Nghiên cứu phát triển công nghệ trống quay sinh học tích hợp các quá trình kỵ khí và hiếu khí nhằm xử lý hỗn hợp nước thải sinh hoạt

Phương pháp nghiên cứu Thu thập kế thừa các nghiên cứu từ trước: Tham khảo các kiết quả nghiên cứu về các dạng hệ thống xử lý nước thải phân tán, các tài liệu thiết kế các công trình xử

LỜI CAM ĐOAN

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

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

(Học viên ký)

Phạm Đoàn Thanh Bình

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, động viên của cácthầy cô giáo, các bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy (cô)giáo trong khoa Kỹ thuật Môi Trường, các thầy (cô) và các cán bộ của khoa Sau đạihọc trường Đại học Xây dựng đã giúp đỡ tôi để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiêncứu này

Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS LềuThọ Bách, Chủ nhiệm đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ: "Nghiên cứu thiết kế,chế tạo thiết bị xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ bằng trống quay sinh học ứngdụng cho các đối tượng khu chung cư, cơ sở dịch vụ công cộng và xí nghiệp côngnghiệp” đã tạo điều kiện cho tôi tham gia đề tài, hướng dẫn tận tình, tỉ mỉ và cónhiều góp ý quý báu cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn tất cả các bạn trong lớp Cao học, các đồng nghiệp đã giúp đỡtôi hoàn thành công trình nghiên cứu của mình

Do thời trình độ chuyên môn còn hạn chế nên đề tài này chắc chắn không thểtránh khỏi những thiếu sót Tôi mong nhận được các ý kiến đóng góp để đề tàinghiên cứu này được hoàn thiện hơn

Một lần nữa, xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2016

Học viên

Phạm Đoàn Thanh Bình

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích thực hiện đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 3

1.1 Nguồn gốc, đặc tính nước thải sinh hoạt của chung cư và hình thức thu gom, xử lý 3

1.1.1 Nguồn gốc, đặc tính của nước thải sinh hoạt của chung cư 3

1.1.2 Thực trạng và các hình thức thu gom, xử lý nước thải hiện tại 5

1.1.3 Các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt phổ biến hiện nay 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

VÀ NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM XỬ LÝ HỖN HỢP

NƯỚC THẢI SINH HOẠT 9

2.1 Cơ sở lý thuyết 9

2.1.1 Công nghệ xử lý nước thải hiếu khí 9

2.1.2 Công nghệ xử lý nước thải kỵ khí 10

2.1.3 Công nghệ trống quay sinh học 10

2.1.4 Đề xuất công nghệ tích hợp 12

2.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 12

2.2.1 Cấu tạo của mô hình 12

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình 17

2.3 Đối tượng nước thải 19

2.3.1 Nước thải phân bùn bể phốt 19

2.3.2 Bùn thải từ hệ thống cống rãnh 19

2.3.3 Bùn kỵ khí 19

2.4 Quá trình nghiên cứu thực nghiệm 20

2.4.1 Giai đoạn 1: Giai đoạn chuẩn bị 21

2.4.2 Giai đoạn 2: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 48 (h) và độ ngập nước của trống quay là H/D = 1.00 (mức 1) 21

2.4.3 Giai đoạn 3: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 24 (h) và độ ngập nước của trống quay là H/D = 1.00 (mức 1) 22

2.4.4 Giai đoạn 4: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 48 (h) và độ ngập nước của trống quay là H/D = 0.95 (mức 2) 22

2.4.5 Giai đoạn 5: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 24 (h) với độ

ngập nước của trống quay là H/D = 0.95 (mức 2) 22

2.5 Trình tự vận hành mô hình 23

2.6 Ghi chép số liệu 23

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 26

3.1 Giai đoạn 2 26

3.1.1 Thông số vận hành 26

3.1.2 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu COD 26

3.1.3 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu Nitơ 29

3.1.4 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu PO43- 31

3.1.5 Thông số oxy hòa tan (DO) 32

3.1.6 Thông số pH 34

3.2 Giai đoạn 3 35

3.2.1 Thông số vận hành 35

3.2.2 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu COD 36

3.2.3 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu Nitơ 38

3.2.4 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu PO43- 39

3.2.5 Thông số oxy hòa tan (DO) 41

3.2.6 Thông số pH 42

3.3 Giai đoạn 4 43

3.3.1 Thông số vận hành 43

3.3.2 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu COD 44

3.3.3 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu Nitơ 46

3.3.4 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu PO43- 48

3.3.5 Thông số oxy hòa tan (DO) 50

3.3.6 Thông số pH 51

3.4 Giai đoạn 5: 53

3.4.1 Thông số vận hành 53

3.4.2 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu COD 53

3.4.3 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu Nitơ 56

3.4.4 Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu PO43- 58

3.4.5 Thông số oxy hòa tan (DO) 60

3.4.6 Thông số pH 61

3.5 Xác định các thông số vận hành 62

3.6 Xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A20 Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí

SBR Bể phản ứng sinh học hoạt động theo mẻ

AS/ASP/CAS Quá trình xử lý nước thải truyền thống

DANH MỤC BẢN

Bảng 1.1 Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt ở Hà Nội 16Bảng 1.2 Lượng chất bẩn một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 16Bảng 2.1 Tên và đặc tính các thiết bị thí nghiệm 29Bảng 2.2 Các chỉ tiêu phân tích mẫu 36

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt 15

Hình 2.1 Sơ đồ trống quay sinh học điển hình 23

Hình 2.2 Cấu tạo mô hình trống quay 25

Hình 2.3 Cấu tạo mô hình trống quay 26

Hình 2.4 Phần trống quay 28

Hình 2.5 Sơ đồ lắp đặt thiết bị của toàn bộ hệ thống 29

Hình 2.6 Lấy bùn kỵ khí trong bể kỵ khí tại trạm xử lý nước thải Kim Liên – Hà Nội 32

Hình 2.7 Máy UV-VIS double beam spectrophotometer 36

Hình 2.8 Máy bơm định lượng ProMinent, Đức 37

Hình 2.8 Máy bơm cấp khí, Trung Quốc 37

Biểu đồ 3.13 Chỉ tiêu PO43- trong quá trình vận hành mô hình trong giai đoạn 4

2 Mục đích thực hiện đề tài

Xây dựng 1 mô hình công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt công suất nhỏ ứngdụng cho các đối tượng khu chung cư và cơ sở dịch vụ công cộng nhằm giải quyếtvấn đề ô nhiễm môi trường nước

3 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt từ chung cư

4 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập kế thừa các nghiên cứu từ trước: Tham khảo các kiết quả nghiên cứu

về các dạng hệ thống xử lý nước thải phân tán, các tài liệu thiết kế các công trình xử

lý nước thải tại chỗ công suất nhỏ như bể Bastaf, Jokasho, hệ thống bùn hoạt tính,đĩa/trống quay sinh học… qua đó phân tích ưu nhược điểm của từng loại hệ thốnglàm cơ sở đề xuất công nghệ và giải pháp thiết kế phù hợp

Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm thiết bị xử lýnước thải sinh hoạt phục vụ công tác nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Vận hành mô hình bằng nước thải sinh hoạt

Lấy mẫu phân tích chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra.

Xử lý số liệu mô phỏng kết quả nghiên cứu dưới dạng bảng biểu, biểu đồ

5 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiện nay nước thải từ các hộ gia đình, khu chung cư đang phần lớn khôngđược xử lý mà xả thải trực tiếp vào mạng lưới thoát nước hoặc các sông ở trong đôthị Đây là 1 nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng cho các sông hồ trong thành phố.Trong điều kiện hạn chế về diện tích sử dụng đất tại các đô thị, đồng thời khả năng

xử lý nước thải của các bể tự hoại còn hạn chế, thì phát triển các hệ thống xử lýnước thải nhỏ gọn, dễ lắp đặt, tiêu thụ ít năng lượng, khả năng xử lý được nước thảiđạt tiêu chuẩn thì việc nghiên cứu phát triển một mô hình xử lý nước thải sinh hoạtchi phi thấp cho các chung cư, công trình công cộng là rất cần thiết Ngoài ra hiệnnay trong các tòa nhà chung cư, công trình công cộng luôn tồn tại 2 hệ thống thugom nước thải (hệ thống thu gom nước thải đen và hệ thống thu gom nước thảixám), nghiên cứu này cũng hướng đến giải pháp có thể hợp nhất 2 hệ thống thu gomnày làm 1 nhằm tiết kiệm chi phí xây dựng, tối ưu hóa giải pháp thiết kế, bố trí cácđường ống kỹ thuật trong các công trình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

a.1 Nguồn gốc, đặc tính nước thải sinh hoạt của chung cư và hình thức

thu gom, xử lý

a.1.1 Nguồn gốc, đặc tính của nước thải sinh hoạt của chung cư

Nước thải từ các khu chung cư chủ yếu phát sinh từ các nguồn thải như: tắmgiặt, nấu nướng, rửa nhà, nước thải nhà vệ sinh… (hình 1.1)

Hình 1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt

Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt làBOD5, COD, Nitơ và photpho Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thảisinh hoạt đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi các vi sinh vật có trong phân

Vi sinh vật gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyênsinh bào và giun sán Thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm cơ bản có thể tham

- Nước xả.

Bếp

- Nước tẩy rửa.

- Dầu mỡ.

- Thực phẩm thừa.

Bảng 1.1 Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt ở Hà Nội

một người dân đô thị xả vào hệ thống thoát nước như bảng 1.2:

Bảng 1.2 Lượng chất bẩn một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát

nước

a.1.2 Thực trạng và các hình thức thu gom, xử lý nước thải hiện tại

Hiện nay phương thức xử lý nước thải tập trung và phân tán đều đang được ápdụng ở Việt Nam Ở đô thị, công trình xử lý nước thải tại chỗ áp dụng trong cáckhách sạn lớn, các bệnh viện, tòa nhà văn phòng, chung cư mới xây Nước thảiđược xử lý đạt loại B trước khi xả vào mạng lưới thoát nước thành phố Tuy nhiên,

các công trình xử lý tại chỗ thường sớm bị hư hỏng do không được quan tâm vậnhành, bảo dưỡng cẩn thận Trong khi đó, bể tự hoại vẫn là công trình xử lý tại chỗđược sử dụng phổ biến trong các tòa nhà cũ, chung cư và các trung tâm thương mạinhỏ Việc xem bể tự hoại như là một công trình xử lý nước thải sơ bộ cũng là mộtvấn đề, do mức độ xử lý nước thải và phân bùn của bể tự hoại còn thấp Mặt kháchầu hết các nơi quản lý bể tự hoại chưa tốt, cần phải thường hút bùn thường xuyênnhưng mọi người chỉ thực hiện khi bể bị tràn Dẫn đến nhiều bể tự hoại hoạt độngtrong tình trạng bị quá tải, không xử lý hay xử lý kém hiệu quả nước thải trước khi

xả vào hệ thống thoát nước thành phố Nước thải chưa được xử lý tốt trong bể tựhoại có thể chứa các chất rắn khi xả vào mạng lưới thoát nước chung vốn đã xuốngcấp làm tắc nghẽn dòng chảy hoặc phát sinh mùi Ngoài ra ở Việt Nam do còn thiếucác trạm xử lý nước thải tập trung, nên nước thải từ các khu đô thị, chung cư… vẫnđang xả trực tiếp ra sông/hồ nên hình thức xử lý nước thải phân tán đang đượckhuyến cáo sử dụng để hạn chế gây ô nhiễm các sông hồ trong các đô thị

Trong các khu chung cư hầu hết xây dựng 2 hệ thống thu gom nước thải riêngbiệt: 1 hệ thống thu gom nước thải xám và 1 hệ thống thu gom nước thải đen Nướcthải xám được thu gom sau đó dẫn ra hố ga thoát nước thải rồi đi vào hệ thống thoátnước thải của thành phố Nước thải đen được thu gom tập trung tại bể tự hoại, nướcthải sau bể tự hoại mới được dẫn ra hố ga thoát nước thải rồi đi vào hệ thống thoátnước của thành phố Nước thải từ công trình sau khi được thu gom sẽ theo mạnglưới thoát nước thải về trạm xử lý nước thải tập trung của thành phố

Hình thức này có các nhược điểm là:

- Phải xây dựng 2 hệ thống thu gom nước thải trong công trình làm tăng chiphí xây dựng ban đầu và gây khó khăn cho việc bố trí kiến trúc và cácđường ống kỹ thuật bên trong công trình

- Nước thải chưa được xử lý hiệu quả xả vào hệ thống thoát nước của thànhphố gây ra nhiều nguy cơ tiềm ẩn về ô nhiễm môi trường

- Cần nhiều chi phí để đầu tư xây dựng một trạm xử lý nước thải tập trungcủa thành phố với công suất lớn.

a.1.3 Các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt phổ biến hiện nay.

Hiện nay có nhiều loại hình công nghệ sinh học đang được ứng dụng trong xử

lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp quy mô nhỏ tại Việt Nam Các loại hình côngnghệ này có thể phân thành một số nhóm chính như sau:

Công nghệ bùn hoạt tính: đây là công nghệ truyền thống có hiệu quả cao và

đã được ứng dụng từ lâu nay Bản chất của công nghệ là sử dụng các vi khuẩn hiếukhí tập trung dưới dạng bùn hoạt tính để oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ trongnước thải Các vi khuẩn (bùn hoạt tính) được nuôi cấy trong các công trình xử lýnước thải như bể aeroten, mương oxy hóa sinh học Bùn hoạt tính tồn tại trong cáccông trình dưới dạng hỗn hợp bùn lơ lửng bằng các biện pháp sục khí hoặc khuấytrộn đều Công nghệ này đòi hỏi công trình có kích thước đủ lớn để đảm bảo thờigian lưu nước và lưu bùn thích hợp Mặt khác để duy trì nồng độ bùn thích ứngtrong bể aeroten, cần có thêm bể lắng và hệ thống tuần hoàn bùn từ bể lắng về bểaeroten Đây cũng là các yếu tố làm cho công nghệ có chi phí đầu tư ban đầu và chiphí vận hành cao

Công nghệ màng sinh học: quá trình xử lý được thực hiện trên cơ sở các

màng sinh vật là tập hợp các vi khuẩn hiếu khí được hình thành trên bề mặt các vậtliệu lọc hoặc các đĩa/trống quay Các màng sinh vật này có tác dụng hấp thụ vàphân hủy các chất hữu cơ trong nước thải khi nước thải được lọc qua các lớp vậtliệu Việc làm thoáng được thực hiện bằng quạt gió cưỡng bức hoặc làm thoáng tựnhiên Công nghệ này được áp dụng trong các công trình bể lọc sinh học cao tải, bểlọc sinh học nhỏ giọt, hệ thống đĩa/trống quay sinh học Đây cũng là công nghệmang tính truyền thống đã được phát triển từ lâu Mặc dù hiệu quả xử lý đáp ứngđược nhu cầu cần thiết nhưng vẫn tồn tại các nhược điểm như chi phí đầu tư banđầu cho công trình cao, hiệu suất xử lý bị ảnh hưởng bởi yếu tố khí hậu do côngtrình thường được bố trí hở, gây mùi…

Công nghệ xử lý kỵ khí: dựa trên khả năng phân hủy các chất hữu cơ có nồng

độ cao của các vi khuẩn kỵ khí Công nghệ này thường được áp dụng để xử lý nướcthải công nghiệp có nồng độ chất hữu cơ cao Công nghệ được áp dụng trong cácloại công trình như bể tự hoại, bể lọc kỵ khí, bể UASB, ESBR Công nghệ này có

ưu điểm là vừa xử lý được các chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời tận thu đượcsản phẩm mới là khí sinh học có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng mới.Tuy nhiên để các công trình đạt được hiệu quả xử lý ổn định, việc tạo ra loại bùn kỵkhí dạng hạt bùn tự nhiên có khả năng lưu tốt trong công trình không phải là việclàm đơn giản

Công nghệ màng lọc: đây là công nghệ mới và hiện đại, quá trình xử lý được

thực hiện bằng bùn hoạt tính có nồng độ cao nuôi cấy trong điều kiện hiếu khí trong

bể làm thoáng Nước sau xử lý được tách bởi hệ thống màng lọc có kích thước nhỏhơn kích thước của các loại vi khuẩn Công nghệ này ưu việt hơn công nghệ bùnhoạt tính truyền thống do không cần xây dựng bể lắng, chất lượng nước sau xử lýđảm bảo đạt yêu cầu Tuy nhiên giá thành đầu tư ban đầu cho hệ thống màng lọclớn, các chi phí rửa lọc, bơm hút nước lọc… cũng làm tăng chi phi vận hành

Công nghệ AO: AO là công nghệ xử lý nước thải sinh học hiện đang được

triển khai nhiều tại Việt Nam Công nghệ AO có khả năng xử lý đồng thời cả BODlẫn Nitơ tuy nhiên để đảm bảo xử lý triệt để được Nitơ cần có hệ thống bơm tuầnhoàn công suất lớn gấp 3 lần công suất xử lý của trạm Chính vì vậy các vấn đề vềtiêu thụ điện năng, trình độ vận hành cao cũng vẫn còn là vấn đề phải xem xét.Theo “Báo cáo đánh giá hoạt động quản lý nước thải đô thị Việt Nam” củaNgân hàng thế giới (12/2013), tính đến tháng 9 năm 2013 Việt Nam hiện có 17 nhàmáy xử lý nước thải đang vận hành và 32 trạm đang xây mới Các công nghệ xử lýnước thải được áp dụng trong các nhà máy xử lý nước thải rất khác nhau Trong đó

có một số công nghệ như: Công nghệ bùn hoạt tính, sử dụng phương pháp bùn hoạttính truyền thống (CAS) áp dụng tại: Nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng Hòa;công nghệ Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí (A20) áp dụng tại: Nhà máy xử lý nước

thải Kim Liên, Trúc Bạch, Bắc Thăng Long; công nghệ bể phản ứng sinh học hoạtđộng theo mẻ (SBR) áp dụng tại: Nhà máy xử lý nước thải Yên Sở, Bãi Cháy, HàKhánh; công nghệ kênh oxi hóa (OD) áp dụng tại : Nhà máy xử lý nước thải BắcGiang Các phương pháp này đảm bảo xử lý nước thải đạt chất lượng cao và thườngđược thiết kế để xử lý nước thải đầu vào có nồng độ BOD cao hơn nhiều so vớinồng độ thực tế nhà máy đang tiếp nhận Vì vậy, tám nhà máy xử lý nước thải cókhả năng xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn thải hiện hành Nồng độ BOD trung bìnhtrong nước thải sau xử lý của tám nhà máy tiếp nhận nước từ hệ thống thoát nướcchung giao động từ 3-23 mg/l, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn 50mg/l cho loại

“B” Với nồng độ chất ô nhiễm thấp như vậy, thực ra có thể xử lý đạt tiêu chuẩnnước thải đầu ra bằng cách phân kỳ xây dựng nhà máy xử lý hoặc lựa chọn côngnghệ xử lý thấp hơn, nhờ đó có thể tiết kiệm chi phí đầu tư cơ bản

Công nghệ xử lý nước thải bằng chuỗi hồ sinh học cũng đang được áp dụng ởmột số nơi tại Việt Nam (nhà máy xử lý nước thải Buôn Ma Thuật)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM XỬ LÝ HỖN HỢP NƯỚC THẢI SINH HOẠT

b.

b.1 Cơ sở lý thuyết

b.1.1 Công nghệ xử lý nước thải hiếu khí

Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điềukiện cung cấp oxy liên tục Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi

là quá trình oxy hoá sinh hoá.Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếukhí có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo Trong các công trình xử lýnhân tạo, người ta tạo điều hiện tối ưu cho quá trình oxy hoá sinh hoá nên quá trình

xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều Tuỳ theo trạng thái tồn tại của vi sinhvật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo có thể chia thành:

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếuđược sử dụng khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồlàm thoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân huỷhiếu khí Trong số những quá trình này, quá trình bùn hoạt tính hiếu khí(Aerotank) là quá trình phổ biến nhất

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quátrình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học,

bể phản ứng nitrate hoá với màng cố định

Một số công nghệ xử lý nước thải hiếu khí phổ biến là:

- Công nghệ xử lý nước thải bùn hoạt tính hiếu khí (Aerotank)

- Công nghệ xử lý sinh học dạng mẻ (SBR)

- Công nghệ sinh học tăng trưởng dính bám

- Công nghệ lọc sinh học (Trickling Filter)

b.1.2 Công nghệ xử lý nước thải kỵ khí

Phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là quá trình

sử dụng vi sinh vật kỵ khí trong môi trường không có oxi

Một số công nghệ xử lý kỵ khí đang được áp dụng:

- Lọc kỵ khí – Anaerobic Filter;

- Kỵ khí tiếp xúc;

- UASB - Upflow Anaerobic Bludge Blanket;

- EGSB - Expanded Granular Sludge Bed

b.1.3 Công nghệ trống quay sinh học

Trên thế giới công nghệ xử lý nước thải bằng trống quay sinh học (Rotatingbiological contactor – RBC) đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng thực tế từthế kỷ 19 tại châu Âu, đặc biệt là tại Đức RBC được nghiên cứu và phát triển tạiĐức vào những năm 1960, đến nay hệ thống RBC được ứng dụng rộng rãi tại 140quốc gia trên thế giới, các loại nước thải thích hợp cho hệ thống là nước thải cónguồn gốc sinh hoạt như nước thải tại các toà nhà, khu dân cư, bệnh viện … vànước thải một số ngành sản xuất công nghiệp Theo nghiên cứu hệ thống RBC côngsuất 150 m3/ngđ tại Pllman, US, hiệu qủa xử lý của của cả hệ thống các trống quaysinh học có thể đạt được 70-90% Chi phí vận hành và bảo dưỡng của hệ thống sovới các hệ bùn hoạt tính khác có công suất tương đương tiết kiệm hơn khoảng 35%

so với bùn hoạt tính cải tiến và khoảng 70% so với hệ bùn hoạt tính kết hợp keo tụbằng hóa chất

Hình 2.1 Sơ đồ trống quay sinh học điển hình

Nguyễn lý hoạt động: Dựa vào nguyên lý tiếp xúc của hệ vi sinh vật bám dínhtrên trống quay (màng sinh học) đối với nước thải và ôxy có trong không khí Khikhối đĩa quay lên, các vi sinh vật lấy ôxy để oxy hoá các chất hữu cơ và giải phóngCO2 Khi khối đĩa quay xuống, vi sinh vật nhận chất nền (chất dinh dưỡng) có trongnước Quá trình tiếp diễn như vậy cho đến khi hệ vi sinh vật sinh trưởng và pháttriển sử dụng hết các hữu cơ có trong nước thải Màng sinh vật sẽ hình thành trên bềmặt trống quay, độ dày phụ thuộc vào tính chất của nước thải, tốc độ quay, vật liệulàm trống quay…

Phạm vi áp dụng: Công nghệ RBC được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thảisinh hoạt với công suất không hạn chế, tuy nhiên nó thường được áp dụng cho cáctrạm xử lý công suất dưới 5000 m3/ngày RBC được sử dụng với các loại nước thảichứa hàm lượng ô nhiễm chất hữu cơ BOD5 khoảng 500 mg/l, dinh dưỡng N tổngkhoảng 100 mg/l

Một ví dụ điển hình của việc áp dụng công nghệ trống quay sinh học trong xử

lý nước thải ở khu vực Đông Nam Á là hệ thống BI-ACT SCBA của công ty UniSan Pol (Thái Lan) Hoạt động dựa trên nguyên lý của công nghệ trống quay sinh

học cùng với một số cải tiến, hệ thống BI-ACT đã được xây dựng để xử lý nướcthải cho rất nhiều công trình quy mô vừa và nhỏ ở Thái Lan như: bệnh viện Paolo(công suất trạm xử lý: 600 m3/ngđ), khách sạn Marriott Royal Garden (công suấttrạm xử lý: 964 m3/ngđ), bệnh viện Samittivej (công suất trạm xử lý: 1000 m3/ngđ),trường đại học Srinakharinwriot (công suất trạm xử lý: 1250 m3/ngđ)…

b.1.4 Đề xuất công nghệ tích hợp

Hướng tới mục đích tối ưu hóa công nghệ và tiết kiệm điện năng tiêu thụ đểphù hợp với điều kiện kinh tế của các hộ gia đình, công trình công cộng, khu dân cưtại Việt Nam thì cũng cần tiến hành nghiên cứu để cải tiến một số yếu tố như: tăngdiện tích tiếp xúc bề mặt của đĩa quay hoặc trống quay; sử dụng động cơ để tạochuyển động quay của đĩa/trống đòi hỏi tiêu thụ điện năng, định kỳ bảo dưỡng độngcơ; công trình bố trí hở để tạo điều kiện cung cấp oxy từ không khí tự nhiên có thểgây mùi hôi Với các nhược điểm này, công nghệ đĩa/trống quay sinh học truyềnthống chỉ có thể ứng dụng để xử lý nước thải theo hình thức tập trung tại các trạm

xử lý nước thải công suất lớn, khó có thể ứng dụng đối với hình thức xử lý nướcthải phân tán, quy mô nhỏ trong điều kiện Việt Nam hiện nay

Chính vì vậy, luận văn này đề xuất nghiên cứu mô hình xử lý nước thải trốngquay sinh học với chi phí thấp, dễ dàng trong xây dựng và vận hành có khả năngkết hợp các quá trình sinh học kỵ khí và hiếu khí trong cùng 1 thiết bị Trống quaysinh học sẽ có thể xử lý triệt để các chất hữu cơ và nitơ trong hỗn hợp nước thải baogồm cả phân và nước tiểu

b.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm

b.2.1 Cấu tạo của mô hình

a Các yêu cầu của mô hình

Mô hình thiết kế cần đảm bảo các yêu cầu:

- Tích hợp được các ngăn kỵ khí và hiếu khí trong cùng một mô hình để xử

lý đồng thời cả hai loại nước thải đen và xám

- Phần hiếu khí được thiết kế trên cơ sở công nghệ xử lý sinh học nước thảibằng đĩa/trống quay.

- Cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt, đơn giản trong vận hành, bảo dưỡng, tiêuthụ ít nhiên liệu

Mô hình xử lý nước thải dạng Trống quay sinh học có cấu tạo là hình trụ tròn.Đường kính của khối trụ là D = 350 (mm), chiều cao H = 500 (mm) Cấu trúc của

mô hình gồm hai phần chính là phần thân thiết bị và phần Trống quay Ngoài ra còn

có các bộ phận và thiết bị khác (các đường ống dẫn nước, khí, máy bơm định lượng,máy thổi khí…)

Mô hình thí nghiệm thực tế:

Hình 2.3 Cấu tạo mô hình trống quay

a Phần thân thiết bị

Phần thân thân thiết bị được chia làm ba phần từ dưới lên trên theo chiều dòngnước thải đưa vào để xử lý tương ứng với các vùng lần lượt là vùng kỵ khí, vùnghiếu khí và vùng lắng Các vùng hiếu khí và kỵ khí được phân chia bởi 2 tấm phẳngnằm nghiêng đặt chéo nhau Giữa 2 vùng hiếu khí và vùng lắng được ngăn cáchbằng vách ngăn tạo dòng chảy tràn qua mép vách có dạng răng cưa

Vùng kỵ khí ở phía dưới thuộc phần đáy có dung tích công tác là 15,25 (lít).

Tại đây đã được bổ sung bùn kỵ khí từ trước đó và diễn ra quá trình xử lý sinh họctrong điều kiện kỵ khí

Vùng hiếu khí thuộc phần trên của thiết bị có dung tích là 19,25 (lít).Tại đây

diễn ra quá trình xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí và khí được cấp cho vùngnày bao gồm cấp khí nhân tạo có kiểm soát và cấp khí tự nhiên

Vùng lắng của thiết bị có nhiệm vụ lưu chứa và lắng cặn nước thải sau xử lýtrước khi được dẫn ra ngoài

đứng dọc trục của phần thân ở các cao độ khác nhau để điều chỉnh độ ngập nướccủa trống quay.

Hình 2.4 Phần trống quay

Ngoài ra, thiết bị còn lắp đặt thêm một số chi tiết sau:

- Hệ thống đường ống dẫn khí và ống phân phối khí có dạng đục lỗ đượcđặt cố định trên tấm phẳng nghiêng ngăn cách hai vùng hiếu khí và kỵ khí.Đường ống phân phối khí được đặt cùng phương với phương của Trốngquay sao cho khí đi ra khỏi ống hướng vào các ngăn của trống quay

- Các chi tiết khác như các van xả nước & bùn cặn, đầu thu khí, đầu đo pH,đầu bổ sung hóa chất được bố trí trên thiết bị đảm bảo phù hợp với chức

năng riêng của các chi tiết và thuận lợi cho triển khai thực hiện nghiêncứu.

b.2.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình

Hình 2.5 Sơ đồ lắp đặt thiết bị của toàn bộ hệ thống Bảng 2.1 Tên và đặc tính các thiết bị thí nghiệm

1 Bể phản ứng hiếu-kỵ khí kết hợp (nhựa acrylic không

màu)

1

6 Bơm định lượng điều chỉnh 0.5 ÷ 10L/h, Đức 2

15 Các van xả nước và bùn cặn 3

Nguyên lí hoạt động của hệ thống như sau:

Nước thải sau khi pha sẵn được chứa trong bồn chứa (2) có dung tích phù hợpvới các chế độ vận hành và được khuấy đều liên tục bằng bộ máy khuấy (13), quabơm định lượng (6) đã được thiết lập chế độ lưu lượng để phù hợp với chế độ hoạtđộng, được bơm qua ống dẫn đi vào bể phản ứng (1) Khi nước thải được bơm dẫnvào đến bể phản ứng (1), quá trình xử lý nước thải được thực hiện theo trình tự sau:Nước thải được dẫn qua ống xuống vùng xử lý kỵ khí Tại đây dưới sự hoạtđộng của vi sinh vật kỵ khí có trong bùn kỵ khí xảy ra quá trình xử lý sinh học kỵkhí Sản phẩm của quá trình xử lý ở vùng này là khí sinh học được dẫn vào thiết bịthu hồi khí (5)

Nước thải sau khi được xử lý ở vùng kỵ khí tiếp tục đi vào vùng hiếu khí theodòng chảy ngược Tại đây xảy ra quá trình xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí

Để cấp khí cho quá trình xử lý tại vùng này, máy cấp khí (7) được lắp đặt qua thiết

bị điều chỉnh lưu lượng (8) Dưới tác dụng của dòng khí sục từ dưới lên, khí đượctập trung trong các ngăn tạo tạo thành lực đẩy làm trống quay (11) quay quanh trụccủa nó và có chiều quay ngược với chiều kim đồng hồ Bên cạnh đó, một phần bềmặt của trống quay (11) sau khi quay sẽ có một khoảng thời gian nhất định tiếp xúcvới không khí ở môi trường bên ngoài qua đó có thể trao đổi không khí với môitrường Thời gian cũng như phần diện tích tiếp xúc với môi trường không khí bênngoài phụ thuộc mức độ ngập nước của trống quay (11)

Nước thải sau khi đi qua 2 vùng kỵ khí và hiếu khí được chảy tràn qua váchngăn có dạng răng cưa ngăn cách giữa vùng hiếu và vùng lắng để vào ngăn chứatrước khi đi ngoài vào bồn chứa nước thải sau xử lý (3)

Để điều chỉnh độ ngập nước của trống quay có thể nâng lên hoặc hạ xuốngthanh điều chỉnh giữ trống quay

Nước thải và bùn cặn lắng xuống được thải ra ngoài qua các van xả (15).

b.3 Đối tượng nước thải

b.3.1 Nước thải phân bùn bể phốt

Nước thải phân bùn bể phốt được lấy từ Công ty TNHH Một thành viên Môitrường và Đô thị Hà Nội – URENCO, Chi nhánh Cầu Diễn – URENCO 7 có địa chỉtại số 60B Nhuệ Giang, Tây Mỗ, Từ Liêm, Hà Nội

Nước thải được lấy ngay tại xe thông hút bể phốt sau khi vừa thực hiện xongcông việc ở chính điểm tập trung nước phân bùn bể phốt Nước thải được chứatrong can chứa dung tích 20 lít và được bảo quản ở điều kiện phòng phục vụ quátrình vận hành thí nghiệm

b.3.2 Bùn thải từ hệ thống cống rãnh

Bùn thải được lấy tại Trạm bơm Yên Sở có địa chỉ tại Đường Nguyễn Khoái,Quận Hoàng Mai, Hà Nội Bùn được lấy ngay tại xe hút bùn tại các hệ thống cốngrãnh sau khi thực hiện xong công việc ở chính điểm tập kết bùn Bùn được chứatrong can dung tích 20 lít và được bảo quản ở điều kiện phòng phục vụ quá trìnhvận hành thí nghiệm

Nước thải dùng để đưa vào mô hình xử lý sẽ được pha chế để có các tính chấttương đương với nước thải sinh hoạt thực tế

Hình 2.6 Lấy bùn kỵ khí trong bể kỵ khí tại trạm xử lý nước thải Kim Liên –

Hà Nội

b.4 Quá trình nghiên cứu thực nghiệm

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được chia làm 5 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Giai đoạn chuẩn bị được thực hiện tại PTN trong thời gian từngày 01/01/2016 đến ngày 05/01/2016

- Giai đoạn 2: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 48 (h) trong thời gian

từ ngày 06/01/2016 đến ngày 10/03/2016

- Giai đoạn 3: Giai đoạn vận hành tại PTN với chế độ HRT = 24 (h) có bổ

sung NaHCO3 đầu vào trong thời gian từ ngày 11/03/2016 đến ngày04/04/2016

- Giai đoạn 4: Giai đoạn vận hành tại PTN với chế độ HRT = 48 (h) trong

khoảng thời gian từ ngày 15/04/2016 đến ngày 29/04/2016

- Giai đoạn 5: Giai đoạn vận hành tại PTN với chế độ HRT = 24 (h) trong

khoảng thời gian từ ngày 10/05/2016 đến ngày 18/05/2016

b.4.1 Giai đoạn 1: Giai đoạn chuẩn bị

Trong giai đoạn này, sau khi xây dựng mô hình và chuẩn bị đầy đủ các vật liệucần thiết, tiến hành chạy khởi động mô hình Trước khi chính thức vận hành, môhình được nạp đầy nước sach (nước máy) sau đó cho chạy như vậy trong khoảngthời gian 5 ngày Trong giai đoạn này chỉ có khí được cấp vào để trống quay hoạtđộng

Thông số vận hành được thiết lập như sau:

- Lưu lượng không khí cấp vào: L = 0,45 (l/phút)

- Tốc độ quay của trống:

 Mức 1: v =14,58 vòng/phút ứng với độ ngập nước của trống là 1.00.

 Mức 2: v = 7,03 vòng / phút ứng với độ ngập nước của trống là 0.95.

 Mức 3: v = 0,36 vòng/phút ứng với độ ngập nước của trống là 0.90.

b.4.2 Giai đoạn 2: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 48 (h) và độ

ngập nước của trống quay là H/D = 1.00 (mức 1)

Sau thời gian chạy khởi động kết thúc, tiến hành rút bớt nước trong thời giantrước đó rồi tiến hành nạp bùn kị khí vào bể và vận hành mô hình Mô hình đượcvận hành từ ngày 06/01/2016 đến ngày 10/03/2016 Thông số vận hành được thiếtlập như sau:

- Lưu lượng không khí cấp vào: L = 0,45 (l/phút)

- Lưu lượng nước thải Q = 612 (ml/h)

- Thời gian lưu nước HRT = 48 (h)

- Thông số nhiệt độ : Nhiệt độ môi trường

- Thông số pH : giai đoạn này không kiểm soát pH

- Tốc độ quay của trống:

 Mức 1: v=8.58 (vòng/phút) ứng với độ ngập nước của trống là H/D=1.00

- Lượng bùn kỵ khí cấp vào bể là 5 lít

b.4.3 Giai đoạn 3: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 24 (h) và độ

ngập nước của trống quay là H/D = 1.00 (mức 1)

Mô hình được vận hành từ ngày 11/03/2016 đến ngày 04/04/2016 Thông sốvận hành được thiết lập như sau:

- Lưu lượng không khí cấp vào: L = 0,45 (l/phút)

- Lưu lượng nước thải Q = 1250 (ml/h)

- Thời gian lưu nước HRT = 24 (h)

- Thông số nhiệt độ : Nhiệt độ môi trường

- Thông số pH : giai đoạn này kiểm soát pH đầu vào từ 8.0 đến 8.40

- Tốc độ quay của trống:

 Mức 1: v = 8.58 (vòng/phút) ứng với độ ngập nước của trống là 1.00

b.4.4 Giai đoạn 4: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 48 (h) và độ

ngập nước của trống quay là H/D = 0.95 (mức 2)

Các thông số được thiết lập như sau:

- Lưu lượng không khí cấp vào: L = 0,45 (l/phút)

- Lưu lượng nước thải Q = 612 (ml/h)

- Thời gian lưu nước HRT = 48 (h)

- Thông số nhiệt độ : Nhiệt độ môi trường

- Thông số pH : giai đoạn này không kiểm soát pH

- Tốc độ quay của trống:

 Mức 2: v = 3.03 (vòng/phút) ứng với độ ngập nước của trống là 0.95

b.4.5 Giai đoạn 5: Giai đoạn vận hành tại PTN với HRT = 24 (h) với độ

ngập nước của trống quay là H/D = 0.95 (mức 2)

Các thông số được thiết lập như sau:

- Lưu lượng không khí cấp vào: L = 0,45 (l/phút)

- Lưu lượng nước thải Q = 1250 (ml/h)

- Thời gian lưu nước HRT = 24 (h)

- Thông số nhiệt độ : Nhiệt độ môi trường

- Thông số pH : giai đoạn này không kiểm soát pH

- Tốc độ quay của trống:

 Mức 2: v = 3.03 (vòng/phút) ứng với độ ngập nước của trống là 0.95

b.5 Trình tự vận hành mô hình

Trước hết, để vận hành được mô hình cần cung cấp nguồn nước thải đầu vào

để hệ thống có thể hoạt động Nước thải đầu vào là hỗn hợp nước phân bùn bể phốt

và bùn từ hệ thống cống rãnh Sau khi được pha trộn với nhau thành hỗn hợp đồngnhất với tỉ lệ Nước/Bùn = 2/1 hỗn hợp này được pha loãng với tỉ lệ pha loãng là1/30 với nước sạch (nước máy) để cung cấp cho hệ thống hoạt động Nguồn nướcthải đầu vào này được pha chế từng ngày và tùy thuộc vào chế độ hoạt động vàdung tích nguồn đầu vào khác nhau

Thời gian vận hành mô hình tuân theo 5 giai đoạn đã đề cập ở trên Trong suốtquá trình hoạt động của thiết bị, các thiết bị phụ trợ theo kèm như máy khuấy, máy

bơm định lượng, máy sục khí, được theo dõi thường xuyên Các chỉ tiêu được đongay tại thời điểm thay nước đối với các chỉ tiêu đo nhanh và thông qua phân tích,thí nghiệm đối với các chỉ tiêu khác.

- Các chỉ tiêu này được tiến hành đo đạc thông qua việc lấy mẫu và phântích Tần suất lấy mẫu từ 1 đến 3 lần trong 1 tuần và được phân tích ngaysau khi lấy mẫu Số liệu phân tích được ghi chép trong số nhật kí TN.Các chỉ tiêu được phân tích với những phương pháp và thiết bị như sau:

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu phân tích mẫu Tên chỉ

COD Xác định COD - Method 410.4 UV-VIS double beam

spectrophotometerN-NH4+ Xác định Amonia – Nitrogen - APAH4500-NH3 A-C UV-VIS double beamspectrophotometerP-PO43- Xác định Phosphate-phosphorous -APAH 4500-P-C UV-VIS double beamspectrophotometerN-NO2- Xác định Nitrite - Nitrogen - Method -354.1 UV-VIS double beamspectrophotometerN-NO3- Xác định Nitrate – Nitrogen bằng tia tửngoại UV-VIS double beamspectrophotometer

pH Xác định pH trong nước TCVN

Độ kiềm pH Meter Hanna

Hình 2.7 Máy UV-VIS double beam spectrophotometer

Hình 2.8 Máy bơm định lượng ProMinent, Đức

Hình 2.8 Máy bơm cấp khí, Trung Quốc

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

a.1 Giai đoạn 2

a.1.1 Thông số vận hành

Mô hình được vận hành từ ngày 06/01/2016 đến ngày 10/03/2016 (ngày thứ 1đến ngày thứ 66) Thông số vận hành được thiết lập như sau:

- Lưu lượng không khí cấp vào: L = 0,45 (l/phút)

- Lưu lượng nước thải Q = 612 (ml/h)

- Thời gian lưu nước HRT = 48 (h)

- Thông số nhiệt độ : Nhiệt độ môi trường

- Thông số pH : giai đoạn này không kiểm soát pH

1 10 22 27 34 38 46 52 59 66 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 50 100

- Từ ngày 31 đến 66, tao điều chỉnh giảm số lần pha loãng để nồng độ CODđầu vào được tăng gấp đôi ở mức trung bình là 350 mg/l Hiệu suất xử lýCOD ban đầu của mô hình giảm xuống còn 59,88%, sau đó tăng dần do

mô hình hoạt động ổn định trở lại Hiệu suất xử lý đạt 88,43% ở ngày 66.Nồng độ COD trong nước sau xử lý còn 41,8 mg/l (Đạt loại B2 theoQCVN 08: 2015/BTNMT)

- Như vậy với thời gian lưu 48h, khi mô hình đi vào hoạt động ổn định cóthể đạt hiệu suất xử lý tương đương 90% với các mức độ COD đầu vào từ

155 đến 350 mg/l