Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hybrid xử lý nước thải sinh hoạt trong điều kiện việt nam

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài nhằm nghiên cứu ứng dụng công nghệ Hybrid quá trình kị khí kết hợp lọc sinh học hiếu khí trong cùng hệ thống để xử lý nước thải sinh hoạt.. Hiện nay có nh

∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗

LÊ ĐỨC KHẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HYBRID XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, ngày 5 tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Hybrid xử lý nước thải sinh hoạt trong điều kiện Việt Nam

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Đưa ra được công nghệ Hybrid thích hợp có hiệu quả xử lý cao và có khả năng loại bỏ triệt để các chất hữu cơ, Nitơ, Photpho trong nước thải sinh hoạt

- Xác định được các thông số tính toán thiết kế, thông số vận hành và khả năng ứng dụng mô hình Hybrid trong xử lý nước thải sinh hoạt

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16 - 07 - 2007

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 5 - 11 - 2007

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS LÂM MINH TRIẾT

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS TS LÂM MINH TRIẾT

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS ĐẶNG VIẾT HÙNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Ngày …… tháng………năm……

Lời Cảm Ơn

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã tận tình chỉ dạy cho tôi trong suốt thời gian qua

Với tấm lòng biết ơn chân thành, tôi xin gửi đến GS.TS Lâm Minh Triết là người

đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Thanh Phượng cùng toàn thể anh chị nhân viên phòng thí nghiệm khoa Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này

Con xin cám ơn gia đình, cha mẹ, những người với lòng kiên nhẫn, sự yêu thương

đã hết lòng nuôi nấng và dạy dỗ để con có được kết quả như ngày hôm nay

Sẽ thật là thiếu sót nếu không nói đến những bạn sinh viên của tôi: em Nguyễn Hồng Hải, em Đặng Thị Xuân Hạnh, những người một cách gián tiếp đã giúp tôi thực hiện luận văn này

Tất cả mọi người là nguồn động viên khích lệ to lớn cho tôi trong suốt quá trình sống, lao động và học tập

Lời cuối cùng, từ tận đáy lòng, tôi cầu mong những điều tốt đẹp nhất đến với những người mà tôi kính trọng và thương yêu

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn

Lê Đức Khải

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài nhằm nghiên cứu ứng dụng công nghệ Hybrid (quá trình kị khí kết hợp lọc sinh học hiếu khí trong cùng hệ thống) để xử lý nước thải sinh hoạt Mô hình thí nghiệm được vận hành bằng nước thải thực tế tại khu dân cư P14, Q10

Kết quả nghiên cứu đạt được:

- Nước thải sinh hoạt có khả năng tự phân hủy sinh học khoảng 25 - 30% hàm lượng chất hữu cơ sau 6 ngày

- Tải trọng hũu cơ của mô hình Hybrid là 2.65 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất xử lý COD trên 95% còn N, P trên 90% với thời gian lưu nước khoảng 5 giờ Đặc biệt với lượng hoàn lưu thích hợp, nitrit và nitrat nước thải đầu ra hầu như chỉ còn dạng vết

1.2 Mục tiêu đề tài - Đối tượng - Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm - Nội dung và

phương pháp nghiên cứu

1.3 Tính mới – Tính khoa học – Tính thực tiễn của đề tài

Chương 2: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

2.2 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

2.2.2 Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí 18 2.2.3 Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí 20

2.2.5 Quá trình khử trùng 23

2.4 Một số công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt ở Việt Nam và trên thế giới 25

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HYBRID TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Chương 4: MÔ HÌNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

5.1 Thí nghiệm nghiên cứu quá trình tự phân hủy của nước thải sinh hoạt 57

5.7 Đề xuất công nghệ Hybrid xử lý nước thải sinh hoạt ở quy mô nhỏ trong 105 điều kiện Việt Nam

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ VÀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG 108

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Thành phần tham khảo của nước thải sinh hoạt Bảng 2 Thành phần nước thải sinh hoạt tại khu dân cư P14, Q10 Bảng 3 Tổng hợp đặc tính của vật liệu lọc

Bảng 4 Tính chất vật lý của bể phản ứng Bảng 5 Các số liệu thí nghiệm áp dụng vào mô hình động học bậc 2

cho quá trình khử COD Bảng 6 Các số liệu thí nghiệm áp dụng vào mô hình động học bậc 2

cho quá trình khử N Bảng 7 Các số liệu thí nghiệm áp dụng vào mô hình động học bậc 2

cho quá trình khử P

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Mô hình Hybrid ABR – UASB Hình 2: Mô hình Hybrid UASB - Septic tank Hình 3: Mô hình Hybrid UASB - Septic tank Hình 4: Mô hình Hybrid UASB - Lọc sinh học kị khí Hình 5: Mô hình Hybrid Bùn hoạt tính - Lọc sinh học Hình 6: Mô hình Hybrid Bùn hoạt tính - Lọc sinh học Hình 7: Mô hình Hybrid Hiếu khí - Chất mang

Hình 8: Mô hình Hybrid Hiếu khí - Lọc màng Hình 9: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD, pH trong quá trình tự phân hủy lần1 Hình 10: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD trong quá trình thích nghi lần 1 Hình 11: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH trong quá trình thích nghi lần 1 Hình 12: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD trong quá trình thích nghi lần 2 Hình 13: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH trong quá trình thích nghi lần 2 Hình 14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở tải lượng 0.67 kgCOD/m3.ngđ Hình 15: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở tải lượng 0.67 kgCOD/m3.ngđ Hình 16: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N02, N03 ở tải lượng 0.67 kgCOD/m3.ngđ Hình 17: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở tải lượng 0.67 kgCOD/m3.ngđ Hình 18: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở tải lượng 0.9 kgCOD/m3.ngđ Hình 19: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N02, N03 ở tải lượng 0.9 kgCOD/m3.ngđ Hình 20: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở tải lượng 0.9 kgCOD/m3.ngđ Hình 21: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở tải lượng 1.35 kgCOD/m3.ngđ Hình 22: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N02, N03 ở tải lượng 1.35 kgCOD/m3.ngđ Hình 23: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở tải lượng 1.35 kgCOD/m3.ngđ Hình 24: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở tải lượng 1.81 kgCOD/m3.ngđ Hình 25: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N02, N03 ở tải lượng 1.81 kgCOD/m3.ngđ Hình 26: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở tải lượng 1.81 kgCOD/m3.ngđ Hình 27: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở tải lượng 2.65 kgCOD/m3.ngđ Hình 28: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở tải lượng 2.65 kgCOD/m3.ngđ Hình 29: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 ở tải lượng 2.65 kgCOD/m3.ngđ Hình 30: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở tải lượng 2.65 kgCOD/m3.ngđ Hình 31: Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý COD, N, P ở các tải trọng khác nhau

Hình 32: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở lưu lượng hoàn lưu 50%

Hình 33: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 ở lưu lượng hoàn lưu 50%

Hình 34: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở lưu lượng hoàn lưu 50%

Hình 35: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở lưu lượng hoàn lưu 100%

Hình 36: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 ở lưu lượng hoàn lưu 50%

Hình 37: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở lưu lượng hoàn lưu 100%

Hình 38: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở lưu lượng hoàn lưu 150%

Hình 39: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 ở lưu lượng hoàn lưu 150%

Hình 40: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở lưu lượng hoàn lưu 150%

Hình 41: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở lưu lượng hoàn lưu 200%

Hình 42: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 ở lưu lượng hoàn lưu 200%

Hình 43: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P ở lưu lượng hoàn lưu 200%

Hình 44: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD, N, P ở các lưu lượng hoàn lưu 50%, 100%, 150%, 200%

Hình 45: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD chiều cao lớp vật liệu lọc H= 30cm Hình 46: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH chiều cao lớp vật liệu lọc H= 30cm Hình 47: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 chiều cao lớp vật liệu lọc H= 30cm Hình 48: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P chiều cao lớp vật liệu lọc H= 30cm Hình 49: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD chiều cao lớp vật liệu lọc H= 20cm Hình 50: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 chiều cao lớp vật liệu lọc H= 20cm Hình 51: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P chiều cao lớp vật liệu lọc H= 20cm Hình 52: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD chiều cao lớp vật liệu lọc H= 10cm Hình 53: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi NO2, NO3 chiều cao lớp vật liệu lọc H= 10cm Hình 54: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi N, P chiều cao lớp vật liệu lọc H= 10cm Hình 55: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD, N, P ở các chiều cao lớp vật liệu lọc

10cm, 20cm, 30cm, 40cm

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MLSS : Mixed liquor suspended solid - Nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng

SS : Suspended solid - Chất rắn lơ lửng RBC : Rotating biological contactor - Bể lọc sinh học tiếp xúc quay UASB : Upflow anaerobic sludge blanket - Bể kị khí với dòng chảy ngược HRT : Hydraulic retention time - Thời gian lưu nước

SBR : Sequencing batch reactor - Bể phản ứng từng mẻ

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 SỰ CẦN THIẾT THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Chúng ta đang sống trong thời kỳ mà nguồn nước sạch đang ngày càng trở nên khan hiếm, môi trường đang bị ô nhiễm nặng nề Đó là vấn đề nóng bỏng của thế giới nói chung và của những nước đang phát triển trong đó có Việt Nam nói riêng Đất nước ta đang đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nhưng lại là một nước có dân

số đông, mật độ dân cư cao Trong khi đó trình độ nhận thức và ý thức về môi trường của con người còn chưa cao, dẫn đến sự tăng nhanh các chất thải sinh hoạt xả vào nguồn nước Các nguồn chất thải này lại chưa được quản lý và xử lý tốt, là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự ô nhiễm trầm trọng nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khoẻ, môi trường và ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước

Hiện nay vấn đề bảo vệ môi trường, đặc biệt là bảo vệ nguồn tài nguyên nước đang là vấn đề bức xúc và cần được quan tâm đúng mức Do đó phòng chống ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước là công việc hết sức cần thiết, là điều kiện cần và đủ để phát triển một nền kinh tế bền vững

Nước thải sinh hoạt là một nguồn nước thải chính ở các thành phố, đô thị ở Việt Nam Khoảng 90 – 95% lượng nước thải sinh hoạt được thải trực tiếp ra môi trường mà không được xử lý Nói một cách khác, gần như 100% nước thải từ các đô thị và các thành phố lớn ở các nước đang phát triển cũng như ở nước ta được thải trực tiếp ra sông, hồ hoặc biển mà không qua bất kỳ khâu xử lý nào, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nguồn nước, đến sức khoẻ cộng Để khắc phục tình trạng đó, các phương pháp xử lý nước thải nói chung và xử lý nước thải sinh hoạt nói riêng đang được nghiên cứu và ngày càng tiên tiến hơn về phương thức, cao hơn về chất lượng

Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt, trong đó các phương pháp xử lý sinh học phổ biến là bể aeroten (bể bùn hoạt tính), bể lọc sinh học, mương oxi hóa, bể sinh học dạng mẻ (SBR),… Các phương pháp này có hiệu quả xử lý nhất định, nhưng chưa xử lý triệt để các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất dinh dưỡng N, P thường có rất nhiều trong nước thải sinh hoạt, khi thải vào môi trường sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và chất lượng nguồn

nước Do đó, phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ Hybrid (kết hợp quá trình kị khí và hiếu khí trong cùng hệ thống) là một giải pháp hiệu quả, có khả năng xử lý triệt để các chất hữu cơ cùng các chất dinh dưỡng N, P

Công nghệ Hybrid (công nghệ kết hợp quá trình kị khí và hiếu khí trong cùng

hệ thống) với ưu điểm chính là tiết kiệm diện tích xây dựng, có khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm trong nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng, dễ ứng dụng và vận hành, hiệu quả xử lý cao và kết quả nghiên cứu hy vọng có thể áp dụng rộng rãi trong thực tế

1.2 MỤC TIÊU - ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.2.1 Mục tiêu của đề tài luận văn

Đề xuất công nghệ Hybrid để xử lý nước thải sinh hoạt có cơ sở khoa học và thực tế dựa vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thiết bị pilot

1.2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.2.2.1 Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

- Nước thải sinh hoạt được lấy trực tiếp từ hệ thống cống xã khu dân cư phường 14,

1.2.3 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm

- Đưa ra được công nghệ Hybrid thích hợp có hiệu quả xử lý cao và có khả năng loại

bỏ triệt để các chất hữu cơ, Nitơ, Photpho trong nước thải sinh hoạt

- Xác định được các thông số tính toán thiết kế, thông số vận hành và khả năng ứng dụng mô hình Hybrid trong xử lý nước thải sinh hoạt

1.2.4 Nội dung nghiên cúu

1.2.4.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

- Tổng quan về nguồn gốc, thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt

- Tổng quan về lý thuyết công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

- Tổng quan công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt trong và ngoài nước

1.2.4.2 Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ Hybrid

- Tổng quan về công nghệ Hybrid

- Giới thiệu các công nghệ Hybrid đã áp dụng trên thế giới

- Ứng dụng công nghệ Hybrid trong xử lý nước thải ở Việt Nam

- Đề xuất công nghệ Hybrid xử lý nước thải sinh hoạt thích hợp: UASB + lọc sinh học hiếu khí

→ Xác định các thông số vận hành tối ưu cho mô hình Hybrid xử lý nước thải sinh hoạt:

+ Tải trọng vận hành + Thời gian lưu nước + Lưu lượng nước tuần hoàn + Hàm lượng vật liệu lọc

→ Xác định hiệu quả và các hằng số động học cho quá trình xử lý COD, N, P

- Trao đổi và thảo luận kết quả nghiên cứu Từ đó đề xuất công nghệ Hybrid thích hợp cho xử lý nước thải sinh hoạt ở quy mô nhỏ

1.2.5 Phương pháp nghiên cứu

1.2.5.1 Phương pháp hồi cứu

- Tổng quan, thu thập số liệu, thông tin, tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau như: các số liệu về nước thải sinh hoạt, các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt hịên nay, một số

sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt ở Việt Nam và thế giới, các vấn đề liên quan đến công nghệ Hybrid

- Tổng hợp, thống kê, lựa chọn số liệu, dữ liệu làm cơ sở cho nghiên cứu và thực hiện

đề tài

1.2.5.2 Phương pháp thí nghiệm:

Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu nước trong suốt quá trình thí nghiệm:

COD, BOD, pH, nhiệt độ, SS, N-Nitrat, N-Nitrit, TKN, P… theo Standard Methods

for The Examination Of Water And Wastewater, Edition 19 th , 1995

1.2.5.3 Phương pháp thực nghiệm trên mô hình thiết bị pilot:

Sử dụng và thiết lập các mô hình động với qui mô pilot để nghiên cứu khả năng xử

lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ Hybrid

1.2.5.4 Phương pháp xác suất, thống kê

Sử dụng các phương pháp xác suất, thống kê toán học để xử lý số liệu thí nghiệm nhằm xác định các thông số tối ưu của quá trình vận hành

1.3 TÍNH MỚI – TÍNH KHOA HỌC – TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.3.1 Tính mới của đề tài

Tính mới của đề tài luận văn là đưa ra được công nghệ Hybrid với sự kết hợp quá trình sinh học kị khí và lọc sinh học hiếu khí vào trong cùng hệ thống là giải pháp hết sức hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn các chất hữu cơ và cả N, P có trong nước thải sinh hoạt

Việc ứng dụng công nghệ Hybrid xử lý nước thải sinh hoạt còn rất mới, chưa được nghiên cứu nhiều trên thế giới và trong nước nên đề tài luận văn có tính mới, đặc biệt trong điều kiện Việt Nam

1.3.2 Tính khoa học của đề tài

- Áp dụng kết hợp hai quá trình xử lý sinh học kị khí và hiếu khí trong cùng một

hệ thống để xử lý triệt để chất hữu cơ và chất dinh dưỡng có trong nước thải sinh hoạt dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm có cơ sở khoa học và thực tế

- Toàn bộ kết quả của đề tài được rút ra từ những số liệu thu được từ nghiên cứu thực nghiệm cụ thể, có căn cứ khoa học rõ ràng; việc tính toán, xử lý số liệu thông qua quy hoạch thực nghiệm và các phương pháp thống kê toán học nên đảm bảo tính khoa học của đề tài

1.3.3 Tính thực tiễn của đề tài

Nước thải sinh hoạt là nguồn thải rất lớn trong hoạt động kinh tế, xã hội Việc tìm kiếm giải pháp cho việc xử lý triệt để nồng độ ô nhiễm hữu cơ cũng như xử lý chất dinh dưỡng N, P trong nước thải sinh hoạt ở điều kiện cụ thể của Việt Nam là một đòi hỏi cấp bách và thiết thực nhằm bảo vệ môi trường nói chung và nguồn nước sạch nói riêng

Công nghệ Hybrid với ưu điểm tiết kiệm diện tích, hiệu quả xử lý cao, lượng bùn sinh ra thấp, có thể chịu được tải trọng đầu vào biến động, chi phí năng lượng phù hợp, chi phí đầu tư thấp, dễ vận hành nên dễ dàng triển khai ứng dụng thực tế, là công nghệ hết sức phù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật và môi trường tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP

2.1.2 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt:

Mọi đô thị, khu dân cư đều thải ra chất thải lỏng và rắn Phần lỏng – nước thải

là nước cấp sau khi được sử dụng vào các mục đích khác nhau và được thải ra

Nước thải được coi là hỗn hợp chất lỏng chứa các chất thải xả ra từ nhà ở, các công trình công cộng, các cơ sở dịch vụ thương mại v.v… và cùng với đất nước dưới đất, nước mặt và có thể cả nước mưa

Nước sau khi được sử dụng không được xử lý xả ra môi trường như mương,

ao, hồ, sông sẽ làm ô nhiễm nguồn nước Tại đây sẽ diễn ra quá trình phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải đồng thời có thể tạo ra một lượng lớn các loại khí gây mùi hôi thối

2.1.3 Thành phần - Tính chất nước thải sinh hoạt:

Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tuỳ thuộc vào mức sống và thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước được cấp

Giữa lượng nước thải và tải trọng chất thải của chúng biểu thị bằng các chất lắng hoặc BOD5 có một mối tương quan nhất định

Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 58% là các chất hữu cơ gồm các chất hữu cơ nguồn gốc động vật và chất hữu cơ nguồn gốc thực vật, 42% là các chất vô cơ gồm cát, các hạt đất sét, xỉ

Các chất hữu cơ nguồn gốc động vật có trong nước thải sinh hoạt bao gồm: các chất bài tiết của con người và động vật, cặn bã xác động vật… Đặc điểm của chúng là chứa một hàm lượng lớn Nitơ, phốtpho

Thành phần hoá học của nước thải sinh hoạt bao gồm:

- Các axít bay hơi: khoảng một nửa độ axít trong nước thải sinh hoạt mới xả ra là

do chứa axít bay hơi Nồng độ trung bình của axít bay hơi trong nước thải sinh hoạt khoảng 8.5 – 20.1 ppm

- Các axít không bay hơi: ít nhất có khoảng 12 loại axít không bay hơi dạng hoà tan trong nước thải mới xả ra Nồng độ lớn nhất của mỗi loại axít này khoảng 1ppm và đa phần thường khoảng 0.1ppm

- Các axít béo bậc cao: khoảng hai phần ba hàm lượng axít béo bậc cao tìm thấy trong nước thải sinh hoạt mới xả ra là axit palmitic, axit stearic, axit oleic Nồng độ của chúng xấp xỉ nhau

- Các protein và các axít amin: người ta tìm thấy khoảng 20 loại axít amin trong nước thải và chúng chiếm khoảng 45 – 50 % tổng lượng Nitơ trong nước thải sinh hoạt

- Những Hydrat cacbon: có nhiều dạng đường tan trong nước thải mới xả ra Đó

là những glucose, sacarose, lactose, với lượng ít hơn có galactose, fructose, pentose…

Ngoài ra còn có một số lượng lớn các vi sinh vật, phần lớn các vi sinh vật trong nước thải sinh hoạt thường ở dạng các vi rút và các vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn… Đồng thời trong nước thải sinh hoạt cũng có chứa các vi khuẩn không

có hại có tác dụng phân huỷ các chất thải Tuy nhiên trung bình có thể đánh giá rằng khoảng gần hai phần ba lượng chất rắn là các chất hữu cơ phân tử lượng lớn, trong đó

40 – 60 % là đạm – protein, 25 – 50 % là hydrat cacbon Các chất hữu cơ phân tử lượng lớn lại bao gồm các phân tử đơn giản bao gồm các nguyên tố Cacbon, Hydro, Oxy, Nitơ, Phốtpho, đôi khi cả Sulphur

Các chất hữu cơ thực vật chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm: các chất cặn bã thực vật, rau quả, giấy …

Ngoài những chất đặc trưng trên, trong nước thải còn chứa các chất hữu cơ khác như chất béo, mỡ, chất hoạt động bề mặt…

Bảng 1: Thành phần tham khảo của nước thải sinh hoạt

- Chất rắn không tan, mg/l

Chất rắn lắng, mg/l BOD5 , mg/l

Nitơ tổng (Kjedhal), mg/l Nitơ hữu cơ, mg/l

30

50

50

4

mg/l

(Nguồn tham khảo theo Metcalf và Eddy)

Như vậy nước thải sinh hoạt có hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt quá yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học Thông thường trong các quá trình

xử lý sinh học cần các chất dinh dưỡng theo tỷ lệ sau:

BOD5: N: P = 100: 5:1 (nghĩa là 100 mg/l BOD5 , 5 mg/l Nitơ, và 1 mg/l Phốtpho)

Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các chất hữu cơ đều có thể bị phân huỷ bởi các vi sinh vật và khoảng 20 – 40 % BOD thoát ra khỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn

2.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Để xử lý nước thải sinh hoạt, nói chung thường ứng dụng các phương pháp xử

lý sau: cơ học, sinh học và khử trùng

2.2.1 Phương pháp cơ học

Đặc trưng của phương pháp này là loại bỏ các tạp chất không hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách gạn lọc, lắng và lọc Phương pháp này thường ứng dụng với các công trình như:

2.2.2 Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

2.2.2.1 Bể bùn hoạt tính (bể aeroten)

Xử lí nước thải bằng aeroten được nhà khoa học người Anh đề xuất từ năm

1887, nhưng đến năm 1914 mới được áp dụng trong thực tế và tồn tại, phát triển rộng rãi cho đến ngày nay Quá trình hoạt động sống của quần thể vi sinh vật trong aeroten thực chất là quá trình nuôi vi sinh vật trong các bình phản ứng sinh học (bioreactor) hay các bình lên men (fermenter) thu sinh khối Sinh khối vi sinh vật ở trong công nghệ vi sinh thường là từ một giống thuần chủng, còn trong xử lí nước thải là quần thể

vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, có sẵn trong nước thải

Nước thải sinh hoạt chứa rất nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, do đó có thể xử lý hiệu quả bằng hệ thống sinh học bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là khối quần thể vi sinh hoạt tính có khả năng ổn định chất hữu cơ hiếu khí Tuy nhiên khả năng xử

lý chất dinh dưỡng N, P khá kém nên việc xử lý nước thải sinh hoạt chưa thật triệt để, đồng thời phải tiêu hao năng lượng rất lớn để duy trì sự lơ lững của vi sinh và nồng độ oxy trong nước thải

Ưu điểm:

- Xử lý triệt để chất hữu cơ có trong nước thải sinh hoạt (hiệu quả khử COD đạt trên 90%)

Nhược điểm:

- Tiêu hao năng lượng rất lớn

- Lượng bùn dư tạo ra nhiều

- Xử lý không triệt để N, P

2.2.2.2 Mương oxi hóa

Năm 1950, lần đầu tiên ở Hà Lan, công trình đưa mương oxi hóa vào xử lí nước thải do tiến sĩ Pasveer công tác tại Viện nghiên cứu Public Engineering chủ trì Đến nay mương oxi hóa có nhiều cải tiến và được áp dụng rộng rãi, đặc biệt ở các trạm xử

lí với quy mô nhỏ

Mương oxi hóa là một dạng cải tiến của aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính (sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật

trong nước thải) chuyển động tuần hoàn trong mương Nước thải có độ nhiễm bẩn cao BOD20 = 1000 - 5000 mg/1 có thể đưa vào xử lí ở mương oxi hóa Đối với nước thải sinh hoạt chỉ cần qua chắn rác, lắng cát và không qua lắng 1 là có thể đưa vào mương oxi hóa Tải trọng của mương tính theo bùn hoạt tính vào khoảng 200g BOD5/kg.ngày Một phần bùn được khoáng hóa ngay trong mương Do đó, số lượng bùn giảm khoảng 2,8 lần Thời gian xử lí hiếu khí là 1 - 3 ngày

Mương oxi hóa có dạng hình chữ nhật, hình tròn hay hình líp Đáy và bờ có thể làm bằng bê tông cốt thép hoặc đào (đắp) đất có gia cố Chiều sâu công tác từ 0,7 đến 1,0m Tốc độ chuyển động nước trong mương ≥ 0,3 m/s, làm thoáng (khuấy đảo) bằng thiết bị cơ học với trục nằm ngang

Ưu diểm:

- Hiệu quả xử lý BOD, N, P cao

- Quản lý vận hành đơn giản

Nhược điểm:

- Diện tích xây dựng rất lớn

- Thời gian lưu nước dài

- Chi phí năng lượng cao

- Thời gian lưu rất dài

- Diện tích xây dựng quá lớn

- Hiệu quả xử lý không cao

2.2.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí

Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy

Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do một quần thể vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí (gọi là khí sinh học) gồm: CH4 , CO2 , N2 , H2…, trong đó có tới 60 - 70% là CH4, 30 – 35% là CO2…

Vì vậy, quá trình này còn gọi là lên men metan và quần thể vi sinh vật ở trên được gọi tên chung là các vi sinh vật metan

Các vi sinh vật metan sống kỵ khí hội sinh và là tác nhân phân huỷ các chất hữu cơ như: protein, chất béo, hydratcacbon, thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp qua 3 giai đoạn như sau:

Các chất hữu cơ à Các hợp chất dễ tan trong nước à Các axít hữu cơ, axít béo, rượu

à CH4 , CO2 , N2 , H2 … Các công trình xử lý sinh học kị khí gồm có:

- Bể mêtan

- Bể lắng hai vỏ

- Bể tự hoại

- Bể lọc kị khí … Đây là một quá trình phức tạp và cơ chế của nó chưa được biết một cách đầy đủ và

rõ ràng Người ta có thể coi quá trình lên men metan gồm có 3 pha: pha ban đầu là phân huỷ, pha pha thứ hai là pha chuyển hoá axit, pha thứ ba là pha kiềm

Sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp kị khí

Thuận lợi của phương pháp xử lý sinh học kỵ khí nước thải sinh hoạt:

- Hiệu qủa cao: hiệu qủa loại bỏ cao, có thể đạt được trong hệ thống ngay cả khi làm việc ở tải trọng cao và nhiệt độ thấp

- Đơn giản: cấu trúc và hoạt động của thiết bị là tương đối đơn giản

- Linh hoạt: phương pháp xử lý kỵ khí có thể dễ dàng áp dụng ở quy mô lớn hay nhỏ

SẢN PHẨM TRUNG GIAN (Propionate, Butyrate, v.v….)

CH4

CO2

Vật chất hữu cơ đặc biệt

PROTEIN HYDROCACBON DẦU MỠ

AMINO AXÍT, ĐƯỜNG AXÍT BÉO, RƯỢU THỦY PHÂN

KHÍ

HOMOACETOGENESIS ACETICLASTIC

METHANOGENESIS

REDUCTIVE METHANOGENESIS

- Diện tích cần thiết nhỏ: khi làm việc ở tải trọng cao, diện tích cần thiết cho thiết bị là nhỏ

- Tiêu thụ năng lượng thấp: mọi thứ có thể làm nhờ vào trọng lực, năng lượng cung cấp cho thiết bị hầu như là không đáng kể Ngoài ra, năng lượng được sản sinh trong suốt quá trình hình thành mêtan

- Sản phẩm bùn thấp: bùn ít, khi so sánh với phương pháp hiếu khí, bởi sự phát triển chậm của vi sinh vật kị khí

- Nhu cầu chất dinh dưỡng và hoá chất thấp: đặc biệt trong loại nước thải có pH

ổn định và thích hợp thì không cần thêm hóa chất Chất dinh dưỡng đa lượng (Nitơ và Phốt pho) và chất dinh dưỡng vi lượng có sẵn trong nước thải, trong khi các hợp chất độc là không tồn tại

- Bùn kị khí có thể tồn tại được mà không cần cung cấp chất dinh dưỡng trong thời gian dài

Bất lợi khi xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí:

- Khả năng loại bỏ mầm bệnh và chất dinh dưỡng thấp: mầm bệnh chỉ được loại

bỏ một phần, trừ trứng giun sán, cái mà được giữ rất hiệu qủa ở bùn đáy bể Loại bỏ chất hữu cơ là không hoàn toàn và cần được xử lý tiếp ở các giai đoạn sau

- Khởi động lâu: vì sự phát triển chậm của vi khuẩn mêtan, sự khởi động có thể lâu hơn so với bể hiếu khí, khi vi sinh vật là không sẵn có

- Mùi hôi: H2S là sản phẩm trong suốt quá trình phân hủy kị khí, đặc biệt là khi

có nồng độ cao của lưu huỳnh trong nước thải

- Cần phải xử lý bổ sung: xử lý bổ sung của kị khí thường phụ thuộc vào tiêu chuẩn thải cho thành phần chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và mầm bệnh

2.2.4 Xử lý bùn cặn

Nhiệm vụ của xử lý cặn (cặn được tạo nên trong quá trình xử lý nước thải) là:

- Làm giảm thể tích và độ ẩm của cặn

- Ổn định cặn

- Khử trùng và sử dụng cặn Rác được giữ lại ở song chắn rác có thể cho vào thùng rác sinh hoạt hay nghiền rác và sau đó dẫn đến bể mêtan để tiếp tục xử lý

Cát từ bể lắng cát được dẫn đến sân phơi cát để làm cho ráo nước và chở đi thải

bỏ hoặc sử dụng cho mục đích khác

Cặn tươi từ bể lắng 1 được dẫn đến bể mêtan để xử lý

Một phần bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lững) từ bể lắng đợt 2 được dẫn trở lại aerotank để tiếp tục tham gia quá trình xử lý (gọi là bùn hoạt tính tuần hoàn), phần còn lại (bùn hoạt tính dư) được dẫn đến bể nén bùn để làm giảm độ ẩm và thể tích, sau

đó được dẫn vào bể mêtan để tiếp tục xử lý

Đối với các trạm xử lý sử dụng bể lọc sinh học (trickling filter) thì ở bể lắng 2

sẽ láng các cặn màng sinh vi sinh vật (vi sinh vật dính bám) được dẫn trục tiếp đến bể mêtan

Cặn ra khỏi bể mêtan có độ ẩm 96-97% Để giảm thể tích cặn và làm ráo nước,

có thể ứng dụng các công trình xử lý trong điều kiện tự nhiên như: sân phơi bùn, hồ chứa bùn, hoặc trong các điều kiện nhân tạo: thiết bị lọc chân không, thiết bị lọc ép, thiết bị ly tâm cặn,…) Độ ẩm của cặn sau xử lý đạt 55-75%

Để tiếp tục làm giảm thể tích cặn có thể thực hiện sấy bằng nhiệt với nhiều dạng khác nhau: thiết bị sấy dạng trống, dạng khí nén, băng tải,…) Sau khi sấy, độ

2.3 QUẦN THỂ CÁC LOÀI TRONG BỂ SINH HỌC

Quần thể sinh học bao gồm các vi sinh vật hiếu khí, kị khí và các loài vi khuẩn

khác, các loài nấm, tảo và protozoa ; đồng thời các loài bậc cao hơn như bọ, côn trùng, ốc cũng hiện diện trong bể Trong đó thì vi khuẩn là loài chiến ưu thế, các loài

vi khuẩn kị khí và hiếu khí phân hủy chất hữu cơ có trong nước thải Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas và Alcaligenes là các loại vi khuẩn thường gặp trong

bể sinh học Ở vùng thấp sẽ có xuất hiện các vi khuẩn nitrat hóa như Nitrosomonas và Nitrobecter

Sự hiện diện của nấm cũng góp phần phân hủy chất ô nhiễm trong nước thải, nhưng nó chỉ thực sự quan trọng trong điều kiện pH thấp hay đối với nước thải công nghiệp Tuy nhiên, sự phát triển quá mức của nấm sẽ gây cản trở cho quá trình làm thoáng Các loài nấm thường hiện diện trong bể là Fusazium, Muca, Pencillium, Geochitrum, Sporatichum, và một số loài khác

Tảo thường tập trung ở phần phía trên của bể, những nơi có ánh sáng mặt trời, cho quá trình quang hợp Phormidium, Chlorella và Ulothrix là các loài thường gặp trong bể Tảo không tham gia trực tiếp trong quá trình xử lý nước thải nhưng hiện diện của tảo khi có ánh sáng mặt trời làm tăng nồng độ oxi trong bể Nhưng tảo cũng gây ra một số cản trở quá trình trao đổi chất ở bề mặt và tạo ra mùi hôi

Vorticella, Opercularia và Epistylis là các loài thường gặp trong bể, tương tự như tảo, Protozoa không trực tiếp tham gia quá trình xử lý mà chỉ góp phần ổn định số lượng vi sinh vật Các loài bậc cao hơn như ốc, bọ, côn trùng làm sự gia tăng của vi khuẩn luôn ở mức cao và tăng tốc độ chuyển hóa thức ăn Các loài bậc cao không chỉ

có lợi trong bể sinh học mà nó cũng gây ra một số cản trở như ốc là loài thường sử dụng các vi khuẩn chuyển hóa nitơ làm thức ăn Tỉ lệ hiện diện của các loài trong bể ở các tầng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải trọng hữu cơ, tải trọng thủy lực và thành phần nước như pH, nhiệt độ, lượng khí cung cấp…

2.4 MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT HIỆN NAY

2.4.1 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt chung cư H3, Quận 4

Mô tả công nghệ xử lý

Nước thải sinh hoạt từ các căn hộ theo hệ thống đường ống phân bố vào ngăn tiếp nhận Rác thải rắn có kích thước lớn thải chung với nước thải được lọc lại bằng song chắn rác trước khi qua ngăn tiếp nhận Nước thải sau khi xử lý tự hoại được thu gom vào bể điều hòa

Tại bể điều hòa, lưu lượng và nồng độ các thành phần (BOD, COD,…) trong nước thải được ổn định và cân bằng Nước thải từ bể điều hòa sẽ được bơm qua bể Aeroten Đây là một kiểu bể xử lý sinh học hiếu khí Máy thổi khí cung cấp oxy cho

Sục khí

các vi sinh vật phân hủy, oxy hóa các chất hữu trong nước thải Hiệu quả xử lý chất hữu cơ của bể Aeroten khoảng 80 – 90%

Nước thải sau xử lý sinh học chảy qua bể lắng đứng Tại đây, bùn cặn trong nước thải lắng xuống đáy, được bơm bùn bơm về bể chứa bùn Bùn sau bể chứa được xe hút bùn chuyên chở định kỳ thải ra bãi chôn lấp

Phần nước trong sau lắng được dẫn sang bể khử trùng Bể khử trùng được thiết kế luôn tạo ra dòng chảy xáo trộn đều trong bể nhằm tạo môi trường tiếp xúc tốt giữa chất khử trùng và vi sinh vật cần khử

Nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn sẽ được thải ra hệ thống thoát nước chung của thành phố

2.4.2 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt ở Gaven (Đức)

Mô tả công nghệ xử lý

Nước thải sinh hoạt từ các khu vực nhà vệ sinh, nhà bếp theo hệ thống đường

ống phân bố vào bể điều hòa

Tại bể điều hòa, lưu lượng và nồng độ các thành phần (BOD, COD,…) trong nước thải được ổn định và cân bằng Nước thải từ bể điều hòa sẽ được bơm qua bể keo tụ - tạo bông Tại đây, toàn bộ cặn, rác thải sẽ được lắng và loại bỏ Nước sau lắng sẽ được bơm qua bể aerotank Đây là một kiểu bể xử lý sinh học hiếu khí Máy thổi khí cung cấp cho các vi sinh vật oxy chúng phân hủy, oxy hóa các chất hữu trong nước thải Hiệu quả xử lý chất hữu cơ của bể Aerotank khoảng 80 – 90%

Nước thải sau xử lý sinh học chảy qua bể lắng đứng Tại đây, bùn cặn trong nước thải lắng xuống đáy, được bơm bùn bơm về bể chứa bùn Bùn sau bể chứa được xe hút bùn chuyên chở định kỳ thải ra bãi chôn lấp

Phần nước trong sau lắng 2 được dẫn sang hồ sinh học và thải ra nguồn tiếp nhận

2.4.3 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung ở Bình Hưng Hòa (TPHCM)

Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt ở Bình Hưng Hòa

Bơm trục vít Hồ lắng và hố thu nước

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HYBRID TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Sau giai đoạn ra đời của các hệ thống sinh học kị khí và hiếu khí vào năm

1968, cùng với sự hình thành hệ thống lọc sinh học kị khí, một số hệ thống Hybrid kị khí đã được bắt đầu nghiên cứu (Kennedy, K.J & Guiot, S.R., Post Couf.,Sao Paulo.) Đến 1982, Weber Berghausen đã phát triển công nghệ hybrid hiếu khí bio 2 sludge

Sau đó lần lượt các thế hệ hybrid lần lượt ra đời

Theo ADI Inc, Hybrid là sự kết hợp của hai hay nhiều quá trình sinh học, bao gồm cả quá trình sinh học hiếu khí và kị khí cũng như quá trình lơ lững và dính bám vào trong cùng thiết bị xử lý Hybrid có nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào sự kết hợp các quá trình như: bùn hoạt tính với lọc sinh học, UASB với lọc sinh học, lọc sinh học

kị khí với lọc sinh học hiếu khí… Với cấu tạo trên, thiết bị hybrid đảm bảo mật độ vi sinh lớn nhất với thời gian lưu nhỏ nhất và rất thích hợp đối với các công trình có quy

mô nhỏ Ngoài ra, hệ thống Hybrid còn có thể nâng cao khả năng nitrat hóa nhờ kéo dài thời gian lưu tế bào (hay còn gọi là thời gian lưu bùn - phụ thuộc vào bùn bị loại bỏ) (Ochoa et al, 2002)

Ưu điểm của công nghệ Hybrid:

- Có khả năng chịu sốc tải cao

- Chất lượng nước ổn định hàm lượng cặn lơ lửng thấp

- Không phải kiểm soát lượng bùn

- Hiệu quả xử lý chất hữu cơ và chất dinh dưỡng triệt để hơn

- Tiết kiệm năng lượng

- Hạn chế sự trôi bùn

- Diện tích công trình nhỏ

- Vận hành đơn giản, dễ bảo trì: có thể tự động hóa hoàn toàn, thông số vận hành ít

Mô hình Hybrid do ADI

Các hệ thống hybrid được nghiên cứu bao gồm :

• Kết hợp sinh trưởng lơ lửng và sinh trưởng bám dính trên cùng một hệ kỵ khí hoặc hiếu khí, tăng tải trọng vận hành và hiệu quả xử lý nhờ mật độ vi sinh vật cao dẫn đến giảm khối tích công trình

• Kết hợp sinh học và hấp phụ, sử dụng các chất mang có diện tích bề mặt riêng lớn tham gia hấp phụ các chất ô nhiễm nhờ vật gia tăng hiệu quả xử lý, loại bỏ các hợp chất độc hại, khó phân hủy sinh học và các chất dinh dưỡng

• Kết hợp sinh học và màng lọc nhờ vậy giảm khối tích công trình, tăng tải trọng vận hành, loại bỏ thành phần dinh dưỡng và lượng cặn sinh học triệt để, đơn giản hóa quy trình vận hành

• Kết hợp sinh học kị khí, thiếu khí và hiếu khí trong cùng một hệ thống xử lý Cho phép các phản ứng thủy phân, cắt mạch các hợp chất phức tạp được xảy ra đồng thời với các phản ứng sinh học hiếu khí chuyển hóa thành CO2 và nước Phản ứng diễn ra nối tiếp với tốc độ cao Đặc biệt là quá trình khử Nitơ sinh học như Nitrat hóa, khử Nitrat hay anammox xảy ra trực tiếp trong cùng một

hệ thống xử lý

3.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH HYBRID

3.1.1 Mô hình HYBRID ABR/UASB – RAP (the acronym for “Plug flow anaerobic reactor")

Nghiên cứu của trường đại học Andes ở Bogot trên công nghệ hybrid kị khí, kết hợp giữa mô hình ABR và mô hình UASB cho hiệu quả xử lý COD trên 70% Trong hệ thống trên, ở những khoang đầu, vi sinh vật trong ngăn ABR tham gia các phản ứng thủy phân, cắt mạch và phân hủy cơ chất nhờ lưu giữ sinh khối khá tốt, sau

đó UASB tiếp tục tham gia phân hủy các chất hữu cơ và tách bùn, gas và khử các chất

ô nhiễm còn lại trong nước thải

Hệ thống Hybrid trên khắc phục nhược điểm dễ thất thoát bùn từ UASB trong những trường hợp sốc tải đồng thời tăng cường quá trình phân hủy kị khí nhằm phân hủy triệt để các hợp chất khó phân hủy sinh học Hệ thống thích hợp làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp, tốc độ methane hóa cao hơn so với UASB thông thường

Mô hình công nghệ Hybrid này được triển khai ở Bucaramanga, Ấn Độ Năm

1996, Columbia áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị với hơn 60000 dân

Hình 1: Mô hình Hybrid ABR - UASB

3.1.2 Mô hình HYBRID ACID HÓA + UASB

Ứng dụng cho xử lý nước thải khó phân hủy và hàm lượng hữu cơ cao Điển hình là nước thải chế biến sữa, bơ ,phomai Do đặc tính nước thải chứa hàm lượng chất béo cao nên trong quá trình phân hủy kỵ khí dễ tạo thành acid và làm pH giảm, dẫn đến hiệu suất khử COD kém Kết quả nghiên cứu bởi K.V Raijeshwari et al trên nước thải chế biến phomai bằng hệ thống acid hóa - UASB cho thấy hệ thống xử lý

hoạt động ổn định với tải trọng lên đến 9-15 kg COD/m3.ngđ, đạt hiệu quả xử COD khoảng 91-97% với thời gian lưu nước là 2 ngày

Trong quá trình vận hành, sau acid hóa cần nâng pH lên trung tính để tăng hiệu quả khử COD, giảm lượng bùn nổi ảnh hưởng đến chất lượng nước thải sau xử lý

3.1.3 Mô hình HYBRID LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT - THẨM THẤU NGƯỢC (Trickling filter and Reverse Osmosis)

Ứng dụng cho việc xử lý nước thải thành nước sạch Hiệu quả xử lý trên 99% đối với nước thải sinh hoạt Tuy nhiên, nước sau xử lý phải qua hệ thống Ozon để khử trùng

3.1.4 Mô hình HYBRID UASB - SEPTIC TANK

Hệ thống trên hoạt động theo nguyên tắc: nước thải được cho vào bể từ trên xuống qua lớp bùn sau đó lại chảy ngược lên tiếp xúc với lớp bùn đáy Chính nhờ lọc qua lớp bùn đáy, hiệu quả xử lý sẽ được cải thiện

Kết quả nghiên cứu của Kuyawa_Rrocleved et al 2005 cho xử lý nước thải đô thị đạt hiệu quả khử COD trên 90% Tương tự, kết quả nghiên cứu bởi K.V Raijeshwari et al Trên nước thải chế biến phomai ở tải trọng 9-15 kg COD/m3.ngđ cho hiệu quả khử COD đạt 91-97% với thời gian lưu nước 2 ngày

Ưu điểm của hệ thống:

• Thời gian lưu nước ngắn hơn so với UASB

• Vận tốc cho phép nhỏ hơn 0.5 m/h (Halashen 2002)

• Thời gian lưu bùn dài hơn, có thể tách quá trình thành nhiều pha

• Hạn chế thất thoát bùn và ảnh hường của cặn lơ lững trong thành phần nước thải ban đầu

• F Malaspina, L stante, C.M.Cellamare and A Tilche, Italia_1995(4) đã nghiên cứu xử lý nước thải chế biến sửa chua, phomai trên kị khí UASB - Septic tank

• Vật liêu lọc chiếm thể tích 2/5 bể, nước thải tuấn hoàn lại có tỉ lệ 2,5 lần pH

ổn định khoảng 6.5 - 7.0, COD vào lên đến 10.000 mg/l, hiệu quả xử lý COD đạt 90%

Hình 2: Mô hình Hybrid UASB - Septic tank

3.1.5 Mô hình HYBRID SEPTIC TANK - ABR

Áp dụng cho xử lý nước thải có hàm lượng chất bùn hữu cơ cao, cần giai đoạn thủy phân, tách cặn Ưu điểm của hệ ABR là giảm lượng bùn, vi sinh bị thất thoát, nhờ vậy hệ thống xử lý hoạt động ổn định

Nguyên tắc hoạt động: nước thải ban đầu được dẫn vào khoang tự hoại sau đó chảy đến khoang ABR gồm nhiều ngăn Tại đây, bùn và nước thải được tiếp xúc đều trong những ngăn đầu do hàm lượng cơ chất và mật độ vi sinh cao nên các chất hữu

cơ sẽ bị phân hủy nhanh dẫn đến hiệu quả xử lý giảm đáng kể Còn ở các ngăn cuối, mật độ vi sinh thấp, bùn lắng tốt, hàm lượng cặn sau xử lý thấp, ngăn ngừa hiện tượng trào bùn

Hình 3: Mô hình Hybrid ABR - Septic tank

3.1.6 Mô hình HYBRID UASB + LỌC SINH HỌC KỊ KHÍ (USBF)

Được nghiên cứu bởi Guiot and Van den Breg (1984) Sau đó tiếp tục phát triển bởi (Lo et.al.1994, James 2000) Công nghệ Hybrid này đang được kiển khai mạnh với ưu điểm chính là chịu tải cao và ít bị sốc tải

Nước thải sau khi xử lý sơ bộ sẽ được đưa vào hệ thống Hybrid USBF

Ưu điểm của hệ thống :

• Không cần lớp bùn dầy đặc hoặc bùn dạng hạt

• Ổn định chịu sốc tải và độc tính cao

• Chất lượng nước ổn định hàm lượng cặn lơ lửng thấp

• Chịu được tải trọng vận hành cao

Tận dụng những ưu điểm trên, nhiều nghiên cứu ứng dụng hệ USBF cho xử lý các loại nước thải đã được thực hiện như:

Nurdan Buyukamaci, Ayse Filibeli, thuộc trường đại học Dokuz Eylul, Thổ Nhĩ

Kỳ áp dụng hệ Hybrid USBF cho xử lý nước thải chế biến thực phẩm và sản xuất men bánh mì Sau 2 năm vận hành, thử nghiệm với 11 điều kiện vận hành khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy :

Đối với nước thải tổng hợp :

• Hiệu quả khử COD :77-90%

• Tỉ lệ metan/tổng lượng khí :58%;hàm lượng metan :0.32m3/kg COD khử Đối với nước thải men:

• Hiệu quả khử TOC:76%

• Do sự hiện diện của melanimin trong mật đường có mầu nâu đặc trưng, khó phân hủy nên hệ thống kị khí có khả năng xử lý 12% độ màu

Đối với nước thải thịt :

• Hiệu quả khử COD: 62-91%; trung bình đạt 75%

• Tỉ lệ metan/tổng lượng khí :70%

C.B Shivayoghimath, T.K Ramanujam đã áp dụng công nghệ hybrid USBF cho

xử lý nước thải cồn rượu Hệ thống bố trí vật lọc là polypropylene phân bố ở lớp trên cùng chiếm 1/3 chiều dài cột

Hình 4: Mô hình Hybrid UASB - Lọc sinh học kị khí

Nhìn chung công nghệ hybrid UASB và lọc khí chịu sốc tải tốt hơn và thích hợp với không gian hẹp Hiện nay, hệ thống hybrid USBF đã được nghiên cứu cho xử lý nước thải đường, lọc dầu, nước thải rác, nước thải đô thị, nước thải dược phẩm và một

số loại nước khác Tại Châu Âu đã áp dụng khoảng 25 hệ hybrid USBF cho xử lý nước thải

3.1.7 Mô hình HYBRID EGSB – AF (ESBF) (Expanded granular sludge blanket – anaerobic filter)

Được nghiên cứu bởi Gavin Collins, Clare Foy, Sharon McHugh and Vincent O’Flaherty cho xử lý các hợp chất mạch vòng (phenol…), 2.4.6 – trichlorophenol với tải trọng vận hành lên đến 20 – 40 kg COD/m3.ngđ Ưu điểm của hệ hybrid trên là chịu được biến động về tải trọng ô nhiễm, dễ tạo hạt, tăng hiệu suất xử lý

Gavin Collins, Clare Foy, Sharon McHugh, The’rese Mahony, Vincent O’Flaherty_ Ireland nghiên cứu xử lý nước thải chứa phenol trên mô hình ESBF với vận tốc 7,5 – 10 m/h ở tải trọng vận hành: 10kg COD/m3.ngđ; phenol: 0,4 – 1,2 g/l Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý COD > 85% trong điều kiện thấp: 15 – 18oC

3.1.8 Mô hình HYBRID LỌC MÀNG + KỊ KHÍ

Quá trình MBR kị khí đã được ứng dụng thành công cho xử lý nước thải chứa nổng độ chất hữu cơ cao hoặc cặn lơ lửng cao Hai mô hình pilot kị khí với màng UF được áp dụng cho xử lý nước thải chưng cất rượu có nồng độ COD 37g/l (Ross,1990) Môđun UF hoạt động dưới áp suất đầu vào là 400 kPa Khử được 93% COD ở những tải trọng là 4-12 kg COD/m3.ng.đ và MLSS là 30g/l Dòng thấm ra không có cặn lơ lững

Nagano (1992) đã chứng tỏ rằng quá trình MRB kị khí có hiệu quả rất tốt trong

sự phân hủy của cặn lơ lửng và những hợp chất hữu cơ, dòng ra sự chưng cất rượu cồn chứa 40g COD/L và 13g SS/L Khử trên 98% COD ở tải trọng 7kg COD/m3.ngày COD và BOD5 dòng ra tương ứng là 600 mg/l và 100mg/l

Harada (1994) đã nghiên cứu xử lý kị khí của nước thải chứa nồng độ chất hữu

cơ không tan cao bằng MBR với màng UF chảy xiên Hơn 98% COD được khử ở tải trọng 2,5 kgCOD/m3.ngày, MLSS tối đa đạt được là 15g MLSS/L

3.1.9 Mô hình HYBRID BÙN HOẠT TÍNH + LỌC SINH HỌC

N Muller – 1998 - Đức đã ứng dụng 7 mô hình hybrid hiếu khí cho xử lý nước thải ở miền nam nước Đức Hệ hybrid trên được nghiên cứu từ năm 1982-1988 bởi Weber Ingenieur với tên gọi là quá trình bio 2 sludge, kết hợp lọc sinh học và bùn hoạt tính Mục đích chính của hệ hybrid là khử C và N

Bio 2 được ứng dụng cho xử lý nước thải các khu dân cư 10.000-25.000 dân với hàm lượng SS cho phép lên đến 11g/l Thời gian lưu bùn dài nên quá trình khử nitơ cùng diễn ra đồng thời

Hình 5: Mô hình Hybrid Bùn hoạt tính - Lọc sinh học

Ưu điểm của hệ thống :

• Giảm khối tích công trình

• Dễ vận hành

• Vi sinh cố định cố định trên lớp vật liệu lọc có tuổi bùn cao hơn nên cho phép gia tăng quá trình nitrat hóa đồng thời hệ vi sinh vật đa dạng trong phát triển theo chiều dày lớp màng sinh học cũng góp phần đẩy nhanh quá trình khử

nitrat

• Bùn hoạt tính trong hệ thống khác bùn hoạt tính thông thường với hàm lượng hữu cơ thấp hơn do một phần cơ chất đã được sử dụng trong hệ thống lọc sinh

học, kết quả là chỉ số bùn thấp, khả năng lắng tốt hơn

• Khả năng chịu sốc tải do biến động và tải lượng ô nhiễm và nhiệt độ sẽ tốt hơn

• Hạn chế bùn sinh ra, giảm chi phí xử lý bùn, giảm 50% so với hệ thống bùn

hoạt tính

Quá trình nitrat hóa ở tải 0,2 - 0,25 kg COD/kg bùn ng.đ

Tỉ lệ VSS/SS thấp do bùn màng sinh học có thời gian lưu dài

Hệ thống thường được áp dụng cho các nhà máy hiện hữu đã bị quá tải và muốn gia tăng công suất với chi phí đầu tư thấp và điều kiện hạn chế về mặt bằng

Các nghiên cứu gần đây của Emori et al.,1994;Mishima et al.,1996 kết hợp vi khuẩn bùn hoạt tính lơ lửng (khử p)và vi khuẩn lọc sinh học bám dính (cải thiện quá trình nitrat hóa)

W.Jianlong et al.: Process Biochemistry 36 (2000) 297-303 nghiên cứu trên hệ Bio 2 sludge cho thấy: Lượng sinh khối có thể tăng 4,3-5,75 g/l , thể tích vật liệu lọc 15-30% Hiệu quả xử lý COD>80%

FADI GEBARA (Liang) Wat Res Vol 33 No.1 nghiên cứu trên hệ bio 2 sludge với tải trọng bùn: 0.07 - 0.3 kgCOD/kg bùn.ngđ, SVI dao động từ 46-130 ml/g Nồng độ bùn: 3 - 7,6 g/l

3.1.10 Mô hình HYBRID TRAO ĐỔI ION - LỌC MÀNG

Để khử Cu trong nước thải công nghiệp, V flose, C Cabasssud áp dụng công nghệ Hybrid kết hợp trao đổi ion và lọc màng Trong đó, màng lọc là lớp nhựa có