Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết Áp dụng công nghệ phản ứng sinh học kỵ kết hợp màng chưng cất chân không (AnVMDBR) để xử lý nước thải cho mục đích tái sử dụng nước nhằm giải quyết ba vấn đề chính: Xác định kích thước lỗ màng MD phù hợp nhất cho quá trình xử lý nước thải của hệ AnVMDBR để đạt được thông lượng dòng nước thấm cao; Đánh giá khả năng xử lý COD, PO4 3- và NH4 + của mô hình AnVMDBR ở các tải trọng hữu cơ khác nhau; Khảo sát mức độ bẩn màng và sự thay đổi thông lượng thấm theo thời gian nhằm đưa ra thời gian vận hành và rửa màng cho mô hình AnVMDBR.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 80 (02/2022) No 80 (02/2022) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: http://sj.sgu.edu.vn/ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ PHẢN ỨNG SINH HỌC KỴ KẾT HỢP MÀNG CHƯNG CẤT CHÂN KHÔNG (AnVMDBR) ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHO MỤC ĐÍCH TÁI SỬ DỤNG NƯỚC Application of Anaerobic Vaccum Membrane Distillation Bioreactor (AnVMDBR) for Wastewater Treatment and Water Reuse TS Nguyễn Thị Hậu(1), PGS.TS Nguyễn Công Nguyên(2), ThS Dương Thị Giáng Hương(3), ThS Nguyễn Thị Cúc(4), ThS Nguyễn Thị Bảo Dung(5), ThS Nguyễn Hoàng Phương(6) (1), (2), (4), (5)Trường Đại học Đà Lạt (3)Trường Đại học Sài Gịn (6)Trường Đại học Tây Ngun TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, mơ hình tiên tiến kết hợp bùn hạt kỵ khí với chưng cất màng chân không (AnVMDBR) thiết kế để xử lý nước thải Kết thực nghiệm cho thấy, kích thước lỗ màng tối ưu cho màng MD mơ hình AnVMDBR µm với thơng lượng dịng nước thấm 3,21 L/m2 h, hiệu suất xử lý COD đạt 99.32%, hiệu suất xử lý NH4+ đạt 96,54% hiệu suất xử lý PO43- đạt 95.66% Ngoài ra, tăng tải trọng hữu từ OLR1 = 1.36 KgCOD/m3 ngày đến OLR5 = 2.44 KgCOD/m3 ngày nồng độ COD đầu mơ hình AnVMDBR tăng tương ứng từ 17 mg/L đến 19 mg/L sản lượng khí mêtan thu tăng từ 415 mL CH4/ngày lên đến 712 mL CH4/ngày Từ khóa: bùn hạt kỵ khí, màng chưng cất chân không (VMD), tái sử dụng nước thải, thông lượng thấm, xử lý chất hữu ABSTRACT In this study, a novel anaerobic vaccum membrane distillation bioreactor (AnVMDBR) was designed for wastewater treatment The results show that the MD pore size of µm was the optimum condition to achieve the water flux of 3.21 L/m2 h, the COD removal of 99.32%, the NH4+ removal of 96.54% PO43- removal of 95.66% In addition, the effulent COD concentration of AnVMDBR increased from 17 mg/L to 19 mg/L, and the biogas yield increased from 415 mL CH4/day to 712 mL CH4/day when increasing organic loading rate from OLR1 = 1.36 KgCOD/m3 day to OLR5 = 2.44 KgCOD/m3 day Keywords: Anaerobic granular sludge, vaccumm membrane distillation, wastewater reuse, water flux, organic treatment xử lí nước tái sử dụng nước trọng ngày phát triển theo hướng bền vững mơi trường Trong đó, cơng nghệ phản ứng sinh học màng (MBR) ứng dụng nhiều cho xử lý nước thải tái sử dụng nước nhiều quốc gia Đặt vấn đề Ngày tốc độ thị hóa tỉ lệ thuận với gia tăng dân số, ô nhiễm nước thải trở nên nghiêm trọng mức độ tiêu dùng nước gia tăng vượt mức bền vững nhiều quốc gia [1-2] Các nghiên cứu Email: haunt@dlu.edu.vn 13 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 80 (02/2022) giới Cụ thể, Atanasova cộng (2017) nghiên cứu khả xử lý nước thải khách sạn hệ thống MBR cho kết xử lý tổng cacbon hữu (TOC) cao (95%) suốt 180 ngày vận hành [3] Một nghiên cứu khác Nguyen cộng (2020) chứng minh hệ thống MBR xử lý nước thải sinh hoạt đạt hiệu suất cao với hiệu lại bỏ COD khoảng 92% - 98% [4] Mặc dù, hệ thống MBR có khả xử lý nước cho tái sử dụng trình yêu cầu sử dụng lượng cao để cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí sục khí nhằm giảm bẩn màng Để tăng cường xử lý nước thải đạt chất lượng cao, kỹ thuật màng lọc nano (NF) thẩm thấu ngược (RO) đề nghị áp dụng Ernest cộng (1999) sử dụng màng NF để xử lý tăng cường cho nước thải sau trình sinh học cho hiệu xử lý bon hữu hòa tan (DOC) cao (DOC99.3%) 3.2 Đánh giá hiệu xử lý AnVMDBR tải trọng hữu khác Kết nghiên cứu cho thấy tăng tải trọng COD từ OLR1 = 1.36 KgCOD/m3 ngày đến OLR5 = 2.44 KgCOD/m3 ngày COD đầu tăng tương ứng từ 17 mg/L đến 20 mg/L (Hình 4) Nguyên nhân tăng tải trọng hữu cơ, nồng độ COD Hình Ảnh hưởng tải trọng hữu đến hiệu loại bỏ COD mơ hình AnVMDBR 19 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 80 (02/2022) NH4+ mơ hình AnVMDBR đạt cực đại 94.87% tải trọng OLR5 = 2.44 KgCOD/m3 ngày với nồng độ NH4+ đầu nhỏ 3.30 mg/L Hình cho thấy hiệu suất xử lý NH4+ tăng nhẹ tăng tải trọng hữu từ OLR1 = 1.36 KgCOD/m3 ngày đến OLR5 = 2.44 KgCOD/m3 ngày Hiệu khử Hình Ảnh hưởng tải trọng hữu đến hiệu loại bỏ NH4+ mơ hình AnVMDBR nghiệm hình cho thấy tải trọng hữu tăng từ OLR1 = 1.36 KgCOD/m3 ngày đến OLR5 = 2.44 Kg COD/m3 ngày sản lượng khí mêtan thu tăng tương ứng 415 mL CH4/ngày 712 mL CH4/ngày Điều chứng tỏ hệ AnVMDBR có khả xử lý tốt COD, NH4+, PO43- dãy tải trọng hữu từ 1.36 KgCOD/m3 ngày đến 2.44 Kg COD/m3 ngày So với NH4+, hiệu xử lý PO43trong mô hình AnVMDBR cao Hình cho thấy hiệu suất xử lý PO43- tăng từ 96.66% đến 97.43% tăng tải trọng hữu từ OLR1 = 1.36 KgCOD/m3 ngày đến OLR5 = 2.44 KgCOD/m3 ngày Nồng độ PO43- dịng nước thấm mơ hình AnVMDBR ln nhỏ 0.33 mg/L tải trọng COD Ngoài ra, kết thí Hình Ảnh hưởng tải trọng hữu đến hiệu loại bỏ PO43- mơ hình AnVMDBR 20 NGUYỄN THỊ HẬU cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Hình Cho thấy sản lượng khí methan thu tăng dần theo tải trọng hữu nhiên, thơng lượng nước thấm có xu hướng giảm dần theo thời gian vận hành tải trọng hữu Ở tải trọng OLR1: thông lượng dòng nước thấm giảm dần từ 3.10 đến 1.72 L/m2 h; Ở tải trọng OLR2: thông lượng thấm giảm dần từ 2.97 đến 1.66 L/m2 h; Ở tải trọng OLR3: thông lượng thấm giảm từ 2,99 đến 1.53 L/m2 h; Ở tải trọng OLR4: thông lượng thấm giảm từ 2.87 – 1.51 L/m2 h; Ở tải trọng OLR5: thông lượng thấm giảm từ 2.98 đến 1.39 L/m2 h Nguyên nhân tượng giảm thông lượng thấm theo thời gian màng bị bẩn bề mặt Dưới tác dụng lực hút bơm hút chân khơng, hợp chất nhiễm có xu hướng bám lên bề mặt màng hình thành lớp bẩn màng hình Tuy nhiên, việc sử dụng bùn hạt kỵ khí hệ AnVMDBR cho thơng lượng dịng thấm giảm thấp với sử dụng bùn dạng bơng (hình 10) nghiên cứu nhóm Jacob với thơng lượng dòng thấm giảm nhanh từ xuống 0.6 L/m2 h [14] 3.3 Khảo sát thay đổi dòng nước thấm theo thời gian tải trọng xử lý khác Khảo sát thay đổi thơng lượng dịng thấm tải trọng hữu thực liên tục ngày kết thể hình Kết nghiên cứu thực nghiệm thơng lượng dịng thấm tải trọng hữu khác không đáng kể Điều chứng tỏ, thơng lượng nước thấm từ mơ hình AnVMDBR không phụ thuộc nhiều vào tải trọng ô nhiễm hữu từ 1.36 KgCOD/m3 ngày đến 2.44 Kg COD/m3 ngày Tuy nhiên, cần có theo thí nghiệm tải trọng hữu cao để đánh giá mức độ ảnh hưởng tới thông lượng thấm Ở ngày vận hành đầu tiên, thông lượng thấm đạt 3.10 L/m2 OLR1 = 1.36 Kg COD/m ngày, 2.97 L/m2 h OLR2 = 1.63 Kg COD/m3 ngày, 2.99 L/m2 h OLR3 = 1.90 Kg COD/m3 ngày, 2.87 L/m2 h OLR4 = 2.17 Kg COD/m3 ngày 2.98 L/m2 h OLR5 = 2.44 Kg COD/m3 ngày Tuy 21 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 80 (02/2022) Hình Sự thay đổi thơng lượng dịng nước thấm theo thơi gian Hình A Màng MD ban đầu, B Màng MD bị bám bẩn, C Màng MD rửa nước cất Hình 10 A Bùn hạt kỵ khí trước giai đoạn thích nghi; B Bùn hạt kỵ khí giai đoạn ổn định 22 NGUYỄN THỊ HẬU cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN đến 19 mg/L sản lượng khí mêtan thu tăng tương ứng từ 415 mL CH4/ngày đến 712 mL CH4/ngày Quan sát bề mặt màng cho thấy màng MD bị bẩn sau ngày vận hành liên tục dẫn đến thông lượng nước thấm giảm dần từ 3.10 đến 1.72 L/m2 h tải trọng OLR1 = 1.36 KgCOD/m3 ngày giảm từ 2.98 đến 1.39 L/m2 h tải trọng OLR5 = 2.44 KgCOD/ m3 ngày Kết luận Mơ hình phản ứng sinh học kỵ khí kết hợp với chưng cất màng chân không (AnVMDBR) thiết kế thành công để xử lý nước thải tái sử dụng nước Kết nghiên cứu cho thấy tăng tải trọng hữu từ OLR1 = 1.36 KgCOD/m ngày đến OLR5 = 2.44 KgCOD/m3 ngày nồng độ COD đầu mơ hình AnVMDBR tăng tương ứng từ 17 mg/L Lời cảm ơn “Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 105.08-2017.311” Tác giả trân trọng cảm ơn hỗ trợ tài từ Quỹ NAFOSTED TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chen Z, Yu T, Ngo H.H, Lu Y, Li G, Wu Q, Li K, Bai Y, Liu S, Hu H-Y, “Assimilable organic carbon (AOC) variation in reclaimed water: Insight on biological stability evaluation and control for sustainable water reuse”, Bioresource Technology, 254, 290–299, 2018 [2] Nguyen N.C, Nguyen H.T, Chen S.-S, Ngo H.H, Guo W, Chan W.H, Ray S.S, Li C.W, Hsu H-T, “A novel osmosis membrane bioreactor-membrane distillation hybrid system for wastewater treatment and reuse”, Bioresource Technology, 209, 8– 15, 2016 [3] Atanasova N, Dalmau M, Comas J, Poch M, Rodriguez-Roda I, Buttiglieri G, “Optimized MBR for greywater reuse systems in hotel facilities,” Journal of Environmental management, 193, 503–511, 2017 [4] Nguyen P.T, Dang B.T, Pham H.D, Huynh Q.T, Nguyen X.D, Nguyen H.H, Lee K.J, Bui X.T, “Evaluating the membrane fouling control ability of a reciprocation membrane bioreactor (rMBR) system”, Vietnam Journal of Science, Technology and Engineering, 62, 50-54, 2020 [5] Ernst M, Jekel M, “Advanced treatment combination for groundwater recharge of municipal wastewater by nanofiltration and ozonation”, Water Science and Technology, 40(4), 277-284, 1999 [6] Abdel-Fatah, M.A, “Nanofiltration systems and applications in wastewater treatment: Review article”, Ain Shams Engineering Journal, 9(4), 3077-3092, 2018 23 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 80 (02/2022) [7] Nguyen N.C, Chen S.S, Ho S.T, Nguyen H.T, Ray S.S, Nguyen N.T, Hsu H.T, Le N.C, Tran T.T, “Optimising the recovery of EDTA-2Na draw solution in forward osmosis through direct contact membrane distillation”, Separation science and technology, 198, 108-112, 2018 [8] Nguyen N.C, Chen S.S, Nguyen H.T, Chen Y.H, Ngo H.H, Guo W, Ray S.S, Chang H.M, Le Q.H, “Applicability of an integrated moving sponge biocarrierosmotic membrane bioreactor MD system for saline wastewater treatment using highly salt-tolerant microorganisms”, Separation science and technology,198, 93-99, 2018 [9] Nguyen N.C, Duong H.C, Nguyen H.T, Chen S.S, Le H.Q, Ngo H.H, Guo W, Duong C.C, Le N.C, Bui X.T, “Forward osmosis–membrane distillation hybrid system for desalination using mixed trivalent draw solution”, Journal of Membrane Science, 603, 11-29, 2020 [10] Nguyen N.C, Nguyen H.T, Chen S.S, Ngo H.H, Guo W, Chan W.H, Ray S.S, Li C.W, Hsu H.T, “A novel osmosis membrane bioreactor-membrane distillation hybrid system for wastewater treatment and reuse”, Bioresource Technology, 209, 815, 2016 [11] Yao M, Woo Y.C, Ren J, Tijing L.D, Choi J.S, Kim S.H, Shon H.K, “Volatile fatty acids and biogas recovery using thermophilic anaerobic membrane distillation bioreactor for wastewater reclamation”, Journal of Environmental Management, 231, 833-842, 2019 [12] Li, C.; Deng, W.; Gao, C.; Xiang, X.; Feng, X.; Batchelor, B.; Li, Y., “Membrane distillation coupled with a novel two-stage pretreatment process for petrochemical wastewater treatment and reuse”, Separation and Purification Technology, 224, 2332, 2019 [13] APHA, Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association (APHA): Washington, DC, USA, 2005 [14] Jacob P, Phungsai P, Fukushi K,bVisvanathan C, “Direct contact membrane distillation for anaerobic effluent treatment”, Journal of Membrane Science, 475, 330-339, 2015 Ngày nhận bài: 19/11/2020 Biên tập xong: 15/02/2022 24 Duyệt đăng: 20/02/2022 ... này, màng chưng cất (MD) xem công nghệ tiềm cho xử lý nước thải tái sử dụng [7-8] Dựa động lực điều khiển nhiệt, màng MD cho phép nước qua màng giữ lại tồn chất nhiễm nước thải [9-10] Về mặt lý. .. màng MD Vì sử dụng bùn hạt hệ MD làm giảm tượng bẩn màng trình vận hành Cho đến nay, chưa có nhóm nghiên cứu sử dụng kết hợp bùn hạt kỵ khí với chưng cất màng chân khơng (AnVMDBR) cho xử lý tái. .. hữu cho bể phản ứng sinh học kỵ khí thích nghi 10 ngày để hiệu xử lý COD, PO43- NH4+ ổn định, sau kết nối mơ hình màng MD để tính tốn hiệu xử lý hệ AnVMDBR Nước thải sau xử lý cột bùn hạt kỵ khí