NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả của việc áp dụng công MBR sử dụng màng di động, cụ thể: Đánh giá khả năng loại bỏ chất hữu cơ, dinh dưỡng tại cá
TỔNG QUANCông nghệ MBR2.1.1 Định nghĩa MBR và nguyên lý hoạt động
Bể sinh học màng (Membrane BioReactor – MBR) là công nghệ xử lý nước thải kết hợp công nghệ bùn hoạt tính truyền thống với màng lọc sinh học Một hệ thống MBR bao gồm một bể phản ứng sinh học với sinh khối lơ lửng hoặc dính bám và một module màng lọc có nhiệm vụ tách các chất rắn lơ lửng ra khỏi nước thải Bể phản ứng sinh học có thể là bể kỵ khí hoặc hiếu khí Khả năng xử lý nước thải của bể MBR đến từ hai khía cạnh: khả năng phân hủy sinh học các chất ô nhiễm đến từ bể phản ứng và sự phân tách các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn ra khỏi nước đến từ màng lọc Nước thải đầu ra của bể MBR có chất lượng tương đương hoặc tốt hơn nước sau bể lắng cuối Do đó, bể lắng sau quá trình bùn hoạt tính được loại bỏ, từ đó tiết kiệm diện tích đất xây dựng của công trình xử lý
Về tổng thể, công nghệ MBR có thể được phân ra làm 3 dạng dựa theo các cơ chế làm việc khác nhau:
Bể MBR nhúng chìm (sMBR)
Trong bể sMBR, module màng lọc được nhúng chìm trực tiếp trong bể phản ứng Một bơm hút được sử dụng để hút nước thải đi qua các đơn vị màng lọc đó, bùn hoạt tính bị giữ lại trong bể phản ứng Quá trình cấp khí xảy ra liên tục nhằm duy trì trạng thái hiếu khí trong bể Ngoài ra việc cấp khí cũng giúp hạn chế nguy cơ xảy ra hiện tượng bẩn màng sMBR có ưu điểm là tiêu thụ ít năng lượng và hiện tượng bẩn màng diễn ra chậm
Hình 2.1 Bể MBR nhúng chìm (sMBR)
Bể MBR với màng đặt ngoài (cMBR)
Bể cMBR cũng hoạt động tương tự như sMBR, tuy nhiên sự khác biệt chính của cMBR so với sMBR là việc các module màng lọc không nằm trong bể phản ứng mà được đặt trong một bể chứa riêng biệt, có nhiệm vụ giống như bể lắng bậc 2 của hệ thống xử lý sinh học truyền thống Trong đó, bùn được giữ lại và tuần hoàn về bể xử lý, còn nước
Nước thải đầu vào Màng lọc
5 được bơm hút qua màng lọc đi ra ngoài cMBR thường được sử dụng khi nước có nồng độ bùn cao
Hình 2.2 Bể MBR với màng đặt ngoài (cMBR)
Dạng MBR này có cấu tạo và hoạt động khá tương tự với sMBR, tuy nhiên trong bể phản ứng có chứa nhiều giá thể cho phép vi sinh vật bám dính và phát triển Bể MBR lai hợp có nhiều ưu điểm nổi trội hơn sMBR nhờ hệ thống giá thể có khả năng giúp ổn định hiệu quả xử lý và giúp kiểm soát bẩn màng tốt
Hình 2.3 Bể MBR lai hợp
Trong công nghệ MBR, màng lọc thường sẽ bẩn rất nhanh do nước thải được vận hành thường xuyên với nồng độ các chất rắn lơ lửng cao đi qua Do đó, việc lựa chọn loại màng phù hợp rất quan trọng trong thiết kế bể MBR Có 3 thông số cần phải lưu ý khi lựa chọn màng MBR cho hệ thống xử lý nước thải, đó là kích thước lỗ màng, vật liệu và hình dạng
Tùy theo kích thước lỗ màng mà màng lọc MBR được chia thành nhiều loại khác nhau như MF, UF, NF và RO Kích thước lỗ của từng loại màng được thể hiện trong Bảng 2.1 như sau:
Bể phản ứng Nước thải đầu ra Bùn tuần hoàn
Giá thể Nước thải đầu vào Màng lọc
Bảng 2.1 Kích thước lỗ màng và khả năng xử lý của từng loại màng (Lâm Minh Triết, 2015)
Loại màng Kích thước lỗ màng Khả năng xử lý MF (Micro Filtration) 0,1 – 1 àm Vi khuẩn, mầm bào tử, tế bào
UF (Ultra Filtration) 0,01 – 0,1 àm Chất keo và Virus
NF (Nano Filtration) 1 – 10 nm Những đơn thể hữu cơ, đường, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và các muối hòa tan RO (Reverse Osmosis) 0,1 – 1 nm Các nguyên tử tự do
Về vật liệu, có 2 loại vật liệu được sử dụng để sản xuất màng lọc MBR: vật liệu hữu cơ và vật liệu vô cơ Các vật liệu hữu cơ thông dụng được sử dụng làm màng lọc bao gồm polysulfone (PS), polyether sulfone (PES), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), polypropylene (PP)… Các loại vật liệu vô cơ thường được làm bằng các vật liệu như kim loại, oxít kim loại và gốm sứ Màng lọc được làm từ các vật liệu vô cơ có những ưu điểm nổi trội hơn so với màng lọc hữu cơ như độ bền hóa học cao, khả năng cơ học mạnh, có khả năng chịu được lưu lượng nước thải cao và dễ làm sạch
Hiện nay, có 2 dạng module màng thường được sử dụng cho bể MBR: màng sợi rỗng và màng dạng tấm phẳng Dạng màng sợi rỗng với những ưu điểm như giá thành rẻ và khả năng chịu áp lực cao thường được sử dụng trong bể sMBR Tuy nhiên, nhược điểm của nó là dễ bị tắc nghẽn Loại màng tấm phẳng thường được sử dụng trong cMBR Dưới điều kiện thủy lực tốt, màng dạng ống có những ưu điểm như ít bị tắc nghẽn, dễ rửa sạch, tuy nhiên loại này có giá thành rất cao
Hai dạng tiếp nhận lưu lượng vào phổ biến nhất của các module màng lọc là dạng outside-in (từ ngoài vào trong) và inside-out (từ trong ra ngoài) Trên thực tế, dạng outside-in thường được sử dụng phổ biến hơn do dạng inside-out có nhược điểm là đường nước vào hẹp dẫn đến dễ bị tắc nghẽn
2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBR Ưu điểm của công nghệ MBR
Có khả năng tạo ra dòng nước thải sau lọc có chất lượng cao nhờ khả năng xử lý COD, SS cao
Có khả năng điều khiển HRT và SRT độc lập, từ đó cho khả năng lưu bùn lâu hơn và tăng hiệu quả xử lý sinh học của hệ thống
Tiết kiệm diện tích xây dựng do không cần xây bể lắng và bể khử trùng ở phía sau
Do khả năng độc lập HRT và SRT, tuổi thọ bùn của MBR sẽ cao hơn
Có khả năng giữ lại các ion kim loại nặng
Có thời gian khởi động ngắn hơn các công nghệ bùn hoạt tính thông thường do không bị mất sinh khối trong suốt quá trình hoạt động (Fu và cộng sự, 2009)
Nhược điểm của công nghệ MBR
Khả năng xử lý phốtpho thấp Cần kết hợp với quá trình xử lý kỵ khí hoặc thiếu khí để có thể xử lý phốtpho hiệu quả
Khá phức tạp trong quá trình xử lý sinh học khử dinh dưỡng Đối với xử lý nitơ cần điều khiển nồng độ DO cần thiết cho quá trình SND hoặc cần phải kết hợp với bể phản ứng sinh học thiếu khí Đối với xử lý phốtpho cần kết hợp với bể phản ứng sinh học kỵ khí
Chi phí đầu tư hệ thống màng lọc vẫn còn rất cao Ngoài ra còn có thể phát sinh chi phí làm sạch màng nếu sử dụng hóa chất
Bẩn màng là một trong những rắc rối lớn đối với việc vận hành bể MBR, gây phát sinh chi phí và tăng tính phức tạp khi vận hành
Tiêu tốn nhiều năng lượng vận hành do phải cấp khí liên tục để tạo môi trường hiếu khí cho vi sinh vật phát triển đồi thời để hạn chế hiện tượng bẩn màng
Công nghệ AO – MBRBằng sự kết hợp giữa hệ thống AO và công nghệ màng lọc MBR, mô hình kết hợp AO – MBR giải quyết các vấn đề còn tồn đọng của AO cũng như MBR Trong đó, sử dụng màng lọc sinh học trong ngăn hiếu khí của công trình AO giúp tăng hiệu quả xử lý hữu cơ và TKN của hệ thống (Jashani và cộng sự, 2015) Điều này được lý giải là nhờ khả năng lưu giữ hoàn toàn bùn và VSV trong bể phản ứng, giúp tránh tình trạng VSV bị rửa trôi ra khỏi bể phản ứng theo dòng nước thải và đi vào bể lắng, từ đó đảm bảo sự phát triển đầy đủ của các VSV trên trong hệ thống xử lý nước thải (Radjenovíc và cộng sự, 2007) Thêm vào đó, khả năng hạn chế lượng bùn dư sinh ra trong bể phản ứng của màng lọc MBR sẽ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành Ngoài ra, việc sử dụng màng lọc sinh học để tách bùn ra khỏi nước cũng giúp tiết kiệm diện tích xây dựng do không cần xây bể lắng sau bể phản ứng Thậm chí nước thải qua màng lọc còn có chất lượng tốt hơn nước sau bể lắng cuối Ngược lại, kết hợp công nghệ AO vào bể MBR giúp kiểm soát bẩn màng trong MBR nhờ khả năng xử lý các tác nhân hữu cơ gây nghẹt màng như protein hay
8 polysacarit trong các quá trình xử lý sinh học trước quá trình màng, từ đó giúp ổn định lưu lượng thấm qua màng nhờ khả năng duy trì TMP thấp (Wang và cộng sự, 2013)
Nguyên lý hoạt động của công nghệ kết hợp AO – MBR gần như tương tự với công nghệ AO thông thường Tuy nhiên, bể lắng phía sau ngăn hiếu khí đã bị loại bỏ Do đó, cơ chế tuần hoàn bùn được thay đổi Bùn được tuần hoàn trực tiếp từ ngăn hiếu khí về ngăn thiếu khí Nước thải đầu ra được lấy trực tiếp từ dòng nước sau màng lọc và có thể được xả ngay vào nguồn tiếp nhận mà không cần phải qua các biện pháp khử trùng
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống AO – MBR
Nitrat hóa là quá trình sinh học hai bước chuyển đổi từ nitơ dạng ammonia sang nitơ dạng nitrat và được thực hiện từng bước bởi hai nhóm vi khuẩn riêng biệt Trong quá trình đầu tiên, các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hóa ammoni thành nitrit, đồng thời thải ra môi trường gốc axít mạnh Thông thường, Nitrosomonas là vi khuẩn chủ yếu tham gia vào quá trình này; tuy nhiên, các vi khuẩn tự dưỡng như Nitrosospira, Nitrosococus và Nitrosolobus cũng có khả năng thực hiện quá trình trên trong môi trường có bùn hoạt tính
Sau đó, chuyển sang quá trình thứ hai, các vi sinh vật lại oxy hóa nitrit thành nitrat
Nitrobacter là vi sinh vật chủ yếu mang nhiệm vụ thực hiện quá trình này Tuy nhiên, các loại vi sinh vật khác như Nitrospina và Nitrococcus có mặt trong bùn hoạt tính trong nước thải cũng có thể thực hiện chức năng trên
Hai bước oxy hóa ammonia thành nitrat được thể hiện rõ qua các phương trình phản ứng sau :
Phương trình tổng quát quá trình nitrat hóa:
NH 4 + + O 2 + CO 2 + HCO 3 - + VSV NO 3 - + H 2 O + VSV mới Phương trình phản ứng được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrosomonas:
Nước thải đầu ra Cấp khí
Bùn tuần hoàn Thiếu khí Hiếu khí
9 2NH 4 + + 3O 2 2NO 2 - + 4H + + 2H 2 O Phương trình phản ứng được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrobacter:
Các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình nitrat hóa:
Trong công nghệ AO-MBR, quá trình nitrat hóa xảy ra tại ngăn hiếu khí, do vi khuẩn bắt buộc trong quá trình này phải là “vi khuẩn hiếu khí”, và lượng oxy trong nước đóng vai trò rất quan trọng Lượng oxy cần thiết để oxy hóa hoàn toàn 1mg ammoni sang nitrat là 4,57 mg Trong trường hợp nồng độ DO trong nước giảm, hiệu suất quá trình nitrat hóa trong nước sẽ giảm theo Thông thường, nồng độ DO trong nước nên dao động trong khoảng từ 2 – 3 mg/L để bảo đảm quá trình nitrat hóa diễn ra thuận lợi Khi tăng tải trọng lên cao, 0,5 mg/L là mức nồng độ DO tối thiểu chấp nhận được để có thể thực hiện quá trình nitrat hóa pH:
Từ các nghiên cứu trước đây, vi khuẩn nitrat hóa đã được quan sát phát triển mạnh nhất trong khoảng pH 6,5 – 8,5 Ngoài ra, ngay cả khi độ pH nằm ngoài khoảng tối ưu đó, một số nghiên cứu vẫn quan sát được quá trình nitrat hóa diễn ra ở hiệu suất cao Tuy nhiên, pH quá thấp sẽ ngăn cản quá trình nitrat hóa diễn ra (Dawson và Murphy, 1972) Độ kiềm:
Do sản phẩm của quá trình đầu tiên là gốc axít mạnh (NO 3 - ), quá trình nitrat hóa sẽ tiêu tốn khoảng 7,14 mg CaCO 3 để oxy hóa hoàn toàn 1 mg ammoni Khi độ kiềm trong nước quá thấp, sự tiêu thụ kiềm trong quá trình đầu tiên sẽ làm giảm độ pH trong nước, dẫn đến việc giảm hiệu quả hoặc thậm chí dừng hẳn quá trình nitrat hóa Thông thường, độ kiềm trong nước khoảng 50 – 100 mg CaCO 3 /L sẽ đảm bảo quá trình nitrat hóa diễn ra ổn định
Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của các vi khuẩn nitrat hóa là khoảng 15 – 30 o C Tuy nhiên, các vi khuẩn nitrat hóa vẫn có thể sinh trưởng và phát triển ở nhiệt độ thấp như khoảng 5 o C
Do sự phát triển chậm của các vi khuẩn nitrat hóa, SRT cần đủ lâu để đảm bảo các vi khuẩn có thể sinh trưởng đến số lượng đủ để oxy hóa hoàn toàn lượng ammoni và nitrit có mặt trong nước thải Trong điều kiện vận hành tối ưu, SRT 4 ngày là đủ Tuy nhiên, ở các
10 điều kiện thấp hơn, SRT để đảm bảo quá trình nitrat hóa diễn ra hoàn toàn là khoảng 10 ngày, thậm chí có thể lâu hơn trong điều kiện thời tiết lạnh
Khử nitrat là quá trình sinh học đưa nitrat NO 3 - về khí nitơ N 2 trong điều kiện không có mặt của oxy hòa tan Quá trình này có thể được thực hiện bởi cả 2 chủng loại vi sinh tự dưỡng và dị dưỡng Trong hệ thống AO-MBR, khử nitrat xảy ra ở giai đoạn thiếu khí
Nitrat được tạo ra trong giai đoạn hiếu khí được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí và được sử dụng như là chất nhận điện tử Khi đó, các vi khuẩn sẽ sử dụng nguồn oxy có trong các hợp chất nitơ thay oxy hòa tan để tiêu thụ BOD trong nước, qua đó giải phóng nitơ dạng khí qua ngoài môi trường, làm giảm đáng kể lượng nitơ có mặt trong nước thải Quá trình này được gọi là quá trình khử nitơ của cơ chất vì các cơ chất hữu cơ trong dòng thải cung cấp chất cho điện tử cho sự giảm nitrat Ngoài ra, vi sinh vật Pseudomonas còn có thể bị ức chế ở nồng độ DO 0,2 mg/L Tốc độ khử nitrat ở nồng độ DO 0,1; 0,2; 0,5 mg/L lần lượt bằng 50, 33, 17%
Quá trình khử nitrat thành khí nitơ bao gồm nhiều bước:
Hợp chất cacbon thấp phân tử như các axit béo dễ bay hơi (acetate…), methanol và các chất hữu cơ được tạo ra từ quá trình phân rã nội sinh là các chất cho điện tử ưa thích trong quá trình khử nitrat Quá trình này được mô tả bằng phương trình phản ứng tổng quát như sau:
Các hợp chất hữu cơ + NO 3 - + H 2 CO 3 + VSV N 2 + HCO 3 - + 3H 2 O + VSV mới
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat Dạng và nồng độ chất nền chứa carbon:
Chất nền chứa carbon tan, phân hủy sinh học nhanh thúc đẩy tốc độ khử nitrat hóa nhanh nhất Methanol trước đây được sử dụng rất phổ biến Hiện tại người ta còn sử dụng thêm đường hoặc giấm để làm chất nền trong nước
Công nghệ Reciprocation MembraneBioreactor (rMBR)Với sự phát triển của công nghệ màng hiện nay, MBR đã ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng cho xử lý nước – nước thải và tái sử dụng nước Đồng thời, vấn đề bẩn màng và chi phí cho việc giảm thiểu bẩn màng trở thành một mối lo ngại lớn đối với công nghệ này Nghiên cứu này thực hiện việc cải tiến công nghệ MBR truyền thống với phần chuyển động của màng được gọi là MBR Reciprocating (rMBR) thay thế cho việc cấp khí tại bể màng Từ đó giúp giảm thiểu bẩn màng, cung cấp những tiến bộ về việc sử dụng năng lượng hiệu quả và hiệu suất làm việc dựa trên lực quán tính bằng màng chuyển động Tiết kiệm năng lượng hơn so với hệ thống sục khí truyền thống đồng thời kiểm soát bẩn màng tốt hơn so với công nghệ MBR truyền thống
Dựa trên nền tảng là sự kết hợp của công nghệ AO-MBR, tuy nhiên tại bể chứa màng, hệ thống sục khí đã được loại bỏ và thay vào đó là cơ chế chuyển động màng Sự chuyển động này được thực hiện nhờ mô-tơ có gắn trục quay kéo giá đỡ màng chuyển động với các biên độ chuyển động và tần số quay đã được thiết lập Công nghệ rMBR giúp sử dụng năng lượng một cách hiệu quả dựa trên lực quán tính bằng cách màng chuyển động quay
Tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với hệ thống sục khí truyền thống
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống rMBR
Không giống như các hệ thống MBR khác, cơ chế chuyển động của rMBR là lực quán tính tác động lên các sợi màng Lực này được tạo ra bởi chuyển động ngang của module màng, làm rung các chất bẩn từ bề mặt màng rMBR sử dụng một khung đối xứng được điều khiển bằng thanh truyền động Thanh truyền động này được gắn vào trục quay để duy trì chuyển động tịnh tiến theo chiều ngang cho các màng sợi rỗng Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của các hệ thống sục rửa không khí sử dụng nhiều năng lượng được sử dụng trong MBR thông thường
2.3.2 Những lợi ích của công nghệ rMBR rMBR là một công nghệ tiên tiến, kết hợp quy trình xử lý nước thải sinh học với lọc màng để cung cấp khả năng xử lý nước thải và đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra cao Tốc độ phát triển sinh khối của bùn cũng thấp hơn do thời gian lưu bùn (SRT) cao hơn so với các hệ thống bùn hoạt tính thông thường Các lợi ích của rMBR so với MBR thông thường:
Loại bỏ được hệ thống sục khí Ít phải tuần hoàn bùn cho hệ thống xử lý dinh dưỡng
Màng chuyển động tịnh tiến giúp tạo ra lực quán tính khiến cho các sợi màng chuyển động Nhờ đó mà kiểm soát việc nghẹt màng tốt hơn so với việc rửa màng bởi hệ thống sục khí
Ngăn cản bùn tích tụ trên sợi màng do sự kết hợp hiệu quả giữa tốc độ quay của màng với quán tính tương ứng tác dụng lên sợi màng
Màng cũng phù hợp cho việc duy trì điều kiện thiếu khí hay kị khí với độ hỗn loạn thấp (ví dụ như MBR trong xử lý kị khí để thu hồi khí metan MBR trong xử lý các thành phần selenium, nitrate, sulfate của nước thải công nghiệp
Không giống như các hệ thống MBR khác rMBR sử dụng hệ thống kiểm soát nghẹt màng bằng hệ thống cơ khí Hệ thống cơ khí này là hệ thống giúp cho màng cho thể chuyển động tịnh tiến theo phương ngang và đồng thời tạo lực quán tính lên sợi màng khiến cho sợi màng rung lắc Nhờ đó giúp cho bề mặt màng không bị nghẹt
(a) MBR cố định truyền thống (b) MBR chuyển động
Hình 2.6 MBR truyền thống và MBR chuyển động
Các nghiên cứu liên quanFerraris và cộng sự (2009) đã tiến hành nghiên cứu quan sát và đánh giá giai đoạn thích nghi của mô hình MBR ở quy mô pilot-scale Đối tượng xử lý là nước thải đô thị tại nhà máy xử lý nước thải ở Nova Siri Marina, miền nam Italy Với mô hình nghiên cứu: bao gồm một bể thiếu khí có thể tích làm việc 60 lít và một bể hiếu khí có thể tích làm việc 120 lớt Một module màng lọc hollow-fiber cú kớch thước lỗ màng 0,1 àm và diện tớch bề mặt 0,93 m 2 được đặt nhúng chìm trong bể hiếu khí Nhằm kiểm soát bẩn màng, sau mỗi 9 phút vận hành sẽ tiến hành đảo ngược dòng chảy qua màng trong 30 giây với lưu lượng 1,5Q Bùn hoạt tính hoàn toàn bị giữ lại trong mô hình không bị xả bỏ trong suốt quá trình nghiên cứu Các thông số vận hành khác được thể hiện trong bảng 2.2 Kết quả nghiên cứu của Ferraris cho thấy chỉ riêng quá trình màng đã giúp loại bỏ 70% COD trong nước thải do hàm lượng COD tồn tại trong nước dưới dạng chất hữu cơ lơ lửng chiểm tỷ lệ cao trong nước thải đầu vào Khi thêm bùn hoạt tính vào mô hình thì khả năng xử lý đã đạt trên 90% chỉ trong vòng 1 – 2 ngày chạy đầu tiên Tuy nhiên, quá trình xử lý
16 nitơ cần nhiều ngày hơn, từ 5 – 20 ngày tùy vào điệu kiện vận hành, do tốc độ tăng trưởng chậm và số lượng VSV nitrifiers hạn chế trong sinh khối của nước thải đầu vào
Bảng 2.2 Thông số vận hành mô hình trong nghiên cứu của Ferraris và cộng sự (2009)
Ngày Tỷ lệ tuần hoàn nitrat
Ngoài ra, Fu và cộng sự (2009) đã thực hiện nghiên cứu phát triển công nghệ A/O - MBR không tuần hoàn nitrat để xử lý carbon, nitơ và PO 4 3- -P trong nước thải có nồng độ ô nhiễm cao Đối tượng xử lý được sử dụng là nước thải giả lập có các nồng độ NH 4 + -N khác nhau ở 03 phase I, II và III Mô hình nghiên cứu bao gồm 01 bể chứa nước thải đầu vào, 01 bể cân bằng, 01 bể A/O - MBR với 01 ngăn thiếu khí, 01 ngăn hiếu khí và 01 ngăn chứa màng lọc nhúng chìm là màng polypropylene có dạng hollow – fiber, kích thước lỗ màng 0,1 àm Ở phase I và II, bể A/O - MBR cú kớch thước mỗi ngăn là 16 lớt Ở phase III, kích thước của bể được điều chỉnh lại với thể tích ngăn thiếu khí là 6 lít và thể tích ngăn hiếu khí (cũng là ngăn chứa màng lọc) là 12 lít Lúc này, nước thải sẽ đi vào ngăn hiếu khí sau khi qua ngăn thiếu khí
Bảng 2.3 Thông số vận hành mô hình trong nghiên cứu của Fu và cộng sự (2009)
Phase COD (mg/l) NH 4 CL
Kết quả nghiên cứu của Fu đã cho thấy rằng hiệu quả xử lý carbon và PO 4 3- -P lần lượt là
94,6% và 90% ở tất cả các điều kiện vận hành khác nhau Khi nồng độ NH 4 + -N trong nước thải đầu vào của mô hình là 112,2 (phase I), 169,7 (phase II) và 212,3 (phase III) mg/l thì hiệu quả khử NH 4 + -N đạt lần lượt là 94,8; 94,7 và 85,8%, tương ứng với hiệu quả khử TN đạt 91,85; 91,87 và 84,6% Mô hình A/O - MBR không tuần hoàn nitrat cho phép quá trình nitrat hóa và khử nitrat xảy ra đồng thời PAOs cũng tồn tại trong hệ thống Thí nghiệm AnOx/Oxic đã cho thấy carbon hữu cơ nội bào có thể được sử dụng để làm chất nhường điện tử trong phản ứng khử nitrat
Song và cộng sự (2010) đã tiến hành đánh giá hiệu quả xử lý đồng thời dinh dưỡng trong nước thải đô thị của quá trình SAM ở các điều kiện thực tế khác nhau Ảnh hưởng của 03 thông số vận hành quan trọng như HRT, SRT và thời gian tuần hoàn ở mô hình qui mô pilot cũng được xem xét Hơn nữa, hiện tượng bẩn màng cũng được quan sát trong suốt thời gian vận hành nhằm đánh giá tính ổn định trong vận hành của mô hình Đối tượng xử lý: nước thải đô thị Mô hình nghiên cứu bao gồm 01 bể thiếu khí/kỵ khí luân phiên (SAAR) và 01 bể sinh học màng (MBR) MBR sử dụng 01 module màng lọc, kích thước lỗ màng là 0,25 àm, diện tớch hiệu quả bề mặt 0,84 m 2
Bảng 2.4 Thông số thiết kế mô hình trong nghiên cứu của Song và cộng sự (2010)
Chiều cao mực nước làm việc 2,2 m 2,0 m
Phương pháp làm sạch màng Rửa hóa chất
Tỷ lệ tuần hoàn 2,67 Qvào tại pha thiếu khí
Bảng 2.5 Điều kiện vận hành mô hình trong nghiên cứu của Song và cộng sự (2010)
Thời gian tuần hoàn 3:1 1:3 3:3 3:3 4:2 4:2 4:2 Tỉ lệ Thiếu khí/kỵ khí (Ax/An)
Tỉ lệ Thiếu khí/kỵ khí (Ax/An)
Bảng 2.6 Chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra trong nghiên cứu của Song và cộng sự (2010)
Từ nghiên cứu của Song và cộng sự (2010) có thể cho thấy rằng:
Hiệu quả xử lý COD luôn đạt trên 95% ở bất kỳ điều kiện vận hành nào
Hiệu quả xử lý nitơ và phốtpho phụ thuộc rất lớn vào tỉ lệ Ax/An, được điều chỉnh bằng thời gian tuần hoàn Ở bất kỳ giá trị HRT nào, việc tăng tỉ lệ Ax/An sẽ giúp tăng hiệu suất xử lý nitơ nhưng lại gây giảm hiệu suất xử lý phốtpho
Khi giảm HRT, hiệu suất xử lý nitơ và phốtpho sẽ tăng Tuy nhiên nếu HRT quá thấp, dưới 6,5 giờ, thì hiệu suất xử lý nitơ sẽ giảm mạnh Nguyên nhân là do tải trọng nitơ khi đó tăng cao nhưng số lượng nitrifiers lại giảm gây ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình nitrat hóa
SRT ngắn sẽ cho hiệu quả xử lý phốtpho cao hơn Nhìn chung, hiệu quả xử lý phốtpho được xác định thông qua mối quan hệ mật thiết giữa hàm lượng phốtpho trong bùn và lượng bùn được xả, mặc dù SRT quyết định cả hai Do đó, để xác định được SRT tối ưu cần tiến hành nghiên cứu kỹ hơn về vấn đề này
Khi tăng lưu lượng đầu vào thì hiện tượng bẩn màng sẽ xảy ra nhanh hơn Vì thế, vận hành ở mức thông lượng 7,7 lít/m 2 /giờ sẽ giúp kiểm soát bẩn màng tốt hơn so với thông lượng 10,7 hay 15,4 lít/m 2 /giờ
Ngoài ra, Li và cộng sự (2013) đã tiến hành nghiên cứu đánh giá hiệu quả hoạt động của một hệ thống xử lý nước thải cải tiến có quá trình khử nitrat phía sau kết hợp MBR nhằm loại bỏ đồng thời nitơ và phốtpho; quan sát, phân tích và đánh giá sự phát triển của PAOs, sự biến đổi nồng độ phốtpho trong suốt quá trình xử lý và khả năng vận hành ổn định của hệ thống Đối tượng xử lý là nước thải giả lập (90% nước thải nhân tạo và 10% nước thải đô thị tại Nhà máy xử lý nước thải Stanley, Hồng Kông) Mô hình nghiên cứu bao gồm 01 bể hiếu khí, 01 bể thiếu khí, 01 bể lắng hoạt động như bể kỵ khí, 01 MBR Thể tích làm việc của các bể trên lần lượt là 2; 1,4; 1,5 và 1,6 lít Bể hiếu khí và MBR được cấp khí nhằm duy trì DO và trạng thái lơ lửng của bùn trong bể, trong khi đó bùn trong bể thiếu khí được duy trì trạng thái lơ lửng bằng máy khuấy với tốc độ 30 vòng/phút Nước thải đi vào mô hình theo 02 đường: 0,5 Q đi vào bể hiếu khí và 0,5 Q còn lại đi vào bể thiếu khí
Bùn tuần hoàn 2 Bùn thải
Màng lọc nhỳng chỡm trong MBR cú dạng hollow – fiber, kớch thước lỗ màng 0,4 àm, diện tích hiệu quả bề mặt 0,075 m 2 và được sản xuất bởi Công ty Mitsubishi Rayon, Nhật Bản
Hình 2.7 Mô hình nghiên cứu của Li và cộng sự (2013) Bảng 2.7 Thông số vận hành mô hình trong nghiên cứu của Li và cộng sự (2013)
Phase Thời điểm vận hành (ngày)
Với tổng thời gian xử lý ngắn hơn 10 giờ, hệ thống xử lý nước thải cải tiến có hiệu suất xử lý TOC, TN và TP lần lượt là 94; 85 và 87% với nồng độ đầu ra của các chỉ tiêu trên lần lượt là 5; 6 và 1 mg/l (Li và cộng sự, 2013) Một lượng lớn phốtpho được giải phóng trong bể kỵ khí và được hấp thu trong MBR đã chứng minh sự phát triển và hoạt động của PAOs trong mô hình thí nghiệm Từ đó có thể thấy, hệ thống xử lý nước thải cải tiến có quá trình khử nitrat phía sau kết hợp MBR có khả năng loại bỏ đồng thời hữu cơ, nitơ và phốtpho
Với mục đích sử dụng lực quán tính trong chuyển động màng làm giảm tốc độ tắc nghẽn và duy trì thông lượng lọc, Ho và cộng sự (2013) đã phát triển một hệ thống MBR mới
20 thay thế cho hệ thống MBR có cấp khí truyền thống với hiệu quả tiết kiệm năng lượng để giảm mức tiêu thụ năng lượng, hạn chế tốc độ bẩn màng Một hệ thống như vậy có khả năng cách mạng và sẽ cạnh tranh trực tiếp với các công nghệ cấp khí hiện đang được sử dụng trong thị trường với công nghệ MBR Hệ thống MBR cải tiến, được gọi là Reciprocating MBR (rMBR), giảm thiểu sự tắc nghẽn màng mà không cần sử dụng máy thổi khí Cơ chế này là một khung màng cơ học, sử dụng lực quán tính để giảm thiểu sự tắc nghẽn của màng lọc trong việc loại bỏ các chất rắn tích tụ trên bề mặt màng rMBR tiêu thụ ít năng lượng hơn so với việc cấp không khí thô được sử dụng trong các hệ thống MBR thông thường Tiêu thụ năng lượng cụ thể cho rung động màng cho hệ thống rMBR quy mô thí điểm là 0,15 kWh/m 3 được sản xuất ở mức 20 LMH, thấp hơn 25 ~ 50% so với hệ thống MBR cấp không khí thông thường (0,2 đến 0,3 kWh/m 3 ) Tiêu thụ năng lượng có thể được giảm hơn nữa với hoạt động từ thông cao Rung động qua lại của màng sợi rỗng có thể khắc phục các hạn chế thủy động lực học của hệ thống màng lọc không khí hoặc dòng chảy chéo với mức tiêu thụ năng lượng ít hơn và hiệu quả kiểm soát bẩn màng tốt hơn
Hình 2.8 Mô hình nghiên cứu của Ho và cộng sự (2013)
Ho và các cộng sự (2014) tiếp tục tiến hành thí nghiệm về công nghệ rMBR thí nghiệm này được vận hành ở thông lượng cao không đổi và kiểm soát dao động thông lượng hàng ngày Áp suất chuyển màng thấp và ổn định đã đạt được ở mức 40 L/m 2 h (LMH) bằng cách sử dụng phương pháp chuyển động màng tịnh tiến Kết quả cho thấy các lực quán tính tác động lên các sợi màng đẩy các chất bẩn ra khỏi bề mặt màng một cách hiệu quả
Bẩn màng và các yếu tố đến bẩn màngSự tách chất rắn ra khỏi nước thải là nhiệm vụ chính của quá trình màng Tuy nhiên, theo thời gian, các vật chất bị loại bỏ có khuynh hướng tích tụ trên bề mặt màng, gây ra hiện tượng suy giảm lưu lượng dòng thấm qua màng (còn gọi là thông lượng màng) và làm tăng áp suất chuyển màng TMP Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng bẩn màng Trong thiết kế, vận hành bể MBR nói riêng và hệ thống xử lý nước thải có sử dụng bể MBR nói chung, hiện tượng bẩn màng là một trong những vấn đề đáng lưu tâm nhất do nó trực tiếp ảnh hưởng đến các yếu tố như điều kiện vận hành, chi phí, các biện pháp tiền xử lý nước thải, nhu cầu làm sạch màng và hiệu quả hoạt động chung của hệ thống
2.5.2 Nguyên nhân gây bẩn màng
Về cơ bản, bẩn màng là hiện tượng suy giảm thông lượng dòng thấm qua màng trong cùng điều kiện áp suất chuyển màng Để có thể đưa ra định nghĩa về cơ chế của hiện tượng bẩn màng, người ta đã đặt ra khái niệm thông lượng tới hạn Thông lượng tới hạn được định nghĩa như sau: thông lượng tới hạn đối với quá trình lọc màng được xác định khi mà vận hành ở các thông lượng nhỏ hơn mức tới hạn này thì hiện tượng bẩn màng
Bể kỵ khí Bể thiếu khí
Bể chứa màng Bùn tuần hoàn
Dòng ra a) Sơ đồ nghiên cứu b) Chi tiết bể chứa màng
22 không xảy ra Thông thường, bể MBR thường được vận hành với lưu lượng dòng thấm qua màng thấp hơn mức thông lượng tới hạn Nhưng ngay cả khi được vận hành trong điều kiện dưới mức thông lượng tới hạn thì quá trình tích tụ theo thời gian của các vật chất có trong dòng nước thải vẫn có thể khiến hiện tượng bẩn màng xảy ra Quá trình đó được thể hiện qua sự gia tăng TMP như sau:
Bước 1: Trong khoảng thời gian ngắn ban đầu, TMP tăng nhanh
Bước 2: Trong khoảng thời gian dài tiếp theo, TMP tăng chậm
Bước 3: Bước nhảy TMP xảy ra, TMP tăng rất nhanh
Hình 2.10 Lược đồ thể hiện sự tăng TMP trong bể MBR
Từ hình 2.10 có thể thấy rằng bước nhảy TMP được xem như là hậu quả của hiện tượng bẩn màng
Như đã trình bày trong Bảng 2.3, có 4 dạng bẩn màng sẽ xảy ra trong quá trình vận hành bao gồm: (1) bẩn do hạt, gây ra bởi sự tích tụ của các thành phần chất rắn trong nước lên bề mặt màng lọc; (2) sự kết tủa của các chất vô cơ có mặt trong nước gây hình thành các lớp cặn bám trên bề mặt màng lọc (Wang và cộng sự, 2014) gọi là bẩn vô cơ; (3) bẩn hữu cơ gây ra bởi các vật chất hữu cơ trong nước thải và (4) bẩn sinh học gây ra bởi vi sinh vật có mặt trong nước thải Theo thời gian hoạt động, một vài hoặc tất cả các dạng bẩn màng trên có thể xảy ra đồng thời gây giảm hiệu quả xử lý của hệ thống
Bảng 2.8 Các dạng bẩn màng và các thành phần trong nước thải gây ra hiện tượng đó (Metcalf
Dạng bẩn Thành phần gây bẩn màng Biện pháp giảm thiểu bẩn màng
Các chất keo hữu cơ và vô cơ
Các chất nhũ hóa Đất sét và bùn Silica
Các oxit sắt và mangan Các kim loại bị oxy hóa Sản phẩm làm đông muối kim loại Carbon hoạt tính dạng bột
Rửa màng thường xuyên hay thông qua sự tiếp xúc với bọt khí tại các quãng nghỉ trong quá trình vận hành
Bari Sulphat Canxi Carbonat Canxi Flourit Canxi Photphat Strontium Sulphat Silica
Giảm hàm lượng muối trong nước thải, thông qua việc điều chỉnh pH hoặc sử dụng những hóa chất ngăn việc đóng cặn của các kết tủa muối
Các vật chất hữu cơ tự nhiên bao gồm các chất mùn, axit humic, protein và polysaccaride
Các chất nhũ hóa Polymer
Tiền xử lý phù hợp để giảm khả năng bẩn hữu cơ
Vi sinh vật chết Vi sinh vật đang hoạt động Polymer tiết ra bởi vi sinh vật
Các lớp biofilm được hình thành trên bề mặt màng lọc do sự tích tụ thành lớp của sinh khối trong bể phản ứng
Bẩn do hạt: a) Sự thu hẹp lỗ màng b) Sự nghẹt màng c) Sự đóng cặn
Hình 2.11 Các cơ chế bẩn màng trong MBR gây ra bởi chất rắn lơ lửng (Wen và cộng sự,
Dạng bẩn này được gây ra bởi sự có mặt của các hạt cặn trong nước thải Theo Chae và cộng sự (2006), kích thước các hạt chất rắn lơ lửng trong nước thải có ảnh hưởng mạnh mẽ đến cơ chế bẩn màng của quá trình lọc màng MBR Nếu kích thước các hạt đó tương đương hay nhỏ hơn đường kính lỗ màng, chúng có thể được hấp phụ vào bên trong lỗ màng gây thu hẹp kích thước lỗ và nghẹt màng Tuy nhiên, nếu kích thước các hạt lớn
24 hơn đường kính lỗ màng, chúng lại có khuynh hướng tích tụ và đóng thành cặn lên trên bề mặt màng gây giảm lưu lượng thấm của nước qua màng Các cơ chế trên được thể hiện trực quan như trong Hình 2.6
Bẩn sinh học: bẩn sinh học có thể được hiểu như sự hình thành, phát triển và đóng cặn của các tế bào vi sinh vật lên bề mặt màng lọc gây hiện tượng bẩn màng Đối với màng lọc áp suất thấp, chẳng hạn như màng lọc tinh MF và màng lọc siêu tinh UF cho xử lý nước thải, bẩn sinh học là một trong những rắc rối lớn vì kích thước của các bông cặn vi sinh trong bể phản ứng thường lớn hơn kích thước lỗ màng rất nhiều lần Ngoài ra, các vi sinh vật sống trong nước thải còn có thể tiết ra EPS và SMP được xem là hai thành phần hữu cơ gây hiện tượng bẩn màng chủ yếu trong MBR
Bẩn hữu cơ: bẩn hữu cơ trong MBR được định nghĩa là sự đóng lớp cặn của các polymer sinh học (protein và polysacarit) trên bề mặt màng Trong các chất được xem như là thành phần gây bẩn sinh học, EPS và SMP nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học khi thực hiện nghiên cứu về hiện tượng bẩn màng Theo Radjenovic và cộng sự (2007), EPS (Chất polymer ngoại bào – Extracellular Polymeric Substance) là thuật ngữ tổng quát để chỉ các đại phân tử hữu cơ tồn tại dưới dạng carbonhydrat và protein được sản xuất bởi các vi sinh vật với mục đích làm nguyên liệu cho quá trình tích lũy sinh khối như biofilm hay bông cặn hoặc có vai trò như một lớp bảo vệ bên ngoài các tế bào vi khuẩn Ngoài ra, còn có thuật ngữ SMP (Sản phẩm vi sinh vật hòa tan – Soluble Microbial Products) được sử dụng để chỉ các chất có thể được định nghĩa là EPS hòa tan
Metzger và cộng sự (2010) đã hoàn tất một nghiên cứu chi tiết nhằm định rõ đặc điểm của các lớp cặn gây ra các thành phần các chất bẩn bám lên trên bề mặt màng MBR Sau quá trình lọc màng, lớp cặn gây bẩn màng được chia thành các tầng trên, trung gian và đáy thông qua các bước rửa bề mặt, rửa ngược và rửa hóa học Kết quả cho thấy rằng lớp cặn bẩn ở tầng trên được cấu thành bởi các lớp bùn xốp và mỏng với thành phần tương tự như các bông bùn Lớp cặn ở tầng trung gian được cấu tạo bởi SMP, các khối vi khuẩn và có nồng độ polysacarit cao Lớp cặn tầng đáy, đại diện cho phần cặn không thể loại bỏ, được cấu thành chủ yếu bởi SMP và có nồng độ protein tới hạn cao Theo Chae và cộng sự (2006), nồng độ SMP và EPS trong nước càng cao thì màng lọc bị bẩn càng nhanh
Bẩn vô cơ: trong MBR được gây ra bởi các kết tủa hóa học, các tinh thể vô cơ hoặc các kết tủa sinh học của các phức chất vô cơ Các ion kim loại như Ca 2+, Mg 2+ , Fe 3+ , Al 3+ và các anion như CO3 2-
, SO 4 2- , PO 4 3- , OH - khi có mặt trong nước chúng có thể phản ứng với nhau và tạo nên kết tủa và đóng trên bề mặt màng lọc gây tắc nghẽn dòng thấm Ngoài ra, các hạt lơ lửng vô cơ có mặt trong hệ thống cũng có khả năng bám lên bề mặt màng và gây tắc lỗ màng (Wang và cộng sự, 2014)
2.5.4 Các mức độ bẩn màng
Trong công nghệ MBR, có 03 mức độ bẩn màng được định nghĩa như sau:
Mức độ 1 (Physically reversible fouling): gây ra bởi các chất bẩn bám lên bề mặt màng Tuy nhiên, do các chất bẩn trên chưa bám chặt lên màng nên chúng có thể dễ dàng bị loại bỏ bởi các biện pháp làm sạch màng thông thường như rửa ngược định kỳ hay thông qua sự tiếp xúc với các bọt khí trên bề mặt màng lọc
Mức độ 2 (Physically irreversible fouling): xảy ra khi các chất bẩn bám chặt lên bề mặt màng và không thể bị loại bỏ bởi quá trình rửa ngược thông thường Khi đó, người ta sẽ sử dụng phương pháp rửa bằng hóa chất để khôi phục lưu lượng thấm của màng lọc
Mức độ 3 (Irrecoverable Fouling): Trên thực tế, dù có hiệu quả làm sạch cao, rửa màng bằng hóa chất cũng không thể hồi phục hoàn toàn lưu lượng thấm qua màng ban đầu do không thể loại bỏ hoàn toàn các chất bẩn bám lên bề mặt màng Do đó, khái niệm Irrecoverable Fouling ra đời nhằm định nghĩa các trở lực còn sót lại do các chất bẩn đó gây ra Tuổi thọ màng kết thúc khi irrecoverable fouling trở nên nghiêm trọng và lưu lượng thấm qua màng khi đó không còn đáp ứng được yêu cầu của hệ thống.
Các phương pháp kiểm soát bẩn màngViệc vận hành và bảo dưỡng đóng vai trò quan trọng nhất trong các công nghệ MBR là làm sạch màng Nếu màng không được duy trì sạch sẽ, thông lượng ổn định thì toàn bộ hệ thống sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng và cuối cùng có thể ngừng hoạt động Thiết lập các phương pháp làm sạch trong các giai đoạn thiết kế hệ thống nên được coi là một bước quan trọng đối với các hệ thống MBR
2.6.1 Tổng quan về các phương pháp kiểm soát bẩn màng
Vì việc làm sạch màng có liên quan mật thiết đến sự tắc nghẽn màng, đã được liệt kê tại phần trên, nên sự hiểu biết chính xác về hiện tượng tắc nghẽn màng là rất quan trọng để đưa ra các phương pháp phù hợp Tuy nhiên, về cơ bản, hệ thống MBR có các cơ chế gây tắc màng cũng như nguyên nhân dẫn đến việc giảm thông lượng lọc như: yếu tố hóa lý, sinh học, hóa học và điều kiện vận hành có liên quan đến sự tắc nghẽn màng Nhiều phương pháp kiểm soát bẩn màng đã được nghiên cứu và thực hiện trong các phòng thí nghiệm hoặc tại các nhà máy thực tế, do đó, nhiều phương án làm sạch đã được báo cáo trong vài thập kỷ qua Tất cả các phương pháp được báo cáo có thể được phân thành hai nhóm chính: phương pháp vật lý và phương pháp hóa học
26 Quá trình làm sạch vật lý trong bể MBR có thể được thực hiện bằng nhiều cách Có thể thực hiện đảo ngược dòng chảy qua màng hoặc đơn giản hơn là tạm dừng bơm hút qua màng trong khi vẫn tiến hành sục khí nhằm thông qua sự cọ xát giữa các bọt khí lên bề mặt màng để làm sạch màng Hai cách vừa nêu có thể được áp dụng đồng thời và kết hợp với nhau nhằm tăng cường hiệu quả làm sạch màng Quá trình này có thể loại bỏ được các chất rắn thô bám lên bể mặt màng
Nói chung, phương pháp vật lý đơn giản hơn phương pháp làm sạch hóa học Quá trình làm sạch diễn ra nhanh hơn, không yêu cầu hóa chất, không tạo ra chất thải hóa học và ít gây giảm tuổi thọ của màng Tuy nhiên, hiệu quả làm sạch của quá trình làm sạch vật lý lại không bằng hiệu quả của quá trình làm sạch hóa học khi chỉ có thể khắc phục trạng thái bẩn màng tạm thời
Hình 2.12 Sự gia tăng TMP theo thời gian và hiệu quả của các phương pháp làm sạch
Trong quá trình làm sạch hóa học, các hóa chất được thêm vào nước rửa ngược và quá trình rửa ngược thường kéo dài hơn quá trình rửa ngược vật lý nhằm phục hồi tối đa lưu lượng thấm qua màng Các hóa chất thường được sử dụng để rửa màng là NaClO, NaOH,
H 2 SO 4 , HCl, C 6 H 8 O 7 (axit citric), C 2 H 2 O 4 (axit oxalic) và H 2 O 2 So với phương pháp vật lý, phương pháp rửa màng hóa học có hiệu quả làm sạch màng tốt hơn do có khả năng loại bỏ các vật chất bám chặt hơn Do đó, phương pháp hóa học có thể khắc phục tình trạng bẩn màng mà phương pháp vật lý không khắc phục được
27 Tuy nhiên, mặc dù có khả năng làm sạch hiệu quả hơn so với phương pháp vật lý, việc làm sạch bằng hóa chất cũng không thể mang lại lưu lượng thấm ban đầu cho màng lọc do vẫn còn trở lực irrecoverable fouling Thêm vào đó, phương pháp này còn có nhược điểm là để lại lượng hóa chất trong nước thải cao, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường xung quanh khu vực tiếp nhận nước thải
2.6.2 Các phương pháp kiểm soát bẩn màng điển hình
Bước nhảy TMP xảy ra như một hệ quả không thể tránh khỏi khi vận hành bể MBR trong thời gian dài Vì thế, mục tiêu cuối cùng của việc kiểm soát bẩn màng chỉ nhằm giảm thiểu nguy cơ xảy ra bước nhảy TMP Tất cả các thông số có liên quan đến thiết kế và vận hành trong quá trình MBR đều có những ảnh hưởng nhất định đến sự bẩn màng Tuy nhiên, mức độ bẩn màng phụ thuộc rất lớn vào 4 yếu tố sau đây: tính chất màng, tính chất sinh khối, tính chất nước thải và điều kiện vận hành
Hình 2.13 Các yếu tố tác động đến hiện tượng bẩn màng (Wen và cộng sự, 2010)
Dựa trên các yếu tố ảnh hưởng như hình 2.13, nhiều biện pháp đã được áp dụng để hạn chế/kiểm soát hiện tượng bẩn màng
Tiền xử lý nước thải
Tiền xử lý nước thải có thể thay đổi thành phần vật lý, hóa học và sinh học của nước thải, từ đó tăng hiệu quả làm sạch của quá trình Theo các nghiên cứu trước đây cho thấy hiện tượng bẩn màng và sự gia tăng trở lực màng có liên quan đến sự tích lũy của các hạt khi các hạt có kích thước gần bằng với kích thước lỗ lọc Các hạt có kích thước lớn thì không tích lũy trên bề mặt màng và không làm gia tăng áp suất chuyển màng Ngược lại, các hạt có kích thước nhỏ như hạt keo là nguyên nhân gây bẩn màng Do đó, các quá trình tiền xử lý như sử dụng các chất keo tụ sẽ giúp giảm đáng kể nguy cơ bẩn màng
Tính chất sinh khối (bông cặn,
Tính chất màng (cấu trúc lỗ, bề mặt màng) Điều kiện vận hành (sục khí, rửa màng, SRT, HRT) Bẩn màng
Điều chỉnh tính chất sinh khối
Các EPS và SMP được tiết ra bởi vi sinh vật là nguyên nhân gây bẩn màng chủ yếu.Đã có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm thay đổi tính chất sinh khối trong bể phản ứng bằng cách sử dụng sóng siêu âm, ozone, electric field và magnetic enzyme carrier v.v
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sóng siêu âm có khả năng kiểm soát bẩn màng rất tốt, mặc dù đã xuất vhiện một số hư tổn trên màng trong một số điều kiện vận hành nhất định
Magnetic enzyme carrier đã được ứng dụng trên mô hình MBR quy mô phòng thí nghiệm và được vận hành liên tục; kết quả cho thấy lưu lượng thấm qua màng trong mô hình nghiên cứu cao hơn so với trong mô hình MBR thông thường không sử dụng enzyme
Một biện pháp khác là điện từ trường đã được sử dụng; kết quả thu được là điện từ trường đã có tác dụng giảm đáng kể hiện tượng bùn và chất keo bám lên bề mặt màng Trong tương lai, dự kiến sẽ có thêm nhiều nghiên cứu được tiến hành trên lĩnh vực này nhằm tìm ra giải pháp tối ưu nhất ngăn chặn hiện tượng bẩn màng
Tối ưu hóa điều kiện vận hành
Vận hành ở mức thông lượng thấp hơn thông lượng tới hạn là một giải pháp hiệu quả có thể giảm thiểu hiện tượng bẩn màng Biện pháp này được gọi là thông lượng dưới hạn hay vận hành bền vững và được kỳ vọng giảm tối đa nguy cơ xảy ra bẩn màng không hồi phục Giá trị thông lượng tới hạn phụ thuộc vào tính chất màng, điều kiện vận hành và tính chất của bùn Khái niệm tối ưu hóa điều kiện vận hành trong MBR, cụ thể là điều khiển giá trị thông lượng tới hạn, đã được nghiên cứu trong rất nhiều bài báo khoa học liên quan đến hiện tượng bẩn màng trong bể MBR
Thông thường, khi hiện tượng bẩn màng, đặc biệt là bẩn màng không hồi phục, xảy ra trong bể MBR, người ta thường sử dụng biện pháp rửa ngược hóa học để xử lý Tuy nhiên, cần hạn chế tối đa việc sử dụng biện pháp rửa ngược hóa học vì biện pháp này có thể gây giảm tuổi thọ màng và tạo thêm chất thải hóa học trong nước thải, gây nhiều tác hại đến môi trường tại vị trí tiếp nhận
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUNội dung nghiên cứuNội dung nghiên cứu của công nghệ rMBR được thể hiện ở hình 3.1
Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu
Hệ thống rMBR sử dụng màng di dộng quy mô pilot
Chạy giai đoạn thích nghi ở chế độ MBR thông thường
Có cấp khí tại bể chứa màng
Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của hệ thống rMBR Đánh giá khả năng xử lý ở các chế độ vận hành khác nhau về các chỉ tiêu: pH, COD, TN, TP, MLSS,DO, SVI, Protein, Polysacarit
Chạy rMBR ở các tốc độ chuyển động màng: 2,76; 1,8 cm/s
Không cấp khí tại bể chứa màng
Màng chuyển động Đưa ra chế độ vận hành tối ưu khi vận hành mô hình ở các chế độ khác nhau Đánh giá đặc tính bẩn màng giữa các chế độ vận hành thông qua sự thay đổi TMP trong các giai đoạn vận hành Đánh giá và so sánh năng lượng tiêu thụ của hệ thống ở các chế độ vận hành khác nhau
Mô hình rMBR quy mô pilotHình 3.2 Sơ đồ mô hình ứng dụng công nghệ rMBR trong xử lý nước thải canteen TK 01 –Hố thu gom nước thải, TK 02-Bể tách dầu, TK03-Bể điều hòa, TK04-Bể anoxic, TK05-Bể aerotank, TK06-Bể chứa màng,
TK07-Bể chứa nước sau xử lý, TK08-Bể chứa bùn.-WW-Đường nước, -GAS-Đường khí, -BUN-Đường bùn
Nguyên lý vận hành chế độ MBR thông thường
Nước thải được bơm bằng bơm chìm từ hố ga canteen B4 – Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM qua song chắn rác có kích thước lỗ 20 mm vào bể tách dầu mỡ với lưu lượng 1 m 3 /ngày Tại đây, dầu mỡ và các chất hoạt động bề mặt được loại bỏ ra khỏi bể bằng cách sử dụng bọt khí mịn để làm nổi các dầu mỡ và chất hoạt động bề mặt, sau đó, nó được loại bỏ khỏi dòng thải bằng cách vớt thủ công Nước thải sau bể tách dầu được bơm qua bể điều hòa và đi vào bể thiếu khí Tại bể thiếu khí, cánh khuấy với tốc độ vòng quay 30 vòng/phút được sử dụng nhằm mục đích xáo trộn dòng thải Tại đây, quá trình khử nitrat, tích lũy Phốtpho (do VSV DPAOs) và loại bỏ cacbon hữu cơ có trong nước thải được xảy ra Nước thải sau ngăn thiếu khí sẽ thông qua cửa đáy chảy qua ngăn hiếu khí Ngăn hiếu khí được duy trì DO phù hợp bằng cách sử dụng đĩa thổi khí nhằm tạo môi trường hiếu khí cho VSV nitrat hóa phát triển, giúp quá trình nitrat hóa diễn ra hiệu quả
Nước thải sau ngăn hiếu khí sẽ chảy tràn qua bể màng Tại bể màng được cấp khí bằng máy thổi khí riêng SRT được chọn là 30 ngày, sau đó lượng bùn dư được rút ra hàng ngày 30l/ngày Bùn tuần hoàn được tuần hoàn từ bể màng về bể thiếu khí và bể hiếu khí Tại dòng thấm có đồng hồ đo áp suất để kiểm soát bẩn màng Bơm lọc được sử dụng để bơm nước qua màng với thông lượng 20 LMH Bơm này hoạt động với chế độ 9 phút chạy 30s rửa ngược 30s nghỉ, đồng thời, van điện từ chạy theo bơm màng giúp tắt/mở tự động khi tiến hành rửa ngược màng Nước thải sau lọc màng sẽ được bơm vào bồn chứa nước sạch
Bơm rửa ngược sử dụng nước từ bồn chứa nước sạch để rửa ngược màng
Chế độ vận hành rMBR
Hình 3.3 Sơ đồ hoạt động của module kéo màng
Chế độ rMBR hoạt động tương tự chế độ MBR, tuy nhiên tại bể màng, việc cấp khí không còn được duy trì để giảm thiểu bẩn màng, mà thay vào đó, tại bể chứa màng được trang bị một moto kéo màng có gắn trục quay, và được kiểm soát bằng bộ biến từ điều chỉnh tốc độ quay của moto Trục quay trong nghiên cứu này có biên độ là 60 mm Màng được gắn với trục quay của moto thông qua thanh truyền động Khi trục quay chuyển động tròn, nhờ
33 thanh chuyền động, màng được đẩy và chuyển động tịnh tiến, tạo ra lực quán tính tác động lên các sợi màng Điều này gây ra sự rung lắc và lực quán tính khiến các chất bẩn bám bề mặt màng bị văng ra ngoài và tăng cường khả năng giảm thiểu bẩn màng
Tại tần số 0,46 Hz tốc độ chuyển động trung bình của module màng 2,76 cm/s Tại tần số số 0,3 Hz tốc độ chuyển động trung bình của modul màng 1,8 cm/s
Thông số các thiết bị trong mô hình
Hệ thống được thiết kế hợp khối với 1 cụm bể xử lý bao gồm: bể thiếu khí- bể hiếu khí-bể chứa màng-bể chứa nước sạch và các bể rời như: bể tách dầu mỡ, bể điều hòa, bể chứa bùn với các thông số được thể hiện dưới bảng 3.1 sau
Bảng 3.1 Thông số các thiết bị sử dụng trong mô hình
STT Hạng mục Thông số kỹ thuật Đơn vị Số lượng
1 Cụm bể xử lý Kích thước: 1.150 x 1.000 x 1.700 mm Vật liệu: inox, chia thành nhiều ngăn
2 Bể tách mỡ Bồn nhựa kích thước: 1 m 3 cái 1
3 Bể điều hòa Bồn nhựa kích thước: 1 m 3 cái 1
- Xuất xứ: APP, Đài Loan - Công suất: 1/6HP/220V/1phase - Lưu lượng: 2,46 m 3 /h
- Xuất xứ: Indonesia - Công suất: 0.2KW/220V/1phase - Lưu lượng: 30 lít/phút
6 Máy thổi khí - Xuất xứ: Nhật
- Công suất: 0,045KW/380V/50Hz - Lưu lượng: 11Lít/giờ
7 Đĩa thổi khí - Xuất xứ: USA
8 Khung kéo màng - Vật liệu: inox
- Gắn kèm trên bể màng
9 Motor kéo màng - Công suất: 180W/220V/50Hz
10 Motor khuấy - Công suất: 180W/220V/50Hz
11 Cánh khuấy Vật liệu: Inox Cái 1
13 Đồng hồ đo TMP - cái 1
14 Đồng hồ đo pH online
15 Tủ điện điều khiển Tủ điện điều khiển tự động Hệ 1
Thông số kỹ thuật module màng trong nghiên cứu này được thể hiện ở bảng 3.2
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật module màng
Loại màng Màng sợi rỗng (Hollow – Fiber)
Kớch thước lỗ màng 0,1 (àm)
Số hàng màng trong 1 module 2 hàng
Số sợi màng trong 1 hàng 88 sợi
Số sợi màng trong 1 module 176 sợi
Chiều dài mỗi sợi 100 (cm) Đường kính mỗi sợi 2 (mm)
Tổng diện tích bề mặt 2,2 m 2
Vật liệu màng Polyvinylidene fluoride (Kolon Cleanfil ® -
S40V) Kích thước khung đỡ D x R x C = (17 x 6 x 5) cm
Bảng 3.3 Thông số vận hành
Thông số MBR thông thường rMBR
Chu kỳ hoạt động bơm màng 9 phút chạy : 30 giây rửa ngược : 30 giây nghỉ Lưu lượng nước rửa ngược (Q bw ) 1,5 Q (áp suất < 0,6 kgf/cm 2 )
F/M 0,1 – 0,2 kg COD/kg MLVSS.ngày
Tần số của mô tơ kéo màng - 0,3 Hz 0,46 Hz
Biên độ chuyển động màng - 60 mm
Tốc độ chuyển động màng - 1,8 cm/s 2,76 cm/s
Đối tượng nghiên cứuNước thải trong nghiên cứu này được lấy tại hố ga của canteen B4 Trường Đại học bách khoa TP HCM với thành phần, tính chất nước thải được trình bày ở bảng 3.4
Mô hình AO-MBR được vận hành với nước thải sinh hoạt từ canteen B4 trong vòng 30 ngày Mục đích của giai đoạn này là tạo điều kiện cho vi sinh vật thích ứng, sinh trưởng và phát triển được với sự thay đổi của môi trường sống Đồng thời, theo dõi sự gia tăng sinh khối, hiệu suất xử lý COD của hệ thống và quan sát hiện tượng bẩn màng
Bảng 3.4 Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu này
STT Chỉ tiêu Đơn vị tính
Giá trị QCVN 14:2008/BTNMT, cột B
Bùn hoạt tính sử dụng trong thí nghiệm là bùn được lấy tại bể hiếu khí của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Coopmart Lý Thường Kiệt
Bảng 3.5 Thông số tính chất bùn hoạt tính
Phương pháp thực hiện3.4.1 Vị trí và tần suất lấy mẫu
Mẫu sau khi lấy được chuyển về phòng thí nghiệm ngay lập tức để phân tích trong ngày
Trong trường hợp cần lưu mẫu, mẫu được trữ trong tủ lạnh
Bảng 3.6 Vị trí và tần suất lấy mẫu
Thông số Nước thải đầu vào
Trong bể cụm sinh học Nước đầu ra
Tần suất Lần/Tuần Bể thiếu khí Bể hiếu khí Bể màng
Quan sát bùn bằng kính hiển vi x x 2
Việc phân tích được thực hiện theo Quy chuẩn Việt Nam kết hợp với Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, Eaton DA, and AWWA) Các phương pháp phân tích mẫu được trình bày trong bảng 3.7
Bảng 3.7 Phương pháp phân tích
STT Thông số Phương pháp phân tích Thiết bị sử dụng 1 pH Đo bằng điện cực pH Controller BL981411
2 COD SMEWW 5220 C Tủ sấy Memmert (150 )
3 TKN Phương pháp chuẩn độ Bếp đun, dàn chưng cất 4 NH 4 + -N Phương pháp chuẩn độ Dàn chưng cất
5 NO 3 - -N Phương pháp so màu Bếp đun, máy Hach DR5000 6 NO 2 - -N SMEWW 4500 B Máy Hach DR5000
7 TP Phương pháp so màu Bếp đun, máy Hach DR5000 8 MLSS SMEWW 2540 D Tủ sấy LabTech (105 ), tủ hút ẩm, cân 4 số 9 MLVSS SMEWW 2540 D Tủ nung Lenton (550 ), tủ hút ẩm, cân 4 số
10 TMP Đồ hồ đo áp điện tử
11 DO Đo bằng điện cực Máy đo DO HANNA HI 9142
3.5.2.1 Phân tích protein (PN) và polysaccaride (PS)
EPS (Chất polymer ngoại bào – Extracellular Polymeric Substance) là thuật ngữ tổng quát để chỉ các đại phân tử hữu cơ tồn tại dưới dạng carbonhydrat và protein Nó được sản xuất bởi các vi sinh vật với mục đích làm nguyên liệu cho quá trình tích lũy sinh khối như biofilm hay bông cặn hoặc có vai trò như một lớp bảo vệ bên ngoài các tế bào vi khuẩn
SMP (Sản phẩm vi sinh vật hòa tan – Soluble Microbial Products) được sử dụng để chỉ các chất có thể được định nghĩa là EPS hòa tan Các chất đa bào ngoại bào (EPS) là chất thải của vi khuẩn có nguồn gốc từ các chất chuyển hóa của vi sinh vật, phân giải tế bào hoặc các thành phần nước thải không được chuyển hóa (Drews, 2010)
Có hai loại EPS là EPS hòa tan và EPS trong bùn hoạt tính Mẫu được xác định EPS theo thuật ngữ polysacarit (PS) và protein (PN) trên mỗi miligam VSS nên MLVSS phải được xác định trong phân tích này Thông thường, chỉ có EPS được xem xét trong bùn Quá trình xác định EPS được chỉ ra như hình 3.3
Hình 3.4 Sơ đồ chuẩn bị mẫu để xác định EPS trong bùn
Quy trình xác định PS:
Sau khi tiến hành xử lý mẫu, mẫu được sử dụng để phân tích polysacarit (PS) theo trình tự như sau:
Thêm 2 mL nước cất (nước khử ion) vào mẫu ly tâm
Thêm 1 mL dung dịch phenol 5% và 5 mL axit sulfuric
Dựng các ống đứng trong 10 phút;
Lắc, đặt trong bể chứa nước trong 15 phút để làm lạnh
38 Kết quả Abs được theo dõi ở bước sóng 490 nm sau 2 phút xử lý mẫu Tuy nhiên, quá trình đo quang phải được thực hiện trước 1 giờ
Quy trình xác định PN
Sau khi tiến hành xử lý mẫu, mẫu được sử dụng để đi phân tích protein (PN) theo trình tự như sau:
Thêm vào mẫu 0,5 ml nước cất (nước khử ion)
Lắc đều để ở nhiệt độ phòng trong 5-10 phút
Thêm 0,25 mL chất chuẩn D (*) và lắc đều
Sau 20-30 phút, đọc Abs ở bước sóng 750 nm
Dung dịch A: 100 mL (0,5 g CuSO 4 ,5H 2 O + 1 g Na 3 C 6 H 5 O 7 2H 2 O);
Dung dịch B: 1000 mL (20 g Na2CO3 + 4 g NaOH);
Dung dịch C: 1 mL dung dịch A + 50 mL dung dịch B;
Dung dịch D: 10 ml thuốc thử Folin-Ciocalteu phenol + 10 mL nước khử ion