Xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp có nồng độ nitơ cao bằng công nghệ ICEAS MBSBR (intermittent cycle extended aeration system – moving bed sequencing batch reactor)

TÓM TẮT Hệ thống ICEAS – MBSBR Intermittent Cycle Extended Aeration System - Moving Bed Sequencing Batch Reactor là một sự kết hợp của giá thể di động vào hệ thống ICEAS – SBR đã được ng

BÁO CÁO TỔNG KẾT

Tên đề tài:

Xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp có nồng độ nitơ cao

bằng công nghệ ICEAS-MBSBR (Intermittent Cycle Extended Aeration System – Moving Bed

Sequencing Batch Reactor).

MỤC LỤC

TÓM TẮT i

ABSTRACT ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

LỜI CÁM ƠN vi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu đề tài 3

3 Nội dung đề tài 3

4 Ý tưởng, tính mới 3

CHƯƠNG I TỒNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẬP TRUNG KHU CÔNG NGHIỆP VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ICEAS – MBSBR 4

1.1 Tổng quan về xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp 4

1.2 Giới thiệu tổng quát về hệ thống ICEAS – MBSBR 7

1.2.1 SBR 7

1.2.2 ICEAS – SBR 8

1.2.3 Hệ thống ICEAS – MBSBR 11

1.3 Các nghiên cứu trước đây trong và ngoài nước 12

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

2.1 Nước thải đầu vào 16

2.2 Bùn cấy ban đầu 16

2.3 Giá thể sử dụng 16

2.4 Mô hình nghiên cứu 16

2.5 Trình tự thí nghiệm 18

2.6 Phương pháp phân tích 19

2.6.1 Xác định MLSS trên giá thể 20

3.2 Hiệu quả loại bỏ nitơ 23

3.3 Hiệu quả loại bỏ photpho 24

3.4 Thay đổi nồng độ trong chu kỳ 25

PHẦN KẾT LUẬN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

PHỤ LỤC 1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 30

TÓM TẮT

Hệ thống ICEAS – MBSBR (Intermittent Cycle Extended Aeration System - Moving Bed Sequencing Batch Reactor) là một sự kết hợp của giá thể di động vào hệ thống ICEAS – SBR đã được nghiên cứu để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp có nồng độ nitơ cao Hai mô hình được chế tạo bằng mica có cùng thể tích chế tạo là 23,63 lít trong đó mô hình ICEAS – MBSBR dùng để kiểm chứng và mô hình ICEAS – SBR dùng để đối chứng Giá thể Anox Kaldnes K3 được cho vào mô hình ICEAS – MBSBR là khoảng 6 lít Mỗi chu kỳ kiểm soát có thời gian

là 8 giờ trong đó thời gian phản ứng là 6 giờ với các giai đoạn sục khí và khuấy trộn nối tiếp, thời gian lắng nước là 1 giờ và thời gian xả nước là 1 giờ Nước thải được bơm vào với lưu lượng tăng dần từ 9,46; 17,97 đến 32,66 lít/ngày tương ứng với tải trọng hữu cơ tăng dần từ 0,50; 0,75 đến 1,00 kgCOD/m3/ngày và tải trọng nitơ tăng dần từ 0,084; 0,127 đến 0,169 kgTN/m3/ngày Các ết quả thu được cho thấy mô hình ICEAS – MBSBR có khả năng xử lý cao hơn so với mô hình ICEAS – SBR Đối với nước thải đầu vào có nồng độ NH4+-N 68 mg/L và TN 95 mg/L, hiệu suất xử lý của

mô hình ICEAS – MBSBR đạt giá trị cao nhất tương ứng 93,46 và 92,32 % ở tải trọng 0,75 kgCOD/m3/ngày Hơn nữa, nồng độ đầu ra của chúng đều nằm trong giới hạn cột

A của QCVN 40:2011/BTNMT Hệ thống ICEAS – MBSBR vừa giúp nâng cao hiệu quả xử lý đồng thời nitơ và photpho có trong nước thải, vừa giúp chuyển quá trình xử

lý từ đầu vào gián đoạn sang đầu vào liên tục

ABSTRACT

Intermittent Cycle Extended Aeration System - Moving Bed Sequencing Batch Reactor (ICEAS – MBSBR), a combination of Moving Bed media with ICEAS – SBR was studied to evaluate treatment efficiencies of nitrogen with high concentration from concentrated industrial wastewater Two models made from polyacrylic with the same capacity of 23.63 liters were the ICEAS – MBSBR model as verified model and the ICEAS – SBR model as a control Anox Kaldnes K3 media used in the ICEAS – MBSBR model was approximately 6 liters Each cycle time was 8 hours in which 6 hours for reacting phase consisting of successive stages of aeration and mixing, 1 hour for settling phase and 1 hour for withdrawing phase Raw wastewater was pumped into with flow rates increased from 9.46, 17.97 to 32.66 liters/day corresponding to organic loadings increased from 0.50, 0.75 to 1.00 kgCOD/m3/day and nitrogen loadings increased from 0.084, 0.127 to 0.169 kgTN/m3/day The results showed that removal efficiencies of the ICEAS – MBSBR model were higher than those of the ICEAS – SBR model To wastewater with average NH4+-N concnetration of 68 mg/L and TN concentration of 95 mg/L, treatment efficiencies of these parameters of the ICEAS – MBSBR model reached the highest as 93.46 and 92.32 %, respectively for the loading

of 0.75 kgCOD/m3/day Moreover, output values of them were within the limits of QCVN 40:2008/BTNMT, column A ICEAS – MBSBR not only enhances simultaneous removal of nitrogen and phosphorus from wastewater but also makes treatment process change from interrupted to continous inflow

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

COD Chemical Oxygen Demand (nhu cầu oxy hóa học)

ICEAS – MBSBR Intermittent Cycle Extended Aeration System - Moving Bed

Sequencing Batch Reactor (bể bùn hoạt tính theo mẻ với hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng có bổ sung giá thể sinh học)

ICEAS – SBR Intermittent Cycle Extended Aeration System - Sequencing Batch

Reactor (bể bùn hoạt tính theo mẻ với hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng)

MBBR Moving Bed Biofilm Reactor (bể màng sinh học trên giá thể di

động)

MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng

MLVSS Hàm lượng các chất hữu cơ bay hơi

SBR Sequencing Batch Reactor (bể bùn hoạt tính)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần và tính chất nước thải tập trung khu công nghiệp 4

Bảng 2.1 Chỉ tiêu ô nhiễm của nước thải tập trung khu công nghiệp 16

Bảng 2.2 Thông số vận hành ở các giai đoạn tăng tải 19

Bảng 2.3 Vị trí lấy mẫu, tần suất lấy mẫu, chỉ tiêu phân tích 19

Bảng 2.4 Các phương pháp phân tích 20

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Qui trình tổng quát công nghệ xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp 5

Hình 1.2 Qui trình tổng quát công nghệ xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp 6

Hình 1.3 Các pha trong một chu kỳ của SBR (bể bùn hoạt tính theo mẻ) 7

Hình 1.4 Các pha trong một chu kỳ của ICEAS – SBR (bể bùn hoạt tính theo mẻ với hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng) 9

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của ICEAS – SBR (bể bùn hoạt tính theo mẻ với hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng) 10

Hình 2.1 Mô hình nghiên cứu ICEAS – SBR và ICEAS – MBSBR 17

Hình 2.2 Hình ảnh thực tế ICEAS – SBR và ICEAS – MBSBR 18

Hình 3.1 Nồng độ COD đầu ra ở các tải trọng 22

Hình 3.2 Hiệu suất xử lý COD ở các tải trọng 22

Hình 3.3 Nồng độ NH4+-N đầu ra ở các tải trọng 23

Hình 3.4 Hiệu suất xử lý NH4+-N ở các tải trọng 23

Hình 3.5 Nồng độ TN đầu ra ở các tải trọng 23

Hình 3.6 Hiệu suất xử lý TN ở các tải trọng 23

Hình 3.7 Nồng độ TP đầu ra ở các tải trọng 24

Hình 3.8 Hiệu suất xử lý TP ở các tải trọng 24

Hình 3.9 Nồng độ COD, NH4+-N, NO3--N, TN và TP trong pha phản ứng của mô hình ICEAS – MBSBR ở tải trọng 0,75 kgCOD/m3/ngày 26

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cám ơn đến Trường Đại học Bách Khoa và Đại học Quốc gia TPHCM đã chấp thuận và cung cấp kinh phí cho tôi thực hiện đề tài C2015-20-30 Rất cám ơn các thầy cô và anh chị ở Phòng Khoa học Công nghệ và Dự án thuộc Trường Đại học Bách Khoa đã hỗ trợ cho tôi một cách nhiệt tình và vui vẻ trong thủ tục hành chính từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc đề tài

Chân thành cám ơn Phòng Thí nghiệm Công nghệ Môi trường thuộc Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia TPHCM cùng với Phòng Thí nghiệm Môi trường thuộc Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa đã hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực nghiệm phân tích

Tôi cũng gửi lời cám ơn đến các Thầy GS TS Nguyễn Văn Phước và PGS TS Nguyễn Phước Dân đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến sự tìm tòi khám phá và phát triển tư duy của bản thân Chân thành cám ơn Cô TS Nguyễn Thị Thanh Phượng đã chia sẻ kinh nghiệm để tôi có thể hoàn thành đề tài

Chân thành cám ơn cô Dương Thị Thành, cô Trần Thị Phi Oanh, cô Nguyễn Thị Thu Thuỷ, các học viên cao học như Lê Thanh Lợi, Ngô Mạnh Tường, Phan Đình Đông và Huỳnh Thị Diệu Hương cùng với các bạn sinh viên hóa 2011, 2012 thuộc Khoa Môi trường và Tài nguyên đã cùng tham gia

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2009 về “Môi trường khu công nghiệp” thì ngay cả với các khu công nghiệp/cụm công nghiệp đã đầu tư xây dựng và đưa vào vận hành hệ thống xử lý nước thải tập trung, môi trường vẫn đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do tỷ lệ nước thải tại các khu công nghiệp/cụm công nghiệp này được thu gom

để xử lý và xử lý đạt tiêu chu n vẫn thấp [1] Có nhiều nguyên nhân như thiếu vốn đầu

tư, thiếu đất xây dựng, quản lý yếu kém hay công nghệ lựa chọn chưa phù hợp với đặc trưng nước thải Do đặc thù của nước thải tập trung khu công nghiệp là phát sinh từ nhiều ngành nghề khác nhau và có sự biến động rất lớn về lưu lượng và nồng độ nên

để xử lý nước thải này, công nghệ thường áp dụng là sự kết hợp của các phương pháp

cơ học, phương pháp hóa học hay hóa lý và phương pháp sinh học có độ linh hoạt và

ổn định cao SBR (Sequencing Batch Reactor) hay bể bùn hoạt tính theo mẻ gồm 5 pha có thể điều chỉnh tùy theo nước thải đầu vào thường được lựa chọn và thực tế là đang được áp dụng triển khai tại nhiều khu công nghiệp/khu chế xuất ở thành phố Hồ Chí Minh như hu công nghiệp Sóng Thần 1, 2; khu công nghiệp Tân Bình; khu công nghiệp Bình Chiểu; khu công nghiệp Vĩnh Lộc; khu chế xuất Linh Trung 1, 2, 3… [2] Một dạng cải tiến của SBR như ICEAS – SBR (Intermittent Cycle Extended Aeration System - Sequencing Batch Reactor) hay bể bùn hoạt tính theo mẻ với hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng gồm 2 ngăn: ngăn đầu vào, ngăn xử lý và có 3 pha: phản ứng, lắng nước, xả nước có thể nâng cao khả năng xử lý nitơ có trong nước thải, giảm chi phí vận hành do giảm thời gian sục khí, giúp bể xử lý chuyển từ hoạt động gián đoạn sang liên tục Tại ngăn xử lý và trong pha phản ứng, các quá trình sục khí và khuấy trộn được thực hiện nối tiếp nhau tương ứng các giai đoạn hiếu khí và thiếu hí để loại

bỏ thành phần hữu cơ và nitơ có trong nước thải thông qua các quá trình oxyhoá sinh học, nitrat hóa và khử nitrat Theo Xylem Water Solutions, Hoa Kỳ thì đã có hơn 900

hệ thống ICEAS – SBR được triển khai trên toàn thế giới Tuy nhiên hiện nay chưa có công bố chính thức nào về nghiên cứu liên quan đến hệ thống ICEAS – SBR

Hệ thống ICEAS – SBR vẫn là quá trình sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật nên

(Moving Bed Biofilm Reactor) hay bể màng sinh học trên giá thể di động sử dụng giá thể có khối lượng riêng nhẹ hơn nước và diện tích bề mặt riêng lớn để vi sinh dính bám với sự kết hợp của các quá trình bùn hoạt tính và lọc sinh học trong lớp màng vi sinh ở trạng thái tầng sôi là một công nghệ mới đã được các nhà khoa học Thụy Điển nghiên cứu phát triển từ năm 1986 và cho thấy khả năng xử lý chất hữu cơ cũng như dinh dưỡng có trong nước thải là rất lớn thông qua hiệu quả cao, dễ vận hành, chịu shock tốt, rất ổn định… [3] Theo Veolia Water Solutions Technologies, Hoa Kỳ thì

đã có hơn 500 hệ thống MBBR được triển khai trên khắp thế giới Như vậy kết hợp giá thể di động của MBBR vào ICEAS – SBR trong hệ thống ICEAS - MBSBR (Intermittent Cycle Extended Aeration System - Moving Bed Sequencing Batch Reactor ) sẽ có được ưu điểm của cả hai đó là có cả độ linh hoạt và ổn định cao cùng với tiềm năng nâng cao được cả tải trọng và hiệu quả xử lý không chỉ đối với các chất hữu cơ mà còn đối với các chất dinh dưỡng có trong nước thải

Kwannate Sombatsompop và cộng sự, 2011 [4] đã so sánh hả năng của 2 mô hình MB – SBR kết hợp và SBR truyền thống khi xử lý nước thải chăn nuôi Giá thể sponge PVC đã được sử dụng trong nghiên cứu này Kết quả thu được cho thấy hiệu quả xử lý COD của cả MB – SBR và SBR là cao hơn 60 % ở tải trọng 0,59 kgCOD/m3/ngày và cao hơn 80 % ở tải trọng 1,18 – 2,36 kgCOD/m3

/ngày MB – SBR cho hiệu quả xử lý TKN là 86 – 93 % trong khi SBR cho hiệu quả xử lý TKN là 75 –

87 % ở tất cả các tải trọng Khi tải trọng hữu cơ tăng dần, MB – SBR cho hiệu quả xử

lý cao hơn hi so với SBR và nước thải sau xử lý bởi MB – SBR đạt được tiêu chu n

xả thải ở tất cả các tải trọng trong hi nước thải sau xử lý bởi SBR hông đạt tiêu chu n xả thải ở tải trọng cao như 2,36 gCOD/m3/ngày Kết quả nghiên cứu của Suntud Sirianuntapiboon và cộng sự, 2005 [5] cũng cho thấy tiềm năng xử lý cao hơn của MB – SBR kết hợp khi so với SBR truyền thống Kết quả nghiên cứu của Jun-Wei Lim và cộng sự, 2012 [6] cũng như Dahu Ding và cộng sự, 2011 [7] cũng cho thấy tiềm năng xử lý nước thải có nồng độ nitơ amoni cao của MB – SBR khi sục khí ngắt quãng là cao hơn MB – SBR khi sục hí bình thường Trong đề tài này, hệ thống ICEAS - MBSBR (Intermittent Cycle Extended Aeration System - Moving Bed Sequencing Batch Reactor) sẽ được sử dụng để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải tập

2 Mục tiêu đề tài

Đánh giá hả năng xử lý nitơ có trong nước thải tập trung khu công nghiệp ở các tải trọng hác nhau trên cơ sở so sánh giữa hệ thống ICEAS - MBSBR kết hợp với

hệ thống ICEAS – SBR thông thường

3 Nội dung đề tài

Nội dung 1: Chế tạo các mô hình nghiên cứu ở qui mô trong phòng thí nghiệm

nhằm có được hệ thống xử lý mô phỏng công nghệ nghiên cứu để thực nghiệm xử lý ở qui mô phòng thí nghiệm Mô hình nghiên cứu có thể tích khoảng từ 20 đến 30 lít và

có ích thước dự kiến 350 mm Dài x 150 mm Rộng x 450 mm Cao

Nội dung 2: Vận hành mô hình ở các tải trọng hữu cơ và nitơ hác nhau trong

xử lý nước thải trên các mô hình nghiên cứu để có số liệu đánh giá quá trình hoạt động

và khả năng xử lý của chúng Tải trọng hữu cơ và nitơ được chọn 0,50; 0,75 và 1,00 kgCOD/m3/ngày tương ứng với 0,084; 0,127 và 0,169 kgTN/m3/ngày

Nội dung 3: So sánh đánh giá hiệu quả xử lý giữa ICEAS - MBSBR và ICEAS

– SBR nhằm đưa ra ết luận về khả năng xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp có nồng độ nitơ cao của công nghệ ICEAS-MBSBR Nếu kết quả nghiên cứu là khả thi thì tiềm năng ứng dụng trên các hệ thống SBR đang triển khải là rất lớn

4 Ý tưởng, tính mới

Ý tưởng khoa học: Các quá trình nitrat hóa/khử nitrat xảy ra nối tiếp trong pha

phản ứng do điều chỉnh theo kiểu hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng để tạo các điều kiện hiếu khí/thiếu khí lần lượt cùng với lớp màng sinh học trên bề mặt giá thể trong chuyển động tầng sôi sẽ giúp nâng cao khả năng xử lý nitơ có trong nước thải

Tính mới đề tài: Đó là sự kết hợp hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng

(ICEAS) và giá thể di động của bể màng sinh học trên giá thể di động (MB) vào bể bùn hoạt tính dạng mẻ (SBR) để tạo ra công nghệ ICEAS – MBSBR Thay đổi các chế

độ ngắt quãng hác nhau cũng như giá thể sử dụng khác nhau tạo được tính mới đề tài

CHƯƠNG I TỒNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẬP TRUNG KHU CÔNG NGHIỆP VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ

THỐNG ICEAS – MBSBR 1.1 Tổng quan về xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp

Nước thải tập trung khu công nghiệp là nước thải sinh ra trong hoạt động sản xuất công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày của cán bộ nhân viên Nước thải tập trung khu công nghiệp rất đa dạng, khác nhau về thành phần, tính chất và phụ thuộc nhiều yếu tố như: loại hình công nghiệp, công nghệ sử dụng, trình độ quản lý Nước thải tập trung khu công nghiệp chủ yếu bao gồm: nước thải sản xuất và nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ các doanh nghiệp

Nước thải từ các doanh nghiệp trong khu công nghiệp đều phải được xử lý cục

bộ trước khi xả thải vào cống thoát nước chung của khu công nghiệp Nước thải xử lý cục bộ phải đạt tiêu chu n thoát nước do từng khu công nghiệp đưa ra mà đa phần là tuân theo loại B của QCVN 40:2011/BTNMT hoặc loại C của TCVN 5945-1995 Tại

hệ thống xử lý nước thải tập trung của khu công nghiệp, nước thải sẽ được xử lý lần cuối trước khi thải ra nguồn tiếp nhận theo QCVN 40:2011/BTNMT

Bảng 1.1 dưới đây thể hiện thành phần và tính chất nước thải tập trung của một

số khu công nghiệp:

Bảng 1.1 Thành phần và tính chất nước thải tập trung khu công nghiệp

STT Thông số nước thải Đ n vị

KCN Vĩnh Lộc, huyện Bình Chánh, TP.HCM

KCN Tân Bình, quận Tân Bình, TP.HCM

Công nghệ xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp như trong hình 1.1 bao gồm các quá trình được kết hợp bao gồm xử lý cơ học, xử lý hoá lý, xử lý sinh học, xử

Hình 1.2 Qui trình tổng quát công nghệ xử lý nước thải tập trung khu công

nghiệp

1.2 Giới thiệu tổng quát về hệ thống ICEAS – MBSBR

1.2.1 SBR

Hình 1.3 Các pha trong một chu kỳ của SBR (bể bùn hoạt tính theo mẻ)

SBR (Sequencing Batch Reactor) sử dụng phương pháp “làm đầy và rút” trong

bể bùn hoạt tính và SBR không phải là công nghệ được phát triển gần đây như ta thường nghĩ Giữa những năm 1914 và 1920, một số mô hình hoàn chỉnh áp dụng kỹ thuật “làm đầy và rút” đã được đưa vào hoạt động Sự phát triển của hệ thống xử lý nước thải với SBR bắt đầu được quan tâm trở lại từ cuối những năm 1950 và đầu nhưng năm 1960, với sự phát triển của các thiết bị và công nghệ mới Những cải tiến trong thiết bị sục hí và điều khiển cho phép SBR thành công trong việc cạnh tranh với những hệ thống bùn hoạt tính truyền thống Hiện nay, SBR được sử dụng ngày càng rộng rãi trên toàn thế giới Ở Châu Âu và Trung Quốc, Hòa Kỳ, SBR được áp dụng để

xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong những khu vực đặc trưng có lưu lượng nước thải thấp và biến động Các hu đô thị, khu nghỉ dưỡng, khu nghỉ mát và một số ngành công nghiệp như sản xuất sữa, bột giấy, thuộc da đang sử dụng SBR để xử lý nước thải SBR hay bể bùn hoạt tính theo mẻ gồm 5 pha trong một chu kỳ như nạp nước, phản ứng, lắng nước, xả nước và xả bùn như trong hình 1.3 có

Ưu điểm:

- Không cần bể lắng và tuần hoàn bùn

- Trong pha làm đầy SBR đóng vai trò như bể cân bằng vì vậy SBR có thể chịu đựng được tải trọng cao và sốc tải

- Có thể hạn chế được sự phát triển của vi khu n sợi thông qua việc điều chỉnh tỉ

số F/M và thời gian thổi hí trong quá trình làm đầy

- Ít tốn diện tích đất xây dựng do các quá trình cân bằng cơ chất, xử lý sinh học

và lắng được thực hiện trong cùng một bể

- Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị (các thiết bị ít) mà không cần phải tháo nước cạn bể Chỉ tháo nước khi bảo trì các thiết bị như: cánh khuấy, motor, máy thổi khí, hệ thống thổi khí

Pha lắng nước

Pha xả nước

Hình 1.4 Các pha trong một chu kỳ của ICEAS – SBR (bể bùn hoạt tính theo mẻ

với hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng)

Trong pha phản ứng, nước thải sau khi xử lý bậc 1 sẽ chảy liên tục vào ngăn đầu vào và đi tiếp sang ngăn xử lý thông qua các lỗ thông ở vách ngăn dưới dáy Tại ngăn xử lý, các quá trình sục khí và khuấy trộn được thực hiện nối tiếp nhau tương ứng các giai đoạn hiếu khí, thiếu khí và kị khí để loại bỏ thành phần hữu cơ cùng với nitơ và photpho thông qua các quá trình oxyhoá sinh học, nitrat hóa, khử nitrat và tích luỹ photpho Trong pha lắng nước, các quá trình sục khí và khuấy trộn được ngừng để bông bùn lắng xuống đáy ngăn xử lý trong hi nước thải vẫn tiếp tục chảy vào ngăn đầu vào Một lớp nước trong xuất hiện ở trên bề mặt tại ngăn xử lý Trong pha xả nước, lớp nước bề mặt sẽ được xả bỏ thông qua thiết bị chuyên dụng (decanter) Trong khoảng thời gian này, nước thải vẫn liên tục chảy vào ngăn đầu vào Chính điều này giúp ICEAS – SBR có được hiệu quả loại bỏ nitơ cao hơn khi khắc phục được sự gián đoạn nguồn cơ chất trong công nghệ cũ Bên cạnh đó, sự thổi khí kéo dài ngắt quãng của ICEAS cũng cắt giảm nhu cầu sử dụng năng lượng để cung cấp oxy cho hệ thống Như vậy so với SBR thì ICEAS – SBR có thể nâng cao khả năng xử lý nitơ và photpho có trong nước thải, giảm chi phí vận hành do giảm thời gian sục khí, giúp bể

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của ICEAS – SBR (bể bùn hoạt tính theo mẻ với

hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng)

Có được những ưu điểm vốn có của bể bùn hoạt tính theo mẻ cùng với hệ thống sục khí kéo dài ngắt quãng, ICEAS–SBR đem lại những hiệu quả đáng ể như sau:

- Khắc phục được việc gián đoạn nguồn cơ chất (cacbon hữu cơ) trong SBR truyền thống, cải tiến này mang lại hiệu quả cao tăng hả năng loại bỏ nitơ và photpho Thêm vào đó một ưu điểm đáng ể cần được nêu ra chính là việc giảm khả năng tạo bùn sợi Trong quá trình vận hành SBR, trong pha làm đầy nước thải vừa được nạp vào vừa được thổi khí, khuấy dẫn đến giảm nồng độ đầu vào trong khu vực có thể gặp vấn đề với bùn sợi Dòng vào liên tục trong ICEAS cung cấp nguồn lượng cơ chất liên tục, hông giai đoạn phản ứng và giúp chống lại bùn sợi

- ICEAS mang lại ý nghĩ lớn trong việc kiểm soát sự thay đổi lưu lượng của nước thải tập trung khu công nghiệp ICEAS–SBR có dòng vào liên tục được kiểm soát dựa trên thời gian, hơn là dựa trên lưu lượng và đảm bảo tải lượng thích hợp và lưu lượng toàn bể Sử dụng hệ thống kiểm soát time–based trong ICEAS tiện lợi cho những thay đổi đơn giản đến quá trình kiểm soát Vì vậy, những thay đổi của quá trình

xử lý được thực hiện một cách đơn giản bằng cách thay đổi từng phần riêng biệt

- Thổi hí gián đoạn với nồng độ DO thấp trong ICEAS được đảm bảo để ngăn chặn sự tích lũy nitrate, điều vẫn hay xảy ra trong SBR truyền thống với điều kiện thổi khí liên tục Sự thổi hí gián đoạn của ICEAS cũng cắt giảm nhu cầu sử dụng năng

việc loại bỏ nitơ trong nước thải, không cần kiểm soát pH hoặc cung cấp nguồn cacbon hữu cơ bên ngoài, bên cạnh đó còn mang lại hiệu quả về kinh tế trong công tác vận hành

Ưu điểm:

- Xử lý hiệu quả nitơ trong nước thải do tạo các điều kiện hiếu khí/thiếu khí xảy

ra nối tiếp trong pha phản ứng

- Giảm chi phí vận hành do giảm thời gian sục khí

- ICEAS–SBR sử dụng cơ chế cấp nước bằng trọng lực, nước được chảy theo gradient từ ngăn chứa tạm sang ngăn phản ứng thông qua các vách ngăn tại đáy

do đó nước được cấp từ từ, trải đều và giảm lực xáo trộn tại bể phản ứng

- Công tác bảo trì cho ICEAS – SBR cũng được giảm nhẹ Việc kết hợp hai bể thành một bể đa đã tiết kiệm được không ít chi phí cho công tác bảo trì

Nhược điểm:

- Có thể xảy ra vấn đề về bùn nổi trong suốt pha thu nước

- Hệ thống kiểm soát vận hành phức tạp nên cần thêm đợt bảo trì, kiểm tra thường xuyên

hệ thống xử lý mà chiều dày của lớp màng sinh học trên bề mặt giá thể có thể từ 100

µm đến 10 mm MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) là bể xử lý sinh học sử dụng

có trong nước thải của MBBR là rất lớn thông qua hiệu quả cao, dễ vận hành, chịu shock tốt, rất ổn định… Các loại giá thể dùng cho MBBR bao gồm Anox Kaldnes K1, K2, K3, Natrix và Biofin Chip M của Veolia, Thụy Điển;

Ưu điểm:

Hệ thống ICEAS–MBSBR được kế thừa những ưu điểm của SBR, ICEAS–SBR và còn thể hiện được sự cải tiến hiệu quả Thông qua việc sử dụng giá thể tạo màng sinh học, hệ thống ICEAS–MBSBR có được sự ổn định và tăng hiệu quả xử lý

Nhược điểm:

Còn khá mới mẻ tại Việt Nam, tuy dễ vận hành nhưng hó iểm soát nên đòi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm

1.3 Các nghiên cứu trước đây trong và ngoài nước

A–C Chen, J–S Chang, L Yang, Y–H Yang (2001) đã nghiên cứu loại bỏ nitơ

trong nước thải đô thị nhờ vào hệ thống SBR có dòng vào liên tục với chế độ thổi khí ngắt quãng Mô hình sử dụng nước thải tổng hợp với thành phần như sau: COD 300 mg/l, BOD5 210 mg/l, SS 40 mg/l, N hữu cơ 20 mg/l, NH4+-N 20 mg/l, NO3--N 1 mg/l,

TN 41 mg/l Thí nghiệm được thực hiện với 4 lần chạy Lần chạy đầu tiên, mô hình chạy với chế độ thổi khí liên tục truyền thống Chu kỳ hoạt động của SBR là 8 giờ: 6 giờ thổi khí, 1 giờ lắng và 1 giờ xả nước Kết quả thu được là hiệu quả loại bỏ COD cao từ 93,6 đến 97,2% nhưng nồng độ nitrate vẫn còn cao từ 13,0 đến 23,8 mg/l và giá trị pH lại giảm từ 7,0 xuống 5,6 Nồng độ nitrat cao tích lũy trong SBR dẫn đến hiệu quả loại bỏ nitơ chỉ đạt 50% Mặc dù pha thiếu hí được duy trì trong pha lắng và pha

xả nước nhưng quá trình hử ntrat đã hông xảy ra, có thể là do xáo trộn hông đủ và

DO cao trong bể Với 2 lần chạy sau, mô hình chạy với chế độ thổi khí ngắt quãng Trình tự vận hành cụ thể là 1 giờ cho thổi khí,1 giờ cho khuấy trộn mà không thổi khí – luân phiên trong 7 giờ (4 giờ thổi khí và 3 giờ khuấy trộn), 30 phút cho lắng bùn và

30 phút cho xả nước Tuy chế độ thổi hí gián đoạn và thiết bị khuấy trộn được áp dụng cho các lần chạy thứ 2 và 3 nhưng hông có sự khác nhau quá lớn trong hiệu quả loại bỏ COD Ở lần chạy thứ 2, nồng độ nitrat trong dòng ra vẫn còn cao từ 11,6 đến 19,6 mg/l Ở lần chạy thứ 3, DO giảm từ 3,5 – 5,0 mg/l xuống còn 0,8 – 1,7 mg/l vào ngày thứ 34 khiến cho lượng nitơ vô cơ trong dòng ra bị thay đổi từ chỉ có nitrat trong

75% là nhờ vào chế độ thổi khí ngắt quãng cũng như sự sút giảm của DO và việc xáo trộn trong bể Còn trong lần chạy thứ 4, điểm khác biệt là pha phản ứng có 3 giờ thổi khí và 4 giờ khuấy trộn Ngoài ra, DO thấp từ 0,3 đến 1,0 mg/l và MLSS cao khoảng

3200 mg/l cũng được kiểm soát trong lần chạy này Kết quả cho thấy là nồng độ nitrit luôn cao hơn nồng độ nitrat trong giai đoạn thổi hí và lượng nitơ đã nitrat hóa hoàn toàn bị khử trong giai đoạn khuấy trộn với kết quả là chỉ có 2,1 mg/l TKN trong dòng

ra Hơn nữa, bởi vì chế độ thổi khí ngắt quãng và hàm lượng DO thấp, hiệu suất loại

bỏ nitơ tăng đến 94,9%, với đầu vào và đầu ra lần lượt là 41 mg/l và 2,1 mg/l Tuy không có nitrat hiện diện nhưng một lượng nitrit hông đáng ẻ vẫn còn trong dòng ra Mặc dù thời gian thổi khí chỉ bằng ½ so với thời gian thổi khí trong lần chạy đầu tiên nhưng hiệu quả khử COD vẫn đạt được Vì vậy, có thể kết luận rằng, hệ thống ICEAS – SBR không chỉ làm tăng hiệu quả loại bỏ nitơ mà giảm sự tiêu tốn năng lượng đến

50 – 66% so với hệ thống thổi khí liên tục truyền thống [8]

Jun-WeiLim, Poh-EngLim, Chye-EngSeng (2012) đã nghiên cứu một hệ thống

ICEAS – MBSBR nhằm mục đích: (i) đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống thông qua việc loại bỏ nitơ trong nước thải có tỷ số COD/N thấp; (ii) nghiên cứu động lực học của quá trình loại bỏ NH4+-N và (iii) tìm hiểu ảnh hưởng của lượng giá thể trong bể đến quá trình khử nitơ Mô hình được làm bằng mica có ích thước là 25 cm x 25 cm x

42 cm, với thể tích làm việc là 12,8 lít Bùn nuôi cấy ban đầu được lấy từ một nhà máy

xử lý nước thải đô thị địa phương và đã thích nghi với đầu vào gồm các thành phần (mg/l): peptone (32), sucrose (109), CH3COONa (56), (NH4)2SO4 (226), KH2PO4 (35),

K2HPO4 (180), MgSO4 (49), NaHCO3 (354), FeCl3.6H2O (10) và CaCl2 (42) nhằm tạo

ra nồng độ COD và NH4+-N lần lượt là 200 và 48 mg/l (tỷ lệ COD/N là 4) Hệ thống được vận hành với chu kỳ kéo dài 24 giờ: pha làm đầy xảy ra ngay lập tức, pha phản ứng 12 giờ, pha lắng 1,5 giờ, pha rút nước 1 giờ và pha nghỉ 9,5 giờ Trong mỗi chu

kỳ, 9 lít nước thải được đưa vào bể và trong pha rút nước cũng xả ra một lượng tương ứng Ngay tại pha phản ứng, thổi khí được thực hiện trong 1 giờ, sau đó hông thổi khí trong 1 giờ tiếp theo và cứ lặp đi lại lại như vậy cho đến hết pha Một lượng ethanol vừa đủ được bổ sung vào trong bể như một nguồn cung cấp cacbon tại thời điểm bắt đầu của giai đoạn không thổi khí cuối cùng nhằm thúc đ y quá trình khử nitrat còn sót

vật liệu hỗ trợ cho sinh khối sinh trưởng dính bám Thời gian lưu bùn của sinh khối sinh trưởng lơ lửng được duy trì trong 40 ngày bằng cách xả một lượng bùn thích hợp vào cuối pha phản ứng nhưng thời gian lưu bùn của sinh khối sinh trưởng dính bám không cần kiểm soát Kết quả cho thấy mô hình có khả năng xử lý được 57% lượng nitơ có trong nước thải có chứa tỷ số COD/N thấp Sự hiện diện của nguồn cacbon dự trữ bên trong các giá thể mút xốp PU được cho là nguyên nhân chủ yếu cho sự loại bỏ nitơ thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời Sinh khối sinh trưởng lơ lửng đóng vai trò chủ yếu trong việc loại bỏ NH4+-N thông qua quá trình nitrat hóa Các bể phản ứng dạng mẻ với chế độ sục hí như nhau nhưng lượng giá thể mút xốp

PU cho vào khác nhau chiếm 20%, 30% và 40% thể tích mô hình cho thấy sự khử nitơ hoàn toàn đạt được trong bể có giá thể mút xốp PU chiếm 30% thể tích mô hình Vì vậy, sự tăng cường hiệu quả xử lý nitơ và việc tiết kiệm chi phí vận hành đều có thể đạt được thông qua hệ thống thổi khí ngắt quãng trong hệ thống ICEAS – MBSBR [6]

Jun-WeiLim, Poh-EngLim, Chye-EngSeng, Rohana Adnan (2013) lại tiếp tục

nghiên cứu đánh giá tính hả thi của việc sử dụng sinh khối sinh trưởng dính bám trên giá thể mút xốp PU đã qua sấy hô như một nguồn cacbon cho quá trình khử nitrat trong hệ thống ICEAS – MBSBR Ngoài ra, chất lượng nước đầu ra đặc biệt là khả năng hử nitơ và yêu cầu bảo dưỡng có liên quan đến số lượng chu kỳ của việc sử dụng sinh khối sinh trưởng dính bám trên giá thể đã qua sấy khô nhằm ngăn ngừa sự tụt giảm hiệu suất của quá trình khử nitrat cũng được kiểm tra ĩ lưỡng Mô hình cũ nghiên cứu vào năm 2012 vẫn được sử dụng trong thí nghiệm này Sau hi giai đoạn thích nghi đạt được sau 2 tháng, các giá thể mút xốp PU 8 – ml được cho vào chiếm 8% thể tích mô hình đóng vai trò như vật liệu hỗ trợ cho sinh khối sinh trưởng dính bám Ngay khi mút xốp PU được cấy vào trong hệ thống suốt 4 chu kỳ liên tiếp nhau,

họ lấy nó ra khỏi đó và đặt vào một lượng tương ứng giá thể mút xốp PU mới với chủng loại cũ Các giá thể mút xốp PU lấy ra được sấy hô và đem cân Sau đó, chúng được đưa trở lại mô hình còn lượng mút xốp trong mô hình lại được lấy ra để mang đi sấy khô và đem cân Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi trọng lượng của các mút xốp với sinh khối sinh trưởng dính bám đã qua sấy khô là một hằng số Tổng trọng lượng của sinh khối sinh trưởng dính bám đã qua sấy hô được tính toán bởi nhiều mút

được là 58 g Việc cần thực hiện sau đó của sinh khối đã qua sấy khô là lấy chúng vào cuối mỗi chế độ vận hành và mang đi sấy khố ở nhiệt độ 600C trước khi tái sử dụng

Để đánh giá hiệu suất xử lý của hệ thống ICEAS – MBSBR sử dụng mút xốp PU với lớp sinh khối sinh trưởng dính bám đã qua sấy hô, người ta tiến hành các chế độ vận hành khác nhau: 4 – chu kỳ, 6 – chu kỳ, 8 – chu kỳ, 10 – chu kỳ và 12 – chu kỳ và mỗi chế độ được lặp lại ít nhất 2 lần Kết quả thu được là chế độ vận hành 8 – chu kỳ mang lại kết quả tốt nhất Khả năng hử TN gần như hông đổi cho đến chế độ vận hành 8 – chu kỳ nhưng sau đó lại giảm một cách nhanh chóng Chính vì vậy, trong thí nghiệm xác định điều kiện tối ưu cho chế độ thổi khí ngắt quãng, chế độ vận hành 8 – chu kỳ được lựa chọn và thay đổi các chế độ thổi hí hác nhau như 1:1 (1 giờ thổi khí: 1 giờ không thổi khí); 1:2 (1 giờ thổi khí: 2 giờ không thổi khí) và 1:3 (1 giờ thổi khí: 3 giờ không thổi khí) mà không bổ sung nguồn cacbon từ bên ngoài Quá trình loại bỏ NH4+-

N xảy ra hoàn toàn trong giai đoạn thổi khí cuối cùng của hệ thống khi hoạt động với chế độ thổi hí 1:2 Còn đối với vấn đề xác định số lượng chu kỳ tối ưu, người ta lựa chọn chế độ thổi khí 1:2 và vận hành hệ thống trong 14 chu kỳ Kết quả thu được từ thí nghiệm cho thấy hiệu quả loại bỏ TN được duy trì trong khoảng 80% khi chạy 10 chu

kỳ liên tiếp nhưng lại giảm nhanh chóng ở các chu kỳ sau đó Tương tự, nồng độ NO3-N cũng dao động xung quanh khoảng 7 mg/l trong 10 chu kỳ liên tiếp và lại tăng lên sau đó So sánh với kết quả có được từ thí nghiệm xác định chế độ vận hành tối ưu hi kết hợp với chế độ thổi khí 1:1 thì chế độ vận hành tối ưu là từ 8 đến 10 chu kỳ trước khi sự sụt giảm hiệu suất khử TN bị phát hiện Có thể nói rằng, việc thổi khí quá nhiều như chế độ thổi khí 1:1 làm nghèo nàn nguồn cacbon Chế độ thổi khí 1:2 kết hợp với chế độ vận hành 10 – chu kỳ là tối ưu để xử lý nước thải có chứa tỷ số COD/N thấp

-Sự giải phóng COD chậm không gây ảnh hưởng đến việc thúc đ y quá trình đồng hóa

và cho phép các nguồn cacbon được sử dụng cho nhiều chu kỳ hoạt động Các giá thể mút xốp PU – nguồn cacbon đã qua sử dụng có thể tái sử dụng bằng cách sấy khô ở nhiệt độ 600C vào cuối mỗi chế độ vận hành Vì vậy, sinh khối sinh trưởng dính bám hình thành trên mút xốp PU đã qua sấy khô có thể được hai thác như một nguồn cacbon thay thế nhằm tăng cường quá trình khử nitrat trong hệ thống ICEAS –