Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bia bằng MBR kết hợp AAO

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT AAO Anaerobic/Anoxic/Oxic Kỵ khí/Thiếu khí/Hiếu khí AAO - MBR Anaerobic/Anoxic/Oxic – Membrane Bioreactor Công nghệ Kỵ khí/Thiếu khí/Hiếu khí kết hợp quá trìn

TỔNG QUAN

Tổng quan về nước thải bia

Quy trình sản xuất bia được thể hiện ở hình 2.1

Nảy mầm(15-20 0 C, 24 - 48 giờ) ấy khô( 50-110 0 C, 24 – 48 giờ)

Thủy phân tinh bột( 40-50 0 C, 1-2 giờ);

Lắng trong và làm nguội

Lọc, chi t, thanh tr ng, đóng chai

Quá trình lên men và ổn định

Hoàn thiện sản phẩm Quá trình tạo mạch nha

Quá trình thủy phân tinh bột Phụ liệu

Hình 2.1: Công nghệ sản xuất bia ( M A Harrison, 2009; Microbiology – Third edition )

 Thành phần: Các thành phần cơ bản để sản xuất bia là nước, malt đại mạch, hoa bia và nấm men Nước chi m 90-95% hàm lượng bia thành phẩm và chất lượng của nó có thể ảnh hưởng đ n mùi vị của bia Để ti t kiệm nguồn malt đại mạch ho c để sản xuất một vài loại bia thích hợp, với thị hi u của người tiêu d ng người ta có thể thay th malt đại mạch bằng các nguyên liệu như bột mì, gạo, bột ngô, thậm chí cả bột đậu tương đã tách béo

 Tạo malt (mạch nha): mục đích của quá trình tạo malt là tạo ra nguồn cung cấp hệ enzyme thủy phân trong malt để phân cắt các hợp chất cao phân tử thành sản phẩm thấp phân tử, lúa mì sẽ được ngâm ở nhiệt độ khoảng 10-20 0 C trong vòng 48 giờ, sau 1-2 ngày hạt sẽ nảy mầm Hạt say khi này mầm được sấy khô ở nhiệt độ 50-100 0 C trong vòng 1-2 ngày, đ n đây quá trình tạo malt coi như hoàn thành

 Thủy phân tinh bột: malt và gạo được đưa đ n bộ phận nghiền nguyên liệu thành các mảnh nhỏ, mục đích chính của việc nghiền là để tăng m t ti p xúc với nước tạo điều kiện để tăng tốc các quá trình lý học và hóa sinh học trong khi hòa thấm hạt và nước, bảo đảm tối đa các chất trích ly chuyển từ hạt vào dung dịch; sau đó được chuyển tới thi t bị hồ hóa và đường hóa bằng cách điều chỉnh hỗn hợp ở các nhiệt độ khác nhau Hệ enzyme thích hợp chuyển hóa các chất dự trữ có trong nguyên liệu thành dạng hòa tan trong dịch(enzyme thủy phân tinh bột tạo thành đường, thủy phân các chất protein thành axít amin), các chất hòa tan khác sau đó được đưa qua lọc hèm để tách đường và các chất hòa tan khỏi bã bia

Dịch hèm được đưa qua máy lọc nhằm tách bã hèm ra khỏi nước nha

 Quá trình nấu: dịch đường sau khi lọc được nấu với hoa houblon và đun sôi trong 60-90 phút Mục đích của quá trình này nhằm ổn định thành phần của dịch đường, tạo cho sản phẩm có m i thơm đ c trưng của hoa huoblon, dịch sau khi nấu được đưa qua bồn lắng xoáy nhằm tách c n trước khi chuyển vào lên men

 Lên men và ổn định: lên men là giai đoạn quy t định để chuyển hóa dịch đường houblon hóa thành bia dưới tác dụng của nấm men thông qua hoạt động của chúng Dịch đường sau lắng có nhiệt độ khoảng 90-95 0 C được hạ nhiệt độ nhanh đ n 8-10 0 C và bổ sung oxy với nồng độ 6-8 mgO 2 /lít để chuẩn bị lên men

Chuẩn bị men giống: nấm men được nuôi cấy trong ph ng thí nghiệm, sau đó được nhân trong các điều kiện thích hợp để đạt được mật độ cần thi t cho quá trình lên men

Lên men chính: việc lên men có thể được thực hiện trong các bể không có bảo ôn và đ t trong nhà lạnh được kiểm soát nhiệt độ theo ch độ nhiệt độ chung của ph ng lên men Thời gian lên men chính thường là 5-7 ngày Nấm men sẽ được lấy một phần để tái sử dụng cho lên men các bể ti p theo ho c được thải bỏ

Lên men phụ: để hoàn thiện chất lượng bia (tạo hương vị đ c trưng) Thời gian len từ 14-21 ngày ho c hơn t y thuộc vào yêu cầu của từng loại bia

 Hoàn thiện sản phẩm: sau lên men, bia được đem lọc để đạt được độ trong theo yêu cầu nhằm loại bớt polyphenol và protein trong bia, tăng tính ổn định trong quá trình bảo quản Trong quá trình lọc và hoàn thiện sản phẩm người ta sẽ pha loãng bia về nồng độ mong muốn theo tiêu chuẩn sản phẩm bằng những thi t bị chuyên dùng, trong và sau khi lọc bia được bào hòa thêm CO 2 để đảm bảo tiêu chuẩn bia thành phẩm Ti p theo được thanh tr ng và được chi t vào chai, lon, két để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng và đảm bảo cho việc vận chuyển bia đ n nơi tiêu thụ

2.1.2 Nguồn phát sinh nước thải

Công nghệ sản xuất bia sử dụng một lượng nước lớn, các nhà máy sản xuất bia có mức tiêu thụ nước dao động từ 4 - 11 lít nước/lít bia, mức tiêu thụ trung bình khoảng 5 - 6 lít nước/ lít bia; nguồn nước sử dụng được chia thành: 2/3 được sử dụng cho các quá trình sản xuất và 1/3 trong các hoạt động vệ sinh [16]

Nước thải của công nghiệp sản xuất bia bao gồm:

 Nước làm lạnh, nước ngưng, ít ho c không bị ô nhiễm, có khả năng tuần hoàn sử dụng lại

 Nước thải từ bộ phận nấu – đường hóa, chủ y u là nước vệ sinh thùng nấu, bể chứa, nhà sàn,… nên chứa bã malt, tinh bột, bã hoa, các chất hữu cơ,…

 Nước thải từ hầm lên men, thùng chứa, đường ống, sàn nhà, xưởng,… có chứa bã men và chất hữu cơ

 Nước thải rửa chai có độ pH cao mang tính chất kiềm

 Nước thải vệ sinh nhà xưởng

 Nước thải sinh hoạt của công nhân viên trong nhà máy

Hình 2.2 Công nghệ sản xuất bia và dòng thải [57, 58]

Tách bã Làm lạnh Lên men chính, phụ

Lọc bia Bão hòa CO2

Chi t chai, lon Đóng nắp

Thanh trùng Kiểm tra, dán nhãn, nhập kho Nước cấp để rửa sàn,thi t bị Nước mềm Malt Gạo

Bã men ục khí Men giống

Hoạt hóa và d ng lại men Nén CO2

Chất trợ lọc Bã lọc

Nước thải Hơi nước ản phẩm

→ : D ng nước cấp để rửa, vệ sinh -> : D ng nước thải

2.1.3 Đặc tính nước thải bia

M c dù có những cải ti n công nghệ đáng kể trong quá khứ, người ta ước tính rằng khoảng 3 – 10 lít nước thải được tạo ra trên một lít bia sản xuất trong nhà máy bia [12] Lượng nước thải của nhà máy bia sẽ phụ thuộc vào quy trình sản xuất và đ c trưng của d ng nước sử dụng trong các hoạt động sản xuất; bao gồm nước thải từ quá trình sản xuất công nghiệp, nước thải sinh hoạt và nước mưa

Nước thải phát sinh từ mỗi quá trình khác nhau sẽ có tính chất và mức độ ô nhiễm khác nhau [12] ề vấn đề này, nhiều tài liệu nghiên cứu khác nhau sẽ cho nhiều góc nhìn riêng biệt Theo L Braeken et al, [17], nước thải phát sinh từ quá trình xúc rửa chai lọ có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (do lượng bia và men c n sót lại trong chai), nồng độ pH cao và chứa nhiều các ion Na + c ng các hóa chất tẩy rửa khác; nước thải phát sinh từ quá trình vệ sinh bể chứa bia cũng chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nhưng độ pH thấp do sử dụng axít (H 3 PO 4 hay H 2 SO 4 ) để rửa; và nước thải phát sinh từ việc rửa các bể ủ bia lại có pH cao do các hóa chất c n lại trong quá trình rửa trước đó Theo G imate et al, [12], nước thải từ quá trình súc rửa chai, lọ tuy phát sinh một lượng nước thải rất lớn, nhưng thành phần chất ô nhiễm trong loại nước thải này chỉ chi m tỷ lệ nhỏ trong thành phần ô nhiễm của nước thải của nhà máy; ngược lại, nước thải từ quá trình lên men và lọc bia chi m đ n 97% lượng BOD5 của nước thải nhà máy, m c d về m t thể tích chúng chỉ chi m 3% trong tổng lượng nước thải phát sinh Tuy nhiên, C M Noorjahan et al, [18], lại cho rằng khoảng 50% BOD và trên 90% chất rắn lơ lửng trong nước thải bia phát sinh từ quá trình sản xuất Nhìn chung, các số liệu trên m c d không hoàn toàn tương đương nhau, nhưng từ đó có thể suy ra rằng phần lớn các chất ô nhiễm có m t trong nước thải sản xuất bia được thể hiện qua BOD 5 và COD chủ y u có nguồn gốc từ các chất hữu cơ trong quá trình sản xuất Ngoài ra, A M Enitan et al,

[15] cũng chỉ ra rằng có sự bi n đổi trong thành phần tính chất nước thải ở nhiều thời điểm vận hành khác nhau do mỗi công đoạn sản xuất bia sẽ diễn ra vào một thời điểm nhất định trong ngày cũng như t y thuộc vào giai đoạn sản xuất cao điểm hay thấp điểm của nhà máy sản xuất bia Đ c tính của nước thải sản xuất bia là có COD và chất rắn lơ lửng cao bắt nguồn từ các sản phẩm phụ ho c dư thừa từ các quá trình sản xuất như các mảnh vụn ngũ cốc, lượng men bia c n dư, nhãn mác, … [16] Những loại chất thải này chứa một lượng lớn các thành phần hữu cơ như đường, tinh bột h a tan, etanol, axít béo bay hơi Do nguồn ô nhiễm chủ y u đ n từ các chất hữu cơ trong quá trình sản xuất bia nên loại nước thải này có tỷ lệ BOD:COD cao và có khả năng phân hủy sinh học cao Nhiệt độ của nước thải thường dao động từ 25 – 38 o C, ở một số thời điểm nhiệt độ có thể tăng đột bi n Độ pH dao động từ 2 – 12 và thường bị ảnh hưởng bởi lượng hóa chất sử dụng cho mục đích tẩy rửa ho c vệ sinh như NaOH,

HNO 3 , H 3 PO 4 ,… Ngoài ra, trong nước thải sản xuất bia cũng có m t nitơ và phốtpho Tuy nhiên, nồng độ của hai chỉ tiêu này chủ y u phụ thuộc vào công đoạn xử lý nguyên liệu thô và lượng men thừa có m t trong nước thải [12] Do đó, nồng độ các chỉ tiêu này thường không ổn định, có khoảng dao động rất rộng và có sự khác nhau rất lớn giữa các nơi sản xuất [15] Trong nghiên cứu của C M

Noorjahan [18], các kim loại n ng như Cu 2+ và Zn 2+ có m t trong nước thải sản xuất bia ở nồng độ không đáng kể, 0,00581 đối với Cu 2+ và 0,07566 mg/l đối với Zn 2+

 Các thông số ô nhiễm thực tế

Bảng 2.1 Các thông số ô nhiễm của nước thải sản xuất bia được tổng hợp từ nhiều báo cáo khoa học khác nhau [15]

Chỉ tiêu Đơn vị I II III IV V VI VII pH - 4,6-7,3 3,3-6,3 6,3-6,9 3-12 7,2 - 11,97

I A M Enitan et al, 2015 Characterization of Brewery Wastewater Composition

II W Parawira et al, 2005 A study of industrial anaerobic treatment of opaque beer brewery wastewater in a tropical climate using a full – scale UASB reactor seeded with activated sludge

III Y H Ahn et al, 2010 Full scale UASB reactor performance in the brewery industry

IV A G Rao et al, 2007 pH regulation of alkaline wastewater with carbon dioxide: A case study of treatment of brewery wastewater in UASB reactor coupled with absorber

V E E Diaz et al, 2006 Phenotyic properties and microbial diversity of methanogenic granules from a full scale upflow anaerobic sludge bed reactor trating brewery wastewater

VI H Ruffer et al, 1991 Industrieabwasserreinigung

VII U E Inyang et al, 2012 Characterization of Brewery Effluent Fluid

- Số liệu từ các bài báo trong Bảng 2.1 so sánh với quy chuẩn cho phép

QC N 40:2011/BTNMT nước thải sản xuất bia có hàm lượng chất hữu cơ thể hiện qua COD , BOD 5 và chất rắn lơ lửng cao hơn quy chuẩn rất nhiều lần Ngoài ra, nồng độ pH của nước thải sản xuất bia cũng dao động khá lớn trong khoảng từ 3 – 12

- Giá trị nồng độ TN, NH 4 + -N, TP tại Bảng 2.1 dao động khá lớn và tương đối không ổn định và cũng vượt quy chuẩn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT

Công nghệ AAO

Quá trình Anaerobic – Anoxic – Oxic (AAO) được sử dụng rộng rãi với sự mong đợi do các chất dinh dưỡng đồng thời ( nitơ và phốtpho) được loại bỏ mà không cần đ n sử dụng hóa chất Trong quá trình AAO thông thường vi khuẩn khử nitrat đóng vai tr quan trọng trong việc loại bỏ nitơ và vi sinh vật tích lũy phốt pho

(PAO S ) đóng vai tr quan trọng trong việc loại bỏ phốt pho sinh học (EBPR) Cả hai loại vi khuẩn này đ i hỏi nguồn cacbon (ho c COD) để thực hiện các phản ứng một cách độc lập Do đó, giá trị COD là một y u tố giới hạn cần thi t khi đồng thời loại bỏ nitơ và phốt pho, đ c biệt dưới điều kiện C/N ho c C/P d ng vào không thích hợp [30]

Công nghệ AAO là sự k t hợp của các quá trình Kỵ khí (Anaerobic) – Thi u khí (Anoxic) – Hi u khí (Oxic) thực hiện quá trình loại bỏ cacbon hữu cơ, nitrate hóa, khử nitrate và loại bỏ phốt pho Công nghệ này vốn được cải ti n từ công nghệ AO thường được sử dụng để loại bỏ phốtpho trong nước thải

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống AAO [1]

Nước thải lần lượt được dẫn qua các ngăn kỵ khí, thi u khí và hi u khí Ở ngăn kỵ khí, PAOs dự trữ PHB và đồng thời giải phóng ra orthophosphate (O-PO 4 ) Ti p theo, nước chảy qua ngăn thi u khí, tại đây dùng nguồn cacbon có trong nước thải làm năng lượng để khử nitrat (NO 3 - -N) au đó, nước chảy qua ngăn hi u khí, tại đây xảy ra sự chuyển hóa ammonia (NH 4 + -N) sang nitrat (NO 3 - -N) Đồng thời, các PAOs sử dụng năng lượng giải phóng từ phản ứng oxy hóa PHB để tích trữ phốtpho trong t bào Tại cuối ngăn hi u khí lắp đường tuần hoàn nước về ngăn thi u khí, để cho quá trình khử nitrat xảy ra Bể lắng có nhiệm vụ lắng bông b n sinh học được tạo ra từ hệ thống bể sinh học phía trước Một phần b n sau lắng được tuần hoàn về lại ngăn kỵ khí, một phần được thải ra ngoài

Một hệ thống AAO bao gồm ba giai đoạn (3 ngăn xử lý) được duy trì dưới điều kiện kỵ khí, thi u khí và hi u khí; thường được sử dụng để loại bỏ cả nitơ và phốtpho Nitơ được loại bỏ thông qua quá trình nitrat hoá (chuyển hóa ammonia thành nitrat) trong ngăn hi u khí và khử nitrat (chuyển hóa nitrat thành khí nitơ) trong ngăn thi u khí Trong khi đó, phốtpho lại được loại bỏ bằng quá trình tích lũy phốtpho trong PAOs trong ngăn hi u khí và thải bỏ b n ở bể lắng 2

Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh hóa nitơ của các muối amoni, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat dưới tác dụng của vi sinh vật hi u khí trong điều kiện thích ứng 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 y u tham gia vào quá trình này au đó, sang quá trình thứ hai, các vi sinh vật lại oxy hóa nitrit thành nitrat, Nitrobacter là vi sinh vật chủ y u mang nhiệm vụ thực hiện quá trình này Ngoài ra, các loại vi sinh vật khác như Nitrospina, Nitrococcus và Nitrosolobus có m t trong b n hoạt tính trong nước thải cũng có thể thực hiện chức năng trên Các nhóm vi khuẩn này là những vi sinh vật tự dưỡng hi u khí, chúng lấy năng lượng từ sự oxy hóa hợp chất nitơ vô cơ và sử dụng CO 2 để tổng hợp sinh khối, mỗi loài có khả năng oxy hóa nitơ tới một mức độ nhất định

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 + mới Phương trình phản ứng được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrosomonas:

Phương trình phản ứng được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrobacter:

Các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình nitrat hóa:

- Oxy hòa tan (DO): Trong công nghệ AAO, quá trình nitrat hóa xảy ra tại ngăn hi u khí, do vi khuẩn bắt buộc trong quá trình này phải là “vi khuẩn hi u khí”, và lượng oxy trong nước đóng vai tr rất quan trọng Lượng oxy cần thi t 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

- 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 đ n việc giảm hiệu quả ho c 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: 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

- SRT: 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 đ n số lượng đủ để oxy hóa hoàn toàn lượng ammoni và nitrit có m t trong nước thải Trong điều kiện vận hành tối ưu, SRT 4 ngày là đủ Tuy nhiên, ở các 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 ti t lạnh

Quá trình khử nitrat là quá trình khử nitrat thành khí nitơ bởi các vi khuẩn dị dưỡng trong điều kiện thi u khí và đ i hỏi một chất cho electron là chất hữu cơ hay vô cơ

Hai con đường khử nitrat có thể xảy ra trong hệ thống sinh học đó là:

 Đồng hóa: khử nitrat thành ammonia sử dụng cho tổng hợp t bào Nó xảy ra khi ammonia không có sẵn, độc lập với sự ức ch oxy

 Dị hóa: khử nitrat bằng dị hóa liên quan đ n sự khử nitrat thành NO 2 - , NO và N 2

Trong đó NO 2 - , NO, N 2 O là sản phẩm trung gian và mỗi giai đoạn của quá trình được xúc tác bởi một hệ enzym khác nhau

Khác với quá trình nitrat hóa, số lượng vi khuẩn có thể thực hiện quá trình khử nitrat tương đối phong phú, một số chủng vi khuẩn khử nitrat như là: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracoccus, Spirllum, Thiobacillus…Hầu h t vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng, nghĩa là chúng lấy cacbon cho quá trình tổng hợp t bào từ các hợp chất hữu cơ Qúa trình khử nitrat đ i hỏi phải cung cấp nguồn cacbon Điều này có thể thực hiện bằng ba cách sau:

 Cung cấp nguồn cacbon từ bên ngoài như methanol, acetate, mêtan và nước thải

6NO 3 - + 5CH 3 OH  3N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O + 6OH - 8NO 3 - + 5CH 3 COOH  4N 2 + 10CO 2 + 6H 2 O + 8OH - 8NO 3 - + 5CH 4  4N 2 + 5CO 2 + 6H 2 O + 8OH -

 Sử dụng BOD của chính nước thải làm nguồn cacbon có thể phân hủy thực hiện bằng cách:

- Tuần hoàn lại phần lớn nước sau khi đã nitrat hóa đ n vùng thi u khí

- Dẫn một phần nước thải thô đầu vào hay đầu ra sau xử lý sơ bộ vào vùng chứa nitrat

 Sử dụng nguồn cacbon của chính t bào do quá trình hô hấp nội sinh Độ kiềm sinh ra được tính toán từ cân bằng phản ứng sau(McCarty, 1969):

Quá trình khử nitrat sẽ khôi phục lại khoảng 3,57 mg độ kiềm CaCO 3 và 2,9 mg oxy/N-NO 3 - giảm Do đó sự k t hợp của quá trình nitrat hóa và khử nitrat độ kiềm sẽ được khôi phục một phần, hơn nữa c n tăng khả năng lắng của b n

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat:

Công nghệ sinh học k t hợp màng lọc (MBR)

pha thi u khí và cơ chất hữu cơ khác được đưa vào trong giai đoạn kỵ khí có ảnh hưởng quan trọng đ n khả năng hấp thu phốt pho Quá trình cấp khí quá mức (DO:

2,3 -5,28mg/l) cho bùn hoạt tính ở giai đoạn hi u khí làm giảm hiệu quả xử lý phốt pho

2.3 Công nghệ sinh học kết hợp màng lọc (MBR)

Công nghệ màng lọc sinh học (Membrane bio-reactor – MBR) lần đầu tiên được giới thiệu từ những thập niên 1960s và phát triển mạnh mẽ vào đầu những năm 90 Kể từ đó đ n nay, công nghệ MBR đã được cải ti n nhiều m t (Stephenson et al., 2000)

Quá trình màng lọc sinh học MBR được định nghĩa là quá trình k t hợp giữa quá trình b n hoạt tính sinh học ổn định và quá trình phân tách tuyệt đối pha rắn, lỏng iệc sử dụng màng để tách pha rắn và lỏng giúp duy trì các điều kiện tối ưu cho bể phản ứng sinh học trong việc phân hủy các chất gây ô nhiễm trong nước thải (Visvanathan et al., 2002)

Trước đây rào cản lớn nhất của việc áp dụng công nghệ MBR vào xử lý nước thải chính là giá thành cao mà công nghệ MBR hiện đại đã khắc phục được điều này (Judd et al, 2006) Đồng thời những lợi ích mà công nghệ MBR đem lại trong xử lý nước và nước thải đã làm cho công nghệ này được áp dụng ngày càng rộng rãi trong những năm gần đây (Judd et al., 2006; Wen et al., 2004)

MBR có thể được vận hành trong thời gian lưu b n rất lâu RT (5 - 50 ngày) với ML cao trong bể phản ứng và tỷ số F/M thấp (Visvanathan et al., 2000)

MBR có khả năng nitrat hóa cao hơn quá trình b n hoạt tính thông thường (CAS), vì thời gian cho vi khuẩn nitrat hóa lâu hơn ( RT dài, F/M thấp) và kích thước bông b n nhỏ hơn Bông b n nhỏ hơn cho phép quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng và oxy vào trong nhiều hơn ( Gender et al., 2000) ự hiện diện của màng lọc trong bể MBR ngăn ngừa sự rửa trôi vi sinh vật nitrat hóa tại thời điểm RT và HRT ngắn ( Soriano et al., 2003) và khuy n khích sự tăng dần của chỉ số tăng trưởng chậm của vi sinh vật, chẳng hạn vi khuẩn nitrat hóa và lượng b n sinh ra rất ít (Muller et al., 1995; Trouve et al., 1994)

 Nguyên lý hoạt động và cơ chế xử lý

Bể sinh học màng (Membrane BioReactor – MBR) là công nghệ xử lý nước thải mới k t hợp công nghệ b n 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 ho c 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 ho c là bể hi u khí Khả năng xử lý nước thải của bể MBR đ n từ hai khía cạnh: khả năng phân hủy sinh học các chất ô nhiễm đ n từ bể phản ứng và sự phân tách các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn ra khỏi nước đ n từ màng lọc Nước thải đầu ra của bể MBR có chất lượng tương đương ho c tốt hơn nước sau bể lắng cuối Do đó, bể lắng sau quá trình b n hoạt tính được loại bỏ, từ đó ti t kiệm diện tích đất xây dựng của công trình xử lý ề tổng thể, công nghệ MBR có thể được phân ra làm 3 dạng dựa theo các cơ ch làm việc khác nhau:

- Bể MBR nhúng chìm (iMBR hay sMBR)

Trong bể sMBR, module màng lọc được nhúng chìm trực ti p trong bể phản ứng Một bơm hút được sử dụng để hút nước thải đi qua các đơn vị màng lọc đó, b n hoạt tính bị giữ lại trong bể phản ứng Quá trình cấp khí xảy ra liên tục nhằm duy trì trạng thái hi u khí trong bể Ngoài ra việc cấp khí cũng giúp hạn ch 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 2.12 Bể MBR nhúng chìm (sMBR)

- Bể cross-flow MBR (cMBR) ự khác biệt của cMBR so với sMBR chính là việc các module màng lọc không nằm trong bể phản ứng mà được đ t 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 b n được giữ lại và tuần hoàn về bể xử lý, c n nước được bơm hút qua màng lọc đi ra ngoài cMBR thường được sử dụng khi nước có nồng độ b n cao

Hình 2.13 Bể MBR cross-flow (cMBR)

- Bể MBR lai hợp (hybrid MBR) 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 2.14 Bể MBR lai hợp (Hybrid MBR)

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 m t màng, gây ra hiện tượng suy giảm lưu lượng d ng thấm qua màng (c n gọi là thông lượng màng) và làm tăng áp suất chuyển màng TMP Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng bẩn màng Trong thi t k , 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 ti p ảnh hưởng đ n các y u 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

Các dạng bẩn màng và thành phần gây bẩn màng được trình bày trong Bảng 2.5

Bảng 2.5 Các dạng bẩn màng và các thành phần trong nước thải gây ra hiện tượng đó

Dạng bẩn Thành phần gây bẩn màng Ghi chú

Bẩn do hạt Các chất keo hữu cơ và vô cơ

Các chất nhũ hóa Đất sét và b n Silica

Các oxit sắt và mangan Các kim loại bị oxy hóa ản phẩm làm đông muối kim loại Carbon hoạt tính dạng bột

Có thể khắc phục tình trạng bẩn do hạt bằng cách rửa màng thường xuyên hay thông qua sự ti p xúc với bọt khí tại các quãng nghỉ trong quá trình vận hành

Bẩn vô cơ Bari Sulphat

Canxi Carbonat Canxi Flourit Canxi Photphat Strontium Sulphat Silica ự đóng c n có thể được khắc phục bằng việc giảm hàm lượng muối trong nước thải, thông qua việc điều chỉnh pH ho c sử dụng những hóa chất ngăn việc đóng c n của các k t tủa muối

Bẩn hữu cơ Các vật chất hữu cơ tự nhiên bao gồm các chất m n, axit humic, protein và polysaccaride

Các chất nhũ hóa Polymer sử dụng trong quá trình xử lý

Cần các bước tiền xử lý ph hợp để giảm khả năng bẩn hữu cơ

Bẩn sinh học i sinh vật ch t i sinh vật đang hoạt động Polymer ti t ra bởi vi sinh vật

Các lớp biofilm được hình thành trên bề m t màng lọc do sự tích tụ thành lớp của sinh khối trong bể phản ứng

2.3.2 Ưu điểm và nhược điểm

Bảng 2.6 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBR Ưu điểm Nhược điểm

Có khả năng tạo ra d ng nước thải sau lọc có chất lượng cao nhờ khả năng xử lý COD, SS cao

Khả năng xử lý phốtpho thấp Cần k t hợp với quá trình xử lý kỵ khí ho c thi u khí để có thể xử lý phốtpho hiệu quả

Có khả năng điều khiển HRT và SRT độc lập, từ đó cho khả năng lưu b n lâu hơn và tăng hiệu quả xử lý sinh học của hệ thống

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 thi t cho quá trình ND ho c cần phải k t hợp với bể phản ứng sinh học thi u khí Đối với xử lý phốtpho cần k t hợp với bể phản ứng sinh học kỵ khí

Ti t kiệm diện tích xây dựng do không cần xây bể lắng và bể khử trùng ở phía sau

Chi phí đầu tư hệ thống màng lọc vẫn còn rất cao Ngoài ra còn có thể phát sinh chi phí làm sạch màng n u sử dụng hóa chất

Do khả năng độc lập HRT và SRT, tuổi thọ bùn của MBR sẽ cao hơn

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

Có khả năng giữ lại các ion kim loại n ng

Tiêu tốn nhiều năng lượng vận hành do phải cấp khí liên tục để tạo môi trường hi u khí cho vi sinh vật phát triển đồi thời để hạn ch hiện tượng bẩn màng

Có thời gian start-up ngắn hơn các công nghệ bùn hoạt tính thông thường do không bị mất sinh khối trong suốt quá trình hoạt động [34]

2.3.3 Các nghiên cứu liên quan

Nghiên cứu “ Start-up of a pilot-scale Membrane Bioreactor to treat municipal wastewater ” [33]

- Mục tiêu nghiên cứu: quan sát và đánh giá giai đoạn thích nghi của mô hình MBR ở quy mô pilot-scale

- Đối tượng xử lý: nước thải đô thị tại nhà máy xử lý nước thải ở Nova iri Marina, miền nam Italy

- Mô hình nghiên cứu: bao gồm một bể thi u khí có thể tích làm việc 60 lít và một bể hi u khí có thể tích làm việc 120 lít Một module màng lọc hollow-fiber có kớch thước lỗ màng 0,1 àm và diện tớch bề m t 0,93 m 2 được đ t nhỳng chỡm trong bể hi u khí

Hình 2.15 Mô hình nghiên cứu của Ferraris et al

Công nghệ Anaerobic/Anoxic/MBR

Là sự k t hợp giữa hệ thống AAO truyền thống và công nghệ màng lọc MBR, mô hình k t hợp AAO và MBR hứa hẹn sẽ giải quy t các vấn đề c n tồn đọng của AAO cũng như MBR Trong đó, sử dụng màng lọc sinh học trong ngăn hi u khí của công nghệ AAO giúp tăng hiệu quả xử lý hữu cơ và TKN của hệ thống [41] nhờ khả năng lưu giữ hoàn toàn b n và trong bể phản ứng giúp tránh tình trạng bị rửa trôi ra khỏi bể phản ứng theo d ng nước thải đi vào bể lắng, từ đó đảm bảo sự phát triển đầy đủ của các trên trong hệ thống xử lý nước thải [25] Thêm vào đó, khả năng hạn ch lượng b n dư sinh ra trong bể phản ứng của màng lọc MBR sẽ giúp ti t kiệm đáng kể chi phí vận hành Ngoài ra, việc sử dụng màng lọc sinh học để tách b n ra khỏi nước cũng giúp ti t kiệm diện tích xây dựng do không cần xây bể lắng sau bể phản ứng Thậm chí nước thải qua màng lọc c n có chất lượng tốt hơn nước sau bể lắng cuối Ngược lại, k t hợp công nghệ AAO 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 polysaccharide 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 [40]

Nguyên lý hoạt động của công nghệ k t hợp Anaerobic/Anoxic/MBR gần như tương tự với công nghệ AAO truyền thống Tuy nhiên, bể lắng phía sau ngăn hi u khí đã bị loại bỏ Do đó, cơ ch tuần hoàn b n được thay đổi B n được tuần hoàn trực ti p từ ngăn hi u khí về ngăn kỵ khí Nước thải đầu ra được lấy trực ti p từ d ng nước sau màng lọc và cỏ thể được xả ngay vào nguồn ti p nhận mà không cần phải qua các biện pháp khử tr ng

Hình 2.19 Sơ đồ hệ thống Anaerobic/Anoxic/MBR

2.4.2 Ưu điểm và nhược điểm

Bảng 2.13 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ Ưu điểm Nhược điểm

 Khả năng xử lý nitơ cao do RT lâu giúp tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của VSV nitrifiers

 Ti t kiệm diện tích xây dựng do chỉ có 3 ngăn phản ứng cho toàn hệ thống

 Kiểm soát bẩn màng tốt

 Chưa giải quy t được vấn đề xử lý đồng thời nitơ và phốtpho trong nước thải do hệ thống chỉ có 1 đường bùn

Qua đó dễ gây xung đột giữa VSV denitrifiers và PAOs trong việc tiêu thụ chất nền hữu cơ cũng như sự mâu thuẫn trong SRT giữa PAOs và nitrifiers

 Khó điều khiển nồng độ DO tại ngăn kỵ khí do nước và b n được tuần hoàn trực ti p từ ngăn hi u khí về ngăn kỵ khí mà không qua quá trình lắng

2.4.3 Các nghiên cứu liên quan

Nghiên cứu “ Use of submerged anaerobic – anoxic – oxic membrane bioreactor to treat highly toxic coke wastewater with complete sludge retention”

- Mục tiêu nghiên cứu: nghiên cứu khả năng xử lý hữu cơ và nitơ của mô hình

Anaerobic/Anoxic/Oxic – Membrane BioReactor ở quy mô bench-scale với khả năng lưu b n hoàn toàn Trong quá trình nghiên cứu cũng đồng thời đánh giá tính chất , tính chất sinh khối lơ lửng và hiện tượng bẩn màng

- Đối tượng xử lý: nước thải tại nhà máy thép Bắc Kinh, Trung Quốc

- Mô hình nghiên cứu: bao gồm 1 bể vi sinh kỵ khí dính bám, 1 bể thi u khí và 1 bể hi u khí Trong bể hi u khí đ t 1 module màng lọc dạng hollow – fiber, có kích thước lỗ màng 0,2 àm, tổng diện tớch bề m t màng 0,2 m 2 và được sản xuất bởi Mitsubishi Rayon Trong bể hi u khí lắp 1 đường tuần hoàn nước về bể thi u khí với tỷ lệ tuần hoàn 300%

Hình 2.20 Mô hình nghiên cứu của Huang et al

- Điều kiện vận hành: HRT bể kỵ khí lúc đầu là 8,5 giờ và được giảm xuống c n 4,3 giờ sau ngày thứ 90 HRT bể thi u khí và hi u khí luôn được duy trì 8,9 giờ và 20 giờ RT trong bể thi u khí và hi u khí là 100 ngày

- K t quả nghiên cứu: khi hoạt động ổn định, mô hình Anaerobic/Anoxic/Oxic – Membrane BioReactor đạt hiệu suất xử lý 87,9 ± 1,6% COD; 99,4 ± 0,3% độ đục và

99,7 ± 3,5% NH 4 + _N Bể kỵ khí có tác dụng chuyển hóa các vật chất phức tạp và khó phân hủy sinh học thành các chất có thể phân hủy sinh học Bể thi u khí giúp khử nitrat và xử lý 50% COD trong nước thải Bể hi u khí giúp nitrat hóa và phân hủy 33% COD trong nước thải Quá trình màng giúp giảm 7,1% nồng độ COD và gần như toàn bộ trong nước, tạo môi trường F/M thấp và giảm lượng b n sản sinh trong quá trình xử lý ự đa dạng vi sinh trong bể phản ứng giảm đi theo thời gian, tuy nhiên điều đó không ảnh hưởng đ n hiệu quả xử lý hữu cơ và các hoạt động sinh khối trong hệ thống

Nghiên cứu “ Comparative Assessment of a novel MBR and AAO for biological nutrient removal ” [37]

- Mục tiêu nghiên cứu: nhằm so sánh khả năng xử lý dinh dưỡng của mô hình AAO truyền thống so với mô hình AAO k t hợp MBR và đánh giá ảnh hưởng của HRT kỵ khí lên khả năng xử lý của cả 2 mô hình

- Đối tượng xử lý: nước thải nhân tạo và nước thải đô thị được lấy tại vị trí sau song chắn rác của nhà máy xử lý nước thải Adelaide ở thành phố London, Canada

 Mô hình AAO: bao gồm 1 bể kỵ khí, 1 bể thi u khí, 1 bể hi u khí và 1 bể lắng cuối Tại bể hi u khí lắp đường tuần hoàn nước về bể thi u khí với tỷ lệ 350% Tại bể lắng cuối lắp đường tuần hoàn bùn về bể kỵ khí với tỷ lệ 70%

 Mô hình AAO-MBR: bao gồm 1 bể kỵ khí, 1 bể lắng trung gian, 1 bể thi u khí và 1 bể hi u khí Màng lọc MBR được đ t trong bể hi u khí Tỷ lệ tuần hoàn từ bể thi u khí về bể kỵ khí là 250% và tỷ lệ tuần hoàn từ bể hi u khí về bể thi u khí là 350%

Hình 2.21 Mô hình nghiên cứu của Nakhla et al

- Điều kiện vận hành: cả 2 mô hình c ng được chạy qua 3 giai đoạn Trong đó ở giai đoạn 1 sử dụng nước thải nhân tạo và giai đoạn 2,3 sử dụng nước thải đô thị

Các thông số khác của mô hình được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2.14 Thông số vận hành mô hình trong nghiên cứu của Nakhla et al

Vkỵ khí (lít) HRTkỵ khí (giờ)

- K t quả nghiên cứu: Ở giai đoạn 1, cả 2 mô hình đều cho k t quả COD đầu ra đạt trung bình 5 mg/l Đ n giai đoạn 2 và 3, COD đầu ra của cả 2 mô hình dao động trong khoảng 12 – 15 mg/l Nguyên nhân của sự suy giảm hiệu quả xử lý là do ở trong nước thải sinh hoạt có nhiều thành phần COD không thể phân hủy sinh học hơn là trong nước thải nhân tạo Hiệu quả xử lý nitơ của mô hình AAO và AAO- MBR lần lượt là 72 – 75% và 70 – 76% Đối với hiệu quả xử lý phốtpho, mô hình AAO-MBR cho hiệu suất xử lý 91% ở giai đoạn 1 và 70 – 81% ở giai đoạn 2 và 3 trong khi hiệu suất của mô hình AAO là 71 – 77% ở cả 3 giai đoạn Lượng b n sản sinh trong mô hình AAO-MBR thấp hơn 20% so với lượng b n sản sinh từ mô hình

AAO Hiệu quả khử nitrat trong bể thi u khí của mô hình AAO-MBR đạt 86 – 95% so với 75 – 85% của mô hình AAO ự đóng góp của v DPAOs trong khử nitrat của mô hình AAO-MBR cao hơn 10% so với mô hình AAO khi xử lý nước thải nhân tạo và cao hơn 6% khi xử lý nước thải đô thị do sự giới hạn FA cho thấy sự thi u hụt FA ảnh hưởng nhiều lên PAO hơn các khác

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

ật liệu nghiên cứu

3.2.1 Nước thải đầu vào Ở giai đoạn thích nghi nước thải được lấy tại 2 trị trí như sau: thứ nhất là từ bể điều h a (vị trí 1) và thứ hai là ở sau xử lý kỵ khí (vị trí 2) của hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia ài G n (187 Nguyễn Chí Thanh, phường 12, quận 5, thành phố Hồ Chí Minh) Hai loại nước thải được pha trộn với nhau và chạy thích nghi với các tải trọng tăng dần từ 0,2; 0,3; 0,4 kgCOD/m 3 ngày au khi k t thúc giai đoạn thích nghi, nguồn nước thải đầu vào mô hình được sử dụng trong hệ thống là nước thải được lấy ở vị trí 1 được pha loãng với nước theo tỷ lệ 1:1 Để tăng tính ổn định của tính chất nước thải chạy mô hình, nước thải được lấy vào c ng một thời điểm trong ngày lúc 11 giờ Bảng 3.1 thể hiện thành phần và thông số ô nhiễm nước thải đầu vào mô hình

Bảng 3.1 Thành phần và thông số ô nhiễm của nước thải đầu vào mô hình

STT Thông số nước thải Đơn vị Giá trị trung bình(n!)

B n cấy ban đầu cho mô hình được lấy từ bể BR thuộc hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia ài G n Bùn có màu nâu đậm đ c trưng, có khả năng lắng tốt với chỉ số SVI < 96, nồng độ ML sau khi cấy b n vào mô hình là xấp xỉ 3000mg/l

Mô hình nghiên cứu

 Mô hình được làm từ vật liệu mica(acrylic glass) với tổng thể tích làm việc là 42 lít

 Thể tích thùng chứa nước đầu vào là 120 lít, thùng chứa nước đầu ra là 60 lít

 Kích thước của bể AAO: L x W x H là 700mm x 100mm x 600mm, thể tích làm việc 42 lít Bể AAO gồm 3 ngăn là: kỵ khí, thi u khí, hi u khí

- Kích thước ngăn kỵ khí: L x W x H là 150mm x 100mm x 600mm, V=9 lít

- Kích thước ngăn thi u khí: L x W x H là 150mm x 100mm x 600mm, V=9 lít

- Kích thước ngăn hi u khí: L x W x H là 400mm x 100mm x 600mm, V$ lít

 Bể MBR: gồm 01 module màng MF đ t trong ngăn hi u khí của bể AAO

Hình 3.2 Mô hình Anaerobic/Anoxic/MBR

1: Thùng chứa nước thải đầu vào 9: Máy thổi khí

2: Ngăn kỵ khí 10: Bơm tuần hoàn bùn

3: Ngăn thi u khí 11: Bơm tuần hoàn nitrat

4: Ngăn hi u khí 12: Bơm đầu ra

5: Module màng 13: Van tay xả bùn

6: Thùng chứa nước thải đầu ra 14: Đồng hồ đo áp suất

7: Bơm đầu vào V1 – V3: van điện tử dòng ra

8: Cánh khuấy V2 – 4: van điện tử dòng rửa ngược

Hình 3.3 Mô hình Anaerobic/Anoxic/MBR thực tế

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật module màng Hãng sản xuất Mitsubishi

Loại màng Màng sợi rỗng (Hollow – Fiber)

Kớch thước lỗ màng 0,4 (àm)

Số sợi trong 1 module 25 sợi

Chiều dài mỗi sợi 9,5 (cm) Đường kính mỗi sợi 2,6 (mm)

Diện tích bề mặt 0,32 (m 2 /module)

Vật liệu màng Polyvinylidene fluoride (PVDF)

Kích thước khung đỡ 9,5cm L x 8cm W x 34cm H

 Thông số các thiết bị trong mô hình

Bảng 3.3 Thông số các thiết bị sử dụng trong mô hình

STT Thiết bị Thông số kỹ thuật

1 Bơm nước thải đầu vào

Nhãn hiệu: BLUE- HITE, Mỹ Lưu lượng (Qmax): 11,5 lít/giờ Model: C-645P Áp lực: 5,6 Kg/cm 2 Công suất: 45W

Nhãn hiệu: BLUE- HITE, Mỹ Lưu lượng (Qmax): 30 lít/giờ

Model: C-6125P Áp lực: 2,1 Kg/cm 2 Công suất: 45W

Nhãn hiệu: BLUE- HITE, Mỹ Lưu lượng (Qmax): 30 lít/giờ Model: C-645P Áp lực: 5,6 Kg/cm 2 Công suất: 45W

4 Bơm nước thải đầu ra

Nhãn hiệu: BLUE- HITE, Mỹ Lưu lượng (Qmax): 11,5 lít/giờ Model: C-645P Áp lực: 5,6 Kg/cm 2 Công suất: 45W

Nhãn hiệu RE UN model ACO-004

Lưu lượng khí: 75 lít/phút Công suất: 58W Áp lực: 0.028Mpa

3.3.2 Nguyên lý vận hành Đầu tiên, nước thải được bơm từ th ng chứa nước thải vào ngăn kỵ khí, ở đây nước thải sẽ được khuấy trộn đều nhờ vào motor khuấy, ngăn kỵ khí sẽ loại bỏ một phần cacbon thành acetate và quá trình tích lũy phốtpho (PAOs) sử dụng năng lượng sẵn có từ polyphosphat tích lũy, đồng hóa các sản phẩm lên men là acetate để tích lũy polyhydroxybutyrate (PHB) nội bào và đồng thời sẽ giải phóng phốtpho dưới dạng orthophotphat (O-PO4) Nước thải ti p tục chảy qua ngăn thi u khí và cũng được khuấy trộn bởi motor khuấy, ở ngăn thi u khí sẽ xảy ra đồng thời quá trình khử nitrat, tích lũy Phốtpho (do VSV DPAOs) và loại bỏ cacbon Khi nước đ n ngăn hi u khí – MBR, nước thải sẽ được cấp khí từ máy thổi khí thông qua các viên đá phân phối khí nhằm tạo môi trường hi u khí cho nitrat hóa nitrifiers phát triển, giúp quá trình nitrat hóa diễn ra hiệu quả Ngoài ra, tại ngăn hi u khí cũng cú một module màng dạng hollow-fiber cú kớch thước lỗ 0,4 àm được đ t nhúng chìm trong nước Ngoài chức năng lọc nước, module màng đ t trong mô hình c n giúp lưu giữ b n hoạt tính không bị mất đi trong quá trình xử lý, từ đó thúc đẩy quá trình phát triển của vi sinh vật nitrifiers, qua đó giảm thời gian thích nghi cần thi t của mô hình, giúp mô hình xử lý đạt trạng thái hoạt động ổn định trong thời gian ngắn Thêm vào đó, vi sinh vật PAOs trong ngăn hi u khí – MBR sẽ sử dụng năng lượng từ quá trình oxy hóa PHB để tích lũy phốtpho và tạo ra t bào mới, còn chất hữu cơ được loại bỏ bởi màng lọc thông qua sự phân hủy sinh học đ n từ các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong bể phản ứng và hệ thống màng lọc sinh học có chức năng lọc các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn RT được chọn là 3 tuần (21 ngày), tại ngăn hi u khí – MBR sẽ có 2 d ng tuần hoàn 1 d ng tuần hoàn nitrat về ngăn thi u khí để tăng hàm lượng nitrat và tăng hiệu quả khử nitrat trong mô hình, 1 d ng tuần hoàn về ngăn kỵ khí để giải phóng Phốtpho tích lũy trong PAOs và tăng hiệu quả khử phốtpho trong mô hình, tỷ lệ tuần hoàn từ ngăn hi u khí về ngăn kỵ khí bằng 100% so với lưu lượng đầu vào, tỉ lệ tuần hoàn từ ngăn hi u khí về ngăn thi u khí là 200%(tham khảo [41], [44]) Tại d ng ra lắp một đồng hồ đo áp suất để kiểm soát bẩn màng.

Trình tự thí nghiệm

Quá trình thí nghiệm gồm 2 giai đoạn: giai đoạn thích nghi và giai đoạn tăng tải trọng

Quy trình cụ thể như sau: Khởi động giai đoạn thích nghi ở tải trọng từ 0,2 – 0,3 kgCOD/m 3 ngày Nước thải được bơm ở lưu lượng 2 lít/giờ, tương ứng với HRT là 21 giờ au đó, ti n hành chạy thích nghi với tải trọng tăng dần từ 0,2 đ n 0,3; 0,4 kgCOD/m 3 ngày, tỷ lệ tuần hoàn từ ngăn hi u khí về ngăn kỵ khí bằng 100% so với lưu lượng đầu vào, tỉ lệ tuần hoàn từ ngăn hi u khí về ngăn thi u khí là 200% K t thúc giai đoạn thích nghi, hiệu quả xử lý của mô hình đạt trên 80%, lúc này vi sinh vật đã thích nghi với nước thải đầu vào, b n trong bể AAO đã hoạt động ổn định

Thời gian chạy giai đoạn thích nghi khoảng 3 tháng

Mô hình đã qua giai đoạn thích nghi, đã hoạt động ổn định và xử lý COD tốt Ta bắt đầu giai đoạn tăng tải dần theo 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 kgCOD/m 3 ngày Thời gian vận hành mô hình cho mỗi tải trọng hữu cơ là 21 ngày Với lưu lượng tuần hoàn giống với giai đoạn thích nghi Nồng độ DO trong ngăn kỵ khí được duy trì xấp xỉ bằng 0 mg/l, trong ngăn thi u khí khoảng ≤ 0,5 mg/l, và trong ngăn hi u khí

≥ 3 mg/l Độ pH được duy trì trong khoảng 6,5 – 8,0 Nồng độ đầu vào, HRT và các thông số vận hành khác trong mô hình được duy trì theo bảng sau

Bảng 3.4 Thông số vận hành ở giai đoạn t ng tải

Lưu lượng vào (lít/giờ)

Lưu lượng vào (lít/ngày)

Nồng độ COD đầu vào

Lấy mẫu và phân tích

3.5.1 Vị trí và tần suất lấy mẫu

Ti n hành lấy mẫu định kỳ từ các bể phản ứng và d ng vào, d ng ra, tần suất lấy mẫu là 2 ngày 1 lần, thời gian lấy mẫu cố định là từ 8h00 – 9h00 sáng, các chỉ tiêu phân tích gồm: COD, , NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, TN, TP; một số chỉ tiêu như pH, TMP, lưu lượng bơm được đo trực ti p tại mô hình tại thời điểm cố định trong ngày

Mẫu được chuyển về ph ng thí nghiệm ngay lập tức để phân tích trong ngày

Trong trường hợp cần lưu mẫu, mẫu được trữ trong tủ lạnh

Bảng 3.5 Chỉ tiêu phân tích và tần suất lấy mẫu giai đoạn thích nghi

STT Vị trí Chỉ tiêu phân tích Tần suất

Bảng 3.6 Chỉ tiêu phân tích và tần suất lấy mẫu giai đoạn t ng tải

STT Vị trí Chỉ tiêu phân tích Tần suất

1 Đầu vào COD, SS, NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 – -N, TN,

2 Ngăn kỵ khí COD, NH 4 + -N, NO 2 – -N, NO 3 – -N, TN, TP 2 ngày 3 Ngăn thi u khí COD, NH 4 + -N, NO 2 – -N, NO 3 – -N, TN, TP 2 ngày

4 Ngăn hi u khí COD, NH4 +

-N, NO 2 – -N, NO 3 – -N, TN, TP 2 ngày

5 Đầu ra COD, SS, NH 4 + -N, NO 2 – -N, NO 3 – -N, TN,

3.5.2 Phương pháp phân tích iệc phân tích được thực hiện theo Quy chuẩn iệt Nam k t hợp với Standard

Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, Eaton DA, and A A) tại Ph ng thí nghiệm Chất lượng nước thuộc iện nghiên cứu nuôi trồng thủy sản 2 (116 Nguyễn Đình Chiểu, Phường Đa Kao, Quận 1, Hồ Chí Minh) K t quả được lấy theo giá trị trung bình, tính độ lệch chuẩn bằng phần mềm Excel

Bảng 3.7 Các phương pháp phân tích

STT Chỉ tiêu Phương pháp Đơn vị Thiết bị Nguồn

1 COD Đun hoàn lưu kín, chuẩn độ bằng FA mg/l Tủ nung SMEWW 5220

2 SS ấy mẫu ở nhiệt độ 105 o C, hút ẩm mg/l

Giấy lọc, bình hút chân không, tủ nung, cân

3 NH 4 + -N Ly tâm mẫu, trắc quang ở bước sóng 430 nm mg/l Máy ly tâm, máy so màu Apha – 4500 C

543 nm mg/l Máy so màu Apha – 4500

410 nm mg/l Máy so màu TCVN 4562 –

6 TKN Phá mẫu, chưng cất, chuẩn độ Kjeldahn mg/l B p nung, thi t bị chưng cất

7 TP Phá mẫu, trắc quang ở bước sóng 420 nm mg/l B p nung, máy so màu Apha – 4500 P C

8 SVI Ống đong 1 lít mg/l Ống đong 1 lít, đồng hồ 2710D

9 MLSS ấy mẫu ở nhiệt độ 105 o C, hút ẩm mg/l

Tủ nung 105 0 C, bình hút ẩm, cân phân tích

10 MLVSS Nung mẫu ở nhiệt độ

Tủ nung 550 0 C, bình hút ẩm, cân phân tích