The application of anaerobic membrane bioreactor for the co treament of household organic waste and sewage

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN XUÂN HÙNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC KỴ KHÍ CHO ĐỒNG XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT The application of Anaerobic Membra

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN XUÂN HÙNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC KỴ KHÍ CHO ĐỒNG XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

The application of Anaerobic Membrane Bioreactor for the co-treament of hosehold organic waste and sewage

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Môi Trường

Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Phước Dân

4 TS Nguyễn Như Sang

5 TS Võ Nguyễn Xuân Quế

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN XUÂN HÙNG

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1994

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

MSHV: 1770234 Nơi sinh: Bình Dương

Mã số: 60520320

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí cho đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Đánh giá hiệu quả xử lý mô hình AnMBR tại thời gian lưu 48 giờ, 36 giờ và 12 giờ thông qua sự thay đổi của COD, TKN, N-NH 4 +

và TP, sản lượng khí sinh học thu hồi Ảnh hưởng của VFA đến pH dòng thấm và hàm lượng khí methane trong hỗn hợp biogas

Đánh giá áp suất chuyển màng (TMP), đặc tính bẩn màng các thời gian lưu khác nhau

48 giờ, 36 giờ và 24 giờ

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/01/2018

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2018

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Phước Dân

NCS Bùi Hồng Hà

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký)

Tp HCM, ngày 4 tháng 01 năm 2019

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Phước Dân NCS Bùi Hồng Hà PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Võ Lê Phú

iii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Phước Dân người Thầy đã tận tình hướng dẫn và tài trợ kinh phí trong thời gian nghiên cứu

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô khoa Môi Trường và Tài Nguyên, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức quý báu, đó là nền tảng vững chắc cho tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm ơn các bạn học viên cao học, các bạn sinh viên đại học khoá

2017 đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi thực hiện đề tài luận văn

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và các bạn tôi, những người đã động viên, tạo động lực và đồng hành cùng tôi suốt quá trình thực hiện luận văn

Chân thành cảm ơn!

TP HCM, tháng 01 năm 2019

Nguyễn Xuân Hùng

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) cho việc đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt Hỗn hợp chất thải được phối trộn với nhau với tỉ lệ 0,72 kg chất thải hữu cơ và 150 lít nước thải dựa trên lượng phát sinh thực tế trên đầu người Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD tăng khi thời gian lưu nước (HRT) tăng và tải trọng hữu cơ OLR giảm Ở thí nghiệm 1, cho thấy hiệu quả xử lý COD rất tốt và ổn định ở tải trọng 0,9 kgCOD.m-3

.ngày-1 nhưng khi tăng tải trọng lên 3,5 kgCOD.m-3

.ngày-1 đồng thời giảm thời gian lưu về HRT=24 giờ

để đánh giá khả năng thích nghi và xử lý của vi sinh thì thấy rằng hiệu suất giảm đáng kể từ 91 xuống 83%, mô hình có dấu hiệu của quá tải Vì vậy, thời gian lưu nước được tăng lên HRT=36 giờ ở thí nghiệm 2, hiệu quả loại bỏ COD được tăng lên và ổn định sau một ngày thích nghi với hiệu suất đạt 89,7% với OLR=1,5 kgCOD.m-3

.ngày-1 Sau 30 ngày, mô hình tiếp tục vận hành ở HRT=36h nhưng tải trọng được tăng lên 2,0 kgCOD.m-3

.ngày-1 với mục đích đánh giá khả năng xử lý COD khi thay đổi tải trọng Kết quả hiệu suất xử lý COD giảm không đáng kể ở mức 88,7% Tuy nhiên, hiệu suất loại bỏ TKN, TP thấp Nồng độ N-NH4+ dòng thấm có sự gia tăng đáng kể so với nồng độ hỗn hợp dòng vào Đánh giá áp suất chuyển màng (TMP), ở thí nghiệm 1 giá trị TMP đạt gần 50kPa ở ngày thứ 26 với HRT 48 giờ và ngày thứ 10 của HRT 24 giờ Ở thí nghiệm 2, với HRT 36 giờ giá trị TMP đạt gần 50kPa vào ngày thứ

18 tại OLR=1,5 kgCOD-1

.m-3.ngày-1 và ngày 15 tại OLR=2,0 kgCOD.m-3.ngày

-1

Tốc độ bẩn màng (dTMP/dt) sẽ tăng nhanh khi nồng độ TS tăng, năng suất khí sinh học thu được ở HRT 48 giờ và 24 giờ lần lượt là 1,12 l.ngày-1 và 3,55 l.ngày-1 Tại HRT 36 giờ lượng khí sinh ra là 1,53 l.ngày-1 và 2,1 l.ngày-1 ứng

.ngày-1 và OLR=2,0 kgCOD.m-3.ngày-1

v

ABSTRACT

This study aimed to evaluate the effectiveness of the application of anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) in co-treatment of sewage and household organic solid waste The influent is the mixture at proportion of 0.72

kg of organic waste and 150 liters of sewage which is the actual per capita The results showed that the COD removal efficiency increased as Hydraulic Retention Time (HRT) increasing and Organic loading rate decreasing.In Run

1, the results showed that COD treatment efficiency was high and stable at 0.9 kgCOD.m-3.day-1 load but when OLR was increased to 3.5 kgCOD.m-3.ngày-1and reduce HRT to 24 hours to evaluate microbial processing,the efficiency decreased significantly from 91 to 83%, the system has signs of shock of organic load, the sludge in UASB tank flows through membrane tank Therefore, in Run 2, HRT was increased to 36 hours, the results indicated that COD removal efficiency was increased and stabilized after one day of adaptation, the efficiency reached 89.7% with OLR=1.5kgCOD.m-3.ngày-1 After 30 ngàys, the model continued to operate at HRT = 36h but OLR was increased to 2.0 kgCOD.m-3 ngày-1 The purpose of OLR change is to evaluate the model's processing capability The results of COD treatment efficiency decreased negligible at 88.7%.However, Removal efficienc y at the permeability flow of TKN, TP is insignificant The concentration of N-NH4+

of permeat had a remarkable growth compared to those in influent The membrance fouling velocity (dTMP.dt-1) would be quickly raised up as TS In Run 1 the yield of biogas collected at HRT 48 hours was 1.12 L.day-1, corresponding to a yield of, compared to the 3.55L.day-1 of HRT 24 In Run 2,

At HRT 36 hours the yield of biogas collected was 1.53 L.day-1 with OLR=1.5 kgCOD.m-3.day-1 compared to OLR=2.0 kgCOD.m-3.day-1 with the yield of biogas collected was 2.1 l.day-1

vi

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Nguyễn Phước Dân

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 Giáo viên phản biện 1 Giáo viên phản biện 2

viii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn là kết quả quá trình nghiên cứu của tôi và các bạn sinh viên đại học khoá 2017 thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài Nguyên, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

Những kết quả và số liệu trong luận văn được thực hiện nghiêm túc và trung thực Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về kết quả nghiên cứu của mình

TP.Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 01 năm 2019

Học Viên Cao Học

Nguyễn Xuân Hùng

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh

AeMBR Công nghệ màng sinh học Aerobic Membrane Bioreactor

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn và tính mới của đề tài 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 6

2.1 Hiện trạng phát sinh chất thải sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam 6

2.1.1 Chất thải rắn sinh hoạt 6

2.1.2 Nước thải sinh hoạt 7

2.2 Công nghệ màng lọc 9

2.3 Công nghệ màng sinh học kỵ khí 9

2.3.1 Khái quát màng sinh học kỵ khí 9

2.3.2 Hiệu quả xử lý 11

2.3.3 Thu hồi năng lượng khí sinh học 13

2.3.4 Tiềm năng ứng dụng 14

2.3.5 Nghiên cứu trong nước 16

2.4 Đồng phân huỷ kỵ khí chất thải thực phẩm và nước thải sinh hoạt 16

2.4.1 Nghiên cứu ngoài nước 16

2.4.2 Nghiên cứu trong nước 18

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

3.1 Nội dung nghiên cứu 20

3.2 Phương pháp nghiên cứu 21

3.2.1 Mô hình thí nghiệm 21

3.2.2 Điều kiện vận hành 25

3.2.3 Vật liệu 26

3.3 Phương pháp phân tích 29

3.3.2 Phương pháp đo trở lực màng lọc 30

3.3.3 Phương pháp đo lưu lượng khí sinh học 32

3.3.4 Phương pháp đo lưu lượng nước dòng thấm 32

3.4 Xử lý và thống kê số liệu 33

3.5 Phương pháp tính toán cân bằng vật chất 33

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Đánh giá ảnh hưởng thời gian lưu nước HRT khác nhau 34

4.2 Nồng độ COD 36

4.2.1 Hiệu suất khử tCOD 36

4.2.2 Ảnh hưởng sCOD ở bể sinh học 38

4.3 pH, độ kiềm và VFA 39

4.3.1 Ảnh hưởng pH và độ kiềm trong quá trình kỵ khí 39

4.3.2 Ảnh hưởng VFAđến quá trình kỵ khí 41

4.4 Thay đổi thành phần dinh dưỡng 42

4.4.1 Ảnh hưởng của TKN 42

4.4.2 Ảnh hưởng của N_NH4+ 43

4.4.3 Ảnh hưởng của TP 44

4.5 Sản lượng khí sinh học 45

4.5.1 Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến lưu lượng khí sinh ra 45

4.5.2 Ảnh hưởng VFA đến hàm lượng methane trong hỗn hợp biogas 46

4.6 Bẩn màng và phân bố trở lực màng 48

4.6.1 Áp suất chuyển màng (TMP) 48

4.6.2 Phân bố trở lực màng 51

4.7 Nồng độ sinh khối 53

4.7.1 Mối quan hệ nồng độ chất rắn (TS) và áp suất chuyển màng (TMP) 53

4.7.2 Phân bố kích thước hạt 54

4.8 Cân bằng vật chất trong thí nghiệm 57

4.8.1 Cân bằng vật chất COD 57

4.8.2 Cân bằng vật chất TKN và TP 59

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

5.1 Kết luận 62

5.2 Kiến nghị 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh các đ ặc tính công nghệ xử lý nước thải 10

Bảng 2.2 Tóm tắt ứng dụng công nghệ AnMBR trong xử lý nước thải 15

Bảng 3.1 Thông số vận hành và quy trình rửa hóa chất của màng 25

Bảng 3.2 Điều kiện vận hành mô hình AnMBR 27

Bảng 3.3 Tính chất dòng vào hệ thống AnMBR 27

Bảng 3.5 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 30

Bảng 4.1 Tính chất dòng thấm và hiệu suất xử lý AnMBR ở các HRT khác nhau 36

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu 21

Hình 3.2 Sơ đồ mô hình AnMBR 22

Hình 3.3 Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước thải sinh hoạt 27

Hình 3.4 Biểu đồ phân bố kích thước hạt rác thải hữu cơ với nước thải sinh hoạt 28

Hình 3.5 Bản vẻ chi tiếc hộp lật khí 33

Hình 4.1 Sự thay đổi và hiệu suất của COD theo thời gian vận hành AnMBR 38

Hình 4.2 Sự biến thiên dòng vào, dòng ra ở các HRT khác nhau 38

Hình 4.3 Hiệu suất tCOD, sCOD và pCODở các HRT khác nhau 40

Hình 4.4 Sự biến thiên pH dòng vào và dòng thấm theo thời gian vận hành 41

Hình 4.5 Mối tương quan giữa VFA và pH theo thời gian vận hành 42

Hình 4.6 Sự biến thiên TKN dòng vào và dòng thấm theo thời gian vận hành 44

Hình 4.7 Sự biến thiên N_NH4+ dòng vào và dòng thấm theo thời gian vận hành 45

Hình 4.8 Sự biến thiên TP dòng vào và dòng thấm theo thời gian vận hành 46

Hình 4.9 Sự biến thiên khí sinh học thu hồi theo thời gian vận hành 47

Hình 4.10 Sự biến thiên khí sinh học thu hồi theo thời gian vận hành 47

Hình 4.11 Sự biến thiên TMP ở HRT 48 giờ OLR=0,9 50

Hình 4.12 Sự biến thiên TMP ở HRT 24 giờ OLR=3,5 50

Hình 4.13 Sự biến thiên TMP ở HRT 36 giờ với OLR=1,5 51

Hình 4.14 Sự biến thiên TMP ở HRT 36 giờ với OLR=2,0 51

Hình 4.15 Giá trị thành phần của các trở lực màng 53

Hình 4.16 Biểu đồ phân bố thành phần gây trở lực màng ở TN 1 54

Hình 4.17 Biểu đồ phân bố thành phần gây trở lực màng ở TN 2 54

Hình 4.18 Nồng độ chất rắn tích luỹ trong bể ở mỗi tải trọng khác nhau 56

Hình 4.19 Biểu đồ phân bố kích thước hạt dòng vào 57

Hình 4.20 Biểu đồ phân bố kích thước hạt sau bể sinh học UASB vị trí 1 57

Hình 4.21 Biểu đồ phân bố kích thước hạt sau bể sinh học UASB vi trí 2 58

Hình 4.22 Biểu đồ phân bố kích thước hạt sau bể sinh học UASB vị trí 3 58

Hình 4.23 Biểu đồ phân bố kích thước hạt sau bể sinh học UASB vị trí 4 59

Hình 4.24 Biểu đồ phân bố kích thước hạt bùn hồi lưu từ bể màng 59

Hình 4.25 Phân bố thành phần COD ở TN 1 60

Hình 4.26 Phân bố thành phần COD ở TN 2 61

Hình 4.27 Phân bố thành phần TKN ở Thí Nghiệm 1 62

Hình 4.28 Phân bố thành phần TKN ở Thí Nghiệm 2 62

Hình 4.29 Phân bố thành phần TP ở Thí Nghiệm 1 63

Hình 4.30 Phân bố thành phần TP ở Thí Nghiệm 2 63

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay hầu hết các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ở các đô thị nước

ta tập trung đầu tư xử lý nước thải 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 với tiêu chuẩn xả thải Việt Nam Cách tiếp cận "xử lý cuối đường ống" này được xem là không bền vững do tiêu thụ lượng lớn năng lượng

để vận chuyển, xử lý nước thải và chất dinh dưỡng sẵn có trong nước thải bị mất đi qua các quá trình xử lý Thách thức trong tương lai là làm sao tìm được cách tiếp cận cho hệ thống xử lý nước thải mà ở đó kết hợp được ba yếu tố: tái

sử dụng tài nguyên sẵn có trong nước thải, vận hành hệ thống xử lý nước thải hợp tiêu chuẩn vệ sinh cùng với tiết kiệm chi phí xử lý [1] Bên cạnh nước thải, 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 mang đi đốt hoặc làm phân hữu cơ 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 mà không thu hồi khí sinh học [2] 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 những năm gần đây, nhu cầu tái chế các sản phẩm hữu cơ, phục hồi năng lượng từ chất thải đã thúc đẩy sự phát triển các công nghệ kỵ khí xử lý chất thải đô thị ở nhiều nơi trên thế giới [3] Forum – một tổ chức phi lợi nhuận có trụ sở tại Colombo, Sri Lanka đang tìm kiếm phương án để khuyến

khích người dân Sri Lanka chấp nhận các chính sách về năng lượng tái tạo, phát triển đất nước mà không tăng lượng phát thải Cacbon, bao gồm việc sử dụng khí sinh học trong các gia đình ở Sri Lanka [4] Tại Anh, các nhà máy đồng xử lý đầu tiên đã được lắp đặt tại Holsworthy, Devon để xử lý phân gia súc kết hợp chất thải thực phẩm Tuy nhiên, đồng xử lý bùn thải với chất thải thực phẩm chưa được hiệu quả và ứng dụng rộng rãi Vì thế, những quyết định gần đây đã được thực hiện ở Anh để thúc đẩy các nghiên cứu sử dụng các đồng

xử lý của chất thải thực phẩm với bùn thải và nước thải sau bể tự hoại như là một tiềm năng tái tạo năng lượng [5] Đây có thể là một cơ hội lớn cho ngành công nghiệp nước để tăng năng lượng tái tạo, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường Dự án Sewage Plus đã đưa ra khái niệm và kỹ thuật sáng tạo để thu hồi năng lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt hoặc dòng bùn sinh học từ trạm

xử lý nước thải và được công bố vào năm 2009 Quá trình làm giàu/cô đặc nước thải dựa trên công đoạn cô đặc nước thải bằng ly tâm, lọc màng, tạo bông sinh học,hóa học; từ đó 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 cô đặc sau đó được xử lý trong bể phân hủy kỵ khí sinh khí sinh học để thu hồi năng lượng [6;7]

Cùng với quan điểm này dự án Sewage Plus với mục đích thu hồi năng lượng tối đa từ nước thải sinh hoạt đã được triển khai nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa TP HCM Nghiên cứu Cương (2015) sử dụng màng UF cô đặc nước thải sinh hoạt, nước thải căn tin bằng phương pháp sục khí tự nhiên cho thấy chất lượng nước nước sau xử lý ổn định, đạt tiêu chuẩn xả thải Việt Nam tuy nhiên

lượng COD thất thoát nhiều lên đến gần 36% [8] Nghiên cứu Vũ (2015) sử dụng màng UF để cô đặc nước thải sinh hoạt nhằm tạo ra dòng đậm đặc, từ đó lấy dòng cô đặc sử dụng làm nguồn hỗn hợp với rác thải hữu cơ cho quá trình đồng phân hủy kỵ khí [9] Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lượng nước đầu ra

sau lọc màng tương đối ổn định, đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 14:2008/BTNMT, quá trình đồng phân huỷ kỵ khí cho sản lượng khí sinh học cao 0,43 m3.kgVS-1 Tuy nhiên nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng quá trình cô đặc màng dòng đậm đặc thất thoát đến 70% COD đầu vào Nồng độ COD nước sau xử lý kỵ khí vẫn còn cao, có sai số lớn, không ổn định là vấn đề cần phải được quan tâm, nghiên cứu

Công nghệ MBR đang được ứng dụng khá tốt để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí hoặc cô đặc màng Tuy nhiên, về mặt thu hồi năngchất thải thực phẩm chưa được hiệu quả và ứng dụng rộng rãi Vì thế, những quyết định gần đây đã được thực hiện ở Anh để thúc đẩy các nghiên cứu sử dụng các đồng xử lý của chất thải thực phẩm với bùn thải và nước thải sau bể tự hoại như là một tiềm năng tái tạo năng lượng [5] Đây có thể là một cơ hội lớn cho ngành công nghiệp nước để tăng năng lượng tái tạo, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường Dự án Sewage Plus đã đưa ra khái niệm và kỹ thuật sáng tạo để thu hồi năng lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt hoặc dòng bùn sinh học

từ trạm xử lý nước thải và được công bố vào năm 2009 Quá trình làm giàu/cô đặc nước thải dựa trên công đoạn cô đặc nước thải bằng ly tâm, lọc màng, tạo bông sinh học,hóa học; từ đó 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

cô đặc sau đó được xử lý trong bể phân hủy kỵ khí sinh khí sinh học để thu hồi năng lượng [6;7]

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả trong việc ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) cho đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt cho cộng đồng dân cư và tiềm năng thu hồi khí sinh học

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu này xác định hiệu quả xử lý, sản lượng khí sinh học, đặc tính bẩn màng công nghệ AnMBR ở tại trọng lần lượt là: 0,9; 1.47; 2; 3.46

(kgCOD m-3.ngày-1) với thời gian lưu 48 giờ, 36 giờ ở hai tải trọng tiếp theo

và 24 giờ ở tải trọng cuối Từ đó đánh giá cân bằng C, N, P khi đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ – nước thải sinh hoạt

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi của nghiên cứu này được thực hiện với mô hình quy mô phòng thí nghiệm đặt tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên, trường Đại học Bách Khoa TP HCM Nước thải sinh hoạt được thu gom từ lô 6, chung cư Phú Thọ, đường Lữ Gia, phường 15, quận 11, TP HCM và chất thải rắn hữu cơ được thu gom tại căn tin nhà C6 trường Đại học Bách khoa TP HCM Hiệu quả xử lý của mô hình AnMBR, khả năng thu hồi khí sinh học và chất dinh dưỡng được đánh giá

1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn và tính mới của đề tài

Để tránh việc đầu tư hệ thống thoát nước có chi phí cao, hành trình vận chuyển nước thải dài, thu gom rác thải dễ gây ô nhiễm môi trường thì cần có thêm các nghiên cứu cho xử lý phân tán tại từng địa phương, quy mô nhỏ, đặc thù và thân thiện hơn với môi trường Từ đó, ý tưởng về xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ AnMBR được đề xuất dựa trên sự phù hợp với yêu cầu tái sử dụng nước sau xử lý cho trồng trọt, chăn nuôi, đồng thời tận dụng nguồn năng lượng từ quá trình kỵ khí để phục vụ phát điện tại chỗ cho các đơn vị, các hộ gia đình Kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá hiệu quả xử lý và tiềm năng thu hồi khí sinh học khi kết hợp đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt có kết hợp nước sau bể

tự hoại bằng công nghệ AnMBR Từ đó xác định được thông số thời gian lưu

mô hình AnMBR phù hợp để tăng hiệu suất xử lý và cải thiện sản lượng khí sinh học thu hồi

Đánh giá đặc tính bẩn màng kỵ khí AnMBR, khi không sục khí biogas hoặc nitơ để giảm bẩn màng mà thay vào đó gắn motor vào khung màng để tránh

làm thất thoát dòng khí, qua đó kiểm soát lượng khí và lượng bùn tốt hơn ở từng tải trọng khác nhau

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Hiện trạng phát sinh chất thải sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam

Tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam đang tăng nhanh kéo theo sự hình thành nhiều đô thị mới ở khắp nơi trên cả nước, dự báo đến năm 2020 dân số

đô thị là 44 triệu người, chiếm hơn 45% dân số [10] Gia tăng đô thị hoá cho thấy có những tiềm năng về phát triển kinh tế và chuyển dịch cơ cấu kinh tế giữa các ngành Tuy nhiên bên cạnh những lợi ích kinh tế thì trong quá trình hoạt động, sinh hoạt hàng ngày tại các đô thị con người thải ra lượng lớn chất thải (cao gấp 2 - 3 lần tại nông thôn) vì vậy ảnh hưởng lớn đến môi trường sống xung quanh và áp lực cho công tác quản lý, bảo vệ môi trường tại các đô thị Việt Nam [2]

2.1.1 Chất thải rắn sinh hoạt

Quá trình sản xuất và sinh hoạt con người luôn phát thải ra lượng lớn chất thải sinh hoạt Thống kê BTNMT cho thấy năm 2007 lượng rác phát sinh là 17.682 tấn.ngày-1

thì đến năm 2010 là 26.224 tấn.ngày-1 (tăng 1,48 lần) và dự báo đến năm 2025 là 83.200 tấn.ngày-1

(tăng 4,7 lần) Năm 2009 chỉ số phát sinh chất thải rắn sinh hoạt khoảng 1,0 kg.người-1

.ngày đến năm 2015 chỉ số này vào khoảng 1,2 kg.người-1

.ngày và dự báo lượng phát sinh chất thải rắn đô thị sẽ ngày càng tăng nhanh và khó kiểm soát Tại hầu hết các đô thị, khối lượng chất thải rắn sinh hoạt chiếm khoảng 60 - 70%, trong đó thành phần chất hữu cơ chiếm khoảng hơn 60% Ước tính mỗi ngày thải ra khoảng 0,72kg rác hữu cơ.người-1

rác chưa được phân loại tại nguồn, quá trình vận chuyển chưa đảm bảo tính an toàn và gây mùi hôi từ phân huỷ chất thải hữu cơ

Công nghệ xử lý chất thải rắn đô thị ở Việt Nam hiện nay tập trung chủ yếu là chôn lấp, đốt hoặc làm phân hữu cơ Công nghệ thiêu đốt tốn kém nhiều năng lượng cung cấp cho lò đốt, thất thoát thành phần hữu cơ, dinh dưỡng có thể thu hồi từ rác thải hữu cơ Bên cạnh đó, việc đốt có nguy cơ tiềm tàng gây ô nhiễm môi trường như phát sinh mùi hôi tại khu vực bãi rác, tạo ra chất thải thứ cấp nếu không đốt hoàn toàn và gây ô nhiễm môi trường lâu dài tại các nơi xử lý Thống kê BTNMT năm 2016 cho thấy cả nước có 132 bãi chôn lấp chất thải tập trung, tuy nhiên chỉ có 30% bãi được xem xét là hợp vệ sinh Phân hữu cơ được sản xuất từ chất thải rắn hữu cơ đô thị chỉ sử dụng được 55 – 60% lượng chất thải đầu vào và phần còn lại mang đi chôn lấp Tuy nhiên chôn lấp rác thải lại đòi hỏi một diện tích bãi rác lớn Do vậy ở các thành phố đông dân cư và đất đai khan hiếm thì công nghệ này trở nên đắt tiền

Chiến lược bảo vệ môi trường quốc gia đến năm 2020 cũng hướng đến mục tiêu giảm thiểu tối đa lượng rác thải chôn lấp và tăng cường tỷ lệ tái chế, tái sử dụng Do vậy cần phải xây dựng và phát triển công nghệ xử lý chất thải rắn phù hợp, hiệu quả trong xử lý chất thải, hạn chế phát sinh chất thải thứ cấp và thu hồi – tái chế chất thải

2.1.2 Nước thải sinh hoạt

Năm 2004 không thành phố hay đô thị nào của Việt Nam có hệ thống thu gom hay xử lý nước thải sinh hoạt Năm 2009, chỉ có 6 đô thị xây nhà máy xử

lý nước thải tương đương với tổng công suất xử lý dưới 380.000 m3.ngày-1, rất thấp so với lượng nước thải 4,3 triệu m3

.ngày-1 Đánh giá hoạt động quản lý nước thải đô thị năm 2013 cho thấy Việt Nam đã cải thiện đáng kể vấn đề vệ sinh đô thị, đầu tư phát triển hệ thống thu gom nước thải hiệu quả Tuy vậy vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết như chỉ có 90% hộ gia đình xả nước thải vào bể tự hoại, có 60% hộ gia đình đấu nối vào hệ thống thoát nước công cộng,

và thất thoát hơn 10% lượng nước thải chưa được thu gom và xử lý qua các hệ thống xử lý tập trung [11]

Năm 2013 có 17 nhà máy xử lý nước thải đô thị đang hoạt động ở Việt Nam, với tổng công suất thiết kế là 552.000 m3

.ngày-1 Đến năm 2018, Việt Nam có khoảng 37 nhà máy xử lý nước thải tập trung với tổng công suất thiết kế 890.000 m3.ngày-1, và năm 2020 dự kiến sẽ có thêm khoảng 50 nhà máy xử lý nước thải với tổng công suất khoảng 2 triệu m3.ngày-1

đi vào vận hành, nâng tỷ

lệ nước thải được thu gom và xử lý đạt khoảng 20% Hầu hết các nhà máy đều

áp dụng giải pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí dạng bùn hoạt tính, kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí (A2O), phản ứng theo mẻ (SBR), mương oxy hóa (OD) vốn phù hợp để xử lý nước thải đô thị có nồng độ chất hữu cơ và các thông số ô nhiễm mức độ trung bình Tuy nhiên có trên 20 nhà máy xử lý nước thải đô thị đang hoạt động với nồng độ chất hữu cơ thấp do hệ thống thu gom nước thải chung với nước mưa Và có trên 30 nhà máy xử lý nước thải đô thị đang xây dựng sử dụng công nghệ bùn hoạt

tính với hệ thống thu gom nước thải chung với nước mưa (tính đến 2018) Lẽ

ra phải chọn công nghệ xử lý chi phí thấp, xử lý tại chỗ, dễ nâng cấp hệ thống khi có sự thay đổi nồng độ thì việc áp dụng công nghệ bùn hoạt tính làm tốn hao chi phí xây dựng, vận hành, và hệ thống thu gom nước thải chung với nước mưa không những gây tốn kém chi phí đầu tư, vận hành hệ thống xử lý nước thải mà còn làm cho nồng độ ô nhiễm pha loãng, gây khó khăn cho công tác xử

lý nước thải

Báo cáo quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội TP HCM năm 2016 cho thấy có khoảng 90% hộ dân đô thị được kết nối hệ thống thoát nước và 60% nước thải sinh hoạt được xử lý.Tuy nhiên, đến tháng 5-2018, theo Sở Tài nguyên và Môi trường TPHCM, mới chỉ 21,2% tổng lượng nước thải đô thị phát sinh được thu gom và xử lý đạt quy chuẩn quy định trước khi thải ra môi trường Với số lượng nước sinh hoạt năm 2018 sử dụng trên 152 lít.người-1

.ngày-1 và dự đoán tăng 170 lít.người-1.ngày-1 vào năm 2020 sẽ là vấn đề cần

quan tâm, xét xét để tìm kiếm giải pháp xử lý nước thải phù hợp tại TP HCM [12]

2.2 Công nghệ màng lọc

Bất cứ vật liệu nào hình thành lớp mỏng và có khả năng chịu được 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[13] Tách vật chất bằng công nghệ màng là quá trình phân tách vật lý So với những công nghệ khác, công nghệ màng có những ưu điểm là vật liệu phân tách không phải dùng nhiệt, hóa học hay sinh học Công nghệ màng có ứng dụng rộng rãi, từ ứng dụng trong việc tách các chất rắn đơn giản như tách bùn hoạt tính trong xử lý nước thải sinh hoạt đến việc phân tách các vật chất trong phạm vi phân tử như muối trong khử muối có trong nước biển

Màng thường được chế tạo từ cellulose acetate (màng thẩm thấu ngược - RO), polymer hữu cơ, hoặc polymer vô cơ Một số loại polymer hữu cơ sử dụng để sản xuất màng như polysulfone, polyethersulfone, sunfonated polysulfone, polyvinylidene, fluoride,polyacrylonitrile, cellulosics, polyimide, polyetheri-mide, 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, diện tích bề mặt màng lớn, chống bẩn màng tốt

Căn cứ vào kích thước lỗ của màng lọc mà ta chia ra thành các loại màng như: Micro Filtration – MF (kích thước lỗ màng 0,1 – 1µm) , Ultra Filtration – UF(kích thước lỗ 6màng 0,002 – 0,05 µm, Nano Filtration – NF (kích thước lỗ màng 2 – 5 nm) và Reverse Omosis – RO (kích thước lỗ màng < 1nm)

2.3 Công nghệ màng sinh học kỵ khí

2.3.1 Khái quát màng sinh học kỵ khí

Màng sinh học kỵ khí (AnMBR) được giới thiệu đầu tiên vào năm 1970, được định nghĩa đơn giản là một công nghệ xử lý khi có sự kết hợp giữa quá

trình sinh học kỵ khí và màng UF hoặc màng MF do giữ lại được các chất rắn

lơ lửng, bao gồm sinh khối lơ lửng và chất rắn trơ Công nghệ AnMBR có thể đóng vai trò quan trọng trong tương lai vì yêu cầu năng lượng, chất dinh dưỡng thấp, sản lượng bùn thải tạo ra thấp và tạo ra được khí sinh học như là nguồn năng lượng tái tạo [14]

Bảng 2.1 So sánh các đặc tính công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học cho thấy việc bổ sung màng lọc vào hệ thống xử lý có thể cải thiện chất lượng nước sau xử lý, tải trọng xử lý cao và lưu giữ được sinh khối so với các công nghệ truyềnthống đang áp dụng Hơn nữa việc kết hợp màng và phân huỷ kỵ khí cho thấy được hiệu quả cao, lượng bùn thải, yêu cầu năng lượng thấp và tạo ra nguồn năng lượng sinh học so với công nghệ màng sinh học hiếu khí

2.3.2 Hiệu quả xử lý

Mục tiêu quan trọng nhất đạt được trong quá trình hoạt động công nghệ AnMBR là làm giảm hàm lượng cacbon hữu cơ của nước thải sau xử lý và thu hồi năng lược từ nước thải Tuỳ theo đặc tính của nguồn thải, loại nước thải mà nồng độ COD sẽ có mức giới hạn khác nhau, vì vậy hiệu suất loại bỏ COD cũng thay đổi dao động cao từ 76% - 99% [15] Theo thực tế của mô hình thì hiệu suất dao động từ 83% - 91%

Nghiên cứu Cheng Wen (1999) sử dụng bể lọc ngược qua tầng bùn kỵ khí kết hợp với màng lọc trong môi trường xung quanh (12 - 27 0C) xử lý nước thải đô thị cho thấy hiệu quả loại bỏ COD đạt đến 97%, với nồng độ COD dòng thấm luôn thấp hơn 20 mg.l-1; tải trọng hữu cơ AnMBR có thể xử lý rất cao đến 12.5 kgCOD.m-3.ngày [16] Ngoài khả năng loại bỏ chất hữu cơ, nghiên cứu Kocadagistan (2007) xử lý nước thải thành phố Erzurum cho thấy AnMBR loại

bỏ hiệu quả P-PO4

đạt đến 81% và nồng độ Nitơ sau xử lý luôn nằm trong tiêu chuẩn xả thải quốc gia[17] Nghiên cứu Watanabe (2016) đánh giá ảnh hưởng nồng độ cellulose trong nước thải cho thấy hiệu quả loại bỏ COD không

có khác biệt đáng kể, tuy nhiên việc tích luỹ nồng độ chất lơ lửng cao do chưa phân huỷ ảnh hưởng đến tốc độ bẩn màng Thêm vào đó, quá trình vận hành thí nghiệm dài cộng đồng vi khuẩn kỵ khí sẽ thay đổi khi nước thải có nồng độ SS cao so với nồng độ SS thấp [18] Hiệu suất loại bỏ nồng độ chất hữu cơ không những phụ thuộc vào đặc tính dòng chất thải xử lý mà còn phụ thuộc vào điều kiện hoạt động Trong quá trình phân huỷ kỵ khí, mỗi giai đoạn quá trình phân huỷ kỵ khí sẽ yêu cầu khoảng giá trị pH khác nhau,vi khuẩn sản xuất axit yêu cầu giá trị pH 5,5 - 6,5 trong khi đó vi khuẩn sản xuất khí metan yêu cầu pH 6,8 - 7,2 Vì vậy để cho cộng đồng vi khuẩn phân huỷ kỵ khí hoạt động ổn định thì khoảng giá trị pH tối ưu nên duy trì trongkhuẩn sản xuất axit yêu cầu giá trị

pH 5,5 - 6,5 trong khi đó vi khuẩn sản xuất khí metan yêu cầu pH 6,8 - 7,2 Vì vậy để cho cộng đồng vi khuẩn phân huỷ kỵ khí hoạt động ổn định thì khoảng giá trị pH tối ưu nên duy trì trong khoảng 6,8-7,4 [19] Khi giá trị pH nằm

ngoài giá trị hoạt động vi sinh vật nó không những tác động tiêu cực đến sản lượng khí metan mà còn ảnh hưởng đến tính thấm và tuổi thọ màng lọc [15] Pehlivaner (2014) cho rằng nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý AnMBR Hệ thống hoạt động ở điều kiện ưa ấm có nhiều thuận lợi hơn so với điều kiện ưa lạnh và ưa nhiệt khi xem xét hiệu quả loại bỏ COD và sản lượng khí metan Tuy nhiên tại điều kiện ưa nhiệt thì thông lượng dòng thấm sẽ cao hơn so với điều kiện ưa lạnh và ưa ấm [20, 21]

Hu (2006) đánh giá ảnh hưởng thời gian lưu nước (HRT) khác nhau trên các loại màng khác nhau cho thấy hiệu quả loại bỏ COD đối với màng dạng phẳng

và màng dạng sợi là tương đương nhau Hiệu suất loại bỏ COD giảm khi HRT giảm, nồng độ COD hoà tan cao thì chất lượng nước đầu ra sẽ đạt chất lượng cao, hiệu quả loại bỏ sCOD có thể đạt 90% [22] Nghiên cứu Huang (2011) cho thấy HRT và SRT sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quá trình lọc màng

và tính bẩn màng mà nồng độ sinh khối bùn và tỷ lệ sản xuất khí sinh học sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp Với HRT quá ngắn hoặc thời gian lưu bùn (SRT) quá dài

sẽ không được khuyến cáo vì nồng độ sinh khối bùn cao, nồng độ SMP cao nhưng nồng độ EPS thấp sẽ có tác động tiêu cực đến tắc nghẽn màng Tuy nhiên khi HRT ngắn, nồng độ sinh khối bùn cao, sản lượng sinh khí methane cũng sẽ cao hơn và khi SRT dài cũng sẽ có lợi cho vi khuẩn methane hoá Nghiên cứu Huang (2011) cũng đề xuất việc tối ưu hóa các điều kiện hoạt động HRT và SRT nên được xác định bởi hiệu suất xử lý và tính bẩn màng dựa trên những điều kiện cụ thể [23]

Theo Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias [24] Nghiên cứu này cho thấy mối tương quan gián tiếp giữa nồng độ VFA và nồng độ methane.Vì hàm lượng methane giảm khi nồng độ VFA tăng Những kết quả này trùng khớp với những báo cáo của Dogan et al (2005) Nghiên cứu ảnh hưởng sự đa dạng và nồng độ của VFA trong lò phản ứng UASB và kết luận rằng các yếu tố này có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động methanogen, bên cạnh sự phối hợp của

chúng với các sản phẩm khác Trong hệ thống UASB, nồng độ VFA trong nước thải sẽ tăng nhẹ với mức tăng OLR đồng thời giảm HRT

Tác động của HRT trong việc chuyển đổi dư lượng hữu cơ thành khí sinh học

là không đáng kể Theo Lin et al (1986), sản xuất khí sinh học độc lập với HRT và nồng độ cơ chất, việc tăng OLR không có bất kỳ sự gia tăng nào về tỉ

lệ lượng khí sinh học được chuyển hóa từ chất hữu cơ (m3Biogas.kgCOD-1) Tuy nhiên, sự khác biệt chính là hàm lượng khí methane trong hỗn hợp khí

Bên cạnh việc loại bỏ cacbon hữu cơ, chất dinh dưỡng thì theo nghiên cứu Saddoud (2006) cho thấy AnMBR có thể loại bỏ được các vi khuẩn như: Coliforms, Salmonella, Helminths, Protozoan Vì vậy ứng dụng công nghệ AnMBR cho chất lượng dòng thấm tốt, đáp ứng hướng dẫn của WHO để tái sử dụng trong nông nghiệp về vi khuẩn gây bệnh [26]

2.3.3 Thu hồi năng lƣợng khí sinh học

Nghiên cứu Xie (2010) nghiên cứu xử lý nước thải bột giấy bằng công nghệ AnMBR cho thấy tiềm năng thu hồi khí metan từ chất hữu cơ có trong nước thải là rất lớn Sản lượng khí Metan có thể đạt cao nhất đến 0,397 m3

CH4.kgCOD-1 tại nhiệt độ 37°C [27] Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp sản

lượng khí sinh học tạo ra rất thấp và lượng khí metan chiếm tỉ lệ thấp (<55%)

Nghiên cứu Pehlivaner (2014) cũng chỉ ra rằng nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng đến sản lượng khí sinh học thu hồi Sản lượng khí sinh học được thu hồi khoảng 31% ở điều kiện ưa lạnh, 70% ở điều kiện ưa ấm, và 60% ở điều kiện

ưa nhiệt [20] Nghiên cứu của Gao (2014) cũng cho thấy với HRT khác nhau thì sản lượng khí metan được tạo thành cũng khác nhau, sản lượng khí metan tăng khi OLR tăng hay hiệu quả loại bỏ COD tăng Và việc sử dụng nước thải

đô thị cho thấy sản lượng khí tạo thành cũng rất thấp so với các loại nước thải khác Với thời gian lưu 6h thì sản lượng khí metan cũng chỉ đạt được 53,1% từ COD loại bỏ [28]

Sản lượng khí thu hồi từ ứng dụng công nghệ AnMBR sẽ mang lại tiềm năng thay thế năng lượng cung cấp cho quá trình lọc màng hay vận hành hệ thống

kỵ khí Người ta ước tính rằng nếu khí sinh học được sản xuất từ quá trình tiêu hóa kỵ khí thì có thể tạo thành lượng điện khoảng 2,02 kWh kgCOD-1

Bảng 2.2 Tóm tắt ứng dụng công nghệ AnMBR trong xử lý nước thải

Loại

nước thải

Quy mô

thí nghiệm

quả loại

bỏ COD (%)

Sản lượng khí biogas (lCH4.gCOD-1)

Tham khảo

Nhiệt

độ (0C)

SRT (ngày)

HRT (giờ)

Thông lượng (LMH)

2.3.5 Nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu về công nghệ AnMBR tại Việt Nam còn khá hạn chế Hiện nay, mới chỉ có một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ này của PGS.TS Trần Thị Việt Nga và cộng sự cho xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải lò

mổ Đối với nước thải sinh hoạt, tải trọng xử lý là 0,2 – 2,2 kgCOD.m-3

.ngày-1, thời gian lưu nước 8 giờ, hiệu quả xử lý COD đạt 75 – 81%, lượng khí sinh học sinh ra là 500 l.ngày-1 trong đó CH4 chiếm 75% Đối với nước thải giết mổ, tải trọng xử lý là 0,8 – 2,8 kgCOD.m-3

.ngày-1, thời gian lưu nước 10 giờ, hiệu quả

xử lý COD đạt 85 – 90%, lượng khí sinh học sinh ra là 1.000 l.ngày-1

trong đó khí CH4 chiếm 76% [31]

2.4 Đồng phân huỷ kỵ khí chất thải thực phẩm và nước thải sinh hoạt

Theo số liệu thống kê của J Mata-Alvarez và cộng sự đến 2014 thì đồng phân huỷ kỵ khí chất thải là chủ đề đang được các nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và số lượng bài báo được xuất bản tăng dần qua các năm Trong đó 75% số bài báo đã được xuất bản từ năm 2012 đến năm 2013 [32] Những hạn chế của quá trình phân huỷ kỵ khí có thể được khắc phục bằng phương pháp đồng đồng phân huỷ kỵ khí, bể hoạt động theo dạng mẻ, và nhiệt độ riêng theo từng giai đoạn hoạt động xử lý [33] Trước đây phân huỷ kỵ khí chỉ tập trung vào vào chất nền chính là phân gia súc (54%), bùn thải (22%) và chất thải hữu

cơ từ rác thải đô thị (11%) thì đến giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2013 thì kết hợp thêm với chất thải công nghiệp (41%), chất thải nông nghiệp (23%) và các chất thải khác (20%) 32] Hiện nay, đồng phân huỷ kỵ khí bùn từ các nhà máy

xử lý nước thải với việc bổ sung chất thải rắn hữu cơ đang được nghiên cứu rộng rãi Việc đồng phân huỷ này sẽ tăng cường sản xuất khí sinh học, cải thiện hiệu suất phân hủy, và như là một nguồn cung cấp năng lượng trong hệ thống

xử lý nước thải

2.4.1 Nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu Harnzawi (1999) đồng phân huỷ kỵ khí rác thải sinh hoạt với bùn thải từ hoạt động xử lý nước thải (bao gồm bùn sơ cấp và bùn hoạt tính) cho thấy có sự gia tăng hiệu suất phân hủy sinh học so với phân huỷ kỵ khí bùn

thải, kích thước hạt và nồng độ chất rắn VS cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phân hủy [33] Nghiên cứu Stroot 2001 đã kiểm tra tính khả thi của đồng phân huỷ kỵ khí bùn thải với chấtthải sinh hoạt theo quy trình dạng mẽ cho thấy sản lượng khí sinh học đạt được hiệu suất cao 0,56l.gVS-1

(khí metan chiếm 59,6%) trong điều kiện vận hành với HRT 20 ngày với tải trọng chất rắn bay hơi 3,5 gVS.l-1

.ngày Nghiên cứu này khẳng định rằng việc khuấy trộn bùn liên tục không cần thiết cho việc phân hủy kỵ khí và tải trọng hữu cơ cao hơn 3,5 kgVS.m-1.ngày-1 có thể gây ức chế quá trình phân huỷ[34] P.Sosnowski (2003) đã tiến hành thí nghiệm đồng phân huỷ kỵ khí rác thải sinh hoạt (trái cây và rau quả, bánh mì, giấy, gạo và nhà bếp chất thải) và bùn thải Sản lượng khí metan từ phân huỷ bùn và đồng phân huỷ được so sánh[35] Kết quả cho rằng, mặc dù tải trọng hữu cơ cao hơn đã không dẫn đến sự ức chế quá trình phân huỷ kỵ khí như báo cáo của Stroot, sản lượng khí sinh học tăng cùng với

sự gia tăng OLR Nghiên cứu Li 2002 đồng phân hủy kỵ khí chất thải thực phẩm bao gồm các loại trái cây, rau, thịt, cá và lương thực có hàm lượng chất rắn cao cho thấy hiệu quả loại bỏ VS, COD đạt đến 75% với OLR trên 20 kgCOD.m-3.ngày-1 với điều kiện ưu ấm (35 °C) tại HRT 15 ngày, OLR trên 33 kgCOD.m-3.ngày-1 ở điều kiện ưu nhiệt (55 °C) [36] Đồng phân huỷ kỵ khí tại điều kiện ưa nhiệt có hiệu quả trong giảm chất béo (lipit), sản lượng khí metan tăng, và chịu tải trọng cao hơn so với đồng phân huỷ kỵ khí chất thải ở điều kiện nhiệt độ ưa ấm [33;36]

Nghiên cứu Gomez 2006 đánh giá điều kiện trộn trong bể và ảnh hưởng tải trọng hữu cơ cho đồng phân huỷ kỵ khí bùn sơ cấp và chất thải thực phẩm cho thấy trong điều kiện khuấy trộn thấp (nhỏ hơn 80 vòng.phút-1) trong hệ thống

có hiệu quả tương đương với điều kiện khuấy trộn cao (200 vòng.phút-1

), quá trình đồng phân huỷ chất thải ở điều kiện khuấy trộn thấp cho được hiệu quả

xử lý cao với đến OLR 9 kgVS.m-1

.ngày-1 Tuy nhiên tăng tải trọng hữu cơ quá mức sẽ làm giảm sản lượng khí sinh học 0,6 l.gVS-1

xuống 0,4 l.gVS-1[37] Nghiên cứu Heo 2004 đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ phối trộn và thời gian lưu khi kết hợp đồng phân huỷ kỵ khí chất thải thực phẩm và bùn hoạt tính ở điều kiện dạng bán liên tục cho thấy tỉ lệ phối trộn hỗn hợp là 1:1 tối ưu cho quá trình

đồng phân huỷ kỵ khí ở HRT 13 ngày so với các tỉ lệ phối trộn và thời gian lưu khác Hiệu quả loại bỏ VS đạt 56,8%, sản lượng khí sinh học đạt 0,321

m3CH4.kgVS-1 với tải trọng 2,43 kgVS.m-1.ngày [38] Nghiên cứu Iqbal (2014) cho thấy rằng việc phân huỷ chất thải nhà bếp tương đối hiệu quả và dễ dàng chuyển đổi sang khí sinh học tuy nhiên khả năng đệm thấp và tạo môi trường axit hóa Vì vậy đồng phân huỷ bùn với chất thải khác là một cách hiệu quả để cải thiện tính đệm, cải thiện sản xuất khí metan và hiệu suất xử lý ổn định Nghiên cứu cũng đề nghị bổ sung dung dịch có tính đệm với liều lượng thích hợp có thể cải thiện được sản lượng khí sinh học [39]

Ngoài việc nghiên cứu đồng phân huỷ rác thải hữu cơ với bùn thải từ quá trình

xử lý nước thải, cũng có nhiều nghiên cứu về đồng phân huỷ chất thải hữu cơ

và nước thải sinh hoạt Nghiên cứu S Luostarinen 2007 về đồng phân huỷ chất thải nhà bếp với nước thải đen từ nhà vệ sinh ở nhiệt độ thấp 10 - 20 0

C cho thấy hiệu suất loại bỏ COD đạt 90% SS đạt 95% và thu hồi được 67% Cacbon

từ nước thải[40] Nghiên cứu Rajagopal 2013 đồng phân huỷ kỵ khí nước xám

và chất thải thực phẩmcho thấy việc đồng phân huỷ kỵ khí này sẽ tạo ra được lượng lớn khí metan 0,54 - 0,59 lCH4.kgVS-1loại bỏ, hiệu suất xử lý COD đạt 77% [41]

2.4.2 Nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu Vũ 2014 tiềm năng sản xuất khí sinh học bằng công nghệ đồng phân hủy, trong đó chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt nồng độ cao từ quá trình lọc màng sẽ được đồng phân hủy để tạo ra khí sinh học Lấy 4

Kg rác thải nhà bếp ướt và 800 l nước thải tạo ra hằng ngày từ 2 hộ gia đình (04 người.hộ-1) được đưa vào mô hình thí nghiệm để phân hủy Màng UF được chạy với thông lượng 16 l.m-1

.h-1, với 98% nước được thu hồi 1.000L nước thải sinh hoạt với COD ban đầu 177 ± 34 mg.l-1

và TKN 203 ± 148 mg.l-1 Một

bể phân hủy kỵ khí với thể tích làm việc 300L được chạy với tải lượng từ 2.0±0.5 kgVS.m-1.ngày Nồng độ COD và TKN tương ứng là 33 ± 12 mg.l-1 và 26±9 mg.l-1, COD của dòng thấm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải

Tuy nhiên, nồng độ N-NH4+ không đạt tiêu chuẩn khi lọc trực tiếp qua màng

UF, áp suất qua màng tăng từ 50 mbar đến 200 mbar sau 1 ngày vận hàng với chế độ 10 phút lọc, 2 phút nghỉ Sau thời gian dài vận hành áp suất qua màng

ổn định ở 150 mbar và hệ thống được rửa ngược hàng tháng Sản lượng Biogas

344 ± 92 l.ngày-1 [9]

Nghiên cứu của Tuyết cô đặc màng nước thải dùng màng UF và đồng phân hủy kỵ khí dòng cô đặc nước thải và rác thải hữu cỡ quy mô phòng thí nghiệm nhằm mục đích thu hồi năng lượng từ nước thải và chất thải nhà bếp Nghiên cứu này tập trungđánh giá khái niệm đồng phân hủy kỵ khí nước thải và chất thải nhà bếp hữu cơ ở Việt Nam Mục đích là áp dụng lọc màng trực tiếp cho nước thải nhằm tạo ra dòng thấm phù hợp với các tiêu chuẩn xả thải ở Việt Nam Nồng độ COD trong dòng thấm đã nằm dưới quy chuẩn xả thải cho phép

ở địa phương (50 mg.l-1) COD dòng cô đặc tăng gấp 5,4 lần so với đầu vào Các chất hữu cơ trong dòng cô đặc sau đó được đồng phân hủy kỵ khí với chất thải nhà bếp với tải trọng hữu cơ là 2,0 kgVS.m-1

.ngày Lượng khí sinh học sinh ra trong bể là 1,94 ± 0,34 m-1

.ngày Carbon thu hồi chiếm khoảng 50% tổng lượng carbon đầu vào Do đó sản lượng điện 64 W.đầu người-1

.ngày có thể thu được với nguồn thải hiện tại ở Tp HCM Vì vậy, đây là cách tiếp cận

có tiềm năng cao để thu hồi năng lượng và xử lý chất thải [42]

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu được mô tả ở tóm tắt ở hình 3.1

Nghiên cứu này bao gồm hai nội dung chính là đánh giá hiệu quả xử lý mô hình AnMBR đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt Thí nghiệm 1, được tiến hành ở thời gian lưu nước (HRT) 48 giờ và 12 giờ tương ứng với tải trọng 0,9kgCOD.m-3

.ngày-1 và 3,5kgCOD.m-3.ngày-1 Mô hình ban đầu chạy với tải trọng thấp ứng với thời gian lưu 48 giờ Sau khi mô hình được vận hành ổn định, tải trọng hữu cơ được tăng từ 0,9 lên 3,5kgCOD.m-3

.ngày

-1đồng thời giảm thời gian lưu nước HRT xuống 24 giờ Khi đó hệ thống bị quá tải, hiệu suất xử lý COD giảm nhiều so với thí nghiệm HRT 48 giờ Bể kỵ khí sinh học UASB xuất hiện bùn nổi nhiều hơn so với HRT 48 giờ Vì vậy ở thí nghiệm 2, HRT được tăng lên từ 24 giờ lên 36 giờ tương ứng với tải trọng 1,5kgCOD.m-3.ngày-1 Sau hơn 40 ngày mô hình cho hiệu suất 89,7% đây là thời gian lưu thích hợp để mô hình được vận hành tốt, tiếp tục tiến hành tăng OLR lên 2kgCOD.m-3.ngày-1 hiệu suất giảm còn 88,7% không đáng kể thay vào đó lượng khí biogas sinh ra nhiều hơn

Qua hai thí nghiệm trên, mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả ở các tải trọng khác nhau, khả năng bẩn màng ở các thông lượng khác nhau và đánh giá cân bằng vật chất C, N, P từ đó phân tích lợi ích kinh tế giữa công nghệ xử lý hiếu khí truyền thống và công nghệ AnMBR cho đồng phân huỷ kỵ khí nước thải và chất thải rắn hữu cơ

Hình 3.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm được đặt tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Mô hình được vận hành ở điều kiện nhiệt độ xung quanh 23-37 0C Mô hình thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.2 sau:

Hình 3.2 Sơ đồ mô hình AnMBR

3.2.1.1 Bể sinh học kỵ khí

Mô hình quy mô phòng thí nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm một bể kỵ khí UASB và một bể kỵ khí chứa màng UF.Bể kỵ khí UASB được làm bằng Mica Arcylic dạng trụ tròn có kích thước đường kính 100mm và chiều cao là 1500mm tương ứng với thể tích tổng 11,5L và thể tích hữu ích 8,5L Bên trong bể lắp bơm khuấy chìm với công suất nhỏ 4W, được

sử dụng trong trường hợp bùn lắng động ở đáy, không xáo trộn tốt

3.2.1.2 Bể màng kỵ khí AnMBR

Bể chứa màng UF được làm bằng Mica Arcylic dạng hình trụ vuông có kích thước dài × rộng × cao = 300mm × 50mm × 360mm tương ứng thể tích hữu ích 4L Thí nghiệm sử dụng một module màng UF dạng sợi rỗng, module màng được sử dụng màng sợi bằng vật liệu polyethersulfone (PES) có kích thước khe rỗng 0,02-0,04µm Tổng diện tích màng của module là 0,05 m2

, các sợi màng xếp cách nhau 1-2 mm Module có kích thước hình khối dài × rộng × cao = 250mm × 40 mm × 280 mm Màng được vận hành với áp lực chuyển màng (TMP) từ 3kPa đến 45kPa và tối đa là 50kPa Thông lượng vận hành lớn nhất 25 l.m-2

.h-1 Để giảm bẩn màng, một thiết bị rung được gắn chặt vào module màng Module màng rung ở biên độ 1-3mm ở tuần suất 5chu kỳ.s-1, công suất là 0,3W Màng được vận hành ở chế độ hoạt động 08 phút chạy, 02 phút nghỉ,thông số vận hành và quy trình rửa hóa chất của màng được thể hiện

ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Thông số vận hành và quy trình rửa hóa chất của màng

3.2.1.3 Bơm tuần hoàn bùn

Bơm tuần hoàn bùn ở bể UASB vận hành với lưu lượng 70 l.ngày-1tương đương với vận tốc nước đi lên là 0,4m.h-1

được sử dụng để tuần hoàn dòng nước thải làm tăng khả năng phân tán chất hữu cơ qua đó tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp xúc với các chất ô nhiễm Đồng thời duy trì bùn ở trạng thái lơ lững có kiểm soát

3.2.1.4 Bơm hồi lưu bùn

Với mục đích duy trì lượng sinh khối trong bể màng kỵ khí ở mức ổn định, bơm hồi lưu bùn từ bể màng MBR về bể UASB được sử dụng để duy trì MLSS khi sinh khối trong bể MBR tăng đột biến

3.2.1.5 Thiết bị rung module màng

Khung màng được gắn trực tiếp với thiết bị rung với nhiệm vụ giảm lượng cặn lơ lững bám dính trên màng qua đó làm giảm độ bẩn màng Đồng thời thiết

bị rung được sử dụng để thay thế các thiết bị sục khí sinh học nhầm giảm lượng khí thất thoát trong quá trình vận hành

Thông số kỹ thuật của thiết bị rung: tần suất 5 chu kỳ.s-1, biên độ dao động 1mm đến 3mm, công suất thiết bị 0,3W

3.2.2 Điều kiện vận hành

Chất thải rắn hữu cơ sau khi được xay nhuyễn bằng cối xay sinh tố được phối trộn chung với nước thải sinh hoạt theo tỉ lệ thích hợp ở mỗi tải trọng Hỗn hợp chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt được nạp trực tiếp vào bể

kỵ khí qua bơm tuần hoàn Trong bể kỵ khí UASB dịch rác xay, nước thải sinh hoạt ban đầu (được nâng pH lên 6,6-7,0) và bùn kỵ khí được xáo trồn đều bằng bơm tuần hoàn Nước thải sau đó chảy sang bể kỵ khí chứa màng UF theo chênh lệch mực nước, tại đây quá trình phân huỷ kỵ khí được tiếp tục diễn ra Sau đó dòng thấm được hút ra khỏi bể bằng màng lọc UF thông qua bơm nhu động với thời gian hoạt động 08 phút chạy, 02 phút nghỉ Quá trình hút nước của màng được kiểm soát bẳng một đồng hồ đo áp suất chuyển màng Khí sinh học sinh ra từ 2 bể được dẫn ra ngoài, lưu lượng khí của 2 bể được đo riêng biệt bằng thiết bị gọi là hộp lật khí Lưu lượng dòng thấm được đo bằng thiết bị

đo lưu lượng nước gọi là hộp lật nước Một phầnlượng khí sinh ra tại bể màng được máy thổi khí thổi vào module màng để xáo trộn nước thải trước khi lấy mẫu Hộp lật nước, hộp lật khí và đồng hồ đo áp suất chuyển màng (TMP) chuyển thông tin ghi nhận đến các bộ ghi dữ liệu (data logger)

Bảng 3.2 Điều kiện vận hành mô hình AnMBR

hiệu

Lưu lượng nước

thải sinh hoạt

Tải trọng hữu cơ OLRC

OLR=3,5 kgCOD.m-3 .ngày-1

OLR=1,5 kgCOD.m-3 .ngày-1

Tại OLR=2 kgCOD.m-3 .ngày-1

3.2.3.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt được lấy từ hố thoát nước thải sinh hoạt của lô 6, chung cư Phú Thọ, đường Lữ Gia, phường 15, quận 11, TP.HCM với tần suất

3lần.tuần-1 Nước thải sinh hoạt sau khi lấy về được lưu trữ ở phòng lạnh tại

Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài Nguyên trước khi mang đi phân tích

và sử dụng Các mẫu nước thải sinh hoạt phục vụ cho thí nghiệm có nồng độ