HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN TẤN THÔNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC KỴ KHÍ CHO ĐỒNG XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT THE APPLICATION OF ANAEROBIC MEMB
TỔNG QUAN
Hiện trạng phát sinh chất thải sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam
Tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam đang tăng nhanh kéo theo sự hình thành nhiều đô thị mới ở khắp nơi trên cả nước, dự báo đến năm 2020 dân số đô thị là 44 triệu người, chiếm hơn 45% dân số [10] Gia tăng đô thị hoá cho thấy có những tiềm năng về phát triển kinh tế và chuyển dịch cơ cấu kinh tế giữa các ngành Tuy nhiên bên cạnh những lợi ích kinh tế thì trong quá trình hoạt động, sinh hoạt hàng ngày tại các đô thị con người thải ra lượng lớn chất thải (cao gấp 2 - 3 lần tại nông thôn) vì vậy ảnh hưởng lớn đến môi trường sống xung quanh và áp lực cho công tác quản lý, bảo vệ môi trường tại các đô thị Việt Nam [2]
2.1.1 Chất thải rắn sinh hoạt
Quá trình sản xuất và sinh hoạt con người luôn phát thải ra lượng lớn chất thải sinh hoạt Thống kê BTNMT cho thấy năm 2007 lượng rác phát sinh là 17.682 tấn/ngày thì đến năm 2010 là 26.224 tấn/ngày (tăng 1,48 lần) và dự báo đến năm 2025 là 83.200 tấn/ngày (tăng 4,7 lần) Năm 2009 chỉ số phát sinh chất thải rắn sinh hoạt khoảng 1,0 kg/người.ngày thì đến năm 2015 chỉ số này vào khoảng 1,2 kg/người.ngày và dự báo lượng phát sinh chất thải rắn đô thị sẽ ngày càng tăng nhanh và khó kiểm soát Tại hầu hết các đô thị, khối lượng chất thải rắn sinh hoạt chiếm khoảng 60 - 70%, trong đó thành phần chất hữu cơ chiếm khoảng hơn 60% Ước tính mỗi ngày thải ra khoảng 0,72kg rác hữu cơ/người/ngày.[2]
Hiện nay công tác thu gom chất thải rắn đô thị nước ta chủ yếu ở 2 hình thức: thu gom sơ cấp (người dân tự thu gom rác vào các thùng/túi chứa sau đó được công nhân thu gom vào các thùng rác) và thu gom thứ cấp (thùng rác sẽ được chuyển đến các xe ép rác chuyên dụng và chuyển đến khu xử lý) Trong quá trình thu gom, vận chuyển rác đến khu xử lý tập trung phát sinh nhiều vấn đề: rác chưa được phân loại tại nguồn, quá trình vận chuyển chưa đảm bảo tính an toàn và gây mùi hôi từ phân huỷ chất thải hữu cơ
Công nghệ xử lý chất thải rắn đô thị ở Việt Nam hiện nay tập trung chủ yếu là chôn lấp, đốt hoặc làm phân hữu cơ Công nghệ thiêu đốt tốn kém nhiều năng lượng cung cấp cho lò đốt, thất thoát thành phần hữu cơ, dinh dưỡng có thể thu hồi từ rác thải
5 hữu cơ Bên cạnh đó, việc đốt có nguy cơ tiềm tàng gây ô nhiễm môi trường như phát sinh mùi hôi tại khu vực bãi rác, tạo ra chất thải thứ cấp nếu không đốt hoàn toàn và gây ô nhiễm môi trường lâu dài tại các nơi xử lý Thống kê BTNMT năm 2011 cho thấy cả nước có 98 bãi chôn lấp chất thải tập trung, tuy nhiên chỉ có 16 bãi được xem xét là hợp vệ sinh Phân hữu cơ được sản xuất từ chất thải rắn hữu cơ đô thị chỉ sử dụng được 55 – 60% lượng chất thải đầu vào và phần còn lại mang đi chôn lấp Tuy nhiên chôn lấp rác thải lại đòi hỏi một diện tích bãi rác lớn Do vậy ở các thành phố đông dân cư và đất đai khan hiếm thì công nghệ này trở nên đắt tiền
Chiến lược bảo vệ môi trường quốc gia đến năm 2020 cũng hướng đến mục tiêu giảm thiểu tối đa lượng rác thải chôn lấp và tăng cường tỷ lệ tái chế, tái sử dụng Do vậy cần phải xây dựng và phát triển công nghệ xử lý chất thải rắn phù hợp, hiệu quả trong xử lý chất thải, hạn chế phát sinh chất thải thứ cấp và thu hồi – tái chế chất thải
Năm 2004 không thành phố hay đô thị nào của Việt Nam có hệ thống thu gom hay xử lý nước thải sinh hoạt Năm 2009, chỉ có 6 đô thị xây nhà máy xử lý nước thải tương đương với tổng công suất xử lý dưới 380.000 m 3 /ngày, rất thấp so với lượng nước thải 4,3 triệu m 3 /ngày Đánh giá hoạt động quản lý nước thải đô thị năm 2013 cho thấy Việt Nam đã cải thiện đáng kể vấn đề vệ sinh đô thị, đầu tư phát triển hệ thống thu gom nước thải hiệu quả Tuy vậy vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết như chỉ có 90% hộ gia đình xả nước thải vào bể tự hoại, có 60% hộ gia đình đấu nối vào hệ thống thoát nước công cộng, và thất thoát hơn 10% lượng nước thải chưa được thu gom và xử lý qua các hệ thống xử lý tập trung [11]
Năm 2013 có 17 nhà máy xử lý nước thải đô thị đang hoạt động ở Việt Nam, với tổng công suất thiết kế là 552.000 m 3 /ngày Hầu hết các nhà máy đều áp dụng giải pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí dạng bùn hoạt tính, kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí (A2O), phản ứng theo mẻ (SBR), mương oxy hóa (OD) vốn phù hợp để xử lý nước thải đô thị có nồng độ chất hữu cơ và các thông số ô nhiễm mức độ trung bình Tuy nhiên có 13 nhà máy xử lý nước thải đô thị đang hoạt động với nồng độ chất hữu cơ thấp do hệ thống thu gom nước thải chung với nước mưa Và có 25 trên 32 nhà máy xử lý nước thải đô thị đang xây dựng sử dụng công nghệ bùn hoạt
6 tính với hệ thống thu gom nước thải chung với nước mưa (tính đến tháng 09/2013)
Lẽ ra phải chọn công nghệ xử lý chi phí thấp, xử lý tại chỗ, dễ nâng cấp hệ thống khi có sự thay đổi nồng độ thì việc áp dụng công nghệ bùn hoạt tính làm tốn hao chi phí xây dựng, vận hành, và hệ thống thu gom nước thải chung với nước mưa không những gây tốn kém chi phí đầu tư, vận hành hệ thống xử lý nước thải mà còn làm cho nồng độ ô nhiễm pha loãng, gây khó khăn cho công tác xử lý nước thải
Báo cáo quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội TP HCM năm 2013 cho thấy chỉ có 80% hộ dân đô thị được kết nối hệ thống thoát nước và 60% nước thải sinh hoạt được xử lý Và với số lượng nước sinh hoạt năm 2015 sử dụng đạt 152 lít/người/ngày và dự đoán tăng 170 lít/người/ngày vào năm 2020 sẽ là vấn đề cần quan tâm, xét xét để tìm kiếm giải pháp xử lý nước thải phù hợp tại TP HCM [12].
Công nghệ màng lọc
Bất cứ vật liệu nào hình thành lớp mỏng và có khả năng chịu được áp suất lớn để tách các thành phần trong dung dịch như chất lơ lửng, dung môi, chất hòa tan đều được xem là màng lọc[13] Tách vật chất bằng công nghệ màng là quá trình phân tách vật lý So với những công nghệ khác, công nghệ màng có những ưu điểm là vật liệu phân tách không phải dùng nhiệt, hóa học hay sinh học Công nghệ màng có ứng dụng rộng rãi, từ ứng dụng trong việc tách các chất rắn đơn giản như tách bùn hoạt tính trong xử lý nước thải sinh hoạt đến việc phân tách các vật chất trong phạm vi phân tử như muối trong khử muối có trong nước biển
Màng thường được chế tạo từ cellulose acetate (màng thẩm thấu ngược - RO), polymer hữu cơ, hoặc polymer vô cơ Một số loại polymer hữu cơ sử dụng để sản xuất màng như polysulfone, polyethersulfone, sunfonated polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, cellulosics, polyimide, polyetherimide, aliphatic polyamides, polyetherketone, Màng vô cơ ổn định về mặt hóa học, cơ học và nhiệt nhưng lại dễ gãy vỡ và đắt tiền hơn màng hữu cơ Màng hữu cơ được ứng dụng rộng rãi trong nước thải và nước cấp vì bền hơn, diện tích bề mặt màng lớn, chống bẩn màng tốt
Căn cứ vào kích thước lỗ của màng lọc mà ta chia ra thành các loại màng như: Micro Filtration – MF (kớch thước lỗ màng 0,1 – 1àm) , Ultra Filtration – UF (kớch thước lỗ
7 màng 0,002 – 0,05 m, Nano Filtration – NF (kích thước lỗ màng 2 – 5 nm) và Reverse Omosis – RO (kích thước lỗ màng < 1nm).
Công nghệ màng sinh học kỵ khí
Màng sinh học kỵ khí (AnMBR) được giới thiệu đầu tiên vào năm 1970, được định nghĩa đơn giản là một công nghệ xử lý khi có sự kết hợp giữa quá trình sinh học kỵ khí và màng UF hoặc màng MF do giữ lại được các chất rắn lơ lửng, bao gồm sinh khối lơ lửng và chất rắn trơ Công nghệ AnMBR có thể đóng vai trò quan trọng trong tương lai vì yêu cầu năng lượng, chất dinh dưỡng thấp, sản lượng bùn thải tạo ra thấp và tạo ra được khí sinh học như là nguồn năng lượng tái tạo [14]
Bảng 2.1 Các đặc tính phương pháp sinh học trong xử lý nước thải
STT Đặc tính Hiếu khí Kỵ khí AeMBR AnMBR
1 Hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ Cao Cao Cao Cao
2 Chất lượng nước sau xử lý Cao Rất thấp Tốt Cao 3 Tải trọng hữu cơ xử lý Trung bình Cao Cao Cao
4 Sản lượng bùn thải Cao Thấp Cao Thấp
5 Yêu cầu diện tích Cao Cao Thấp Thấp
6 Lưu giữ sinh khối Thấp Thấp Toàn bộ Toàn bộ
7 Yêu cầu chất dinh dưỡng Cao Thấp Cao Thấp
8 Yêu cầu độ kiềm Thấp Cao Thấp Cao
9 Yêu cầu năng lượng Cao Thấp Cao Thấp
10 Độ nhạy nhiệt độ Thấp Thấp Thấp Thấp
11 Thời gian khởi động 2- 4 tuần 2 - 4 tháng < 1 tuần < 2 tuần
12 Phục hồi năng lượng không Có không Có
Bảng 2.1 So sánh các đặc tính công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học cho thấy việc bổ sung màng lọc vào hệ thống xử lý có thể cải thiện chất lượng nước sau xử lý, tải trọng xử lý cao và lưu giữ được sinh khối so với các công nghệ truyền
8 thống đang áp dụng Hơn nữa việc kết hợp màng và phân huỷ kỵ khí cho thấy được hiệu quả cao, lượng bùn thải, yêu cầu năng lượng thấp và tạo ra nguồn năng lượng sinh học so với công nghệ màng sinh học hiếu khí
Mục tiêu quan trọng nhất đạt được trong quá trình hoạt động công nghệ AnMBR là làm giảm hàm lượng cacbon hữu cơ của nước thải sau xử lý và thu hồi năng lược từ nước thải Tuỳ theo đặc tính của nguồn thải, loại nước thải mà nồng độ COD sẽ có mức giới hạn khác nhau, vì vậy hiệu suất loại bỏ COD cũng thay đổi dao động cao từ 76% - 99% [15]
Nghiên cứu Cheng Wen (1999) sử dụng bể UASB kết hợp với màng lọc trong môi trường xung quanh (12 - 27 0 C) xử lý nước thải đô thị cho thấy hiệu quả loại bỏ COD đạt đến 97%, với nồng độ COD dòng thấm luôn thấp hơn 20 mg/l; tải trọng hữu cơ AnMBR có thể xử lý rất cao đến 12.5 kgCOD/m 3 ngày [16] Ngoài khả năng loại bỏ chất hữu cơ, nghiên cứu Kocadagistan (2007) xử lý nước thải thành phố Erzurum cho thấy AnMBR loại bỏ hiệu quả P-PO4 3- đạt đến 81% và nồng độ Nitơ sau xử lý luôn nằm trong tiêu chuẩn xả thải quốc gia[17] Nghiên cứu Watanabe (2016) đánh giá ảnh hưởng nồng độ cellulose trong nước thải cho thấy hiệu quả loại bỏ COD không có khác biệt đáng kể, tuy nhiên việc tích luỹ nồng độ chất lơ lửng cao do chưa phân huỷ ảnh hưởng đến tốc độ bẩn màng Thêm vào đó, quá trình vận hành thí nghiệm dài cộng đồng vi khuẩn kỵ khí sẽ thay đổi khi nước thải có nồng độ SS cao so với nồng độ SS thấp [18]
Hiệu suất loại bỏ nồng độ chất hữu cơ không những phụ thuộc vào đặc tính dòng chất thải xử lý mà còn phụ thuộc vào điều kiện hoạt động Trong quá trình phân huỷ kỵ khí, mỗi giai đoạn quá trình phân huỷ kỵ khí sẽ yêu cầu khoảng giá trị pH khác nhau, vi khuẩn sản xuất axit yêu cầu giá trị pH 5,5 - 6,5 trong khi đó vi khuẩn sản xuất khí metan yêu cầu pH 6,8 - 7,2 Vì vậy để cho cộng đồng vi khuẩn phân huỷ kỵ khí hoạt động ổn định thì khoảng giá trị pH tối ưu nên duy trì trong khoảng 6,8-7,4 [19] Khi giá trị pH nằm ngoài giá trị hoạt động vi sinh vật nó không những tác động tiêu cực đến sản lượng khí metan mà còn ảnh hưởng đến tính thấm và tuổi thọ màng lọc [15]
9 Pehlivaner (2014) cho rằng nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý AnMBR Hệ thống hoạt động ở điều kiện ưa ấm có nhiều thuận lợi hơn so với điều kiện ưa lạnh và ưa nhiệt khi xem xét hiệu quả loại bỏ COD và sản lượng khí metan Tuy nhiên tại điều kiện ưa nhiệt thì thông lượng dòng thấm sẽ cao hơn so với điều kiện ưa lạnh và ưa ấm [20, 21]
Hu (2006) đánh giá ảnh hưởng thời gian lưu nước (HRT) khác nhau trên các loại màng khác nhau cho thấy hiệu quả loại bỏ COD đối với màng dạng phẳng và màng dạng ống là tương đương nhau, tuy nhiên áp suất chuyển màng (TMP) khi lọc qua màng dạng ống sẽ cao hơn qua màng dạng sợi Hiệu suất loại bỏ COD giảm khi HRT giảm, nồng độ COD hoà tan cao thì chất lượng nước đầu ra sẽ đạt chất lượng cao, hiệu quả loại bỏ sCOD có thể đạt 90% [22] Tuy nhiên nghiên cứu này chưa đánh giá ảnh hưởng HRT tới thông lượng lọc và tính bẩn màng Nghiên cứu Huang (2011) cho thấy HRT và SRT sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quá trình lọc màng và tính bẩn màng mà nồng độ sinh khối bùn và tỷ lệ sản xuất khí sinh học sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp Với HRT quá ngắn hoặc thời gian lưu bùn (SRT) quá dài sẽ không được khuyến cáo vì nồng độ sinh khối bùn cao, nồng độ SMP cao nhưng nồng độ EPS thấp sẽ có tác động tiêu cực đến tắc nghẽn màng Tuy nhiên khi HRT ngắn, nồng độ sinh khối bùn cao, sản lượng sinh khí metan cũng sẽ cao hơn và khi SRT dài cũng sẽ có lợi cho vi khuẩn metan hoá Nghiên cứu Huang (2011) cũng đề xuất việc tối ưu hóa các điều kiện hoạt động HRT và SRT nên được xác định bởi hiệu suất xử lý và tính bẩn màng dựa trên những điều kiện cụ thể [23]
Nghiên cứu Fox (2015) quan sát ảnh hưởng tỉ lệ rửa khí đến thông lượng lọc và TMP đã cho rằng tỷ lệ rửa khí ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý Tỉ lệ rửa khí là một tham số quan trọng cần được xem xét khi thiết kế AnMBR, và quá trình bẩn màng không thể được loại bỏ bằng phương pháp cọ rửa khí [24] Nghiên cứu Robles (2012) đánh ảnh hưởng nồng độ MLSS đến thông lượng lọc cho thấy nồng độ sinh khối bùn sẽ ảnh hưởng mạnh mẽ đến thông lượng lọc và đẩy nhanh quá trình bẩn màng khi nồng độ MLSS cao Ngoài ra giai đoạn nghỉ của màng lọc không ảnh hưởng đến hiệu suất lọc nhưng tần số rửa ngược màng lọc chịu ảnh hưởng do nồng độ MLSS chứa trong bể [25]
10 Bên cạnh việc loại bỏ cacbon hữu cơ, chất dinh dưỡng thì theo nghiên cứu Saddoud (2006) cho thấy AnMBR có thể loại bỏ được các vi khuẩn như: Coliforms, Salmonella, Helminths, Protozoan Vì vậy ứng dụng công nghệ AnMBR cho chất lượng dòng thấm tốt, đáp ứng hướng dẫn của WHO để tái sử dụng trong nông nghiệp về vi khuẩn gây bệnh [26]
2.3.3 Thu hồi năng lượng khí sinh học
Nghiên cứu Xie (2010) nghiên cứu xử lý nước thải bột giấy bằng công nghệ AnMBR cho thấy tiềm năng thu hồi khí metan từ chất hữu cơ có trong nước thải là rất lớn Sản lượng khí Metan có thể đạt cao nhất đến 0,397 m 3 CH4/kgCOD tại nhiệt độ 37°C [27]
Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp sản lượng khí sinh học tạo ra rất thấp và lượng khí metan chiếm tỉ lệ thấp (
