đề tài ứng dụng công nghệ màng tái sử dụng nước thải

Từ Bảng 1 có thể thấy được nếu không có các biện pháp giúp sử dụng nước hiệu quả hơn thì lượng nước thải sinh hoạt phát sinh sẽ rất lớn.. Trong số 3% nước ngọt, chỉ một phần ba là chất l

LỜI NÓI ĐẦU

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

PHẦN MỞ ĐẦU

- Đặt vấn đề

- Mục tiêu Tiểu luận

- Nội dung Tiểu luận

- Phương pháp thực hiện

- Đối tượng và giới hạn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Hiện trạng phát sinh nước thải và xử lý nước thải

Lượng nước thải sinh hoạt phát sinh phụ thuộc vào dân số và thói quen sử dụng Mặc dù khó có thể xác định con số chính xác của lượng nước thải sinh hoạt phát sinh, nhưng có thể ước tính được lượng nước thải theo mật độ dân số, diện tích và

hệ số phát sinh nước thải Lượng nước thải bình quân đầu người được thể hiện qua Bảng 1 Với năm 2015 lượng nước thải được ước tính trong các dự án xây dựng tại các địa phương, năm 2025 và năm 2050 được ước tính theo mục tiêu cấp nước đô thị theo Quyết định số 1929/QD-TTg ban hành ngày 20/11/2009, lượng nước thải bình quân đầu người nước thải sinh hoạt chiếm 70% lượng nước cấp Từ Bảng 1 có thể thấy được nếu không có các biện pháp giúp sử dụng nước hiệu quả hơn thì lượng nước thải sinh hoạt phát sinh sẽ rất lớn.

Bảng 1.1 Ước tính lượng nước thải sinh hoạt phát sinh tại khu đô thị của một

số tỉnh, thành phố tại Việt Nam

Lượng nước thải (m3 ngày)

Hệ số phát thải (L/người.

ngày)

Dân số

đô thị (người)

Lượng nước thải (m3/ngày)

Hệ số phát thải (L/người.

ngày)

Dân số

đô thị (người)

Lượng nước thải (m3/ngày)

Hệ số phát thải (L/người ngày)

1 Hà Nội 3,968,800 682,634 172 4,420,000 994,586 158 7,544,000 2,082,081 193

2 TP Hồ 6,455,943 1,129,790 175 8,400,000 1,889,933 158 9,046,000 2,496,660 193

3 Đà Nẵng 897,114 113,036 126 1,033,000 232,740 158 1,160,000 320,051 193

Nhu cầu nước sạch là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống Trong tổng số nước hiện có trên trái đất, khoảng 97% là nước mặn, không thích hợp cho việc sử dụng trực tiếp làm ăn uống Trong số 3% nước ngọt, chỉ một phần ba là chất lượng nước phù hợp để có thể duy trì cuộc sống hàng ngày của con người và các hoạt động sử dụng khác Nhu cầu ngày càng tăng về các nguồn nước thay thế và các tiêu chuẩn chất lượng nước thải nghiêm ngặt đã thúc đẩy việc tái sử dụng nước sau xử lý, đó

là biện pháp quan trọng để quản lý tổng hợp tài nguyên nước và phát triển xã hội bền vững trên thế giới Tại Việt Nam, với đặc điểm địa lý nằm ở khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình năm lớn trong khoảng từ 1.500 đến 2.000 mm, tổng lượng dòng chảy nước mặt hàng năm lên đến 830 - 840 tỷ m3, phần lớn trong số chúng có nguồn gốc ngoài biên giới Việc sở hữu một nguồn nước lớn như vậy cho thấy ưu thế của Việt Nam so với các nước trên thế giới Tuy nhiên, việc sử dụng nước tại Việt Nam chưa hiệu quả thể hiện qua hiệu suất sử dụng nước trên một đơn vị nước (m3) ở Việt Nam chỉ đạt 2,37 USD GDP (với Australia là 83,20 USD) Theo ước tính của Liên minh Tài nguyên nước (2030 WRG), đến năm 2030 Việt Nam phải đối mặt với mức độ căng thẳng về nước ở hầu hết các khu vực trên cả nước Các lưu vực sông, khu vực đóng góp 80% GDP của Việt Nam, sẽ gặp phải tình trạng "căng thẳng nước nghiêm trọng" (lưu vực nhóm sông Đông Nam bộ) hoặc "căng thẳng về nước" (ở lưu vực sông Hồng - Thái Bình, sông Đồng Nai và sông Cửu Long) Vì vậy, việc tái sử dụng lại nước thải đã qua xử lý sẽ góp phần giải quyết căng thẳng nước trong tương lai.

1.1.2 Trên Thế giới

Ở nhiều quốc gia trên thế giới, việc tái sử dụng nước thải sau xử lý đã được thực hiện từ lâu Ở Nhật Bản, ban đầu nước thải từ nhà vệ sinh và nước tưới tiêu được xử lý tại trạm xử lý theo phương pháp lọc cát và khử trùng bằng ozon hoặc

clo sau công đoạn xử lý sinh học Nước sau xử lý được sử dụng làm nước vệ sinh cho các tòa nhà lớn Sau đó, nước thải được quan tâm xử lý để tạo thành nguồn cấp nước cho các thủy vực nước mặt Hiện nay, nước tái chế được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau: Làm nước vệ sinh, nước tưới cây, nước rửa, nước làm mát… thông qua việc áp dụng công nghệ màng siêu lọc, màng nano, màng thẩm thấu ngược sau công đoạn xử lý sinh học Tại Singapo, ban đầu lượng nước sinh hoạt

ở đây là do Malaysia cung cấp, cho đến năm 1970 vấn đề tái sử dụng nước được quan tâm Ngày nay, các nhà máy NEWater cung cấp trung bình 30% nhu cầu nước của Singapore, con số dự kiến sẽ tăng lên 55% vào năm 2060, vào thời điểm

đó, sản lượng NEWater có thể lên tới 2 triệu mét khối mỗi ngày Phương pháp XLNT được áp dụng là công nghệ màng RO, ôxy hóa nâng cao và công nghệ điện hóa.

1.1.3 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam, việc tái sử dụng nước thải sau xử lý chưa thật sự mạnh mẽ, nước thải sau xử lý chủ yếu được thải trực tiếp ra ngoài môi trường, một phần được sử dụng cho nông nghiệp, thủy sản.

 Sử dụng cho nông nghiệp

Với một đất nước còn có tỷ trọng nông nghiệp lớn như Việt Nam, lượng nước cần để cấp cho nông nghiệp là rất lớn Theo dự đoán, đến năm 2030 nhu cầu nước sử dụng cho nông nghiệp của Việt Nam lên đến 91 tỷ m3/năm Nước thải sinh hoạt có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn nước thải tự nhiên, vì vậy nhiều nghiên cứu chỉ ra có thể sử dụng nước thải cho nông nghiệp Chất dinh dưỡng có trong nước thải biogas cao hơn so với phân chuồng và phân ủ theo phương pháp thông thường, ngoài các dưỡng chất như N, P, K, nước thải biogas còn chứa

nhiều chất hữu cơ và các nguyên liệu cần thiết cho cây trồng Các nguyên tố NPK của nguyên liệu sau khi phân hủy qua hệ thống biogas hầu như không bị tổn thất mà được chuyển hóa thành dạng phân lỏng mà cây dễ hấp thụ như N-NH +, N-

NO -, đồng thời chứa chất hữu cơ cao cải thiện tính chất đất, giúp cây phát triển mạnh, ít sâu bệnh Vì thế, nước thải sau xử lý đã được xem xét sử dụng để trồng bắp (Zea maysL.), sử dụng như phương pháp bổ sung dinh dưỡng cho đất.

 Sử dụng cho thủy sản

Đối với nghề nuôi trồng thủy sản, chất lượng nước là một vấn đề quan trọng sống còn Nguồn nước cấp cần phải đạt tiêu chuẩn chất lượng nước phục vụ nuôi trồng thủy sản, cụ thể là đáp ứng được Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08- MT:2015/BTNMT cột A2 Tuy nhiên, trên thực tế chất lượng nước trong khu vực thường bị ô nhiễm hữu cơ và ô nhiễm dinh dưỡng như đạm, phốt pho Tính chất nước trong hệ thống ao nuôi gồm các thành phần gây hại cho môi trường và chủ yếu là nitơ, photpho được sinh ra từ chất thải của cá, thức ăn dư thừa Hàm lượng NH4, NO2, NO3 phát sinh lại là chất độc đối với sự sinh trưởng

và phát triển các loài thủy sản Một vài nghiên cứu XLNT bằng công nghệ AAO – MBR; Biofloc đã được nghiên cứu để có thể tái sử dụng được nước thải thủy sản Ngoài ra, nước thải sau xử lý còn được sử dụng với nhiều mục đích khác như tưới cây, tưới đường, cấp nước cho các hệ thống sông hồ, kênh rạch… tuy nhiên tái sử dụng nước sau xử lý còn gặp nhiều vấn đề khi sử dụng để cấp nước cho sinh hoạt Nước thải đã qua xử lý thường được cho là nguy hại cho sức khỏe cộng đồng do sự hiện diện tiềm ẩn của các chất ô nhiễm, chất dinh dưỡng, các chất độc hại và các mầm bệnh Sự hiện diện của các chất ô nhiễm trong nước thải đã qua xử lý, có thể tiềm ẩn những nguy cơ đối với sức khỏe con người, phần lớn phụ thuộc vào việc lựa chọn công nghệ thích hợp để XLNT

1.2 Các quy định về tái sử dụng nước thải

Cho phép tái sử dụng nước thải sinh hoạt đã được xử lý bảo đảm đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt cột A (QCVN 14: 2008/BTNMT)

và bảo đảm đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước phù hợp cho mục đích tưới cột B1 (QCVN 08-MT:2015/BTNMT) để tưới cây trong phạm vi của chính cơ sở đó.

Bảng 1.2 Giá trị các thông số ô nhiễm làm cơ sở tính toán giá trị tối đa

cho phép trong nước thải sinh hoạt

25 Aldrin µg/l 0,1 0,1 0,1 0,1

26 Benzene hexachloride (BHC) µg/l 0,02 0,02 0,02 0,02

27 Dieldrin µg/l 0,1 0,1 0,1 0,1

28 Tổng Dichloro diphenyl trichloroethane (DDT S ) µg/l 1,0 1,0 1,0 1,0

36 E.coli

MPN hoặc CFU /100 ml

20 50 100 200

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG ĐỂ XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ

DỤNG NƯỚC THẢI 2.1 Các công nghệ màng trong tái sử dụng nước thải

2.1.1 Màng UF 2.1.2 Màng MF 2.1.3 Màng NF 2.1.4 Màng RO

2.2 Các quy trình xử lý dựa trên màng để tái sử dụng nước đô thị

Các công nghệ dựa trên màng được coi là đơn vị tích hợp cho các quá trình

xử lý nước thải đô thị Các quy trình màng điều khiển áp suất được phân loại thành bốn loại chính, dựa trên kích thước lỗ chọn lọc khác nhau: hai quy trình áp suất thấp và hai quy trình áp suất cao là vi lọc (MF) và siêu lọc (UF), lọc nano (NF)

và ngược lại thẩm thấu (RO), tương ứng khi các lỗ nhỏ dần, màng cần nhiều động lực hơn để hoạt động Khi nói đến màng, hiện tượng tắc màng luôn xảy ra trong quá trình quá trình lọc, tiếp theo là sự gia tăng áp suất xuyên màng (TMP) để duy trì thông lượng không đổi hoặc tiếp theo là giảm thông lượng để duy trì TMP không đổi.

2.2.1 Quy trình xử lý MF / UF sau khi xử lý thứ cấp trong nhà máy xử lý nước thải

MF và UF có thể loại bỏ các hạt lớn hơn kích thước lỗ của chúng chủ yếu thông qua cơ chế sàng Nói chung, chỉ riêng quy trình MF có thể loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử cao, chất rắn lơ lửng, chất keo, vi khuẩn và

do đó làm giảm độ đục So với màng MF, màng UF có phạm vi phân tách rộng hơn với kích thước lỗ nhỏ hơn và tăng cường khả năng loại bỏ các hạt, chất keo, và

quan trọng hơn là vi khuẩn có tỷ lệ loại bỏ cao và vi rút Các đặc điểm loại bỏ khi lọc cùng một loại nước thải thứ cấp bằng MF và UF, về vi khuẩn, vi rút và các thông số chất lượng nước thiết yếu khác như TSS, nhu cầu oxy hóa học (COD) và TDS

Trước tiên, cần lưu ý rằng dữ liệu cung cấp thông tin chung với những hạn chế nhất định: hiệu suất thực tế có thể thay đổi liên quan đến các điều kiện khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ, tốc độ dòng chảy và TMP Qua so sánh, cả UF và

MF đều có hiệu quả loại bỏ kém về TDS, NH3 – N và NO3 – N UF gần như hiệu quả như MF trong việc loại bỏ TSS và BOD5, với tỷ lệ loại bỏ lần lượt từ 95% đến 99,9% và từ 75% đến 90% Hơn nữa, hiệu quả loại bỏ bằng UF trên COD và tổng carbon hữu cơ (TOC) nồng độ cao hơn MF khoảng 5% đến 20% Quan trọng hơn, UF cung cấp khả năng loại bỏ gần như hoàn toàn vi khuẩn, động vật nguyên sinh và vi rút, đây là một trong những ưu điểm chính so với

MF UF có thể hỗ trợ loại bỏ tối đa 6 log vi khuẩn và loại bỏ tối đa 7 log vi rút,

và nếu có động vật nguyên sinh, UF có thể loại bỏ nang đơn bào và tế bào trứng với mức giảm hơn 6 log Những loại bỏ này có hiệu quả nếu nồng độ ngược dòng cho phép

Bảng 2.1 Quá trình vi lọc (NF) siêu lọc (UF) sau khi xử lý thứ cấp

cho các ứng dụng tái sử dụng nước.

Thông thường, các mô-đun UF chứa một bộ lọc tiền xử lý trước (5–200 μm) để chặn các hạt lớn và cải thiện hiệu suất của UF bằng cách giảm sự hình thành lớp bánh trên màng, dẫn đến giảm đáng kể TMP và tiêu thụ năng lượng Trong khi sử dụng mô-đun màng UF, có nhiều khả năng tái sử dụng nước thải

an toàn cho các ứng dụng không thể uống được, chẳng hạn như tưới tiêu nông nghiệp và xử lý nước, nó có thể sản xuất chất thấm đủ tiêu chuẩn đáp ứng các hướng dẫn tái sử dụng nước của WHO khi sử dụng quy trình UF sau điều trị thứ cấp thông thường Tuy nhiên, cả MF và UF đều có ảnh hưởng nhỏ đến việc loại bỏ dư các chất dinh dưỡng như phốt pho, nitrat và amoni, nhưng đôi khi có tác dụng khá tốt trong việc loại bỏ COD và TOC dư Nói chung, nước thải từ các nhà máy xử lý vẫn mang TSS cao và các chất hữu cơ tự nhiên (NOM), dễ gây ra hiện tượng tắc nghẽn trên màng MF/UF

Trên thực tế, các chất hữu cơ hòa tan (DOM) không thể được loại bỏ một cách hiệu quả bằng hệ thống MF hoặc UF, nhưng ngược lại nó có thể là nguyên nhân chính gây ra sự hình thành cặn bẩn trên màng, cuối cùng dẫn đến rút ngắn tuổi thọ màng, giảm tốc độ dòng chảy, tăng TMP và tiêu thụ năng lượng.

Tóm lại, các quy trình MF và UF trực tiếp để xử lý nước thải đô thị đầu cuối cung cấp nước có thể tái chế cho các ứng dụng tái sử dụng không thể uống được do hiệu suất loại bỏ vi khuẩn, vi rút hoặc DOM không hoàn toàn nên nước thải sau hệ thống MF / UF có thể tiềm ẩn những rủi ro về an toàn khi tiếp xúc với người và động vật Ngoài ra, khi nước cấp có chứa nhiều TSS, DOM hoặc các hạt khác, khả năng bám bẩn cao có thể gây hư hỏng nặng cho màng, giảm hiệu quả sản xuất và tăng chi phí kinh tế Do đó, cần phải kết hợp các ưu điểm của màng với các quá trình hóa học, vật lý hoặc sinh học để nâng cao hiệu suất của hệ thống,

đó là chủ đề của phần tiếp theo Hơn nữa, màng MF/UF cũng được ứng dụng rộng rãi trong các lò phản ứng sinh học màng (MBR) hoặc là tiền xử lý cho quá trình lọc nano (NF) hoặc thẩm thấu ngược (RO), như được mô tả trong các phần sau.

2.2.2 MF/UF kết hợp với các quy trình hóa học/vật lý sau khi xử lý thứ cấp trong nhà máy xử lý nước thải

Các quá trình hóa học và vật lý lai với phương pháp MF / UF như lắng, hấp phụ, keo tụ và đông tụ Al2 (SO4) 3, Fe2 (SO4) 3, FeCl3 và polyal nhôm clorua, đã được phát triển rộng rãi và được sử dụng làm chất đông tụ đáng chú ý Liên quan đến sự hấp phụ, than hoạt tính (AC) là chất hấp phụ được chấp nhận rộng rãi Nó

có thể được sử dụng dưới dạng bột (PAC) ở dạng phân tán hoặc dạng hạt (GAC) trong lớp cố định.

Bảng 2.2 Màng MF/UF lai với các quá trình hóa học, vật lý sau khi xử

lý thứ cấp thông thường cho các ứng dụng tái sử dụng nước.

Một số tài liệu đã sử dụng các quá trình hóa học hoặc vật lý làm quá trình xử

lý sau MF/UF, phổ biến nhất được sử dụng như một hệ thống hấp phụ MF lai, chẳng hạn như hệ thống than hoạt tính dạng hạt MF Người ta đã xác minh rằng than hoạt tính, sau khi lọc màng, góp phần loại bỏ bổ sung DOC và các chất hữu cơ

vi lượng không được màng giữ lại hoàn toàn Việc thiết kế các quy trình hóa học

và / hoặc vật lý chủ yếu được sử dụng như tiền xử lý trước MF/UF để giảm khả năng gây tắc màng và cải thiện hiệu suất lọc Đầu tiên, cần lưu ý rằng trong một số quá trình xử lý trước, ví dụ như đông tụ với lắng, sự tái phát triển của bông cặn ngược lại có thể gây ra hiện tượng bám cặn nặng trên màng Cần bổ sung một bộ lọc sơ bộ khác sau khi đông tụ, tạo bông và lắng để loại bỏ các bông cặn, chất keo

và các hạt khác trước màng Thứ hai, nó đã được chứng minh rằng các quy trình tiền xử lý có thể loại bỏ NOM và chất keo một cách hiệu quả Cacbon hữu cơ hòa tan (DOC) không thể được MF hoặc UF giữ lại một cách hiệu quả do kích thước

lỗ màng lớn hơn nhiều so với các phân tử thành phần.

MF chỉ có thể loại bỏ 3,9% DOC, trong khi UF có thể loại bỏ 24,7% Do đó, khi đông tụ sơ bộ với 5 mg · L-1 của Al3 +, hệ thống MF có thể tăng loại bỏ DOC

từ 10% đến 15%; và khi được xử lý trước với 10 mg · Nhựa trao đổi anion L-1 trong nước thải, loại bỏ chủ yếu phần cắt trọng lượng phân tử thấp hơn (MWCO)

và các phần hữu cơ tích điện âm, hệ thống MF và UF có thể cải thiện việc loại bỏ DOC lên lần lượt là 58,8% và 68,3% Thứ ba, quy trình tiền xử lý góp phần loại bỏ các chất dinh dưỡng hòa tan, chủ yếu là nitơ và phốt pho Hệ thống kết tủa lai –

MF đã sử dụng muối canxi để tăng lượng kết tủa liên quan với phốt pho và flo và sau đó tách các pha rắn-lỏng bằng cách tiếp theo với MF dòng chảy chéo để tách.

So sánh hiệu suất của MF có và không có tiền xử lý đối với việc tái sử dụng nước thải, kết quả cho thấy riêng MF chỉ loại bỏ 20% TOC và 5% PO43 , trong khi xử lý

sơ bộ bằng keo tụ và hấp phụ, hiệu suất loại bỏ TOC đạt 99,7% và hơn 97% PO43- Ngoài ra, hệ thống UF kết hợp với PAC có thể được sử dụng để loại bỏ cả DOM và các chất vi lượng

Tóm lại, việc sử dụng MF hoặc UF một mình sau khi xử lý thứ cấp thông thường cũng như MF hoặc UF lai tạo ra chất lượng thấm tương đối tốt tương thích với các ứng dụng tái sử dụng không thể uống được Do đó, các lò phản ứng sinh học màng (MBR), được vận hành như một phương pháp xử lý thứ cấp trong một số nhà máy xử lý nước thải gần đây, cũng có thể là một quy trình thú vị cho các ứng dụng tái sử dụng nước, đây sẽ là chủ đề của phần tiếp theo.