Nghiên cứu mô phỏng quá trình xử lý sinh học của công nghệ MBR ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác

DANH MỤC NHỮNG KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT AO Anoxic Oxic Thiếu khí – Hiếu khí ASM1 Activated Sludge Model No.1 Mô hình bùn hoạt tính số 1 ASM 2 Activated Sludge Model No.2 Mô hình bùn ho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

Nguyễn Văn Quyết

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH

XỬ LÝ SINH HỌC CỦA CÔNG NGHỆ MBR ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Đặng Xuân Hiển

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu và cụm từ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

NƯỚC RỈ RÁC

3

1.2 Đặc tính của nước rỉ rác trên Thế giới và ở Việt Nam 6

2.2.2 Các yêú tố ảnh hưởng đến quá trình sinh học hiếu khí 32

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG

CÔNG NGHỆ MBR

36

3.3.2 Thiết lập mô hình quá trình xử lý sinh học với công nghệ MBR 39 3.3.3 Mô hình toán mô phỏng quá trình xử lý sinh học 40 3.3.4 Ứng dụng chương trình Biowin để tính toán và đánh giá mô hình 56

4.5 Ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan trong bể anoxic 66

4.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ COD:TN trong nước thải dòng vào 78

DANH MỤC NHỮNG KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

AO (Anoxic Oxic) Thiếu khí – Hiếu khí

ASM1 Activated Sludge Model No.1 (Mô hình bùn hoạt tính số 1)

ASM 2 Activated Sludge Model No.2 (Mô hình bùn hoạt tính số 2)

ASM 2d Activated Sludge Model No.2_deni (Mô hình bùn hoạt tính số 2 có

khử nitrat của PAO) ASM 3 Activated Sludge Model No.3 (Mô hình bùn hoạt tính số 3)

BOD (Biological Oxy Demand) Nhu cầu oxy sinh học

BCL Bãi chôn lấp

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

COD (Chemical Oxy Demand) Nhu cầu oxy hóa học

CTNH Chất thải nguy hại

CTR Chất thải rắn

CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt

DO Dissolved Oxy (Oxy hòa tan)

DOanoxic Oxy hòa tan trong bể thiếu khí

HRT (Hydraulic Retention Time) Thời gian lưu thủy lực

MBR (Membrane Bioreactor) Bể lọc sinh học bằng màng

NRR Nước rỉ rác

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

RTSH Rác thải sinh hoạt

SRT (Sludge Retention Time) Thời gian lưu bùn

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TKN (Total Kjeldahl Nitrogen) Tổng ni tơ hữu cơ và ni tơ amoniac

UASB Upflow Anerobic Sludge Blanket (Chảy ngược qua lớp bùn yếm khí) XLNT Xử lý nước thải

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên Thế giới 7 Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á 7 Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á (tiếp) 8 Bảng 1.4: Thành phần nước rác của các nước WHO, Mỹ 9 Bảng 1.5 Thành phần nước rỉ rác của một số BCL tại TP Hồ Chí Minh 11 Bảng 1.6: Thành phần nước rác tại Bãi chôn lấp Nam Sơn-Sóc Sơn-HN 12 Bảng 1.7 Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới tại BCL 12 Bảng 1.8 Các thành phần của nước rác cần được xác định khi thiết kế trạm xử lý nước rác

15 Bảng 2.1 Thông số so sánh hai cấu hình sMBR và iMBR 23 Bảng 2.2 So sánh sự hoạt động của công nghệ bùn hoạt tính với MBR 24

Bảng 3.2 Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học 1 38 Bảng 3.3 Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học 2 39

Bảng 3.6 Bảng mô tả các biến của mô hình ASM2d và BioWin 53

Bảng 4.1 Nồng độ chất ô nhiễm của nước rác mới sau xử lý hóa lý 62 Bảng 4.2 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi HRT 63 Bảng 4.3 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi tỷ số thể tích bể anoxic và oxic 64 Bảng 4.4 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi tỷ số tuần hoàn  65 Bảng 4.5 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi DOanoxic 67 Bảng 4.6 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi DOoxic 68 Bảng 4.7 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi SRT 70 Bảng 4.8 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi nhiệt độ 71 Bảng 4.9 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi độ kiềm dòng vào 72 Bảng 4.10 Kết quả chạy chương trình khi thay đổi tỷ lệ COD:TN dòng vào 74 Bảng 4.11 Tổng hợp giá trị các thông số vận hành tối ưu của mô hình 75 Bảng 4.12 Kết quả chạy chương trình với các thông sô tối ưu 76

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp 5

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ quá trình cơ – lý – hóa xử lý nước rác 38

Hình 3.3 Sơ đồ mô tả lý thuyết hai lớp màng đối với quá trình hấp thụ oxi

từ pha khí vào pha lỏng

49 Hình 3.4 Mô hình mô phỏng quá trình xử lý sinh học công nghệ AO-MBR 56 Hình 3.5 Chọn điều kiện nhiệt độ cho quá trình mô phỏng 57 Hình 3.6 Nhập dữ liệu đối với nước thải đầu vào mô hình 57 Hình 3.7 Điều chỉnh thông số đặc trưng của nước thải đầu vào 58 Hình 3.8 Điều chỉnh thông số DO đối với các bể phản ứng 58

Hình 3.11 Kiểm soát thông số vận hành tại bể Anoxic 60

Hình 4.1 Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi HRT 63 Hình 4.2 Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi tỷ số thể tích

73 Hình 4.9 Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi tỷ lệ COD:TN 74

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ngày nay, khi chất lượng cuộc sống được cải thiện thì vấn đề môi trường cũng được quan tâm, đặc biệt là vấn đề rác thải và nước thải Rác thải sinh ra từ mọi hoạt động của con người và ngày càng tăng về khối lượng Hầu hết rác thải ở nước

ta đều chưa được phân loại tại nguồn, do đó gây rất nhiều khó khăn trong quản lý và

xử lý, đồng thời còn sinh ra một loại nước thải đặc biệt ô nhiễm là nước rác - phát

sinh từ bãi chôn lấp

Nước rác phát sinh từ hoạt động của bãi chôn lấp là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đến môi trường Nó bốc mùi hôi nặng nề lan tỏa nhiều kilomet, nước rác có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt Cũng như nhiều loại nước thải khác, thành phần (pH,

độ kiềm, COD, BOD, NH4+, ) và tính chất (khả năng phân hủy sinh học hiếu khí,

kị khí, ) của nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp là một trong những thông số quan trọng dùng để xác định công nghệ xử lý, tính toán thiết kế các công trình đơn

vị, lựa chọn thiết bị, xác định liều lượng hoá chất tối ưu và xây dựng quy trình vận hành thích hợp

Mặc dù mỗi BCL đều có hệ thống xử lý nước rác nhưng những phương pháp

xử lý nước rác đang được áp dụng vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải (QCVN 25:2009/BTNMT, cột B2), đặc biệt là các chỉ tiêu COD, BOD, N, P, các kim loại nặng, tiêu tốn nhiều hóa chất, giá thành xử lý rất cao, khó kiểm soát, và công suất

xử lý không đạt thiết kế Nguyên nhân do sự thay đổi rất nhanh của thành phần nước rác theo thời gian vận hành của BCL, với thành phần rất phức tạp (nồng độ các chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học tăng dần và nồng độ ammonium tăng đáng kể theo thời gian), không ổn định, việc lựa chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường thải

ra sông, rạch vẫn còn rất hạn chế trong khi lượng nước rác tại các BCL thì tiếp tục tăng lên hàng ngày

Xử lý nước thải là vấn đề quan trọng trong công tác bảo vệ môi trường Xã hội ngày càng phát triển và công nghệ xử lý nước thải cũng có nhiều bước tiến mới

Để có thể đạt hiệu quả áp dụng tốt các công nghệ xử lý mới cần phải có nghiên cứu thực tế cụ thể cho các đối tượng phù hợp Vấn đề đặt ra ở đây là phải áp dụng công

nghệ mới ấy như thế nào để có thể xử lý hiệu quả đối với nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp tập trung

Dựa trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu mô phỏng quá trình xử lý sinh học của công nghệ MBR ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác” đã hình thành với mong

muốn phân tích đánh giá sự phù hợp của quá trình xử lý nước rác bằng công nghệ MBR đối xử lý nước rỉ rác, qua đó lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp để xử

lý nước rỉ rác đạt hiệu quả cao

2 Mục tiêu của đề tài

Trên cơ sở nghiên cứu quá trình xử lý sinh học của công nghệ MBR từ đó phân tích đánh giá lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp phục vụ xử lý nước rỉ rác trong thực tiễn

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là nước rỉ rác của các bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt tập trung ở Việt Nam Nước rỉ rác đã được tiền xử lý bằng các phương pháp hóa - lý

để nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm của một số thành phần trước khi đưa vào nghiên cứu xử lý sinh học MBR

4 Phương pháp nghiên cứu

Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp mô hình hóa, phương pháp phân tích xử lý số liệu, phương pháp so sánh và phân tích tương quan

5 Ý nghĩa của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu một lần nữa khẳng định được hiệu quả

và khả năng áp dụng của công nghệ được nghiên cứu vào quá trình xử lý nước rỉ rác

- Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả nghiên cứu thu nhận được của đề tài, có thể

xem là cơ sở tham khảo tốt trong việc lựa chọn công nghệ xử lý nước rác phù hợp cho các nhà máy xử lý nước rác của Việt Nam

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 1.1 Khái niệm và sự hình thành nước rỉ rác

1.1.1 Khái niệm nước rỉ rác

Nước rỉ rác (còn gọi là nước rác) là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp Nước rác là loại nước chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống dưới đáy ô chôn lấp

Thông thường sự chuyển hóa các chất diễn ra trong BCL gồm bốn giai đoạn sau:

- Giai đoạn phân hủy hiếu khí;

- Bước chuyển tiếp thứ nhất (từ hiếu khí sang kị khí);

- Bước chuyển tiếp thứ hai;

- Quá trình metan hóa

Giai đoạn phân hủy hiếu khí ban đầu: Quá trình này chỉ diễn ra trong khoảng

thời gian từ vài ngày đến vài tuần kể từ khi rác được đem chôn Trong khoảng thời gian này oxy từ không khí khuếch tán xâm nhập vào chất thải hoặc oxy tồn tại trong chất thải được sử dụng cho phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ

Quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ là một quá trình tổng hợp có sự tham gia của vi khuẩn, nấm, men Phản ứng sinh hóa quá trình phân hủy chất hữu

cơ như sau:

CHC + O2 + dinh dưỡng Vi khuẩn Tế bào sinh học mới + chất hữu cơ bền + CO2

+ H2O + NH3 + SO42- + năng lượng

Sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học hiếu khí rác thải hữu cơ là những

tổ chức tế bào sinh học mới, chất hữu cơ bền, khí CO2, khí NH3 và nhiệt năng

Do hàm lượng oxy trong đống chất thải giảm xuống nên quá trình phân hủy hiếu khí tiếp tục diễn ra nhưng chậm lại và giai đoạn chuyển tiếp từ phân hủy sinh học bằng quá trình hiếu khí sang quá trình kị khí

Giai đoạn chuyển tiếp thứ nhất: Giai đoạn này được gọi là giai đoạn axit hóa

và gia trị pH biến đổi trong khoảng từ 4 đến 6 do sự hình thành các axit hữu cơ mà ban đầu là axit béo được biến đổi thành các axit béo bay hơi (axit axetic) Quá trình này thường kết thúc từ vài tuần tới vài tháng

Quá trình chuyển tiếp thứ 2: Trong giai đoạn này vi khuẩn tạo khí metan bắt

đầu phát triển và bắt đầu chu trình chuyển hóa các axit đơn giản như axit axetic hoặc axit formic và metanol thành khí metan(CH4) Quá trình này không ổn định, thường diễn ra từ 3 – 5 năm, cho tới khi sự cân bằng giữa lượng axit sinh ra và lượng khí metan được tạo thành

Quá trình metan hóa: Là quá trình chuyển hóa các axit hữu cơ do vi khuẩn kị

khí tạo thành CH4, quá trình như sau:

CHONS + H2O vi khuẩn kị khí H2O + CO2 + CH4 + H2 + NH4+ + H2S

Sự có mặt của nước trong bãi chôn lấp rác có cả mặt tích cực lẫn mặt tiêu cực cho hoạt động của bãi rác Nước rất cần cho một số quá trình hóa học và sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp để phân hủy rác Mặt khác, nước có thể tạo ra xói mòn trên tầng đất nén và những vấn đề lắng đọng trong dòng nước mặt chảy qua Nước rác có thể chảy vào các tầng nước ngầm và các dòng nước sạch và từ đó gây ô nhiễm đến nguồn nước uống Vì vậy, vấn đề cần quan tâm khi thết kế, xây dựng cho hoạt động của một bãi chôn lấp là kiểm soát nước rác

- Điều kiện tự nhiên khu vực chôn lấp (lượng mưa, bốc hơi, nước ngầm )

- Độ ẩm chất thải chôn lấp

- Kỹ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt

Lượng nước rác sinh ra trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước

trong một ô chôn lấp Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước rác được trình bày trong hình sau và lượng nước rác được tính theo công thức:

LC = R + RI - RO - E - lkl∆V

Trong đó: LC: Nước rác; R: Nước mưa thấm vào ô chôn lấp; RI: Dòng chảy

từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp (bao gồm dòng chảy mặt và nước ngầm gia nhập

từ bên ngoài vào ô chôn lấp); RO: Dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp; E: Lượng nước bay hơi; ∆V: Sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp bao gồm: độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng nước thất thoát trong quá trình hình thành khí; lượng nước thất thoát do bay hơi theo khí thải, lượng nước thất thoát ra từ phía đáy bãi rác

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp [2]

Lượng nước rác hình thành chủ yếu từ nước mưa (thấm và chảy tràn) chiếm trên 70% và từ độ ẩm của rác chiếm dưới 30% Từ các số liệu trên cho thấy có thể giảm thiểu đáng kể lượng nước rác sinh ra khi thiết kế đúng và vận hành bãi chôn lấp rác một cách hợp lý

Nước mưa là nguồn chính hình thành nước rác, tại một vùng nhất định lượng mưa thay đổi theo mùa Với lượng mưa trung bình của Hà Nội là 1600 mm/năm, 70 – 80 % lượng mưa tập trung vào bốn tháng giữa năm (6, 7, 8, 9) phần còn lại phân

bố vào các tháng khác trong năm Vì vậy sự dao động nước rác theo mùa là rất lớn: nhiều về mùa mưa, ít về mùa khô, mức độ chênh lệch giữa các mùa có thể lệch nhau tới 300% [1, 2]

Dự đoán khối lượng nước rác: Khối lượng nước rác và đặc tính địa chất của tầng đất nằm dưới đáy bãi là những yếu tố chính, quyết định khả năng pha loãng tự

Nước gia nhập

từ ngoài (RI)

Nước trong CTR

Bay hơi (E)

Dòng chảy mặt (RO)

Nước chứa trong lớp vật liệu phủ

Nước trong bùn

Nước rác (LC) Nước mưa (R)

nhiên các chất ô nhiễm trong nước rác trước khi các chất này chảy đến nguồn nước ngầm Việc dự báo lượng nước rác tạo thành được dựa vào “Phương pháp cân bằng nước” Sơ đồ cân bằng nước được thể hiện ở hình dưới đây:

Hình 1.2 Sơ đồ cân bằng nước [14]

Phương trình cân bằng nước ở trên áp dụng cho một ô chôn lấp cho thấy: Lượng nước rác từ của ô chôn lấp bằng tổng lượng nước đến và lượng nước sinh ra

do phân hủy rác trừ đi lượng bay hơi

1.2 Đặc tính của nước rỉ rác trên Thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Thành phần, tính chất nước rác trên Thế giới

Trong hầu hết các bãi chôn lấp nước rỉ rác bao gồm chất lỏng đi vào bãi chôn lấp từ các nguồn bên ngoài, như nước mặt, nước mưa, nước ngầm và chất lỏng tạo thành trong quá trình phân hủy các chất thải Đặc tính của chất thải phụ thuộc vào nhiều hệ số

Mặc dù, mỗi quốc gia có quy trình vận hành bãi chôn lấp khác nhau, nhưng nhìn chung thành phần nước rác chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như sau:

- Chất thải được đưa vào chôn lấp: Loại chất thải, thành phần chất thải và tỷ trọng chất thải;

- Quy trình vận hành BCL: Quá trình xử lý sơ bộ và chiều sâu chôn lấp;

Nước tiêu tốn cho phản

ứng sinh học G 5 Nước bay hơi G 4

Nước tích trong rác G 6 Vật liệu phủ G 6

Nước ngấm xuống ở lớp dưới G 7

- Thời gian vận hành bãi chôn lấp;

- Điều kiện khí hậu: Độ ẩm và nhiệt độ không khí;

- Điều kiện quản lý chất thải

Thành phần đặc trưng của nước rác ở một số nước trên thế giới được trình bày cụ thể trong Bảng 1.1; Bảng 1.2; Bảng 1.3 và Bảng 1.4

Bảng 1.1 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới

Thành phần Đơn vị

Pereira (5 năm vận

hành)

Clover Bar (Vận hành từ năm 1975)

[Nguồn: Diego Paredes, 2003; KRUSE, 1994]

Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á

Thành

Thái Lan BCL khon-

Kaen NRR mới

BCL Saen- Suk NRR cũ

Thành

Thái Lan BCL khon-

Kaen NRR mới

BCL Saen- Suk NRR cũ

[Nguồn: Chuleemus Boonthai Iwai and Thammared Chuasavath, 2002;

Mitree Siribunjongsak and Thares Srisatit, 2004]

Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á (tiếp)

Thành phần

Đơn vị

BCL pathumthani

Sukdowop NRR 1 năm

Sukdowop NRR 12 năm

Thành phần

Đơn vị

BCL pathumthani

Sukdowop NRR 1 năm

Sukdowop NRR 12 năm

[Nguồn: Kwanrutai Nakwan, 2002.]

Bảng 1.4: Thành phần nước rác của các nước WHO, Mỹ [2]

độ COD, BOD thấp đối với BCL cũ Từ các số liệu thống kê trên cho thấy, trong

khi giá trị pH của nước rỉ rác tăng theo thời gian, thì hầu hết nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác giảm dần theo thời gian, ngoại trừ nồng độ NH3 trong NRR

cũ rất cao (nồng độ trung bình khoảng trên 1.000mg/L) Nồng độ các kim loại hầu như rất thấp, ngoại trừ nồng độ sắt

1.2.2 Thành phần, tính chất nước rác ở Việt Nam

Hiện nay, Việt Nam có 3 BCL chất thải rắn sinh hoạt hợp vệ sinh đang hoạt động như: BCL Nam Sơn, Phước Hiệp số 2 và BCL Gò Cát Mặc dù các BCL đều

có thiết kế hệ thống xử lý nước rỉ rác, hầu hết các BLC đã nhận rác nhưng hệ thống

xử lý nước rỉ rác vẫn chưa xây dựng, đây chính là một trong những nguyên nhân gây tồn đọng nước rỉ rác gây ô nhiễm đến môi trường Công suất xử lý của các hệ thống xử lý nước rỉ rác này hầu như không xử lý hết lượng nước rỉ rác phát sinh ra hằng ngày tại BCL, do đó hầu hết các hồ chứa nước rỉ rác ở các BCL hiện nay đều trong tình trạng đầy và không thể tiếp nhận nước rỉ rác thêm nữa Thành phần nước

rỉ rác của một số BCL tại thành phố Hồ Chí Minh được trình bày trong Bảng 1.5

Số liệu phân tích thành phần nước rỉ rác cho thấy nước rỉ rác mới tại các BCL đều có tính chất giống nhau là có nồng độ COD cao có thể lên đến trên 50.000mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD cao trong khoảng 0,5 - 0,9; nồng độ NH3 không cao và giá trị pH thấp đối với nước rỉ rác mới nhưng chỉ sau một thời gian ngắn vận hành nồng độ COD, BOD giảm rất đáng kể, tỉ lệ BOD5/COD thấp, nồng độ NH4+

tăng lên đáng kể và giá trị pH tăng

*Nhận xét:

Nhìn chung thành phần nước rác mới của BCL ở Việt Nam cũng tương tự như trên thế giới, hàm lượng chất hữu cơ cao trong giai đoạn đầu (COD, BOD lên đến hàng vài chục nghìn mgO2/L) và giảm dần theo thời gian vận hành của BCL, các hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học tích lũy và tăng dần theo thời gian vận hành Khi thời gian vận hành BCL càng lâu hàm lượng amonium càng cao Giá trị pH của nước rỉ rác cũ cao hơn hơn nước rỉ rác mới

Theo kết quả phân tích của Viện Khoa học và Công nghệ môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội thì đặc tính của nước rỉ rác mới và cũ được thể hiện tại bảng 1.7

Bảng 1.5 Thành phần nước rỉ rác của một số BCL tại TP Hồ Chí Minh [12]

Chỉ tiêu

Đơn vị

Kết quả

Thời gian lấy

mẫu

NRR mới 2,3,4/2002

NRR cũ 8/2006

NRR mới 1,4/2003

NRR cũ 4/03-8/06

Bảng 1.6: Thành phần nước rác tại Bãi chôn lấp Nam Sơn-Sóc Sơn-Hà Nội

Ô4

Nước rác lưu 1 năm tại H3

[Nguồn: Mẫu lấy ngày 22/02/2009, phân tích ngày 25/02/2009 tại Phòng thí nghiệm Viện

Khoa học và Công nghệ môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội]

Bảng 1.7 Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới tại BCL

TT Chỉ tiêu Đơn vị Nước rác cũ Nồng độ Nước rác mới

[Nguồn: Viện khoa học và công nghệ môi trường - Đại học Bách Khoa Hà Nội.]

1.3 Tổng quan công nghệ xử lý nước rác

1.3.1 Sự cần thiết phải xử lý nước rác

Nước rác là một loại hình nước thải có độ ô nhiễm nặng Thành phần nước thải đa dạng: chất hữu cơ không tan, dạng keo có kích thước không lớn lắm (cỡ 10-4

cm) như các mảnh vụn hữu cơ, vi khuẩn (đang sống hoặc đã chết), các chất hữu cơ

có phân tử lượng lớn như axit humic, fulvic, lignin với phân tử lượng từ vài vạn đến vài triệu đơn vị (Dalton)[1] Các chất thải hữu cơ dạng không tan hoặc có phân

tử lượng cao sẽ tiếp tục được phân hủy (đặc biệt là xác vi sinh vật) trong môi trường nước nhận hoặc gây đục, gây màu hạn chế sự phát triển các loài thủy thực vật và thủy động vật sống trong nước

Thành phần chất hữu cơ tan trong nước rác rất phong phú với các tỷ lệ nồng

độ rất khác nhau: các chất hữu cơ khá thông dụng (COD, BOD) lượng lớn với nồng

độ từ vài chục tới vài chục ngàn mg/l, đến các chất hữu cơ vi lượng (dưới g/l) có tác hại rất lớn đến môi trường, đặc biệt đối với các loài thủy sinh như khả năng gây đột biến gen, làm rối loạn chức năng tế bào

Ngoài các thành phần chất hữu cơ, nước rác còn chứa một loạt các muối vô

cơ có hàm lượng lớn: clorua, bicarbonat (HCO3-), sunfat, natri, magie, và một loạt các kim loại nặng chủ yếu nằm ở dạng phức với chất hữu cơ

Với thành phần nước rác có độ ô nhiễm nặng, trước khi thải ra môi trường nước rác phải được xử lý

Việc quản lý và xử lý nước rác không đúng quy trình sẽ gây ra nhiều tác hại cho môi trường và phải chi phí nhiều tiền của để làm sạch và khôi phục lại các điều kiện cân bằng sinh thái

1.3.2 Khái quát về công nghệ xử lý nước rác

Nước rác là một loại nước thải Công nghệ xử lý nước thải rất phong phú với

cỡ vài chục biến hình công nghệ đang được sử dụng trong thực tiễn trên nền của các quá trình công nghệ cơ bản theo từng cấp

Hai phương pháp xử lý cơ bản áp dụng trong xử lý nước rác là phương pháp hóa học và vi sinh [1]

Phương pháp hóa học, hóa lý gồm: Keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxy hóa, kết tủa và phương pháp màng lọc, lắng

Phương pháp sinh học: Xử lý vi sinh yếm khí, hiếu khí, thiếu khí và các tổ hợp của chúng

Mỗi phương pháp nhằm một mục tiêu xử lý cho một đối tượng, nhưng một phương pháp cũng có thể áp dụng xử lý đồng thời cho nhiều đối tượng và để xử lý một đối tượng cũng có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên trong thực tế một phương pháp hay một tổ hợp thường chỉ nhằm vào một đối tượng chính, các đối tượng khác chỉ được xem là cộng thêm

Trước hết cần điểm qua các phương pháp - còn gọi là các đơn vị công nghệ của một hệ thống xử lý với các chức năng chính của chúng

Keo tụ: Sử dụng các loại hóa chất keo tụ (phèn nhôm, phèn sắt, poly nhôm

clorua) kết hợp với các chất trợ keo tụ (polyme hữu cơ tích điện âm, dương hay trung hòa có dạng mạch thẳng) để tách loại các chất cặn không tan trong nước Trong quá trình keo tụ nước rác, các cặn không tan chủ yếu là thành phần hữu cơ, vì vậy keo tụ sẽ làm giảm COD ở dạng không tan Oxit - hydroxit nhôm, sắt tạo thành qua phản ứng thủy phân có khả năng hấp phụ trong chừng mực nào đó đối với chất hữu cơ tan vì vậy cũng loại bỏ thêm được một phần nhỏ thành phần COD trong nước rác, chủ yếu là các chất hữu cơ có phân tử lượng cao (> 5000) và một vài hợp chất gây màu

Quá trình keo tụ làm giảm lượng photphat trong nước rác (hàm lượng photphat thấp) do tạo thành muối nhôm, sắt photphat khó tan, làm giảm độ kiềm và

pH của nước rác

Hấp phụ: Chất hấp phụ sử dụng trong xử lý nước thải chủ yếu là than hoạt

tính hoặc một số loại nhựa tổng hợp có tính chất bề mặt là kỵ nước Than hoạt tính dạng hạt hoặc bột được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhay với số loại lên tới trên 400 nhãn hiệu thương phẩm Do cấu trúc xốp của từng loại than rất khác nhau nên khi sử dụng cần chọn lựa được loại than có kích thước lỗ xốp thích hợp Loại than có diện tích bề mặt lớn hơn 1000m2/g không thích hợp đối với xử lý nước rác do lỗ xốp nhỏ

Than hoạt tính chỉ có khả năng hấp phụ chất hữu cơ tan có phân tử lượng thấp và có khả năng hấp phụ màu cao khi chọn được loại thích hợp

Trao đổi ion: ít được sử dụng trong xử lý nước rác trừ trường hợp cần thu hồi

một số ion đối với nước rác sau quá trình thiêu đốt

Lọc màng: Giải pháp kỹ thuật gần đây được sử dụng ngày càng tăng ở các

nước công nghiệp Loại màng sử dụng thường là màng siêu lọc (ultrafitration) hoặc màng nano Các loại màng trên ngoài tác dụng tách lọc cặn không tan còn có khả năng tách được một phần chất tan Màng lọc dễ bị tắc, bị hư hỏng và phân cực trong môi trường nước rác, chu kỳ hoạt động thấp nên giá thành vận hành và bảo dưỡng cao

Oxy hóa: Sử dụng một số chất oxy hóa như clo hoạt động, ozon, hợp chất

Fenton để phân hủy chất hữu cơ và màu trong nước rác, phương pháp oxy hóa ít được sử dụng trừ khi cần phải xử lý một số dạng chất hữu cơ đặc biệt

Xử lý vi sinh yếm khí: Phương pháp xử lý vi sinh yếm khí chỉ có tác dụng

làm giảm BOD, nó thích hợp với nước rác có BOD cao (nhằm tiết kiệm năng lượng) trong điều kiện ấm nóng

Xử lý vi sinh hiếu khí: Phương pháp hiếu khí chỉ xử lý được BOD và oxy hóa

amoni thành nitrit và nitrat

Xử lý vi sinh thiếu khí: Phương pháp thiếu khí được sử dụng để khử nitrat và

xử lý một phần BOD trong nước rác

Để lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp, trước hết phải có được các số liệu về thành phần và tính chất của nước rác Các thành phần của nước rác cần phải được xác định khi thiết kế trạm xử lý Cơ chế khử COD, BOD và kim loại nặng trong nước rác được trình bày ở bảng 1.4; bảng 1.5; bảng 1.6 và bảng 1.7

Bảng 1.8 Các thành phần của nước rác cần được xác định khi thiết kế trạm xử

pH, Coliform Yêu cầu đối với các công trình xử lý để đạt

chất lượng của dòng xả theo tiêu chuẩn quy định

Fe2+, Mn2+, các loại kim loại nặng,

mùi

Không nhất thiết phải xem xét khi thiết lập các thông số thiết kế vì những chất này sẽ được khử trong quá trình xử lý các thành phần khác

1.3.3 Công nghệ xử lý nước rác ở các nước tiên tiến [1, 2]

Có thể tóm tắt một số phương pháp và công nghệ hiện hành trên thế giới như sau:

Với lượng nước rác ít, không bị ô nhiễm bởi kim loại nặng và các hóa chất độc hại thì nước rác được bơm trở lại bãi chôn lấp để giúp quá trình phân hủy rác hoặc sử dụng để tưới cho các vùng cây công nghiệp

Nếu không có các ô nhiễm đặc biệt, nước rác được đưa vào xử lý chung với

hệ thống xử lý nước thải đô thị (nếu gần vị trí trạm xử lý) như nguồn cung cấp hữu

cơ Phương pháp này được áp dụng nhiều ở các nước như Hà Lan, Thụy Điển

Tại các nước công nghiệp thì nước rác được xử lý tại chỗ và sau khi đạt tiêu chuẩn thì xả ra hệ thống thoát nước chung Có rất nhiều công nghệ được triển khai

áp dụng, phụ thuộc vào thành phần nước rác cần xử lý và yêu cầu của tiêu chuẩn thải Các hệ xử lý này có giá thành đầu tư, chi phí vận hành cao, vận hành phức tạp

và đòi hỏi kỹ sư vận hành phải có tay nghề cao Nói chung hệ xử lý gồm 2 phần:

+ Khối xử lý sinh học: Nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ (BOD, COD, NH4+) như hệ xử lý hiếu khí, hệ xử lý kị khí, hệ xử lý kị khí ngược dòng (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB)

+ Khối xử lý sử dụng phương pháp hóa-lý và ứng dụng công nghệ cao: nhằm

xử lý các chất ô nhiễm đặc biệt, chất vô cơ Tùy công nghệ mà gồm các modun khác nhau như: oxy hóa - khử, keo tụ - kết tủa, lọc (vi lọc, siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược), hấp phụ, khử trùng

Xử lý nước rác tại Mỹ:

Để xây dựng hệ thống xử lý nước rác, công ty DEQ (Mỹ) đã thực hiện:

Đánh giá lưu lượng nước thải sinh ra từ bãi rác

Đánh giá đặc trưng ô nhiễm của nước rác, dự báo diễn biến ô nhiễm theo thời gian Đối với các bãi rác chưa vận hành sẽ thu thập các số liệu của các bãi rác gần nhất và so sánh với điều kiện khí hậu, thời tiết, công nghệ chôn lấp rác của từng bãi chôn lấp

Xác định tình trạng của nguồn nước nhận, giá thành xử lý, hậu quả đối với môi trường, khó khăn về phương diện kỹ thuật, tiêu chuẩn thải, tính tương hợp với các thành phần thiết bị và vận hành của bãi chôn lấp rác

Xác định các chỉ tiêu thải chung và đặc thù

Xác định giá thành xây dựng và vận hành hệ xử lý nước rác

Lựa chọn phương pháp xử lý tổng thể (nước, bùn ) tối ưu trên cơ sở giá thành xây dựng và vận hành hệ thống

Trên cơ sở đặc trưng của nguồn nước tiếp nhận sẽ tiến hành các giải pháp công nghệ khác nhau, ví dụ hòa trộn lẫn với hệ nước thải sinh hoạt, sử dụng để tưới tiêu, xử lý tại chỗ và xả vào nguồn nước mặt hoặc một phương thức nào khác

Xử lý nước rác tại Nhật Bản:

Công nghệ xử lý nước rác của Nhật có đặc thù riêng so với các nước tiên tiến khác Từ năm 1965 trong chương trình hành động khẩn cấp về cải thiện điều kiện môi trường sống (Emergency Establisment Act for Improvement Facilities) quy định: Lượng rác thải sinh hoạt được xử lý bằng phương pháp đốt Nước rác thấm từ tro đốt và chứa độc tố hữu cơ hình thành trong quá trình đốt (hợp chất hữu cơ chứa clo và dioxin) Cho đến năm 1988, lượng rác được đốt ở Nhật không thấp hơn 78% (240 triệu tấn rác/năm) Do lượng dioxin sinh ra khá cao nên năm 1997 hình thành điều luật: Hành động kiểm soát dioxin (dioxin control act)

Đặc thù ô nhiễm nước rác trên quyết định công nghệ xử lý nước rác của các hãng trên cơ sở thế mạnh của mình

Công nghệ xử lý nước rác của hãng Tsukishima Kikali (TSK):

Công nghệ tách ion canxi

Công nghệ xử lý vi sinh sử dụng các thiết bị: Tiếp xúc sinh học, đĩa quay sinh học, tấm sục khí Các thiết bị xử lý sinh học trên thích hợp cho nước thải loãng, tiết kiệm năng lượng, không xử lý hợp chất nitơ (vì không có)

Tách loại muối: Sử dụng kỹ thuật thẩm thấu ngược hoặc điện thẩm tách

Kỹ thuật ngưng tụ và kết tủa (bốc hơi chân không, kết tinh thu hồi muối, ly tâm, sấy bốc hơi)

Công nghệ xử lý nước rác của hãng Kubota Corporation

Công nghệ chống kết tủa các chất lắng đọng từ nước rác trong đường ống hoặc trong nguồn nước nhận

Công nghệ xử lý sinh học (tiếp xúc sinh học, đĩa quay sinh học để xử lý chất hữu cơ có nồng độ thấp)

Khử nitrat nếu cần thiết (khi đốt hợp chất nitơ đã chuyển hóa thành nitrat) Tách loại chất hữu cơ: Sử dụng biện pháp keo tụ với sắt (III) clorua để tách một phần chất hữu cơ, màu, làm giảm tải cho giai đoạn hấp phụ trên than hoạt tính ghép nối sau đó

Công nghệ thuận lợi cho giai đoạn vận hành, bảo trì, tiết kiệm năng lượng Phân hủy dioxin

Đó là những nét chung nhất của công nghệ xử lý nước rác tại Nhật Bản và nét riêng so với các nước tiên tiến khác

Xử lý nước rác tại Hàn Quốc:

Ở Hàn Quốc, hiện nay có tổng cộng 284 bãi rác sinh hoạt, lượng nước rác từ các bãi này lên tới 14.000m3/ngày Trong đó, lượng nước rác từ bãi rác SudoKwon

là gần 5.000m3/ngày, chiếm khoảng 36% Về cách thức xử lý nước rác, ở các bãi rác sinh hoạt hiện đang hoạt động có 50 cơ sở dùng cách xử lý sinh học trước rồi sau đó dẫn về trạm xử lý chung; 92 cơ sở đưa thẳng nước rác về trạm xử lý chung;

102 cơ sở tự xử lý hoàn toàn rồi cho thoát ra ngoài Do qui định cho chỉ tiêu nitơ và amoni, từ năm 2001 thì phần lớn các trạm xử lý nước rác từ bãi rác sinh hoạt đã được bổ xung hoặc lắp đặt mới các thiết bị xử lý nitơ, trong đó phần lớn công nghệ

xử lý nitơ vận hành theo kiểu MLE (Modified Ludzack – Ettiger) Cũng có hơn 10 bãi rác nhỏ dùng phương pháp RO sau công nghệ sinh học

Dây chuyền xử lý nước rác ở SodoKwon (trạm xử lý nước rác lớn nhất thế giới, có công suất thiết kế 6.700m3/ngày) gồm ba công đoạn: (1) khử nitrat/nitrat hóa bằng công nghệ MLE để xử lý nitơ; (2) đông keo tụ bằng hóa chất để xử lý các chất hữu cơ khó tan còn lại trong nước đã xử lý qua khử nirat/nitrat hóa; (3) oxy hóa fenton và cuối cùng là các bể lọc cát và than hoạt tính để lọc và đưa nước qua xử lý vào tái sử dụng Từ 12/2003, công đoạn oxy hóa fenton được chuyển thành công đoạn đông keo tụ bằng phương pháp hóa học và hiện đang hoạt động với hai công đoạn đông keo tụ

1.3.4 Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam [1, 2]

Do xử lý nước rác ở Việt Nam mới được quan tâm khoảng 10 năm trở lại đây, nên những nghiên cứu về công nghệ chưa nhiều Các hệ thống được xây dựng để xử

lý nước rác được hình thành chủ yếu là do tính bức xúc của xã hội tại địa phương của nơi có bãi chôn lấp rác Do tính chất địa phương nên công nghệ xử lý nước rác cũng có tính đặc thù rất cao được xác lập bởi đơn vị thực hiện công nghệ, năng lực công nghệ và điều kiện khả thi trong thực hiện của địa phương đó

Dưới đây là một số công nghệ xử lý nước rác tại các bãi chôn lấp rác đã được xây dựng vận hành:

Công trình đầu tiên ở Việt Nam về xử lý nước rác

Trạm xử lý nước tại bãi chôn lấp Tây Mỗ, Hà Nội

Được xây dựng từ năm 1998 do Trung tâm môi trường đô thị và khu công nghiệp (CEETIA), Trường Đại học Xây dựng thiết kế với công nghệ sinh học đơn giản bao gồm các bước:

Hồ chứa nước rác → Bể UASB → Bãi lọc cát sỏi → Sông Nhuệ

Trạm xử lý đã hoạt động không hiệu quả ngay sau khi vận hành khởi động, thành phần nước thải đầu vào và đầu ra hầu như không thay đổi và từ đó đến nay trạm không được vận hành Nguyên nhân trạm vận hành không hiệu quả là công nghệ đưa ra quá đơn giản không phù hợp với tính chất phức tạp của nước rác

Các công trình xử lý nước rác tại TP Hồ Chí Minh

Trạm xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Gò Cát, TP Hồ Chí Minh

i Trạm xử lý nước rác bằng màng lọc của Công ty VerMeer, Hà Lan

Đây là một trạm xử lý nước rác theo công nghệ Hà Lan khá hiện đại với công nghệ chủ yếu được áp dụng là công nghệ màng vi lọc (UF) Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của bãi chôn lấp Gò Cát được trình bày tóm tắt:

Hình 1.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của Công ty VerMeer

Sau một thời gian rất ngắn vận hành hiệu quả thì trạm xử lý nước rác này đã phải ngưng hoạt động Nguyên nhân của sự cố này như sau:

- Trong nước rác chứa một khối lượng lớn VFA (Volatile fatty acids) Lượng VFA này chiếm khoảng 50% hàm lượng COD có trong nước rác và có thể

xử lý dễ dàng bằng các thiết bị sinh học kỵ khí hoặc hiếu khí, trong khi đó các loại thiết bị lọc màng lại có hiệu quả rất kém khi xử lý VFA

- Bể kỵ khí lên men chỉ được vận hành như bể điều hòa, không có vi sinh vật,

vì vậy hiệu quả xử lý hầu như không đáng kể

- Cán bộ vận hành không có kinh nghiệm

- Công trình xử lý sinh học thiết kế không hợp lý, sử dụng quá trình sinh học

kỵ khí tải trọng thấp

ii Trạm xử lý nước rác của Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường (CENTEMA)

Hình 1.4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của CENTEMA

Sau một thời gian vận hành khoảng 6 - 8 tháng thì chất lượng nước sau xử lý giảm dần Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích dựa trên những lý do sau:

- Độ cứng cao của nước rác

- Nồng độ cao của các hợp chất nitơ

- Nồng độ cao của các hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học

Xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Phước Hiệp

i Qui trình công nghệ xử lý nước rác của công ty Quốc Việt

Hình 1.5 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của Công ty Quốc Việt

Công suất 200m3/ngày.đêm, hiệu suất xử lý không ổn định, cần nhiều diện tích và xả nhiều bùn từ quá trình xử lý hóa lý

ii Qui trình công nghệ xử lý nước rác của công ty TNHH Đức Lâm

Hồ hiếu khí

Hồ sinh học Nguồn tiếp nhận (COD < 100mg/l)

(COD = 1.000-2.000 mg/l)

về nước thải công nghiệp

Các công trình xử lý nước rác tại Nam Sơn, Hà Nội

i Trạm xử lý nước rác tại bãi rác của Viện Cơ học

Qui trình công nghệ như sau:

Bể thu → Trạm bơm → Tuyển nổi → Bể UASB → Bể aeroten → Bể lắng

→ Hồ sinh học → Xả ra ngoài

Sau khoảng hai tháng vận hành trạm xử lý hoạt động hiệu quả thấp và sau khi đã có những hiệu chỉnh lại nhưng hệ thống hoạt động vẫn không hiệu quả và ngưng hoạt động để chờ hoàn thiện công nghệ Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới hệ thống hoạt động kém hiệu quả là do hệ thống hồ sinh học không được xây dựng

ii Trạm xử lý nước rác do Xí nghiệp Điện lạnh và Môi trường, Công ty cơ khí thủy sản

Nước rác → Hồ sinh học → Trạm bơm → Hệ thống keo tụ → Hệ thống bể hiếu khí và thiếu khí → Hồ ổn định → Xả ra ngoài

Công nghệ trên vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu xử lý nước rác đạt TCVN mặc dù đã chuyển đổi mục đích sử dụng hồ sinh học từ công đoạn cuối của dây chuyền xử lý lên thành công đoạn đầu

Mặc dù có nhiều đơn vị thực hiện nghiên cứu và xử lý nước rác với những công nghệ khác nhau nhưng nói chung nước rác sau xử lý đều chưa đạt QCVN 25:2009/BTNMT (Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn) cột B1 Để nước rác sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải vào môi trường cần phải tiến hành những nghiên cứu một cách bài bản, tổng thể từ quá trình phát sinh, thu gom, xử lý nước rác

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ MBR TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.1 Tổng quan về công nghệ MBR

Thuật ngữ MBR (Membrane Bioreactor) được hiểu là một sự kết hợp của quá trình xử lý nước thải bằng bể sinh học bùn hoạt tính với quá trình lọc màng để

tách sinh khối, cặn lơ lửng (hay công nghệ màng lọc sinh học), có thể là màng vi

lọc MF hoặc màng siêu lọc UF MBR là sự cải tiến của quy trình xử lý bằng bùn hoạt tính theo mẻ kiểu bể SBR trong đó việc tách cặn không cần dùng đến bể lắng bậc hai MBR có thể kết hợp quá trình màng với bể vi sinh hiếu khí (chủ yếu) MBR

là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản trong một đơn nguyên:

- Phân huỷ sinh học các chất hữu cơ bằng quá trình hiếu khí

- Kỹ thuật tách chất lơ lửng, bùn, cả vi sinh vật,vi khuẩn bằng quá trình màng

vi lọc MF(micro-flitration) hoặc siêu lọc UF (ultrafiltration) Màng ở đây còn đóng vai trò như là một giá thể cho VSV dính bám tạo nên các lớp màng VSV dày đặc làm tăng bề mặt tiếp xúc pha tăng cường khả năng phân huỷ sinh học

Trong bể duy trì hệ bùn sinh trưởng lơ lửng, các phản ứng diễn ra trong bể giống như các quá trình sinh học thông thường khác, nước sau xử lý qua màng có chất lượng rất tốt và không phải qua bể lắng 2 hoặc có thể bỏ qua khâu khử trùng (sẽ được nghiên cứu ở phần sau) Quy trình MBR thường hoạt động ở hai cấu hình sau: dạng đặt màng chìm trong bể iMBR (immersed MBR) và màng đặt ngoài bể sMBR (sidestream MBR) như hình 2.1

- Với kiểu đặt ngập màng MBR hoạt động bằng dùng bơm hút hay dùng áp lực

- Với kiểu đặt ngoài màng MBR hoạt động theo nguyên tắc tuần hoàn lại bể phản ứng ở áp suất cao

Việc tiêu thụ điện năng để lọc nước trong cấu hình đặt ngập là thấp hơn so với cấu hình màng đặt ngoài Do khi đặt màng ngoài bể phản ứng thì áp lực nước cắt qua màng lớn hơn và năng lượng cho dòng tuần hoàn, chính vì lý do này mà cấu hình màng đặt ngập trong bể chiếm ưu thế và được sử dụng phổ biến hơn Một kết

quả nghiên cứu theo [22] cho thấy so sánh áp lực nước qua màng ở cấu hình đặt

ngập chiếm ưu thế hơn:

Bảng 2.1 Thông số so sánh hai cấu hình sMBR và iMBR [22]

2 50-100 2-5 4-12

Zenon ZW-500

46 20-50 0,2-0,5 0,3-0,6

Cấu hình ngoài thường chỉ áp dụng cho trạm có công suất lớn còn công suất nhỏ hay dùng cấu hình đặt ngập Các thông số trên còn phụ thuộc vào nhà sản xuất cung cấp và tuỳ vào mục đích xử lý và loại nước cần xử lý mà chọn loại màng thích hợp

Sự phát triển của công nghệ tiên tiến và thâm nhập thị trường của MBR có thể được xem xét trong bối cảnh các quy trình điều khiển chính, lịch sử phát triển và triển vọng trong tương lai Như một công nghệ tương đối mới công nghệ MBR thường thiếu sự quan tâm trong các nhà máy xử lý sinh học truyền thống Tuy nhiên, một số các chỉ số cho thấy rằng MBR đang ngày càng được chấp nhận như là một công nghệ cho sự lưa chọn

Công nghệ MBR được tạo nên từ sự kết hợp giữa quá trình bùn hoạt tính với lọc màng để giữ lại sinh khối Với kích thước lỗ màng có thể dưới 0,1 μm, MBR có đạt hiệu quả nước sau xử lý cao và được khử trùng Bên cạnh đó, với mật độ sinh khối cao dẫn đến làm giảm kích cỡ bể xử lý cần thiết và làm tăng hiệu quả xử lý của quá trình sinh học Vì thế, MBR hướng đến nước sau xử lý có chất lượng cao với việc khử triệt để các thành phần hòa tan như các chất hữu cơ, ammonia bằng xử lý sinh học Ngoài ra, với việc không cần bể lắng sinh khối, chất lượng nước ra sau

MBR không bị ảnh hưởng bởi khả năng lắng của chất rắn như quá trình bùn hoạt tính [24]

Bảng 2.3 So sánh sự hoạt động của công nghệ bùn hoạt tính với MBR [24]

Sử dụng kết hợp phương pháp lọc màng cho phép sử dụng mật độ vi sinh cao tới 18 g/l, thời gian lưu bùn có thể đến 50 ngày Để giảm việc cung cấp oxy, chi phí bơm, việc bảo dưỡng đơn giản hơn hệ MBR thường áp dụng thời gian lưu bùn khoảng 20-30 ngày, nồng độ vi sinh (MLSS) trong khoảng 10-15 g/l Thời gian lưu thủy lực (HRT) duy trì khoảng từ 3 đến 10 giờ Về cấu hình màng, chủ yếu là sợi rỗng và tấm màng phẳng được áp dụng cho các ứng dụng MBR

Lọc màng được áp dụng cho cả kỹ thuật hiếu khí lẫn yếm khí trong xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt Hoạt động của hệ xử lý kết hợp không bị chi phối bởi thời gian lưu thủy lực cũng như khả năng lắng của sinh khối, vì vậy có thể tách loại hợp chất nitơ thông qua kiểu vận hành ngắt đoạn (có và không có khí) trong một khối phản ứng duy nhất

Với mục tiêu phục hồi nguồn nước, tái sử dụng nguồn nước, lợi thế của phương pháp kết hợp màng lọc là tách loại được các loại vi sinh vật gây bệnh ngay

từ hệ phản ứng mà không cần tới các biện pháp khử trùng khác

MBR là kỹ thuật mới xử lý nước thải kết hợp quá trình dùng màng với hệ thống

bể sinh học thể động bằng quy trình vận hành SBR sục khí 3 ngăn và công nghệ dòng chảy gián đoạn MBR là sự cải tiến của quy trình xử lý bằng bùn hoạt tính, trong đó việc tách cặn được thực hiện không cần đến bể lắng bậc 2 Nhờ sử dụng màng, các thể cặn được giữ lại trong bể lọc, giúp cho nước sau xử lý

có thể đưa sang công đoạn tiếp theo hoặc xả bỏ / tái sử dụng được ngay

Màng sử dụng cho MBR

Màng sử dụng trong công nghệ MBR là màng vi lọc (microfiter) và màng siêu lọc (ultrafilter) để tách các chất rắn khỏi nước

Quy trình MBR

Quy trình MBR đầy đủ này bao gồm 3 ngăn riêng biệt: nước thải vào ngăn thiếu khí để ổn định bùn cặn và các quá trình chuyển hoá nitrate tạo ra trong bể aeroten khi lượng bùn tuần hoàn lớn và thời gian lưu bùn kéo dài, qua bể phản ứng hiếu khí sau đó qua ngăn phân tách bằng màng Tại ngăn màng được sục khí mãnh liệt Tuy nhiên tuỳ theo cấu hình thiết kế và đặc điểm nước thải đầu vào mà người ta không thiết kế riêng biệt như vậy và có thể không cần ngăn thiếu khí Mà có thể MBR chỉ gồm 1 bể phản ứng hiếu khí trong đó đặt màng chìm ngay trong bể luôn hoặc chỉ gồm ngăn thiếu khí và bể phản ứng trong đó bố trí modul màng vào luôn

Quy trình hoạt động có thể là liên tục 1 bể hoặc có thể gần tương tự như bể SBR và gián đoạn do đó số bể  2 tuỳ thuộc vào lưu lượng nước thải cần xử lý và cấu hình bể lựa chọn và gồm các giai đoạn sau:

 Giai đoạn 1: Nạp nước thải vào đầy bể bằng role tự động Nước thải có thể tự chảy hoặc bơm vào và có thể làm đầy tĩnh hoặc làm đầy trộn hoặc làm đầy sục khí

 Giai đoạn 2: tạo phản ứng sinh hoá trong bể phản ứng, đây cũng là thời điểm

xảy ra các quá trình phân huỷ chất ô nhiễm chủ yếu trong hệ MBR bể phản ứng được sục khí bằng bong bóng bọt nhỏ mịn và có thể kéo dài trong suốt chu kỳ xử lý của bể Trong giai đoạn này cần làm các thí nghiệm để kiểm soát các thông số như:

DO, BOD, COD, N, P để vận hành tốt cho hệ thống

 Giai đoạn 3: là hoạt động của màng đây là điểm khác so với SBR truyền thống Màng hoạt động theo chế độ gián đoạn n phút lọc thì m phút thư giãn hay cho dòng rửa ngược chạy qua để đảm bảo cho màng được vận hành liên tục thường thì n = 9 – 15 phút và n= 30 – 90 giây Màng hoạt động nhờ vào áp lực hút do bơm tạo ra để đưa nước sạch ra ngoài bể và dẫn đi sử dụng cho các mục đích khác nhau hoặc thải ra nguồn tiếp nhận ở giai đoạn này cần có thiết bị đo áp lực qua màng dựa vào lượng nước sạch lấy ra Đồng thời kiểm soát vận hành của màng đảm bảo sao cho tránh bị hụt hay vỡ 1 nơi nào đó Toàn bộ các giai đoạn này làm việc hoàn toàn

tự động

 Giai đoạn 4: thời gian bảo dưỡng màng và nạp mẻ mới trong giai đoạn này tuỳ theo phương thức làm sạch màng đã thiết kế mà màng có thể được rửa ngược tại chổ và ngâm hoá chất trong 2h thường tiến hành qua đêm Bên cạnh đó thường kiểm tra để thay thế màng hay bảo dưỡng màng bên ngoài 1 bể riêng hàng năm

Sự phát triển của công nghệ MBR trên thế giới

Theo báo cáo của các nhà phân tích thị trường MBR hiện tại đang tăng trưởng cao, ở châu Á, trong giai đoạn 5 năm từ 2000 đến năm 2005 tổng giá trị là

217 triệu USD, con số này vượt trội so với năm 1995 là 10 triệu USD, đến năm

2010 tổng giá trị đã lên đến 360 triệu USD Còn tại Mỹ và Canada dự kiến duy trì tốc độ phát triển của công nghệ MBR, với tổng doanh thu từ thanh lọc nước, khử muối và xử lý nước thải tới 750 triệu USD vào năm 2003 và 1,3 tỷ USD vào năm

2010 Ở châu Âu: MBR cũng được phát triển mạnh mẽ, các nước đi đầu như là: Anh, Đức, Ý, Pháp,…

MBR tại Việt Nam: tại Việt Nam công nghệ MBR đã xâm nhập và đã được

nghiên cứu lắp đặt ở một số nơi với quy mô nhỏ, các công ty quảng cáo công nghệ

và rao bán thiết bị khá đông và đều nhập từ nước ngoài

Chẳng hạn như công ty cổ phần đầu tư A1 (A1 INVEST) của tập đoàn công nghiệp HITACHI Nhật Bản tại Việt Nam Hiện nay theo thông báo của công ty thì

hệ thống MBR đã được lắp đặt ở một số nhà cao ốc, chung cư như: chung cư Tân Thịnh Lợi- Q6 tp HCM với công suất 90 m3/ngày; chung cư Phú Đạt – Q Bình

Thạnh – HCM công suất 130 m3/ngày; TTTM Đầm sen – HCM công suất 450

m3/ngày Xưởng xi mạ công ty TNHH SXTM Đức Chánh – Bình Chánh công suất

Hệ thống bể sinh học MBR theo thiết kế của tác giả có 2 kiểu: kiểu đặt ngập màng MBR vào trong bể và kiểu đặt ngoài Với kiểu đặt ngập, màng MBR hoạt động bằng cách hút hoặc dùng áp lực; với kiểu đặt ngoài, màng MBR hoạt động theo nguyên tắc tuần hoàn lại bể phản ứng ở áp suất cao Theo đó, nước rỉ rác đi vào bể, chạy qua dòng tuần hoàn với 5 bước lọc, các chất cần tách sẽ được giữ lại, nước thải sau xử lý sẽ được xả ra ngoài Được biết, hiệu suất của việc lọc ni tơ và ammonia theo phương pháp này lên đến 85%

TS Nguyễn Phước Dân cho biết, bể sinh học màng MBR có thể phù hợp để

xử lý rất nhiều loại nước thải khác nhau như nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải nhà máy, nước rỉ rác, nước thải thủy hải sản

Hiện nay, TS Nguyễn Phước Dân đang tiếp tục nghiên cứu để lọc các kim loại nặng Được biết, đây là nghiên cứu đầu tiên của Việt Nam về dùng bể sinh học màng MBR để xử lý nước thải

Tuy nhiên việc áp dụng còn chưa rộng rãi, do là công nghệ mới xâm nhập và nhu cầu sử dụng còn hạn chế, bên cạnh đó là do việc đã có sẵn các nhà máy xử lý củ chưa được nâng cấp và các chủ sở còn chưa rõ và lo ngại về giá cả lắp đặt và chi phí vận hành và cần được nghiên cứu thêm

Một sự tin cậy lớn trong công nghệ MBR đã được chứng minh bởi sự tăng công suất lắp đặt các thiết bị của MBR trong xử lý nước thải Bên cạnh đó là việc trang bị thêm và nâng cấp các nhà máy xử lý nước thải hiện có do yêu cầu cao về năng lực xử lý và cải thiện chất lượng nước thải đầu ra lớn hơn đã là 1 cơ hội cho áp dụng công nghệ MBR, đặc biệt tại Mỹ Nhà máy xử lý bằng MBR hiện nay có công suất lớn nhất là 50.000 m3/ngày và kế hoạch lắp đặt một quy mô lên tới 300-800.000 m3/ngày là khả thi Hiện tại thống trị thị trường MBR là do 2 công ty hàng

đầu Zenon và Kubota cung cấp thiết bị MBR trên phạm vi rộng và đáp ứng được sự bền vững của công nghệ trong tương lai

Ngày nay, Kubota chiếm ưu thế trên thị trường xử lý nước thải bằng màng ở Nhật Bản và cung cấp số lượng MBR lớn nhất trên toàn thế giới

Cuối thập niên 1980, sự phát triển của iMBR màng siêu lọc sợi rỗng HF (Hollow fibre) diễn ra 2 loại màng ở Nhật Bản, với sự tiên phong của Kazuo Yamamoto và các đồng nghiệp, đầu năm 1990 Zenon đã được cấp bằng sáng chế và công suất thiết kế 2800m3/ngày ở Bắc Mỹ Zenon đã giới thiệu các modul thiết kế đầu tiên vào năm 1993: ZW145 sau đó la modul ZW130 và 150 vào năm 1997, tiếp theo modul ZW500b,c,d vào các năm 1999, 2001 và 2003 Trong giai đoạn này Kubota cũng đã giới thiệu một sản phẩm giảm thiểu năng lượng một thiết kế vào năm 2003

2.2 Quá trình sinh học trong công nghệ MBR

2.2.1 Cơ chế phân hủy hiếu khí



y

H2O + NH3 + ∆H b/ Tổng hợp sinh khối:

CxHyOzN + NH3 + O2 VSV C5H7NO2 + CO2 + H2O + ∆H

Với : CxHyOzN là công thức tổng quát của chất hữu cơ

C5H7NO2 là thành phần hoá học của vi sinh vật (VSV), biểu thị thành phần tế bào VSV ở thời điểm hô hấp nội bào

Khi làm thoáng các tế bào VSV tiếp xúc với nước thải có chất hữu cơ sẽ diễn

ra quá trình tiếp xúc và hô hấp hoạt tính, lúc đó thành phần hoá học của tế bào là

CxHyOzN- C5H7NO2 Nếu tiếp tục làm thoáng, thành phần chất hữu cơ sẽ bị oxy hoá, VSV trong bùn hoạt tính sẽ sử dụng các chất đã hấp thụ được để thực hiện quá trình trao đổi chất, sinh trưởng và phát triển

c/ Hô hấp nội bào:

Nếu quá trình oxy hoá diễn ra đủ dài thì sau khi sử dụng các chất hữu cơ có sẵn thì mới bắt đầu quá trình chuyển hoá các chất của tế bào

C5H7NO2  NH3 + 5CO2 + 2H2O + ∆H

Hay: C5H7NO2 + 5O2  NH3 + 5CO2 + 2H2O + ∆H

d/ Quá trình nitrat hoá:

1 Sự suy giảm cơ chất:

s



trong đó: + μ : tốc độ tăng trưởng riêng (h-1)

+ μmax : tốc độ tăng trưởng riêng lớn nhất (h-1)

+ s : nồng độ cơ chất giới hạn (=BOD5) (g/m3)

trong đó: + Y : sản lượng sinh khối (g VSS/g BOD5)

Y phụ thuộc vào nhiệt độ, pH

 Nồng độ cơ chất dòng ra : Se =

1)(

)1

x e s

k Yk

k K





Trong đó: + θx : tuổi của bùn (ngày-1)

+ ke : hằng số tốc độ gây chết, thường ke = 0,04-0,075 ngày-1 đối với các quá trình bùn hoạt tính thông thường còn đối với MBR ke cao hơn (0,05-0,32)/ngày

2 Sản lượng bùn: hệ số sản sinh bùn:

Yobs =

x e

x e d x

Y k f k

+ Yobs thường là 0,2 – 0,4 ngày-1 đối với hệ thống sinh học hiếu khí MBR, và 0,6 đối với hệ thống truyền sinh học truyền thống

Lượng bùn hoạt tính sinh ra trong 1 ngày:

Px het= YobsQ(S-Se)

Với: S=BOD5 trong nước thải đầu vào bể MBR

Se =BOD5 trong nước đầu ra khỏi bể MBR

Q : lưu lượng nước

 Tổng chất rắn được sinh ra hàng ngày:

Q

X V



Trong đó:

+ X : Nồng độ sinh khối trong bể Aeroten (gMLSS/m3)

+ V: Thể tích bể Aeroten (m3)

+ Qw : lưu lượng dòng thải bỏ ra môi trường (m3/ngày)

+Xw : nồng độ sinh khối trong dòng thải thải bỏ ra môi trường

+ Qe : lưu lượng dòng thải (m3/ngày)

+ Xe : nồng độ sinh khối trong dòng thải

Trong hệ thống MBR, sinh khối không thể lọt qua màng nên Xe = 0, và coi nồng độ sinh khối trong bể phản ứng không thay đổi, do đó mà X = Xw

Khi xét đến hiệu quả làm sạch E (%): 1  

 Thứ nhất là sự tích luỹ của hợp chất trơ được biểu diễn qua sự giảm xuống của tỷ số MLVSS/MLSS mặc dù không xuất hiện trong trường hợp thực tế

 Thứ hai là hàm lượng chất rắn cao tăng nguy cơ gây tắc nghẽn màng- sự tích luỹ chất rắn tại các kênh dẫn của màng

 Cuối cùng là làm giảm hiệu quả thông khí

Có một nghiên cứu so sánh đặc điểm và hiệu suất của các quá trình ASP và MBR trong cùng điều kiện SRT và HRT do Ghuyoot và Verstraete (năm 2000) cho thấy năng suất sinh bùn sinh ra ở MBR thấp hơn ASP (0,22 so với 0,28 và 0,18 so với 0,24) tại SRT = 12 và 24 ngày va xu hướng này đã được lặp lại trong báo cáo của Smith et al 2003, cho thấy quá trình phân tách bằng màng đã đưa Ks giảm từ

125 22  đến 11 1  g/m3/ngày cho ASP tương ứng tăng từ 2 1, 6 đến 73 22  cho MBR

3 Động học quá trình nitrat hoá:

 Nồng độ nitơ trong nước thải: Ne =

n n m n

n n n

k

k K

, )(

Trong đó:

+ μn,m : tốc độ tăng trưởng lớn nhất của vi khuẩn nitrate

+ Kn : hệ số bán bão hoà của quá trình nitrate

+ ke,n : hệ số tốc độ gây chết của vi khuẩn nitrate

+ μn : tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn nitrate

 Lượng bùn sinh ra do quá trình nitrat hóa trong 1 ngày: Px,aut =

x n

x n

k

NO Y Q



1

.

,



Trong đó:

+ Yn : sản lượng bùn sinh ra do quá trình nitrat hoá (gVSS/gNH4-N),

+ NOx : nồng độ của NH4-N mà bị oxy hoá từ dạng nitrate,

+ Q : lưu lượng nước thải

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý sinh học hiếu khí

pH ảnh hưởng tới độ hoạt hoá enzym của VSV

Động lực của pH được mô tả : pHmax = optmax

pH (hiếu khí) = 5-9

pHopt = 6,5 – 8,5 3-Nồng độ cơ chất và oxy hòa tan

Ảnh hưởng của oxy và nồng độ cơ chất được biểu thị qua tốc độ tăng trưởng:

I s

k

I k s

ks : hằng số bán bão hòa đối với chất ức chế I

ks’ : hằng số bán bão hòa đối với cạnh tranh

k

 và μ = μmax

) 1 ).(

(

I s

k

I k

Ngoài ra hiệu quả quá trình xử lý còn chịu ảnh hưởng của các chất độc như: kim loại nặng (Hg, As, Cd, Cu, Pb, Ni, Cr ), các chất oxy hóa mạnh (KMnO4,

H2O2 ), các chất axit và kiềm

Những ưu điểm đã được khẳng định của công nghệ MBR:

Sự ổn định của chất lượng nước sau xử lý: