Nghiên cứu xử lý nước thải sữa bằng công nghệ SBR kết hợp lọc màng

MBR là công nghệ tiên tiến xử lý nước thải kết hợp dùng màng với hệ thống bể sinh học thể động bằng quy trình SBR sục khí và dòng chảy gián đoạn.. Như vậy, với mục tiêu đã đề ra, trong l

Gi ảng viên hướng dẫn: PGS TS Đỗ Khắc Uẩn

HÀ N ỘI, 11/2019

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải sữa

bằng công nghệ SBR kết hợp lọc màng” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Khắc Uẩn, là công trình nghiên cứu của tôi Các dữ liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, lắp đặt và vận hành mô hình thí nghiệm dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Khắc

Uẩn Nội dung đồ án có tham khảo và sử dụng tài liệu trích dẫn có nguồn gốc rõ ràng, không sao chép bất kỳ một công trình hay một luận án của bất cứ tác giả nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Học viên thực hiện

Trần Minh Hằng

L ỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập tại trường, nhờ được thầy cô chỉ bảo, truyền đạt những

kiến thức hữu ích, cuối cùng em cũng hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp của mình

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến các thầy, cô Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy

dỗ và hướng dẫn, giúp đỡ em suốt thời gian học tập tại trường

Em xin bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Khắc

Uẩn, người đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình thực hiện và giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Đinh Xuân Ngôn, trưởng Khoa Vệ sinh và An toàn lao động, Viện Sức khỏe nghề nghiệp và Môi trường đã hỗ trợ địa điểm, thiết bị, vật tư giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn

Con xin cảm ơn gia đình đã khích lệ và tạo điều kiện tốt nhất cho con học tập Trong quá trình hoàn thành luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để em rút kinh nghiệm và sửa chữa Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Học viên thực hiện

Trần Minh Hằng

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU ix

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIÊN SỮA TƯƠI 1

I.1 Đặc điểm nước thải chế biến sữa tươi và ảnh hưởng tới môi trường 1

I.1.1 Nguồn phát sinh: 1

I.1.2 Đặc điểm nước thải chế biến sữa tươi: 2

I.1.3 Ảnh hưởng của nước thải sữa tới môi trường 3

I.2 Một số công nghệ áp dụng xử lý nước thải chế biến sữa tươi: 4

I.2.1 Keo tụ điện hóa (Electrocoagulaton-EC) 4

I.2.2 Hấp phụ 4

I.2.3 Xử lý kỵ khí 5

I.2.3.1 Xử lý kỵ khí dòng chảy ngược (USAB) 5

I.2.3.2 Xử lý kỵ khí kết hợp 6

I.2.3.3 Xử lý kỵ khí theo trình tự (ASBR) 6

I.2.4 Xử lý hiếu khí 7

I.2.4.1 Xử lý hiếu khí liên tục (Aerotank) 7

I.2.4.2 Xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR) 8

I.2.5 Xử lý màng (MBR) 9

CHƯƠNG IIĐỐI TƯỢNG & PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

II.1 Đối tượng và địa điểm nghiên cứu 12

II.1.1 Đối tượng nghiên cứu 12

II.1.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 13

II.2 Phương pháp nghiên cứu 13

II.2.1 Nuôi cấy bùn hoạt tính 13

II.2.2 Quá trình thực nghiệm 14

II.2.2.1 Thông số làm việc của bể SBR 15

II.2.2.1 Tính toán lưu lượng cấp khí cho thiết bị xử lý 15

II.2.2.1 Thông số làm việc của màng 16

II.2.3 Quá trình hoạt động của hệ thống thực nghiệm 17

II.2.4 Kỹ thuật phân tích 18

II.2.4.1 Xác định chỉ số nhu cầu ôxy sinh học (BOD5) 18

II.2.4.2 Xác định chỉ số nhu cầu ôxy hóa học (COD): 27

II.2.4.3 Xác định xác định hàm lượng nitơ: 33

II.2.4.4 Xác định hàm lượng photpho: 38

CHƯƠNG IIIKẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 45

III.1 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng cấp khí đến hiệu quả xử lý của hệ thống: 45

III.1.1 Nồng độ chất thải đầu ra của Bể 1: 45

III.1.3 Nồng độ chất thải đầu ra của Bể 3: 47

III.1.4 So sánh hiệu suất xử lý của 3 bể: 48

III.2 Khảo sảt ảnh hưởng của thời gian cấp khí đến hiệu quả xử lý của hệ thống 49

III.2.1 Nồng độ chất thải đầu ra của Bể 1: 49

III.2.2 Nồng độ chất thải đầu ra của Bể 2: 50

III.2.3 Nồng độ chất thải đầu ra của Bể 3: 51

III.2.4 So sánh hiệu suất xử lý của 3 bể: 52

III.3 Một số sự cố gặp phải trong quá trình làm thực nghiệm và biên pháp khắc phục 53

III.3.1 Quá trình vận hành hệ thống SBR 53

III.3.2.1 Bọt nổi nhiều trên bề mặt 53

III.3.2.2 Bùn nổi trên bề mặt 53

III.3.2.3 Bùn khó lắng 53

III.3.2.2 Hệ thống xử lý không liên tục từng ngày do người vận hành vắng mặt 54

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CPI: Cleaning in place – Làm sạch tại chỗ

SS: Chất rắn lơ lửng (mg/L)

BOD: Nhu cầu oxy sinh hóa (mg/L)

COD: Nhu cầu oxy hóa học (mg/L)

DO: Nồng độ oxy hòa tan (mg/L)

BTNMT: Bộ Tài nguyên và Môi trường

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

CFC: Chlorofluorocarbon

EC: Electrocoagulation – Quá trình keo tụ điện hóa

PAC: Powdered activated carbon – Cacbon hoạt tính dạng bột

UASB: Upflow anaerobic sludge blanket – Bể xử lý sinh học kị khí dòng chảy ngược

TSS: Tổng chất rắn lơ lửng (mg/L)

VSS: Chất rắn bay hơi (mg/L)

VFA: Volatile fatty acid – Axit béo bay hơi (mg/L)

TDS: Tổng chất rắn hòa tan (mg/L)

OLR: Organic loading rate – Tỉ lệ tải trọng hữu cơ g COD/L.ng

ASBR: Advanced sequencing batch reactor – Bể xử lý sinh học theo mẻ nâng cao

SBR: Sequencing batch reactor – Bể xử lý sinh học theo mẻ

MLSS: Nồng độ chất rắn lơ lửng (mg/L)

MBR: Membrane bioreactor – Bể lọc sinh học bằng màng

RO: Reverse osmosis – Thẩm thấu ngược

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng I.1 Thành phần của nước thải của các ngành công nghiệp sữa điển hình 2

Bảng II.1 Giá trị dinh dưỡng của sữa tươi thanh trùng Mộc Châu 12

Bảng II.2 Thông số nước thải đầu vào của một số Công ty sữa 12

Bảng II.3 Thông số một số mẫu nước thải với tỉ lệ pha loãng tương ứng 13

Bảng II.4 Chu trình làm việc của bể SBR 15

Bảng II.5 Thông số vật liệu màng 17

Bảng II.6 Độ pha loãng điển hình để xác định BODn 20

Bảng II.7 Giá trị đặt trưng của tỷ số R 25

Bảng II.8 Nồng độ và thể tích mẫu 42

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình I.1 Bể Aerotank 7

Hình I.2 Chu kỳ hoạt động của bể SBR 8

Hình I.3 Hệ thống MBR 11

Hình II.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thực nghiệm SBR kết hợp MBR 13

Hình II.2 Thiết bị nuôi bùn vi sinh 14

Hình II.3 Một số trang thiết bị dùng trong hệ thống thực nghiệm 14

Hình II.4 Hệ thống xử lý nước thải thực nghiệm SBR kết hợp MBR 15

Hình III.1 Nồng độ chất thải đầu ra Bể 1 45

Hình III.2 Nồng độ chất thải đầu ra bể 2 46

Hình III.3 Nồng độ chất thải đầu ra bể 3 47

Hình III.4 So sánh hiệu suất xử lý giữa 3 bể 48

Hình III.5 Nồng độ chất thải đầu ra bể 1 49

Hình III.6 Nồng độ chất thải đầu ra bể 2 50

Hình III.7 Nồng độ chất thải đầu ra bể 3 51

Hình III.8 So sánh hiệu suất xử lý giữa 3 bể 52

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Ở Việt Nam, trong nhiều năm qua, nhu cầu sử dụng sữa ngày càng tăng và các sản phẩm từ sữa ngày càng được sử dụng rộng rãi Ngành công nghiệp chế biến sữa cũng từ đó mà có những bước phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên bên cạnh những đóng góp về mặt kinh tế và sức khỏe cho con người, ngành công nghiệp này cũng đang tạo ra một nguồn chất thải lớn góp phần làm ô nhiễm môi trường

tự nhiên Nhiều nhà máy không chú trọng và đầu tư cho hệ thống xử lý nước thải

đã gây ra ô nhiễm môi trường cho những khu vực xung quanh Điều này thúc đẩy việc đầu tư, lựa chọn và áp dụng những kỹ thuật xử lý chất thải phù hợp để hạn chế và loại trừ các tác động xấu đến môi trường xung quanh

Cùng với sự phát triển của công nghệ, chúng ta hoàn toàn có thể tìm ra những

kỹ thuật xử lý phù hợp hướng tới mục tiêu bảo vệ môi trường và phát triển bền vững Hiện nay, công nghệ xử lý nước thải bằng vi sinh vật theo từng mẻ liên tục (SBR - Sequential Batch Reactor) được nghiên cứu mạnh và triển khai nhiều trong thực tế Đây là phương pháp được phát triển trên cơ sở xử lý bằng bùn hoạt tính, vận hành theo từng mẻ liên tục và dễ dàng kiểm soát được theo thời gian, có cấu tạo đơn giản, hiệu quả xử lý cao, khử được các chất dinh dưỡng nitơ, phốt pho, dễ vận hành MBR là công nghệ tiên tiến xử lý nước thải kết hợp dùng màng với hệ thống bể sinh học thể động bằng quy trình SBR sục khí và dòng chảy gián đoạn Công nghệ MBR cho hiệu quả khử các chất hữu cơ, vô cơ phức tạp, cũng như các vi sinh vật gây bệnh Nước thải xử lý bằng công nghệ MBR không những đáp ứng được tất cả các yêu cầu về nước thải theo QCVN mà nước thải sau xử lý còn có thể tái sử dụng cho việc tưới cây, rửa xe, trộn bê tông, Để nâng cao hiệu xuất xử lý, người thực hiện đề tài thực hiện việc nghiên cứu công nghệ SBR kết hợp lọc màng Do đó đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải sữa bằng công nghệ SBR kết hợp lọc màng” đã được lựa chọn để làm luận văn tốt nghiệp

2 Mục đích nghiên cứu:

- Xác định hiệu quả xử lý nước thải từ quy trình sản xuất sữa tươi bằng công nghệ SBR khi kết hợp màng vi lọc so với công nghệ SBR thông thường

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý để tìm ra điều kiện thích hợp vận hành hệ thống

3 Đối tượng nghiên cứu:

Do phạm vi của đề tài rất rộng nên trong luận văn này học viên chỉ lựa chọn 2 đối tượng cụ thể để nghiên cứu:

- Sữa tươi tự pha mô phỏng nước thải từ quy trình sản xuất sữa tươi thực tế

- Mô hình thực nghiệm SBR kết hợp màng vi lọc

4 Phạm vi nghiên cứu:

- Đề tài nghiên cứu này được thực hiện đối với nước thải từ quy trình sản xuất sữa tươi

- Mô hình thực nghiệm được tiến hành trong điều kiện bình thường

- Đánh giá khả năng xử lý BOD, COD, N, P của hệ thống SBR kết hợp màng vi lọc trong các điều kiện lưu lượng cấp khí và thời gian cấp khí khác nhau

- Thời gian thực hiện đề tài: Từ 01/01/2019 đến 15/09/2019

5 Tóm tắt các luận điểm cơ bản:

- Giới thiệu về các phương pháp xử lý nước thải sữa

- Lắp đặt và vận hành hệ thống SBR kết hợp màng vi lọc xử lý nước thải sữa tươi quy mô phòng thí nghiệm

- Khảo sát, phân tích các điều kiện làm việc của hệ thống từ đó đưa ra điều kiện làm việc tối ưu đáp ứng yêu cầu chất lượng nước thải sau xử lý

6 Phương pháp nghiên cứu:

a Phương pháp luận:

Nước thải sữa là loại nước thải giàu dinh dưỡng phổ biến hiện nay, việc tìm hiểu và áp dụng những công nghệ mới xử lý là một vấn đề cần thiết Như vậy, với mục tiêu đã đề ra, trong luận văn này người thực hiện đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, phân tích một số chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sữa tươi của công nghệ SBR kết hợp màng vi lọc so với công nghệ SBR thông thường và tìm ra điều kiện thích hợp để vận hành hệ thống xử lý nước thải

áp dụng cho các công ty chế biến các sản phẩm từ sữa

b Phương pháp thực hiện:

- Phương pháp thực nghiệm khoa học: Lắp đặt và vận hành hệ thống SBR kết hợp màng vi lọc quy mô phòng thí nghiệm

- Phương pháp kế thừa: Trong quá trình thực hiện đã tham khảo các mô hình nghiên cứu về SBR và SBR kết hợp lọc màng để xử lý nước thải sữa của một số nhóm nghiên cứu khác trên thế giới

- Phương pháp tính toán: Sử dụng các công thức toán học để tính toán lưu lượng cấp khí trong hệ thống xử lý

- Phương pháp phân tích: Lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu BOD5, COD, N, P tại phòng thí nghiệm của Khoa Xét nghiệm và phân tích – Viện Sức khỏe nghề nghiệp và môi trường

- Phương pháp tổng hợp: Sau quá trình khảo sát và phân tích, tổng hợp các số liệu thu được của nước thải đầu ra ở các điều kiện làm việc khác nhau

- Phương pháp so sánh: So sánh hiệu quả xử lý của công nghệ SBR khi kết hợp lọc màng với công nghệ SBR thông thường

CHƯƠNG I

T ỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

CH Ế BIÊN SỮA TƯƠI

I.1 Đặc điểm nước thải chế biến sữa tươi và ảnh hưởng tới môi trường

I.1.1 Ngu ồn phát sinh:

Nước đóng vai trò chính trong quá trình chế biến sữa tươi Nó được sử dụng trong mỗi bước của dây chuyền công nghệ, bao gồm làm sạch và rửa, khử trùng, sưởi ấm và làm mát Phần lớn nước thải đến từ các quá trình sản xuất Nước bị ô nhiễm, bao gồm cả các hoạt động vệ sinh đạt 50 - 80% tổng lượng nước tiêu thụ trong nhà máy sữa, trong khi 20 - 50% còn lại là nước sạch tùy điều kiện Ước tính khối lượng nước thải cao xấp xỉ gấp 2,5 lần khối lượng sữa được chế biến Khối lượng và đặc điểm nước thải phụ thuộc phần lớn vào quy mô nhà máy, công nghệ ứng dụng, hiệu quả và độ phức tạp của các phương pháp sạch tại chỗ (CIP), thực hành sản xuất tốt (GMP), v.v Tuy nhiên, tiêu chuẩn GMP có thể làm giảm khối lượng trung bình của nước thải trên thế giới từ 0,5 – 3,7 đến 0,5 - 2 m3nước thải trên mỗi m3 sữa được chế biến Ngày nay, tải trọng thiết kế là 1 m3nước thải trên mỗi tấn sữa được sản xuất Trong các nhà máy sữa, sự biến động lớn về chất lượng và số lượng nước thải là một vấn đề lớn bởi mỗi sản phẩm sữa

có một dây chuyền công nghệ riêng Điều này dẫn đến sự thay đổi thành phần nước thải sữa khi bắt đầu một chu kỳ mới trong quy trình sản xuất, gây khó khăn trong việc xử lý nước thải của nhà máy Hơn nữa, thể tích nước thải thay đổi hằng ngày, hàng giờ do bước cuối cùng trong mỗi chu trình là rửa các thiết bị và sàn nhà máy Nồng độ thực tế gây ô nhiễm nước thải của sữa rất khác nhau tùy thuộc vào hồ sơ và năng lực của công ty, công nghệ sản xuất, loại thiết bị sử dụng, mức độ tái sử dụng nước thải, mất nguyên liệu, quản lý chất thải, v.v Một thành phần quan trọng có thể tích nước thải sữa lớn là nước thải trực tiếp từ quá trình làm sạch xe bồn, đường ống hoặc thiết bị vào cuối mỗi chu kỳ Trong trường hợp này, khối lượng nước thải cao hơn so với nước thải trong nhà máy sản xuất sữa Trung bình, nước xả thải chiếm 70% lượng nước sạch sử dụng tại nhà máy Các chất gây ô nhiễm bao gồm sữa bị mất trong các chu kỳ công nghệ (sữa tràn, sữa hư …); quá trình nuôi cấy trong sản xuất; sản phẩm phụ của các

hoạt động chế biến, các chất gây ô nhiễm từ việc rửa xe tải sữa, bể chứa, lon, thiết bị, chai và sàn; thuốc thử áp dụng trong quy trình CIP, làm mát sữa và các sản phẩm sữa, nhu cầu vệ sinh, thiết bị hư hỏng hoặc sự cố trong quá trình hoạt động; dầu mỡ rò rỉ từ các thiết bị và động cơ; chất phụ gia khác được sử dụng trong sản xuất.

I.1.2 Đặc điểm nước thải chế biến sữa tươi:

Bản chất nước thải sinh ra từ ngành công nghiệp chế biến sữa nói chung hoàn toàn giống nhau Loại trừ nước thải sinh hoạt, thành phần thành phần gây ô nhiễm chính là sữa và các sản phẩm từ sữa (chiếm 90% hàm lượng hữu cơ BOD) Tuy nhiên các quá trình khác nhau làm ảnh hưởng đến thành phần chi tiết

Vì vậy, thành phần và lưu lượng nước thải của mỗi nhà máy tùy thuộc vào các quá trình thực hiện, điều kiện và công nghệ sản xuất Để chế biến 1 lít sữa cần dùng 1 - 3 lít nước tẩy rửa và tạo ra lượng lớn khoảng 2 - 2,5 lít nước thải trong dòng thải [11] Nước thải sữa nói chung có màu trắng, ban đầu trung tính hoặc hơi kiềm, nhưng có khuynh hướng trở nên axit một cách nhanh chóng do sự thiếu hụt của oxy tạo điều kiện để lactose lên men thành axit lactic, khi đó pH giảm và

có khả năng gây ra sự kết tủa casein [12]

Nước thải sữa có chứa chất hữu cơ hòa tan, chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ dạng vết, các loại đường, protein ít phân hủy sinh học, chất béo hòa tan như chất béo của sữa và có thể có dư lượng chất phụ gia [3] [12] Các thông số chính là nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), với mức trung bình từ 0,8 đến 2,5 kg/tấn (kg/t) sữa trong nước thải chưa qua xử lý; nhu cầu oxy hóa học (COD), thường là khoảng 1,5 lần mức BOD; tổng chất rắn lơ lửng khoảng 100 - 1000 miligam trên lít (mg/L); tổng chất rắn hòa tan: phốt pho (10 - 100 mg/L), và nitơ (khoảng 6% mức BOD) Tương đương tải lượng chất thải của các thành phần sữa cụ thể là:

1 kg chất béo trong sữa = 3 kg COD

1 kg lactose = 1,13 kg COD

1 kg protein = 1,36 kg COD [11]

Bảng I.1 Thành phần của nước thải của các ngành công nghiệp sữa

I.1.3 Ảnh hưởng của nước thải sữa tới môi trường

Ngành sữa là một trong những ngành gây ô nhiễm nhất trong ngành thực phẩm do mức tiêu thụ nước lớn Nước thải sữa tươi về cơ bản bao gồm các chất hữu cơ tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học cao Chúng là nguồn thức ăn cho

vi khuẩn và các vi sinh vật, gây nên sự thiếu hụt oxy nghiêm trọng do vi khuẩn

và các vi sinh vật tiêu thụ oxy với tốc độ rất nhanh Một số protein trong sữa đi vào dòng thải Vi khuẩn chuyển đổi nitơ trong protein thành các dạng vô cơ gồm amoniac và các ion amoni, nitrit và nitrat Ion nitrat gây độc hại ở nồng độ cao cho cả người và gia súc do có thể chuyển đổi thành dạng nitrit, khi được hấp thụ vào máu sẽ chuyển đổi huyết sắc tố thành methaemoglobin Methaemoglobin không thể vận chuyển oxy gây ra các vấn đề về sức khỏe Các dạng vô cơ của nitơ (nitrat, nitrit và các ion amoni) và vô cơ phốt phát đóng vai trò là chất dinh dưỡng trong nước cho thực vật có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, làm thiếu oxy trong nước, ảnh hưởng đến đời sống các thủy sinh vật, xảy

ra quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ trong nước, gây mùi hôi thối Các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng thấp như đường sữa thúc đẩy sự phát triển của nấm trong nước thải Các chất béo tạo lớp váng trên mặt nước, gây thiếu oxy trong nước là nguyên nhân nước thải sữa có mùi khó chịu Ngoài ra nước thải nhà máy sữa có thể chứa một ít chất màu hòa tan do quá trình xử lý màu, độ màu

cao có khả năng làm thay đổi màu của nguồn nước tiếp nhận Nước thải sữa có chứa lượng nguyên liệu đáng kể sẽ dẫn đến độ đục lớn [3] Mầm bệnh từ nguyên liệu hoặc quá trình sản xuất bị ô nhiễm có thể khiến nguồn tiếp nhận nước thải trở thành nơi sinh sản của ruồi và muỗi mang mầm bệnh sốt rét và các bệnh nguy hiểm khác như sốt xuất huyết, sốt vàng da, Nước thải còn chứa một số chất tẩy rửa từ quá trình vệ sinh nhà, máy móc, thiết bị, các chất để trung hoà, các chất làm lạnh, các sản phẩm dầu khoáng [1]

I.2 M ột số công nghệ áp dụng xử lý nước thải chế biến sữa tươi:

I.2.1 Keo t ụ điện hóa (Electrocoagulaton-EC)

Quá trình keo tụ điện hóa (EC) có thể là quá trình thay thế trong xử lý nước thải sữa Đây là quá trình loại bỏ chất thải hữu cơ hòa tan, độ đục và độ màu bằng cách cho dòng điện đi vào dòng thải thông qua điện cực đặc biệt Quá trình giúp loại bỏ hạt keo lơ lửng [14] Trong một số nghiên cứu, sau quá trình xử lý nước thải và phân tích chất nước đầu ra, hiệu suất khử COD và chất béo lên đến

98 - 99% sau khi điện phân trong 7 phút và 1 phút tương ứng [21]

I.2.2 H ấp phụ

Trong số các phương pháp xử lý hóa lý khác nhau, hấp thụ là quá trình hiệu quả để loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong nước thải Quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

- Di chuyển các chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt hạt hấp phụ

- Thực hiện quá trình hấp phụ

- Di chuyển chất ô nhiễm vào bên trong hạt hấp phụ (vùng khuếch tán trong) Người ta thường dùng than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc một số chất thải của sản xuất như xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng khoáng sản như đất sét, silicagen…Để loại những chất ô nhiễm như: chất hoạt động bề mặt, chất màu tổng hợp, dung môi clo hoá, dẫn xuất phenol và hydroxyl…Tuy nhiên điểm hạn chế của phương pháp xử lý nước thải này là chi phí đầu tư vào khá cao so với các phương án xử lý khác, không thích hợp xử lý chất ô nhiễm có nồng độ lớn, thiết

bị cồng kềnh, chiếm nhiều không gian, các chất hấp phụ phải có kích thước nhỏ,

có khả năng hấp phụ cao, rộng – tách được nhiều loại chất hữu cơ, có độ bền cơ học cần thiết và khả năng hoàn nguyên dễ dàng Thiết bị hấp phụ phải đảm bảo

kích thước để chứa chất hấp phụ đủ lớn, đảm bảo vận tốc nước trên toàn thiết diện ngang của thiết bị ổn định

- Giai đoạn 1: Thuỷ phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử

- Giai đoạn 2: Acid hoá

- Giai đoạn 3: Acetate hoá

- Giai đoạn 4: Methane hoá

Theo báo cáo, có tới 95% tải trọng hữu cơ trong dòng thải có thể được chuyển đổi thành khí sinh học (metan và cacbon dioxit) Quá trình kỵ khí xử lý chất thải sữa cũng tạo ra metan, có thể sử dụng như một nguồn nhiệt hoặc năng lượng Một lợi thế kết hợp với quá trình này là ít bùn được tạo ra, do đó giảm các vấn đề liên quan đến xử lý bùn, diện tích nhỏ, không cần năng lượng và không có mùi khó chịu Hệ thống kỵ khí được coi là tiết kiệm hơn đối với dòng thải sữa ổn định sinh học, vì không yêu cầu nhiều năng lượng như thiết bị sục khí trong hệ thống hiếu khí [23]

I.2.3.1 X ử lý kỵ khí dòng chảy ngược (USAB)

Thiết bị UASB được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải sữa và thực phẩm [23] Nguyên tắc của qúa trình này là sử dụng vi sinh vật yếm khí và tùy tiện để phân hủy các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học thu khí biogas Trong một nghiên cứu, hiệu quả giảm COD đạt tới 90% khi tải trọng hữu cơ là 0,031 kg COD/m³.ngày hoạt động trong điều kiện trạng thái ổn định với nước thải đầu vào có COD khoảng 2050 mg/L [29] Nước thải sữa có chứa chất béo và hoạt động ức chế chất béo của phản ứng trong bể xử lý yếm khí không cho phép hiệu quả loại bỏ tăng nhanh [8] Một nghiên cứu khác cho thấy thiết bị UASB có thể xử lý nước thải sữa có chứa hàm lượng chất béo cao (868 mg/L), hiệu suất đạt hơn 50% COD và chất rắn lơ lửng (VSS) lên đến 944 mg/L Tuy nhiên, loại nước thải sữa tương tự được tiền xử lý với vi khuẩn phân giải chất béo Penicillium cho hiệu quả loại bỏ COD lên đến 90% khi được xử lý trong cùng

loại thiết bị Nhiều tác giả đã kết luận hiệu suất của UASB giảm liên tục do sự tích tụ chất hữu cơ trong thiết bị [5] Nghiên cứu đánh giá khả năng của thiết bị yếm khí dòng chảy ngược (UASB) để xử lý nước thải sữa và ước tính hiệu quả quá trình phát sinh khí biogas chỉ ra hiệu suất loại bỏ của COD, BOD và TSS theo quan sát tương ứng là 87,06%, 94,50% và 56,54% và tỷ lệ VFA/ Kiềm thay đổi từ 0,28 đến 0,43 Độ pH của lò phản ứng từ 6,9 - 7.1 Sản lượng khí sinh học trung bình là 179,35 m3/ngày, trong đó khí mêtan chiếm 75% tổng số và có thể thu hồi nguồn khí sinh học [18] Ngoài ra hệ thống xử lý kỵ khí tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành, tuy nhiên công nghệ này vẫn có những hạn chế như giai đoạn xây dựng lâu, cần diện tích và không gian lớn để xử lý chất thải, quá trình tạo bùn hạt tốn nhiều thời gian và khó kiểm soát, dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động, bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại và khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động [11]

I.2.3.2 X ử lý kỵ khí kết hợp

Quy mô phòng thí nghiệm trên giống vi khuẩn kỵ khí ưa ấm, hệ thống bao gồm thiết bị UASB kết hợp một bộ lọc kỵ khí, được sử dụng để xử lý nước thải sữa Thiết bị kỵ khí có năng suất sinh khí mêtan là 0,354 m3 CH4/kg COD được loại bỏ khi thời gian lưu thủy lực là 1,7 ngày [22] Việc xử lý đạm whey có tính axit bằng thiết bị phản ứng lai quy mô phòng thí nghiệm cho hiệu suất hơn 95%, khi thời gian lưu thủy lực là 2 ngày và OLR khoảng 11 kg COD/m3.ngày [4] Một nghiên cứu đánh giá hiệu suất của thiết bị phản ứng kỵ khí cố định đối với nước thải sữa thông qua hai bể xử lý (A và B) cho kết quả như sau: hiệu suất loại

bỏ COD tối ưu lần lượt là 87,69% và 89,42% ở bể A với thời gian lưu thủy lực 3 ngày và bể B với thời gian lưu thủy lực 2 ngày Sản lượng biogas của bể A đạt được ở thời gian lưu thủy lực 5, 3, 2 ngày lần lượt là 20,46, 28,63 và 28,75 L/ngày và 20,00, 28,83 và 30,83 L/ngày đối với bể B Năng suất sinh khí sinh học tối ưu và năng suất mêtan tại thời gian lưu thủy lực 3 ngày là 0,73 và 0,43 L/g COD với bể A và 0,80 và 0,52 L/g COD với bể B Đồng thời, hiệu suất loại

bỏ TDS là 58,56% và 60,09% đối với bể A và B tương ứng [13]

I.2.3.3 X ử lý kỵ khí theo trình tự (ASBR)

Công nghệ ASBR được dùng để dòng ra của hệ thống xử lý nước thải sữa có hàm lượng chất thải cao Nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm trên hệ thống

ASBR được thực hiện cho thấy tỷ lệ loại bỏ COD và BOD tương ứng là 62 và 75%, tại thời gian lưu thủy lực (thời gian lưu thủy lực) là 6h, ở 58°C, đối với chất nền chứa sữa khô không béo Trong khi ở nhiệt độ từ 5 - 52°C, và ở dải thời gian lưu thủy lực từ 6 – 24h, tỷ lệ chất hữu cơ hòa tan bị loại bỏ dao động từ 75 - 90% đối với BOD và 62 - 90% đối với COD [2] Trong một nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm khác, hệ thống ASBR ưa nhiệt và hệ thống ASBR ưa ấm cho thấy tỉ lệ loại bỏ chất hữu cơ dễ bay hơi từ 26 - 44% và 26 - 50% tương ứng đối với nước thải sữa [7]

I.2.4 X ử lý hiếu khí

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các

vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ thích hợp có trong nước thải trong điều kiện được cung cấp oxy liên tục

I.2.4.1 X ử lý hiếu khí liên tục (Aerotank)

Bể xử lý hiếu khí liên tục là quy trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo, các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học được vi sinh vật hiếu khí sử dụng như một chất dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển Qua đó thì sinh khối vi sinh ngày càng gia tăng và nồng độ ô nhiễm của nước thải giảm xuống Không khí trong bể được tăng cường bằng các thiết bị cấp khí: máy sục khí bề mặt, máy thổi khí… Công nghệ aerotank là công nghệ được sử dụng nhiều nhất và lâu đời nhất bởi tính hiệu quả của nó Bể Aerotank có nhiều loại như bể Aerotank truyền thống,

bể Aerotank nhiều bậc,… tuy nhiên bể Aerotank truyền thống sử dụng đơn giản nhất

Hình I.1 Bể Aerotank

Quy trình phân hủy được mô tả như sau:

Vi sinh vật + chất hữu cơ + O2→ CO2 + H2O +Vi sinh vật mới

Trong qui trình này, bể thiếu khí (Anoxic) được bổ sung nhằm xử lý triệt để hàm lượng nitơ trong nước thải, đảm bảo nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải

Ưu điểm của bể là rất dễ xây dựng và vận hành, hiệu suất xử lý BOD có thể lên đến 90%, loại bỏ được Nitơ trong nước thải, vận hành bể Aerotank đơn giản, an toàn, thuận lợi khi nâng cấp công suất đến 20% mà không phải gia tăng thể tích

bể Tuy nhiên do phải sử dụng bơm để tuần hoàn bùn ổn định lại nồng độ bùn hoạt tính ở trong bể nên khi vận hành tốn năng lượng Yếu tố quan trọng bậc nhất của bể Aerotank là hàm lượng DO cấp vào, do vậy cũng cần phải tốn thêm năng lượng cho máy thổi khí, tiếp đến là tỷ lệ BOD:COD = 0,5, BOD:N:P = 100:5:1, cũng không thể không nhắc đến nhiệt độ, pH, và hàm lượng chất độc,…

I.2.4.2 X ử lý hiếu khí theo mẻ (SBR)

Bể phản ứng họa động theo mẻ (SBR) có vẻ là công nghệ hứa hẹn nhất khi nước thải sữa cần xử lý gồm tập hợp các bể chứa hoạt động trên cơ sở làm đầy và rút bùn hoạt tính để loại bỏ thành phần không mong muốn

Hình I.2 Chu kỳ hoạt động của bể SBR

Các bể có thể được xây chìm hoặc mương oxi hóa, bể hình chữ nhật, cấu trúc bất kỳ bê tông hoặc kim loại Mỗi bể trong hệ thống SBR được vận hành trong một khoảng thời gian nhất định và hoạt động theo mẻ Sau khi xử lý, hỗn hợp thải lắng xuống và phần nổi phía trên được rút ra khỏi bể Xả bùn dư được thực hiện trong giai đoạn lắng nếu như lượng bùn trong hồ quá cao, hoặc diễn ra cùng lúc với quá trình rút nước Giai đoạn này rất quan trọng trong việc giúp cho bể

hoạt động liên tục, một phần được thu vào bể chứa bùn, một phần tuần hoàn lại vào bể xử lý Sự khác biệt giữa SBR và hệ thống bùn hoạt tính thông thường liên tục khác là SBR thực hiện các chức năng như như cân bằng, sục khí và lắng trong một khoảng thời gian thay vì liên tục [17] Bể SBR cũng có kết cấu đơn giản và bền hơn, do vận hành bằng hệ thống tự động nên hoạt động dễ dàng và giảm đòi hỏi sức người Bể phản ứng theo mẻ có các pha thay đổi luân phiên nhưng không làm mất khả năng khử BOD lên đến khoảng 90 - 92%, có các quá trình cân bằng, sục khí và lọc Do đó có thể bỏ qua các thiết bị làm sạch và các thiết bị khác như bể lắng, hệ thống đường ống dẫn truyền và bơm liên quan để tiết kiệm tổng chi phí Chi phí đầu tư và vận hành cho hệ thống SBR thấp vì nó thường vận hành với dòng thải có TS cao hơn [19] Khả năng khử được Nitơ và Photpho của SBR cao Hệ thống cũng rất ổn định và linh hoạt khi thay đổi tải trọng, ngoài ra còn sử dụng ít năng lượng và dễ kiểm soát sự cố xảy ra Các thông số hoạt động như thời gian lưu thủy lực (thời gian lưu thủy lực), tải trọng hữu cơ, pH, nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, hỗn hợp lỏng - rắn lơ lửng (MLSS),

và lưu lượng dòng thải tác động đến hiệu quả xử lý của SBR [11] Nghiên cứu quy mô thực nghiệm hệ thống SBR hiếu khí xử lý nước thải của nhà máy sữa

thấy rằng hơn 90% COD được loại bỏ khi thử nghiệm với dải giá trị nồng độ COD từ 400 - 2500 mg/L [17] Nghiên cứu thông số hoạt động dựa trên hiệu quả

xử lý khi sử dụng hai bể SBR để xử lý nước thải sữa (nồng độ COD ban đầu 400

- 7500 mg/L) Để loại bỏ 98,6% COD và 80,1% TKN, thời gian sục khí cần thiết

là 19h và thời gian lưu cần thiết cho pha anoxic là 2h Hiệu suất xử lý giảm khi tăng tải trọng hữu cơ hoặc giảm thời gian lưu thủy lực [19]

I.2.5 X ử lý màng (MBR)

Công nghệ MBR được hiểu là bể hoặc thiết bị sinh học xử lý nước thải trong

đó áp dụng kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán có kết hợp với màng lọc tách vi sinh Công nghệ này có thể đẩy nồng độ vi sinh (hay bùn hoạt tính) trong bể MBR lên tới 15 g/L (trung bình duy trì ở mức 10 g/L) Đây là công nghệ được áp dụng mạnh mẽ trong thời gian gần đây trên thế giới và khoảng 7 năm trở lại đây tại Việt Nam

MBR là sự kết hợp của cả phương pháp sinh học và lý học Mỗi đơn vị MBR được cấu tạo gồm nhiều sợi rỗng liên kết với nhau, mỗi sợi rỗng lại cấu tạo giống

như một màng lọc với các lỗ lọc rất nhỏ mà một số vi sinh không có khả năng xuyên qua Các đơn vị MBR này sẽ liên kết với nhau thành những module lớn hơn và đặt vào các bể xử lý

Cơ chế hoạt động của vi sinh vật trong công nghệ MBR cũng tương tự như bể bùn hoạt tính hiếu khí nhưng thay vì tách bùn sinh học bằng công nghệ lắng thì công nghệ MBR lại tách bằng màng do đó không cần sử dụng bể lắng thứ cấp Vì kích thước lỗ màng MBR rất nhỏ (0,01 ~ 0,2 µm) nên bùn sinh học sẽ được giữ lại trong bể, mật độ vi sinh cao và hiệu quả sinh học tăng 10 – 30% giúp thời gian lưu nước của hệ thống xử lý nước thải ngắn tuy nhiên thời gian lưu bùn trong hệ thống xử lý nước thải lại dài Nhờ sử dụng màng, các thể cặn được giữ lại trong bể lọc, nước sạch sẽ bơm hút sang bể chứa và thoát ra ngoài mà không

cần qua bể lắng, lọc và khử trùng giúp nước có thể xả bỏ/ tái sử dụng được ngay đồng thời tiết kiệm được diện tích hệ thống xử lý nước thải Máy thổi khí ngoài cung cấp khí cho vi sinh hoạt động còn làm nhiệm vụ thổi bung các cặn bùn bám trên thân màng này giúp đảm bảo màng sẽ không bị tắc trong suốt quá trình hoạt động

Do khả năng loại bỏ chất ô nhiễm và vi sinh vật rất triệt để nên hiện nay được xem là công nghệ triển vọng nhất để xử lý nước thải Chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn cao thường tốt hơn chất lượng loại A của QCVN 14:2008/ BTNMT, do đó, nước sau xử lý có thể tái sử dụng cho các mục đích như: rửa sàn, tưới cây,… MBR giúp tiết kiệm diện tích cao nhất, phù hợp với những nơi có địa hình lắp đặt phức tạp, tính tự động hóa cao, thường được lắp đặt ở dạng thiết bị hợp khối (dạng thiết bị hay modul) nên dễ dàng cho công tác lắp đặt cũng như di dời khi cần Hệ thống có thể điều chỉnh hoạt động sinh học tốt trong quy trình xử

lý nước thải Chất lượng đầu ra không còn vi khuẩn và mầm bệnh, kể cả vi sinh vật có kích thước cực nhỏ như: Coliform, E-Coli., dễ dàng kiểm soát quy trình điều khiển tự động của hệ thống

Hình I.3 Hệ thống MBR

Các quy trình lọc màng chung là vi lọc, lọc nano, siêu lọc, thẩm thấu ngược và điện thẩm tách Thiết bị có khả năng hồi phục cao thích hợp với các dòng thải sản xuất có nồng độ cao đưa vào trực tiếp [11] Màng NF có thể thay thế công nghệ xử lý RO vì nó có thể hoạt động ở áp suất thấp hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, và khả năng hồi phục màng tốt hơn RO Khả năng thu hồi lactose và protein trong sữa như cũng như giảm COD và hàm lượng ion trong nước thải sản xuất (COD ban đầu 36.000 mg/L) sử dụng hệ thống lọc NF tốc độ cao [8] Xử lý nước thải sữa bằng RO cho hiệu suất thu hồi đến 90-95% với lưu lượng trung bình khoảng 11 L/h.m2 [30]

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG & PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

II.1 Đối tượng và địa điểm nghiên cứu

II.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Nước thải sữa tươi tự pha với nguồn là sữa tươi thanh trùng không đường Mộc Châu chai nhựa 900 mL (đã hết hạn sử dụng) Do nguồn nước thải sử dụng

có nồng độ chất ô nhiễm rất cao so với nước thải thực tế từ các công ty sản xuất sữa tươi, vì vậy cần pha loãng nguồn nước thải đầu vào với nước trước khi đưa vào hệ thống thực nghiệm

Bảng II.1 Giá trị dinh dưỡng của sữa tươi thanh trùng Mộc Châu [20]

Giá trị dinh dưỡng

( trong 100ml ) Năng lượng: 59 +/- 5,9 kCal

Bảng II.2 Thông số nước thải đầu vào của một số Công ty sữa [15]

BOD (mg/L)

Hàm lượng COD (mg/L)

Bảng II.3 Thông số một số mẫu nước thải với tỉ lệ pha loãng tương ứng

STT Kí hiệu

mẫu Hệ số pha loãng F

Hàm lượng BOD (mg/L)

Hàm lượng COD (mg/L)

II.1 2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu

- Địa điểm nghiên cứu: Phòng thí nghiệm Vệ sinh lao động, Khoa Vệ sinh

và an toàn lao động – Viện Sức khỏe nghề nghiệp và môi trường

- Thời gian nghiên cứu: Từ 01/01/2019 đến 15/09/2019

II.2 Phương pháp nghiên cứu

Hình II.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thực nghiệm SBR kết hợp MBR

II.2.1 Nuôi c ấy bùn hoạt tính

Nuôi cấy bùn vi sinh từ vi sinh vật sẵn có của hệ thống xử lý hiếu khí khác bằng nguồn nước thải sữa tự pha trong thiết bị của phòng thí nghiệm để bùn thích nghi với nguồn nước thải và tăng sinh khối Trong nghiên cứu này, vi sinh vật sử dụng được lấy từ hệ thống xử hiếu khí của Công ty Samsung Việt Nam Vi sinh vật ở dạng bùn đã được ép và sấy sau hệ thống xử lý

Thiết bị nuôi cấy là ống đong thủy tinh hình trụ, chiều cao 46 cm, đường kính ngoài 6,5 cm, mực nước thải trong ống đong ở vạch chia 800 ml Cấp khí liên tục cho thiết bị nuôi cấy với lưu lượng 2 L/p

Hình II.2 Thiết bị nuôi bùn vi sinh

Sau một thời gian nhất định, bùn giống có sự tăng trưởng sinh khối đáng kể Lấy bùn từ thiết bị nuôi bùn đưa vào thiết bị xử lý nước thải theo mẻ SBR kết hợp MBR Theo dõi quá trình hoạt động của hệ thống để đảm bảo thiết bị cấp khí hoạt động liên tục Theo dõi quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong thiết bị nuôi để đảm bảo không thiếu chất dinh dưỡng cho vi sinh vật, nhiệt độ thích hợp,

có thể bổ sung chất dinh dưỡng khi cần thiết trong quá trình nuôi

II.2.2 Quá trình th ực nghiệm

Hình II.4 Hệ thống xử lý nước thải thực nghiệm SBR kết hợp MBR

Hệ thống thiết bị thí nghiệm như hình II.4:

- Bể phản ứng có thể tích 5 L dùng để làm thiết bị SBR xử lý nước thải (kích thước D x R x C = 150 x 150 x 450 mm)

- Quả đá sục khí dùng để cung cấp oxy và đánh tan oxy thành các bọt bong bóng nhỏ, mịn hơn, giúp oxy phân tán tốt và đều hơn, kích thước 2x5 mm

- Ống cao su dùng đê kết nối từ máy thổi khí oxy đến thiết bị khác hoạt động nhờ khí oxy từ máy, đường kính ống D5xD8 mm

- Thiết bị thổi khí: Máy SKC có tốc độ thổi khí 2-5 L/p, có chế độ hẹn giờ

Hệ thống SBR có chu trình làm việc như sau:

Bảng II.5 Chu trình làm việc của bể SBR

Pha Chờ Nạp nước thải Sục khí Pha lắng Xả nước Xả bùn

Thời

- Thể tích nước thải cần xử lý: 4 L/ngày

- Thông số đầu vào:

+ BOD: 479 mg/L + pH: 7,5

+ COD: 1135 mg/L + SS: 506 mg/L

+ TKN: 95 mg/L + TP: 18 mg/L

- Nồng độ bùn hoạt tính ở đầu vào của bể Xo = 0

- Thời gian lưu bùn (tuổi của bùn) θc = 10 – 30 ngày, chọn θc = 30 ngày

- BOD = 0,42COD

- Nhiệt độ nước thải: t = 25oC

- Tính toán lượng bùn sản sinh ra mỗi ngày:

+ Tốc độ tăng trưởng của bùn:

Yb = 1 + kY

d θc = 1+ 0,03 × 300,4 = 0,21 kg VS/ngày + Lượng bùn hoạt tính sinh ra do khử BOD theo VSS trong 1 ngày:

- Xác định lượng không khí cần thiết:

+ Lượng oxi cần thiết cung cấp cho mỗi bể theo điều kiện cần để làm sạch BOD, oxy hóa amoni NH4+thành NO3-, khử NO3- :

Bảng II.6 Thông số vật liệu màng

Loại màng Kích thước mao quản Diện tích bề mặt

MF, sợi rỗng 0,22 μm 0,065 m2

- Thiết bị bơm hút: Máy bơm mini có điện áp DC 6-12 V, công suất: 5-12 W, lưu lượng bơm 1-2 L/phút, kích thước: 90x40x35mm, dùng để hút nước qua màng

Màng lọc được đặt chìm trong bể phản ứng SBR và quá trình lọc được thực

hiện bằng bơm hút Hệ thống sục khí đặt bên dưới màng lọc để cung cấp oxi cho quá trình oxi hóa sinh học và tạo ra dòng chảy dọc theo bề mặt màng lọc.Vận

hành bơm hút theo chu trình 10 phút làm việc, 2 phút tạm dừng

II.2.3 Quá trình ho ạt động của hệ thống thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm có thời gian lưu bùn là 30 ngày Trong đó, mỗi ngày xử

lý 1 mẻ, giai đoạn 1 từ ngày 1 đến ngày 22 xử lý nước thải bằng công nghệ SBR, giai đoạn 2 từ ngày 23 đến ngày 30 xử lý nước thải bằng công nghệ SBR kết hợp MBR Trong bể phản ứng SBR, nước thải được xử lý theo các chu kỳ hoạt động như sau:

- Pha làm đầy: Nước thải được bơm vào bể xử lý trong 0,5h Quá trình làm đầy là làm đầy - hòa trộn tạo môi trường hiếu khí trong bể, trong bể diễn ra quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, loại bỏ một phần BOD/COD trong nước thải

- Pha sục khí: Tiến hành sục khí cho bể xử lý trong 6-10h để tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính và khuấy trộn đều hỗn hợp Trong pha sục khí, diễn ra quá trình nitrit hóa, nitrat hóa và phân hủy chất hữu cơ Loại bỏ BOD/COD trong nước và xử lý các hợp chất Nitơ Quá trình nitrat hóa diễn ra một cách nhanh chóng: sự ôxy hóa amoni (NH4+) được tiến hành bởi các loài vi khuẩn Nitrosomonas quá trình này chuyển đổi amoniac thành nitrit (NO2-) Các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter có nhiệm vụ oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3-)

NH4+ + 3/2O2→ NO2- + H2O + 2H+ (Nitrosomonas)

NO2- + 1/2 O2 → NO3- (Nitrobacter)

- Pha lắng: Trong pha này không thực hiện sục khí nhằm mục đích để bùn vi sinh lắng trong trong môi trường tĩnh hoàn toàn 1h Đây cũng là thời gian diễn ra quá trình khử nitơ trong bể với hiệu suất cao Kết quả của quá trình này là tạo ra

2 lớp trong bể, lớp nước tách pha ở trên và phần cặn lắng chính là lớp bùn ở dưới

- Pha rút nước : Sau khi bùn vi sinh lắng xuống, tháo nước ra khỏi bể trong 0,5h

- Pha rút bùn: Khi hết thời gian lưu bùn, tháo bùn lắng tháo khỏi bể trong 0,5h

- Pha chờ : Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành

Khi kết hợp công nghệ MBR, màng lọc gồm nhiều sợi rỗng liên kết với nhau, các lỗ lọc rất nhỏ không cho một số vi sinh xuyên qua, bùn sinh học sẽ được giữ lại trong bể Nước sạch được bơm hút sang bể chứa Máy thổi khí ngoài cung cấp khí cho vi sinh hoạt động còn làm nhiệm vụ thổi bung các cặn bùn bám trên thân màng giúp đảm bảo màng sẽ không bị tắc trong suốt quá trình hoạt động

Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng cấp khí đến hiệu quả xử lý của hệ thống bằng cách tiến hành xử lý cùng 1 lượng nước thải với các lưu lượng cấp khí khác nhau trong cùng một khoảng thời gian Bố trí 3 bể xử lý có cùng dung tích Thể tích nước thải cần xử lý 4 L Lưu lượng cấp khí của các bể lần lượt là 2,3,4 L/p Thời gian xử lý nước thải là 8h So sánh hiệu suất xử lý của 3 bể

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian cấp khí đến hiệu quả xử lý của hệ thống bằng cách tiến hành xử lý cùng 1 lượng nước thải trong các khoảng thời gian khác nhau với cùng 1 lưu lượng cấp khí Bố trí 3 bể xử lý có cùng dung tích Thể tích nước thải cần xử lý 4 L Thời gian cấp khí của các bể lần lượt là 6,8,10 h Lưu lượng cấp khí là 3 L/p So sánh hiệu suất xử lý của 3 bể

II.2.4 K ỹ thuật phân tích

1 Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định nhu cầu oxy sinh hóa của nước bằng phương pháp pha loãng và cấy các tác nhân gây ức chế quá trình nitrat hóa

Phương pháp này áp dụng được cho các loại nước có nhu cầu oxy sinh hóa lớn hơn hoặc bằng 3 mg/L oxy (giới hạn xác định) và không vượt quá 6 000 mg/L oxy, nhưng sai số do pha loãng có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích của phương pháp và đòi hỏi xử lý kết quả phải thận trọng

3 Thuốc thử

Chỉ dùng các thuốc thử tinh khiết phân tích được công nhận

3.1 Nước, nước loại 3 theo phân loại trong TCVN 4581 (ISO 3696)

Nước không được chứa nhiều hơn 0,01 mg/L đồng, không chứa clo hoặc cloramin

3.2 Nước cấy, nếu bản thân mẫu nước không có đủ các vi sinh vận cần thiết, phải tạo ra nước cấy theo một trong các cách sau:

Nước lấy ở cuối dòng thải của chính loại nước cần phân tích hoặc nước chứa

vi sinh vật thích hợp cho nước cần phân tích và được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm (với trường hợp là nước thải công nghiệp có chứa các chất khó phân hủy);

3.3 Dung dịch muối, bảo quản trong bình thủy tinh ở nhiệt độ 0 °C đến 4 °C trong chỗ tối

Các dung dịch sau đây bền trong sáu tháng Cần được loại bỏ ngay khi có dấu hiệu kết tủa hoặc sinh vật phát triển

3.3.1 Dung dịch đệm photphat, pH 7,2

Hòa tan 8,5 g kali dihydrophotphat (KH2PO4), 21,75 dikali hydrophotphat (K2HPO4), 33,4 g dinatri hydrophotphat heptahydrat (Na2HPO4.7H2O) và 1,7 g amoni clorua (NH4Cl) trong khoảng 500 mL nước Pha loãng đến 1 000 mL và lắc đều

Nếu pH của dung dịch đệm này là 7,2 thì không cần điều chỉnh

3.3.2 Dung dịch magie sulfat heptahydrat, p = 22,5 g/L

Hòa tan 22,5 g magie sulfat heptahydrat (MgSO4.7H2O) trong nước Pha loãng thành 1 000 mL và lắc đều

3.3.3 Dung dịch canxi clorua, p = 27,5 g/L

Hòa tan 27,5 g canxi clorua khan (CaCl2) hoặc tương đương (ví dụ sử dụng 36,4 g muối canxi clorua ngậm nước (CaCl2.2H2O) với nước Pha loãng thành 1

000 mL và lắc đều

3.3.4 Dung dịch sắt (III) clorua hexahydrat, p = 0,25 g/L

Hòa tan 0,25 g sắt (III) clorua hexahydrat (FeCl3.6H2O) trong nước Pha loãng thành 1 000 mL và lắc đều

3.4 Nước pha loãng

Thêm 1 mL mỗi dung dịch muối (5.3.1, 5.3.2, 5.3.3 và 5.3.4) vào khoảng 500

mL nước Pha loãng thành 1000 mL và lắc đều Giữ nhiệt độ 20 °C ± 2 °C cho dung dịch vừa điều chế được và giữ ở nhiệt độ này, sục khí ít nhất trong 1 h bằng dụng cụ thích hợp Chú ý không làm nhiễm bẩn dung dịch (6.8), đặc biệt là nhiễm bẩn các chất hữu cơ, kim loại, chất oxy hóa hoặc chất khử, để đảm bảo nồng độ oxy hòa tan ít nhất là 8 mg/L

Tránh làm cho nước quá bão hòa oxy: mở nút bình chứa và để trong 1 h trước khi sử dụng Dung dịch chỉ được dùng trong vòng 24 h tính từ lúc chuẩn bị, phần còn lại của dung dịch sau thời gian đó phải đổ bỏ, ngoại trừ thực tế phòng thí nghiệm hoặc các giá trị kiểm tra cho thấy là dung dịch nước đó dùng được trong khoảng thời gian dài hơn

3.5 Nước pha loãng cấy vi sinh vật

Thêm từ 5 mL đến 20 mL nước cấy (5.2) (tùy theo loại nguồn nước) vào mỗi lít nước pha loãng (5.4) Giữ nước pha loãng cấy vi sinh vật vừa điều chế ở 20

°C Chuẩn bị nước này ngay trước khi dùng và đổ bỏ phần dư vào cuối ngày làm việc, trừ khi thực thế phòng thí nghiệm hoặc các giá trị kiểm tra (8.5) cho thấy là dung dịch nước pha loãng cấy vi sinh vật đó dùng được trong khoảng thời gian dài hơn

Nồng độ khối lượng của oxy bị tiêu thụ qua n ngày ở 20 °C của nước pha

loãng cấy vi sinh vật, chính là giá trị trắng (8.3), không được vượt quá 1,5 mg/L

3.6 Dung dịch axit clohydric (HCl) hoặc dung dịch axit sulfuric (H2SO4),

c(H2SO4) ≈ 0,25 mol/L, c(HCl) ≈ 0,50 mol/L, hoặc thích hợp

3.7 Dung dịch natri hydroxyt (NaOH), p ≈ 20 g/L hoặc thích hợp

3.8 Dung dịch natri sunfit (Na2SO3), p ≈ 50 g/L hoặc thích hợp

3.9 Axit glucô – glutamic, dung dịch kiểm tra

Sấy một ít D-gluco khan (C6H12O6) và một ít axit L-glutamic (C5H9NO4) ở nhiệt độ (105 ± 5) °C trong 1 h Cân mỗi thứ (150 ± 1) mg, hòa trong nước và pha thành 1 000 mL và lắc đều Về lý thuyết nhu cầu oxy của dung dịch này là

307 mg/L oxy [BOD5 thực nghiệm là (210 ± 20) mg/L oxy và BOD7 thực nghiệm

là (225 ± 20) mg/L oxy]

Chuẩn bị dung dịch này ngay trước khi dùng và đổ bỏ phần còn lại vào cuối ngày làm việc Một lượng nhỏ dung dịch này có thể giữ đông lạnh Dung dịch phải được sử dụng ngay sau khi làm tan đông lạnh

3.10 Dung dịch allylthiorea (ATU), p = 1,0 g/L

Hòa tan 200 mg allylthiourea (C4H8N2S) trong nước, pha loãng đến 200 mL và lắc đều Bảo quản dung dịch ở 4 °C Dung dịch này bền ít nhất hai tuần Đây là hợp chất độc vì vậy phải cẩn thận

4 Thiết bị, dụng cụ

Mọi dụng cụ thủy tinh cần phải sạch, không hấp thụ các hợp chất độc hoặc chất phân hủy sinh học, luôn được giữ gìn để không bị nhiễm bẩn

4.1 Bình ủ, bình BOD, có nút đậy, dung tích từ 250 mL đến 300 mL hoặc 100

ml đến 125 ml, có nút mài thủy tinh, và nên dùng loại bình vai thẳng, hoặc bất cứ bình nào tương tự

Điều quan trọng là các bình phải được làm sạch kỹ tước khi dùng Nếu sử dụng phương pháp đo iốt [TCVN 7324 (ISO 5813)] để xác định ôxy hòa tan thì thông thường chỉ xúc rửa với nước vòi vài lần là đủ sạch, sau đó rửa với nước đã loại ion Nếu sử dụng phương pháp điện cực [TCVN 7325 (ISO 5814)] thì quy trình xúc rửa đòi hỏi nghiêm ngặt hơn, ví dụ như sau: cho vào một bình rỗng từ 5

mL đến 10 mL dung dịch tẩy rửa (ví dụ 2,5 g iốt cùng với 12,5 g kali iôđua hòa với mỗi lít axit sufuric 1 %) và lắc kỹ để dung dịch tẩy rửa láng hết thành bình

Để yên 15 min, rót chất tẩy rửa ra khỏi bình và xúc kỹ bình với nước vòi, sau đó xúc rửa bình với nước đã loại ion

4.2 Bình dùng để pha loãng nước, bình thủy tinh hoặc nhựa/chất dẻo

Phải áp dụng các biện pháp thích hợp để đảm bảo bình này được bảo quản sạch và không có vi sinh vật phát triển Kiểm tra để biết bình nhựa không làm tăng các giá trị trắng (8.3)

4.3 Tủ ủ, có khả năng duy trì được nhiệt độ (20 ± 2) °C

4.4 Thiết bị xác định nồng độ oxy hòa tan, phù hợp với TCVN 7324 : 2004 (ISO 5813) hoặc TCVN 7325 : 2004 (ISO 5814)

4.5 Phương tiện làm lạnh, nhiệt độ 0 °C đến 4 °C, dùng để vận chuyển và lưu giữ mẫu

4.6 Bình pha loãng, bình thủy tinh có nút đậy, dung tích phụ thuộc vào thể tích mẫu pha loãng sử dụng, vạch chia 2,5 ml và 10 ml, hoặc bất cứ bình nào phù hợp cho việc pha loãng

4.7 Thiết bị sục khí, chẳng hạn bình chứa khí nén hoặc một máy nén khí Chất lượng không khí sục không làm nhiễm bẩn mẫu do sục khí, đặc biệt là làm nhiễm thêm chất hữu cơ, oxy hóa chất khử, hoặc kim loại Nếu nghi nhiễm bẩn, thì không khí cần được lọc và rửa

5 Bảo quản mẫu

Mẫu được nạp đầy trong một bình kín ngay sau khi lấy mẫu và giữ ở nhiệt độ

từ 0 °C đến 4 °C cho đến khi phân tích Tiến hành xác định BODn càng sớm càng tốt trong vòng 24 h kể từ khi mẫu được lấy Làm đông lạnh mẫu, xem các trường hợp đặc biệt trong điều 10

Phải đảm bảo là những chai chứa mẫu không làm tăng giá trị trắng

6 Cách tiến hành

6.1 Xử lý sơ bộ

6.1.1 Trung hòa mẫu

Nếu pH của mẫu sau khi pha loãng không nằm trong khoảng 6 và 8, cần dùng dung dịch axit clohydric (5.6) hoặc natri hydroxyt (5.7) để trung hòa mẫu sau khi

đã xác định thể tích bằng phép thử riêng Khi trung hòa không cần quan tâm đến kết tủa nếu có tạo thành

6.1.2 Clo tự do và/ hoặc clo liên kết

Loại bỏ clo tự do và clo liên kết có trong mẫu bằng dung dịch natri sulfit (5.8) Chú ý không dùng dư

CHÚ THÍCH Các phương pháp xác định clo tự do và clo liên kết theo ISO 7393-1 và ISO 7393-2

6.1.3 Đồng nhất mẫu

Đồng nhất mẫu bằng cách làm tan các hạt rắn dùng các máy trộn dùng trong phòng thí nghiệm là không nên áp dụng khi tiến hành các công việc phân tích

hàng ngày nhưng có thể sử dụng các máy trộn này khi phân tích với mẫu chứa các hạt lớn và yêu cầu hệ số pha loãng cao

6.1.4 Sự có mặt của tảo

Mẫu có chứa tảo cần phải lọc để tránh việc tạo ra kết quả cao không bình thường Kích thước lỗ của cái lọc 1,6 µm là phù hợp Lọc có thể làm thay đổi cơ bản kết quả BOD cho nên chỉ tiến hành lọc nếu thật sự thấy cần thiết trong đánh giá chất lượng nước Nếu đã tiến hành lọc thì kích thước lỗ lọc phải được nêu trong báo cáo thử nghiệm

Bảng II.7 Độ pha loãng điển hình để xác định BODn BODn dự đoán

E: Nước cống đô thị đã được xử lý sinh học;

S: Nước cống đô thị đã được làm trong hoặc nước thải

công nghiệp bị ô nhiễm nhẹ;

C: Nước cống đô thị thô (chưa xử lý);

I: Nước thải công nghiệp bị ô nhiễm nặng

6.2 Chuẩn bị dung dịch thử

Để mẫu (hoặc mẫu đã xử lý sơ bộ) ở nhiệt độ khoảng (20 ± 2) °C, nếu cần (tùy thuộc vào nguồn gốc của mẫu) nạp khoảng nửa bình và lắc để tránh quá bão hòa oxy