử lý sinh học truyền thống (ví dụ: quá trình bùn hoạt tính, lọc nhỏ giọt và mương oxi hoá), xử lý bậc 3 hay xử lý bậc cao được ứng dụng để loại bỏ thêm các chất ô nhiễm lơ lửng và hoà tan, chất dinh dưỡng, kim loại và các thành phần có hại

khác

1.1.5 Công nghệ xử lý nước tái sử dụng

1.1.5.1 Tình hình nghiên cứu công nghệ xử lý nước tái sử dụng

Nhu cầu về nguồn nước thay thế đi đôi với yêu cầu chất lượng xả thải ngày càng cao

và nghiêm ngặt đã tạo ra một động lực để phát triển các chính sách tái sử dụng nước hiện nay trên thế giới Xu hướng đang phát triển hiện nay là xem tái sử dụng nước như

là một phần tất yếu của việc quản lý nguồn nước và sự phát triển bền vững, không chỉ vào mùa khô và ở các khu vực thiếu nước mà còn ở cả các khu vực có trữ lượng nước

dư thừa Ở những nơi có lượng mưa thấp thì việc cung cấp nước rất tốn kém bởi vì phải mở rộng đường vận chuyển và thiết bị bơm, tái sử dụng nước trở thành một nguồn nước thay thế mang tính kinh tế quan trọng để phát triển nguồn nước mới

Tái sử dụng nước thải để tưới tiêu trong nông nghiệp đang được tiến hành hiện nay ở hầu hết các khu vực khô cằn trên thế giới Có rất nhiều nước thiết lập các chính sách,

dự án về nguồn nước, các chính sách này dựa trên lượng nước tái sử dụng lớn nhất của nước thải đô thị Ở các vùng khô cằn, cụ thể là ở các nước đang phát triển ở Châu Á, Châu Phi, Châu Mỹ La tinh, việc ứng dụng nước thải không được xử lý một cách thích hợp để tưới tiêu trong nông nghiệp vẫn tiếp diễn, việc sử dụng này thường không tốt

so với việc tái sử dụng có kế hoạch và luật lệ rõ ràng Vấn đề sức khỏe mang tính cấp thiết bắt buộc chính phủ và cộng đồng toàn cầu cần phải thực hiện các kế hoạch và hành động tái sử dụng tốt hơn, nhấn mạnh việc bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng khi mà quá trình thu gom và xử lý nước thải đang phát triển rất nhanh

1.1.5.2 Các công nghệ được áp dụng xử lý nước để tái sử dụng

Hầu hết các dự án tái sinh nước quy mô vừa và lớn được thiết kế như là sự bổ sung công nghệ cho quá trình xử lý bậc II thông thường Với khả năng xử lý, nước sau xử lý bậc II có thể áp dụng trong tưới tiêu nông nghiệp trong vùng hạn chế tiếp xúc (không

sử dụng tưới cho các cây lương thực, thực phẩm) và có thể áp dụng cho mục đích giải nhiệt trong một số ngành công nghiệp (ngoại trừ công nghiệp thực phẩm)

Một vài nơi trên thế giới đã có kinh nghiệm trong việc sử dụng nước tái sinh cho mục đích tưới tiêu trong nông nghiệp và cảnh quan, các dự án nghiên cứu về tái sử dụng cho mục đích giải trí và môi trường ngày càng tăng Mặc dù tái sử dụng trong công nghiệp chủ yếu chỉ tập trung vào các hệ thống làm lạnh nhưng lợi nhuận ngày càng tăng trong các khu vực công nghiệp sử dụng nước tái sinh như là nguồn cấp nước thay thế đáng tin cậy Quản lý nước trong công nghiệp bao gồm: (1) sử dụng vật liệu thô có chất lượng cao hơn; (2) sử dụng các công nghệ sạch hơn; (3) ứng dụng các công nghệ

sử dụng nước hiệu quả hơn; (4) ứng dụng các công nghệ xử lý bậc cao để tái sử dụng nước Ngoài các đặc điểm về mặt kỹ thuật, chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì là các nhân tố quyết định sự lựa chọn công nghệ cuối cùng

Để đạt được mức xử lý bậc cao và có độ tin cậy theo yêu cầu của tái sử dụng cho ăn uống thì phải vận hành một hệ thống các quá trình xử lý bậc cao bao gồm khử cứng, khử dinh dưỡng, khử cacbon, lọc, hấp phụ than hoạt tính, khử khoáng bằng lọc thẩm thấu ngược (RO), khử trùng với chlorin, ozon, tia UV (riêng lẻ hoặc kết hợp) (Mujeriego và Asano, 1999)

Than hoạt tính dạng hạt theo sau là lọc thẩm thấu ngược là quá trình kết hợp hiệu quả

để khử nhiều các chất ô nhiễm Tuy nhiên, nhu cầu năng lượng điện của lọc RO cùng với chi phí thay màng mới và kiểm soát sự hình thành cặn trong màng và loại bỏ dòng đậm đặc làm cho phương pháp này rất tốn kém, và chỉ áp dụng ở những nơi mà nguồn nước khan hiếm và chi phí sử dụng nước cao Với các cải tiến trong kỹ thuật trong phát triển và sản xuất màng đã làm cho chi phí thay màng mới và bảo trì màng giảm xuống trong thập niên gần đây, và trong tương lai, phương pháp này có thể được mong đợi là một trong các phương pháp xử lý có tính cạnh tranh được lựa chọn để xử lý nước và nước thải

Bảng 1.4 Các đơn nguyên công nghệ áp dụng xử lý các hợp chất trong nước sau xử lý

từ trạm xử lý nước thải

Các hợp chất dư

thừa

Depth filtration

Surface filtration

Thẩm tách bằng điện

Hấp phụ

Trao đổi Ion

Kết tủa hóa học

Cất nước

RO với MF và UF Động vật nguyên sinh,

Dưới đây là một số công nghệ áp dụng xử lý nước thải bậc cao – tái sử dụng nước:

Hình 1.3 Sơ đồ thể hiện một số quá trình áp dụng xử lý nước thải bậc cao với nước

đầu ra của bể lắng sơ cấp

Màng lọc sinh học Nước ra từ bể

lắng sơ cấp

Khử trùng Cl2 /UV

Màng lọc sinh học

Thẩm thấu ngược

Xử lý

UV

1.1.5.3 Một số nghiên cứu về công nghệ xử lý tái sử dụng nước

a Đánh giá hệ thống MBR - RO để sản xuất nước tái sử dụng chất lượng cao: Kiểm soát vi sinh vật, sự hình thành các hợp chất sau khử trùng (DBP) và nitrat,

bởi Anna M Comerton, Robert C Andrews, David M Bagley

Nghiên cứu này đã cho thấy rằng nước tái sử dụng chất lượng cao có thể được sản xuất

từ nước thải đô thị thông qua việc sử dụng một hệ thống MBR – RO Nước đạt quy định Title 22 của California về tái sử dụng nước không sử dụng cho mục đích ăn uống

và giới hạn nước uống EPA của Mỹ về trihalomethanes (THM) (80 mg L-1), axit haloacetic (HAA) (60 mg L-1), clorit (1,0 mg L-1), tổng coliform (ND), virus (ND), và

Hình 1.4 Sơ đồ thể hiện một số quá trình áp dụng xử lý nước thải bậc cao với nước

Keo tụ Lọc Hấp phụ than hoạt tính Khử trùng Cl2 /UV

Vôi hóa

Tái hấp phụ

Khử trùng

UV  Cl2

Hấp phụ than hoạt tính

hóa

Lọc Ultra

Thẩm thấu ngược

Ozon hóa

Khử trùng UV Khử trùng Cl2

Hấp phụ than hoạt tính

Ozon hóa

trùng UV

Lọc Ultra

Khí trần

Cl2

Lọc

MF

Thẩm thấu ngược

Xử lý

Ozon hóa

nitrate/ nitrite (10 mg N L-1) Tuy nhiên, sự hình thành THM (182 – 689 mg L-1) do sự làm sạch MBR với clo và sự loại bỏ không triệt để của quá trình xử lý bởi RO, dẫn đến nước tái sử dụng có THM (40.2 ± 19.9 µg L-1) cao, mặt khác nitrat lên tới 3,6 mgN/L cũng là kết quả của việc loại bỏ không triệt để của màng RO Bước khử nitrat trong

MBR có thể được quan tâm đến trong các ứng dụng nước uống

b Tái sử dụng nước với quá trình xử lý kết hợp hệ oxy hóa Fenton và màng phản ứng sinh học (MBR) xử lý bổ sung nước thải dệt nhuộm, bởi Fei Feng, Zhenliang

Xu, Xiaohuan Li, Wentin You, Yang Zhen

Bảng 1.6 Chất lượng nước đầu vào và ra của trạm xử lý nước thải Dệt nhuộm

Hệ thống MBR Đầu

Thủy phân – Axit hóa Nước

vào

Tiếp xúc oxy hóa 2 pha

Bể lắng thứ cấp

Nước

ra

Bể chứa bùn Tuần hoàn bùn

Hình 1.6 Sơ đồ hiện trạng công nghệ của trạm xử lý

Quá trình oxy hóa Fenton trong điều kiện pH = 5, H2O2 = 17 mmol/L, Fe2+ = 1,7 mmol/L, trung bình sẽ loại bỏ được 39,3% TOC; 69,5% độ màu sau 35 phút phản ứng Quá trình MBR với HRT là 18 giờ, nồng độ trung bình TOC trong nước sau xử lý MBR là 16,8 mg L-1 Hệ số sinh bùn là 0,13g MLSS/g TOC và tốc độ loại bỏ TOC là 0,078 kg TOC/(m3.ngày)

Bảng 1.7 Tóm tắt hiệu suất trung bình của hệ Fenton và MBR

Thông số Vào hệ Fenton Ra hệ Fenton Đầu vào hệ MBR Tổng hiệu suất

Bảng 1.8 Chất lượng nước đầu ra của MBR và tiêu chuẩn GBT18920-2002

xe, công trình xây dựng, tưới cây, )

1 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BSF – BAC [2], [3], [4],[6],[8],[9],[10],[11],[12],[15],[17] 1.2.1 Tổng quan về BSF

1.2.1.1 Giới thiệu về BSF

Lọc là quá trình tách các chất rắn lơ lửng ra khỏi nước khi hỗn hợp nước và chất rắn lơ lửng đi qua lớp vật liệu lọc, chất rắn lơ lửng sẽ được giữ lại và nước tiếp tục chảy qua Lọc cát sinh học là quá trình sử dụng cát làm vật liệu lọc, lọc cát với tốc độ chậm nhằm tạo màng vi sinh, duy trì và sinh sôi vi sinh vật sẵn có Lọc cát sinh học bao gồm các quá trình: lắng, lọc, loại bỏ hoặc chuyển hóa các chất ô nhiễm có trong nước bởi vi sinh vật và khử trùng Tại Việt Nam, thông qua tài trợ của Trung tâm Công nghệ vệ sinh nước chi phí thấp (Canada), Sở Khoa học và Công nghệ Ninh Thuận đã triển khai thành công nghệ xử lý nước bằng lọc cát sinh học Nước đã qua xử lý có khả năng loại trừ 90% virus, 99,99% vi khuẩn, 99,99% nhóm động vật đơn bào (protozoa)

Ưu điểm của BSF là chi phí đầu tư và vận hành hệ thống rẻ, quản lý và vận hành đơn giản Tuy nhiên về mặt hiệu quả xử lý các hợp chất hòa tan bởi màng vi sinh và mức

độ ổn định không cao bằng BAC BSF tổn thất áp lực nhanh, phải thực hiện rửa ngược theo định kỳ và do đó hiệu xuất xử lý không ổn định sau rửa ngược

1.2.1.3 Vai trò của BSF trong mô hình BSF – BAC

Nước được tiền xử lý bằng cột lọc cát sinh học nhằm loại bỏ chất rắn lơ lửng, chuyển hóa và loại bỏ một phần các thành phần ô nhiễm có trong nước như nitơ, phospho, bởi màng vi sinh vật Với kích thước khe hở giữa các hạt cát và lớp màng hình thành bởi các chất rắn lơ lửng và vi sinh vật bám trên bề mặt hạt cát, dẫn đến kết quả là chất rắn

lơ lửng sẽ được loại giảm và với quá trình hoạt động sinh học của vi sinh vật tiêu thụ/ chuyển hóa các hợp chất hữu cơ hòa tan trong nước Sau thời gian hoạt động, lượng chất rắn lơ lửng và lượng vi sinh vật sinh trưởng và phát triển trên bề mặt hạt cát gây bít tắc cột lọc cát, và do đó sau một thời gian vận hành xử lý nhất định phải thực hiện rửa ngược cột lọc cát

1.2.2 Tổng quan về BAC

1.2.1.1 Giới thiệu về BAC

a Hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tụ tập các phân tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion của chất tan lên

bề mặt phân chia pha Bề mặt phân chia pha có thể là lỏng – rắn, khí – lỏng, khí – rắn Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp phụ, còn chất mà được tụ tập trên bề mặt phân chia pha được gọi là chất bị hấp phụ

Trong quá trình hấp phụ, năng lượng tự do bề mặt của hệ giảm, nghĩa là thế đẳng áp

ΔG < 0 Đồng thời độ hỗn độn của hệ giảm (do các tiểu phân của các chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ được sắp xếp một cách có trật tự) nghĩa là độ thay đổi entropy của quá trình ΔS < 0 Do đó từ phương trình năng lượng của công thức Gibbs (thế đẳng áp)

ΔG = ΔH – T.ΔS < 0(*) Suy ra, hiệu ứng nhiệt ΔH < 0 Nghĩa là quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt Điều này hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm

b Đặc tính của chất hấp phụ than hoạt tính

Thành phần của than hoạt tính bao gồm các nguyên tố: 88%C; 0,5% H; 0,5% N; 1,0%

S, và 6 – 7% O với sự cân bằng của các thành phần tro vô cơ cơ bản

Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn, nếu tính ra đơn vị khối lượng thì từ

500 đến 2500 m2

g-1 Phân loại mao quản theo đường kính:

Macropores (> 50 nm)

Mesopores (2 – 50 nm)

Micropores (< 2 nm)

Các lỗ rỗng lớn đóng vai trò là lỗ rỗng vận chuyển, các lỗ rỗng có đường kính nhỏ là

Chỉ số ma sát: Đo khả năng than chịu đựng trong vận hành, vận chuyển

Độ khối: Xác định thể tích của một khối lượng than chiếm chổ

Quá trình hóa lý sử dụng rộng rãi nhất trong xử lý bậc ba là hấp phụ than hoạt tính Quá trình này sử dụng lớp than hoạt tính hấp phụ các chất hữu cơ, kim loại, mùi, màu

có trong nước thải lên bề mặt của nó

Khả năng hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc vào quá trình mà nó được hoạt hóa, sự phân bố lỗ và đặc tính bề mặt của nó Quá trình hoạt hoá than là quá trình tạo ra cấu trúc rỗng trong hạt than bằng hơi nước hay CO2

GAC có khả năng loại bỏ hiệu quả phenol, polyaromatic hydrocarbons (PAHs), hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs), các chất hữu cơ tổng hợp (SOCs), một vài kim loại bậc thấp và BTEXs (benzene, toluene, ethyl benzene và p-xylen) Ngoài ra, các chất oxi hóa như hypochlorous oxit (HOCl), hydrogen peroxide (H2O2) và O3 cũng bị hấp phụ bởi GAC

Hấp phụ than hoạt tính là một giải pháp rất hữu hiệu trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và nước thải Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả cao thì chi phí cho than và tái sinh than lớn Than hoạt tính sinh học là một công nghệ phù hợp trong

xử lý nước thải tái sử dụng

c Than hoạt tính sinh học BAC

BAC thường được sử dụng trong xử lý nước cấp và nước thải bậc cao, sử dụng than hoạt tính dạng hạt trong đó quá trình hấp phụ và phân huỷ sinh học xảy ra đồng thời BAC được sử dụng để loại bỏ các hợp chất carbon hữu cơ hoà tan DOC, bao gồm mùi, màu, các sản phẩm phụ của hoá chất khử trùng, thuốc trừ sâu…nitơ, photphat

 Màng vi sinh trên bề mặt GAC bao gồm

 Vi khuẩn dị dưỡng (109/g GAC)

 Nguyên sinh vật (450/mL GAC)

Các vi khuẩn chiếm ưu thế được xác định trên các hạt hoặc kẽ của GAC trong nước là

Pseudomanas, Alcaligenes, Aerpmonas, Acinetobacter, Arthrobacter, Flavobacterium, Chromobacterium, Bacillus, Corynebacterium, Micrococcus, Paracoccus, và Moraxella(Camper và đồng sự, 1986; Wilcoxx và đồng sự, 1983)

Các hoạt động sinh hoá trong than hoạt tính sinh học BAC đóng vai trò chính trong việc phân huỷ các chất ô nhiễm Chất ô nhiễm trong nước thải sẽ được hấp phụ trên bề mặt của lớp màng sinh học và bị phân huỷ bởi quần thể vi sinh có trong màng Hiệu suất của quá trình than hoạt tính sinh học hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng phân huỷ sinh học của nó Khi sinh khối gia tăng, hiệu quả khử chất hữu cơ cũng tăng theo trong giai đoạn đầu và sau đó sẽ giảm do sự suy giảm bề mặt riêng, tổn thất áp lực tăng do sinh khối tăng Lúc này, quá trình rửa ngược là cần thiết để loại bỏ đi sinh khối cũ, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trưởng sinh khối mới

Hiệu quả xử lý sinh học của than hoạt tính sinh học lớn hơn so với lọc sinh học giá thể cát và anthraxit do khả năng giữ được một lượng vi sinh dính bám lớn hơn Ba yếu tố

cơ bản quyết định đến sự khác biệt này:

* Độ xốp, diện tích bề mặt và bề mặt nhám: Đường kính trung bình của một tế bào

vi khuẩn từ 0.3 – 10µm

* Khả năng hấp phụ: Tập trung cơ chất, bao gồm các cơ chất như dinh dưỡng, oxy trên bề mặt của hạt than Sự tập trung này sẽ đẩy nhanh tốc độ khử màu và cho phép quá trình phân huỷ được xảy ra ngay cả khi nồng độ các cơ chất này không đủ cho quá trình phát triển của vi sinh Kéo dài thời gian tương tác giữa màng vi sinh và các cơ chất hữu cơ Làm giảm nồng độ các chất độc hại có khả năng gây ảnh hưởng đến màng

vi sinh

* Điện thế bề mặt của hạt than: Sự hiện diện của các nhóm chức khác nhau có trên

bề mặt của hạt than sẽ cho thấy sự phát triển của vi sinh vật dính bám trên bề mặt của hạt than

Khả năng tăng cường hoạt động của vi sinh vật làm cho GAC có những ưu điểm như sau so với giá thể cát và anthraxit:

* Cho hiệu quả xử lý các chất hữu cơ phân huỷ sinh học cao hơn, thời gian hiệu suất

ổn định được kéo dài dài hơn

* Giảm bớt thời gian thích nghi, đây chính là yếu tố ảnh hưởng chính trong quá trình khởi động và sau khi rửa ngược

* Thích nghi nhanh hơn đối với sự thay đổi của chất lượng nước đầu vào như nồng

độ các chất hữu cơ phân huỷ sinh học, các chất hữu cơ độc hại cũng như nhiệt độ môi trường Những ưu điểm này sẽ thể hiện rõ hơn trong thời tiết lạnh

* Cuối cùng, khả năng hấp phụ vật lý của GAC sẽ làm tăng ưu điểm của quá trình than hoạt tính sinh học so với các quá trình sinh học thông thường

1.2.1.2 Cơ sở lý thuyết về quá trình chuyển hóa các phần tử ô nhiễm trong nước thải của BAC

a Cơ sở lý thuyết của quá trình chuyển hoá các hợp chất BDOC

BDOC (Biologycal Dissolved Organic Carbon) là chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và

dễ hấp phụ Với sự có mặt của màng vi sinh trên lớp GAC nó sẽ sử dụng các hợp chất BDOC để làm nguồn thức ăn

BDOC + Vi khuẩn trên GAC Sinh khối của vi sinh + H2O + CO2

Tổng hợp xây dựng tế bào: CxHyOz + O2 Tế bào VSV + CO2 + H2O

b Cơ sở lý thuyết của quá trình chuyển hoá các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ

CxHyOzN + (x + y/4 – z/2 – 3/4) O2+ Vi khuẩn trên GAC Sinh khối của vi sinh + xCO2 + (y–3)/2 H2O + NH3

Tạo sinh khối cho vi khuẩn: Khoảng 20 – 40% bị đồng hóa thành vỏ tế bào NH4+ Phản ứng tổng hợp thành sinh khối có thể viết như sau:

4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O  C5H7O2N + 5O2Theo đó hợp chất Nitơ được loại bỏ theo 2 quá trình:

 Quá trình nitrate hoá

Quá trình nitrate hoá là quá trình oxy hoá hợp chất chứa nitơ, trước tiên ammonia được chuyển thành nitrite sau đó nitrite được oxy hoá thành nitrate Quá trình nitrate hoá

diễn ra theo 2 bước liên quan đến 2 chủng loại vi sinh tự dưỡng Nitrosomonas và

Nitrobacter Một số nghiên cứu nhận thấy một số vi sinh vật hiếu khí có khả năng

nitrat hóa bao gồm: tảo (Chlorella), vi khuẩn (Arthrobacter, Bacillus, Nitrobacter,

Nitrosomonas, Proteus, Pseudomonas, Vibrio), nấm (Aspergillus), động vật nguyên

sinh (Epistylis, Vorticella), khuẩn tia ( Myocbacterim, Nocardoa, Streptomyces)

(Michael H.Geradi, 2002)

 Bước thứ nhất: Ammonia NH4+ bị oxi hóa thành NO2- do tác động của vi khuẩn nitrite hóa

NH4+ + 3/2O2 NO2- + H2O + 2H+ (**) (Vi khuẩn Nitrite hóa : Nitrosomonas, Nitrosobulobus, Nitrosocystis, Nitrosospira, Nitrosococus)

 Bước thứ hai: Oxy hóa NO2- thành NO3- do tác động của vi khuẩn nitrat hóa

NO2 + 1/2O2NO3- (***) (Vi khuẩn nitrate hóa : Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira)

Phương trình phản ứng (**) và (***) tạo ra năng lượng, theo Painter (1970) năng lượng tạo ra từ quá trình oxy hoá ammonia khoảng 66 – 84 kcal/mole ammonia và từ

oxy hoá nitrite khoảng 17,5 kcal/mole nitrite Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng

năng lượng này cho sự sinh trưởng của tế bào và duy trì sự sống Tổng hợp 2 phương trình phản ứng trên viết lại như sau:

Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo Gujer và Jenkins ta có: 1,02 NH4+ + 1,89O2 + 2.02HCO3-  0.021C5H7O2N + 1.00NO3- + 1.92 H2CO3 + 1.06H2O (*****)

Như vậy, 1g N–NH4+ tiêu thụ 4,3 gO2 và 1g N–NH4+ tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (quy về CaCO3)

Để thiết kế người ta hay dùng các con số suy ra từ phương trình (*****) là 4,3 g O2 và 7,2 g độ kiềm/1g N–NH4+ để tính toán

Động học của phản ứng nitrat hoá ammonia

Trong các hệ phản ứng xúc tác tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ chất phản ứng

và nồng độ xúc tác (nhất là đồng thể) Tương tự như vậy, tốc độ phản ứng nitrat hoá vi sinh tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất (ammonia) và nồng độ vi sinh hoạt động (đóng vai trò xúc tác) có trong hệ Điểm khác cơ bản giữa vi sinh và xúc tác là nồng độ vi sinh hoạt động biến đổi trong quá trình phản ứng và giá trị phụ thuộc vào điều kiện phản ứng (nồng độ cơ chất, pH, nhiệt độ, chất độc, khả năng phân rã (chết), thời gian lưu bùn )

Như đã trình bày ở trên, phản ứng nitrat hoá ammonia là phản ứng nối tiếp hai giai

đoạn: (i) giai đoạn 1 là phản ứng nitrit hoá ammonia được thực hiện bởi

Nitrosomonas; (ii) giai đoạn 2 là phản ứng oxy hoá nitrit thành nitrat được thực hiện

bởi Nitrobacter Về nguyên tắc tốc độ phát triển Nitrosomonas nhỏ hơn Nitrobacter,

bằng chứng là nồng độ NO2- thường chỉ ở mức 0,2 mg L-1 hoặc ít hơn Như vậy, bước nitrit hoá là bước quyết định tốc độ chung của quá trình nitrat hoá, nên có thể xét động học nitrat hoá như một phản ứng của một giai đoạn

Khi tế bào được nuôi cấy trong môi trường thích hợp, sự tăng trưởng của quần thể vi sinh vật sẽ tuân theo đường cong sinh trưởng gồm 04 pha sau đây:

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hoá:

Một số nghiên cứu quan sát cho thấy tốc độ nitrate hoá cực đại khi pH nằm trong khoảng 7,2 – 9 Angle và Alexander (1958) và Dowing (1964) cho thấy ít có sự ảnh hưởng khi pH bằng 7,2 – 8 và tốc độ nitrate hoá giảm tuyến tính khi pH nhỏ hơn 7,2 Boon và Laudelout (1962) cho thấy tốc độ nitrate hoá đối với Nitrobacter ở pH bằng 6,5 bằng 60% tốc độ ở pH bằng 7,5 Antoniou (1990) sử dụng các mẻ vi khuẩn nuôi cấy chưa được thích nghi cho thấy tốc độ nitrate hoá ở pH bằng 6,8 bằng 42% tốc độ

pH bằng 7,8 tại 150C, ở nhiệt độ thấp hơn thì ảnh hưởng của pH nhiều hơn Theo nghiên cứu của Stankwich (1972), Haug và Mc Carty (1972) cho thấy tốc độ sinh trưởng riêng cực đại được phục hồi sau khi thích nghi với pH thấp hơn và thích nghi hoàn toàn sau 10 ngày khi pH giảm từ pH 7 đến pH 6 trong các quá trình sinh trưởng bám dính

 Nồng độ ammoniac và nitrite

Cần lưu ý về độc tính của ammoniac (khí không phân ly) và HNO2 không phân ly Turk, O., và Mavinic, D.S (1986) chỉ ra rằng các quá trình oxy hoá nitrit bị ức chế khi nồng độ N-NH3 đạt 0,1 – 1 mg L-1 và ở nồng độ N-NH3 từ 5 – 20 mg L-1, quá trình oxy hóa NH4+ cũng bị ức chế Tuy nhiên, theo Ford và đồng sự (1980) lại cho rằng số liệu

về nồng độ gây ức chế quá trình oxy hóa nitrit cao hơn nhiều (10 – 150 mg N-NH3 /L) Đối với NO2-, sự oxi hóa NH4+ ở pH thấp ít bị ảnh hưởng hơn sự oxy hóa nitrit Sự có mặt của NO2- và pH thấp sinh ra HNO2 không phân ly, đây là tác nhân gây ức chế quá trình oxy hoá nitrit

Alleman (1985) cho thấy khi nồng độ nitrit đạt tới 27 mg L-1 thì vi khuẩn Nitrobacter

bị ức chế mạnh hơn vi khuẩn Nitrosomonas Alleman cũng cho rằng nhiệt độ thấp, DO thiếu và CO2 cao, sự có mặt của NH3 tự do và dư lượng bùn làm giảm tốc độ phát triển của vi khuẩn Nitrobacter và dẫn đến làm giảm oxy hóa nitrit Ngoài ra, sốc ammonia

và sự khử nitrat có thể gây ra sự tích luỹ chất độc NO2- Đó là do vi khuẩn Nitrosomonas ít nhạy cảm hơn đối với sốc NH3 và thích nghi nhanh hơn vi khuẩn Nitrobacter dẫn tới sự tích luỹ nitrit trong hệ

Hình 1.8 Sự phát triển của vi khuẩn trong điều kiện cơ chất là hằng số

Pha Lag

Pha Log

Nếu DO giảm, NO2- cũng sẽ tăng và có thể đạt tới 36 mg L-1, nếu tăng DO, nitrit giảm nhanh xuống 10 mg L-1 (Tanaka,1982)

 Oxy hoà tan (DO: Dissolved Oxygen)

Ảnh hưởng của DO lên quá trình nitrate hoá được báo cáo từ các nghiên cứu khác nhau của Downing và Scragg (1958) cho thấy nồng độ DO cần thiết cho quá trình nitrate hoá xảy ra ít nhất ở nồng độ 0,3 mg/L Wuhrman (1963) cho thấy nồng độ DO bằng 4 – 7 mg/L, tốc độ nitrate hoá không bị ảnh hưởng, nhưng DO bằng 1 mg/L thì tốc độ chỉ bằng 90% tốc độ ở nồng độ DO cao hơn Nagel và Haworth (1969) cho thấy tốc độ nitrat hóa trong bùn hoạt tính gấp đôi khi nồng độ DO tăng từ 1 – 3 mg L-1 Okun (1949), Haug và McCarty (1971) cho thấy vi khuẩn nitrat hóa không bị ảnh hưởng bởi DO, không có sự ức chế khi nồng độ DO lớn hơn 3 mg L-1

Potassium chlorate 2500 2,4,6-Trichlorophenol 7,9

 Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng lên tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrate hoá Tốc

độ nitrate hoá giảm so với sự suy giảm nhiệt độ

Một số nghiên cứu đề xuất mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riêng cực

đại như sau:

Bảng 1.10 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riêng cực đại

 Thời gian lưu bùn

Thời gian lưu bùn đủ lâu để đảm bảo cho vi khuẩn nitrate hoá phát triển ổn định và thích nghi dần với các chất độc hại

 Quá trình khử nitrate:

Khử nitrate là quá trình khử nitrate–nitrogen thành khí nitơ, nitrous oxide (N2O) hoặc nitrite oxide (NO) được thực hiện trong môi trường thiếu khí (anoxic) và đòi hỏi một chất cho electron

Hai con đường khử nitrate có thể xảy ra trong hệ thống sinh học đó là:

 Đồng hoá: Con đường đồng hoá liên quan đến khử nitrate thành ammonia sử dụng cho tổng hợp tế bào

 Dị hóa: Khử nitrate bằng con đường dị hoá liên quan đến sự khử nitrate thành oxide nitrite, oxide nitrous và nitơ:

NO3-  NO2-  NO (gas)  N2O (gas)  N2 (gas)

Vi khuẩn có khả năng khử nitrat hóa gồm cả dị dưỡng và tự dưỡng Sinh vật dị dưỡng

gồm: Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter,

Bacilullus, Chromobaterrium, Corynebacterium, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella, Neissria, Paracoccus, Propoonibaterium, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Spirillum, và Vibrio (Payne, 1981) Ngoài ra, Halobacterium, và Methanomonas (Gayle, 1989) Loài Pseudomonas là phổ biến nhất, và phân bố rộng so

với các loài khác tham gia khử nitrat, được thể hiện qua sự tiêu thụ nhiều loại hợp chất hữu cơ bao gồm hydrogen, methanol, carbonhydrates, organic acids, alcolhols, benzoats, và các hợp chất thơm khác (Payne, 1981)

Trong quá trình loại bỏ sinh học nitrogen, chất cho electron là một trong 3 nguồn sau: (1) các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải đầu vào (bsCOD), (2) bsCOD hình thành trong quá trình phân hủy nội sinh, (3) nguồn ngoại sinh như methanol hoặc acetate C10H19O3N thường được sử dụng đại diện cho các hợp chất có khả năng phân hủy sinh học (U.S EPA, 1993)

 Phương trình năng lượng sử dụng methanol làm chất nhận electron:

5CH3OH + 6NO3-  3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH

- Toàn bộ phản ứng gồm cả tổng hợp sinh khối:

1,08CH3OH + 0,24H2CO3 + NO3-  0,056C5H7O2N + 0,47N2 + 5CO2 + 1,68H2O + HCO3-

0,93CH3OH + O2 + 0,056NO3-  0,056C5H7O2N + 0,47N2 + 5CO2 + 1,04H2O + 0,56HCO3- + 0,59H2CO3

 Phương trình năng lượng sử dụng methanol, ammonia làm chất nhận electron:

2,5CH3OH + 0,5H2CO3 + 0,5NH4+ + NO3-  0,5C5H7O2N + 0,5N2 + 5CO2 + 4,5H2O + 0,5HCO3-

 Phương trình năng lượng sử dụng methane làm chất nhận electron:

5CH4 + 8NO3-  4N2 + 5CO2 + 6H2O + 8OH

- Toàn bộ phản ứng gồm cả tổng hợp sinh khối sử dụng nước thải làm nguồn cacbon, ammonia làm chất nhận electron:

NO3- + 0,345C10H19O3N + H+ + 0,267NH4+ + 0,267HCO3-  0,612C5H7O2N + 0,5N2+ 2,3H2O + 0,655CO2

Để quá trình khử nitrat hóa xảy ra tốt thì cần cung cấp đầy đủ các chất cho electron để loại bỏ nitrat, thường được ước lượng rằng 4g BOD cần để khử 1g NO3- (Barth và đồng sự, 1968) Tuy nhiên giá trị thực tế tùy thuộc vào điều kiện vận hành hệ thống và dạng chất cho electron sử dụng cho quá trình khử nitrat

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat

 DO ức chế men khử nitrit (mạnh hơn so với tác động lên men khử nitrat) Nếu

có DO, nitrit sẽ tích luỹ Oxy ức chế các enzyme khử nitrit mạnh hơn các enzyme khử nitrat, nhưng quá trình vẫn có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí như trường hợp của mương oxy hóa khử nitơ Theo nghiên cứu của Skerman và MacRae (1957), Terai và

Mori (1975) cho biết Pseudomonas bị ức chế ở DO ≥ 0,2 mg L-1 Nelson và Knowles (1978) cho biết khử nitrat bị dừng khi DO bằng 0,13 mg L-1 Wheatleand và đồng sự (1959) cho thấy tốc độ khử nitrat ở DO bằng 0,2 mg L-1 chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrat ở DO là 0 mg L-1 DO tăng lên 2 mg L-1

thì tốc độ khử nitrat chỉ bằng 10% ở DO

là 0 mg L-1

 Bản thân nitrit cũng là chất độc Nếu NO2- bằng 3 – 14 mg L-1 ở pH 7 quá trình chuyển hóa chất hữu cơ bởi vi khuẩn Pseudomonas, Aeruginosa sẽ chậm lại, ở nồng

độ 350 mg L-1 quá trình bị ức chế hoàn toàn Tương tự, các khí NOx cũng là chất độc

 Quá trình khử nitrat sinh ra độ kiềm, axit cacbonic chuyển thành bicacbonac

Độ kiềm tạo ra phản ứng khử nitrat làm tăng pH, thay vì bị giảm trong phản ứng khử nitrat hóa Trái ngược với vi khuẩn nitrat hóa, người ta ít quan tâm đến ảnh hưởng của

pH lên tốc độ khử nitrat Một số nghiên cứu xác định pH tối ứu cho quá trình nằm giữa

7 – 8 Cụ thể còn tùy thuộc vào loài vi khuẩn hiện diện và đặc tính nước thải Theo nghiên cứu của Dawson và Murphy (1972) cho biết tốc độ khử nitrat ở pH 6 và 8 bằng một nửa ở pH 7 cho cùng một mẻ nuôi cấy Nommil (1956), Wiljer và Delwiche (1954), Bremner và Shaw (1958) cho thấy tốc độ khử nitrat hóa không bị ảnh hưởng khi pH từ 7 – 8 pH từ 8 – 9,5 và 7 – 4 thì tốc độ khử nitrat hóa giảm tuyến tính Điều

kiện pH trung hòa, sự chuyển đổi oxit nitrous thành khí nitơ chiếm ưu thế

 Nhiệt độ ảnh hưởng lên cả tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn và tốc độ khử nitrat

Vi khuẩn khử nitrat phát triển ở nhiệt độ từ 5 – 25oC Ở khoảng nhiệt độ này, tốc độ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10o

C

µX,T = µX,20.ϴT-20

Trong đó: µX,T ; µX,20: Tốc độ phản ửng khử nitrat hóa ở ToC và 20oC

c Cơ sở lý thuyết quá trình khử photpho

Photpho được loại bỏ thông thường để kiểm soát sự phú dưỡng, bởi vì photpho là nguyên tố dinh dưỡng giới hạn trong hầu hết hệ thống nước ngọt Photpho đóng vai trò quan trọng trong cơ chế trao đổi năng lượng trong tế bào qua ATP và poly–photphat Loại bỏ photpho trong hệ thống sinh học cơ bản bởi các quá trinh dưới đây (Sedlak, 1991):

* Nhiều vi khuẩn có khả năng lưu trữ lượng lớn photpho như poly-photphat trong tế bào

* Dưới điều kiện kỵ khí, những sinh vật tích lũy photpho (PAOs) sẽ lên men đồng hóa những sản phẩm (như axit bay hơi) thành các sản phẩm tích lũy trong tế bào đồng thời giải phóng photpho từ poly–photphat được tích lũy

* Dưới điều kiện hiếu khí, năng lượng là sản phẩm của quá trình oxy hóa các sản phẩm tích lũy và poly–photphat tích lũy trong sự tăng trưởng tế bào

Acinetobacter – tích lũy polyphosphate

P3O10-5 + 2H2O  2HPO43- + H2PO4

-PO43- + Vi sinh trên GAC Sinh khối của vi sinh (ATP)

d Yêu cầu chất lượng nước đầu vào của BAC: Than hoạt tính sinh học được sử

dụng xử lý các hợp chất hòa tan trong nước, do đó nước trước khi đi vào hệ thống BAC cần loại bỏ đáng kể chất rắn lơ lửng, do vậy BAC thường đặt sau hệ thống lọc cát (nước vào BAC với SS <100 mg L-1) Mặt khác, nhằm tăng khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm cần thực hiện oxy hóa cắt mạch các phân tử phức tạp khó phân hủy sinh học thành các hợp chất đơn giản bởi các tác nhân oxy hóa như ozon với một liều lượng nhất định

e Ưu nhược điểm của BAC: Khả năng hấp phụ các hợp chất hòa tan và với diện tích

bề mặt riêng lớn, màng vi sinh bám dính sau thời gian thích nghi, hình thành phát triển

phân hủy/ tiêu thụ các hợp chất ô nhiễm BAC có hiệu suất xử lý cao và ổn định, xử lý đồng thời độ đục, độ màu và các hợp chất ô nhiễm như các hợp chất hữu cơ, nitơ, photpho, các kim loại Mặt khác chi phí xây dựng và vận hành cũng thấp Tuy nhiên phải tiến hành rửa ngược định kỳ, thay thế than hoạt tính sau thời gian nhất định thường là 10 năm

1 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ MF – RO [2],[6],[16],[18]

1.3.1.1 MF và vai trò của MF trong mô hình MF – RO

a Màng MF

Màng MF còn được gọi là màng vi lọc, được sử dụng để xử lý nước và nước thải, có nhiệm vụ loại bỏ chất rắn lơ lửng, tảo, vi khuẩn gây bệnh, cũng như ký sinh trùng đơn bào Màng này được sử dụng chủ yếu trong quá trình tiền xử lý cho lọc RO, lọc NF để bảo vệ các thiết bị này Màng MF không sử dụng áp suất như màng RO và màng NF, thay vào đó nó lại sử dụng 1 hệ thống áp lực vì màng MF có kích thước lỗ xốp đủ lớn

để nước có thể thấm qua mà không cần phải sử dụng tới áp suất Kích thước lỗ xốp của màng MF khoảng 0,1m – 5m Dãy áp suất vận hành từ 10 – 50 psi

Cơ chế lọc màng MF  Lọc đơn dòng: Nước đi vào vuông góc với màng, chất bẩn được giữ trên màng, dòng thấm đi ra khỏi màng

Màng MF có cơ chế lọc gần giống bể lọc nhanh nhưng có những đặc điểm khác biệt

Bảng 1.11 So sánh thiết kế và vận hành của màng vi lọc và bể lọc nhanh

Bảng 1.12 Đánh giá hiệu suất của MF

Thông số Đầu vào MF mg/L Đầu ra MF

mg/L

Hiệu suất trung bình, %

Khoảng hiệu suất, %

b Yêu cầu chất lượng nước đầu vào của MF: Màng MF được sử dụng nhằm mục

đích loại bỏ các chất rắn lơ lửng, hạt nhỏ, chất keo, và hợp chất hữu cơ bởi kích thước giới hạn của màng Do đó chất lượng nước vào MF cần phải được tiền xử lý bởi quá trình lọc cát, hoặc các quá trình xử lý kết hợp nhằm cung cấp chất lượng nước vào MF hoạt động tối ứu nhất, thông thường nước đầu vào của MF đạt QCVN 02:2009/BYT

c Ưu nhược điểm của MF: MF loại bỏ đồng thời độ đục, độ màu, chất rắn lơ lửng,

các hợp chất hữu cơ bởi kích thước giới hạn của màng Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu và vận hành hệ thống cao, dễ bị tắc màng, phải xử lý bẩn màng hoặc thay thế màng mới

d Vai trò của MF trong mô hình MF – RO: Trong mô hình MF – RO, MF đóng vai

trò tiền xử lý cho quá trình thẩm thấu ngược RO, với chức năng là loại bỏ chất rắn lơ lửng, hạt nhỏ, chất keo, và hợp chất hữu cơ bởi kích thước giới hạn của màng

1.3.1.2 RO và vai trò của RO trong mô hình MF – RO

a Màng thẩm thấu ngược RO

RO là quá trình ứng dụng màng bán thấm Hiện tượng thẩm thấu xảy ra khi dòng nước tinh khiết trong dung dịch muối di chuyển qua màng đến nơi có dung dịch muối đậm đặc hơn và sẽ làm cho cột nước phía bên này dâng cao lên

Màng RO Màng RO

Hình 1.10 (a) Quá trình thẩm thấu, (b) Quá trình thẩm thấu ngược

Dung dịch loãng

Dung dịch loãng

Quá trình này sẽ dừng lại khi có sự cân bằng giữa cột áp do nước dâng lên và áp suất thẩm thấu Nếu có một áp suất nén cột nước dâng lên này thì dòng thấm qua màng sẽ ngược lại Hiện tượng này gọi là thẩm thấu ngược Quá trình này sẽ tạo ra dòng nước tinh khiết từ nơi nước có nồng độ muối cao vì màng chỉ cho nước đi qua nhưng không cho ion đi qua Sự dịch chuyển nước qua màng là do thế năng của dung dịch loãng cao hơn thế năng của dung dịch đậm đặc

Dòng vào sau khi qua màng bán thấm chia thành 2 dòng:

- Dòng thấm: Là dòng qua màng

- Dòng cô đặc: Dòng giữ lại chất lơ lửng, keo hoặc hòa tan

Cơ chế lọc màng RO Lọc ngang: Dòng vào và dòng ra song song với màng thay vì thẳng góc như lọc thông thường

b Các loại màng thẩm thấu ngƣợc

Dòng thấm (Permeate)

Dòng vào

(Feed)

Dòng đậm đặc (Concentrate)

Màng ống ống rỗng thành mỏng

Dòng thấm

(Permeate)

Màng ống Đĩa rỗng

Dòng thấm Tấm chắn cuối Dòng

đậm đặc

Dòng vào

Hướng dòng vào

Phân phối nước

Hình 1.12 Màng dạng ống

Màng

Hình 1.11 Cơ chế màng lọc RO

Dòng thấm Dòng cô đặc

Dòng vào Dòng đậm đặc Dòng thấm

Bản đỡ màng Khoảng trống

(Spacer)

Trong số các màng trên, màng tấm và màng hình ống ít được sử dụng vì tỉ số diện tích màng trên một đơn vị thể tích nhỏ và điện năng tiêu thụ trên một m3 nước xử lý cao Màng tấm và màng ống chỉ nên được dùng khi vấn đề đóng cặn dễ xảy ra vì 2 loại

màng này dễ bảo dưỡng và thay thế

c Cấu tạo của màng RO

 Màng không đối xứng – Màng Cellulose Acetate (CA) (Assymmetric Membrane): Màng này được tạo thành từ polymer cellulose acetate (CA) do Loed và Sourirojan chế tạo vào năm 1962 và là màng RO thương mại đầu tiên Màng CA có cấu trúc không đối xứng, dày khoảng 0.1 – 0.2 μm có vai trò ngăn muối không qua màng Phần còn lại của màng dày khoảng 100 – 200 μm dùng làm lớp đỡ cho lớp màng mỏng bề mặt (thin film) trên là lớp rỗ, xốp và có độ thấm nước cao

 Màng composite – Polyamide (Think film composite (TFC)– PA membrane): Màng này bao gồm một lớp đỡ xốp và một lớp màng mỏng (màng lọc) thuộc loại màng có liên kết ngang được đính lên lớp đỡ xốp thường làm bằng polysulfone Màng lọc có cấu tạo từ polyamide vòng thơm có liên kết ngang được tạo ra từ phản ứng polymer hoá amine đa nhóm chức như m-phenylenediamine với một acid đa nhóm chức của chloride như tri-mesoyl-chloride Màng TFC cho dòng nước (water flux) và khả năng khử muối cao hơn màng CA và có độ ổn định đối với độ thay đổi pH rộng và

có khả năng vận hành ở áp suất thấp hơn màng CA

Hình 1.14 Cấu trúc màng vòng xoắn và cơ chế lọc của màng RO

Hiệu quả khử muối thay đổi sau 3 năm 99%  98,7% 98%  96%

d Một số đặc điểm chung cho RO

 Các hợp chất vô cơ hoà tan dễ bị loại bỏ hơn bởi màng RO so với các chất hữu

cơ Hợp chất hữu cơ với khối lượng phân tử (MW) lớn hơn 100 cũng có thể bị loại bỏ tốt bởi màng RO

 Các chất hoà tan có thể bị ion hoá có khả năng bị loại bỏ tốt hơn so với các chất không bị ion hoá

 Các chất bị ion hoá có điện thế lớn hơn có khả năng bị loại bỏ tốt hơn các chất

phân tử lượng giảm

e Quá trình truyền khối xảy ra trong màng

Dòng chất lỏng và muối qua màng có thể biểu diễn bằng phương trình định luật Fick

Hiện tượng này gọi là sự phân cực nồng độ, được xác định bằng hệ số:

Trong đó

Cm : Nồng độ muối của dung dịch lớp biên tiếp xúc với màng

Cf : Nồng độ muối của dòng vào

Để giảm thiểu hiện tượng này, duy trì dòng chảy ngang, song song bề mặt màng, khi

đó độ dày lớp biên giảm đi và tạo điều kiện dễ dàng cho khuếch tán ngược Khi sử dụng dòng chảy ngang, hệ số ψ = 1,0 −1,4

Áp suất thẩm thấu: Theo lý thuyết, áp suất thẩm thấu thay đổi tương tự như áp suất khí

T : Nhiệt độ tuyệt đối, K

Phương trình đơn giản liên quan đến nồng độ dung dịch:

Trong đó

Q p: Lưu lượng nước sạch, m3/ngày hoặc gpd

Q f: Lưu lượng nước vào, m3

/ngày, gpd

 Hệ thống RO thường được thiết kế với:

 R c: 75 – 80% cho nước lợ

 R c: 20 – 35% cho nước biển

Tỷ lệ thải muối: Lượng muối tổng cộng thải bỏ trong dòng đậm đặc (dòng nước muối):

Trong đó

C p: Hàm lượng muối trong dòng nước sạch

C f: Hàm lượng muối trong dòng nước vào

Hàm lượng muối được đánh giá bằng chỉ tiêu TDS hoặc độ dẫn điện; R j> 90% đối với nước lợ

f Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình màng

 Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, dòng nước Qp và muối Qs đều tăng Ở dãy nhiệt độ thông thường 15 – 30oC, khi nhiệt độ dòng vào tăng 3oC thì Qp tăng lên 3%, Qs không tăng lên đáng kể ở dãy nhiệt độ này Do RO chủ yếu làm bằng vật liệu dẻo hay nhựa,

do đó dòng nước cấp vào nên có nhiệt độ dưới 30o

C

 pH: Dãy pH tốt nhất cho quá trình RO là từ 3 – 7, pH tối ưu trong khoảng 4,5 – 5,0 Riêng loại màng polymide không bị thủy phân trong nước có thể hoạt động tốt ở dãy pH bằng 3 – 11

 Áp suất: Dòng nước tỉ lệ thuận với áp suất hiệu quả (sự chênh lệch giữa áp suất dòng vào và áp suất thẩm thấu) Khi TDS = 100 mg L-1 hoặc hàm lượng muối bằng 1% thì áp suất thẩm thấu là 1 psi Áp suất dòng vào cao làm gia tăng Qp nhưng không tăng lượng muối qua màng, vì vậy chất lượng nước sẽ tốt hơn Áp suất vào cao đòi hỏi màng dày hơn, ống và các phụ tùng phải chịu lực tốt hơn Áp suất cần tăng cường để tạo nên dòng chảy rối nhằm giảm thiểu sự phân cực hàm lượng

Bảng 1.14 Một số yếu tố ảnh hưởng quá trình màng

 Bẩn màng: Trong quá trình nghiên cứu hệ thống RO, yếu tố quan trọng quyết định đến tuổi thọ của hệ thống đó là bẩn màng (fouling) Bẩn màng do nhiều yếu tố tạo nên: do sự tích tụ của cặn bẩn lên bề mặt màng, gần bề mặt màng và trong lõi màng làm sụt giảm thông lượng dòng thấm Hiện tượng này là do sự phân cực nồng độ hoặc

do sự tích tụ của hạt keo, lớp cặn hình thành gần bề mặt màng khi áp suất vận hành cao làm cho các chất bẩn bị ép chặt lên bề mặt màng Các yếu tố gây bẩn màng bao gồm:

 Các chất gây cáu cặn, kết tủa (các oxit kim loại sinh ra từ các kim loại hoà tantrong nước, silicat, CaCO3,CaSO4, silicate, BaSO4, Ca3(PO4)2, CaF2…)

 Bẩn màng do cơ chế bít tắt của quá trình lọc

 Các hạt keo trong nước

 Vi sinh phát triển

 Và các chất hữu cơ

g Các yêu cầu xử lý sơ bộ

Thiếu xử lý sơ bộ trước khi cấp vào RO có thể nhanh chóng gây bẩn màng và làm giảm chất lượng nước

 Một số quá trình tiền xử lý thường dùng:

 Điều chỉnh pH của nước để tránh cáu cặn

 Giảm tỷ lệ tái sinh

 Trao đổi ion

 Xử lý bằng hoá chất

 Xử lý khống chế hàm lượng các kim loại hoà tan có khả năng tạo ra oxit không tan

 Keo tụ, tạo bông, lọc,

 Khử trùng bằng UV, clo hoá và khử clo…

Yêu cầu chất lượng nước đầu vào của RO

Trường hợp bất cứ một chỉ số nào của nguồn nước sai lệch so với yêu cầu dưới đây đều cần được điều chỉnh, nếu không có thể sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ màng lọc, năng xuất và chất lượng nước thành phẩm hoặc có thể làm mất hiệu lực bảo hành Nhiệt độ

và áp suất tối đa cần luôn được giám sát

Bảng 1.15 Các thông số yêu cầu bắt buộc nước vào RO

Bảng 1.16 Đánh giá hiệu suất của RO

Thông số Đầu vào RO

mg/L

Đầu ra RO mg/L

Hiệu suất trung bình, %

Khoảng hiệu suất, %

h Ưu nhược điểm của RO

RO xử lý hầu hết các chất ô nhiễm trong nước như TDS, TSS, PO43-, SO42-, hợp chất nitơ, các hợp chất hữu cơ, vi sinh vật với hiệu suất rất cao Tuy nhiên chi phí đầu tư và vận hành hệ thống cao, tiêu tốn nhiều năng lượng quá trình vận hành, rửa màng/ thay thế màng mới

1 4 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ĐÀ LẠT 1.4.1 Giới thiệu sự hình thành và phát triển của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt

Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt là một hạng mục thuộc Dự án Vệ sinh thành phố Đà Lạt, thực hiện theo hiệp định ký kết năm 2000 giữa Chính phủ Đan Mạch và Việt Nam Tổng mức vốn đầu tư ban đầu khoảng 321 tỷ, trong đó vốn viện trợ không hoàn lại của Chính phủ Đan Mạch là 257 tỷ và vốn của Chính phủ Việt Nam là 64 tỷ

Hình 1.15 Nhà máy xử lý nước thải Đà Lạt

Hệ thống xử lý nước thải tập trung được

khởi công xây dựng từ tháng 3 – 2003

Các công trình đầu mối được hoàn

thành, bắt đầu hoạt động từ tháng 12 –

2005 và đến cuối năm 2007 thì hoàn

thành hạng mục đấu nối nước thải từ các

hộ thoát nước trong phạm vi dự án

Phạm vi dự án bao gồm toàn bộ các

phường 1, phường 2 và một phần các

phường 5, 6 và 8 Khu vực này có mật

độ dân số cao và có lượng nước thải lớn thoát ra suối Phan Đình Phùng, hồ Xuân Hương và suối Cam Ly

Ranh giới khu vực này như sau: phía tây giáp trục đường Mai Hắc Đế – Ngô Quyền – Bạch Đằng, phía bắc giáp đường Hai Bà Trưng nối dài – La Sơn Phu Tử – Nguyễn Công Trứ, phía đông giáp đường Đinh Tiên Hoàng và phía Nam giáp suối Cam Ly từ

hồ Xuân Hương đến cầu Ma Trang Sơn Nước thải sinh hoạt của khoảng 7.400 căn nhà trong khu vực này được tách riêng, thu vào hệ thống cống nước thải, chảy về trạm bơm chính và từ đây, nước thải được bơm theo đường ống áp lực về nhà máy xử

lý trước khi đổ ra hạ lưu suối Cam Ly

Hệ thống cống nước thải được xây dựng mới, tách biệt với hệ thống thoát nước có sẵn, với chiều dài khoảng 43 km Trạm bơm chính với công suất 500m3/giờ được xây dựng tại vị trí gần cuối đường Nguyễn Thị Định Tuyến ống áp lực chuyển tải nước thải từ trạm bơm chính về nhà máy xử lý nước thải có chiều dài 2,2km

Nhà máy xử lý nước thải tập trung có công suất 7.100 m3/ngày, được xây dựng trên

lô đất có diện tích 7,5 ha tại hạ lưu suối Cam Ly – cuối đường Kim Đồng

1.4.2 Giới thiệu hiện trạng công nghệ của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt

Nhà máy bao gồm những hạng mục chính như sau: hệ thống chắn rác gồm các lưới thô 60mm và mịn 4 mm, máy cuốn và ép rác tự động; bể lắng cát gồm 3 ngăn, kích thước chung 19,4m x 3,5m x 1,5m; 2 bể lắng hai vỏ, với kích thước mỗi bể: 25,8m x 7,4m x 11,05m; 2 bể lọc sinh học nhỏ giọt với đường kính mỗi bể 22m, chiều cao 5,95m; 2 bể lắng thứ cấp với đường kính mỗi bể 31m, chiều cao 2,5m; trạm bơm tuần hoàn với kích thước: 9,8m x 4,5m x 5,3m; 3 hồ sinh học và khử trùng với diện tích 2,5 ha; 2 sân phơi bùn có mái che diện tích 4.000m2, gồm 20 ô, kích thước mỗi ô: 34,2m x 6,4m; hệ thống đường ống kỹ thuật đường kính từ Ø150 đến Ø700; máy phát điện dự phòng công suất 60 kVA và trạm biến áp 160 kVA; phòng điều hành; văn phòng làm việc và xưởng

1.4.2.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống xử lý của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt

1.4.2.1 Tổng quan về các đơn nguyên công nghệ

 Hệ thống tách rác:

Nước sinh hoạt từ các hộ dân qua các cầu nối từ nơi cao đổ về nơi thấp vào các hố nối

Từ các hố nối về các hố ga Từ hố ga sẽ được bơm về trạm bơm chính Có tất cả bảy trạm bơm đổ tập trung về một trạm bơm chính Trong trạm bơm chính có 3 bơm mỗi bơm có công suất 250 m3 h-1 Nhưng hịên nay,các bơm trên hư hỏng nên nhà máy lắp đặt và sử dụng một bơm có công suất 300 – 350 m3

h-1

Hệ thống tách rác gồm thiết bị tách rác thô và thiết bị tách rác tinh:

+ Lưới thô để chắn những rác có kích thước lớn còn sót lại sau khi vớt rác sơ bộ + Lưới tinh để chắn những rác có kích thước nhỏ hơn mà lưới thô không giữ được

Lưới tinh có hai hệ thống song song Một bên vận hành thủ công, một bên vận hành tự động dựa trên sự cảm biến của mặt nước Thông thường vận hành tự động Chỉ khi lượng nước về quá nhiều để đảm bảo chúng không bị tràn thì nước sẽ tự động chảy

Bể xử lý sinh học – lọc nhỏ giọt

Bể lắng thứ cấp

Hồ sinh học

Sân phơi bùn Nguồn tiếp nhận

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống xử lý của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt

Hình 1.17 Hệ thống tách rác của Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Đà Lạt

a Hệ thống tách rác thô b Hệ thống tách rác tinh

tiếp qua hệ thống thủ công Rác sẽ bị cuốn và ép đổ ra thùng rác Cần phải có song chắn rác tinh để đảm bảo không bị nghẹt mạng lưới ở bể sinh học

 Bể lắng cát:

Bể lắng cát nhằm loại bỏ cát, sỏi, đá dăm, các loại xỉ

khỏi nước thải Trong nước thải, bản thân cát không

độc hại nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động

của các công trình và thiết bị trong hệ thống như ma

sát làm mòn các thiết bị cơ khí, lắng cặn trong các

kênh hoặc ống dẫn, làm giảm thể tích hữu dụng của

đi

 Bể lắng hai vỏ (bể Imhoff):

Nước tiếp tục qua bể Imhoff là bể lắng hai vỏ gồm hai phần Phần trên là lắng chất lơ lửng, phần dưới phân hủy yếm khí Bể có độ sâu từ 6 – 8 m, sâu nhất là 11 m Thời gian lưu từ 2.5 – 3 giờ Bể có van, một tuần mở một lần để nhân viên vận hành theo dõi Mỗi bể có 4 ngăn lắng và 2 ngăn phân hủy và bể được thiết kế theo dạng hình côn Ngăn phân hủy nằm dưới ngăn lắng.Yêu cầu mặt nướcphải thật yên tĩnh để đảm bảo chất lơ lửng được lắng xuống Tại đây, chất lơ lửng lắng được chiếm 70 – 80%, BOD

và COD giảm được 40% Bùn ở bể imhoff là bùn đã phân hủy vì vậy bùn này được đưa về sân phơi bùn Tùy theo kích thước sân phơi bùn mà lượng bùn thải ra được điều chỉnh nhờ các van thủ công

 Bể xử lý sinh học:

Bể lọc sinh học nhận được hai nguồn nước một nước ra của bể imhoff, hai là nguồn nước tuần hoàn lên để đảm bảo cho bề mặt lọc luôn ẩm ướt Bể có đường ống ngầm dưới đất thông nhau Cấu tạo của bể lọc sinh học là: bể cao 6 m, bên trong là các vật liệu lọc bằng nhựa hình tổ ong với chiều cao là 4 m Nước thải đi từ dưới lên trên rưới đều trên cánh quạt quay, áp lực nước làm cho cánh quạt quay rưới đều trên bề mặt lọc

Vì đây là một quá trình phân hủy hiếu khí nhờ một hệ thống cung cấp oxi nên chất

Hình 1.18 Bể lắng cát

dinh dưỡng trong nước thải sẽ được vi sinh vật bám trên màng ăn làm giảm BOD và

NH3 Và lượng vi sinh vật này sau một thời gian sẽ bong tróc ra và được đưa về bể lắng thứ cấp

 Bể lắng thứ cấp

Tất cả nước từ bể sinh học được dồn về hệ

thống giữa ống về bể lắng thứ cấp Nước cũng

đi từ dưới lên, ống trung tâm là nước đầu vào,

nước ra của bể sinh học được thu xuống dưới

trào ra máng tràn của bể lắng thứ cấp Trạm lắng

bùn ở trung tâm bể và được đưa vào hố bơm

bùn vào sân phơi bùn Nước từ 2 bể lắng được

chuyển về trạm bơm ở giữa một phần qua hệ

thống thải một phần hoàn lưu bổ sung nước cho qua trình xử lý sinh học ở trên

 Hồ sinh học

Các quá trình trên được sử dụng để xử lý về mặt hữu cơ Còn về mặt vi sinh nhà máy

sử dụng mặt thoáng của hồ và ánh sáng mặt trời Nhà máy có ba hồ với các độ sâu khác nhau Hồ thứ nhất có độ sâu 2 m hình chữ L, hồ hai có độ sâu 1,8m hình chữ nhật

có hai thanh bêtông tạo cản, hồ ba có độ sâu 1,5m tại các hồ có trồng bèo

 Sân phơi bùn

Bùn từ bể lắng Imhoff và từ bể lắng II được thu

gom về sân phơi bùn, bùn ráo nước sau khi được

bón cho cây

Hình 1.20 Bể lắng thứ cấp

Hình 1.21 Sân phơi bùn Hình 1.19 Bể lọc sinh học

nhỏ giọt