Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2014 Học viên Ngô Thị Bích Lập DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AS : Bể phản ứng sinh học thông thường AO - MBR : Thiếu khí, hiếu khí kết hợp bể lọc sinh học bằn

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

Trang 2

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

2.1 Mục tiêu nghiên cứu tổng quát 2

2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể 2

3 Yêu cầu của đề tài 3

4 Ý nghĩa của đề tài 3

4.1 Ý nghĩa khoa học 3

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Cơ sở lý luận khoa học ….4

1.2 Cơ sở pháp lý 9

1.3 Hiện trạng nguồn thải và công nghệ xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội 10

1.4 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải bằng MBR 13

1.4.1 Giới thiệu về MBR 13

1.4.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập 19

1.4.3 Động học của quá trình vận hành hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập 21

1.4.4 Ưu điểm và nhược điểm công nghệ MBR so với công nghệ bùn hoạt tính truyền thống 23

1.4.5 Hệ thống kết hợp AO – MBR trong xử lý nước thải 29

1.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trong nước và trên thế giới 33

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trên thế giới 33

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trong nước 42

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU… … 46

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 46

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 46

Trang 3

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 46

2.2 Nội dung nghiên cứu 46

2.2.1 Đánh giá chất lượng nước thải đô thị Hà Nội 46

2.2.2 Thiết lập mô hình thí nghiệm AO - MBR mô phỏng quá trình hoạt động để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư 46

2.2.3 Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học AO - MBR để xử lý một số loại nước thải đô thị dựa trên cơ sở của đối tượng đã được nghiên cứu 50

2.3 Phương pháp nghiên cứu 50

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 55

3.1 Đánh giá chất lượng nước thải đô thị Hà Nội 55

3.1.1 Nguồn thải và tính chất nước thải ở Hà Nội 55

3.1.1.1 Nước thải sinh hoạt 55

3.1.1.2 Nước thải công nghiệp 56

3.1.1.3 Nước thải bệnh viện 58

3.1.2 Hệ thống thoát nước ở Hà nội 60

3.1.3 Kết quả khảo sát nhà máy XLNT Kim Liên 61

3.2 Ứng dụng mô hình AO - MBR để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư 64

3.2.1 Kết quả khảo sát các thành phần chính nước thải đầu vào 64

3.2.2 Kết quả tổng hợp thông số vận hành mô hình 66

3.2.3 Đánh giá quá trình làm việc của mô hình 67

3.2.3.1 Bùn sinh học 67

3.2.3.2 Tỷ lệ thức ăn và vi sinh vật F/M 68

3.2.3.3 Hàm lượng chất rắn lơ lửng SS 69

3.2.3.4 Oxy hòa tan, pH, nhiệt độ 70

3.2.4 Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình 71

3.2.4.1 Hiệu quả xử lý chất hữu cơ COD 73

3.2.4.2 Hiệu quả xử lý Nitơ 75

Trang 4

3.2.4.3 Hiệu quả xử lý Photpho 76

3.2.4.4 Hiệu quả xử lý vi khuẩn 78

3.2.4.5 Kiểm soát độ kiềm 78

3.2.5 Kết quả chung và đánh giá hiệu quả xử lý mô hình 78

3.2.6 So sánh hiệu quả xử lý của mô hình thí nghiệm với hiệu quả xử lý nhà máy XLNT Kim Liên 81

3.3 Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học AO - MBR để xử lý một số loại nước thải đô thị dựa trên cơ sở của đối tượng đã được nghiên cứu… …… …83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

1 Kết luận 89

2 Kiến nghị 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Với tất cả tấm lòng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: PGS TS

Trần Đức Hạ và TS Hoàng Văn Hùng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều

kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Đồng thời xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện nghiên cứu cấp thoát nước và môi trường (Hội cấp thoát nước Việt Nam) - Viện khoa học và kỹ thuật môi trường (Trường Đại học Xây dựng) - Tập đoàn Mitsubishi Rayon

đã tạo điều kiện cho tôi trực tiếp tham gia đề tài nghiên cứu ― Ứng dụng màng

MBR để xử lý nước thải trong điều kiện Việt Nam‖ do PGS TS Trần Đức Hạ

làm chủ trì

Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa sau đại học - Trường Đại học Nông Lâm, những người đã dạy dỗ và giúp đỡ rất nhiều trong những năm học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin cảm ơn bạn bè cũng những người thân đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Lời cuối, Tôi xin chúc các thầy cô giáo và các bạn mạnh khỏe, học tập

và công tác tốt, phục vụ trong lĩnh vực khoa học môi trường nói chung và công nghệ môi trường nhiều hơn nữa, góp phần cải thiện cuộc sống, giữ gìn môi trường trong lành cho hôm nay và cho mai sau

Trang 6

Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2014

Học viên

Ngô Thị Bích Lập

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AS : Bể phản ứng sinh học thông thường

AO - MBR : Thiếu khí, hiếu khí kết hợp bể lọc sinh học bằng màng BOD : Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) BHT : Bùn hoạt tính

COD : Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

CCN : Cụm công nghiệp

CAGR : Tỷ lệ tăng trưởng tổng hợp hàng năm

CAPEX : Chi phí đầu tư

DO : Lượng oxy hòa tan trong nước

HRT : Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time)

Et al : Cùng cộng sự

F/M : Tỷ lệ thức ăn/ vi sinh vật

JICA : Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản

KCN : Khu công nghiệp

MBR : Bể lọc sinh học bằng màng

MF : Màng vi lọc

MLSS : Hàm lượng chất rắn lơ lửng của hỗn hợp bùn

MLVSS : Hàm lượng chất rắn bay hơi

N-NH4

+ : Nito-amon Nxb : Nhà xuất bản

OPEX : Chi phí quản lý

Trang 7

PAC : Poly Aluminium Chloride

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

XLNT : Xử lý nước thải

Trang 8

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Các chỉ số đánh giá hiệu quả xử lý của 4 nhà máy XLNT

1.4 So sánh sản lượng bùn trong hệ thống MBR và hệ bùn hoạt

1.5 So sánh bùn hoạt tính thông thường (AS) và trong MBR 25

1.7 Ứng dụng MBR trong xử lý một số loại nước thải tại Nhật Bản 37

1.8 Một số những công trình tiêu biểu áp dụng thành công công

nghệ MBR trong xử lý nước thải sinh hoạt và đô thị 38 1.9 Một số kinh nghiệm quốc tế trong tái sử dụng nước thải 39

2.2 Các phương pháp phân tích nước thải và bùn cặn 54 3.1 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt các khu dân cư 55 3.2 Thành phần và tính chất nước thải công nghiệp 57

3.5 Tổng hợp các thành phần chính nước thải đầu vào mô hình

tại nhà máy XLNT Kim Liên trong giai đoạn nghiên cứu 64

3.8 Tóm tắt hiệu quả xử lý COD, N – NH4

+, T- N, PO43—P ở

3.9 So sánh hiệu quả xử lý của nhà máy XLNT Kim Liên với

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải Thành phố

Hà Nội ( Nhà máy XLNT Kim Liên và Trúc Bạch) 11

1.4 So sánh hệ thống có MBR với hệ thống xử lý nước thải truyền thống 28 1.5 Biểu đồ phát triển công nghệ XLN thải bằng MBR ở Châu Âu 36 1.6 Chi phí vận hành hệ thống MBR theo thống kê của hãng Kubota 40 1.7 Giá thành màng MBR của hãng Kubota và Norit X – Flow 41 2.1 Sơ đồ công nghệ AO – MBR mô hình thí nghiệm 47

3.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ nhà máy XLNT Kim Liên 62

3.2 Nồng độ bùn ( MLSS và MLVSS) trong bể MBR trong

3.3 Sự thay đổi tỷ lệ thức ăn và vi khuẩn (F/M) trong thời

3.4 Hiệu quả xử lý SS trong thời gian vận hành mô hình 69 3.5 Hiệu quả xử lý COD trong thời gian vận hành mô hình 73 3.6 Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý COD 74 3.7 Hiệu quả xử lý T - N trong thời gian vận hành mô hình 75 3.8 Hiệu quả xử lý NH4 -N trong thời gian vận hành mô hình 76 3.9 Hiệu quả xử lý PO4

3

- P trong thời gian vận hành mô hình 77 3.10 Sơ đồ chi tiết hệ thống xử lý sinh học AO – MBR 84 3.11 Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị từ hệ 85

Trang 11

thống thoát nước chung

3.12 Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị từ hệ

3.13 Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị từ hệ

B5 Ảnh mẫu nước đầu vào – ra qua mô hình và mẫu nước

đối chứng đầu ra nhà máy XLNT Kim Liên thí nghiệm 1 96 B6 Ảnh mẫu nước đầu vào – ra qua mô hình và mẫu nước

đối chứng đầu ra nhà máy XLNT Kim Liên thí nghiệm 3 96

Trang 12

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

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 hóa và hiện đại hóa như Việt Nam (Ngân hàng TG, 2013)[10]

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 ở những thành phố lớn (Trần Đức Hạ, 1995)[3] Hiện nay ở TP Hà Nội, ô nhiễm nước là một trong những vấn đề môi trường bức xúc lôi cuốn sự quan tâm của các nhà quản lý và cộng đồng dân cư Nước thải đô thị Hà Nội mới xử lý được khoảng 25%, còn 75% nước thải đô thị chỉ

xử lý sơ bộ rồi đổ thẳng ra sông, hồ gây ô nhiễm trầm trọng môi trường nước mặt (Ngô Kim Chi, 2013)[2] Ở hầu hết các đô thị vệ tinh của Hà Nội đều chưa có trạm xử lý nước thải sinh hoạt nào (Sở TNMT Hà Nội, 2012) [14]

Ngày nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải đô thị Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học đang được sử dụng phổ biến nhất trong hầu hết các hệ thống xử lý ở các đô thị (Trịnh Lê Hùng, 2006)[7] Thường thì một hệ thống xử lý được đánh giá bởi hiệu quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ BOD, nitơ hay phospho v.v., khả năng áp dụng của chúng như giá thành của hệ thống, giá thành của một m3 nước được xử lý hay độ phức tạp của công nghệ và quá trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị v.v (Trần Đức Hạ, 2007)[5] Tuy nhiên, để lựa chọn được một phương pháp thích hợp không phải là điều dễ dàng Phương pháp tối ưu cho xử lý nước thải được lựa chọn dựa trên đặc tính của nước thải, mục đích

sử dụng sau cùng, chi phí đầu tư, vận hành Trong số công nghệ hiện tại, các quá trình xử lý sinh học bậc cao và quá trình lọc màng chuyển hóa từ công

Trang 13

nghệ xử lý sinh học truyền thống ngày càng được quan tâm ứng dụng (Trần Hữu Uyển và Trần Đức Hạ, 2014) [18]

Dựa trên những lợi ích cũng như hiệu quả xử lý cao, kích thước công

trình nhỏ, vận hành và quản lý dễ dàng Công nghệ MBR (Membrane Bio -

Reactor, lọc sinh học - màng) là hệ thống xử lý nước thải kết hợp quá trình

lọc màng với quá trình sinh học sinh trưởng lơ lửng, được biết đến như một

kỹ thuật hiệu quả nhất hiện nay để loại bỏ hợp chất hữu cơ, các chất rắn lơ lửng, nitơ và photpho, cho duy trì lượng sinh khối lớn (Stephenson et al., 2001)[26] Với công nghệ này chất lượng nước sau xử lý rất sạch, có thể tái

sử dụng cho mục đích tưới cây, làm mát…Công nghệ này cũng có thể áp dụng để xử lý nước thải đô thị Hà Nội Hiện tại công nghệ MBR vẫn chưa

áp dụng phổ biến tại Hà Nội, tuy nhiên với hiệu quả mà công nghệ đem lại, cộng với chi phí đầu tư ngày càng giảm hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trong tương lai gần (Viện khoa học và công nghệ môi trường, 2010) [16]

Từ hiện trạng của nước thải đô thị Hà Nội và những lợi ích cũng như khả năng xử lý nước thải của công nghệ MBR Được sự nhất trí của Nhà Trường, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Trần Đức Hạ và TS

Hoàng Văn Hùng, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng

ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội”

2 Mục tiêu nghiên cứu:

2.1 Mục tiêu nghiên cứu tổng quát:

Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR trong xử lí nước thải đô thị và đề xuất một số giải pháp trong ứng dụng công nghệ này

2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

- Xác định được các thành phần ô nhiễm cơ bản của đối tượng nghiên cứu: pH, COD, BOD, SS, Nitơ, Phốt pho, Coliform

Trang 14

- Lập mô hình thực nghiệp ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải sinh hoạt Hà Nội Qua đó xác định được các thông số về chế độ vận hành, hoạt động tối ưu của mô hình Xác định hiệu quả xử lý

- Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học MBR xử lý cho một số loại nước thải

đô thị tại Hà Nội

3 Yêu cầu đề tài

- Số liệu đánh giá hiện trạng phải trung thực, các tài liệu phục vụ nghiên cứu đảm bảo độ tin cậy

- Các thí nghiệm nghiên cứu cần phải thực hiện nghiêm túc, các số liệu thu thập được yêu cầu phải khách quan

- Cần nghiên cứu thực tế, các đề xuất đưa ra phải xuất phát từ kết quả nghiên cứu

4 Ý nghĩa của đề tài

4.1 Ý nghĩa khoa học

- Kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ góp phần vào việc xác định các thông số thiết kế và qui trình vận hành công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải sinh hoạt phù hợp với điều kiện Hà Nội Từ đó có thể nghiên cứu ứng dụng triển khai mang tính thực tiễn, đem lại lợi ích và hiệu quả thiết thực

để làm thành những sản phẩm công nghệ phù hợp với điều kiện và tiêu chuẩn của Việt Nam

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học có màng vi lọc MBR đặt ngập trong bể phản ứng sinh học để xử lý nước thải đô thị là công nghệ ứng dụng phù hợp đối với nơi có yêu cầu xả thải cao, eo hẹp về quỹ đất và không

có điều kiện xử lý về bùn cặn

- Với sự kết hợp công nghệ MBR sẽ đơn giản hóa hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ

Trang 15

thống phù hợp với các trạm xử lý phân tán, trong các khu đô thị, các tòa nhà chung cư cao cấp và khách sạn

- Đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ thấp, Nitơ và Photpho cao Nước thải sau xử lý đạt mức A của QCVN 14: 2008/BTNMT

có thể tái sử dụng cho các công trình vui chơi giải trí và vệ sinh cho đô thị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 1 Cơ sở lý luận khoa học

Khái niệm về nước thải

Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người

và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng (Trịnh Thị Thanh và cs,2012)[15]

Nước thải đô thị là tổ hợp hệ thống phức tạp các thành phần vật chất, trong đó chất nhiễm bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ và vô cơ thường tồn tại dưới dạng không hòa tan, dạng hòa tan và dạng keo (Hoàng Huệ, 1996) [6]

Nước thải đô thị thường chứa khoảng 50 - 60% nước thải sinh hoạt, 10 - 15%

là các loại nước thấm và 30 - 36% là nước thải sản xuất

Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước đã được sử dụng cho các mục đích ăn uống, sinh hoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa, của các khu dân cư, công trình công cộng, cơ sở dịch vụ, Như vậy, nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người Một số các hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như bệnh viện, trường học, nhà ăn,… cũng tạo ra các loại nước thải có thành phần và tính chất tương tự như nước thải sinh hoạt (Hoàng Văn Hùng

và Dương Thị Hòa, 2014) [8]

Đặc điểm của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy, chất dinh dưỡng đối với sinh vật, vi khuẩn và có mùi khó chịu Nước thải sinh hoạt thường chiếm khoảng 58% là các chất hữu cơ, 42% là các chất vô

Trang 16

cơ và lượng lớn các vi sinh vật chủ yếu là các vi khuẩn gây bệnh Nước thải sinh hoạt sau khi thải ra thường dẫn trở nên tính axit và thối rữa Đặc điểm cơ bản là hàm lượng các chất hữu cơ không bền vững cao (Lương Đức Phẩm, 2002) [11]

Nước thải công nghiệp

Là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải Việc gia tăng nhiều nhà máy, xí nghiệp từ quy mô nhỏ hộ gia đình đến quy mô lớn dẫn đến nhu cầu về nguồn nước tăng, không những nước phục vụ cho sản xuất mà còn phục vụ sinh hoạt cho một số lượng lớn công nhân từ nhiều vùng khác nhau tập trung về

Đặc điểm nước thải công nghiệp còn phụ thuộc vào đặc điểm của từng ngành công nghiệp khác nhau Các chất thải công nghiệp từ nền công nghiệp hiện đại với đa dạng ngành nghề, từ luyện kim, cơ khí, hóa chất, công nghiệp nặng đến sản xuất đồ may mặc, hàng tiêu dùng,… đã xả vào môi trường đủ các chất hữu cơ, vô cơ, các kim loại nặng, các hợp chất thơm, các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (Nguyễn Văn Phước, 2010) [12]

Nước thấm (Nước chảy tràn bề mặt)

Nước chảy tràn từ mặt đất chủ yếu là nước mưa, cuốn theo các chất bẩn rơi vãi khi nước chảy qua các công trình sinh hoạt của con người, khu đô thị, khu công nghiệp Đây là nguồn gây ô nhiễm các chất rắn, dầu mỡ, hóa chất và

vi khuẩn cho các hồ, sông đô thị khi nước mưa chảy tràn Lượng chất bẩn trong nước chảy tràn phụ thuộc vào diện tích của lưu vực, tính chất thành phần và khối lượng chất ô nhiễm trên bề mặt mà nước mưa chảy qua (Trịnh

Thị Thanh và cs, 2012) [15]

Các thông số đặc trưng của nước thải đô thị:

Trang 17

Đặc trưng của nước thải đô thị là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn

vi sinh vật Phần lớn các vi sinh vật trong nước thải ở dạng các virút và vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn… Đồng thời trong nước thải cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải Do phần lớn nước thải sinh hoạt và các loại nước thải khác có thành phần tương tự nên các thông số đặc trưng chính của nó là: TSS, BOD, các chất dinh dưỡng N, P

và coliform (Trần Đức Hạ, 1995) [3]

Hàm lượng chất rắn:

Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất rắn có khả năng lắng, các hạt keo và chất rắn hòa tan Tổng các chất rắn (TS) trong nước thải là phần còn lại sau khi đã cho nước thải bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ từ

1030C, 1050C Các chất bay hơi ở nhiệt độ này không được coi là chất rắn Xác định hàm lượng chất rắn bằng cách cho nước thải thấm qua giấy lọc tiêu chuẩn với kích thước lỗ khoảng 1,2 µm Gạn lấy lượng cặn đọng lại trên giấy thấm đem sấy ở nhiệt độ 105oC cho đến khi trọng lượng không thay đổi sau

đó đem cân và so sánh với khối lượng nước ban đầu, đơn vị là mg/l

Qua quá trình xói mòn, rửa trôi, nước mưa chảy tràn qua các khu phố, khu dân cư, hay quá trình lắng đọng bụi đổ vào hồ, kênh, sông dẫn nước Phần lớn các chất rắn lơ lửng sẽ bị lắng xuống đáy của nơi tiếp nhận dòng chảy, những hạt không lắng được sẽ tạo thành độ đục của nước Các chất lơ lửng hữu cơ sẽ tiêu thụ oxy để phân hủy làm giảm DO của nguồn nước, làm giảm tầm nhìn của các hoạt động sống dưới nước, giảm độ dọi của ánh sáng mặt trời qua nước gây ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của hệ động vật trong nước

Trang 18

Nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD):

Mức độ nhiễm bẩn nước thải bởi chất hữu cơ có thể xác định theo lượng ôxy cần thiết để ôxy hóa chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật hiếu khí và được gọi là nhu cầu ôxy cho quá trình sinh hóa

Nhu cầu ôxy sinh hóa là chỉ tiêu rất quan trọng và tiện dùng để chỉ mức

độ nhiễm bẩn của nước thải bởi các chất hữu cơ Trị số BOD đo được cho phép tính toán lượng ôxy hòa tan cần thiết để cấp cho các phản ứng sinh hóa của vi khuẩn diễn ra trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ có trong nước thải Chỉ tiêu nhu cầu ôxy sinh hóa BOD không đủ để phản ánh khả năng ôxy hóa các chất hữu cơ khó bị ôxy hóa và các chất vô cơ có thể bị ôxy hóa có trong nước thải

Nhu cầu ôxy hóa học COD: Là lượng ôxy cần thiết để ôxy hóa hoàn toàn chất hữu cơ và một phần nhỏ các chất vô cơ dễ bị ôxy hóa có trong nước thải Việc xác định COD có thể tiến hành bằng cách cho chất ôxy hóa mạnh vào mẫu thử nước thải trong môi trường axít Trị số COD luôn lớn hơn trị số BOD5 và tỷ số COD: BOD càng nhỏ thì xử lý sinh học càng dễ Tỷ lệ COD: BOD của nước thải đô thị nằm trong khoảng 2 - 2.5

Các hợp chất của Nitơ và Photpho trong nước thải:

Các hợp chất của nitơ trong nước thải: Nước thải đô thị luôn có một số hợp chất chứa nitơ Nitơ là chất dinh dưỡng quan trọng trong quá trình phát triển của vi sinh vật trong các công trình xử lý sinh học Các hợp chất chứa nitơ là protein, các sản phẩm phân hủy của nó như amino axit là nguồn thức

ăn hữu cơ của vi khuẩn, và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có trong nước thải bắt nguồn từ phân và nước tiểu (urê) của người và động vật Urê bị phân hủy ngay khi có tác dụng của vi khuẩn thành amoni (NH4

+) và NH3 là hợp chất vô

cơ chứa nitơ có trong nước thải

Trang 19

Hai dạng hợp chất vô cơ chứa Nitơ có trong nước thải là nitrit và nitrat Nitrat là sản phẩm ôxy hóa của amoni (NH4+) khi tồn tại oxy, thường gọi quá trình này là quá trình Nitrat hóa Còn nitrit (NO2

) là sản phẩm trung gian của quá trình nitrat hóa, nitrit là hợp chất không bền vững dễ bị ôxy hóa thành nitrat (NO3-) Vì amoni sử dụng ôxy trong quá trình Nitrat hóa và các vi sinh vật trong nước, rong, tảo dùng nitrat làm thức ăn để phát triển, cho nên nếu hàm lượng nitơ có trong nước thải xả ra sông, hồ quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng kích thích sự phát triển nhanh của rong, tảo làm bẩn nguồn nước

-Các hợp chất photpho trong nước thải: Photpho cũng giống như nitơ, là chất dinh dưỡng cho vi khuẩn sống và phát triển trong các công trình xử lý nước thải Photpho là chất dinh dưỡng đầu tiên cần thiết cho sự phát triển của thảo mộc sống dưới nước, nếu nồng độ photpho trong nước thải xả ra sông, suối quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng Photpho thường ở dạng photphat vô cơ và bắt nguồn từ chất thải là phân, nước tiểu, phân bón dùng trong nông nghiệp và từ các chất tẩy rửa dùng trong sinh hoạt hằng ngày

Vi sinh vật:

Vi sinh vật ngoài những nhóm tham gia các chu trình chuyển hóa vật chất có lợi cho môi trường sinh thái còn có những nhóm gây bệnh cho con người, động vật, thực vật Những nhóm vi sinh vật gây bệnh đặc biệt là nhóm gây bệnh cho con người khi tồn tại quá nhiều trong môi trường sống sẽ là nguồn gây nhiễm bệnh nguy hiểm Nguyên nhân của sự ô nhiễm vi sinh là nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện, do ý thức của người dân còn kém, thải bỏ vô ý thức chất thải sinh hoạt, xác chết động vật

Nước thải đô thị chứa rất nhiều các vi sinh vật với số lượng từ 105

- 106

tế bào/1ml Phần lớn vi sinh có trong nước thải không phải là vi khuẩn gây

Trang 20

bệnh, có thể có một số ít vi khuẩn gây bệnh như thương hàn, tả, lỵ, vi trùng gan Mức độ ô nhiễm do vi sinh vật gây bệnh thường đặc trưng bằng thông số coliform

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống

và hoạt động của vi sinh vật có tác dụng phân hóa những hợp chất hữu cơ Các chất hữu cơ sau khi phân hóa trở thành nước, những chất vơ cơ và những

khí đơn giản (Hoàng Huệ, 1996) [6]

Nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học cuối cùng sẽ làm cho các chỉ tiêu BOD và COD giảm đến mức cho phép Để có thể xử lý bằng phương pháp này, nước thải không được chứa các chất độc hại và tạp chất, các muối kim loại nặng, hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng

độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD : COD 0,5 (Trịnh Lê Hùng, 2006) [7]

1.2 Cơ sở pháp lý

1 Luật bảo vệ môi trường được Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam thông qua ngày 29/11/2005 và có hiệu lực thi hành ngày 01/7/2006

2 Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13 đã được Quốc hội nước Cộng hòa

xã hội chủ nghĩa Việt Nam khóa XIII, kỳ họp thứ 3 thông qua ngày 21/6/2012

3 Nghị định số: 80/2006/NĐ-CP ngày 09/8/2006 của Chính phủ về việc quy định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều của Luật Bảo vệ Môi trường

4 Nghị định 21/2008/NĐ-CP ngày 28 tháng 02 năm 2008 về sửa đổi bổ sung một số điều của nghị định số 80/2006/NĐ-CP ngày 09 tháng 08 năm 2006 của Chính phủ về việc quy định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều của Luật Bảo vệ Môi trường

Trang 21

5 Nghị định số 149/2005/NĐ - CP ngày 27/07/2004 của chính phủ quy định việc cấp phép thăm dò, khai thác, sử dụng tài nguyên nước, xả thải vào nguồn nước

6 Nghị định số 201/2013/NĐ-CP, ngày 27/11/2013 của Chính phủ về quy định chi tiết thi hành một số điều Luật tài nguyên nước

7 Nghị định số 25/2013/NĐ-CP, ngày 29/03/2014 của Chính phủ về phí bảo

vệ môi trường đối với nước thải

8 Nghị định số 80/2014/NĐ –CP, ngày 06/08/2014 của Chính phủ về thoát nước và xử lý nước thải

9 Thông tư 02/2005/TT - BTNMT ngày 24/06/2005 hướng dẫn thực hiện Nghị định số 149/2004/NĐ-CP ngày 27/07/2004 của Chính Phủ về việc cấp phép thăm dò, khai thác, sử dụng tài nguyên, xả nước thải vào nguồn nước

10 Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT ngày 19/03/2009 hướng dẫn đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước

11 Thông tư số 63/2013/TTLT-BTC-BTNMT, ngày 15/05/2013 hướng dẫn thực hiện Nghị định số 25/2013/NĐ-CP, ngày 29/03/2014 của Chính phủ

về phí bảo vệ môi trường đối với nước thải

12 Quyết định 725/QĐ – TTg ban hành ngày 10/05/2013 phê duyệt quy hoạch thoát nước đô thị Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn 2050

13 Các Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải được của Bộ Tài nguyên và

Môi trường, được sử dụng cho đề tài gồm:

+ QCVN 08:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt + QCVN 14:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt + QCVN 28:2010/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải y tế + QCVN 40:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp + QCVN 50:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước thải

Trang 22

1.3 Hiện trạng nguồn thải và công nghệ xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội

Hà Nội là một thành phố có số lượng dân cư lớn thứ hai ở Việt Nam (sau TP HCM) tính đến 31/12/2012 dân số toàn thành phố Hà Nội là 6.924.700 người Tổng diện tích của Hà Nội là 3.328,97 km2, mật độ dân cư phân bố không đều ngày càng có sự tăng giữa đô thị và nông thôn và có xu hướng tăng dần từ 1.775 người/km2 (2005) lên 2.080 người/km2 (2012) Đặc biệt mật độ dân số khu vực nội thành là rất lớn đạt trên 30.000 người/km2.Tạo

ra các nguồn thải tập trung vượt quá khả năng tự phân hủy của môi trường tự nhiên (Sở TNMT Hà Nội, 2012)[14]

Với lượng thải được tạo bởi các nguồn: nước thải sinh hoạt khu vực đô thị gần 600.000 m3/ngđ, nước thải công nghiệp khoảng 75.000 m3/ngđ 6/8

ạt động và đang xây dựng đạt tỷ lệ xử lý 75%, nước thải y tế khoảng 4.266 m3/ngđ có 22/61 bệnh viện chính có trạm XLNT đạt tỷ

lệ xử lý 36 %, nước thải của khách sạn và các trung tâm thương mại – du lịch khoảng 123.000 m3/ngđ, nước thải làng nghề và chăn nuôi, giết mổ gia súc, gia cầm khoảng 226.000 m3/ngđ (Sở TNMT Hà Nội, 2012)[14]

Hiện thành phố Hà Nội có 4 nhà máy xử lý nước thải tập trung đang hoạt động trong hệ thống thoát nước với tổng công suất là 250.000 m3/ngày trong tổng số hơn 1 triệu m3 nước thải phát sinh mỗi ngày Trong số đó có 3 nhà máy XLNT được xây dựng bằng nguồn vốn ODA của Nhật Bản trong Dự

án Thoát Nước Hà Nội giai đoạn 1997-2005 và 1 nhà máy XLNT Yên Sở công suất 200.000 m3/ngày được xây dựng theo hình thức BT vận hành năm

2013 Công nghệ xử lý nước thải áp dụng ở các trạm xử lý này là bùn hoạt tính theo các quá trình xử lý Yếm khí - Thiếu khí - Hiếu khí (AAO) Nước thải sau khi xử lý được xả ra kênh mương đạt tiêu chuẩn loại A (QCVN 14:2008/BTNMT) với nồng độ COD 50 mg/L, BOD5 30 mg/L, T-N 18mg/L Nhà máy xử lý nước thải Yên Sở với công suất thiết kế 200.000 m3/ngày dựa trên công nghệ bùn hoạt tính hoạt động theo mẻ (SBR) đã đưa vào hoạt động

Trang 23

trong năm 2013, đưa lượng nước thải được xử lý lên tới 250.000 m3

/ngày, chiếm khoảng 20-25% tổng lượng nước thải phát sinh toàn thành phố

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải thành phố Hà Nội

(Nhà máy XLNT Kim Liên và Trúc Bạch)

Năm 2010 JICA đã tiến hành một nghiên cứu đánh giá hiệu quả hoạt động của các TXL ở thành phố Hà Nội Nghiên cứu chỉ ra rằng nước thải trong hệ thống thoát nước Hà Nội chủ yếu phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của người dân và chỉ chứa một lượng nhỏ nước thải công nghiệp Do đó thành phần chất hữu cơ trong nước thải dễ dàng bị phân hủy bởi các vi sinh vật Các nhà máy XLNT đều đạt hiệu suất xử lý chất hữu cơ (theo chỉ tiêu BOD và COD), tuy nhiên lượng chất hữu cơ thấp có thể không đủ cho quá trình xử lý Nitơ và Phốt Pho Vào mùa mưa, khi nước thải được pha loãng với nước mưa, hiệu quả của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học giảm, đặc biệt là quá trình xử lý Phốt Pho Trong thời kỳ này các trạm đều sử dụng nguồn chất hữu cơ ở bên ngoài để nâng cao hiệu quả xử lý chất dinh

Bể lắng đợt 1

Bể kỵ khí

Bể thiếu khí

Bể lắng đợt 2

Bể khử

trùng

Bể nén bùn

Máy

ép bùn

Vận chuyển

đi

Xả ra nguồn

Bể hiếu khí

Cụm xử lý sinh học

A2O

Cụm xử lý bùn

Trang 24

dưỡng Ngoài ra, các trạm đều gặp vấn đề bùn nổi lên, và lượng phèn nhôm PAC được sử dụng để tăng cường hiệu quả của quá trình lắng bùn lớn

Bảng 1.1: Các chỉ số đánh giá hiệu quả xử lý của 4 nhà máy XLNT

tập trung đô thị Hà Nội [10]

* QCVN 14:2011/BTNMT cột A - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải

COD ( mg/l)

TSS ( mg/l)

NH4 – N ( mg/l)

T- N ( mg/l)

T – P ( mg/l)

Coliform (MPN/ 100ml)

Vào Ra Vào Ra Vào Ra Vào Ra Vào Ra Vào Ra Ra Kim

Liên A2O 115 9 145 18 85 5 18 - 40 17 6.5 1.7 0 Trúc

Bạch A2O 135 8 155 15 85 5 - - 34 16 6.5 1 0 Bắc

Trang 25

tại lựa chọn định hướng để sự đô thị hóa của Hà Nội có hiệu quả và quy hoạch quản lý đô thị đánh giá đúng thực trạng về môi trường nói chung và quản lý xử lý nước thải đô thị nói riêng thì giải pháp xử lý nước thải tại nguồn, phân cắt qui mô xử lý vừa và nhỏ đang là lựa chọn thích hợp nhất

1.4 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải bằng MBR

1.4.1 Giới thiệu về MBR

MBR là viết tắt cụm từ Membrane Biological Reactor (Bể lọc sinh học bằng màng) được hiểu là bể phản ứng hoặc thiết bị sinh học XLNT trong

đó áp dụng kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán có kết hợp với màng lọc tách vi

sinh tạo thành quá trình xử lý liên hợp (Davies et al., 2000)[22]

Công nghệ lọc sinh học bằng màng ngày càng trở nên phổ biến, đa dạng và được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây để xử lý nước thải Ngày nay, nhiều sản phẩm MBR được thương mại hóa trên thị trường và có hàng trăm nhà máy sử dụng hệ thống MBR chính thức đang hoạt động trên toàn thế giới

Cấu tạo của một hệ thống MBR bao gồm: bể phản ứng sinh học và module màng lọc được đặt ngập trong bể

Bể phản ứng sinh học

Bể phản ứng sinh học là nơi xẩy ra quá trình phân hủy sinh học bằng bùn hoạt tính, dựa trên hoạt động của các vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải dòng vào Bể phản ứng sinh học có thể hoạt động theo công nghệ sinh học hiếu khí, kỵ khí hoặc kết hợp giữa các công nghệ sinh học

Module màng lọc

Màng lọc là một lớp màng vật liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khi chịu một áp lực nhất định Màng lọc có thể được phân loại theo i) kích thước của vật chất và ii) áp lực

Trang 26

trên màng Ưu điểm của công nghệ màng bao gồm sự phân tách liên tục, năng lượng tiêu thụ ít, dễ kết hợp với công nghệ có sẵn, dễ thu gọn, và không cần

sử dụng thêm thiết bị phụ trợ

Thông qua quá trình làm việc của màng lọc, dòng hỗn hợp đầu vào được phân tách làm hai phần: một phần là dung dịch sau lọc và phần những vật chất bị giữ lại trước màng lọc Màng lọc có thể áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dung dịch hay phân tách một hỗn hợp

Với những nỗ lực để áp dụng công nghệ màng được hiệu quả hơn, bể lắng thứ cấp trong quá trình xử lý sinh học được thay thế bằng màng lọc với dòng chảy ngang Trong bể xảy ra sự phân ly của 2 pha rắn – lỏng sử dụng hệ thống màng UF hoặc MF để giữ lại sinh khối trong bể

Phân loại màng

Dựa vào hình dáng và cấu tạo màng

Dựa vào cấu tạo và hình dạng của màng người ta chia thành: màng cấu tạo hình ống (Tubular membrane), màng sợi rỗng (Hollow fiber membrane), màng dạng tấm được cuồn tròn (Spiral membrane) và màng dạng khung (Frame membrane)

Dựa vào kích thước các lỗ trên sợi màng

Màng lọc được phân chia thành 4 loại dựa vào kích thước lỗ lọc:

Màng vi lọc (Microfiltration - MF) có đường kính lỗ giới hạn từ 0.1 - 1 m, ứng dụng để tách các vật chất như vi khuẩn, tế bào máu, tinh bột, bột tan và nhiều loại bụi mịn trong nước thải Bởi vì kích thước lỗ màng tương đối lớn nên có thể được vận hành dưới điều kiện áp suất thấp Do đó ít yêu cầu về chi phí năng lượng

Màng siêu lọc (Ultrafiltration - UF) có kích thước lỗ từ 0.1 - 0.01 m, thường được sử dụng để tách các phân tử như Silica, virut, các nội độc tố,

Trang 27

protein, plastic Vì kích thước lỗ lọc của màng UF nhỏ hơn so với màng MF nên yêu cầu về áp suất thẩm lọc cao hơn

Màng lọc nano (Nanofiltration - NF) có kích thước lỗ giới hạn từ 0.001 – 0.01 m,

có thể loại bỏ một số muối, đường và màu tổng hợp.Tuy nhiên nó không thể loại bỏ hầu hết các muối tan và các ion kim loại

Màng thẩm thấu ngược (Reverso osmosis - RO) có kích thước lỗ giới hạn từ 0.0001 - 0.001 m, sử dụng trên qui mô lớn trong lọc và khử trùng nước Đây là loại màng lọc duy nhất có thể loại bỏ kim loại và muối từ nước

Dựa vào vật liệu màng

Hầu hết màng lọc MF, UF, RO và NF được làm từ vật liệu polime hữu

cơ Màng còn có thể được chế tạo từ vật liệu vô cơ như gốm và kim loại Màng gốm là loại màng có lỗ rỗng, chịu nhiệt và trơ với hóa chất và thường dùng cho màng lọc MF Tuy nhiên các màng này có chi phí cao và dễ gãy vỡ nên chưa được ứng dụng rộng rãi Màng kim loại thường làm từ sắt không gỉ

và có thể có kích thước lỗ rỗng rất bé Chúng dùng chủ yếu trong quá trình phân tách khí, và một số quá trình lọc nước ở nhiệt độ cao

Trang 28

Đối với công nghệ MBR có thể sử dụng rất nhiều vật liệu khác nhau Theo vật liệu chế tạo màng có thể phân loại chung là vật liệu hữu cơ cao phân

tử (polyme tổng hợp) hay vô cơ (vật liệu gốm hay kim loại) Chi phí sản xuất màng bằng vật liệu hữu cơ thường thấp hơn vật liệu vô cơ, tuy nhiên màng hữu cơ thường có độ bền không cao cũng như khả năng thấm hạn chế

(Stephenson et al., 2001)[26] Một số ví dụ về màng hữu cơ hiện đang được ứng dụng trong thực tế và tính năng của nó được trình bày trong

Bảng 1.2: Các loại vật liệu polyme sản xuất màng

Celluose acetate (CA) Rẻ

Ít bị ảnh hưởng bởi Clo

Ổ định nhiệt kém

Ổn định hóa chất kém Polysulphone (PSO) Có khả năng khử trùng

Nguồn : Stephenson et al,(2001).[26]

Phân loại dựa trên cách thiết kế và vận hành màng

Trang 29

Trong xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học, màng được đặt tích hợp trong bể bùn hoạt tính sinh hoc Có hai thiết kế hệ thống MBR là đặt màng nằm ngoài bể phản ứng sinh học eMBR (external MBR) hoặc đặt chìm

trong bể iMBR (Internal/submered MBR) (Hình 1.3) Hệ thống màng đặt

ngoài có hướng dòng chảy song song với màng (cross – flow), dòng chảy sẽ chảy từ trong ra ngoài (in – side – out), modul màng được đặt bên ngoài bể sinh học và không phụ thuộc vào bể phản ứng, nó là thế hệ đầu tiên của kỹ thuật MBR Với hệ thống màng đặt ngập thì dòng chảy có hướng vuông góc với màng (dead – end), dòng chảy sẽ đi từ ngoài vào trong (out – side – in), dòng thấm sẽ đi qua màng sinh khối và vi khuẩn sẽ được giữ lại tại bể phản ứng

a MBR ngập nước (Submerged MBR)

Trang 30

b MBR đặt ngoài (Side stream MBR)

Hình 1.3 Cấu hình MBR: a MBR ngập nước và b MBR đặt ngoài [23] Bảng 1.3: Bảng so sánh MBR kiểu đặt chìm và kiểu đặt ngoài

Diện tích đất yêu cầu cao hơn Diện tích đất yêu cầu cao ít

Chi phí vận hành thấp Chi phí đầu tư thấp hơn

Nguồn: Hai,F.I.K Yamamoto and W Edior-in-Chief(2011)[23]

Hệ thống MBR hợp khối kiểu đặt ngoài cải thiện các điểm bất lợi như quản lý màng không hiệu quả, chi phí ban đầu thấp Quá trình xử lý nước thải theo kiểu MBR hợp khối đặt ngập sử dụng màng tách đặt ngập nước nên chi phí đầu tư ban đầu khá lớn, việc quản lý chất lượng nước khó khăn do các hạng mục công trình được lắp đặt ngầm để không ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường xung quanh.Tuy nhiên, hệ thống MBR đặt ngập vẫn được sử dụng

Trang 31

nhiều hơn Do MBR đặt ngập có ưu điểm là tiết kiệm diện tích, trong khi vấn

đề diện tích đối với các công trình xử lý nước thải là vấn đề rất quan trọng Vì

đề tài thực hiện trên mô hình MBR đặt ngập với bể hiếu khí nên phần tiếp theo của đề tài tập trung nêu rõ nguyên lý hoạt động của công nghệ lọc màng sinh học hiếu khí dạng đặt ngập

1.4.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập

Công nghệ MBR hiếu khí dạng đặt ngập sử dụng các modul màng lọc đặt chìm trong bể xử lý sinh học được sử dụng phổ biến hơn Khi công nghệ MBR lần đầu tiên xuất hiện, một trong những ưu điểm chính là qui trình đơn giản bằng cách ngâm màng trong bể sinh học để thay thế cho bể lắng thông thường Khí được bơm ở dưới các modul màng để làm sạch các tấm màng và ngăn ngừa đáng kể quá trình tắc nghẽn của màng lọc Hoạt động của màng như một dào cản để loại bỏ hoàn toàn trong quá trình xử lý nước thải thông thường

Công nghệ MBR hiếu khí đặt ngập là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản trong một đơn nguyên: phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ có trong nước thải và tách sinh khối vi khuẩn bằng hệ thống màng lọc Hoạt động dựa trên cơ sở của quá trình thấm hút, nơi mà nước thải được thấm hút ra ngoài từ modul màng

Trong xử lý nước thải bằng công nghệ MBR hiếu khí dạng đặt ngập quá trình tách hai pha rắn - lỏng được thực hiện bởi màng vi lọc (MF) hoặc màng siêu lọc (UF) Nguyên tắc cơ bản là nước được thấm qua màng trong khi các thành phần loại bỏ sẽ tập trung và bị giữ lại trong bể sinh học

Màng được sử dụng để giữ lại các chất rắn, các vật chất không tan trong nước Dựa trên kích thước tương đối của lỗ màng mà thành phần vật chất trong nước dòng ra khác nhau Quá trình lọc màng là quá trình vật lý, nơi

mà các thành phần riêng biệt không thay đổi về tính chất hóa học Các thành

Trang 32

phần đi qua lỗ màng được gọi là thấm hút qua trong khi những thành phần khác sẽ bị giữ lại

Cách lắp đặt hệ thống MBR chủ yếu là sử dụng một bể phản ứng và modul màng lọc thành một đơn vị xử lý nước thải Vì thế mà công nghệ MBR

có thể thay thế hoặc bổ sung khả năng tách chất rắn của bể lắng thứ cấp, lọc nước thải khử trùng Kết quả là có khả năng vận hành ở nồng độ sinh khối cao hơn

Công nghệ này sử dụng màng sợi rỗng và nước chảy từ ngoài vào trong với nhu cầu năng lượng thấp Nước được thấm hút từ ngoài vào trong sau đó

đi ra khỏi cột màng bằng ống thu nước phía trên hoặc phía dưới của cột màng thông qua bơm hút Màng hoạt động dựa trên áp suất âm là sự chênh lệch của

áp suất, dựa trên khả năng di chuyển của nước từ nơi có áp suất cao đến nơi

có áp suất thấp Nước thải được xử lý bởi các bùn sinh học và bùn được giữ lại bởi quá trình lọc màng Vì thế nâng cao hiệu quả loại bỏ cặn lơ lửng trong nước sau xử lý Hàm lượng cặn lơ lửng bên trong bể sinh học sẽ gia tăng nhanh chóng làm cho khả năng phân hủy sinh học các chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào cũng tăng theo Ngoài ra nước thải sau xử lý cũng đạt được chất lượng cao với nước trong và không có cặn lơ lửng Với kích thước lỗ màng nhỏ, màng có thể tách hạt keo, vi khuẩn, một số virut và các phân tử hữu cơ kích thước lớn

Modul màng hoạt động theo nguyên lý sục khí liên tục Dòng khí có vai trò cung cấp oxy cho quá trình phân hủy sinh học xẩy ra, duy trì trạng thái

lơ lửng của bùn hoạt tính Trong khi hoạt động, màng sẽ bị bám bẩn bởi các bông bùn sinh học Các bọt khí trong quá trình sục khí di chuyển từ dưới lên

sẽ tạo ra sự xáo trộn và làm bong các bông bùn bám trên bề mặt của màng

Hoạt động của modul màng được theo dõi thông qua số lưu lượng của màng, là lưu lượng nước qua một đơn vị diện tích màng trong một đơn vị thời gian (L/m2.h) Thông thường, bơm hút nước qua màng sẽ hoạt động với giá trị

Trang 33

lưu lượng trong khoảng yêu cầu của nhà sản xuất màng đưa ra để hạn chế hiện tượng màng bị bám cặn và dễ dàng hơn trong việc rửa ngược cũng như rửa bằng hóa chất cho modul màng sau này Sau một thời gian hoạt động, áp suất qua màng sẽ tăng lên Khi áp suất đạt giá trị giới hạn của màng thì cần tiến hành rửa màng (S Judd, 2006) [27]

Nguyên lý hoạt động của hệ thống MBR đặt ngập được hoạt động theo hai pha chính: pha lọc và pha rửa Trong quá trình vận hành thì có thể điều chỉnh hai pha này hoạt động theo các cách thức khác nhau tùy thuộc vào thiết kế

1.4.3 Động học của quá trình vận hành hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập

Trong quá trình vận hành hệ thống lọc màng sinh học MBR hiếu khí dạng đặt ngập thì cần phải theo dõi các thông số động học của màng lọc để đảm bảo khả năng hoạt động tốt nhất và lâu nhất của màng Tùy thuộc vào nhà sản xuất màng mà mỗi loại màng sẽ được vận hành dưới các thông số động học khác nhau Các thông số động học chính của mỗi loại màng cần được chú ý theo dõi để đảm bảo cho quá trình vận hành hệ thống lọc màng sinh học MBR đó là: Lưu lượng thấm qua màng, áp suất qua màng, lượng khí cung cấp cho modul màng, ngoài ra còn có các thông số như nhiệt độ, pH, nồng độ sinh khối thích hợp trong bể (Visvanathan and Pokhrel, 2003) [24]

Lưu lượng nước thấm qua màng

Lưu lượng nước thấm qua màng sạch được mô tả theo đinh luật của Darcy

J = p / (( * ( Rm + Rp + Rc )) Trong đó:

J: Lưu lượng thấm qua màng (l/m2

.h) p: Áp suất qua màng (Kpa)

Rm

:

Trở lực ban đầu của màng (m-1)

Rp: Trở lực của lớp bùn bám trên màng (m-1)

Trang 34

Rc: Trở lực do nghiẹt lỗ màng (m-1)

Trong suốt quá trình vận hành nên sử dụng tốc độ lọc ổn định Tất cả trở lực trong công thức trên có thể được đo trong một loạt quá trình lọc như so sánh các quá trình lọc nước sạch, lọc bùn, và lọc nước sạch sau khi loại bỏ lớp bùn bám trên màng Tuy nhiên, trở lực còn phụ thuộc vào chế độ và kinh nghiệm vận hành, ví dụ như đặc trưng của bùn, vật liệu màng lọc và nhiệt độ

Hệ thống MBR thường hoạt động ở lưu lượng thấp và tốt hơn là dưới lưu lượng giới hạn đặc trưng cho mỗi loại màng khác nhau Khái niệm lưu lượng giới hạn được giới thiệu bởi Field Trong hệ thống MBR, lưu lượng giới hạn thường được định nghĩa là lưu lượng cao nhất được lọc liên tục trong một khoảng thời gian dài nhất có thể Lưu lượng được xác định theo phương pháp mức lưu lượng, trong đó lưu lượng sẽ tăng từng bước số mức lưu lượng với thời gian cố định và sự gia tăng áp suất qua màng được ghi lại

Lưu lượng khí cung cấp cho modul màng

Khí cung cấp cho modul màng nhằm mục đích tạo ra sự xáo trộn trên

bề mặt của màng và tăng khả năng chuyển động rối giữa các sợi màng làm giảm khả năng dính bám, lắng đọng của các chất trong bể sinh học lên trên bề mặt màng và bên trong lỗ màng

Lượng khí cấp cho modul màng có ảnh hưởng đến lưu lượng thấm qua màng và TMP nên cần duy trì lượng khí sao cho lưu lượng thấm qua màng và

Trang 35

TMP được duy trì ở mức độ ổn định Hệ thống phân phối khí phải đồng đều,

khí quá mạnh hay quá yếu đều cần tránh (Rosenburger et al., 2012) [25]

1.4.4 Ưu điểm và nhược điểm công nghệ MBR so với công nghệ bùn hoạt tính truyền thống

Ưu điểm của kỹ thuật dùng màng lọc MBR

Ứng dụng kỹ thuật màng đặt ngập trong bể sinh học giúp tăng cường và hoàn thiện công nghệ xử lý sinh học bằng phương pháp bùn hoạt tính Một số

ưu điểm của MBR so với hệ bùn hoạt tính truyền thống như: tăng nồng độ bùn hoạt tính (2-3 lần) trong bể phản ứng sinh học, cho phép tải trọng chất hữu cơ của nước thải đầu vào cao, đặc biệt đối với nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm, tăng hiệu quả sinh học 10-30%, giảm thời gian lưu nước và tăng thời gian lưu bùn, tiết kiệm được diện tích xây dựng và cho phép loại bỏ tất cả vi khuẩn, vi sinh vật có kích thước cực nhỏ, các Coliform, E-Coli, đảm bảo sự ổn định chất lượng nước sau xử lý theo yêu cầu của các tiêu chuẩn, và quy chuẩn kỹ thuật (S Judd, 2006) [27]

Không cần bể lắng và giảm kích thước bể nén bùn

Không cần tiệt trùng nhờ đã khử triệt để coliform

Công trình được tinh giản nhờ sử dụng chỉ một bể phản ứng để khử N

& P mà không cần bể lắng, bể lọc và tiệt trùng

Trong điều kiện thay đổi đột ngột, hệ thống được điều chỉnh cho ổn định bằng kỹ thuật không sục khí – sục khí – không sục khí

Khắc phục được các yếu điểm (lắng bùn và tạo bọt) trong phương pháp bùn hoạt tính

Một trong những vấn đề khó khăn của công nghệ bùn hoạt tính truyền thống là việc lắng bùn Vấn đề khó lắng thường gây ra bởi hiện tượng bùn kết

Trang 36

bông kém do sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi Trong hệ thống MBR, nhờ việc đảo trộn mạnh bên trong bể sục khí để bảo vệ màng bị bám cặn và giữ cho bùn phân tán tốt hơn, nên kích thước bông bùn phân tán trong hệ thống MBR ổn định và thường nhỏ Ngược lại kích thước bông bùn trong hệ thống bùn hoạt tính thông thường có thể lên đến 1.000 µm, kích thước bông bùn nhỏ

sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc và tăng hiệu quả hòa tan oxi vào bông bùn Như vậy mức độ hoạt hóa các chất hữu cơ cao hơn từ 10 đến 15 lần so với tốc độ chuyển hóa của các bông bùn hoạt tính thông thường Hầu hết các nghiên cứu

về công nghệ MBR đều cho thấy rằng BOD5 dòng ra thấp hơn 10 mg/l (Viện CNMT, 2012) [13]

Với công nghệ MBR, thời gian lưu bùn được kiểm soát hoàn toàn độc lập với thời gian lưu thủy lực Do đó thời gian lưu của bùn lớn sẽ lưu giữ toàn

bộ vi khuẩn nitrat hóa, điều này dẫn đến tốc độ nitrat hóa trong quy trình MBR rất cao, đạt trung bình 2,28 g N-NH4/kg MLSS/h cao hơn nhiều trong quá trình bùn hoạt tính 0,95 g N-NH4/kg MLSS/h (Viện CNMT, 2012) [13]

Dễ kiểm soát và bảo trì bằng hệ thống tự động, không cần phải đo chỉ

số thể tích bùn SVI hằng ngày (đây là chỉ số rất quan trọng đối với quá trình thông thường), ít tốn nhân công vận hành

Tốc độ hình thành bùn thấp

Những nghiên cứu về công nghệ MBR đều cho thấy rằng tốc độ hình

thành bùn thấp Bảng 1.4 đưa ra so sánh sản lượng bùn trong quá trình xử lý

nước thải đô thị bằng phương pháp bùn hoạt tính và phương pháp MBR vận hành ở những điều kiện thời gian lưu của bùn khác nhau

Trang 37

Trong hệ thống MBR, tỷ lệ F/M thấp và thời gian lưu của bùn cao hơn

chính là lý do dùng để giải thích về tốc độ hình thành bùn thấp Hơn nữa, hầu hết thời gian vận hành của MBR đều có tuổi bùn vượt quá 30 ngày Tuổi bùn cao làm giảm bùn sinh ra, giảm chi phí vận hành và xử lý bùn Tuy nhiên, độ nhớt của bùn tăng lên cùng với tuổi của bùn Độ nhớt tăng sẽ làm giảm tốc độ chuyển khối của oxi trong hệ thống MBR Do đó nồng độ MLSS thường được khuyến cáo trong khoảng 15.000 mg/l đến 20.000mg/l để đảm bảo tốc độ chuyển khối của oxi hiệu quả nhất

Theo nghiên cứu của Davies, W.J., Le, M.S and Heath, C.R (2000) MBR có thể được vận hành thời gian lưu bùn SRT rất lâu (5-50 ngày) với MLSS cao và tỷ số F/M thấp MBR có khả năng nitrat hóa cao hơn quá trình bùn hoạt tính thông thường, vì thời gian cho vi khuẩn nitrat hóa lâu hơn (SRT dài, F/M thấp) và kích thước bông bùn nhỏ hơn Bông bùn nhỏ hơn cho phép quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng và oxy vào trong nhiều hơn Sự hiện diện của màng lọc trong bể MBR ngăn ngừa sự rửa trôi vi sinh vật nitrat hóa tại thời điểm SRT và HRT ngắn và khuyến khích sự tăng dần của chỉ số tăng trưởng chậm của vi sinh vật, chẳng hạn vi khuẩn nitrat hóa, và lượng bùn sinh

ra rất ít ( Davies et al., 2000) [22]

Sự kết hợp nồng độ bùn cao và duy trì quá trình vận hành ở tỷ số F/M thấp Sự khác nhau giữa bể phản ứng thông thường (AS) và MBR xử lý cùng một loại nước thải tổng hợp Bùn trong MBR có kích thước nhỏ hơn trong bể phản ứng thông thường

Trang 38

Bảng 1.5: So sánh bùn hoạt tính thông thường (AS) và trong MBR

Nguồn: Yang, W., Cicek, N and Ilg, J (2006)[28]

Sự ổn định của chất lượng nước sau xử lý:

Đáp ứng được tiêu chuẩn rất khắc khe về chất lượng nước đầu ra, như coliform chẳng hạn

Nhờ quá trình phân tách bằng màng, bùn sẽ được tách gần như hoàn toàn, hiệu suất khử chất lơ lửng và vi sinh cấp độ cao nên nước sau xử lý có thể được tái sử dụng ngay cho các tòa nhà hay nhà máy nước tuần hoàn lại hoặc có thể xả trực tiếp vào nguồn nước mặt, có thể tái sử dụng cho mục đích làm nguội, sử dụng cho tưới tiêu nông nghiệp…

Có thể được thiết kế để ứng dụng cho nhiều lĩnh vực với những đặc thù riêng và đòi hỏi chất lượng nước sau xử lý luôn ổn định

Những điểm tuyệt vời của màng:

Tính ưu việt của màng đã được kiểm chứng qua nhiều công trình ứng dụng khác nhau với phạm vi ứng dụng rộng

Thiết kế dạng môđun rất hiệu quả và hệ thống giảm thiểu được sự tắc nghẽn Màng được chế tạo bằng phương pháp keo đặc biệt nên rất chắc, sẽ không bị đứt do tác động bởi dòng khí xáo trộn mạnh trong bể sục khí

Trang 39

Thân màng được phủ một lớp polymer thấm nước thuộc nhóm hydroxyl Vì vậy, màng không bị hư khi dùng hóa chất chlorine để tẩy rửa màng vào cuối hạn dùng

Một giải pháp kỹ thuật nhiều lợi ích kinh tế:

Với công nghệ bùn hoạt tính thông thường và các công nghệ xử lý sinh học khác, chi phí xử lý nước thải sẽ đắt hơn nhiều do thiết bị xử lý nước thải cần không gian rộng, chi phí thi công lắp đặt thiết bị tuần hoàn bùn, ống cấp khí, ống nước thải nhiều Do vậy hiệu quả kinh tế của các hệ thống này không cao Hơn nữa, việc xử lý kịp thời các biến động lượng nước thải theo nhu cầu

sử dụng là rất khó khăn Hệ thống MBR là công nghệ có khả năng khắc phục được các hạn chế trên Đối với các công trình khác, cần rất nhiều công trình khác nhau để xử lý đồng thời nhiều tác nhân ô nhiễm Nhưng với công nghệ MBR có thể xử lý cùng lúc rất nhiều tác nhân gây ô nhiễm như COD, BOD, nitơ, phôtpho, SS, vi sinh vật gây bệnh

Thời gian lưu nước ngắn (3 - 5h) so với công nghệ bùn hoạt tính thông thường (6h) vì thế giảm diện tích đất cần thiết, nhất đối với các khu vực khách sạn, các khu đô thị cao ốc văn phòng, các công trình cải tạo nâng cấp không có diện tích đất dự trữ

Giảm giá thành xây dựng nhờ không cần bể lắng, bể lọc và khử trùng Tiêu thụ điện năng của công nghệ MBR rất ít so với các công nghệ khác và đã được cấp bằng chứng nhận ―Công nghệ Môi trường Mới‖

Phí thải bùn cũng giảm nhờ tuần hoàn hết ¼ và lượng bùn dư tạo ra rất nhỏ

Bảo trì thuận tiện:

Kiểm soát quy trình chỉ cần đồng hồ áp lực hoặc lưu lượng

Cấu tạo gồm những hộp lọc đơn ghép lại nên thay thế rất dễ Quá trình làm sạch, sửa chữa, bảo trì và kiểm tra rất thuận tiện

Trang 40

Quy trình có thể được kết nối giữa công trình với văn phòng sử dụng, vì thế có thể điều khiển kiểm soát vận hành từ xa, thậm chí thông qua mạng internet

Một hệ thống MBR có thể thay thế từ 3 - 4 công trình nhỏ của công

nghệ truyền thống Có thể thấy rõ được điều này ở sơ đồ Hình 1.4 bên dưới

Quá trình bùn hoạt tính truyền thống

L ắ ng cát

Khử trùng

Bùn

Quá trình MBR

L ắ ng cát

Tiền

xử lý cấp

Bùn Mođun màng

Hình 1.4 So sánh hệ thống có MBR với hệ thống xử lý nước thải truyền thống

Nhược điểm khi áp dụng công nghệ MBR

Quá trình lọc màng đòi hỏi quá trình tiền xử lý như tách rác, chất cặn

bã có kích thước lớn hơn khe màng phải thật triệt để nhằm bảo vệ và tăng tuổi thọ của màng lọc

Chi phí đầu tư cao đặc biệt là giá thành của màng lọc trong hệ thống Chi phí vận hành cao vì chi phí cho năng lượng bơm nước qua màng lớn

Nhu cầu năng lượng cao để giữ cho dòng thấm ổn định hoặc tốc độ dòng chảy ngang trên bề mặt màng cao

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	2,12 MB