Luận văn thạc sĩ Công nghệ môi trường: Ứng dụng hệ thống pilot UMBR-MBR xử lý nước thải y tế

Trang iliBOD:COD:CFV:CAS:DO:FCR:F/M:HRT:HTXLNT :MLSS:MLVSS:MBR:OLR:QCVN 28:SMBR:SRT:SS:SVIs0 :TMP:TP:UMBR: DANH MUC TU VIET TAT Nhu cau oxy sinh hoá Biochemical Oxygen DemandNhu cau oxy

ĐẠI HOC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

-====-

xz[Illx -NGUYEN THUY YEN THO

UNG DUNG HE THONG PILOT UPFLOWMULTI-LAYER BIOREACTOR — MEMBRANE

BIOREACTOR XU LY NƯỚC THAI Y TE

Chuyên ngành: Cong nghệ Môi trường

Mã số : 608506

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS BUI XUAN THÀNH

Cán bộ cham nhận xét Ï : c-cccccccccc se ssa

Cán bộ chấm nhận xét 2 : -.-cccccccc c2 c2 ssa

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 30 tháng 12 năm 2013.

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lýchuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Traassễễễnn

-oQO -Tp HCM, ngày tháng năm 2013

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨHọ va tên học viên: NGUYEN THUY YEN THƠ MSHV: 12250623Ngày/tháng/năm sinh : 11/06/1989 Nơi sinh : Tiền GiangChuyên ngành : CÔNG NGHỆ MOI TRUONG Mã số: 608506

Khoá (Năm trúng tuyến) : 20121- TÊN DE TÀI:

Ứng dụng hệ thống pilot UMBR-MBR xử lý nước thải y tế2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Vận hành hệ thống UMBR-MBR hoạt động với các tỉ số tuần hoàn (IR) lầnlượt là 1,2 và 3 Xác định tỉ lệ tuần hoàn tốt nhất của hệ thống UMBR - MBR

Đánh giá chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra của hệ thống UMBR-MBR ởđiều kiện vận hành khác nhau như trên Các thông số phân tích bao gồm: pH, DO,độ kiềm, COD, BODs, SS, NH¿”-N, NO;-N, NO3-N, TKN, TP, SVl¿o, MLSS,MLVSS, coliform, áp suất chuyển mang (TMP)

Đánh giá đặc tính màng của hệ thống UMBR - MBR tại các điều kiện vận

Trong suôt quá trình thực hiện luận văn Thạc sĩ tôi đã nhận duoc nhiêu sự giúp

đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè.Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến PGS.TS Bùi Xuân Thành đãrất tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Xin gửi lờicảm ơn đến thầy cô trong Khoa Môi Trường - Trường ĐHBK- ĐHQG TP.HCM đãtruyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Ngoài ra tôi cũng cảm ơn các cán bộ quản lý phòng thí nghiệm Khoa MôiTrường -Trường Dai học Bách Khoa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi

trong suốt thời gian thực hiện luận văn.Cuối cùng tôi cũng muốn cảm ơn anh Nguyễn Thanh Tín, Nguyễn Duy Dat ,

Phan Nguyễn Thiện Nhân cùng các bạn Thái Minh Quân, Lưu Vĩnh Phúc,Nguyễn Minh Thuận, Bùi Quang Lâm là sinh viên khóa 2010 và các bạn lớp Caohọc Công Nghệ Môi Trường khóa 2012 đã nhiệt tình giúp đỡ tôi.

Và cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và những ngườithân đã động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi an tâm học tập.rèn luyện trong suốt thời gian qua và có thể hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này

TP HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2013

Nguyễn Thụy Yến Thơ

TÓM TAT

Mục tiêu của dé tài nhằm nghiên cứu hiệu quả xử lý của hệ thống xử lý nướcthải UMBR-MBR cho cơ sở y tế quy mô công suất nhỏ và vừa phù hợp với điềukiện của TPHCM Trong nghiên cứu nay, một hệ thong UMBR-MBR công suất2m”/ngày được vận hành với nước thải y tế tại Bệnh viện Bưu Điện 2 TPHCM Hệthống hoạt động với thời gian lưu bùn như nhau (30 ngày) lần lượt với ba tỉ số tuầnhoàn nội bộ (IR) khác nhau (IR = 1, IR = 2, IR = 3) Nong độ bùn trong be UMBRvà bê MBR lần lượt là 6000mg/L và 4900 mg/L Hệ thống vận hành với tải trọnghữu cơ lần lượt 0.34, 0.7 và 0.31 kgCOD/m ngày Kết qua xử lý trong thời gian 9tháng vận hành hệ thống cho thay chất lượng nước thải sau xử lý có nồng độ trung

bình COD, NH/”-N, NO; -N, TN, TP là 8 mg/L, 0.3 mg/L, 4.5 mg/L, 9.3 mg/L và

2.0 mg/L Hiệu suất xử ly chat hữu co va chất dinh dưỡng 6n định va hệ thốngkhông phải sử dụng các nguồn bồ sung chất hữu cơ hay các hóa chất trợ lắng Qúatrình bân màng của hệ thống diễn ra chậm Trong suốt quá trình nghiên cứu tiễnhành rửa màng hai lần Kết quả cho thấy công nghệ UMBR-MBR có khả năng ápdụng thực tế, phù hợp với những nơi có quỹ đất nhỏ, chất lượng nước sau xử lý rấtcao có thé phục vụ cho mục đích tái sử dụng Chất lượng nước sau xử lý đáp ứngđược với quy chuẩn xả thải đối với nước thải y tế QCVN 28:2010/BTNMT

Characteristics of hospital wastewater: In addition to the usual pollutionfactors such as organic matter, plant and animal oils, bacteria, there are mineral andspecific organic impurities such as drug residues, the disinfectant, the chemicalsolvents, residues of antibiotics, the radioisotopes Hospital wastewaters contains avariety of toxic organic substances such as pharmaceuticals, radionuclides, solventsand disinfectants for medical purposes in a wide range of concentrations due tolaboratory and research activities or medicine excretion This study, a pilot-scale

UMBR-MBR with capacity of 2 m°/day was operated with sludge retention time

(30 days) and three internal recirculation ratio: IR = 1, IR = 2, IR = 3 Sludgeconcentration in UMBR and MBR tank was 6000 mg/L and 4900 mg/L,espectively The system operated at organic loading rates (OLRs) were 0.34, 0.7

and 0.31 kgCOD/m’.day Results, the quality of treated effluent average

concentrations of COD , NH¿'-N , NO3-N , TN , TP were 8 mg/L, 0.3 mg/L, 4.5

mg/L, 9.3 mg/L and 2.0 mg/L, respectively Treatment efficiency of organic matterand nutrients was stable The system should not use additional sources of organicmatter or chemical deposition aid The membrane fouling process of the membranewas slowly Results showed UMBR-MBR technology is capable of practicalapplication, in accordance with the small land, treated water quality is high enoughto serve the purpose of reuse.

Trang i

MỤC LỤC

DANH MUC TU VIET TẮTT < << s99 xxx 242 iiiDANH MỤC BANG - << << << 9.9 0.0 0 09.090 0 vu sex ivDANH MUC 08:10:00 VCHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU < << << << << eEeEeEeSeSeSeseseseseses 11.1 Đặt vấn đỀ cv 111 11v H112 TT HT HT TH ng ng: |

1.2 Mục tiêu nghiÊn CỨU - - G G11 nọ re 21.3 Pham vi nghién CUu 0 2

CHƯƠNG 2 TONG QUAN oviccssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssesesssesssessseseeeseess 42.1 Tổng quan nước thải y 6 ccccccccccccscsscsescscssssssescssscssssescssssssssescsessssssseeseens 42.1.1 Nguén gốc va đặc tinh nước thải y tẾ 5-5 555s+x+x+xresescee 42.1.2 Anh hưởng của nước thải y tẾ - + 252262 E2 £E2EESEEErErkrrrreee 52.1.3 Các công nghệ xử lý nước thải y tẾ -¿ ¿5 c2 +csccecectseerrered 6

2.2 Công nghệ Membrane Bioreactor (MBÏ) - G1 re, 72.2.1 Công nghệ màng, - - 5G 0000010111199 90011 ngờ 7

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ban màng và kiểm soát ban mang

¬ 13

2.3 Một số nghiên cứu về công nghệ MBR - ¿2-5-5 252 S22E+E+£££szeccee 152.3.1 Một số nghiên cứu công nghệ MBR trên thé giới - l52.3.2 Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBR trong nước 20

2.4 Công nghệ UMBR (Up-flow Multi-layer BloreaCfOT) «<< «<< 22

2.4.1 Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ UMBR trên thế giới 232.4.2 Một số nghiên cứu công nghệ UMBR trong nước -. - 262.4.3 Ưu — nhược điểm của hệ thong UMBR-MBR - 5-5 5: 28CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5-5 essevssesesee 32

3.1 Nội dung nghiÊn CỨU G1990 11 re 323.2 Vat Hu nghién CUU na 343.3 Mô hình nghiÊn CỨU - - - << G G0001 11999 0010 gọn re 323.4 Phương pháp khảo Sát - HH re 37

3.4.2 Phương pháp lay mẫu và phân tích - + 2 2 2 s+s+s+£s£zcszs¿ 383.5 Điều kiện vận hành mô hình UMBR-MBR - 2 2 + + s£sxsxsxsesxz 383.5.1 Chế độ vận hành mô hình: - ¿+ - 2s 2 2+E+E+E£kzEzEerkreeree, 383.5.2 Kiểm soát các yếu tô trong quá trình vận hành mô hình 383.6 Lay mẫu và phân tích mẫu hệ thống UMBR-MBR - 5-5-5552 393.7 Phương pháp cân băng ÌNiẨƠ - + SE E123 E212 1112111111 131 cxe, 4CHƯƠNG 4 KET QUÁ VÀ THÁO LUẬN << << sssessssseeeeeeseseses 424.1 Kết quả khảo sát 22 cơ sở y tế trên dia bàn TP.HCM . -<- 424.1.1 Hiện trang sử dụng nước ở 22 cơ SỞ y tẾ 5-ccccc+csxceeeeesree 424.1.2 Hiện trạng HTXLNT của 22 cơ Sở y tẾ - 2525522 2s+c+cz£zrsred 424.1.3 Đề xuất công nghệ xử lý nước thải y tế UMBR-MBR 484.2 Hiệu quả xử lý của hệ thống UMBR-MBR qua các giai đoạn vận hành 48

4.2.1 pH 5G E2E SE 15 1 111515 1111151111515 1111111115111 1511111511111 111111 c0 48

4.2.2 Độ kiỀm G- s11 5191919111 5 5111915113 5111110111 1g ri 504.2.3 Hiệu quả xử ly chất ran lơ lửng (SS) -525ccc+cscecsceccee 51

4.2.4 Hiệu quả xử lý COD -¿-c-c< Set 1E 3 E2 1 1515111151511 11 11 1 ve 524.2.5 Hiệu quả xử lý BODs 2-5-5256 SE E2 E211 121151121 re 544.2.6 Hiệu quả xử lý TN -c- 5< SE t1 v2 1 1513112151111 11 1111 Eecyee 554.2.7 Hiệu quả xử lý TÌP ¿2c SE 2 ESEE 2E E1 1215151111111 xe, 59

4.2.8 Đặc điểm sinh khối . - - + 256526 E2 E111 EEEEEEEEEErErrrrkred 62

PHỤ LỤC

Trang ili

BOD:COD:CFV:CAS:DO:FCR:F/M:HRT:HTXLNT :MLSS:MLVSS:MBR:OLR:QCVN 28:SMBR:SRT:SS:SVIs0 :TMP:TP:UMBR:

DANH MUC TU VIET TAT

Nhu cau oxy sinh hoá (Biochemical Oxygen Demand)Nhu cau oxy hoa hoc (Chemical Oxygen Demand)Vận tốc xuôi dong (Cross Flow Velosity)

Bun hoạt tính truyền thống (Conventional activated sludge)

Oxy hoa tan (Dissolved Oxygen)

Hệ số chuyền hóa thức ăn (Feed Conversion Ratio)

Ty lệ thức ăn / vi sinh vật (Food to Microorganism ratio)Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time)

Hệ thống xử lý nước thảiHàm lượng chất rắn lơ lửng (Mixed Liquor Suspended Solids)Hàm lượng chất rắn bay hơi (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)

Công nghệ sinh học mang (Membrane Bioreactor)Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate)

2010/BTNMT: Quy chuẩn Việt Nam

Màng sinh học nhúng chìm (Submerged membrane bioreactor)Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time)

Chat ran lơ lửng (Suspended Solid)Chỉ số thé tích lang của bun (Sludge Volume Index)Ap suat chuyén mang (Trans-membrane pressure)Tong photpho (Total phosphorus)

Bề loc ki khí dòng chảy ngược da tang bùn (Uplow Multi-Layer Bioreactor)

DANH MUC BANGBang 2.1 Bảng so sánh kích thước của công nghệ xử lý dé nghị với công nghệ truyềnthống (công suất 2 m /ngàyy) - ¿5+ 56 2 SE‡ESEEEE1E12121211132311511 1511151111111 11 1 xe 31

Bang 3.1 Dac tính nước thai vận hành mô hình UMBR-MBR ( Bệnh viện Da KhoaBưu Điện 2 TPHCM), . G- - 2E SE E5 1 3 1511131115 111515 1115111151111 1.1111 rk 33

Bảng 3.2 Thông số thiết kế của hệ thống UMBR-MBR (Dạng bể trụ tròn): 34Bang 3.3 Các thông số của màng MBR - 2252522222 Ekerrrrrrrerrreo 36Bang 3.4 Thông số vận hành cho hệ thong UMBR-MBR .- 22555252552 38Bảng 3.5 Vị trí và tần suất lay mẫu dé làm thí nghiệm -. 5-5 2552552552 39

Bang 3.6 Phương pháp phân tích mẫu - + 2 2252 +2+*+E+E+E+E+E+EeEeEererererererereee 40

Bảng 4.1 Phân loại công nghệ xử lý nước thải của 22 cơ sở y tẾ -. -5ccc5c5c: 43Bảng 4.2 Thành phân và tính chất nước thải đầu vào HTXLNT tại 22 cơ sở y tế khảo

Trang v

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Nguồn gốc nước thải y tẾ ¿-¿- +2 SE SE E£E2EEE 3 E121 11117111 ecxck 4Hình 2.2 Phân loại màng dựa vào hình dạng và cầu tạo màng «+2 9

Hình 2.3 Phân loại mang dựa vào Vi tri đặt màng 5 S33 x2 10

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thong UMBR-MBR 34

Hình 3.2 Mô hình UMBR-MBR đặt tại Bệnh viện Bưu Điện 2 TPHCM (B9, ThànhThái, Quận 10, TP.HCÌM|) G5522 E53 E511 3E11121115112115111115111111 111111111 36Hình 3.3 Màng MBR sử dụng trong mồ hình UMBR-MBER -<<5 37Hình 3.4 Sơ dé tóm tắt các nội dung nghiên cứu + 2 2 2 5+s+s+£z£zezezesree 32Hình 4.1 Tinh chất nước thải đầu vào HTXLNT tại 22 co sở y tế tại TP.HCM 44

Hình 4.2 Tính chất nước thải đầu ra HTXLNT tại 22 cơ sở y tế tại TP.HCM 45

Hình 4.3 Hiệu quả xử lý cao nhất ở mỗi chỉ tiêu trong HTXLNT tại 22 cơ sở y tế .46

Hình 4.4 Sự thay đối giá trị pH theo thời gian vận hành của hệ thống UMBR-MBR 48Hình 4.5 Sự thay đổi giá trị pH theo tỉ số tuần hoàn của hệ thong UMBR-MBR 49

Hình 4.6 Sự thay đối độ kiềm theo thời gian vận hành của hệ thống UMBR-MBR 50

Hình 4.7 Hiệu suất khử SS theo thời gian của hệ thống UMBR-MBR 51

Hình 4.8 Hiệu suất khử COD theo thời gian của hệ thống UMBR-MBR 53

Hình 4.9 Hiệu suất khử COD ở các tỉ số tuần hoàn của hệ thống UMBR-MBR 53

Hình 4.10 Hiệu suất khử BODs theo thời gian của hệ thống UMBR-MBR 55

Hình 4.11 Hiệu suất khử TN theo thời gian của hệ thống UMBR-MBR 56

Hình 4.12 Hiệu suất khử TN tại các tỉ số tuần hoàn của hệ thống UMBR-MBER 56

Hình 4.13 Cân bằng Nitơ cho hệ thống UMBR-MBR - 2 25252 552c+cz£cscs2 58Hình 4.14 Hiệu suất khử TP theo thời gian của hệ thong UMBR-MBR 60

Hình 4.15 Hiệu suất khử TP tại các tỉ số tuần hoàn của hệ thống UMBR-MBR 60

Hình 4.16 Tong hàm lượng MLSS, MLVSS trong bể UMBR 5-55: 62Hình 4.17 Tổng hàm lượng MLSS, MLVSS trong bể MBR ¿55c cs 55c: 63Hình 4.18 Chỉ số SVI be UMBR và bề MBR của hệ thống UMBR-MBR 64

Hình 4.19 Profile bùn bể UMBR - ¿6 SE SE SE E215 1 121212151511 12121111 e0 65Hình 4.20 Biến thiên TMP theo thời gian của hệ thong UMBR-MBR 66

Hinh 4.21 Nông độ đầu ra của COD, TN, TP, NO3-N khi thay đôi tỉ số tuần hoàn 67

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU1.1 Đặt vẫn đề

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, đời sống củangười dân ngày càng được nâng cao dẫn đến nhu cầu khám chữa bệnh và chăm sócsức khỏe của người dân cũng tăng cao Do đó, số lượng, quy mô của các cơ sở y tếcũng gia tăng nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh và chăm sóc sức khỏecủa người dân Bên cạnh những mặt tích cực mà các cơ Sở y tế đem lại thì quá trìnhhoạt động của các cơ sở này cũng xuất hiện những nguy cơ gây ô nhiễm môi trườngtừ việc xả thải nước thải y tế ngày cảng gia tăng

Theo thống kê của Cục Quản lý môi trường y tế Bộ Y tế, hiện cả nước có13.640 cơ sở y tế các loại Mỗi ngày các cơ sở này thải ra môi trường khoảng120.000 mỶ nước thải y tế (chưa tính nước thải của các cơ sở y tế dự phòng, đảo taoy dược, sản xuất thuốc ).Đáng lo ngại là hiện nay mới chỉ có khoảng 53,4% bệnhviện trên cả nước có hệ thống xử lý nước thải y tế Hầu hết các cơ sở y tế dự phòngchưa có hệ thống xử lý nước thai, chủ yếu xử lý sơ bộ bang hóa chất, bé tự hoại

Trên địa bàn Thành Phố H6 Chí Minh có khoảng 108 bệnh viện lớn đang hoạt

động Trong đó, có 21 bệnh viện trực thuộc Trung ương, 31 bệnh viện thuộc Sở Y

tế, 23 bệnh viện thuộc quận, huyện và 33 bệnh viện tư nhân Tuy nhiên, đến nay vẫncòn khoảng 48 bệnh viện xử lý nước thải không đạt chuẩn môi trường và gần 15bệnh viện vẫn chưa đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải y tế Cụ thể, có 6/21bệnh viện thuộc Trung ương nước thải sau xử lý có một số chỉ tiêu không đạt chuẩnmôi trường và 4 bệnh viện không có hệ thống xử lý nước thải Bên cạnh đó, 11/31bệnh viện thuộc Sở Y tế thành phố xử lý nước thải chưa đạt chuẩn và 9 bệnh việnkhác van đang trong giai đoạn đấu thầu xây dựng hệ thống xử lý nước thải Ngoàira, trên địa bàn thành phố có khoảng 285 cơ sở y tế, phòng khám đa khoa, chuyênkhoa, nhưng hau hết là không có hệ thông xử lý nước thải

Nước thải bệnh viện là một trong những mối quan tâm, lo ngại sâu sắc đối với

các nhà quan lý môi trường và xã hội vì chúng có thê gay 6 nhiễm môi trường

Trang 2

nghiêm trọng và nguy hiểm đến đời sống con người Nước thải bệnh viện bao gồmnước thải từ các phòng phẫu thuật, phòng xét nghiệm, phòng thí nghiệm, từ các nhàvệ sinh, khu giặt là có khả năng lan truyền rất mạnh các vi khuẩn gây bệnh, nhấtlà đối với nước thải được xả ra từ những bệnh viện hay những khoa truyền nhiễm,lây nhiễm Vì vậy việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp công nghệ thích hợp dé xử lyhiệu quả nước thải bệnh viện đảm bảo các tiêu chuẩn cho phép khi thải ra môi

trường đã được các nhà làm môi trường trong và ngoài nước quan tam Do đó việc

xử lý nước thải bệnh viện trước khi thải vào nguôn tiếp nhận là một yêu cầu thiếtyếu

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, đề tài “Ứng dụng hệ thống pilot MBR xử lý nước thải y tế” được thực hiện nhằm góp phan tìm ra giải pháp xử lýhiệu quả nước thải bệnh viện, giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường

UMBR-nước khi xả thai.1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của dé tài nhằm nghiên cứu ứng dụng hệ thống xử lý nước thaiUMBR-MBR cho cơ sở y tế quy mô nhỏ và vừa phù hợp với điều kiện của

TPHCM.1.3 Phạm vi nghiên cứu

Khảo sát đặc tính nước thải và điều kiện mặt bang cua 22 co so y tẾ tạiTP.HCM làm tiền dé dé xuất hệ thống xử lý nước thải y tế công suất 2 m /ngày ứngdụng công nghệ lọc ky khí dòng chảy ngược đa tang bùn (Upflow Multi-mediaBioreactor - UMBR) kết hợp công nghệ sinh học màng (Membrane Bioreactor —

MBR).

Mô hình thực nghiệm UMBR-MBR được tiến hành trên quy mô pilot, đặt tại

khu xử lý nước thải của Bệnh viện Bưu Điện 2 TP.HCM.

Hệ thống UMBR-MBR hoạt động với các tỉ số tuần hoàn (IR) lần lượt là 1.2và 3 Xác định tỉ lệ tuần hoàn tốt nhất của hệ thống UMBR - MBR

Đánh giá chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra của hệ thống UMBR-MBR ởđiều kiện vận hành khác nhau như trên Các thông số phân tích bao gồm: pH, DO,độ kiểm, COD, BODs, SS, NH¿'-N, NO;-N, NO3-N, TKN, TP, SVIg0, MLSS,

MLVSS, coliform, áp suất chuyển mang (TMP).

Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình trong điều kiện vận hành thực tế Đánhgiá đặc tính màng của hệ thong UMBR - MBR tại các điều kiện vận hành

Trang 4

CHƯƠNG 2

TONG QUAN2.1 Tong quan nước thai y tế

2.1.1 Nguén gốc và đặc tính nước thai y tế

Khử trùng, tâynhân, công nhân viên

của cơ sở y tÊ

Các cơ sở y tế xả một lượng đáng kế các hóa chất và các tác nhân vi sinh vậttrong nước thải của họ Hóa chất có trong nước thải của các cơ sở y tế thuộc cácnhóm khác nhau, chăng hạn như thuốc kháng sinh, tác nhân tương phản X-quang,thuốc khử trùng va dược phẩm Nhiều thành phan trong số các hợp chất hóa hockhông chịu tác động của những cách xử lý nước thải thông thường Chúng tôn tạitrong nước bề mặt nơi chúng có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh và ảnh

hưởng dén chuôi thức ăn Con người đặc biệt ti¢p xúc nhiêu bởi các nguôn nước

uống sản xuất từ nước bé mặt Tác nhân vi sinh vật được đặc biệt quan tâm là cácchủng vi khuẩn đa kháng (Pauwels và cộng sự, 2006).

Theo kết quả phân tích của Sở Tài Nguyên Môi trường TP.HCM, 80% nướcthải từ các cơ sở y tế là nước thải bình thường (tương tự nước thải sinh hoạt) chỉ có20% là những chất thải nguy hại bao gồm chất thải nhiễm khuẩn từ các bệnh nhân,các sản phẩm của máu, các mẫu chân đoán bị hủy, hóa chất phát sinh từ trong quátrình giải phẫu, lọc mau, hút máu, bảo quan các mẫu xét nghiệm, khử khuẩn Với20% chất thải nguy hại này cũng đủ để các vi trùng gây bệnh lây lan ra môi trườngxung quanh Đặc biệt, nếu các loại thuốc điều trị bệnh ung thư hoặc các sản phẩmchuyển hóa của chúng không được xử lý đúng mà đã xả thải ra bên ngoài sẽ có kha

năng gây quai thai, ung thư cho những người.

2.1.2 Anh hướng của nước thải y tếNước thải bệnh viện chứa các vi sinh vật gây bệnh, dược chất chuyền hóa mộtphan, nguyên tô phóng xạ và các chất độc hại khác Nước thải như vậy nếu khôngđược điều trị đúng cách có thé gay ton hại môi trường tự nhiên và tạo ra một sự matcân bằng sinh học

Anh hưởng đến môi trườngTrong nước thải y tế có chứa một hàm lượng lớn chất dinh dưỡng với thànhphân N, P cao khi thải ra môi trường dễ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, một sốloại tảo sẽ phát triển mạnh sử dụng hết oxi trong nước gây ra hiện tượng thiếu oxicho các sinh vật khác Khi tảo phát triển mạnh trên bề mặt nước sẽ giảm độ chiềusáng xuống các tầng dưới tang nước sâu, giảm khả năng quang hop

Bên cạnh đó trong nước thải bệnh viện chứa một lượng nhỏ dầu mỡ động vật,khi xả vào môi trường đất, nước sẽ tạo một lớp che phủ ở bề mặt ngăn cản sự bésung Oxi vao môi trường đất, nước, ức chế su phát triển các các vi sinh vật

Các chất lơ lửng làm cho nước đục hoặc có độ màu gây mat mĩ quan, hạn chếđộ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống Mặt khác, chất răn lơ lửng lắngxuống với lượng lớn sẽ gây bồi lắng lòng sông, hạn chế sự di chuyền tàu thuyền,

Trang 6

nước có thể gây ứ động sinh môi trường kị khí tạo thành mùi hôi gây ô nhiễm môi

trường.Anh hưởng dén con người

Nước thải từ các phòng phẫu thuật, phòng xét nghiệm, thí nghiệm, từ các nhàvệ sinh, khu giặt tay với những mam bệnh truyền nhiễm nguy hiểm ngày đêmchạy thăng vào hệ thống thoát nước chung của thành phố mà không qua xử lý, tạothành những 6 dịch nguy hiểm

Kim tiêm có thể gây tốn thương, truyền bệnh cho con người nếu không đượcthu gom hợp lý.Chất khử trùng, các hóa chất trong y khoa cũng ảnh hưởng không

nhỏ đên sức khỏe con người, nhât là người sử dụng tiêp xúc với chúng.

2.1.3 Các công nghệ xứ lý nước thải y tế

Ô nhiễm nước bề mặt là một trong những van dé môi trường nghiêm trọngtại các đô thị ở Nepal do việc xả nước thải chưa qua xử lý vào hệ thống sông, biếnchúng thành hệ thống cống rãnh công cộng Nhà máy xử lý nước thải gần nhưkhông ton tại ở đất nước ngoại trừ một vài hệ thống trong thung lũng Kathmandu vàthậm chí cả những hệ thống này cũng không hoạt động tốt Triển khai thành côngmột vài hệ thống đất ngập nước kiến tạo trong ba năm qua đã thu hút sự chú ý đếncông nghệ day hứa hẹn này Một hệ thống đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầmđể xử lý nước thải y tế và một hệ thống khác xử lý nước xám bây giờ đang trở thànhmột mô hình thí điểm của các hệ thống đất ngập nước được xây dựng ở Nepal Bêncạnh các hệ thống này, năm hệ thống đất ngập nước kiến tạo đã được thiết kế vàmột số đang được xây dựng để xử lý nước thải thành phố Pokhara, nước thải trong

Đại học Kathmandu, hai bệnh viện và một trường học Với kinh nghiệm hiện tai,

một số kiến nghị được chỉ ra để thúc đây công nghệ này trong các nước đang pháttriển (Shrestha và cộng sự, 2001)

Hiệu suất của một hệ thống màng phản ứng sinh học ngập nước (MBR) xử lýnước thải y tế được khảo sát Hiệu suất khử COD, NH,*-N, và độ đục là 80, 93 và83% tương ứng với chất lượng nước thải trung bình của COD nhỏ hơn 25 mg/l,

NH¿ˆ-N nhỏ hơn 1,5 mg/l và độ đục nhỏ hơn 3 NTU, Coli Escherichia loại bỏ trên

98% Nước thải không có màu và không có mùi Áp lực màng tăng chậm trong khi

hoạt động 6 tháng Không có hoạt động làm sạch màng thời gian hoạt động 6 tháng(Wen và cộng sự, 2004).

Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải cho các cơ sở y tế là một tháchthức cho các kỹ sư nước thải Một hệ thống thí điểm quy mô tích hợp ky khi-hiéukhí xử lý nước thải y tế được xây dựng và hiệu quả của nó đã được đánh giá Mụcđích của nghiên cứu là việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và giảm đáng kể các vikhuẩn Hệ thông đã hoạt động trong 90 ngày Kết quả cho thay hệ thông có hiệu quảloại bỏ 95,1% nhu cầu oxy hóa học (COD) từ nước thải y tế với COD dau vào đêL1n700 mg/L, và dau ra là 34 mg/L Việc loại bỏ đáng kế các vi khuẩn gây bệnh đã cókết quả sau khi vận hành hệ thong Những lợi thế của hệ thống xử lý nước thảinghiên cứu đối với các dòng nhỏ bao gém: (I) đơn giản trong vận hành và baodưỡng ; (II) hiệu quả loại bỏ COD và vi khuẩn, va (IID) tiêu thụ năng lượng thấp

(Rezaee và cộng sự, 2005).

Ở Trung Quốc, số lượng các bệnh viện đã tăng lên 19.712 vào năm 2008, vớilưu lượng của nước thải y tế đạt 1,29x10” m”/ngày Màng lọc sinh học (MBR) hiệuquả hơn trong việc loại bỏ vi sinh vật bệnh lý so với hệ thống xử ly nước thải truyềnthống Trong 8 năm qua, hơn 50 hệ thống MBR đã được xây dựng thành công xử lýnước thải bệnh viện, với công suất từ 20 - 2000 m /ngày MBR hiệu qua trong việctiết kiệm tiêu thụ chất khử tring (clo thêm vào có thể giảm còn 1.0 mg/L), rút ngăn

thời gian phản ứng (khoảng 1,5 phút, 2,5-5% quá trình xử lý nước thai thông

thường) và đạt được một hiệu ứng tốt với sự ức chế hoạt động các vi sinh vật Hơnnữa, khi công suất của các nhà máy MBR tăng 20-1000 m/ngày, chi phí điều hànhcủa hệ thống giảm mạnh (Liu và cộng su, 2010)

2.2 Công nghệ Membrane Bioreactor (MBR)2.2.1 Công nghệ màng

Màng được định nghĩa như là một lớp phân tách mỏng của hai hoặc nhiềuthành phần của dòng chất lỏng Màng lọc có thể được phân loại theo nhiều cách

pháp sinh học thông thường.

Tiêu biểu cho công nghệ MBR là sự kết hợp giữa quá trình bùn hoạt tính vàmảng loc MF hoặc UF Ưu điểm nỗi trội của MBR là trong quy trình xử lý nướcthải không cần đến lắng thứ cấp (bề lăng 2) và bề lọc

2.2.2 Phan loại màng

Phân loại dựa vào đặc điểm vật liệu của mảng, màng được phân loại thànhmàng vô cơ va màng hữu cơ Mang vo cơ có sự ôn định về hóa học, cơ học và nhiệtđộ nhưng nó lại rất dễ gãy vỡ và đắt tiền hơn màng hữu cơ Màng hữu cơ được ứngdụng rộng rãi trong nước thải và nước cấp vì chúng bền hon và có thé đặt vaomodule tích hợp với diện tích bề mặt cao Màng hữu cơ có độ ôn định tương đối tốtvới hóa học, cơ học và nhiệt độ và nó còn chồng ban tốt hơn mặc dù nó sử dụngpolymer có thé thấm nước (Cheryan, 1998; Aptel và Buckley, 1996)

Màng lọc được phan loại dựa vào cach thức loc: lọc vuông góc va lọc xuôi

dòng Lọc vuông góc làm các hat chất ban sẽ được giữ lại tạo thành lớp bánh bùn vàlớp bùn nay tăng dan theo thời gian làm gia tăng trở lực lọc Điều này đòi hỏi phảithường xuyên rửa lọc và thay màng Đối với lọc xuôi dòng, dòng nước sẽ chảy tiếptuyến với bề mặt màng, hình thành 1 áp suất khác nhau khi qua màng Những hatcòn lại sẽ tiếp tục chạy dọc theo màng Trái ngược với lọc vuông góc, lọc xuôi dòngtránh được việc lớp bùn day hơn vì có gradient vận tốc cao ngay trên bể mặt màngvà làm giảm việc tắc nghẽn cũng như là phân cực hiệu quả

s*_ Phan loại màng dựa vào hình dạng va cđu tao mang

Dựa vào câu tạo và hình dạng của màng người ta chia thành: màng câu tạo

hình ống (Tubular membrane), màng sợi rỗng (Hollow fiber membrane), màng dạngtắm được cuộn tròn (Spiral membrane) và màng dạng khung (Frame membrane).

I†III ——>~« Pema Cr Man] 11111 f—_§$ rome —

mm: 2 1%: 4Ni se a a aman

¬ l ——" fale i = ae OT

Tubular Membrane Configuration : Hollow Fiber Configuration

a) Màng cấu tạo hình ống b) Màng sợi rỗng

(Hollow fiber membrane) (Tubular membrane).

Spiral Membrane Configuration

Oy

c) Mang dang tắm được cuộn tròn d) Màng dạng khung

(Spiral membrane) (Frame membrane)Hình 2.2 Phân loại mang dựa vào hình dạng va cau tạo màng.

s*_ Phan loại mang dựa vào kích thước các lô trên sợi màng

Màng lọc được phân chia thành 4 loại dựa vào kích thước lỗ lọc

Mang vi lọc (Microfiltration MF) có đường kính lỗ giới hạn từ 0.1 — 5 um ứngdụng dé tách các vật chất như vi khuẩn, tế bao máu, tỉnh bột, bột tan và nhiều loạibụi mịn trong nước thải Bởi vì kích thước lỗ màng tương đối lớn nên có thể đượcvận hành dưới điều kiện áp suất thấp Do đó ít yêu cầu về chi phí năng lượng

Màng vi lọc (Microfiltration MF) có đường kính lỗ giới hạn từ 0.1 — 5 um, ứng

dụng dé tách các vật chất như vi khuẩn, tế bao máu, tỉnh bột, bột tan và nhiều loạibụi mịn trong nước thải Bởi vì kích thước lỗ mang tương đối lớn nên có thé đượcvận hành dưới điều kiện áp suất thấp Do đó ít yêu cầu vé chi phí năng lượng

Trang 10

Mang siêu loc (Ultrafiltration UF) có kích thước lỗ từ 0.1 — 0.01 pm, thườngđược sử dụng để tách các phân tử như silica, virus, các nội độc to, protein,plastic Vì kích thước lỗ lọc của mang UF nhỏ hon so với mang MF nên yêu cầuvề áp suất thắm lọc cao hơn

Mang lọc nano (Nanofiltration) có kích thước lỗ giới hạn từ 0.001 — 0.01 um,có thé loại bỏ một số muối, đường và màu tong hợp Tuy nhiên nó không thé loại bỏhầu hết các muối hòa tan và các ion kim loại

Màng thẩm thấu ngược (Reverse osmosis RO) có kích thước lỗ giới hạn từ

0.0001 — 0.001 um, được sử dụng trên qui mô lớn trong lọc và khử trùng nước Đây

là loại màng lọc duy nhất có thể loại bỏ ion kim loại và muối từ nước.Thông thường mang lọc có cau tạo từ polymer tổng hợp, tuy nhiên một số

màng ME và UF được làm từ vật liệu vô cơ như ceramIc.

s*_ Phan loại mang dựa trên cách thiết kế và vận hành màng

Có hai dạng MBR chính được ứng dụng trong các quá trình xử lý nước thải,được phân loại dựa vào vị trí đặt màng, dạng MBR đặt ngập trong nước(Submerged MBR) và dạng đặt bên ngoài không ngập nước (Side-stream MBR).

Nước ra Tuân hoàn———*

Nước vào Nước vao

Hệ thống màng đặt ngoài có hướng dòng chảy song song với màng

(cross-flow), dòng chảy sẽ chảy từ trong ra ngoài (in-side-out), module mang được đặt bên

ngoai bể sinh học va không phụ thuộc vào bể phan ứng, nó là thế hệ đầu tiên của kỹthuật MBR Với hệ thống màng đặt ngập thì dòng chảy có hướng vuông góc vớimàng (dead-end), dòng chảy sẽ đi từ ngoai vào trong (out-side-in), dòng thấm sẽ đi

qua màng và sinh khôi vi khuân sẽ được giữ lại tại bê phản ứng.

MBR có thé ứng dụng với bể hiểu khí và ky khí Công nghệ MBR hiếu khívới bé phản ứng sinh học sử dụng máy thôi khí hay máy nén khí nhăm cung cấplượng oxy cho vi sinh vật hiểu khí hoạt động, duy trì trạng thái lơ lửng của sinhkhối Quá trình MBR ky khí đã được ứng dụng thành công cho xử lý nước thải chứanông độ chất hữu cơ cao hoặc cặn lơ lửng cao MBR ky khí chính là sự kết hợp bểsinh học ky khí với quá trình lọc màng với các lợi thế vốn có của hệ thống ky khínhư sản sinh ra lượng bùn thấp, tận dụng được năng lượng từ sinh khối (khí sinhhọc), bể xử lý có thé khép kín hoan toàn

Công nghệ MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản trong một đơnnguyên: quá trình xử lý sinh học các chất ô nhiễm và quá trình lọc màng để táchsinh khối vi khuẩn trong nước thải Kết hợp quá trình loc mang với xử lý sinh họclàm gia tăng những ưu điểm vốn có của các hệ thống xử lý nước thải bằng biện

pháp sinh học thông thường.

Tiêu biểu cho công nghệ MBR là sự kết hợp giữa quá trình bùn hoạt tinh vamảng loc MF hoặc UF Ưu điểm nỗi trội của MBR là trong quy trình xử lý nướcthải không cần đến lang thứ cấp (bể lang 2) và bề lọc

Quá trình MBR có nhiều ưu điểm hơn so với bùn hoạt tính thông thường Ưuđiểm vượt trội của MBR là chất lượng nước thải sau xử lý rất cao có thé tái sử dụngnước thải, diện tích hệ thống xử ly nhỏ gọn, thời gian lưu bùn dài, lượng bùn sinh rathấp và vận hành linh hoạt (Visvanathan và cộng sự, 2000)

Mục tiêu chính của việc kết hop quá trình màng và bể sinh học là nâng caohiệu suất xử lý của quá trình sinh học để nâng cao chất lượng nước thải sau xử lý.Có nhiều yếu tô cần phải được xem xét để tối ưu hóa hệ thống MBR, bao gồm:nông độ chất ran, tuổi bùn, thời gian lưu nước trong bề sinh học, thông lượng, chi

Trang 12

phí vật liệu và chi phí năng lượng cho màng Thêm vào đó việc xử lý và phương

pháp xử lý bùn thải từ MBR khó tách nước hơn so với bùn từ hệ thống bùn hoạt tínhthông thường nên cũng cần phải xem xét kỹ (Parameshwaran, 1997) Việc tối ưuhóa các yếu tô kế trên sẽ phức tạp vì trong thực tế chúng có mối liên hệ chặt chẽ với

nhau.

2.2.3 Quá trình ban màng (Membrane fouling)Sự ban màng được định nghĩa là sự suy giảm thông lượng dòng thấm đi quamảng và gia tăng trở lực dòng thấm qua mảng, nguyên nhân là do hiện tượng kíchthước lỗ màng bị thu hẹp hoặc bị bít kín bởi sự hình thành bánh bùn bám lên bề mặtcủa màng Ban mang co thé do co ché ly hoc hoac sinh hoc, va bi gia tang boi nôngđộ phân cực từ đó gia tăng nồng độ của chất ban trong vùng tiếp cận với mang Banmàng lý hóa thì tùy thuộc vào đặc trưng riêng biệt của chất liệu và dạng ứng dụngcủa màng, nhưng ban mang do sinh học thi chủ yếu do sự phát triển của vi sinh vật,cụ thé là do hai thành phan chính: proteins và các hạt keo (colloids) Ban màng làhiện tượng cần được Suy xét can thận trong việc thiết kế và vận hành hệ thống mảngbởi vì điều này ảnh hưởng đến: nhu cau tiền xử lý, yêu cầu làm sạch, điều kiện vậnhành, chi phí và hiệu qua xử lý của hệ thống

Fouling : lớp ban hình thành, đôi khi là do hình thành lớp màng sinh học Baogồm oxit kim loại, chất hữu cơ và vô cơ, chất keo, vi khuẩn, vi sinh vật, nông độphân cực Hạn chế sự gây hại cho màng băng cách kiểm soát các chất này (ví dụ,

lọc micro trước khi qua loc RO).

Scaling : sự kết tủa (đóng cau cặn) Bao gồm các canxi sulfate, canxi cacbonat,canxi florua, bari sulfat, hình thành oxit kim loại, silicat Ban màng loại này có théđược giảm bang cách hạn chế hàm lượng muối, thêm axit dé hạn chế sự hình thànhcủa canxi cacbonat, và xử lý bằng các hóa chất khác (ví dụ, thêm chất chống cau

cặn).

Damage : Phá hủy màng Bao gồm các acid, bazơ, pH, vi khuẩn, khí Clo, khíoxy Hạn chế sự phá hủy màng băng cách kiểm soát các chất này Mức độ phá hủyphụ thuộc vào tinh chất của màng

Sự hình thành lớp gel hay bánh bùn trên bể mặt màng là một trường hợp đặcbiệt của nông độ phân cực, do các vật chất tích lũy trên bề mặt mảng và tạo thànhmột lớp ngăn chan không cho dòng thấm qua mang va phụ thuộc vào kích thước 16mảng Nguyên nhân làm tắt lỗ màng còn do các polymer ngoại bảo được tiết ra từ tếbào vi sinh vật (Extracellular polymeric substances - EPS) đi vào lỗ lọc va kết dínhcác vật chất làm cho su ban màng nhanh hơn Những vi khuẩn nhỏ hơn cũng có thé

tập trung lại và làm nghẹt lỗ màng lọc

Một vài chat ban, những vi khuẩn nhỏ và EPS hòa tan cũng vào lỗ màng lọcvà hình thành bức tường ở lỗ lọc, dẫn đến làm giảm diện tích lỗ lọc trên màng vàlàm gia tăng trở lực của mang, cơ chế nay được gọi là làm hẹp 16 mang (Bourgeous

và cộng sự, 2001).

Thông lượng là số lượng vật chất đi qua | đơn vi diện tích màng trên 1 đơn vithời gian và được quyết định bởi lực truyền động và vùng phân giới Trở lực màngvà thông lượng dòng thấm qua màng có sự tương quan với nhau Trở lực màngđược thé hiện bằng áp suất qua màng Với áp suất qua màng va thông lượng mangcao thì sẽ có sự nhanh chóng tích lũy những hạt trên bề mặt màng và hình thành lớpbùn, sau đó thông lượng dòng sẽ không phụ thuộc vào áp suất qua mảng nữa và sẽduy trì không đổi

2.2.4 Các yếu to ảnh hướng đến quá trình ban màng và kiểm soát ban mang

Tai trọng hữu cơ (OLR) và thoi gian lưu nước (HRT)

Gia tăng thông lượng dòng đồng nghĩa với việc gia tăng khả năng sự tương tácgiữa các hạt (tắc nghẽn) trên bé mặt màng Có một vài nghiên cứu về sự ảnh hưởngcủa tải trọng hữu cơ và thời gian lưu nước lên sự bân mang (Yamamoto va cộng su,

1989; Rosenberger va cộng sự, 2006) Giảm HRT có khả năng tang OLR va MLSS.

Đây là anh hưởng trực tiếp lên su ban mang Visvanathan và cộng sự (1997) dé nghịgiảm HRT và kết quả là lớp bánh bùn hình thành nhanh chóng trên bể mặt mang, vìthế áp suất qua màng tăng

Thời gian lưu bùn (SRT)

Thời gian lưu bùn (SRT) hoặc tuổi bùn trực tiếp liên quan đến việc sản sinh rabùn du, va nó ảnh hưởng đáng kế đến quá trình sinh học SRT dài và HRT ngắn có

Trang 14

thể góp phần làm gia tăng sinh khối, điều này làm cho sự phân hủy sinh học diễn radễ dàng đối với những chất khó phân hủy Theo một cách nào đó, điều này có thểgây ra một số tác động không tốt, chăng hạn như độ nhớt bùn cao dẫn đến ban mang(Ueda và cộng sự, 1997) và oxy truyền dẫn thấp và giảm hiệu quả của MBR

Vận tốc dòng chảy xuôi dong (CFV)Vận tốc dòng chảy xuôi dòng trong hệ thống màng nhúng chìm là nguyênnhân chính ảnh hưởng đến sự ban mang Vận tốc xuôi dòng đủ để ngăn chặn sự ban

màng va vận hành với thời gian dai (Liu và cộng sự, 2002) CFV là ảnh hưởng

chính trong số các yếu tô khác như tỷ lệ sục khí, cau trúc bể phản ứng và độ nhớtcủa chất lỏng CFV được tạo ra bởi sục khí không chỉ cung cấp oxy cho sinh khối,ma còn duy trì khả năng lơ lửng của bùn, làm sạch bé mặt mảng và loại bỏ sự banmảng Dé làm giảm sự kết tủa của bùn lơ lửng trên bề mặt mang, vận tốc xuôi dòngcó thé được cung cấp bởi bơm tuân hoan

Chế độ sục khíGia tăng chế độ sục khí va vận tốc xuôi dòng (CFV) làm giảm ban màng vàgia tăng thông lượng dòng tham Hwang va cộng sự (2002) đề nghị tỉ lệ sục khí từ 2đến 4 L/phút với 5.6 g/L bùn, và áp suất 50 kPa gia tăng thông lượng dòng từ 10 lên13 L/mẺ.h Sục khí càng mạnh thì hiệu quả lọc càng cao

Nông độ sinh khối (MLSS)Nông độ sinh khối có ảnh hưởng đến sự ban mang và hiệu quả của MBRnhúng chìm (chiều dày lớp bánh bùn và độ nhớt) Những điều này ảnh hưởng lên sựtuần hoàn bùn, bởi vì có sự thay đổi chế độ thủy lực và ứng suất trượt trên bề mặt

lọc lớp bánh bùn (Stephenson và cộng sự, 2000).

Thêm vào đó, sự ban mang diễn ra trong MBR do ba nguyên nhân: sự tích lũycác hạt bùn, sự bám dính của các phân tử lớn, bít lỗ lọc Sự tích lũy các hạt bùnđược xem là nguyên nhân chính gây nên sự tắc nghẽn của màng lọc (Guo và cộng

sự, 2002).Kích thước hạt và bông bùnKwon và Vigneswaran (1998) nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hat và

diện tích bé mặt lên thông lượng dòng của màng vi lọc dòng chảy xuôi dòng

Nghiên cứu cho thấy hiện tượng ban màng va sự gia tăng trở lực có liên quan đếnsự tích lũy của các hạt khi các hạt có kích thước gân bang với kích thước của lỗ lọc.Các hạt có kích thước lớn thì không tích lũy trên bé mặt màng và không làm giatăng TMP Bai và Leow (2002) cho rang các hạt có kích thước nhỏ là nguyên nhângây ra ban màng.

Kiểm soát bẩn màngTiêu biểu có 3 phương pháp tiếp cận được sử dụng để kiểm soát ban màng:(1) tiền xử lý nước thải đầu vào, (2) rửa ngược màng và (3) rửa màng băng hóachất Tiền xử lý được dùng giảm hàm lượng TSS và vi khuẩn của nước thải đầuvào Thông thường nước cấp vào sẽ được tạo điều kiện hóa học phù hợp nhằm hạnchế kết tủa hóa học xảy ra trong màng Phương pháp được sử dụng pho biến nhất làrửa nguge bang nước sạch và/hoặc khong khí để loại bỏ các vật chất bám trên bềmặt mang Xử lý bang hóa chất được sử dụng dé loại bỏ các yếu tố hình thành màkhông được loại bỏ trong quá trình rửa ngược thông thường Các chất kết tủa có théđược xử lý bang cách thay đối thành phần hóa học của nước đầu vào và xử lý banghóa chất

Ngoài ra, có thé kiểm soát ban mang bang cách kiểm soát các điều kiện vậnhành (HRT, thông lượng, nông độ bùn, OLR, SRT, chế độ sục khí ) nhằm lựa

chọn những cách phù hợp, có hiệu quả cho từng trường hợp áp dụng quá trình màngxử ly nước thải.

2.3 Một số nghiên cứu về công nghệ MBR2.3.1 Một số nghiên cứu công nghệ MBR trên thé giới

Hệ thống MBR có thể được vận hành trong thời gian lưu bùn (SRT) dài (5-50ngày) với MLSS cao trong bể phản ứng và ty số F/M thấp (Visvanathan và cộng su,

2000) MBR có khả năng nitrat hóa cao hơn quá trình bùn hoạt tính thông thường

(CAS) vì thời gian cho vi khuẩn nitrat hóa lâu hơn (SRT dài, F/M thấp) và kíchthước bông bùn nhỏ hơn Bông bùn nhỏ hơn cho phép quá trình chuyển hóa chấtđịnh dưỡng và oxy vào trong nhiều hơn (Gender và cộng sự, 2000) Sự hiện diệncủa màng lọc trong bề MBR ngăn ngừa sự rửa trồi vi sinh vật nitrat hóa tại thời

Trang l6

điểm SRT và HRT ngăn (Soriano và cộng sự, 2003) và khuyến khích sự tăng dầncủa chỉ số tăng trưởng chậm của vi sinh vật, chăng hạn vi khuẩn nitrat hóa, và lượngbùn sinh ra rất ít (Muller và cộng sự, 1995; Trouve và cộng sự, 1994; Cicek va cộngsự, 2001) cho thay quá trình nitrat hóa chậm dan sau 2 ngày lưu bùn, một phan vikhuẩn nitrat bị mat đi Với tải trọng nito trong khoảng 0,1- 3,3 kg NH¿”-N/m”.ngàyvới nông độ DO khoảng | mg/L, hiệu qua khử NH¿”-N dat hơn 90% (Chiemchaisrivà cộng sự, 1992) Hiệu quả khử chất hữu cơ thường cao hơn 95% với HRT ngăn

(Holler và cộng sự, 2001; Soriano và cộng sự, 2003) Trong báo cáo của Soriano vacộng sự (2003), hiệu quả khử cacbon và nito trong MBR cao hơn trong CAS, với

thời gian SRT ngăn

Một loạt các thí nghiệm quy m6 trong phòng thí nghiệm đã được thực hiện bởi

Yamamoto và cộng sự (1989) để xác định tính khả thi của việc đặt màng trực tiếptrong một bề sục khí bùn hoạt tính Nghiên cứu được thực hiện với một màng dạngsợi với kích thước lỗ rỗng 0,1 pm, thí nghiệm ngăn hạn với nồng độ MLSS liên tụccho thấy áp lực hút cao (80 kPa) đã dẫn tới thông lượng giảm nhanh chóng Trong

thời gian thử nghiệm lâu dài, do lực hút qua module màng mạnh nền liên tục gây ra

tac nghẽn và đặc biệt áp lực gia tăng lên đến 100 kPa Một thông lượng 6n định đãđược quan sát trong 120 ngày tại một tải trọng thé tích là 1,5 kg COD/m ngày sửdụng hút liên tục tại một áp suất thấp là 13 kPa COD loại bỏ hơn 90% và sục khíliên tục Tuy nhiên, loại bỏ nitrate khác biệt đáng kế trên 80% và hiệu quả khử nitơtrong khoảng 20-60% Từ những phân tích sự ảnh hưởng của nối bọt khí trên bémặt, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng màng có khả năng loại bỏ hoàn toànCOD dạng hòa tan và dạng keo Trong quá trình hoạt động trạng thái ôn định, tỉ số

F/M là 0,1 kgCOID/kgMLSS.ngày và tải trọng hữu cơ đã được ước tính khoảng 3-4

kgCOD/m”.ngày dé duy trì cả hai thông lượng ổn định trong điều kiện hiếu khí

Chiemchaisri (1990) nghiên cứu một quá trình bùn hoạt tính với một module

mang với lỗ rỗng là 0,1 wm dé xử lí nước thải sinh hoạt với nông độ thấp Một sự sosánh được thực hiện bang hiệu suất của các bể phản ứng màng trong các điều kiệnvận hành khác nhau, chăng hạn như không có khí và có khí, với thời gian lưu nước

(HRT) khác nhau là 1, 3, và 6 giờ (với thông lượng màng tương ứng 4.17, 1.38, và

0.7 L/m”.h) Quá trình hoạt động này được khai thác liên tục, 10:10 phút thời gianhoạt động Các máy khuấy từ được sử dụng trong điều kiện không cung cấp khí đểgiữ MLSS luôn ở trong trạng thái lơ lửng Các bé phản ứng không có khí đã có mộtlợi thé hon các bề hoạt động với điều kiện có khí tai HRTs ban đầu là 3h và 6h, bởivì năng lượng thấp hơn được yêu cầu phải cung cấp cho chất lượng nước thải tươngtự và 6n định quá trình Tuy nhiên, tai HRT 1h (hoặc với thông lượng mang caohơn, 4,17 L/m?.h) việc cung cấp khí là cần thiết để ngăn ngừa tắc nghẽn màng.Thông lượng 4,17 L/m”.h có vẻ là một giá trị ranh giới quan trọng giữa điều kiệngây tắc nghẽn mang và không tac nghẽn màng Tại thông lượng thấp hơn, không cóhiện tượng ban mang với điều kiện hệ thống được cung cấp khí Chất lượng nướcthấm qua mảng có giá trị COD là độc lập với tải trọng hữu co trong khoảng 0,2-2kgCOD/m”.ngày Do thời gian lưu bun dai (SRT) quá trình được ôn định và ia triCOD tương tự trong tat cả các điều kiện thí nghiệm

Quá trình lọc mảng trực tiếp sử dụng loại màng hollow fiber đặt trong hệthống bùn hoạt tính được nghiên cứu trong mô hình thí nghiệm (Chiemchasri vàcộng sự, 1992) Hệ thống bao gồm 2 phân, bề sục khí chính và đơn nguyên lọc Đơnnguyên lọc với thé tích 10 L được nhúng chìm trong bề sục khí, có thé tích là 62 L

Hai module màng hollow fiber có kích thước lỗ màng là 0,1 um, diện tích mỗi

module là 0.3 mˆ được lắp trong đơn nguyên lọc Cánh khuấy được điều khiển bởimô tơ tạo thành dòng cross-flow của hỗn hợp chat lỏng đi xuyên qua bé mặt mangvới tốc độ 290 rpm trong chu kì 10 giây theo các hướng so le nhau Bằng cách cungcấp những điều kiện hỗn loạn cao trong vùng lọc kết hợp với thôi khí bên trongmodule màng, bùn tích tụ trên bề mặt màng và bên trong module sẽ giảm đáng kể.Thông lượng dòng thấm thu được sau 30 ngày vận hành là 8,33 LMH khi hút liêntục Mức độ loại bỏ chất hữu cơ tương đối cao (>85%) đã được quan sát tương ứngvới 20,8 g/L và 16,5 g/L COD trong nước thải trong suốt quá trình sục khí giánđoạn Mức độ nitrate hóa và khử nitrate khoảng 90% trong suốt quá trình sục khí

gián đoạn tại khoảng DO là 4 — 5 mg/L Tuy nhiên, với mức độ sục khí như trên

nhưng ở nồng độ DO thấp 1.5 — 2 mg/L, mức độ nitrate hóa và khử nitrate chi còn

Trang 18

khoảng 80% tương ứng với 4,9 g/L tổng nito trong nước thai.Muller (1995) đã nghiên cứu xử lý hiếu khí nước thải sinh hoạt bang mô hình

MBR ngoại vi với lưu bùn hoàn toàn (không thải bùn trong quá trình thực nghiệm).

Bun hầu như không tạo ra khi MLSS tăng tới 45 — 50 g/L ở tải trong vận hành là 0,9- 0,2 kgeCOD/m ngày Tỉ số F/M rất thấp (0.021 gCOD/gMLSS.ngay) Hiệu suấtxử lý ôn định và bùn sinh ra có thé đạt được rất thấp

Song song với quá trình phát triển của hệ thống màng lọc sinh học dạng sợinhúng chim hollow fiber, những nhà nghiên cứu người Nhật đã phát triển hệ thongmang lọc sinh học với màng dạng tam nhúng chim Kubota Mô hình này được

thử nghiệm tại mô hình pilot ở U.K (Churchose, 1998; McCann, 1998) Trong hệ

thống này những tắm màng vi lọc cố định trong một hộp hình chữ nhật, được đặtchìm trong bé bùn hoạt tính và một hệ thống tạo bong bóng khí được đặt phía dướimodule màng Các bông bùn ngậm khí tăng lên giữa các tam mang, nó cung cấpvừa đủ lượng bùn tuần hoàn tại bề mặt mang Nó tạo ra dong cross-flow đi từ dướilên bề mặt màng và giúp ít ban mang nhất Dòng nước sạch đi ra khỏi hệ thống nhờmột bơm hút có áp suất thấp (0,1 bar) hoặc nhờ trọng lực Cách sắp xếp module vàhệ thống thôi khí đòi hỏi việc rửa mảng thấp Các module mảng được rửa mộtlần/năm bang việc sử dụng một bơm nước rửa ngược Ngoài ra hệ thống này cònphải được làm sạch từ hai đến bốn lần trong một năm để cải thiện thông lượngmảng Hệ thống được thử nghiệm trong xử lý nước thải với cách sắp xếp quá trìnhnitrate hóa và khử nitrate với sự khác biệt lớn về chất lượng nước thải (30 — 2100mg/L BOD và 100 — 4000 COD) (Churchouse, 1998) Nước đầu ra từ quá trình này

phù hợp với tỷ lệ 5:1:1 tương ứng với BOD:SS:NH¿ˆ-N với việc loại bỏ 96% COD

và BOD Lượng bùn trung bình được tạo ra là 0,3 kg/kg BOD, chiếm 40% quá trình

tạo bùn hoạt tính thông thường.

Ueda và cộng sự (1999) đã nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng mô hìnhpilot kết hợp hệ thống ki khi/hiéu khí với mang đặt ngập Điều kiện hoạt động củahệ thống này được duy trì là: HRT là 13,5h; SRT là 72 ngày: MLSS 10 g/L; tảitrọng BODs là 0,25 kg/m’ ngay; tải trọng TKN 0,06 kg/m”.ngày và tỉ số F/M là 0,2.Chất lượng nước sau xử lý rất tốt, có thể đạt được 1,3 mgBỗODxL; không có cặn lơ

lửng: coliform/100mL; 7,1 mgTN/L; 0,3 mgNH¿ˆ-N/L và 4,6 mgNO3 -N/L.

Hai mô hình MBR và một hệ thống bùn hoạt tinh (CAS) cũng được sử dungtrong việc loại bỏ các hợp chất được (PhACs) thuộc các nhóm điều trị khác nhau va

với các đặc tinh ly hóa đa dạng (Radjenovic va cộng su, 2009) Hai mô hình MBR

thí điểm loại bỏ được nhiêu hon một số dư lượng thuốc loại bỏ không hiệu quả bang

CAS (ví dụ, mefenamic acid, indomethacin, diclofenac, propyphenazone,

pravastatin, gemfibrozil), trong khi ở một số trường hợp hoạt động 6n định hon củamột trong những hệ thông MBR khi kéo dai SRT được chứng minh là gây bất lợicho việc loại bỏ một số hợp chất (ví du, b-blockers, ranitidine, famotidine,erythromycin) Trong số các dược phẩm gặp phải trong bun thai, bùn có thé là mộtcon đường loại bỏ một số hợp chất (ví dụ, mefenamic acid, propranolol, và

loratidine) Đặc biệt là trong trường hợp của loratidine các thực nghiệm xác định hệ

số hấp thụ (KDS) là trong khoảng 2214-3321 L/kg (trung bình) Kết quả thu đượctrong giai đoạn ran chỉ ra rằng năng suất MBR xử lý nước thải tỷ lệ phân hủy sinhhọc cao hơn có thể làm giảm số lượng các chất ô nhiễm trong bùn Ngoài ra, tảitrọng tổng sản lượng trong pha nước, rắn của hệ thống xử lý nước thải đã được tínhtoán, chỉ ra răng không có chất nao trong số các dược phẩm ban dau còn lại bị pháthiện và bị suy thoái trong thời gian phân hủy yếm khí Trong số 26 dư lượng thuốcđi qua hệ thống xử lý nước thải, 20 chất cuối cùng được phát hiện trong bùn đượcxử lý dé tiếp tục áp dụng trên đất nông nghiệp

Một bể phản ứng sinh học màng (MBR) với dạng màng sợi rỗng được dùng đểxử lý nước thải được lay từ bề lắng của hệ thống xử ly nước thải bệnh viện Hiệuquả xử lý của mô hình đối với COD, NH,*-N và độ đục đạt lần lượt là 80, 93 và83% Tương ứng với chất lượng nước trung bình của dòng ra COD < 25 mg/L,NH¿ -N < 1,5 mg/L Hiệu quả loại bỏ E.Coli hơn 98% Không cần phải làm sạch

màng trong thời gian thí nghiệm 6 thang (Wen và cộng su, 2004).

Hau hết các nghiên cứu làm việc với hệ thong MBR hiếu khí đều cho hiệu quanitrate hóa gần như hoàn toàn Tuy nhiên, để khử được nitơ cần có vùng thiếu khítrước bể sục khí (Gander và cộng sự, 2000) Hoặc theo phát hiện của Genz và cộng

Trang 20

sự (2004) va Yoon và cộng sự (2004), quá trình nitrat hóa và khử nitrate có thểđược tiễn hành đồng thời trong MBR băng cách thêm vào quá trình hóa lý bao gồmkeo tụ và hấp phụ Ahn và cộng sự (2003) nhận thay rang su dung qua trinh MBRvới trình tự điều kiện thiếu khí/ ky khí gián đoạn có thé khử photpho đạt trên 90%.Trong nghiên cứu khác của Zhang và cộng sự (2006) nhận thay rang quá trình MBRtừng mẻ có thể khử 90 % chất dinh dưỡng (nitơ và photpho).Trong các hệ thôngMBR có thé xử lý được nito thì phải có quá trình nitrate hóa và khử nitrate xảy rađồng thời Trong quá trình bùn hoạt tính thông thường, quá trình nitrat hóa và khửnitrate xảy ra đồng thời khi nồng độ DO thấp Phương pháp thường xuyên sử dụngdé loại bỏ nitơ là sự kết hop của một bề thiếu khí và một bể hiếu khí nối tiếp nhau,có thé có dòng tuân hoàn nitrate từ bé hiếu khí sang bé thiếu khí

Một pilot MBR được lắp đặt tại một bệnh viện Thụy Sĩ Pilot này được nỗitrực tiếp với hệ thống thu gom nước thải của bệnh viện Mục đích của nghiên cứu làloại trừ các chất ô nhiễm dạng vết (micropolutants) với các nông độ khác nhau từnông độ thấp ng/L đến pg/L Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phân tích tựđộng SPE-HPLC-MS/MS Trong số 68 chất là đối tượng nghiên cứu có 56 dượcphẩm (thuốc kháng sinh, thuốc chống nam, thuốc chống siêu vi, các chất là phươngtiện ion hóa tia X, thuốc kháng viêm, cytostatics, thuốc lợi tiêu, beta lockers, thuốcmê, thuốc giảm đau, thuốc chống động kinh, thuốc chống trầm cảm, và những thuốckhác), 10 chất chuyển hóa (metabolites), và 2 chất ức chế ăn mòn Dòng vao pilotMBR chứa phần lớn các đối tượng nghiên cứu trên Hiệu quả loại bỏ cácmicropolutant được thực hiện thông qua việc lay mẫu liên tục dòng chảy vào và rakhỏi pilot MBR Hiệu quả loại bỏ tổng thể các dược phẩm và chất chuyển hóa trongpilot MBR là 22%, đối với chất ion hóa là 80% Nghiên cứu cho thấy răng không cósự ức chế bởi các tác nhân kháng khuẩn hoặc chất khử trùng đối với hệ thống MBR

(Kovalove, 2012).

2.3.2 Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBR trong nước

Một nghiện cứu nhăm đánh giá hiệu quả điều trị và bân màng của một hệ

thống (MBR) xử lý nước thải dệt nhuộm bang cách sử dụng Carbon bột hoạt tính

(PAC) và phèn nhôm (PACI — Poly-Aluminum Chloride) (gọi là ” giảm ban mang")(Thanh va cộng sự, 2012) Hiệu qua và quá trình ban mang cua MBR khi thêm PACvà PACI được so sánh với những quá trình MBR thông thường Các thành phan củathuốc nhuộm và nước thải dệt nhuộm dao động với nhu cầu oxy hoá học (COD), độmàu và độ đục lần lượt là 500-2,500 mg/L, 370-2700 Pt-Co, và 50-370 NTU Nôngđộ MLSS tập trung trong một MBR dao động từ 6.000 đến 9.000 mg/L Tỷ lệMLVSS/MLSS là 0.76 Tải trọng hữu cơ trong khoảng 1,4-1/7 kg COD/m” ngày.Trong hệ thống MBR (không có thêm các chất làm giảm ban màng trong phan ứngsinh học), kết qua cho thay MBR chỉ có thé loại bỏ các màu sắc ở một hiệu quả tốiđa là 50% và COD là 60-94% trong suốt thời gian hoạt động Áp suất chuyên màng

(TMP) tăng 2,1-4,4 kPa trong 30 ngày hoạt động Khi PAC và PACI đã được thêm

vào MBR ở nông độ 1.000 va 40 mg/L bùn , tương ứng, hai hợp chất giúp tăngcường hiệu quả loại bỏ các COD,độ màu, và kiểm soát ban màng Hiệu suất xử lýcủa MBR va ban màng được nhiều cải thiện so với hệ thống MBR đơn thuần Hiệu

quả loại bỏ màu là 40-80% va 80-90% tương ứng PAC và PACI Có một sự khác

biệt đáng kế trong hiệu suất khử COD giữa việc bố sung PAC va PACI Trong khihiệu quả loại bỏ COD dao động 50-94% cho PAC, nó ôn định ở mức khoảng 80-90% cho PACI trong suốt thời gian vận hành Nói chung, giảm thiểu ban màng củaPAC và PACI là gần như tương tự và hiệu quả hơn nhiều so với hệ thống MBR.TMP tăng chậm từ 2,2-2,9 kPa đến 2.4 -3.0 kPa khi sử dụng PAC và PACI trong 22ngày hoạt động Thực tế này cho thấy rang PAC va PACI là chất xuất sắc trongkiểm soát ban mang, COD, và loại bỏ độ màu cho MBR xử lý nước thải dệt nhuộm

Nghiên cứu khảo sát đặc tính nước rỉ rác từ bãi rác Gò Cát tại Thành Phố HồChí Minh, Việt Nam và việc thực hiện với bé phan ứng sinh học quy mô phòng thínghiệm với một màng vi loc MBR để xử lý nước rỉ rác Nồng độ COD của nước

thai là 39.6-59.8 g/L va 1.1-4.0 g/L tương ứng trong mùa khô (11/2003 — 4/2004) va

mùa mua (5 -8/2004) cho thay rang lượng mưa tập trung của khí hau gió mùa trongmùa hè tác động đến nước rỉ rác và những thay đổi trong chất lượng của nó vi tăng

cường sự phân hủy và tăng độ pha loãng Tỷ lệ BOD / COD hơn 0,68 thuận lợi cho

các quy trình xử lý thải sinh học nhăm xử lý nước rỉ rác MBR được vận hành trong

Trang 22

90 ngày ở mức tai trọng hữu cơ 1,9-4,2 mgCOD/L.ngay Cac màng vi lọc giữ cao

nông độ bùn trong bé MBR Tỉ số F/M là 0,097-0,616 gCOD/gVSS.ngay do nồngđộ MLVSS cao Hiệu qua từ be MBR cho thấy hiệu suật loại bỏ COD cao từ 84-97% trong suốt thời gian thí nghiệm (Sang và cộng sự, 2007)

2.4 Công nghệ UMBR (Up-flow Multi-layer Bioreactor)

Bé loc ky khí dòng chảy ngược da tang bùn - UMBR (Up-flow Multi-layerBioreactor) là một sự kết hợp các tiến trình sinh học xảy ra trong cùng một bể, đây

là công nghệ được sử dụng bởi Kwon và cộng sự (2002) dưới dạng nghiên cứu và

ứng dụng UMBR là một hệ thống kết hợp giữa ky khí và thiếu khí diễn ra trongcùng một bể thông qua sự phân tang bùn trong bể UMBR bao gồm nhiều chứcnăng như: bể lang sơ cấp, bể ky khí, bể thiếu khí và bể cô đặc bin., UMBR đượcthiết kế với mục đích khử chất dinh dưỡng trong nước thải với tỉ số COD/N thấp(Kwon và cộng sự, 2003), đồng thời loại bỏ một phan COD, BOD trong nước thai.Công nghệ nay đòi hỏi mức năng lượng thấp dùng cho việc khuấy trộn chất long détạo ra dòng chảy trong bề, chất lỏng được đi từ dưới lên qua các tầng bùn giúp lamtăng hiệu quả xử lý và 6n định bùn

Nước thải đi vào bể UMBR (Up-flow Multi media bioreactor) đi từ dưới lêntrên qua tầng bùn lơ lửng Các chất rắn được giữ lại trong lớp bùn theo nguyên lýlọc ngược tương tự như nguyên lý dòng ngược của bể UASB Bề UMBR hoạt độngdựa trên nguyên lý kết hợp bể nén bùn, bề phân hủy ki khí dòng chảy ngược UASBvà bể anoxic Bề UMBR sử dụng xử lý nước thải công nghiệp va chăn nuôi gia súcvà nước thải khác có chứa ammonia cao và một số hợp chất độc hai, từ quy mô nhỏđến hàng chục ngàn mét khối mỗi ngày Bề UMBR có thé được kết hợp với nhiềuloại hình quá trình oxy hóa, bề sục khí thông thường, lọc nhỏ giọt lọc, RBC và hầuhết các quá trình oxy hóa khác.

2.4.1 Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ UMBR trên thé giới

Kwon và cộng sự (2003) tiến hành nghiên cứu be UMBR kết hợp bể sinh họcdính bám với thời gian lưu nước lần lược là 5.8 h và 6.4 h cho nước thai sinh hoạt,trong thời gian nghiên cứu 6 tháng Trong quá trình nghiên cứu cho thấy tỉ lệTKN/TN là 0,76 Nồng độ nitơ bị oxy hóa trong nước dau ra của UMBR khác nhautừ 0,1 mg/L đến 7,3 mg/L và trung bình nông độ nito bị oxy hóa là 2,3 mg/L Hiệuquả nitrate hóa rất ôn định ngay cả khi nồng độ TKN đầu vào tương đối cao (57,3mg/L) Nồng độ nước thải đầu ra trung bình của TN và TKN là 12 mg/L và 3,7mg/L, tương ứng với hiệu quả loại bỏ là 75% và 90% Kết quả thu được từ nghiêncứu này cho thay rang nông độ của COD, BOD, SS, TN, và TP đạt được 29,7

mg/L, 6,0 mg/L, 10,3 mg/L, 12,0 mg/L, và 1,8 mg/L tương ứng với hiệu quả loại bỏ

93%, 96%, 96%, 75% và 77% Một nghiên cứu khác về mô hình kết hợp bể UMBRvới bể thôi khí bùn hoạt tinh và bể lắng, được vận hành cho xử lý nước thải trongthời gian 9 tháng Bề UMBR sử dụng phan ứng dòng chảy ngược có chức năng kếthợp của quá trình kị khí, thiếu khí, lăng sơ cấp và đòi hỏi năng lượng xáo trộn bởidòng chảy ngược Trong cả giai đoạn nghiên cứu này, nông độ SS, COD, BOD, TNvà TP trong nước đầu ra đã xử lý là 8,1 mg/L, 38 mg/L, 8,1 mg/L, 13,7 mg/L, và

0,8 mg/L tương ứng với hiệu quả loại bỏ là 97%, 90%, 95%, 68% và 84% Luong

bùn dư thừa trong hệ thống cho thấy giảm khoảng 28,3% so với hệ thống bùn hoạt

tính thông thường.

Trang 24

Mô hình KNR® được nghiên cứu với lưu lượng 50 m/ngày Thời gian lưunước trong bề UMBR là 4,7 h và bề sinh học dính bám là 7,2 h Nhiệt độ dao độngtừ 18,1— 28,1°C Mô hình hoạt động rất ôn định mặc dù có sự dao động lớn của lưulượng và tỉ lệ BOD/N đầu vào Trong toàn bộ thời gian của nghiên cứu này, nồngđộ trung bình của COIDc,, CODw„, BODs, TN va TP trong nước thai đầu ra thuđược từ hệ thống này là 11,0 mg/L, 8,8 mg/L, 4,2 mg/L, 3.5 mg/L, 9,8 mg/L, va

0,87/0,17 mg/L (có / không có poly nhôm clorua (PAC)), tương ứng với một hiệuquả loại bỏ 95,3%, 87,6%, 96,3%, 96,5%, 68,2%, và 55,4/90,3 % Lượng bùn dư

thai bỏ 0,026 kgDS/m” và 0,220 kgDS/kgBOD thấp hơn 1,9-3,8 lần so với công

nghệ A2O và Bardenpho (An và cộng sự, 2006).

Đề ngăn chặn tác dụng độc hại gây ra bởi amonia cường độ cao trong một hệthống xử lý nước thải chăn nuôi lợn, An và cộng sự (2007) sử dụng bề UMBR nhưlà một bé thiếu khí, được áp dụng xử lý với công suất 5 m/ngày BE UMBR đãđược áp dụng cho việc xử lý nước thải chăn nuôi như là một bé tùy nghi Mô hìnhnày được hoạt động 4 tháng tại ty lệ IR cao từ 10-17 Nồng độ NH¿”-N từ 1,169mg/L đã được pha loãng đến dưới 80 mg/L ở đầu vào của bể UMBR, và sau đóđược nitrit hóa (Khoảng 98,3%) trong bể hiếu khí, mà không có bat kỳ sự ức chế gâyra bởi amonia Nitrat tạo thành từ bể hiếu khí có nông độ khoảng 58,2 mg/L đãđược khử hoàn toàn trong be UMBR, với thời gian lưu nước thực tế (HRT) là 3,5h

Ty lệ trung bình của NH¿”-N/TKN trong nước thải chăn nuôi lợn khoảng 0,63 Khi

tải lượng TKN vào trong khoảng từ 33,6-137,1 g/m”.ngày, hiệu quả quá trình nitratehóa khác nhau từ 93,2 đến 98.3%, trong đó tương ứng với tải lượng nitrate hóa cụthé trong khoảng 9,8-24,6 gTKN/kgMLVSS.ngày trên cơ sở công suất toàn bộ hệthống và 20,1-50,6 gTKN/kgMLVSS.ngày trên cơ sở khả năng xử lý của bể sinhhọc hiếu khí Tỷ lệ trung bình của NH,*-N/TKN là 0,22, có nghĩa là một số chat

không phân hủy hữu cơ có chứa nito van ở lại trong dòng ra, mặc dù NH¿'-N đã

được hoàn toàn nitrit hóa trong hệ thống này Trong dòng ra, hầu hết nitơ đã ở dạngnitrat, trong khoảng nông độ là 5,0-78,5 mg/L.Từ kết quả trên, có thé kết luận ranghệ thống xử lý này có thể đủ khả năng loại bỏ nito cũng như các chất hữu cơ với

hiệu quả ôn định mà không chịu bat ky ảnh hưởng xâu bởi nông độ amonia cao, do

có sự pha loãng nước thải nuôi heo ở đầu hệ thống khi vận hành ở IR cao.Mô hình UMBR được nghiên cứu với công suất xử lý 900 mỉ /ngày, bể UMBRđược chọn là một bẻ phản ứng thiếu khí cho việc loại bỏ các chất hữu cơ và để tăngcường loại bỏ nitơ bằng quá trình oxy hóa bởi vi sinh vật (MCO) Diễn biến hiệuquả của mô hình được đánh giá trong giai đoạn đầu vận hành ở nhiệt độ thấp Hiệusuất loại bỏ các hop chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng trong UMBR cao (> 80%) làdo điều kiện nitrate hóa ôn định trong hệ thống MCO, như là một kết qua của việcgiảm đáng ké các chất hữu cơ và chất ran được nạp vào hệ thống MCO Kết quanghiên cứu cũng cho thay hiệu quả xử lý nito của mô hình cao 73%, thậm chí trongkhoảng nhiệt độ thấp 7-10 ° C Phospho được loại bỏ hoàn toàn bởi sự keo tụ (An

và cộng sự, 2008).

Mô hình UMBR đã được nhân rộng ở một số nhà máy xử lý nước thải tại HànQuốc và cho kết quả tương đối tốt và ngày càng được nhân rộng ở nhiều nơi trênthế giới Tai nhà máy xử lý nước thải đô thị Danwol — Han Quốc, hệ thống KNR(bề UMBR kết hợp với bể sinh học hiếu khí) đã được thiết kế với công suất 1700m”/ngày với nồng độ BOD, COD, SS, T-N và T-P đầu vào lần lược là 183 mg/L,173 mg/L, 195 mg/L, 42,2 mg/L và 4,7 mg/L Trong suốt quá trình khảo sát tại nhàmáy này đã cho kết quả chất lượng nước đầu ra rất tốt, giá trị dòng ra BOD, COD,SS, TN và TP lần lược được ghi nhận là 9,2 mg/L; 19,7 mg/L; 9,8 mg/L; 13 mg/L

va | mg/L tương ứng với hiệu qua 95%, 88,6%, 95%, 69% va 78% (Nhà máy xu lý

nước thai đô thi Danwol — Han Quốc)

Sự loại bỏ nito va carbon trong nước thải từ trang trại chăn nuôi bo sữa được

nghiên cứu với hai mô hình thí nghiệm theo quá trình nitrate hóa và khử nitrate.

Mỗi hệ thống bao gồm một bể sinh học nhiều lớp chảy ngược (UMBR) thực hiệnquá trình khử nitrate, một bể sục khí thực hiện quá trình nitrate hóa và bể lắng thứcấp Nghiên cứu này nhằm mục dich tìm ra giá trị tối ưu của hai biến hoạt động làthời gian lưu (HRT) và tý lệ tuần hoàn nội bộ (IR) trong xử lý nước thải của trang

trại nuôi bò sữa Trước tiên, các thí nghiệm với HRT là 2, 3, 4 và 5 ngày được thử

nghiệm với nước thải tổng hợp ở tỷ lệ IR thống nhất Các thí nghiệm với HRT trong

Trang 26

4 ngày đã cho thấy sự hiệu quả tối ưu với hiệu suất cao đối với quá trình nitrat hóa(> 90%), khử nitrat (> 90%) và loại bỏ nhu cầu ôxy hóa học COD (khoảng 90%).Hiệu quả thấp nhất được ghi nhận tại thí nghiệm có thời gian lưu là 2 ngày với hiệuquả nitrat hóa 7% Nghiên cứu cũng đã thực hiện thử nghiệm tiếp theo với các thínghiệm ở tỷ lệ IR là 200%, 300% và 400% với cùng loại nước thai tai HRT tối ưu là4 ngày Khi tăng tỉ lệ IR đến 300% hiệu quả khử nitrat và khử COD cao nhưng đếntỉ lệ IR là 400% quá trình xử lý chậm lại Việc áp dụng bé UMBR kết hợp với bùnhoạt tính cho thay tiềm năng tốt để loại bỏ nito từ nước thải của trang trại chăn nuôi

bò sữa (Shams và cộng sự, 2010).

Một hệ thống quy mô pilot ky khí / thiếu ôxy / hiếu khí sinh học màng đãđược sử dụng dé xử lý nước thải từ bé lăng sơ cấp trong một nhà máy xử lý nướcthải tai Bắc Kinh Sau khoảng 200 ngày kế từ ngày nghiên cứu thực nghiệm, nócho thay hiệu quả xử lý tốt các nhu cau oxy hóa học (COD ), nhu cầu oxy sinh học(BOD) và tổng cacbon hữu co (TOC) đạt đến ôn định 92% , 98% , và 85% tươngứng ở thời gian lưu nước (HRT) 12,5 h Hiệu suất loại bỏ COD bằng phân hủy sinh

học và vi lọc là 89 % và 11% Hiệu quả loại bỏ NH¿”-N va TN là khoảng 98 %,

85% với trung bình TN của dòng ra là 10 mg/L Hiệu quả loại bo TP là khoảng 85%

với trung bình TP của dòng ra khoảng 0.93 mg/L ở tuổi bùn 40 ngày Tỷ lệ loại bỏTP bằng cách khử photpho, hấp thụ hiếu khí photpho và thông qua sự loại bỏ của

mang là 44,6% ,51,8% ,3,6% (Jun và cộng su, 2012).

2.4.2 Một số nghiên cứu công nghệ UMBR trong nướcHiện tại cở Việt Nam chưa có nhiều kết quả nghiên cứu về mô hình này Dướiđây là một nghiên cứu về UMBR cho nước thải sinh hoạt, đặt tại trạm xử lý nướcthải tập trung Bình Hưng Hòa, Tp Hồ Chí Minh Mô hình được nghiên cứu với lưulượng nước là 20-30 m/ngày, cùng với thời gian lưu bùn lần lược là 26 ngày và 20ngày, lưu lượng tuần hoàn nội bộ lần lược được vận hành là 300% và 180-200%.Kết quả đầu ra của COD, SS và độ màu lần lược là 40 + 29 (SD) mg/L, 41 + 48

mg/L, và 60 + 24 Pt-Co, với hiệu quả tương ứng là 78+14%, 60+32%, và 79+6%.

Đầu ra của COD, SS và độ màu đều đạt tiêu chuẩn môi trường (QCVN24:2009/BTNMT, cột B) Bề sinh học hiếu khí vận hành với tỉ lệ F/M rất thấp (0,03

kgCOD/kgMLSS/ngay), vì vậy cho nên mô hình thí nghiệm nảy có thé thử nghiệm

với tải trọng COD lớn hơn 0,5 kg COD/m/ngày.TN, NHa-N và nitrat của hai giai

đoạn trên đều đạt tiêu chuẩn môi trường Đầu ra của NH,-N từ 1,0 đến 4,7mgN/L,hiệu quả quá trình nitrat hóa hai tải trọng lần lược là 76% và 56% Kết quả nghiêncứu ứng với lưu lượng 20m”/ngày, hiệu quả loại bỏ COD, SS, TKN, NH¿-N, T-N,và độ màu lần lượt là 91%, 87%, 86%, 80%, 91% và 91% (Dân và cộng sự

2010).

Một nghiên cứu (Nga và Son, 2011) với mục tiêu là đề xuất được một côngnghệ hiệu quả và phù hợp để xử lý nước thải sinh họat ở các đô thị của Việt nam làloại nước thải được thu gom từ hệ thống thoát nước chung có nồng độ chất hữu cơthấp (COD từ 120-200 mg/l) nhưng hàm lượng chất dinh dưỡng như Nito, Photpho

khá cao (TN: 10-40 mg/L) Nga và Sơn (2011) đã nghiên cứu và vận hành chạy thử

mô hình xử lý sinh học yếm khí - ky khí (AO) kết hợp với màng MBR ở quy mô môhình phòng thí nghiệm (công suất 5-10 L/h) ở các chế độ công suất bùn tuần hoànkhác nhau Kết quả xử lý trong thời gian 5 tháng vận hành mô hình cho thay chat

lượng nước thải sau xử lý có hàm lượng COD nhỏ hon 20 mg/L, NH¿”-N nhỏ hơn 1

mg/L, NO3*-N nhỏ hơn 5 mg/L Kết quả cho thay công nghệ AO kết hop mangMBR có khả năng áp dụng thực tế, phù hợp với những nơi có quỹ đất nhỏ, chấtlượng nước sau xử lý rất cao có thé phục vụ cho mục đích tái sử dụng

Một quá trình xử lý nước thải kết hợp bé thiếu khí — hiếu khí ( AO - MBR) vớiphân hủy hóa học bùn đã được phát triển và thử nghiệm trong các thử nghiệm quymô phòng thí nghiệm (Uan và cộng sự, 2012) Nghiên cứu được thực hiện trên haihệ thống AO - MBR, cụ thé là một P- MBR (practical system -hệ thống thực tế ) vảC- MBR (control system - hệ thong diéu khién) chạy song song và liên tục với nướcthải sinh hoạt thực tế Trong giai đoạn 1, tại hệ thống P- MBR, một phan cua nướcthải dau vào ( 1,5% cua lưu lượng dòng chảy chảy đê[1n ) đã phân hủy hóa học ( ở80°C, pH = 11 và 3 gid) và tiếp tục với các phản ứng sinh học Trong thời gian này ,

hiệu quả bùn hòa tan vào khoảng 20-22% Tỷ lệ sản sinh bun của P- MBR là ít hơnso với C- MBR vào khoảng 33 % Trong giai đoạn 2, FeSOx./7H;O đã được thêm

vào P-MBR để kiểm soát tổng phospho trong nước thải đầu ra ít hơn 1,0 mg/L

Trang 28

Hiệu quả hòa tan bùn trong giai đoạn này đã giảm xuống 17-19% cho thấy quá trìnhphân hủy hóa học bùn bị tác động nhẹ bằng cách thêm FeSOu.7H¿O Giảm tỷ lệ sảnsinh bùn của P-MBR so với của C-MBR xuống còn 24% Tỷ lệ MLVSS/MLSS đãgiảm từ 75% đến 68% Bất ké việc bổ sung FeSOx.7H›O, các hiệu quả loại bỏ TNđược duy trì khoảng 62% trong cả hai hệ thống Tóm lai, sự phân hủy bùn đóng một

vai tro quan trọng trong việc giảm ty lệ sản sinh bùn Mặc dù thêm FeSOx.7H;O gây

ra giảm tốc độ sản sinh bùn, những chất lượng nước thải đầu ra và hoạt động màng

MBR không bị ảnh hưởng trong quá trình hoạt động hơn 9 tháng.

Cảnh (2010) tiến hành thử nghiệm một công nghệ cải tiến của quá trình bùnhoạt tính trong đó kết hợp 3 quá trình thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học trong mộtđơn vị xử lý nước thải Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình tương đối thích hợp

cho xử lý nước thải chăn nuôi Hiệu qua xử lý vào khoảng 97%, 80%, 94%, 90%

and 85% tương ứng cho COD, BODS, SS, N và P Việc kết hop 3 module trong mộtquá trình xử lý tạo ra ưu điểm lớn trong việc nâng cao hiệu quả xử lý, với sự kếthợp nay sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí choquá trình xây dựng và vận hành hệ thống

2.4.3 Ưu — nhược điểm của hệ thống UMBR-MBRƯu điểm của bề UMBR

Ngăn can quá trình bùn nồi, hình thành bọt, váng nổi với tỷ lệ F/M thấp.Giảm yêu cau về diện tích đất (hơn 20%) do tính tích hợp khối của be UMBR(kết hợp bể lang, bể phân hủy bùn và bề ki khí và thiếu khí)

Tiết kiệm chi phí năng lượng và yêu cầu khuấy trộn (hơn 50%), so với bé phan

ứng xáo trộn hoàn toàn.

Dễ dàng nâng cấp các trạm xử lý nước thải hiện hữu (bùn hoạt tính) lên mứcđộ xử lý bậc 3 và giải quyết các van đề tồn tại

Dễ dàng vận hành và giảm chi phí bảo trì do quá trình đơn giản.Nhược điểm của bé UMBR

Khi hoạt động với mức lưu lượng lớn đòi hỏi bể phải có chiều cao khá lớn.Ưu điểm của bề MBR

Công nghệ mang thu hút sự chú ý với hang loạt các đặc điểm nỗi trội hơn so

với công nghệ truyền thống hay các công nghệ xử lý bậc cao khác.

Với kích thước lỗ màng là 0.1 — 10 pm, màng MBR có thé tách các chat ranlơ lửng, hạt keo, vi khuẩn, một số virus và các phân tử hữu cơ kích thước lớn Dođó, quá trình MBR không cân phải xây thêm bể lắng bùn sinh học và bể khử trùngphía sau, dẫn đến giảm được chi phí xây dựng và thiết bị, giảm chi phí vận hành và

giảm được diện tích xây dựng.

Độc lập đối với yêu cau về thời gian lưu bùn (SRT) và lưu nước (HRT) Dođó, không bị ảnh hưởng bởi kích thước bùn, chỉ yêu cầu kích thước sinh khối lớnhơn kích thước lỗ trên bé mặt mảng

Thời gian lưu nước ngắn (3 — 5 h) so với công nghệ bùn hoạt tính thôngthường (6 h) vì thế giảm diện tích đất cần thiết, nhất là đối với các khu vực côngtrình cải tạo nâng cấp không có diện tích đất dự trữ

Nông độ vi sinh trong bề cao va thời gian lưu bùn dài nên khối lượng bùn dưsinh ra ít, vì vậy giảm chi phí xử lý, thải bỏ bùn Ngoài ra, do nồng độ bùn trong bểcao tăng hiệu quả của bùn hoạt tính Thời gian lưu bùn dài tạo điều kiện phát triểncho vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng chậm như vi khuẩn nitrate hóa

MBR được thiết kế với nông độ bùn hoạt tính cao (5000 — 8000 mg/L) và tảitrọng xử lý BOD cao nên có thé giảm thé tích của bé sinh học hiếu khí, giảm chi phíxây dựng ban dau

Chất lượng nước sau xử lý luôn luôn được đảm bảo, nước sau xử lý màngMBR có lượng chất rắn rất thấp (<5 mg/L), BOD và COD thấp, do đó nước thải cóthể được sử dụng cho các mục đích khác nhau như tưới cây và nhiều ứng dụng

khác.

Quá trình vận hành tự động hóa hơn so với quá trình thông thường MBR có

thé điều chỉnh hoàn toàn tự động trong quá trình vận hành, không cần phải đo chỉ sốthể tích bùn SVI hằng ngày (đây là chỉ số rất quan trọng đối với quá trình thôngthường), ít tốn nhân công vận hành

Trường hợp nhà máy có nâng công suất hoạt động lên thì đối với quá trìnhMBR chỉ cần đầu tư thêm bề sinh học với module màng MBR Trong khi đó, quátrình thông thường phải dau tư thêm bể sinh học kết hợp bể lắng 2 cùng bể khử