Application SEWERPLUS technology for treating demestic wastewater combine with domestic waste in community

LỜI NÓI ĐẦU Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SEWAGE PLUS SW+ kết hợp xử lý nước thải và rác thải hữu cơ sinh hoạt cho cộng đồng dân cư nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng trong xử lý nước t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO TỔNG KẾT

Ứng dụng công nghệ SEWERPLUS kết hợp xử lý nước thải và rác thải sinh hoạt cho cộng đồng dân cư

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Phước Dân

Đơn vị thực hiện: Khoa Môi trường – Đại học Bách Khoa TP.HCM

Đơn vị chủ quản: Đại học Quốc gia TP.HCM

09/2015 TP.Hồ Chí Minh

TỔ CHỨC THỰC HIỆN

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI

PGS TS Nguyễn Phước Dân

THÀNH VIÊN THAM GIA

PGS.TS Nguyễn Phước Dân Khoa Môi Trường và Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM Th.S Phan Thị Hải Vân Khoa Môi Trường và Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM ThS Phạm Hoàng Lâm Khoa Môi Trường và Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM

KS Phan Thanh Lâm Khoa Môi Trường và Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM

KS Nguyễn Lê Hoàng Trung Khoa Môi Trường và Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM

KS Nguyễn Thị Tuyết Học viên cao học - Khoa Môi Trường và Tài nguyên

KS Nguyễn Công Vũ Học viên cao học - Khoa Môi Trường và Tài nguyên

Phạm Minh Quang Khoa Môi Trường và Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM Prof Ludo Diels University of Antwerp

CƠ QUAN CHỦ TRÌ

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

CƠ QUAN THỰC HIỆN

Phòng Thí nghiệm Xử lý Chất thải Bậc Cao – ĐHQG TP.Hồ Chí Minh

Khoa Môi trường Tài nguyên – Trường Đại học Bách Khoa

LỜI NÓI ĐẦU

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SEWAGE PLUS (SW+) kết hợp xử lý nước thải và rác thải hữu cơ sinh hoạt cho cộng đồng dân cư nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng trong xử lý nước thải, thu hồi tối đa năng lượng sinh khối và đồng thời tái sử dụng chất thải hữu cơ có giá trị dinh dưỡng cao từ bùn thải và rác sinh hoạt

Những lợi ích mang lại là kết hợp xử lý nước thải sinh hoạt đạt yêu cầu chất lượng xả thải cùng với sản xuất khí methane, tái sử dụng nước và chất dinh dưỡng Để tránh việc đầu tư

hệ thống thoát nước chi phí quá cao và hành trình vận chuyển chất thải dài, giải pháp xử lý phân tán có thể áp dụng cho từng địa phương, quy mô nhỏ và thân thiện với môi trường Từ

đó, ý tưởng về xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn sinh hoạt trong cộng đồng dân cư được đề nghị trong nghiên cứu này dựa trên sự kết hợp vừa xử lý nước thải và chất thải rắn sinh hoạt phù hợp với yêu cầu tái sử dụng cho trồng trọt, chăn nuôi đồng thời tận dụng nguồn năng lượng từ quá trình kỵ khí để phục vụ phát điện cho các hộ gia đình

Do không lường trước các khó khăn như mất một năm nhận màng UF, tìm kiếm thiết bị phân tích phù hợp, vì vậy nhóm thực hiện đề tài đã mất nhiều thời gian trong công tác lắp đặt mô hình Chắc chắn báo cáo còn ít nhiều thiếu sót và phát sinh trong nghiên cứu này Các thành viên tham gia đề tài đã cố gắng hoàn thành tốt nhất có thể với thời gian ngắn nhất

Nhóm thực hiện đề tài xin trân trọng cám ơn sự ủng hộ kinh phí của Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh Xin gởi lời chân thành cảm ơn đến giáo sư Ludo Diels (Đại học Antwerp)

và cô Heleen De Wever (Viện nghiên cứu công nghệ Flemish, VITO) đã hỗ trợ về kỹ thuật cũng như cung cấp các trang thiết bị hiện đại để thực hiện đề tài

Chủ nhiệm đề tài cũng xin gởi lời cám ơn trân trọng đến các các đồng nghiệp Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Xử lý Chất thải Bậc Cao ĐHQG TP.HCM đã cùng nhau thực hiện đề tài này Chủ nhiệm đề tài cũng đánh giá rât cao các học viên cao học Nguyễn Thị Tuyết và Nguyễn Công Vũ đã hết sức nỗ lực thực hiện luận văn cao học là một phần trong các nội dung nghiên cứu của đề tài

TÓM TẮT

Nước thải sinh hoạt chứa các thành phần hữu cơ và dinh dưỡng có giá trị tái sử dụng cao Hiện nay tại TP.HCM, lượng nước thải sinh hoạt được xử lý dưới 10% Ngoài nước thải, quá trình sinh hoạt của các hộ dân còn thải ra các loại chất thải hữu cơ (nhà bếp, làm vườn) Đa phần các chất thải này đều được xử lý bằng phương pháp chôn lấp Vì vậy, hiện nay có rất nhiều nỗ lực để kết hợp việc xử

lý nước thải và chất thải hữu cơ nhằm đảm bảo vệ sinh và tiết kiệm chi phí Một nhóm nghiên cứu của Bỉ đã nghiên cứu nhiều phương pháp nhằm đối đa việc thu hồ năng lượng từ việc cô đặc nước thải và bùn thải từ năm 2007 Cô đặc có thể thực hiện thông qua (i) sử dụng lắng ly tâm, lọc màng, đông tụ hóa học hoặc sinh học (ii) kết hợp nước thải với chất thải hữu cơ Dòng thải sau khi cô đặc

có thể xử lý bằng phân hủy kỵ khí để sinh khí methane và tạo năng lượng Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá khả năng sinh khí biogas của công nghệ Sewageplus, đồng phân hủy kỵ khí nước thải

cô đặc với rác thải nhà bếp Mô hình pilot bao gồm (i) một bể màng UF với thể tích làm việc là 185L

sử dụng một màng phẳng (flatsheet) nhúng chìm có diện tích bể mặt là 3 m 2 và (ii) bể phân hủy kỵ khí có thể tích 300L 4 kg chất thải nhà bếp và 1000L nước thải sinh ra từ một căn hộ tại TP.HCM được sử dụng làm đầu vào cho mô hình pilot Màng UF được vận hành ở thông lượng 16 l/m 2 h được

sử dụng để cô đặc 1000L nước thải có nồng độ COD là 1502 ± 938 mg/l, và TKN là 203 ± 148 mg/l

Bể phân hủy kỵ khí vận hành ở tải trọng hữu cơ 2.8 ± 0.5 kgVS/ m 3 ngày Nồng độ COD và TKN trong dòng thấm lần lượt là 33 ± 12 mg/L và 26 ± 9 mg/L COD trong dòng thấm đạt được QCVN trong khi ammonia là 14 ± 4 mg/l vẫn chưa được loại bỏ hoàn toàn bởi lọc màng UF Tuy nhiên, dòng thấm có nồng độ dinh dưỡng cao và hữu cơ thấp thuật lợi cho việc tái sử dụng tưới cây TMP của hệ thống UF tăng từ 50 mbar lên 200 mbar sau một ngày vận hành ở chế độ 8 phút chạy, 2 phút nghỉ Tuy nhiên, sau một thời gian đủ dài, TMP đạt được giá trị ổn định là 150 mbar Khả năng loại

bỏ TVS là 84% khi vận hành ở SRT khoảng 50 ngày Sản lượng biogas hằng ngày là 426 ± 69 liters/ngày, trong đó methane chiếm 65% thể tích Bùn thải bể kỵ khí có chứa 3.9 ± 1.2 TKN g/kg và 1.4 ± 0.4 g/kg có ích cho việc thu hồi dinh dưỡng Lượng carbon thu hồi được chiếm 50% tổng lượng carbon đầu vào Dẫn đến, năng lượng sản sinh có thể lê đến 124 Wh/người/ngày khi ứng dụng công nghệ này tại TP.HCM Vì vậy, việc cô dặc nước thải kết hợp với đồng phân hủy kỵ khí có thể thu hồi năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm

ABSTRACT

Sewage from household activities, was a valuable product that could be directly reused in terms of organic carbon and nutrient In Ho Chi Minh City, less than 10% of sewage was currently treated Besides wastewater streams, other types of organic waste are produced by daily household activities such as kitchen and garden wastes In urban areas in Vietnam, almost municipal organic solid waste

is dumped into the landfill Thus, there are many efforts to create a concept that combines the reuse

of organic solid waste and sewage, hygienic operations and cost effectiveness The consortium of Belgian industrial and research partners, has been investigating a number of innovative concepts and techniques for maximal energy recovery from enriched sewage or secondary sludge since 2007 Enrichment can either be based on (i) a concentration phase of the sewage using centrifugation, membrane filtration, chemical or bio-flocculation, or (ii) mixing concentrated sewage or secondary sludge with a selected bio-waste stream The enriched waste streams can be treated in a typical digester to produce methane to generate electricity The objective of this study is to investigate the potential of biogas production using SewagePlus technology, which kitchen organic waste and organic stream obtained from up-concentration of sewage using UF membrane were anaerobically co-digested The pilot plant included (i) an UF membrane tank with working volume of 185 liters, in where a submerged polyethersulfone flat sheet UF membrane module with total surface area of 3 m 2 was placed and (ii) an anaerobic digester with the working volume of 300 L 04 kilogram of wet kitchen waste and 1000 liters of sewage which were generated from two households in an apartment located in Ho Chi Minh City, were used as feed materials to the pilot plant The UF membrane module was run at flux of 16 l/m 2 h and water recovery of 99.8% to concentrate 1,000 liters of sewage with total COD of 177 ± 34 mg/L to 2 liters of concentrate with total COD of 1502 ± 938 mg/l, and TKN

of 203 ± 148 mg/l The anaerobic digester was run at organic loading rate ranging from 2.8 ± 0.5 kgVS/ m 3 day The permeate COD and TKN concentrations were 33 ± 12 mg/L and 26 ± 9 mg/L, respectively The permeate COD met the Vietnamese effluent quality standards, whereas the average ammonia in permeate stream was 14 ± 4 mg/l as N which was not efficiently removed by direct UF filtration However, use of permeate with high nutrient contents and low organic matter may be a potential water reuse option for irrigation or watering TMP of UF system increased from 50 mbar after backwash to 200 mbar after one day of operation at mode of 10 minutes of operation and 2 minutes of relaxation However, after a long-term running, the TMP reached stable value under 150 mbar A stable TVS reduction of 84% was obtained as the digester was run at SRT of approximately

50 days The daily biogas production was 426 ± 69 liters/day which methane content was 65% of biogas volume The digester slurry which contained 3.9 ± 1.2 TKN g/kg and 1.4 ± 0.4 g/kg are valuable for nutrient recovery The recovered carbon, in terms of CH4, accounted for 50% of the total carbon input of the integrated system Consequently, an electrical production of 124 Wh/capita/day can be obtained when applying the proposed technology with the current wastes generation in Ho Chi Minh City Thus, up concentration of the diluted sewage followed by co-anaerobic digestion can achieve economical and sustainable energy recovery

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Giới thiệu 1

Mục tiêu nghiên cứu 3

Nội dung nghiên cứu 3

Ý nghĩa khoa học, tính mới 4

TỔNG QUAN 5

1.1 HIỆN TRẠNG CHẤT THẢI TẠI CÁC ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM 5

Nước thải sinh hoạt 5

Chất thải rắn đô thị 6

1.2 CÔNG NGHỆ SEWAGE PLUS 10

Tiềm năng nước thải dưới quan điểm chất chuyển tải năng lượng và thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nước 10

Thu hồi năng lượng carbon 11

1.3 Cô đặc nước thải bằng công nghệ màng nhắm đến thu hồi nguồn năng lượng 12

Tổng quan về màng 12

Quá trình lọc màng 13

Bẩn màng 14

Lọc màng trực tiếp nước thải 16

Ứng dụng màng UF trong xử lý nước thải 17

1.4 ĐỒNG PHÂN HỦY KỴ KHÍ 18

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về bể biogas 18

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 THỰC NGHIỆM QUI MÔ PTN 20

Mô hình quy mô PTN 20

Nguyên vật liệu 21

Điều kiện vận hành 22

2.2 THÍ NGHIỆM QUY MÔ PILOT 22

Mô hình 22

Nguyên vật liệu 23

Điều kiện vận hành 24

Phương pháp phân tích 24

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25

3.1 THÍ NGHIỆM QUI MÔ PTN 25

Hiệu suất cô đặc 25

Bẩn màng 29

Hiệu suất phân hủy kỵ khí 31

3.2 THỬ NGHIỆM QUY MÔ PILOT 32

Cô đặc nước thải 32

Bẩn màng 35

Đồng phân hủy kỵ khí 37

3.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ - MÔI TRƯỜNG CỦA CÔNG NGHỆ SW+

38

Thu hồi năng lượng 39

Lợi ích kinh tế 42

Công nghệ SW+ kết hợp với tái sử dụng nước 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

Kết luận 52

Kiến nghị 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Công nghệ xử lý và thông số nước thải của các nhà máy XLNT tập trung ở Việt

Nam 7

Bảng 1.2 Thành phần CTR tại các bãi chôn lấp ở Việt Nam 8

Bảng 1.3 Chỉ số phát thải CTR bình quân đầu người tại các đô thị Việt Nam 9

Bảng 2.1 Thành phần và tính chất bể phân huỷ 23

Bảng 2.2 Phương pháp và thiết bị phân tích 24

Bảng 3.1 So sánh hiệu quả DMF giữa nghiên cứu này và các nghiên cứu trước đó 26

Bảng 3.2 Chất lượng các dòng của hệ thống cô đặc màng qui mô pilot 34

Bảng 3.3 Tính chất dòng vào và dòng ra của bể đồng phân hủy kỵ khí 38

Bảng 3.5 So sánh phân tích công nghệ phân huỷ kị khí và compost (Chongrak, 2000) 46

Bảng 3.6 Thuận lợi và khó khăn khi áp dụng công nghệ kị khí xử lý chất thải hữu cơ 47

Bảng 3.7 So sánh sự tiêu thụ và phát thải năng lượng* từ bể phân hủy kị khí (AD), ủ compost luống (WC) và chôn lấp (LF) không có thu hồi năng lượng (Haight, 2005) 47

Bảng 3.8 So sánh các mức độ tác động BĐKH của các phương pháp quản lý chất thải hữu cơ (CTHC), (tấn cacbonic tương đương/tấn chất thải hữu cơ) (Jeffrey, 2011) 48

Bảng 3.9 Bảng phân tích lợi ích của 2 công nghệ xử lý 48

DANH MỤC HÌNH

Hình 0.1 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải sinh hoạt dựa trên quan điểm SEWAGE PLUS thu

hồi tối đa tài nguyên 2

Hình 0.2 Nội dung thực hiện 4

Hình 1.1 Hiện trạng nước thải đô thị tại Việt Nam 5

Hình 1.2 Sản sinh và thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nước 10

Hình 1.3 Sơ đồ chức năng một số loại màng 13

Hình 1.4 Nguyên lý các phương thức lọc màng 14

Hình 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến bẩn màng trong quá trình MBR 15

Hình 2.1 Sơ đồ của đơn vị quy mô phòng thí nghiệm 20

Hình 2.2 Bể phân hủy kỵ khí 21

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống pilot SEWAGE PLUS 23

Hình 3.1 Sự biến thiên của COD tổng trong thí nghiệm HC (a) và LC (b) theo thời gian 26

Hình 3.2 Cân bằng COD trong thí nghiệm HC (a) và LC (b) 27

Hình 3.3 Nồng độ COD dòng đậm đặc của thí nghiệm HC (a) và LC (b) 28

Hình 3.4 Phân bố kích thước hạt tại thời điểm khởi động của thí nghiệm HC (a) và sau 72 h hoạt động (b) 28

Hình 3.5 Sự thay đổi chất dinh dưỡng trong thí nghiệm HC (a) và LC (b) 29

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa TMP, thông lượng dòng thấm, và trở lực màng trong thí nghiệm HC (a) và LC (b) 30

Hình 3.7 Trở lực màng trong thí nghiệm HC (a) và LC (b) 31

Hình 3.8 Năng suất sản sinh biogas trong bể phân hủy 32

Hình 3.9 Nồng độ TS, VS và TKN của nước thải đầu vào và đầu ra bể phân hủy 32

Hình 3.10 Diễn biến thành phần tCOD (a) và pCOD (b) của các dòng trong mô hình cô đặc quy mô pilot 33

Hình 3.11 Cân bằng COD trong quá trình cô đặc màng qui mô pilot 34

Hình 3.12 Sự biến thiên của TKN (a), ammonia (b) và tổng P (c) của bể cô đặc màng qui mô pilot theo thời gian 35

Hình 3.13 Thay đổi TMP và thông lượng theo thời gian của bể cô đặc màng qui mô pilot 36 Hình 3.14 Phân phối kích thước hạt vào ngày thứ 1 (a) và thứ 10 (b) của bể cô đặc màng qui mô pilot 37

Hình 3.15 Sự biến thiên VS dòng ra và dòng vào theo thời gian vận hành tính từ giai đoạn thích nghi của mô hình bể kị khí qui mô pilot 38

Hình 3.16 Sản lượng biogas từ bể phân huỷ kị khí qui mô pilot 38

Hình 3.17 Cân bằng COD của quá trình cô đặc và đồng phân hủy kỵ khí 40

Hình 3.18 Thành phần carbon qua các quá trình 40

Hình 3.19 Cân bằng COD của quá trình cô đặc và đồng phân hủy kỵ khí qui mô pilot 42

Hình 3.20 Thành phần COD qua các công trình của hệ thống SW+ qui mô pilot 42

Hình 3.21 Bùn hoạt tính truyền thống (CAS) xử lý nước thải sinh hoạt 43

Hình 3.22 Công nghệ A2O kết hợp lọc cát tái sinh nước thải đô thị 43

Hình 3.23 Công nghệ compost xử lý rác thải hữu cơ đô thị 43

Hình 3.24 công nghệ SW+ kết hợp xử lý nước thải và rác thải hữu cơ 44

Hình 3.25 Công nghệ sinh học A-A-O khử nitơ và photpho 50

Hình 3.26 Các công nghệ điển hình loại bỏ đục và cặn lơ lững còn lại sau xử lý II để tái sử dụng 50

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HC test: thí nghiệm nồng độ cao

PHẦN MỞ ĐẦU

GIỚI THIỆU

Biến đổi khí hậu đã đặt ra thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như giảm phát thải khí nhà kính trong quá trình vận hành xử lý nước thải Với yêu cầu ngày càng cao hơn của các tiêu chuẩn xả thải, vấn đề đặt ra là vừa đạt được những yêu cầu của tiêu chuẩn xả thải vừa tiêu thụ năng lượng hiệu quả Vì vậy, tối ưu hóa hiệu quả tiêu thụ năng lượng cho tổng thể các quá trình là cách tiếp cận bền vững trong phát triển công nghệ xử lý chất thải Trong đó nước thải được xem xét là chất mang năng lượng có tiềm năng thu hồi được

Hầu hết các đô thị hiện nay ở các nước phát triển có đầu tư các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung bằng phương pháp sinh học hiếu khí quy mô lớn để loại bỏ tất cả thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhằm tạo ra chất lượng nước phù hợp cho xả thải vào nguồn tiếp nhận Cách tiếp cận “xử lý cuối đường ống” này được xem là không bền vững do một lượng lớn năng lượng và chất dinh dưỡng sẵn có trong nước thải bị mất đi qua các quá trình xử lý Trên thực tế, năng lượng và chất dinh dưỡng là những tài nguyên khan hiếm Hơn nữa, công nghệ

xử lý nước thải hiện nay, như các quá trình sinh học hiếu khí, tiêu thụ một lượng lớn nguồn năng lượng bên ngoài (cụ thể là điện năng) để vận chuyển và xử lý nước thải Thách thức trong tương lai là làm sao tìm được cách tiếp cận cho hệ thống xử lý nước thải ở đó kết hợp được ba yếu tố: tái sử dụng tài nguyên sẵn có trong dòng nước thải, vận hành hệ thống nước thải hợp tiêu chuẩn vệ sinh cùng với chi phí hợp lý

Bên cạnh nước thải, những dòng thải khác như chất thải rắn hữu cơ phát sinh từ hoạt động sinh hoạt của con người như rác nhà bếp, rác sân vườn, rác chợ, v.v…là nguồn năng lượng sinh khối cần quan tâm Ở những vùng chưa có hệ thống thu gom, chất thải hữu cơ thường được kết hợp với chất thải khác được mang đi đốt hoặc làm compost Trong trường hợp có

hệ thống thu gom và vận chuyển, phần lớn rác hữu cơ được mang đến bãi chôn lấp hoặc vận chuyển đến nhà máy compost, không thu hồi khí sinh học tạo ra Thêm vào đó, việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phương tiện vận tải ở những vùng nông thôn gặp khó khăn, trong khi

đó ở vùng đô thị việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phương tiện vận tải có thể gây ra tắt nghẽn giao thông cũng như gây ra vấn đề nghiêm trọng về phát sinh mùi

Trong khuôn khổ của các dự án SEWAGE PLUS, hiệp hội giữa các đối tác nghiên cứu và các đối tác công nghiệp đã và đang khảo sát một số khái niệm và kỹ thuật sáng tạo từ năm

2007 để thu hồi năng lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt được cô đặc hoặc dòng bùn sinh học từ các trạm XLNT Các khái niệm và kỹ thuật được Verstraete và cộng sự công bố vào năm 2009 Quá trình làm giàu/cô đặc nước thải hoặc dựa trên công đoạn cô đặc nước thải bằng ly tâm, lọc màng, tạo bông sinh học hoặc hóa học, hoặc dựa trên việc trộn nước

thải cô đặc (hoặc bùn sinh học) với dòng chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học Dòng chất thải được làm giàu sau đó được xử lý trong bể phân hủy kỵ khí sinh methane

để thu hồi năng lượng (Schiettecatte et al., 2013)

Hình 0.1 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải sinh hoạt dựa trên quan điểm SEWAGE PLUS thu hồi tối

đa tài nguyên

Một quy trình mới có khả năng thu hồi tối đa nước, năng lượng, phân bón vô cơ và hữu cơ

từ nước thải sinh hoạt được trình bày trong

Hình 0.1 Nước thải sinh hoạt ban đầu được tiền xử lý bằng biện pháp cơ học (chắn rác, lắng cát) để loại cát và hạt kích thước lớn trong nước thải Để cô đặc nước thải có thể áp dụng lọc cát áp lực, tuyển nổi, lọc màng, hấp thụ bùn sinh học, nhờ đó tạo ra dòng sau xử lý có cặn lơ lửng và keo thấp Điểm cốt yếu là chất lượng dòng ra phải phù hợp với yêu cầu đầu vào của màng UF hoặc RO Do đó, nước sạch là sản phẩm đầu tiên của quy trình này có thể thu hồi Qua việc áp dụng các kỹ thuật cô đặc, dòng chứa chất ô nhiễm cao được tạo ra Dòng này có thể được xem là có giá trị trong trường hợp áp dụng giải pháp biến chất thải thành năng lượng Chất lượng phân hủy kỵ khí được xét đến qua yếu tố thu hồi năng lượng và khả năng

xử lý của bùn đã phân hủy Bể phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn là lựa chọn được ưu tiên

và vận hành trong điều kiện ưa ấm để đảm bảo tốt hơn quá trình ổn định chất hữu cơ và kiểm soát vi sinh vật gây bệnh Hơn nữa, chất thải rắn sinh hoạt hữu cơ như chất thải nhà bếp hay chất thải xanh từ việc tỉa cành cây đường phố có thể được nạp kết hợp vào bể phân hủy kỵ

khí để tăng sản lượng biogas nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cho việc đầu tư lắp đặt Đa dạng nguồn cơ chất có tác động tích cực lên khả năng ổn định quá trình phân hủy Biogas từ

bể kỵ khí được xử lý để loại bỏ H2S trước khi đưa vào thiết bị chuyển biogas thành nhiệt và năng lượng Để giảm thiểu ô nhiễm CO2, có thể chuyển CO2 cho trang trại nuôi tảo Dòng sau xử lý của bể kỵ khí được tách nước bằng biện pháp cơ học như lọc ép, ly tâm tạo thành mùn giàu phospho Bổ sung vôi có thể được áp dụng để tăng hiệu quả tách và thu lượng phospho trong mùn dưới dạng khả dụng sinh học Phần mùn sau đó được sấy khô nhằm giảm vấn đề mùi và chi phí vận chuyển Bên cạnh dòng rắn này còn tạo ra dòng lỏng Dòng này chứa phần lớn nitrogen dưới dạng ammonia Dạng này có thể được thu hồi dưới dạng muối bằng tách khí và sau đó rửa acid Giải pháp khác là nitrat hóa ammonia sau đó lọc RO tạo ra nước sau xử lý chất lượng cao Muối nitrat đậm đặc được chế biến thành phân bón ổn định

tự nhiên Bùn đã sấy khô có thể xem như nguồn năng lượng qua việc đốt tạo hơi nóng để sản xuất điện Một kỹ thuật khác là khí hóa tạo nhiên liệu dạng hơi mà có thể được thu hồi bằng thiết bị sản sinh điện và nhiệt kết hợp Nhiệt phân sinh khối thành hơi nước, dầu sinh học và than được quan tâm gần đây vì có thể thu lại carbon ở dạng than (Verstraete et al., 2009) Cải tạo đất bằng than sinh học không những giúp thu lại carbon mà còn tăng cường tính màu

mỡ và phì nhiêu của đất (Lehmann and Joseph, 2009) Với cách tiếp cận trên, nghiên cứu ứng dụng công nghệ kết hợp làm giàu nước thải bằng cô đặc màng và đồng phân huỷ rác hữu

cơ trong điều kiện Việt Nam đã được đề xuất

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SEWAGE PLUS (SW+) kết hợp xử lý nước thải và rác thải hữu cơ sinh hoạt cho cộng đồng dân cư nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng trong xử lý nước thải, thu hồi tối đa năng lượng sinh khối và đồng thời tái sử dụng chất thải hữu cơ có giá trị dinh dưỡng cao từ bùn thải và rác sinh hoạt

Để đáp ứng mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:

 Xác định các thông số thiết kế và vận hành cho hệ thống SEWAGE PLUS qui mô phòng thí nghiệm bao gồm: cô đặc nước thải bằng màng ultrafiltration membrane (UF) và bể phân hủy kị khí rác hữu cơ và dòng cô đặc

 Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ SEWAGE PLUS quy mô pilot có công suất xử lý chất thải phát sinh từ 2 hộ dân

 Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của công nghệ SEWAGE PLUS thông qua năng lượng thu hồi và hiệu quả tái sử dụng bùn và nước thải so với công nghệ xử lý nước thải và rác thải thông thường như bùn hoạt tính xử lý nước thải sinh hoạt và composting xử lý rác hữu cơ

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tóm tắt sơ đồ nội dung nghiên cứu được thể hiện trong

Hình 0.2

Hình 0.2 Nội dung thực hiện

Ý NGHĨA KHOA HỌC, TÍNH MỚI

Cách tiếp cận mới của đề tài này là tìm hệ thống xử lý nước thải kết hợp xử lý rác thải theo hướng phát triển bền vững, thu hồi tối đa năng lượng sinh khối (cụ thể là chất hữu cơ) và chất dinh dưỡng (nitơ và photpho) trong dòng nước thải, không loại bỏ/xử lý các thành phần này như các công nghệ thông thường Những lợi ích mang lại là gia tăng sản xuất khí methane, khử nước trong bùn tốt hơn, hoạt động ổn định hơn và tăng khả năng phân hủy chất hữu cơ Để tránh việc đầu tư hệ thống thoát nước chi phí quá cao và hành trình vận chuyển chất thải dài, giải pháp xử lý phân tán có thể áp dụng cho từng địa phương, quy mô nhỏ và thân thiện với môi trường Từ đó, ý tưởng về xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn sinh hoạt trong cộng đồng dân cư được đề nghị trong nghiên cứu này dựa trên sự kết hợp vừa xử lý nước thải và chất thải rắn sinh hoạt phù hợp với yêu cầu tái sử dụng cho trồng trọt, chăn nuôi đồng thời tận dụng nguồn năng lượng từ quá trình kỵ khí để phục vụ phát điện cho các hộ gia đình

Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Xác định các

thông số thiết kế và vận hành

cho hệ thống SEWAGE PLUS

Nội dung 2: thử nghiệm công

nghệ SEWAGE PLUS quy mô

pilot có công suất chất thải

phát sinh từ 2 hộ

Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả

kinh tế và môi trường

Mô hình UF cô đặc nước thải sinh hoạt

Mô hình phân hủy kị khí thu hồi biogas

Khảo sát hiệu quả sử dụng năng lượng quy mô pilot theo kết quả nghiên cứu từ nội dung 1

So sánh kinh tế với các hệ thống truyền thống: bùn hoạt tính và compost

So sánh hiệu quả thu hồi năng lượng

TỔNG QUAN

1.1 HIỆN TRẠNG CHẤT THẢI TẠI CÁC ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM

Nước thải sinh hoạt

Khảo sát do World Bank thực hiện năm 2013 cho thấy đa phần các hộ gia đình trong các đô thị thực hiện đấu nối vào hệ thống thu gom nước thải nhằm giải quyết nhu cầu thoát nước thải từ các hoạt động sinh hoạt trong nhà.Trong khi đó, tỷ lệ đấu nối hộ gia đình vào hệ thống thoát nước công cộng ở các thị trấn nhỏ vùng sâu vùng xa, khu vực ven đô và trong các đô thị miền Trung lại rất thấp do nền đất chủ yếu là cát cho phép nước thấm nước tốt Hiện trạng nước thải tại các đô thị Việt Nam được trình bày trong

Hình 1.1

Hình 1.1 Hiện trạng nước thải đô thị tại Việt Nam

Đến cuối năm 2012, Việt Nam có tổng cộng 17 nhà máy xử lý nước thải đô thị tập trung Chi tiết của 17 nhà máy này được trình bày trong Bảng 1.1 Với số lượng nhà máy như vậy khá

ít so với con số trên 87 triệu dân trên cả nước Trong số đó, 12 nhà máy được xây dựng ở 3 thành phố là Hà Nội, Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, 5 nhà máy còn lại nằm rải rác ở các đô thị cấp tỉnh Ngoài ra, hiện nay cả nước có trên 30 dự án xử lý nước thải đô thị trong quá trình thiết kế hoặc xây dựng Mười trong số mười bảy nhà máy xử lý nước thải đô thị hiện đang

áp dụng các công nghệ xử lý chủ yếu là các biến thể khác nhau của công nghệ xử lý bậc 2 với bùn hoạt tính, ví dụ như công nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS), kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí (A2O), mương oxi hóa (OD) và xử lý sinh học theo mẻ (SBR) Công nghệ xử lý bùn hoạt tính được áp dụng phổ biến trong các nhà máy do JICA tài trợ như Kim Liên, Trúc Bạch, Băc Thăng Long (ở Hà Nội) và Bình Hưng (ở thành phố Hồ Chí Minh) Bảy nhà máy còn lại áp dụng các công nghệ xử lý đơn giản hơn, như hệ thống hồ kỵ khí phủ bạt (Đà Nẵng), chuỗi hồ sinh học (Buôn Ma Thuột), bể sục khí/hồ hoàn thiện (Bình Hưng Hòa – Hồ Chí Minh) và hệ thống bể lắng hai vỏ/lọc sinh học nhỏ giọt (Đà Lạt) Nhìn chung khi vận hành, các công nghệ đơn giản này có chi phí điện năng, hóa chất, đào tạo và thay thế thiết bị thấp hơn so với các hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính nói trên (Hung, L.D et al, 2013) Thành phần ô nhiễm hữu cơ trong nước thải đầu vào của 17 nhà máy nêu trên khá loãng Vì vậy, giải pháp cô đặc nước thải có tính khả thi cao khi triển khai áp dụng

Bên cạnh các nhà máy xử lý nước thải tập trung, sơ đồ thoát nước và xử lý nước thải phân tán tại nguồn phù hợp với các khu vực ven đô, các khu vực có mật độ dân cư thưa, đang ngày càng được áp dụng phổ biến Trong khi phương thức thu gom và xử lý nước thải tập trung được áp dụng ở khu vực nội thành đông đúc, hệ thống quản lý nước thải phân tán tại nguồn

tỏ ra phù hợp đối với các khu vực chưa xây dựng được hệ thống tập trung Sơ đồ vệ sinh phân tán tại nguồn mang lại các lợi ích quan trọng là xử lý nước thải và áp dụng các biện pháp kiểm soát ô nhiễm gần nguồn thải

Trường hợp của Tp HCM có tổng lượng NTSH khoảng 1.2 triệu m3/ngày (Sở TN&MT

Tp HCM, 17-18/11/2010) Theo số liệu Tổng cục thống kê, dân số Tp HCM năm 2010 là

7396500 người (www.gso.gov.vn) Có thể suy luận chỉ số phát sinh nước thải bình quân đầu người xấp xỉ 165L/người.ngày

Chất thải rắn đô thị

Phát sinh chất thải rắn (CTR) ở đô thị chủ yếu là CTR sinh hoạt chiếm khoảng 60% – 70% tổng lượng CTR ở đô thị CTR sinh hoạt phát sinh chủ yếu từ các hộ gia đình, khu tập thể, trung tâm thương mại, văn phòng, cơ sở nghiên cứu, trường học, chợ, chất thải đường phố v.v Thành phần chủ yếu trong CTR đô thị là chất hữu cơ (rác thực phẩm), chiếm tỷ lệ khá cao từ 60 – 75 % trên tổng khối lượng chất thải Bảng 1.2 Chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt tính bình quân trên đầu người lớn nhất xảy ra ở các đô thị phát triển du lịch như các thành phố Hạ Long, Hội An, Đà Lạt, Ninh Bình Bảng 1.3 Tỷ trọng nguồn phát sinh CTR tp.HCM cụ thể như sau: CTR hộ dân chiếm tỉ trọng 57,91% tổng lượng CTR CTR đường phố chiếm tỉ trọng 14,29% tổng lượng CTR CTR công sở chiếm tỉ trọng 2,8% tổng lượng CTR CTR chợ chiếm tỉ trọng 13% tổng lượng CTR CTR thương nghiệp chiếm tỉ trọng 12% tổng lượng CTR (Bộ Tài nguyên Môi trường, 2011)

Bảng 1.1 Công nghệ xử lý và thông số nước thải của các nhà máy XLNT tập trung ở Việt Nam

gom Công nghệ xử lý BOD5 (mg/L) COD (mg/L) TSS (mg/L) NH4-N (mg/L) T-N (mg/L) TP (mg/L)

Coliform (MPN/100mL)

Tiêu chuẩn xả thải

2005,B

2005,B Bắc Thăng

QCVN24 2009,B

Bảng 1.2 Thành phần CTR tại các bãi chôn lấp ở Việt Nam

Loại chất thải

Hà nội (Nam Sơn) a

Hà nội (Xuân Sơn) a

Hải phòng (Tràng Cát) a

Hải Phòng (Đình Vũ) a

Huế (Thủy Phương) a

Đà Nẵng (Hòa Khánh) a

HCM (Đa Phước) a

HCM (Phước Hiệp) a

Bắc Ninh (Thị trấn Hồ) b

Bảng 1.3 Chỉ số phát thải CTR bình quân đầu người tại các đô thị Việt Nam

loại 5 Thị trấn, Thị tứ

1.2 CÔNG NGHỆ SEWAGE PLUS

Tiềm năng nước thải dưới quan điểm chất chuyển tải năng lượng và thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nước

Nước thải hay có thể được xem là “tài nguyên nước ngọt”, một nguồn tài nguyên có giá trị vì chứa nước, chất dinh dưỡng và năng lượng Tiềm năng sản sinh, phục hồi và lưu trữ năng lượng từ nước gồm:

 Carbon hữu cơ (phục hồi năng lượng qua con đường sản sinh biogas)

 Hơi nóng (phục hồi năng lượng nhiệt từ nước thải)

Thu hồi và sản sinh năng lượng trong chu trình sử dụng nước được trình bày trong Hình 1.2

Hình 1.2 Sản sinh và thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nước

Sơ đồ trên thể hiện mức độ tiêu thụ năng lượng trong sản xuất nước uống và xử lý nước thải Mặt khác chỉ ra tiềm năng thu hồi nhiệt năng và hóa năng (chủ yếu từ nhiệt và COD đưa vào trong chu trình sử dụng nước) Năng lượng tiềm năng trong chu trình sử dụng nước ở Hà Lan gồm:

 Phân hủy bùn: hiện tại 95 triệu Nm3/năm biogas được tạo ra qua quá trình phân hủy bùn, carbon hữu cơ trong nước thải đô thị gần tương đương tiềm năng năng lượng lý thuyết tối đa là 11.900 TJ/năm Tiềm năng tối đa thực tế là 9.400 TJ/năm vì chỉ 80% COD có thể được chuyển hóa thành methane Thu hồi năng lượng carbon có thể được tối đa hóa bằng cách cô đặc carbon hữu cơ và phân hủy bùn tối đa hay phân loại tại nguồn và xử lý kỵ khí Kế tiếp quá trình chuyển đổi COD thành bùn để phân hủy là quá trình tối ưu hóa sản sinh methane từ phân hủy bùn, biến đổi năng lượng và sử dụng biogas để thu được toàn bộ năng lượng carbon tiềm năng trong nước thải

 Đốt bùn: đốt trực tiếp chất hữu cơ trong bùn theo lý thuyết sản sinh 4.100 TJ/năm Tiềm năng tối đa thực tế từ đốt bùn là 1.200 TJ/năm vì phần lớn năng lượng cần để bốc hơi nước trong bùn Trên thực tế các hệ thống lò đốt bùn vẫn chưa tự cấp được năng lượng

 Thu hồi nhiệt: nước thải sinh hoạt có nhiệt độ trung bình 270C, gần tương đương với năng lượng tiềm năng tối đa theo lý thuyết là 56.000 TJ/năm Qua việc chuyển đổi và thu hồi nhiệt từ nước đã được làm ấm, một lượng năng lượng đáng kể có thể được tiết

kiệm và thu hồi từ chu trình tiêu thụ nước Hệ thống trao đổi nhiệt của nước vòi sen có thể tiết kiệm 30-40% nhiên liệu sử dụng cho tắm rửa tiềm năng tối đa thực tế của hệ thống thu hồi nhiệt gia đình được ướt tính là 32.000TJ/năm Thêm vào đó, hơi nóng có thể được thu hồi từ nước uống và nước mặt

Hiển nhiên, thu hồi và sản sinh năng lượng tối đa miêu tả trên sơ đồ chỉ là tiềm năng lý thuyết kèm theo điều kiện giả thuyết chuyển đổi và thu hồi hoàn toàn năng lượng Tuy nhiên, tiềm năng trình bày ở trên là nhiều và lớn hơn tổng năng lượng tiêu thụ cho sản xuất nước uống và

xử lý nước thải Một phần năng lượng tiềm năng đang được thu hồi và khả năng có thể trong việc tối ưu hóa hơn là điều thực tế Một chu trình nước cân đối năng lượng tiêu thụ và năng lượng thu hồi là khả thi qua việc khai thác tiềm năng thu hồi hóa năng và nhiệt năng với công nghệ hiện hữu, kết hợp với nổ lực hiện tại trong việc cải tiến hiệu quả sử dụng năng lượng (Jos Frijn et al., 2013) Nếu năng lượng tiềm năng hiện diện trong nước thải được thu hồi để tái sử dụng và sử dụng ít năng lượng hơn để xử lý nước thải thì xử lý nước thải có thể thậm chí trở thành nhà máy sản xuất năng lượng ròng (McCarty P.L et al., 2011)

Thu hồi năng lượng carbon

Nước thải sinh hoạt từ hoạt động con người như từ toilet, tắm giặt, từ nhà bếp, rửa chén dĩa, v.v là một nguồn chất hữu cơ dồi dào, có thể tái sử dụng trực tiếp hoặc sau khi xử lý sơ bộ Đồng thời nước thải chứa chất hữu cơ cũng có thể xem như một chất chuyển tải năng lượng carbon Trong thực tế hiện tại, tiềm năng của năng lượng này chỉ được phục hồi một phần.Cùng lúc đó, những nhà máy xử lý nước thải bùn hoạt tính tiêu thụ lượng đáng kể năng lượng cho sục khí Trong quá trình oxy hóa, năng lượng hóa học hiện diện trong COD bị mất do cấp năng lượng nhiệt cho quá trình trao đổi chất Một phần năng lượng được phục hồi bằng quá trình phân hủy bùn Phân hủy bùn đã được ứng dụng phổ biến tại nhiều công trình xử lý nước thải

ở Hà Lan, tạo ra 95 triệu Nm3 biogas trong năm 2006 (tương đương với 2.215 TJ) Biogas này được chuyển đổi trong hệ thống kết hợp điện-nhiệt thành điện năng (143 MWh) và hơi nóng (sử dụng cho gia nhiệt bể phân hủy kỵ khí) Nhà máy xử lý nước thải có phân hủy bùn tiêu thụ năng lượng ròng ít hơn 40% so với nhà máy xử lý nước thải không có phân hủy bùn (Jos Frijn

et al., 2013)

Có thể thu hồi nhiều năng lượng hơn khi ứng dụng xử lý kỵ khí trong xử lý nước thải Khuyết điểm chính khi ứng dụng trực tiếp xử lý kỵ khí là nước thải sinh hoạt quá loãng để phân hủy tối ưu và ở nhiệt độ vùng ôn đới một phần đáng kể của methane tạo ra (đến 40% (Verstraete

W et al., 2009) hòa tan trong dòng sau xử lý Methane hòa tan này cuối cùng sẽ sẽ góp vào quá trình biến đổi khí hậu Trên thực tế, những hệ thống xử lý kỵ khí không được kiểm soát như bể tự hoại, hệ thống cống ngầm, ao đầm hay nước thải chưa xử lý giải phóng lượng đáng

kể CH4 (El_Fadel M., Massoud M., 2001) Xử lý kỵ khí và phân hủy bùn trong điều kiện có kiểm soát thích hợp tạo ra sự thất thoát methane thấp nhất và tận dụng tối ưu khí sinh học, giảm đáng kể phát thải khí nhà kính Tận dụng khí sinh học không chỉ giảm phát thải CH4 mà còn đóng góp vào việc giảm đương lượng CO2 (Jos Frijn et al., 2013)

Sản sinh methane từ phân hủy kỵ khí tạo ra 0,35 Nm3 CH4/kg COD Giả sử toàn bộ phần hữu

cơ được chuyển hóa thành CH4 Giá trị năng lượng của CH4 là 35,9 MJ/Nm3 (biogas chứa 65% CH4 có giá trị năng lượng là 21 – 25 MJ/Nm3) Như vậy, năng lượng tiềm năng tối đa từ 1kg COD xử lý là 0,35 Nm3 CH4 x 35,9 MJ/Nm3= 12,6 MJ (Jos Frijn et al., 2013) Tuy nhiên dưới điều kiện thích hợp, khoảng 80% COD có thể chuyển thành methane với 0,35 Nm3 CH4/kg COD xử lý, thu hồi methane tiềm năng từ nước thải đô thị được ước tính 0,14 Nm3 CH4/m3nước thải (Verstraete W et al., 2009)

Giá trị tiềm năng năng lượng hằng năm tối đa theo lý thuyết từ carbon hữu cơ trong nước thải

đô thị ở Hà Lan (1.928 triệu m3 với COD khoảng 946.000 tấn) là 11.900TJ với điều kiện giả thiết rằng tất cả COD trong nước thải được chuyển thành biogas Do thực tế chỉ có 80% COD

có thể chuyển thành methane, tiềm năng tối đa thực tế sẽ là 9.400TJ; cao hơn bốn lần năng giá trị tiềm năng hiện hữu từ phân hủy bùn (2.215TJ/năm) Hiển nhiên để đạt được tiềm năng này cần phải chuyển đổi tối đa COD thành bùn để phân hủy, sản sinh tối đa methane từ phân hủy bùn, chuyển đổi và tận dụng tối đa năng lượng từ biogas (Jos Frijn et al., 2013)

Có thể thu hồi tối đa năng lượng carbon trong nước thải bằng cách cô đặc carbon hữu cơ và đồng phân huỷ với rác hữu cơ phân loại tại nguồn thải (Jos Frijn et al., 2013) Ở các đô thị Việt Nam, chất thải rắn hữu cơ thường thải đổ vào bãi chôn lấp hoặc làm compost Nếu chất thải này như là nguồn carbon bên ngoài được cấp vào quá trình phân cùng với nước thải cô đặc có thể sản sinh năng lượng, có tính khả thi, và trong thực tế hệ thống này đã được chứng minh (Jos Frijn et al., 2013)

Nước đen, là nước thải từ nhà vệ sinh, có thể xử lý bằng bể tự hoại cải tiến kết hợp với UASB

xử lý nước đen và bể tự hoại lắng và phân huỷ cặn Công nghệ này là quan điểm DESAR ở đó

hệ thống vệ sinh xử lý kết hợp với tái sử dụng tại chỗ Meulman và cộng sự (2008) cho thấy thực nghiệm pilot với sự phân hủy nước đen và chất thải nhà bếp của 2.300 cư dân bằng bể UASB ở nhiệt độ 250C, cho thấy sản sinh năng lượng ròng là 65.700 kWh/năm (tương đương 8.200 Nm3 khí thiên nhiên, 80%CH4) cộng thêm 60.450 kWh (điện)/năm Hệ thống này có khả năng chuyển đổi khoảng 40% tải COD thành biogas Biogas sinh ra đủ cấp cho nhu cầu gia nhiệt bể phản ứng, cung cấp điện cho bồn cầu chân không và còn lại lượng dư thừa, thậm chí trong điều kiện vận hành bể kỵ khí không được tối ưu Bổ sung thêm chất thải nhà bếp làm tăng gấp đôi biogas So sánh với hệ thống vệ sinh truyền thống, tổng năng lượng tiết kiệm được là 200 MJ/người.năm (Zeeman G et al., 2008)

1.3 CÔ ĐẶC NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG NHẮM ĐẾN THU HỒI

NGUỒN NĂNG LƯỢNG

Tổng quan về màng

Bất cứ vật liệu nào hình thành lớp mỏng và có khả năng chịu đựng áp suất lớn để tách các thành phần trong dung dịch như chất lơ lửng, dung môi, chất hòa tan đều được xem là màng lọc Việc lựa chọn màng cho một quá trình xử lý cụ thể phụ thuộc các yếu tố:

 Kích thước lỗ rỗng của màng xác định những chất nào đi qua màng và những chất nào giữ lại

 Vật liệu màng quyết định chất ô nhiễm được giữ lại và khả năng bẩn màng

 Hình dạng màng quyết định khả năng nghẹt màng, hiệu quả làm sạch và các yêu cầu xử lý

sơ bộ

Dựa vào kích thước khe lọc, màng được phân thành thành 4 loại: Màng MF (Microfiltration), màng UF (Ultrafiltrion), màng NF (Nanotrafiltration), màng RO (Reverse Osmosis) Một số đặc tính kỹ thuật của 4 loại màng này được trình bày trong

Hình 1.3 Màng được sản xuất với nhiều hình dạng khác nhau, cơ bản gồm màng ống (tube), màng sợi rỗng (hollow fibre), màng tấm phẳng (flat sheet) và màng xoắn ốc (spiral wound), … Một số dạng màng được trình bày trong Hình 1.3 Màng có thể được sản xuất bằng chất liệu hữu cơ hoặc

vô cơ Một số loại polymer hữu cơ sử dụng để sản xuất màng như polysulfone, polyethersulfone, sunfonated polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, cellulosics, polyimide, polyetherimide, aliphatic polyamides, polyetherketone Màng vô cơ ổn định về mặt hóa học, cơ học và nhiệt nhưng lại dễ gãy vỡ và đắt tiền hơn màng hữu cơ Màng hữu cơ được ứng dụng rộng rãi trong nước thải và nước cấp vì bền hơn với diện tích bề mặt màng lớn, chống bẩn màng tốt hơn

Hình 1.3 Sơ đồ chức năng một số loại màng

Quá trình lọc màng

Có 2 phương thức lọc màng: lọc trực giao (dead end) và lọc tiếp tuyến (crossflow)

Trong quá trình lọc trực giao, các hạt có kích thước lớn hơn lỗ lọc sẽ bị giữ lại tạo thành lớp bánh bùn tăng dần theo thời gian, làm gia tăng trở lực lọc, đòi hỏi phải thường xuyên rửa ngược, đôi khi dẫn đến phải thay thế màng

Hình 1.4 Nguyên lý các phương thức lọc màng

Đối với lọc tiếp tuyến, dòng nước sẽ chảy tiếp tuyến với bề mặt màng, hình thành một áp suất làm một số hạt có thể qua được màng lọc Những hạt còn lại sẽ tiếp tục chạy dọc theo màng Trái ngược với lọc trực giao, lọc tiếp tuyến tránh được việc hình thành lớp bánh bùn dày hơn do có dòng vào với vận tốc cao ngay trên bề mặt màng, giảm việc bẩn màng hiệu quả

Hình 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến bẩn màng trong quá trình MBR

Quá trình lọc liên quan đến loại bỏ hạt vật chất lơ lửng trong chất lỏng bằng cách cho chất lỏng đi qua vật liệu lọc Trong công nghệ lọc màng, kích thước của hạt cần lọc được mở rộng đến thành phần hòa tan (điển hình từ 0,0001 đến 1,0 µm) Trong đó vai trò của màng lọc như một tấm chắn

có chọn lọc mà sẽ cho phép đi qua một số thành phần và giữ lại những thành phần khác còn lại hiện diện trong chất lỏng

Thông lượng lọc (J, L/(m2.h)) được xác định như sau:

 t là thời gian lọc (đơn vị h)

 A là diện tích làm việc của màng lọc (đơn vị m2)

Trở lực màng là đại lượng thể hiện mức độ làm cản trở dòng thấm qua màng bởi các thành phần gây cản trở dòng thấm qua màng bao gồm: trở lực do lớp keo, trở lực do lớp bám bề mặt và trở lực bản thân màng Phương trình 1-2 thể hiện mối tương quan giữa trở lực màng, thông lượng dòng thấm và áp suất chuyển qua màng (TMP)

t R

P J

Lọc màng trực tiếp nước thải

Lọc màng trực tiếp nước thải là một công nghệ hứa hẹn ví dụ như nước thải có thể được cô đặc và sau đó dòng đậm đặc có thể được cấp vào bể phản ứng sinh học (cho mục đích sản sinh năng lượng) trong khi dòng thấm được nhắm đến mục đích tái sử dụng Hệ thống lọc màng rung và hệ thống lọc màng có sục khí được đánh giá là kỹ thuật khả thi trong việc thu hồi nước và năng lượng qua việc cô đặc nước thải từ nhà máy xử lý nước thải đô thị Thí nghiệm lọc được thực hiện với cấu hình gồm hai màng nối tiếp Thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm chứng minh ưu điểm của màng lọc rung so với màng lọc sục khí ở cả hai phương diện chức năng lọc (kiểm soát bẩn màng)

và tiêu thụ năng lượng Cả hai hệ thống vi lọc có hiệu quả cô đặc nồng độ COD nhưng không hiệu quả đối với Nitrogen và Phospho Thực nghiệm vận hành pilot bán liên tục không nêu ra ích lợi của quá trình do COD phân hủy sinh học nhanh và nhanh chóng lắng trong bể nạp (Ivo F.J Vankelecom et al., 2012)

Thu hồi năng lượng từ nước thải có thể cũng khả thi bằng lọc trực tiếp qua màng nhúng chìm Bằng cách lọc này, vấn đề bẩn màng do tác nhân sinh học trong MBRs (Drews, A , 2010); (Meng,

F et al., 2009); (Miura Y et al., 2007) có thể tránh được vì lượng vi khuẩn hiện diện tương đối thấp trong nước thải sinh hoạt Giai đoạn cô đặc hiển nhiên là yếu tố then chốt để triển khai thực hiện quan điểm này một cách hiệu quả Bởi vì nguồn năng lượng trực tiếp nhất, hữu ích và được khai thác một cách phổ biến trong nước thải sinh hoạt là phần hữu cơ Lọc màng có thể đạt hiệu quả cao khi cả phần có nồng độ COD cao được giữ lại và lượng đáng kể của nước (dòng thấm) chứa lượng hữu cơ thấp được tạo ra (Ivo F.J Vankelecom et al., 2012)

Tuy nhiên, lọc trực tiếp nước thải là vấn đề khá thách thức và kiểm soát bẩn màng một cách phù hợp là cần thiết Thí nghiệm được thực hiện ví dụ với màng UF rung Tuy nhiên thông lượng khá thấp, đầu tư và tiêu thụ năng lượng khá cao (Wim Schiettecatte, Ludo Diels, 2013)

Một nghiên cứu khác thực hiện quá trình lọc màng trực tiếp nước thải đô thị bằng màng sợi rỗng với hai màng gắn nối tiếp nhau, vận hành trong điều kiện có rửa ngược tăng cường hóa chất Lọc màng được vận hành trong điều kiện thông lượng tương đối cao trong hơn 200 giờ Việc lựa chọn hóa chất có ảnh hưởng đến lượng hữu cơ thu hồi được Trong điều kiện vận hành tối ưu nhất thu hồi được khoảng 75% vật chất hữu cơ (Lateef S.K et al., 2013)

Nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2009) sử dụng màng UF polyvinyl clorua (PVC) tiền xử lý cho hệ thống màng thẩm thấu ngược RO xử lý nước thải thứ cấp ở Scottsdale Water Campus Kết quả cho thấy màng PVC UF có hiệu quả loại bỏ độ đục, chất rắn lơ lửng và màu sắc với hiệu suất tương ứng là 96%, 88% và 50% Việc xử lý sõ bộ bằng UF đã nâng cao thông lượng RO 34%, so với các hệ thống tiền xử lý thông thường khác như lọc cát

Ravazzini và cộng sự (2005) đã ứng dụng màng UF để lọc nước thải đô thị thô sử dụng màng ống Poly vinyl difloride (PVDF) với đường kính 5.2 mm và diện tích màng 0.073 m2 Kết quả nghiên

cứu cho thấy, hiệu quả xử lý COD, TN, TP lần lượt là 36.7%, 10.22%, 18.52% và TSS không phát hiện trong nước sau lọc

Akdemir và Ozer (2009) sử dụng hai màng UF trong nghiên cứu xử lý nước thải của công ty dầu ôliu Hai màng tấm phẳng MW (Polyvinylidine-difluoride) và JW (Ultrafilic) do Osmonics SEPA

CF II cung cấp có diện tích bằng nhau (0,0155 m2) và có MWCO lần lượt là 30.000 Da và 100.000

Da Kết quả cho thấy hiệu quả của hai màng là khác nhau Thông lượng cao nhất là 25,9 L/m2.h, thu được bằng cách sử dụng màng MW với lưu lượng dòng vào (QF) là 200 L/h tại TMP = 4bar, trong khi thông lượng tối ưu đạt được ở QF = 100 L/h và TMP = 1 bar đối với màng JW

Có thể thấy thông lượng hầu như không đổi tại vùng áp suất cao (gọi là áp suất tới hạn) khi tăng

áp suất qua màng Trong khoảng giá trị từ 2 – 3 bar, áp suất qua màng tăng thì thông lượng tăng chứng tỏ không hình thành lớp bám bẩn cản trở thông lượng qua màng Vận hành ở áp cao lại tiêu thụ nhiều năng lượng trong khi hiệu quả xử lý tăng không đáng kể Với những nghiêu cứu chuyên sâu hơn, TMP = 1 bar đã được chọn

Ứng dụng màng UF trong xử lý nước thải

Đối với công nghệ màng lọc UF nói riêng hay của tất cả các quá trình lọc màng khác nói chung, thông lượng là một thông số vận hành rất quan trọng Năng suất, chi phí hoạt động và thay thế màng cũng bị ảnh hưởng do sự giảm dần của thông lượng theo thời gian, thậm chí khi các thông

số hoạt động chính (áp suất qua màng, lưu lượng dòng vào, nồng độ dòng vào, nhiệt độ) được giữ không đổi Các biện pháp phòng chống bẩn màng như rửa ngược thường xuyên, rửa hóa chất làm tăng chi phí, làm giảm khả năng cạnh tranh của lọc màng so với các công nghệ khác Do đó

dự đoán sự suy giảm thông lượng đối với màng UF và nói chung tất cả các ứng dụng màng khác

là rất quan trọng để đánh giá năng suất tổng thể, tối ưu hóa, tự động hóa và để mở rộng các hệ thống Nghiên cứu của Teodosiu và cộng sự (2000) tập trung vào sự phát triển của hai chương trình máy tính có thể dự đoán thông lượng ngay lập tức trong khi lọc, sau khi rửa ngược của bất

kì chu kỳ lọc nào Chương trình phát triển trên cơ sở hệ thống dữ liệu thực nghiệm với kết quả đáng tin cậy, mà không cần bất kỳ các kiến thức lý thuyết về quá trình lọc nào

Tái sử dụng nước thải chế biến gia cầm bằng công nghệ màng UF được nghiên cứu bởi Avula và cộng sự (2008), Đại học Georgia, USA Với khoảng 2 - 5% tổng số protein trong nguyên liệu đầu vào bị mất mát trong nước thải, nước thải chế biến gia cầm chứa chủ yếu là 35% đạm, BOD, COD cao hơn so với nước thải sinh hoạt thông thường Trong nước thải chế biến gia cầm 80% các chất hữu cơ trong nước thải ở dạng hạt vật chất với kích thước hạt trung bình là 75 – 100 μm Khi sử dụng màng lọc UF, các phế phẩm như dầu mỡ, protein được thu hồi, đã làm giảm COD của quá trình xử lý nước thải, cung cấp giải pháp cho vấn đề ô nhiễm nguồn nước và tài nguyên nước, khi dòng ra sau xử lý có thể tái sử dụng trở lại quá trình sản xuất

Nghiên cứu khác xử lý và tái sử dụng nước thải dệt nhuộm dựa vào công nghệ màng UF và các màng khác được thực hiện bởi Marcucci và cộng sự (2001), Đại học Genova, Ý Trong nghiên

cứu này, lọc cát và UF được sử dụng tiền xử lý cho quá trình lọc màng NF và RO Tại bước xử lý

UF, FLAMEC (Flat Membrane Cassette), một loại module màng cải tiến kết hợp giữa UF và MF dạng tấm phẳng hoạt động ở áp suất chân không đã đưa vào công nghiệp hóa bởi công ty Filterpar S.R.L (Ý) đã được sử dụng Module lọc FLAMEC 150 bằng vật liệu polyvinylidenefluoride (PVDF), diện tích bề mặt màng 66m2, MWCO là 70.000 Da Nước thải dệt nhuộm được xử lý trước đó bằng quá trình bùn hoạt tính sau đó qua lọc cát, qua UF và RO đảm bảo chất lượng nước đầu ra rất tốt Lọc cát và UF loại bỏ 92% độ đục và 96% chất rắn, 52% COD Độ màu chỉ giảm rất ít sau lọc cát và UF Sau RO, COD gần như được loại bỏ hoàn toàn Khi tái sử dụng nước sau lọc RO, các sợi nhuộm với 100% dòng thấm từ màng lọc RO cho kết quả rất khả quan, ngay cả khi nhuộm màu sáng Các sợi được nhuộm bằng nước sạch và các sợi nhuộm tương tự bằng nước tái chế không cho thấy bất kỳ sự khác biệt Trên cơ sở những thử nghiệm trên, có thể khẳng định dòng ra sau lọc RO, với lọc cát và UF tiền xử lý có thể được tái sử dụng trong tất cả các quy trình dệt, ngay cả những qui trình yêu cầu chất lượng nước cao

Việc áp dụng các khái niệm xử lý nước thải không chất thải “Zero Waste”, trong đó bao gồm quá trình lọc màng và đồng thủy phân, nhằm mục đích để thu hồi nước, năng lượng, phân bón vô cơ

và hữu cơ từ nước thải đô thị (Verstraete et al., 2009) Trong khái niệm này, màng lọc đã được chứng minh là một công nghệ đầy hứa hẹn mà nước thải đô thị tập trung mà có thể chảy đến các

lò phản ứng kỵ khí hoặc tế bào nhiên liệu vi khuẩn cho khí sinh học hoặc điện (Freguia et al., 2010) Hơn nữa, chất lượng thấm qua là đủ tốt để tái sử dụng hoặc xả thải an toàn vào dòng nước

Cả hai UF và MF được tìm thấy có hiệu quả trong nồng độ COD của nước thải Nó đã được báo cáo rằng nồng độ COD trong nước thải đô thị có thể là 497 – 2.349 mg/L sử dụng một bể màng

UF hiếu khí 12,8 LMH Quá trình lọc màng thu được 91,1% COD và tiêu thụ 0,6 kWh/m3 điện năng (Mezohegyi et al., 2012) Nồng độ COD là 747 mg/L được thu thập từ MF trong nước thải, trong đó nồng độ COD là 301 mg/L, hằng số thông lượng là 20,8 LMH (Lateef et al., 2013) Trong nghiên cứu khác sử dụng nước xám như dòng thức ăn của bể màng MF, nồng độ COD có thể tăng

từ 603 mg/L - 1.501 mg/L (Hernández Leal et al., 2010)

Xử lý nước thải đô thị sau quá trình xử lý bậc hai và bậc ba bằng công nghệ màng đã được nghiên cứu tại đại học California Davis (California, Mỹ) do Tchobanoglous và cộng sự thực hiện (1998) Nước thải sau khi xử lý bậc hai với quá trình bùn hoạt tính kết hợp khử trùng được tiếp tục xử lý bậc ba bằng lọc liên tục dòng chảy từ dưới lên rồi qua màng UF

1.4 ĐỒNG PHÂN HỦY KỴ KHÍ

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về bể biogas

Kỹ thuật biogas được phát triển tại Việt Nam từ năm 1960 Sau ngày thống nhất đất nước (1975) cho đến năm 1990, kỹ thuật này được xem là một trong những ưu tiên hàng đầu của đất nước trong chương trình nghiên cứu tìm nguồn năng lượng mới và năng lựơng tái tạo Trong khuôn khổ chương trình, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, tập trung vào lĩnh vực công nghệ biogas Các đơn vị tham gia vào chương trình phát triển biogas bao gồm Viện Năng lượng, Đại học Bách

khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa Tp.HCM, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học Cần Thơ, các

Sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường địa phương

Từ năm 1992, trong chương trình dự án của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn với sự hỗ trợ của các tổ chức như FAO, SAREC, SIDA và Viện Chăn nuôi nông nghiệp Quốc gia, trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM đã phát triển mô hình bể ủ biogas dạng túi Với ưu thế về chi phí đầu

tư thấp, kỹ thuật lắp đặt và vận hành đơn giản, kỹ thuật này đã nhanh chóng được chấp nhận và nhân rộng bởi Hội Làm vườn Việt Nam và các tổ chức cá nhân khác Trong Chương trình Quốc gia về cấp nước và vệ sinh môi trường nông thôn, Trung tâm hỗ trợ Phát triển Nông thôn đã phát triển mô hình bể ủ nắp vòm, cố định với nắp bể dạng hình bán cầu, cấu tạo từ vật liệu composit và

xi măng lưới thép (mô hình bể ủ Biogas Thái Lan – Đức)

Chương trình Khí sinh học cho Ngành Chăn nuôi Việt Nam - dự án liên kết của Chính phủ Việt Nam và Cục Chăn nuôi- Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan đã hỗ trợ nông dân xây dựng 18.000 bể biogas trong giai đoạn 1 (2003 – 2005) tại 12 tỉnh thành của 8 vùng sinh thái; 27.000 bể vào cuối năm 2006 và đến cuối năm 2007, hơn 16.000 bể sẽ được xây dựng Trong giai đoạn 2 (2008 – 2011), chương trình BP dự kiến sẽ mở rộng ra trên hơn 50 tỉnh, thành trong tổng số 64 tỉnh thành của Việt Nam với số lượng khoảng 14.000 bể ủ Hiện nay, trên cả nước có khoảng 150.000 bể ủ biogas, hầu hết thuộc dạng bể ủ nắp vòm cố định và dạng túi

Gần đây, sự phân hủy yếm khí các chất thải rắn hữu cơ như sinh khối nông nghiệp, phân động vật, bùn tự hoại, thực phẩm hoặc chất thải tại chợ, xử línước thải và bùn đã được phát triển đáng kể ở Việt Nam cũng như các nước Đông Nam Á để sản xuất nguồn năng lượng tái tạo thay thế từ sản xuất khí sinh học (Ratanatamskul et al., 2014) Liên quan đến các quá trình đồng thủy phân, một

xử lý yếm khí các chất thải nhà bếp kết hợp với nước đen trong bể tự hoại UASB đã được nghiên cứu (Luostarinen và Rintala, 2007) Kết quả cho thấy 95% TSS, tổng số 90% tổng COD và 40% tổng Nitơ được loại bỏ từ hỗn hợp Nó được phát hiện rằng nước thải kết hợp và nước đen sản xuất khí methane hơn là từ chỉ nước đen Rajagopal et al (2013) cho rằng, ở trạng thái ổn định, một kỵ khí đồng thủy phân của nước và chất thải thực phẩm màu nâu đạt được một COD hòa tan tương đối cao, tổng COD, và VS loại bỏ được 92,0 ± 3,0, 76,7 ± 5,1 và 75,7 ± 6,6% ở HRT là 16 ngày, tương ứng (Rajagopal et al., 2013) Sản lượng methane là khoảng 0,41 l CH4/gVS gia tăng tương ứng với OLR là 2 - 3 gCOD/l Wendland et al (2007) cho rằng, tại HRT là 20 ngày, sự loại

bỏ các tổng COD, COD hạt vật chất và năng suất metan là 71%, 67% và 27 l CH4/người/ngày đó

là đáng kể hơn so với sự thủy phân nước đen mà không cần bổ sung chất thải nhà bếp (Wendland

et al., 2007) Hiện nay, có rất ít nghiên cứu về đồng thủy phân yếm khí tại Việt Nam Vì vậy, mục đích của nghiên cứu này là để đánh giá khả năng ứng dụng và tỷ lệ thu hồi sinh khối của công nghệ xử lý nước thải bao gồm nồng độ nước thải tập trung bằng màng UF và đồng phân hủy kỵ khí với chất thải nhà bếp để sản xuất khí sinh học tại thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong nghiên cứu này, hai thí nghiệm sau được tiến hành: (i) thực nghiệm qui mô PTN nhằm xác định các thông số thiết kế và vận hành của hệ thống SW+ và (ii) Thí nghiệm qui mô pilot có công suất phát thải của 2-3 hộ Từ kết quả hai thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu đánh giá tiềm năng ứng dụng của công nghệ SW+ thông qua phân tích tính kinh tế, hiệu quả môi trường

2.1 THỰC NGHIỆM QUI MÔ PTN

Trên cơ sở tổng quan tài liệu, trong chương này tập trung vào phương pháp nghiên cứu ứng dụng

cô đặc nước thải sinh hoạt bằng màng UF nhằm tạo ra dòng đậm đặc để sử dụng làm nguồn cơ chất cho quá trình đồng phân hủy kỵ khí với chất thải thực phẩm nhà bếp bằng bể kị khí xáo trộn hoàn toàn Nội dung nghiên cứu bao gồm:

 Cô đặc NTSH bằng màng UF,

 Đặc tính bẩn màng trong quá trình cô đặc được đánh giá,

 Ảnh hưởng của bẩn màng được xét thông qua tốc độ cô đặc và cân bằng COD,

 Đánh giá hiệu quả thu hồi khí sinh học, và

 Cân bằng Carbon cho hệ thống SW+

Mô hình quy mô PTN

Mô hình quy mô phòng thí nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm một bể màng UF

và bể phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn (Hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ của đơn vị quy mô phòng thí nghiệm

Bể lọc màng hình hộp hình chữ nhật làm từ tấm acrylic có kích thước 18 cm x 8 cm x 35 cm với dung tích làm việc (VUF) 3,75 lít Thử nghiệm sử dụng một màng phẳng UF bằng vật liệu

G

Bơm

Đầu dò

áp suất Van

Chất thải hữu cơ nhà bếp

polyethersulfone (PES) với kích thước khe rỗng (poresize 150 kDa tương đương 0,07 mm) đã được cung cấp bởi Công ty A3 Solution GmbH, Đức Diện tích màng UF (10 cm x 20 cm) là 400

cm2 Điều kiện vận hành yêu cầu của màng là áp lực chuyển màng (TMP) từ 20-250 mbar, áp lực rửa ngược nên nhỏ hơn 50 mbar và thông lượng từ 15 đến 25 LMH Màng được đặt giữa hai vách ngăn acrylic (31 cm x 11 cm) để tăng cường hiệu quả cọ rửa sạch bằng khí và tránh khuếch tán không khí vào khối chất lỏng trong bể để làm giảm khả năng phân hủy sinh học Khe hở giữa bề mặt màng và vách ngăn là 5mm

Bể phân hủy kỵ khí có dạng hình trụ tròn chiều cao 600mm, đường kính 120mm, tương ứng với thể tích 6L, thể tích hữu ích 5L và chiều cao công tác là 500mm Bể phân hủy kỵ khí được lắp một đường ống nạp nguyên liệu theo hướng xuôi dòng Cánh khuấy được lắp ở giữa bể Sơ đồ và hình ảnh được trình bày trong

Hình 2.2 Các mô hình này được vận hành ở phòng thí nghiệm khoa Môi Trường-Tài Nguyên, trường ĐH Bách Khoa, Đại Học Quốc gia TP.HCM

Hình 2.2 Bể phân hủy kỵ khí

Nguyên vật liệu

Nước thải sử dụng trong nghiên cứu này được lấy từ cống thoát nước thải của chung cư ở Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh Nước thải mang về PTN được để lắng trong khoảng 30-45 phút nhằm loại bỏ cặn lơ lững và dầu mỡ Nồng độ trung bình của các thành phần trong nước thải là COD = 145±35 mg/L, TP = 1,77 ± 0,44 mg/L, TKN = 39 ± 14,3 mg/L và N-NH4+ = 32,2 ± 6,3 mg/L

Rác thải hữu cơ nhà bếp, được lấy từ một hộ gia đình sống trong chung cư, được nghiền bằng máy xay tay Rác nghiền được trộn với nước thải cô đặc với tỉ lệ khối lượng ướt rác: nước thải là 2:1 và sau đó nạp vào bể phân huỷ Hỗn hợp rác và nước có thành phần TS 127 ± 9,1 g/kg, VS

108 ± 6,5 g/kg và TKN 3,64 ± 0,8 g/kg

Điều kiện vận hành

Hai thí nghiệm cô đặc màng được tiến hành với nước thải có nồng độ COD vào khác nhau: (i) nồng độ COD cao = 188 ± 47 mg/L (HC test), và (ii) nồng độ thấp = 102 ± 24 mg/L (LC test) Các thí nghiệm được chạy với thông lượng là 20 l/m2.h và hoạt động ở chế độ bơm chạy 8 phút: ngừng 2 phút, tương đương với lưu lượng thấm (Qp) 0,64 l/h Mỗi thử nghiệm được chạy trong

72 giờ lọc ở nhiệt độ phòng, khoảng 25-32oC Sau mỗi thí nghiệm, các màng được làm sạch hóa học bằng cách ngâm nó màng vào dung dịch NaClO 500 ppm trong 2 giờ

Vào cuối mỗi thí nghiệm, đặc tính bẩn màng đã được đánh giá bằng thông số trở lực màng R được thể hiện trong phương trình 1 Các quy trình xác định trở lực màng R được mô tả trong nghiên cứu của Bai et al (2013)

Bể phân huỷ kỵ khí được vận hành ở tải trọng 20 kg trọng lượng ướt/m3/ngày (tương đương 2,0

kg VS/m3/ngày) và thời gian lưu bùn (SRT) 50 ngày 6 lít bùn được lấy từ một bể phân hủy kị khí quy mô pilot đang vận hành với rác nhà bếp đã được nuôi cấy ban đầu cho bể phân hủy quy mô phòng thí nghiệm Bể kị khí quy mô pilot có tốc độ sinh khí 0,48 m3 biogas/kg VS Bùn nuôi cấy ban đầu có thành phần TS 32 g/l, VS 11,5 g/l và pH 7,2 - 7,4

2.2 THÍ NGHIỆM QUY MÔ PILOT

Mô hình

Mô hình pilot SW+ gồm hai bể chính: (i) bể màng cô đặc và (ii) bể phân huỷ kị khí xáo trộn hoàn toàn Sơ đồ hệ thống được thể hiện ở Hình 2.3 Công suất của hệ thống tương đương với lượng chất thải phát sinh từ hai hộ dân, với lượng nước thải 150 lít/người.ngày và rác nhà bếp hữu cơ 0.5 kg khối lượng ướt/ngày.người

Module màng phẳng UF bằng vật liệu polyethersulfone gồm 22 tấm, mỗi tấm có kích thước 32,5

cm x 33,0 cm, với tổng diện tích bề mặt màng 3 m2 Module này được đặt trong bể bằng thép không rỉ với dungtích làm việc 185 lít Module màng này được công ty A3 solution-Đức cung cấp Kích thước khe rỗng 150 kDa

củ thải và thịt cá vụn Rác cũng được nghiền thủ công có kích thước 3 mm, sau đó trộn với nước

cô đặc từ bể màng theo tỉ lệ 2:1 (4 kg rác và 2 lít nước thải) Bùn nuôi cấy ban đầu lấy từ bể biogas của một trang trại nuôi heo ở Củ Chi, có nồng độ sinh khối 30g TVS/l Thành phần và tính chất rác thải và bùn nuôi cấy thể hiện ở Bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần và tính chất bể phân huỷ

(g/kg w.w)

TVS (g/kg w.w )

NH 4 -N (g/kg w.w)

TKN (g/kg)

TP (g/kg)

OC (g/kg) Bùn nuôi cấy 7.5 ± 0.3 150 ± 5 78 ± 3 2.1 ± 0.8 3.4 ± 1.0 1.2 ± 0.4 - Rác nhà bếp 5.1 ± 0.3 163 ± 29 134 ± 11 2.9 ± 0.6 3.3 ± 0.6 1.6 ± 0.7 170± 5

Điều kiện vận hành

Dòng thấm được hút qua màng ở thông lượng 16 l/m2.h và chế độ vận hành 10 phút chạy và 2 phút nghĩ Bẩn màng, đánh giá bằng mức độ tăng áp suất chuyển màng (TMP), được quan trắc bằng hệ thống PLC (Program Logic Controller) nối với máy tính Để kiểm soát bẩn màng, chuông báo hiệu lên tiếng khi TMP đạt 250 mbar Màng được rửa ngược thủ công bằng dòng thấm ở thông lượng 8 l/m2/h trong vòng 01 giờ Hoá chất sử dụng rửa màng tương tự như thí nghiệm quy mô PTN (dung dịch NaClO 500 ppm) Màng được rửa bằng dung dịch này trong 01 giờ ở lưu lượng

900 ml/min ± 10 ml/min Bể màng được vận hành liên tục ở lưu lượng dòng vào 852 l/ngày, dòng thấm 850 l/ngày và dòng cô đặc 2 l/ngày, tương ứng với thời gian lưu nước (HRT) là 5,2 giờ và thời gian lưu dòng cô đặc (CRT) là 92,5 ngày

Trong khi đó bể kị khí được vận hành ở tải trọng hữu cơ 2,8 kgVS/m3/ngày và thời gian lưu là 50 ngày Hỗn hợp nước cô đặc và chất thải nhà bếp được châm vào bể kị khí mỗi ngày Một pH controller (HANNA Instruments,USA) được lắp đặt để diều chỉnh pH trong bể dao động từ 6,8 đến 7,5 bằng dung dịch NaOH 10% Đầu dò nhiệt độ đo trực tuyến cũng được lắp đặt

Bảng 2.2 Phương pháp và thiết bị phân tích

Kjeldahl

8 TS % 2540 G.Total, Fixed and Volatile Solids in Solid and

9 VS % 2540 G.Total, Fixed and Volatile Solids in Solid and

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 THÍ NGHIỆM QUI MÔ PTN

Hiệu suất cô đặc

Hai thí nghiệm cô đặc màng được tiến hành với mẫu nước thải có nồng độ COD vào khác nhau: (i) nồng độ COD cao = 188 ± 47 mg/L (HC test), và (ii) nồng độ thấp = 102 ± 24 mg/L (LC test) Các thí nghiệm được chạy với thông lượng là 20 l/m2.h Nồng độ COD dòng cô đặc và dòng thấm được trình bày trong Bảng 1 Kết quả cho thấy nồng độ COD dòng thấm (32 ± 12 mg/L và 35 ±

17 mg/L) nằm dưới tiêu chuẩn xả thải cho phép của nước thải đô thị (50 mg/L) Các nghiên cứu tương tự dùng màng lọc UF cũng tạo ra dòng thấm có nồng độ COD trong khoảng từ 15 đến 44 mg/L (Bourgeous et al., 2001; Ramona et al., 2004; Lateef et al., 2013) Nồng độ COD trong bể

cô đặc màng (DMF) liên tục tăng và ổn định sau 36 h thí nghiệm COD đạt tới 1022 ± 55 mg/L ở thí nghiệm HC và 384 ± 14 mg/L ở thí nghiệm LC, tương đương với 5,4 lần và 3,8 lần cao hơn hàm lượng COD vào Thực tế cũng chỉ ra rằng COD đã không tăng tiếp sau 36 h vận hành do quá trình phân hủy sinh học diễn ra trong bể (Lateef et al., 2013; Mezohegyi et al., 2012) Điều này đã được kiểm tra bằng cách tính lượng COD tích lũy trong dòng thấm và dòng cô đặc rồi so sánh với dòng vào Kết quả cân bằng vật chất COD vào cuối thí nghiệm được trình bày trong Hình 3 Trên

cơ sở dữ liệu vận hành 36 h, tỉ lệ thu hồi là 63% cho thí nghiệm HC và 47% cho thí nghiệm LC, nhỏ hơn nhiều so với kết quả đạt được của Lateef et al (2013) (Bảng 3.1) Lý do có thể là thời gian lưu dài (thời gian lưu nước HRT 5,9 h) và nồng độ COD vào thấp do quá trình xử lý sơ bộ của bể lắng và bể tự hoại Akanyeti et al (2010) cho rằng thời gian lưu bùn ngắn và thời gian lưu nước dài là những yếu tố chính để giảm ảnh hưởng của việc tiêu thụ COD do vi khuẩn dị dưỡng trong suốt quá trình cô đặc COD Tương tự, (Hernández Leal et al., 2010) cho rằng quá trình cô đặc nước xám sử dụng màng MF tạo ra nồng độ COD và phốt pho tổng cao nhất ở thời gian lưu dòng cô đặc (CRT) 1,0 ngày và thời gian lưu nước (HRT) 1,9 h (Bảng 3.1) Thời gian lưu dòng

cô đặc CRT và thời gian lưu nước được xác định bằng công thức sau:

𝐶𝑅𝑇 = 𝑉𝑟

𝑄𝑐

𝐻𝑅𝑇 = 𝑉𝑟

𝑄𝑝Trong đó: V r – Thể tích bể màng (l)

Q c – Lưu lượng dòng cô đặc (l/h)

Q p – Lưu lượng dòng thấm (l/h)