Luận văn thạc sĩ Công nghệ môi trường: Đồng phân hủy kỵ khí chất thải nhà bếp và dòng cô đặc nước thải sinh hoạt theo hướng thu hồi nguồn năng lượng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc Lập — Tự Do — Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Họ và tên học viên: Pham Thị Kim Chi Gidi tính: Nữ Ngày tháng năm sinh: 08 — 03 — 1976 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THỊ KIM CHI

DONG PHAN HUY KY KHÍ CHAT THAI NHÀ BÉP VADONG CO DAC NUOC THAI SINH HOAT THEO HUONG

THU HOI NGUON NANG LUONG

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

Mã số: 608506

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 07 năm 2014

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa —- ĐHQG - Tp.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Nguyễn Phước DânCán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Bùi Xuân ThànhCán bộ cham nhận xét 1: TS Nguyễn Nhu Sang

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Thái Văn Nam

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 30 tháng 07 năm 2014

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 Chủ tịch hội đồng: PGS.TS Trương Thanh Cảnh2 Cán bộ cham phản biện 1: TS Nguyễn Như Sang3 Cán bộ cham phản biện 2: TS Thái Văn Nam4 Ủy viên: PGS.TS Nguyễn Phước Dân

5 Thư ký: TS Đinh Quốc TúcXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HCM CONG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập — Tu do — Hanh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Thị Kim Chi MSHV: 12250599

Ngày, thang, năm sinh: 08-03-1976 Noi sinh: Da NangChuyên ngành: Cong nghệ mỗi trường Mã số: 608506I- TEN DE TÀI: DONG PHAN HUY KY KHÍ CHAT THAI NHÀ BEP VA

DONG CO DAC NUOC THAI SINH HOAT THEO HUONG THU HOINGUON NANG LƯỢNG

IIl- NHIEM VU VA NOI DUNG:Y Khảo sát thành phan tính chất nước thai và chat thai nhà bếp tai canteen

trong khuôn viên Trường ĐHBK Tp HCM.

v Đánh giá đặc tính ban màng và ảnh hưởng ban màng đến tốc độ cô đặcNTSH bang màng vi loc ME

v Phân tích xu hướng biến thiên dòng vật chat tính theo phan trăm hàm lượngCOD trong quá trình cô đặc NTSH bằng màng vi lọc ME

Đánh giá tính khả thi của quan điểm SewagePlus.v_ Khởi động bê ky khí

HI- Ngày giao nhiệm vụ: 24/06/2013IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/05/2014

V- Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Phước DânCán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Bùi Xuân ThànhNội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông

qua.

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỚNG KHOA

LỜI CÁM ƠN

Trong suôt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã nhận duoc nhiêu sự ho trợ

của thầy cô, bạn bè và gia đình.Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Phước Dân và PGS.TSBùi Xuân Thành cùng các trợ lý đã rất tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt quá trìnhthực hiện luận văn này Các thầy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất dé tôi hoàn thành

luận văn.

Xin gửi lời cảm ơn đến thây cô trong Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Trường Đại học Bách Khoa- Đại học Quốc Gia —Tp H6 Chi Minh da truyén datnhững kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

-Tôi cũng cảm ơn tập thé cán bộ quản lý phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường vàTài nguyên - Trường Dai học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia —Tp Hỗ Chi Minh đãnhiệt tình hỗ trợ trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi gửi lời cảm ơn các học viên cao học, các sinh viên đại học đã cùng chia sẽgiúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đên gia đình và người thân đã động viên, ủng

hộ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này

TP HCM, ngày 15 tháng 07 năm 2012

Phạm Thị Kim Chi

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Xử lý nước thải bằng con đường oxy hóa chất hữu cơ tích chứa trong dòng thải đangđược xem xét lại Dựa trên quan điểm tiếp cận thân thiện môi trường đang nhìnnhận quá trình xử lý nước thải không phải ở góc độ là chất thải mà ở góc độ là mộtnguồn tái tạo nước, năng lượng và chất dinh dưỡng Trong nghiên cứu này nước thảiđược cô đặc trực tiếp băng màng vi lọc ở quy mô phòng thí nghiệm nhắm đến giảmthé tích trước khi đưa vào sử dung làm nguồn cơ chất cho quá trình đồng phân hủyky khí kế tiếp có kết hợp với chất thải nhà bếp Đặc tính của dòng nước thải sinhhoạt và chất thải thực phẩm tại canteen trong khuôn viên trường DHBK Tp HCMđược khảo sát Thích nghi bùn ky khí được tiến hành với nguồn đồng co chất nướcthải sinh hoạt và chất thải thực phẩm của canteen Đặc tinh ban màng và ảnh hưởngcủa ban màng được xem xét thông qua tốc độ cô đặc cũng như xu hướng biến thiêndòng vật chất tính theo phần trăm hàm lượng COD được khảo sát Tính khả thi củaquan điểm SewagePlus cũng được bàn luận Kết qua thu được cho thay dòng nướcthải phát sinh tại vị trí thu mẫu có nồng độ COD, TKN, TP ở mức khá thấp khi sosánh với các giá trị điển hình (COD=268+l30mg/L, TKN=26+6mg/L,TP=4.0+1.9mg/L) Dòng thải thực phẩm có tỉ lệ VS/TS khá cao 87.0+13.5% Tuynhiên, thành phần khối lượng ướt cũng như hàm lượng TKN, TP có độ lệch chuẩn

khá lớn Trong giai đoạn thích nghi giá trị TS của bùn ky khí đã phân hủy là8.7+0.7%, tương ứng với tỉ lệ VS/TS là 44.748.3% Trong quá trình lọc màng, hiện

tượng ban màng xảy ra nghiêm trong sau 15 giờ lọc Tại thời điểm đó giá trị TMPchạm đến ngưỡng rất cao ở mức 77.9kPa Tốc độ ban màng trong khoảng thời giantừ 10 đến 15 giờ cũng vươn đến ngưỡng rất lớn (đTMP/d(=11.2kPa/h) Kết quaphân bố trở lực màng cho thay trở lực được cho là có nguyên nhân từ lớp bám bêmặt (R,=94%) thống trỊ tong trở luc màng khi so sánh với trở lực được cho là có

nguyên nhân từ hẹp khe lọc (Rj,=4%) và nguyên nhân từ bản than màng lọc

(R„=2%) Với nồng độ COD nguồn nap gấp 2 lần, tốc độ ban mang tăng xấp xi 14lần trong khoảng thời gian từ lúc khởi động cho đến 6.5 giờ lọc đầu tiên Ban mangđồng nghĩa với sự suy giảm thông lượng dòng thắm do đó thông lượng dòng thắmsuy giảm và chạm đến trạng thái cân bằng động ở mức xấp xỉ 10LMH trong quá

trình lọc màng Giá trị [d(Vp/Vf)/dt] suy giảm từ 2.42% xuống đến 0.06% trongkhoảng thời gian từ 5 giờ cho đến 65 giờ lọc Thời gian lưu HRT của dòng nạp tănggan 2 lần sau thời điểm 15 giờ lọc Phan trăm lượng COD trong dòng đậm đặc bịmat được cho là có nguyên nhân từ quá trình tự phân hủy sinh học cũng như bị lắngđọng trong thành bể và trên bề mặt màng Trong 15 giờ đầu phần trăm lượng CODtrong dòng đậm đặc có dao động theo hướng tăng lên rất ít sau đó giảm dan theothời gian lọc HRT của dòng nạp tăng lên góp phần vào quá trình tự phân hủy sinhhọc lượng COD dòng đậm đặc Với những ước tính lý thuyết cho thấy diện tíchmàng và thé tích bể ky khí cần thiết cho hệ thống xử lý tại nguồn là 2/75m” và945m (chỉ tính riêng phần nước thải chưa tính đến phan thể tích do chất thải thựcphẩm can đến) Trong điều kiện một giải pháp tong thé được áp dụng nhằm giảmban màng, cải thiện tình trạng suy giảm thông lượng hướng đến tăng tốc độ cô đặcthì diện tích màng cũng như thể tích bể ky khí sẽ giảm xuống Tiêm năng mở rộngquy mô thực nghiệm và ứng dụng dòng đậm đặc cho hệ thống xử lý phân tán tạinguồn có thé trở thành khả thi trong tương lai.

ABSTRACTWastewater treatment by oxidizing organic wastes which embedded in wastewaterto carbon dioxide could be considered and opened to question According toenvironmentally-friendly approach which explores this issue not only waste matterbut also renewable resources of water, energy and nutrient In this study, sewagewas up-concentrated by a lab scale direct microfiltration (DMF) to reduce sewagevolume which could be employed as a feedstock for sequential anaerobic digestercoupled with municipal organic solid waste disposal The sewage and food wastecharacterristics in the canteen located in the campus of Ho Chi Minh University ofTechnology was surveyed Anaerobic acclimation was fed by sewage and foodwaste in this canteen Fouling characteristics and its consequences in terms of therate of up-concentration as well as COD mass balance were assessed Feasibility ofSewagePlus concept was also discussed It was found that COD, TKN, and TPconcentration in sewage were relatively low in comparison with typical range

(COD=268+130mg/L, TKN=26+ómg/L, TP=4.0+1.9mg/L) The ratio VS/TS offood waste was noticeably high (VS/TS=87.0413.5%) However, the standarddeviation of wet weight percentage as well as TKN, TP content was relatively large.The TS value and the ratio VS/TS in digested slugde were 8.740.7% and44 7+8.3%, respectively during anaerobic acclimation The fouling membrane wassevere after 15 hours of filtration At that time, the TMP value reached dramaticrange (TMP=77.9kPa) The fouling rate touched drastic value (dTMP/dt=1 1 2kPa/h)during period of filtration from tenth hour to fifteenth hour It was found that theresistance attributed to the cake layer (R.=94%) was dominant resistance incomparison with other resistances caused by pore blocking (R¡„=4%) as well as self-membrane (R„=2%) When feed COD concentration was double, the difference offouling rate was around 14 times during first 6.5 hours The membrane fouling isdefined as the permeate flux decline, therefore, the permeate flux was declined andtouched a pseudo-steady-state around 1OLMH during filtration The [d(Vp/Vf)/dt]was decreased from 2.42% to 0.06% during period of time from fifth hour to sixty-fifth hour The feed HRT risen by 2 times after fifteenth hour of filtration It wasattributed the lost COD percentage to in-situ biodegradation and deposit inside wallsof membrane tank as well as membrane surface Retentate COD percentage movedup a bit during first 15 hours, then followed by a decline The increase in feed HRTcontributed to in-situ biodegradation Together with theoretical estimation, the

membrane surface and anaerobic tank were expected around 2.75m* và 945m’,

respectively in decentralized treatment (waste food is extra) If an integratedstrategy is employed to mitigate membrane fouling as well as permeate flux decline,aiming to increase the rate of up-concentration, the membrane surface area andvolume of anaerobic tank will be less The potential for up-scale and usage ofretentate stream in decentralized treatment might become feasible in future work.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập — Tự Do — Hạnh Phúc

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: Pham Thị Kim Chi Gidi tính: Nữ

Ngày tháng năm sinh: 08 — 03 — 1976 Nơi sinh: Đà Nẵng

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường MSHV: 12250599

Tên đề tài: Đồng phân hủy ky khí dòng cô đặc nước thải và chất thải nhà bếp theo

hướng thu hồi nguồn năng lượngCán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Phước DânCán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Bùi Xuân Thành

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn là do quá trình nghiên cứu của tôi tại phòng thí

nghiệm khoa Môi Trường và Tài nguyên, Trường ĐHBK Tp HCM Những kết quảvà số liệu trong luận văn chưa được ai công bố dưới bất kì hình thức nào Tôi hoàn

toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này.

14.2 Ưu tiên xử lý tại nguƯn - ¿565522 2ES 2E EEEEEEEEErkrkrkrrkrerreee 51.4.3 Tính cấp thiết của quá trình ky khí trong xử lý nước thải sinh hoat 6

0005072171707 7

TOng quan tai GU 02777 -.-‹‹+:1 7

2.1 Hién trang nước thai sinh hoạt tai các đơ thi Việt Nam - 7

2.2 Chất thai ran ở đơ thị Việt Nam .ccccceccscsssccecessecscecesescesecsceceseesevecsceceess 82.3 Tiềm năng nước thải dưới quan điểm chat chuyền tai năng lượng va thuhơi năng lượng trong chu trình sử dụng nước 2-5 s+c+cscs+xscscsceee 132.4 Phục hồi năng lượng CarDOII G G0 re 152.5 Cơ đặc nước thải bang cơng nghệ màng nham đến thu hồi nguồn nănglượng 182.5.1 Qua trình lọc màng - G0000 182.5.2 Ban nh “-:Ữ1+- HH 192.5.3 Gia DAN 8 <:(1 202.5.4 Lọc màng trực tiếp nước thai cccccccccesesesesescssssssesesssssssssseseesseesens 212.6 Đồng phân hủy ky khí nước thai sinh hoạt và chất thai nhà bếp theo hướngthu hồi năng lượng ¿+ 5256292 SE 2393 123933112111 1 2121112111111 1 11111 c 22

Chương Ổ nọ nọ 24Phương pháp nghiên CỨU G90 243.1 Nội dung nghiÊn CỨU -G G000 nọ ke 243.2 Mơ hình và vật liệu -¿- +52 SE SE 1 E9 1 1212151151121 111 1111111111 rk 25

3.2.1 Nước thải và chất thải nhà bếp từ canteen - 555cs+czsscs+2 253.2.2 Bể lọc màng ME - ¿+ 2 SE S121 19 E1 1 151515111111 11 1111111111 xe 26

3.2.3 Bề phân hủy ky khí xáo trộn hoàn toàn . -5- 55+ s+s+czsscs+2 273.24 Điều kiện vận hành - xxx S9 31128 E11 8E cung neo 27

4.1.2 Đặc tính của chất thải nhà bếp + ¿+2 +2+s+E+E£E£E+E£EsEzrrerereee 334.2 Khởi động bể ky Khí - - 525213 1S E5 111215111111 11 1111111111111 ee 344.3 Đặc tính ban màng trong thí nghiệm cô đặc nước thải bang màng vi lọc 354.3.1 _ Biến thiên của áp suất chuyển màng (TMP) qua thời gian lọc 354.3.2 Ảnh hưởng của mức độ 6 nhiễm trong dòng nạp đến biến thiên của giá

trị TMP 37

4.3.3 Phân bố trở lực MAN o.eeeeececccscsesessessscssscsescscssscsesessssssssesesvsssssseseseens 38AA Tốc độ cô đẶC LH TT 11191211 111110111 H111 TT ng 404.5 Cân băng vật chất hữu cơ theo ham lượng COD - 255555s55¿ 4]46 Đánh giá tính khả thi của quan điểm SewagePlus - 55c: 44

Chu Ong n1 46

Kết luận và kiến nghị -. - ¿6E S2 SE 23 1915 5112111111511 11 111171151101 11 11511011110 Ly 465.I KKẾt luận SG S11 1111 11T 11T 11T nung 465.2 Kiến nghị 5 CS tt S1 1 111211 11111111121111 1111011111111 01 111g 47

Tài liệu tham khảO - 6 tt 651191 3E 919121 1E 91119195 111151 111 11112111 1xx ree 48PHU LUC 1 sa 51

DANH MỤC BANGBảng 2.1: Công nghệ xử lý và thông số nước thải của các nhà máy XLNT đô thị tập

trung ở Việt Nam - - - - cọ nọ kh trang 10

Bang 2.2: Thành phan CTR tại các bãi chôn lap ở Việt Nam trang 11Bang 2.3: Chi số phát thai CTR bình quân đầu người tại các đô thi Việt

0 trang 12

Bảng 3.1: Tinh chất nước thải đầu vào thí nghiệm loc màng trang 25Bang 3.2: Thành phan tính chất chat thải nhà bếp . - +: trang 25Bang 3.3: Thông số màng lọcME ¿- + 255552 *2E+EEE£EvEeErxererrrerree trang 27Bang 3.4: Tần suất lay mẫu và thông số phân tích - +: trang 30

Bang 3.5: Phương pháp phân tích các thông sỐ 555 5< s+++<<*2 trang 30

Bang 4.1: Thanh phan chất thải nhà bếp -. - 22 5+c+5+ 52s: trang 33

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đổ quy trình xử lý NTSH trên quan điểm thu hồi tối đa tài

TØUYỀN Q90 10 000v trang 4Hình 2.1: Hiện trạng nước thai đô thị Việt Nam S555 trang 7

Hình 2.2: San sinh và thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nước trang 14Hình 2.3: Các yếu tố ảnh hưởng đến ban màng trong quá trình MBR trang 20Hình 3.1: Sơ đồ nội dung nghiên cứu - + 25552 2 s+s+seze+eseersd trang 24Hình 3.2.a&b: Mẫu chất thải nhà bếp và h6 ga nước thải - trang 26Hình 3.3: Sơ đỗ bề lọc màng ¿2 225252 SE+E2EEE£EtEeEerrkrrrrererree trang 26Hình 3.4: Sơ đồ và hình ảnh bể ky Khí + + 25552 S++*+E+Eczezecesrsred trang 27

Hình 3.5: Thí nghiệm lọc màng MIE - - <5 5G S9 n1 kg trang 28

Hình 4.1: Kết quả khảo sát nồng độ COD, TKN, TP nước thải dòng vào trang 32Hình 4.2: Giá trị TS, tỉ lệ VS/TS bùn đã phân hủy trong giai đoạn khởi động bể ky

30 trang 34

Hình 4.3: Giá trị pH nhiệt độ trong giai đoạn khởi động bể ky khí trang 34Hình 4.4: Biến thiên TMP theo thời gian lọc ¿55s cs+ssesecs2 trang 35Hình 4.5: Mối tương quan giá tri TMP và thông lượng dòng thấm trang 36Hình 4.6: Ảnh hưởng mức độ 6 nhiễm nước thải đầu vào đến giá trị TMP trang 38Hình 4.7: Mối tương quan nồng độ COD dau vào và thời gian giá tri TMP chạm đến

ngưỡng CỰC đại Gv rre trang 38

Hình 4.8: Phân bố trở lực màng ¿ - + +2 ++S2£++x+xz£e+teEerererrerered trang 39Hình 4.9: Mối quan hệ giá trị Vp/Vf, [d(Vp/Vf)/dt] và thông lượng dòngI0 trang 40Hình 4.10: Xu hướng biến thiên cân bang COD của 5 chu kỳ lọc trang 42Hình 4.11: Sự suy giảm COD nước thải đầu vào trong điều kiện không có sục khí

¡2 5 ố.ố d4 trang 43

Hình 4.12: Xu hướng biến thiên cân bằng COD có thu hồi phần COD lăng đọng

COze: CO, equivalent — đương lượng carbon dioxide

CTR: Chat thai ranDESAR: Decentralised Sanitation and Reuse — Hé thong vé sinh va tai su dung tainguon

DHBK: Dai hoc Bach Khoa

DHQG : Dai hoc Quéc giaDME: Direct microfiltration — Quá trình loc trực tiép bang mang vi locEPS: Extracellular polymeric substances — Hợp chat polymer ngoại bào

HRT: Hydraulic retension time — Thời gian lưu nước

J: Joule— Don vị năng lượng MJ=10J] TJ=I0MI PI=I0TJ

MBR: Membrane Bioreactor — Công nghệ sinh học màngME: Microfiltration — Công nghệ vi lọc

NF: Nanofiltration — Cong nghệ lọc nanoNTSH: Nước thải sinh hoạt

RO: Reverse Osmosis — Công nghệ lọc thâm thấu ngượcSRT: Solid retention time — Thời gian lưu chat ranTKN: Total Kjeldahn Nitrogen — Tổng Nitrogen KjeldahnTMP: Transmembrane Pressure — Ap suat qua mangTP: Téng Phospho

Tp HCM: thành phố Hồ Chí Minh

TS: Total solid — Tổng chất rắnTSS: Total suppended solid — Tông chat ran lo lửng

UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket — Công nghệ bùn ky khí dòng chảy

ngược

UF: Ultrafiltration — Công nghệ siêu lọcUTES: Underground thermal energy storage — Năng lượng địa nhiệt chứa trong

nước ngầmVS: Volatile Solid — Chất răn bay hơi

XLNT: Xử lý nước thải

Chương 1Mo đầu

1.1 Giới thiệu

Biến đổi khí hậu đã đặt ra thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng

lượng cũng như giảm phát thải khí nhà kính trong quá trình vận hành xử lý nước

thải Với yêu cau ngày càng cao hơn của các tiêu chuẩn xả thải, van dé đặt ra là vừađạt được những yêu câu của tiêu chuẩn xả thải vừa tiêu thụ năng lượng hiệu quả Vìvậy, tối ưu hóa hiệu quả tiêu thụ năng lượng chưa đủ, nhu cầu trong tương lai cần sựtiếp cận tong thé trong toàn bộ chu trình xử lý nước Trong đó nước thải được xemxét dưới góc độ chất mang năng lượng có tiềm năng thu hồi được [1]

Ngày nay, những đô thị hiện đại nhất được xây dựng cùng với một mạng lưới thoátnước thải ngầm và những nhà máy xử lý nước thải bang phương pháp sinh học hiếukhí quy mô lớn để loại bỏ tat cả thành phan hữu cơ và dinh dưỡng nhằm tạo ra chấtlượng nước phù hợp xả thải hay tái sử dụng Cuối cùng quy trình xử lý hiện tại đã điđến một hệ thống chu trình tuần hoàn nước không bên vững Bởi vì các đô thị luônluôn phát triển hơn, những khía cạnh tiêu cực càng trở nên rõ ràng hơn Thứ nhất,một lượng lớn năng lượng và chất dinh dưỡng sẵn có trong nước thải bị mắt đi Trênthực tế, năng lượng và chất dinh dưỡng là những tài nguyên khan hiếm Thứ hai,năng lượng từ nguồn bên ngoài được sử dụng để cấp vào cho việc vận chuyển và xulý nước thải thành dòng ra vô hại Ngoại trừ những hạn chế về sinh thái, việc xâydựng và duy trì một mạng lưới thoát nước ngầm là cực kỳ tốn kém Thách thứctrong tương lai sẽ dẫn đến một quan điểm mà kết hợp cả ba yếu tố: tái sử dụng tài

nguyên tích chứa trong dòng nước thải, vận hành mạng lưới thoát nước hợp tiêu

chuẩn vệ sinh cùng với chi phí hợp lý [2].Bên cạnh dòng nước thải, những dòng thải khác của chất thải hữu cơ có khả năngphân hủy sinh học cũng được tạo ra Ví dụ, chất thải từ nhà bếp và sân vườn làthường xuyên Ở những vùng chưa có hệ thống thu gom, chất thải hữu cơ thườngđược kết hợp với chat thải khác và được đốt Trong trường hợp có hệ thông thu gomvà vận chuyến, tat cả phần hữu cơ nay cũng thường được ủ mà không thu hồi khí

sinh học tạo ra Thêm vào đó, việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phương tiện vậntải ở những vùng nông thôn gặp khó khăn ở khâu hậu cân, trong khi đó ở vùng đôthị việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phương tiện vận tải có thể gây ra tắt nghẽngiao thông cũng như gây ra van dé nghiêm trọng về mùi [2].

Trong khuôn khô của các dự án SewagePlus, hiệp hội giữa các đối tác nghiên cứuvà các đối tác công nghiệp đã và đang khảo sát một số khái niệm và kỹ thuật sángtạo từ năm 2007 để thu hồi năng lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt được làm

giàu hoặc dòng bùn sinh học từ trạm XLNT Các khái niệm và kỹ thuật được

Verstraete và cộng sự công bố vào năm 2009 Quá trình làm giàu nước thải hoặcdựa trên giai đoạn cô đặc bản thân nước thải (bằng cách ly tâm, lọc màng, tạo bông

sinh học hoặc hóa học) hoặc dựa trên việc trộn nước thải cô đặc hoặc bùn sinh học

và dòng chất thải rắn có khả năng phân hủy sinh học đã được phân loại Dòng chấtthải được làm giàu sau đó được xử lý trong bé phân hủy ky khí sinh methane nhắmđến thu hồi năng lượng [2|

Một quy trình tân tiến mà giúp thu hồi tối đa nước, năng lượng, phân bón vô cơ và

hữu cơ từ nước thải sinh hoạt được trình bày trong Hình 1.1 Nước thai sinh hoạt

ban đầu được tiên xử lý băng biện pháp cơ học (chắn rác, lăng cát, vi loc) để xử lýcát và hạt kích thước lớn trong nước thải Đề cô đặc nước thải có thể áp dụng lọc cátáp lực, tuyển nối, lọc màng, hap thu sinh học hay kết hợp các biện pháp này, nhờ đótạo ra dòng sau xử lý có chất rắn ở trạng thái lơ lửng và keo thấp Điểm cốt yếu làchat lượng dòng ra phải phù hop với yêu cầu đầu vào của UF/RO Do đó, nước sạchlà sản phẩm dau tiên của quy trình tân tiễn này có thé được thu hồi Qua việc ápdụng các kỹ thuật cô đặc, dòng chứa chất ô nhiễm cao được tạo ra Đồng này có thểđược xem là có giá trị trong trường hợp áp dụng giải pháp từ chất thải thành nănglượng Khia cạnh chất lượng phân hủy ky khí được xét đến qua yếu tố thu hồi nănglượng và khả năng xử lý của bùn đã phân hủy Bé phân hủy ky khí xáo trộn hoàntoàn là lựa chọn được ưu tiên và vận hành trong điều kiện ưa 4m dé đảm bảo tốt honquá trình 6n định chất hữu co và kiểm soát vi sinh vật gây bệnh Hơn nữa, chat thảirăn sinh hoạt hữu cơ như chất thải nhà bếp hay chất thải từ việc tỉa cảnh cây đườngphố có thể được nạp kết hợp vào bề phân hủy ky khí để tăng sản lượng biogas nhăm

mang lại hiệu quả kinh tế cho việc đầu tư lắp đặt Đa dạng nguon cơ chất có tácđộng tích cực lên khả năng 6n định quá trình phân hủy Biogas từ bé ky khí được xửlý để loại bỏ H;S trước khi đưa vao thiết bị chuyển biogas thành nhiệt và nănglượng Dé giảm thiểu 6 nhiễm CO», có thé chuyển CO cho trang trại nuôi tảo Dòngsau xử lý của bể ky khí được tách nước bằng biện pháp cơ học như lọc ép, ly tâmtạo thành mùn giàu phospho Bồ sung vôi có thể được áp dụng để tăng hiệu quả táchvà thu lượng phospho trong mùn dưới dạng khả dụng sinh học Phần mùn sau đóđược say khô nhằm giảm van dé mùi và chi phí vận chuyển Bên cạnh dòng ran nàycòn tạo ra dòng lỏng Dòng này chứa phân lớn nitrogen dưới dạng ammonia Dạngnày có thé được thu hồi dưới dạng muối băng tách khí và sau đó rửa acid Giải phápkhác là nitrat hóa ammonia sau đó lọc RO tạo ra nước sau xử lý chất lượng cao.Muối nitrat đậm đặc được chế biến thành phân bón ôn định tự nhiên Bun đã sâykhô có thể xem như nguồn năng lượng qua việc đốt tạo hơi nóng để sản xuất điện.Một kỹ thuật khác là khí hóa tạo nhiên liệu dạng hơi mà có thể được thu hồi bằngthiết bị sản sinh điện và nhiệt kết hợp Nhiệt phân sinh khối thành hơi nước, dầusinh học và than được quan tâm gần đây vì có thé thu lại carbon ở dang than [3] Caitạo đất băng than sinh học không những giúp thu lai carbon mà còn tăng cường tinh

màu mỡ và phì nhiêu của đât [4].

Dũng nước (chiếm phần lớn)

, X nae Nước sạchNước thải ——đằ| Lọc —> Cụ đặc —> | UF/RO >

| \

6 1/Thiết bị nhiột-diộn;

Hạt thụ Phõn hủy Biogas , , ,n ; —> —>

ky khi 2/CO; su dụng cho| trang trại nuụi tảo

Dũngcặn và Lọc băng › Nước chứa oo

bựn tai nhiờu nitrogen ->, Phõn bún đó ụn

(tối đa | định tự nhiờn

Hỡnh 1.1: Sơ đồ quy trỡnh xử ly nước thai sinh hoạt dựa trờn quan điểm SewagePlus thu hồi

tối đa tài nguyờn [3]Trước yờu cầu đặt ra như trờn, đề tài “Đồng phõn hủy ky khớ dũng cụ đặc nước thảisinh hoạt và chất thải nhà bếp theo hướng thu hồi nguồn năng lượng” được tiếnhành nghiờn cứu nhăm chứng minh cơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn của quanđiểm trờn

1.2 Mục tiờu nghiờn cứu

Phỏt triển mụ hỡnh làm giàu nước thải sinh hoạt bằng cỏch cụ đặc bởi màng MEtrước khi đưa vào sử dụng làm cơ chất cho quỏ trỡnh đồng phõn hủy ky khớ kết hợpvới chất thải hữu co nhà bếp theo hướng thu hồi khớ sinh học làm nguồn năng

lượng.1.3 Pham vi nghiờn cứu

Nghiờn cứu nay được tiến hành trờn một mụ hỡnh cụ đặc bằng màng MF quy mụ

phòng thí nghiệm đặt tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài Nguyên, trườngĐHBK Tp HCM.

Đối tượng nghiên cứu là nước thải sinh hoạt cùng với chất thải nhà bếp đã phân loại

từ canteen bên cạnh khu nhà C6 trong khuôn viên trường ĐHBK Tp HCM

Trong nghiên cứu này giai đoạn khởi động bể ky khí được tiễn hành băng chat thảinhà bếp đã phân loại kết hợp với NTSH chưa cô đặc Do thời gian có hạn giai đoạnvận hành bé ky khí với nước thải cô đặc sẽ được triển khai trong công trình nghiêncứu nối tiếp trong tương lai

Đặc tính ban màng và ảnh hưởng của ban màng khi xem xét qua yếu tố tốc độ côđặc và xu hướng biến thiên dòng vật chất hữu cơ tính theo COD được đánh giá.Tính khả thi của công nghệ làm giàu nước thải sinh hoạt theo quan điểmSewagePlus được thảo luận cho trường hợp xử lý ở quy mô phân tán tại nguồn

1.4 Y nghĩa khoa học thực tiễn và tinh mới của đề tài1.4.1 Thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nướcBảo vệ môi trường và quản lý tài nguyên thiên nhiên một cách bền vững được xemlà vấn đề hàng đầu trong toàn bộ hoạt động kinh tế kỹ thuật toàn cầu Công nghệ xửlý nước thải hiện tại không nhăm đến thu hỏi tài nguyên, vì thế không bên vững.Nước thải là một nguồn dồi dào chất hữu cơ vì thế có thé xem như một chất chuyểntải năng lượng Một sự tiếp cận bền vững hơn nhắm đến thu hôi tài nguyên thông

qua công nghệ và giải pháp săn có nên được triên khai áp dụng.

1.42 Ưu tiên xử lý tại nguồnTrong quy trình xử lý truyền thống nước thải được chuyền trong hệ thông cống bởitrọng lực Phần chất thải răn hữu cơ được xe tải đến chỗ xử lý, đốt hay ủ compost

Trong cả hai trường hợp khí nhà kính tạo ra trong quá trình này do quá trình tự lenmen trước khi xử lý.

Hau hết những ứng dung của quy trình xử lý ky khí cho nước thải hiện nay chủ yếulà xử lý cuối đường ông Dé tránh hệ thông công quy mô và hành trình chuyển chatthai dai, người ta đang gia tăng chú ý đối với giải pháp xử lý thân thiện sinh thái

hơn, quy mô nhỏ, tại nguồn, nhắm đến thu hồi tài nguyên (nước, chất dinh dưỡng vànăng lượng) từ chất thải và nước thải.

Bang cách xử lý các chat ô nhiễm ngay gần nguồn phát thải, hệ thống này giúp tiếtkiệm chi phí xây dựng các tuyến công thu gom về nhà máy xử lý nước thải tậptrung, do vậy khả năng trang trải chi phí của hệ thông xử ly phân tán cao hơn

1.4.3 Tinh cấp thiết của quá trình ky khí trong xử lý nước thải sinh hoạtQuá trình ky khí được xem như là công nghệ cốt lõi trong xử lý nước thải sinh hoạtlà khá mới Dé xuất này bắt nguôn từ ý tưởng đối với việc bảo vệ môi trường bềnvững và bảo tổn tài nguyên được ứng dụng trong nước thải và chất thải ran đưa rabởi G Lettinga và cộng sự Đối với dòng thải loãng như là nước thải đô thị, xử lý kykhí chỉ áp dụng ở vùng khí hậu âm của thế giới, nơi mà nhiệt độ của nước năm tronggiới hạn lý tưởng để áp dụng loại quy trình xử ly này Bước dau tiên là làm chonước thải trở nên đặc hơn bằng công nghệ và giải pháp sẵn có để có thể ứng dụng

quá trình ky khí cho xử lý nước thải sinh hoạt.

Chương 2Tổng quan tài liệu

2.1 Hiện trạng nước thải sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam

Khảo sát do World Bank thực hiện năm 2013 cho thấy đa phần các hộ gia đình thựchiện đấu nối vào hệ thông thu gom nước thải để giải quyết nhu cầu thoát dòng nướcthải phát sinh ra khỏi nhà.Trong khi đó, ty lệ dau nối hộ gia đình vào hệ thống thoát

nước công cộng ở các thi trân nhỏ vùng sâu vùng xa, khu vực ven đồ và trong các

đô thị miền Trung lại rất thấp do nền đất chủ yếu là cát cho phép nước tham nướctốt Hiện trạng nước thải tại các đô thị Việt Nam được trình bày trong Hình 2.1

Bề tự hoại có"` y_ ốc II ee tcesce sen ge> "

Tông lượng nước

Bể tự hoại không|_ ;!_ | Ban thải thu

thoátnước | ;!„ | gom an toàn |Š_ - |

vào môi trường

Hình 2.1: Hiện trạng nước thai đô thị Việt Nam [5]

Đến cuối năm 2012, Việt Nam có tong cộng 17 nha máy xử lý nước thải đô thị tậptrung Chi tiết của 17 nhà máy này được trình bày trong Bảng 2.1 Với số lượng nha

máy như vậy khá ít so với con sô trên 87 triệu dân trên cả nước Trong sô đó, 12 nhà

máy được xây dựng ở 3 thành phố là Hà Nội, Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, 5 nhà máy

còn lại nằm rải rác ở các đô thị cấp tỉnh Ngoài ra, hiện nay cả nước có trên 30 dự ánxử lý nước thải đô thị trong quá trình thiết kế hoặc xây dựng Mười trong số mườibảy nhà máy xử lý nước thải đô thị hiện đang áp dụng các công nghệ xử lý chủ yếulà các biến thể khác nhau của công nghệ xử lý bậc 2 với bùn hoạt tính, ví dụ nhưcông nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS), ky khí — thiếu khí — hiếu khí (AzO),

mương oxi hóa (OD) và xử lý sinh học theo mẻ (SBR) Công nghệ xử lý bùn hoạt

tính được áp dụng pho biến trong các nhà máy do JICA tài trợ như Kim Liên, TrúcBach, Bac Thăng Long (ở Hà Nội) và Binh Hưng (ở thành phố Hồ Chí Minh) Bảynhà máy còn lại áp dụng các công nghệ xử lý đơn giản hơn, như hệ thống hồ ky khíphủ bạt (Đà Nẵng), chuỗi hỗ sinh học (Buôn Ma Thuột), bé sục khi/hé hoàn thiện(Bình Hung Hòa — Hồ Chí Minh) và hệ thống bể lang hai vỏ/lọc sinh học nhỏ giọt

(Đà Lạt) Nhìn chung khi vận hành, các công nghệ đơn giản này có chi phí điện

năng, hóa chất, đào tạo và thay thé thiết bị thấp hon so với các hệ thống xử lý bằngbùn hoạt tính nói trên [5] Thành phan 6 nhiém hitu co trong nước thai đầu vào của

17 nhà máy nêu trên khá loãng Vì vậy, giải pháp cô đặc nước thai có tính khả thi

cao khi triển khai áp dụng.Bên cạnh các nhà máy xử lý nước thải tập trung, sơ đồ thoát nước và xử lý nước thảiphân tán tại nguồn phù hợp với các khu vực ven đô, các khu vực có mật độ dân cưthưa, đang ngày càng được áp dụng phổ biến Trong khi phương thức thu gom và xửlý nước thải tập trung được áp dụng ở khu vực nội thành đông đúc, hệ thống quản lýnước thải phân tán tại nguồn tỏ ra phù hợp đối với các khu vực chưa xây dựng đượchệ thống tập trung Sơ đô vệ sinh phân tán tại nguồn mang lại các lợi ích quan tronglà xử lý nước thải và áp dụng các biện pháp kiểm soát 6 nhiễm gần nguồn thải [5].Trường hợp của Tp HCM có tổng lượng NTSH khoảng 1.2 triệu m”/ngày [6].Theo số liệu Tổng cục thông kê, dân số Tp HCM năm 2010 là 7396500 người [7].Có thé suy luận chỉ số phát sinh nước thải bình quân đầu người xấp xi

165L/nguoi.ngay.

2.2 Chất thải ran ở đô thị Việt NamPhát sinh chất thải rắn (CTR) ở đô thị chủ yếu là CTR sinh hoạt chiếm khoảng60% — 70% tổng lượng CTR ở đô thi CTR sinh hoạt phát sinh chủ yếu từ các hộ

gia đình, khu tập thể, trung tâm thương mại, văn phòng, cơ sở nghiên cứu, trườnghọc, chợ, chất thải đường phố v.v Thành phân chủ yếu trong CTR đô thị là chấthữu cơ (rác thực phẩm), chiếm tỷ lệ khá cao từ 60 — 75 % trên tông khối lượngchất thải Bảng 2.2 Chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt tính bình quân trên đầu ngườilớn nhất xảy ra ở các đô thị phát triển du lịch như các thành phố Hạ Long, HộiAn, Da Lat, Ninh Bình Bảng 2.3 Ty trọng nguồn phát sinh CTR tp.HCM cụ thénhư sau: CTR hộ dân chiếm ti trọng 57,91% tổng lượng CTR CTR đường phốchiếm tỉ trọng 14,29% tổng lượng CTR CTR công sở chiếm ti trọng 2,8%tổng lượng CTR CTR chợ chiếm tỉ trọng 13% tổng lượng CTR CTR thươngnghiệp chiếm tỉ trọng 12% tong lượng CTR [8] [9].

Bac Thang Long Chung AzO 8 12 135 l6 6 8 - _ 38 12 54 085 100 QCVN40 2011,A

YênSở Chung SBR 45 6 132 24 5L 10 28 05 34 8 72 65 : QCVN40 2011,BBinh Hung Chung Bùnhoạttnhh 42 3 135 30 103 7 - ¬ ido7 os - 175 QCVN14 2008,B

Bình Hưng Hoa Chung — Hồ sinh học 7% 10 23 50 49 18 179 33 - - - - : QCVN14 2008,BHoaCuong Chung Hồ ky khí 6 31 115 60 59 23 - -_ 23.6 186 19 1.5 : QCVN40 2011,BNgũ Hành Sơn Chung — Hồ ky khí 31 2 6 44 27 16 - -_ 156 129 14 11 : QCVN40 2011,BSơnTrà Chung Hồ ky khí 37 25 6 49 38 19 - -_ 1 14 17 14 : QCVN40 2011,BPhúLộc Chung Hồ ky khí %6 37 169 73 71 23 - -_ 283 214 22 18 : QCVN40 2011,B

Bãi Cháy Chung SBR 36 20 80 32 196 11 13 079 - - | - 13 QCVN40 2011,BHà Khánh Chung SBR 45 23 6 68 41 35 Il | o- - | - 43

DaLat RiêngBểlắng/Lọcnhỏgiot380 l4 604 65 792 82 68 256 95 30 197 9 : QCVN24 2009,BBuôn Ma Thuộc Riêng Chuỗi hd 336 45 564 98 286 76 364 32 937 23 112 43 15000 QCVN24 2009,BBac Giang Chung Muong oxy hoa 90 - 120 25 - - - QCVN 14 2008,B

QCVN 40, cột A 30 75 50 5 20 4 3000QCVN 40, cột B 50 150 100 10 40 6 5000

11Bang 2.2: Thanh phan CTR tại các bãi chôn lap ở Việt Nam [9]Loại chất thải Hà nội Hà nội Hải phòng Hải Phòng Huê Đà Nẵng HCM HCM Bac Ninh

(Nam (Xuân (Tràng (Đình (Thủy (Hòa (Đa Phước)” (Phước (Thị Son)" Son)* Cat)" Vũ)" Phương)" Khánh)" Hiệp" — trấn Hô)”

Xi than 3,10 234 570 6,06 : 0,00 0.44 0,39 :Nguy hại 0,17 0,82 0,05 0,05 : 0,02 0,12 0,05 0,07

Bun 4.34 1,63 2,29 275 1.46 135 292 1,89 :

Các loạ khác Qssg 0.05 1.46 1.14 : 0.03 0.14 0.04 :

100 100 100 100 100 100 100 100

Đô thị loại đặc Hà Nội 0,9 Đô thị Đồng Hới 0,31

biệt Hỗ Chí Minh 0,98 loại 3: Dong Ha 0,6

Hai Phong 0,70 Thanh Hội An 1,08Hạ Long 138 pho Bao Léc 0,9D6 thi Da Nang 0,83 Kon Tum 0,35loại 1: Hué 0,67 Vinh Long 0,9Oho Nha Trang >0,6 Long An 0,7

Da Lat 1,06 Bac Liéu 0,73

Quy Nhon 0,9 Đô thi Tuần Giáo (Điện Biên) 0,7

Buôn Ma Thuột 0,8 loại 4: Séng Céng >0,5

Thị xã (Thái Nguyên)

Đô thị Thái Nguyên >0,5 Từ Sơn (Bắc Ninh) >0,7

loại 2: Việt Trì 1,1 Lâm Thao (Phú Tho) 0,5

Thành :phố Ninh Bình 1,30 Cam Ranh >0,6

My Tho 0,72 Gia Nghĩa (Đắk Nông) 0,35

D6 thi Điện Biên Phủ 0,8 Đồng Xoài 0,91

loại 3: Cao Bằng 0,38 Gò Công (Tiền Giang) 0,73

Thanh Bac Ninh >0,7 Ngã Bay (Hậu Giang) >0,62pho Thai Binh >0,6 D6 thi Tua Chùa (Điện Biên) 0,6

Phú Thọ 0,5 loại 5 Tiền Hải (Thái Bình) >0,6

Thị trân,Thị tứ

Nước và nước thai hay có thé được gọi “nguồn nước”, như là một nguồn có giá trịvì chứa nước, chất dinh dưỡng và năng lượng Tiềm năng sản sinh, phục hồi và lưutrữ năng lượng từ nước gồm:

Carbon hữu cơ (phục hồi năng lượng qua con đường sản sinh biogas)Hơi nóng (phục hồi năng lượng nhiệt từ nước thải)

Năng lượng địa nhiệt chứa trong nước ngầm (UTES).Thu hồi và san sinh năng lượng trong chu trình sử dung nước được trình bày trong

Hình 2.2

Hình 2.2: Sản sinh và thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nước [1]

Trong sơ đồ trên một mặt chỉ ra tiêu thụ năng lượng trong sản xuất nước uống vaxử lý nước thải Mặt khác chỉ ra tiềm năng thu hồi nhiệt năng và hóa năng (chủ yếutừ nhiệt và COD đưa vào trong chu trình sử dụng nước) Năng lượng tiềm năngtrong chu trình sử dụng nước ở Ha Lan gồm:

Phân hủy bùn: hiện tại 95 triệu NmỶ/năm biogas được tạo ra qua quá trình phânhủy bùn, carbon hữu cơ trong nước thải đô thị gần tương đương tiềm năng nănglượng lý thuyết toi đa là 11.900 TJ/năm Tiềm năng tối đa thực tế là 9.400 TJ/nămvì chỉ 80% COD có thé được chuyến hóa thành methane Thu hồi năng lượngcarbon có thể được tối đa hóa băng cách cô đặc carbon hữu cơ và phân hủy bùn tốiđa hay phân loại tại nguồn va xử lý ky khí Kế tiếp quá trình chuyển đổi tối đaCOD thành bùn để phân hủy là quá trình tối đa hóa sản sinh methane từ phân hủybùn và tối đa hóa biến đôi năng lượng và sử dung biogas dé thu được toàn bộ nănglượng carbon tiềm năng trong nước thải

Đốt bùn: đốt trực tiếp chất hữu cơ trong bùn theo lý thuyết sản sinh 4.100 TJ/năm.Tiêm năng tối đa thực tế từ đốt bùn là 1.200 TJ/năm vì phần lớn năng lượng can débốc hơi nước trong bùn Trên thực tế các hệ thông lò đốt bùn vẫn chưa tự cấp được

năng lượng.

Thu hồi nhiệt: nước thai sinh hoạt có nhiệt độ trung bình 27°C, gần tương đươngvới năng lượng tiềm năng tối đa theo lý thuyết là 56.000 TJ/năm Qua việc chuyểnđồi va thu hồi nhiệt từ nước đã được làm ấm, một lượng năng lượng đáng kế có thé

được tiết kiệm và thu hồi từ chu trình tiêu thụ nước Hệ thống trao đối nhiệt củanước vòi sen có thể tiết kiệm 30_40% nhiên liệu sử dụng cho tắm rửa tiềm năngtối đa thực tế của hệ thong thu hôi nhiệt gia đình được ướt tính là 32.000T1J/năm.Thêm vào đó, hơi nóng có thé được thu héi từ nước uống và nước mặt

Lưu trữ năng lượng nhiệt trong nước ngầm: một sự phát triển hứa hen trong tươnglai là sản sinh năng lượng từ UTES và ứng dụng này đang phát triển nhanh chóng.Tiềm năng tối đa thực tế được ước tính là 15.000_30.000TJ/nam ở Hà Lan

Hiến nhiên, thu hồi và sản sinh năng lượng tối đa miêu tả trên sơ d6 chỉ là tiémnăng lý thuyết kèm theo điều kiện giả thuyết chuyền đối và thu hồi hoàn toàn nănglượng Tuy nhiên, tiềm năng trình bày ở trên là nhiều và lớn hơn tổng năng lượngtiêu thụ cho sản xuất nước uống và xử lý nước thải Một phan năng lượng tiémnăng đang được thu héi và khả năng có thé trong việc tối ưu hóa hon là điều thựctế Một chu trình nước cân đối năng lượng tiêu thụ và năng lượng thu hồi là khả thiqua việc khai thác tiềm năng thu hồi hóa năng và nhiệt năng với công nghệ hiệnhữu, kết hợp với nỗ lực hiện tại trong việc cải tiến hiệu quả sử dụng năng lượng[1] Nếu năng lượng tiềm năng hiện diện trong nước thải được thu hồi để tái sửdụng và sử dụng ít năng lượng hơn để xử lý nước thải thì xử lý nước thải có thểthậm chí trở thành nhà máy sản xuất năng lượng ròng [10]

2.4 Phuc hôi năng lượng carbonNước thải là một nguồn déi dào chất hữu co vì thế có thé xem như một chấtchuyên tải năng lượng carbon Trong thực tế hiện tại, tiềm năng của năng lượngnày chỉ được phục hồi một phần Cùng lúc đó, những nha máy xử lý nước thải bùnhoạt tính tiêu thụ lượng đáng kế năng lượng cho sục khí Trong quá trình oxy hóa,năng lượng hóa học hiện diện trong COD bị mất do cấp năng lượng nhiệt cho quátrình trao đôi chất Một phan năng lượng được phục hồi bang quá trình phân hủybùn Phân hủy bùn đã được ứng dụng pho biến tại nhiều công trình xử lý nước thảiở Hà Lan, tạo ra 95 triệu Nm° biogas trong năm 2006 (tương đương với 2.215 TJ).Blogas này được chuyển đôi trong hệ thống kết hợp điện-nhiệt thành điện năng(143 MWh) và hơi nóng (sử dung cho gia nhiệt bể phân hủy ky khí) Nhà máy xử

dụng khí sinh học không chỉ giảm phát thải CH, mà còn đóng góp vào việc giảmđương lượng CO, [1].

Sản sinh methane từ phân hủy ky khí tạo ra 0,35 Nm” CH„/kg COD Giả sử toàn bộphần hữu cơ được chuyến hóa thành CHạ Giá trị năng lượng của CH¿ là 35,9MJ/Nm> (biogas chứa 65% CH¡ có giá trị năng lượng là 21 — 25 MJ/Nm”) Nhưvậy, năng lượng tiềm năng tối đa từ [kg COD xử lý là 0.35 Nm” CH, x 35.9M1I/Nm”= 12,6 MJ [1] Tuy nhiên dưới điều kiện thích hợp, khoảng 80% COD cóthé chuyển thành methane với 0.35 Nm” CH,/kg COD xử lý, thu hồi methane tiềmnăng từ nước thải đô thị được ước tính 0,14 Nm” CHư/mẺ nước thai [3]

Giá trị tiềm năng năng lượng hang năm tối đa theo lý thuyết từ carbon hữu cotrong nước thai đô thị ở Hà Lan (1.928 triệu m' với COD khoảng 946.000 tan) là11.900TJ với điều kiện giả thiết rang tat cả COD trong nước thải được chuyểnthành biogas Do thực tế chỉ có 80% COD có thé chuyền thành methane, tiềm năngtối đa thực tế sẽ là 9.400TJ; cao hơn bốn lần năng giá trị tiềm năng hiện hữu từphân hủy bùn (2.215TJ/năm) Hiến nhiên để đạt được tiềm năng này cần phảichuyển đối tối đa COD thành bùn dé phân hủy, sản sinh tối da methane từ phânhủy bùn, chuyền đối và tận dụng tối da năng lượng từ biogas [1]

Greenfield PF và Batstone DJ [12] đã phân tích nhu cầu năng lượng của nhữngtình huống giả định trường hợp xử lý nước thải khác nhau Và đi đến kết luận rằngphân hủy ky khí đóng vai trò quan trọng với tối thiểu tiêu thụ năng lượng Hơn

nữa, dé sử dụng tối thiểu năng lượng, vận hành nhà máy nước thải nên nham đếntối thiểu hóa cấp nhiệt nội bộ (cho phân hủy bùn), tối đa việc phân hủy và tách chấtran, tối đa sản sinh bùn hoạt tính (thường bang cách giảm tuôi bùn)

Có thể thu hồi tối đa năng lượng carbon trong nước thải băng cách cô đặc carbonhữu cơ để phân hủy ky khí thành biogas Điều này có thé đạt được bang cách: côđặc và tôi đa hóa phân hủy bùn, tách tại nguồn và xử lý ky khí [1]

Nếu có nguồn carbon bên ngoài được cấp vào, như chất thải nhà bếp được cấp vàotrong cụm xử lý tại chỗ qua thiết bị nghiên gia dụng, hay thêm chat thải hữu cơ đôthị vào quá trình phân hủy bùn của hệ thống xử lý tập trung, một chu trình nướcsản sinh năng lượng ròng là khả thi và trong thực tế đã được chứng minh [1]

Vào năm 2009, bốn Hội đồng điều hành ngành nước ở Hà Lan khởi động một dựán nhà máy xử lý nước thải là một nhà máy sản xuất năng lượng

(www.energiefabriek.com) Y tưởng là sử dụng công nghệ săn có, một nhà máy xu

lý nước thải có thể cân bằng năng lượng bang cách tôi đa hóa việc thu hồi nănglượng từ nước thải qua việc phân hủy bùn Điều này cần cải thiện lắng sơ bộ,chuyển đối năng lượng cao hơn của động cơ gas và xử lý riêng nước tách bùn déloại bỏ nitrogen (Sharon-Anammox) Nhà máy xử lý nước thải sản xuất nănglượng trở thành khả thi cùng với ứng dụng của pin nhiên liệu và tiên xử lý bùn

Trong tương lai, dự án tiên đoán sẽ sản sinh năng lượng dư từ bùn qua quá trìnhkhí hóa siêu tới hạn [1].

Một quá trình phát triển hứa hẹn là nêu ra quan điểm vệ sinh mới dựa trên thu gomriêng nước đen hay/và urine Thực té quan diém nay la su tiép cận trong việc côđặc vật chất hữu cơ tại nguồn [1] Hệ thống này cho thay thu được năng lượng hữuích [13] vì ít nước hơn được sử dụng trong dội và chuyền chất thải về nhà máy xửlý tập trung, ít chất hữu cơ và chất dinh dưỡng phải xử lý tại nhà máy xử lý tậptrung, hệ thông xử lý nước đen có thé đạt 38 kg đương lượng CO»z/hộ.năm [14].Dong phân hủy cùng với chất thải nhà bếp sẽ gia tăng năng lượng thu được Honnữa, dinh dưỡng có thể được thu hồi [1]

Thu gom riêng của nước đen băng bôn câu chân không tiêu thụ rất ít nước do chỉcần dội với lượng tối thiểu Nước đen này được phân hủy và xử lý trong bề kết hopUASB-tự hoại Xử lý ky khí trong bể kết hợp UASB-tự hoại là công nghệ trung

tâm của bề kết hợp này và được gọi là quan điểm DESAR (Hệ thống vệ sinh và táisử dụng tại chỗ) Thực nghiệm với sự phân hủy nước đen và chất thải nhà bếp của2.300 cư dân bằng bể UASB tại nhiệt độ 25°C, cho thấy sản sinh năng lượng rònglà 65.700 kWh(nhiét)/nam (tương đương 8.200 Nm” khí thiên nhiên, 80%CH,)cộng thêm 60.450 kWh (điện)/năm [15] Hệ thống này có khả năng chuyển đổikhoảng 40% tải COD thành biogas Biogas sinh ra đủ cấp cho nhu cau gia nhiệt bểphản ứng, lắp bồn cầu chân không và còn lại lượng dư thừa, thậm chí trong trườnghợp điều kiện ky khí không tối ưu Bồ sung thêm chất thải nhà bếp làm tang gapđôi biogas So sánh với hệ thống vệ sinh truyền thống, tong năng lượng tiết kiệm

được là 200 M1/người.năm [16].

Ứng dụng trên quy mô pilot cùng với thu gom riêng nước đen và nước xám tại 32điểm cho thuê ở gần Sneek (Hà Lan) cho thấy răng sản sinh năng lượng ròng quaxử lý nước đen cô đặc là thực sự có thể (tạo ra khoảng 13L/ngay của CH„/người,hay 2,4Nm° CHz/m” nước đen) Hiển nhiên, đưa ra quan điểm vệ sinh mới này yêucầu phải trang bị thêm thiết bị tại nhà và kết quả bị phụ thuộc vào sự chấp nhận vàtriển khai thực hiện trên quy mồ lớn Hiện tại, thử nghiệm tại Sneek đang được mởrộng đến 232 hộ mới [1]

2.5.Cô đặc nước thải bang công nghệ màng nhắm đến thu hồi nguồn năng

lượng

2.5.1 Quá trình lọc màng

Quá trình lọc liên quan đến loại bỏ hạt vật chất lơ lửng trong chất lỏng băng cách chochất lỏng đi qua vật liệu lọc Trong công nghệ lọc màng, kích thước của hạt cần lọcđược mở rộng đến thành phan hòa tan (điển hình từ 0,0001 đến 1,0 pm) Trong đó vaitrò của màng lọc như một tắm chắn có chọn lọc mà sẽ cho phép đi qua một số thànhphân và giữ lại những thành phần khác còn lại hiện diện trong chất lỏng

Thông lượng lọc (J, L/(mˆ.h)) được xác định như sau:

Vp

J — Axt

Trong đó Vp là thể tích dòng thấm (đơn vị L)

Phương trình 2.1

t là thời gian lọc (đơn vi h)

A là diện tích làm việc của màng lọc (đơn vị m2)

Trở lực màng là đại lượng thé hiện mức độ làm cản trở dong thắm qua màng bởi cácthành phan gây cản trở dòng thấm qua màng bao gồm: trở lực do lớp keo, trở lực dolớp bám bé mặt va trở lực bản thân màng (phương trình 3) Phương trình 2 thé hiệnmôi tương quan giữa trở lực màng, thông lượng dòng thấm va áp suất chuyển qua

mang (TMP).

APJ =—

HK, Phuong trinh 2.2

Rt = Rm + Rc + Rf Phuong trinh 2.3Trong đó:

J: Thông lượng dòng thấm (m”/mˆs)AP: Áp suất qua màng (Pa)

yp: Hệ số nhớt (Pa.s)R¿ Trở lực tong (1/m)

Rm: Trở lực bản thân của mang (1/m)

R.: Trở lực của lớp bam bề mặt màng (1/m)

Re: Trở lực do hẹp khe lọc (1/m)

2.5.2 Ban mangBan màng và những anh hưởng của nó đến vận hành và bao dưỡng hệ thống lọc gây rahạn chế trong việc ứng dụng công nghệ màng một cách rộng rãi [17] Vấn đề này đãđược nghiên cứu ké từ thời điểm khởi đầu những ứng dụng của công nghệ mang [18].Đối với quá trình MBR các thông số thiết kế và vận hành có ảnh hưởng lớn đến banmàng Các yếu tô này được phân loại như trong Hình 2.3 bao gồm: đặc tính modulemàng, các chỉ tiêu của sinh khối cũng như nguồn nạp và điều kiện vận hành Nhữngyếu tố trên có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp Tương tác qua lại giữa các yếu tốlàm cho việc hiểu và giải thích ban màng trở nên dan xen phức tap [17]

EPS O O © O

Điều kiện vận hành:

Thông lượng cưỡng bức

Thôi khíCách thức lọcBùn thải (SRT)Lam sạch màng

Hình 2.3: Các yếu tô ảnh hưởng đến ban màng trong quá trình MBR [17]Hiểu rõ hơn về ban mang để hướng đến phát triển những giải pháp thiết kế và vậnhành hiệu quả nhăm kiểm soát ban màng trong ứng dụng MBR [17] Đối với lọc trựctiếp nước thải hiểu rõ về van đề ban màng càng có ý nghĩa hơn dé phát triển giải pháptối ưu trong kiểm soát ban màng nhằm đạt được mục đích thu hồi dòng đậm đặc

2.5.3 Giảm ban màngCác kỹ thuật làm sạch vật lý chủ yếu gồm thôi khí, lọc ngắt quãng, rửa ngược, dộingược có hỗ trợ sục khí Các kỹ thuật này đã được kết hop trong hau hết các quátrình MBR như là những giải pháp vận hành chuẩn dé hạn chế ban màng Thêmvào các giải pháp làm sạch vật lý là các giải pháp làm sạch bằng hóa chất gồm rửangược có tăng cường hóa chất (hằng ngày) hay làm sạch trong giai đoạn bảo trì sửdụng nồng độ hóa chất lớn hon (hang tuân) và rửa với nồng độ tăng cường của hóachất (hang năm) Tuy nhiên nên hạn chế ban màng xảy ra bang cách cải thiện đặctính chống ban màng của chính màng lọc hay vận hành với thông số dưới điều kiệntạo ra ban mang [17]

2.5.4 Lọc màng trực tiếp nước thảiLọc màng trực tiếp nước thải là một công nghệ hứa hẹn ví dụ như nước thải có thểđược cô đặc và sau đó dòng đậm đặc có thé được cấp vào bể phản ứng sinh học (chomục đích sản sinh năng lượng) trong khi dòng thấm được nham đến mục đích tái sửdụng Hệ thống lọc màng rung và hệ thông lọc màng có sục khí được đánh giá là kỹthuật khả thi trong việc thu hồi nước và năng lượng qua việc cô đặc nước thải từ nhàmáy xử lý nước thải đô thị Thí nghiệm lọc được thực hiện với câu hình gồm hai màngnoi tiếp Thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm chứng minh ưu điểm của màng lọcrung so với màng lọc sục khí ở cả hai phương diện chức năng lọc (kiếm soát banmang) và tiêu thụ năng lượng Cả hai hệ thống vi lọc có hiệu quả cô đặc nồng độ CODnhưng không hiệu quả đối với Nitrogen và Phospho Thực nghiệm vận hành pilot bán

liên tục không néu ra ích lợi của quá trình do COD phân hủy sinh học nhanh và nhanh

chóng lang trong bề nạp [19].Thu hồi năng lượng từ nước thải có thể cũng khả thi bằng lọc trực tiếp qua màngnhúng chim Băng cách lọc này, van dé ban màng do tác nhân sinh học trong MBRs[20] [21] [22]c6 thé tránh được vì lượng vi khuẩn hiện diện tương đối thấp trong nướcthải sinh hoạt Giai đoạn cô đặc hiển nhiên là yếu t6 then chốt để triển khai thực hiệnquan điểm này một cách hiệu quả Bởi vì nguồn năng lượng trực tiếp nhất, hữu ích vàđược khai thác một cách phố biến trong nước thải sinh hoạt là phần hữu co Lọc mangcó thể đạt hiệu quả cao khi cả phan có nông độ COD cao được giữ lại và lượng đángkế của nước (dong thắm) chứa lượng hữu cơ thấp được tạo ra [19]

Tuy nhiên, lọc trực tiếp nước thải là van dé khá thách thức và kiểm soát ban màng mộtcách phù hợp là cần thiết Thí nghiệm được thực hiện ví dụ với mang UF rung Tuynhiên thông lượng khá thấp, đầu tư và tiêu thụ năng lượng khá cao [2]

Một nghiên cứu khác thực hiện quá trình lọc màng trực tiếp nước thải đô thị bangmàng sợi rỗng với hai mang gan nối tiếp nhau, vận hành trong điều kiện có rửa ngượctăng cường hóa chất Lọc màng được vận hành trong điều kiện thông lượng tương đốicao trong hơn 200 giờ Việc lựa chọn hóa chất có ảnh hưởng đến lượng hữu cơ thu hồiđược Trong điều kiện vận hành tối ưu nhất thu hồi được khoảng 75% vật chất hữu cơ

[23].

sinh hoạt (nước đen, nước xám) và phân hủy ky khí của dòng nước thải sinh hoạt đậm

đặc nhất (nước đen) kết hợp phan chat thải thải thực phẩm từ nhà bếp Một thé tíchtương đối nhỏ của dòng sau xử lý có thé được tái sử dụng trược tiếp trong b6 sungdinh dưỡng trong nông nghiệp hay được xử lý tiếp khi có yêu cầu cao hơn Xử lý kykhí cũng có thé được ứng dụng cho toàn bộ dòng nước thải sinh hoạt (không táchriêng nước đen và nước xám) Sau khi được xử lý băng cách thức này, có thể xả thảihay sử dụng trong tưới tiêu hay bổ sung dinh dưỡng trong nông nghiệp Hậu xử lý sẽcần thiết và mức độ linh hoạt phụ thuộc vào chất lượng dòng sau xử lý cũng như yêucầu xả thai của địa phương [24] Tuy vậy rất hiếm các nghiên cứu vé đồng phân hủyky khí dòng cô đặc nước thải sinh hoạt băng lọc màng với chất thải nhà bếp Các tácgiả nghiên cứu quá trình đồng phân hủy ky khí của chất thải nhà bếp với nước đentách riêng khỏi nước xám (một biện pháp cô đặc băng cách tách riêng tại nguồn).Một nghiên cứu phân hủy ky khí trong điều kiện ưa 4m của nước đen ham vệ sinhchân không và và chat thải nhà bếp trong bể phản ứng khuấy trộn liên tục được thựchiện Nghiên cứu này thực hiện với ba bể phản ứng thể tích 10L tai HRT là 10, 15 và20 ngày Quá trình phân hủy của nước đen với HRT 20 ngày cho thấy quá trình hoạtđộng 6n định trong điều kiện không có ảnh hưởng ức chế gây ra bởi nồng độ tươngđối cao của ammonium Hiệu quả xử ly COD tổng và COD cặn tương ứng là 61% và53% Sản lượng methane là 10L CH„/người.ngày Việc b6 sung chat thai nhà bếp cảithiện chức năng của bé phan ứng đối với hiệu quả xử lý COD và sản lượng methane.Với thời gian lưu HRT 20 ngày, hiệu quả xử lý COD tổng và COD cặn tăng lên tươngứng là 71% và 67% Sản lượng methane tạo ra là 27L CH„/người.ngày Bé phản ứngvới HRT 15 ngày cho kết quả tương tự Bé phản ứng với thời gian lưu 10 ngày quatrình xử lý ky khí bị giới hạn nhưng đạt đến trạng thái ôn định với nồng độ các acidbéo bay hơi (VFAs) dau ra cao hon, hiệu quả xử ly COD giảm 30-33%, sản lượngmethane giảm 19-21% Với điều kiện giả thuyết chỉ có 65% tải COD từ nước đen

được thu gom trong tòa nhà nên sản lượng methane mong đợi sẽ cao hơn với điều kiệnthu gom 100% nước đen [25].

Chương 3Phương pháp nghiên cứu

3.1 Nội dung nghiên cứu

Trên cơ sở tổng quan tài liệu, trong chương này tập trung vào phương pháp nghiêncứu ứng dụng cô đặc nước thải sinh hoạt băng màng vi loc MF nham tao ra dong damđặc dé sử dung làm ngu6n cơ chat cho quá trình đồng phân hủy ky khí có kết hợp vớichất thải thực phẩm nhà bếp hướng đến thu hồi khí sinh học Nội dung nghiên cứuđược thực hiện gôm:

Nội dung nghiên cứu

bân màng

Khảo sát ảnhhưởng bân màngthông qua hai yêu

tô sau:

1./ Tốc độ cô đặc 2./ Can bang COD

Hình 3.1: So đồ nội dung nghiên cứu

Tính khả thi của quan điểm SewagePlus được đánh giáThành phan, đặc tính chat thai nhà bếp và NTSH được khảo sát tại địa điểm thu mẫu

3.2 Mô hình và vật liệu

3.2.1 Nước thải và chất thải nhà bếp từ canteenNước thải cho nghiên cứu được thu từ cống thoát nước trong nhà thải sinh hoạt củacanteen trong khuôn viên trường ĐHBK Tp HCM Cống này tiếp nhận nước thải từnhà bếp canteen gan khu nhà C6 và nước thai sau bể tự hoại của nha vệ sinh Tại vi trílay mẫu không bị nhiễm nước mưa Tính chất nước thải đầu vào của thí nghiệm trình

bày trong Bang 3.1

Bảng 3.1: Tính chất nước thải đầu vào thí nghiệm lọc màng

Chỉ tiêu Don vịCOD mg/LTKN mg/LTP mg/L

Chat thai nha bếp tir canteen được lấy theo hướng dẫn trong TCVN 9466:2012 (tươngđương ASTM D6009-12) Mỗi lần lay khoảng Ikg Mẫu không bao gồm nước canhthừa và đã được loại bỏ đi các vật thể linh tỉnh như khăn giấy, tăm, xương v.v Cácthông số khảo sát được trình bày trong Bảng 3.2

Bang 3.2: Thanh phan tính chat chất thải nhà bếp

Thành phân Đơn vịCơm và các loại tinh bột qua chê biên (bún, mi ) — % khối lượng ướtThịt cá các loại % khối lượng ướtRau các loại % khối lượng ướtNhững thành phan còn lại (trứng, đậu hũ, tôm ) % khối lượng ướtTổng % khối lượng ướt

TS %

VS/TS %

TKN g/keTP g/ke