năm 2012 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ THANH NHIỆN Giới tính: Nữ Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường MSHV: 10250545 Khoá Năm trúng tuyển: 2010 1- TÊN ĐỀ TÀI:
GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Nước rác với nồng độ ô nhiễm cao, thành phần ô nhiễm trong nước rác phức tạp Do đó nếu được thải trực tiếp vào nguồn tiếp nhận không qua xử lý sẽ gây ô nhiễm cho nguồn nước mặt và nước ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Nước rác chứa các chất ô nhiễm chính: chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học; chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như axit humic; fuvic; lượng lớn ammonia; kim loại nặng; và các chất ô nhiễm khác Thành phần trong nước rác biến động lớn, điều này phụ thuộc vào thành phần chất thải rắn, công nghệ ép rác…Hiện nay, phần lớn nước thải tại các trạm ép rác trung chuyển đều thải trực tiếp vào hệ thống thoát nước chung của thành phố; tại một số trạm trung chuyển, nước thải được chuyên chở đến các bãi chôn lấp với tổng chi phí vận chuyển và xử lý khá cao Để giảm thiểu ô nhiễm từ nước rác, các phương pháp xử lý đã được áp dụng như hóa lý, sinh học, hoặc là sự kết hợp cả phương pháp hóa lý và sinh học (Galleguillos, 2011)
Bể sinh học màng (MBR) được biết đến như công nghệ mới thay thế bể lắng của công nghệ bùn hoạt tính như công nghệ màng vi lọc (MF) hoặc siêu lọc (UF) Trong công nghệ MBR thì mô hình lọc sinh học màng nhúng chìm (SMBR) có những thuận lợi hơn so với các dạng module khác do giá thành sản xuất và bảo trì thấp (Fane và cộng sự, 2002), tiêu thụ năng lượng thấp 0,2-0,4 kwh/m 3 (Melin và công sự, 2006) và dòng ra được hút ở áp suất nhỏ (97%, và hiệu quả loại bỏ photpho>88%
Visvanathan và cộng sự, (2007) ứng dụng MBR xử lý nước rác với đề tài: “xử lý nước rác sử dụng màng kỵ khí thermophilic” Nghiên cứu được tiến hành với 3 thí nghiệm khác nhau tương ứng với các tỷ lệ BOD/COD là 0.39, 0.57 và 0.65 Nồng độ COD, TKN và ammonia dòng vào tương ứng là 12000mg/l, 1700mg/L và 1900mg/L
Thời gian lưu nước (HRT) là 24 giờ Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả loại bỏ COD tăng từ 62% đến 79% trong khi đó hiệu quả loại bỏ ammonia giảm từ 75% đến 60% tương ứng với tỷ lệ BOD/COD tăng dần Hiệu quả loại bỏ BOD cao từ 97-99%
Các polyme ngoại bào (EPS) cũng được tìm thấy trong MBR thermophilic và nồng độ này cao hơn khi so sánh với MBR mesophilic
Galleguillos, (2011) đã tiến hành nghiên cứu “tối ưu hóa xử lý nước rác bằng MBR” Nghiên cứu được tiến hành với quy mô phòng thí nghiệm và thực tế, mục đích chính nhằm loại bỏ Nitơ trong nước rác Hệ thống là sự kết hợp của bể anoxic/MBR Đối với mô hình thực tế, hiệu quả loại bỏ ammonia gần như 100% khi nồng độ ammonia trong dòng vào là 281-700mgN/L Hiệu quả loại bỏ tổng nitơ là 43.6% Nồng độ COD dòng vào từ 1000mg/L đến hơn 3500mg/L, hiệu quả loại bỏ là 58.5% Đối với
38 mô hình phòng thí nghiệm, hiệu quả loại bỏ ammonia là 99% trong khi đó hiệu quả loại bỏ tổng Nitơ là 32.6% Hiệu quả loại bỏ COD đạt 35.4% Sau 47 ngày hoạt động, acid acetic được bổ sung với liều lượng 75ml/ngày nhằm gia tăng tỷ số COD/N=5 Khi đó hiệu quả loại bỏ tổng nitơ gia tăng nhanh đạt tới 81.7% trong khi đó hiệu quả loại bỏ COD tăng nhẹ tới 48.4%.
Tái sử dụng nước thải
Với mức độ ô nhiễm nguồn nước ngày càng gia tăng thì nhu cầu tái chế và tái sử dụng, phục hồi lại nguồn nước đang là một vấn đề cấp bách Việc tái sử dụng nước thải đem lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường
Nguồn nước thải có thể được tái sử dụng với các mục đích khác nhau tùy vào mức độ xử lý Điều này đồng nghĩa với việc giảm nhu cầu sử dụng nước sạch và giảm tác động của nước thải đến môi trường cũng như chi phí xử lý
Tái sử dụng nước thải khi được áp dụng một cách đúng đắn thì có thể xem như một ví dụ cho công nghệ thân thiện với môi trường ở hiện tại và trong tương lai
2.9.2 Đối tƣợng sử dụng Đối tượng sử dụng dựa trên chất lượng nước tái sử dụng Mức độ chất lượng nước tái sử dụng có thể chia thành 3 cấp : thấp, trung bình, cao và được thể hiện trong Bảng 2.3
Bảng 2.4 Mức độ chất lượng nước yêu cầu
Thông số Đơn vị Mức độ chất lượng nước
Coliform phân MPN/100ml 200 KPH KPH
(Nguồn : U.S EPA, 1992; Asono và Levine, 1998)
2.9.3 Ứng dụng của nước thải được tái sử dụng
Nước thải được tái sử dụng vào nhiều mục đích tuy nhiên các ứng dụng này đạt hiệu quả phải có một số yêu cầu sau
Các nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng phải được đánh giá và làm giảm đến mức thấp nhất
Khi đưa vào ứng dụng thì chất lượng nước thải phải đáp ứng yêu cầu
Ứng dụng trong đô thị Sử dụng trong các công trình xây dựng
Nước thải sau xử lý có thể sử dụng cho các hoạt động xây dựng bao gồm: đầm nén nền móng, kiểm soát ô nhiễm bụi, phun nước rửa, đầm nén đất hoặc bãi chôn lấp Tuy nhiên chất lượng nước của tái sử dụng phải đảm bảo an toàn cho cộng đồng và công nhân
Tưới cây, tưới đường Tưới các khu vực ít dân cư đi lại : đường cao tốc hoặc các khu vực ít dân cư
Tưới các khu vực lộ thiên như : sân gôn, công viên, sân chơi, vườn trường, khu dân cư … nơi có nhiều dân cư qua lại
Phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc của cộng đồng đối với nguồn nước tái sử dụng mà nguồn nước này có những quy định riêng
Cứu hỏa Nước tái sử dụng có thể dùng cho mục đích cứu hỏa, cũng được chia làm nhiều loại tùy theo mức độ tiếp xúc của người dân, lính cứu hỏa
Dội rửa toilet Nước thải thay vì xả xuống cống dẫn trực tiếp tới trạm xử lý tập trung, sẽ được tập trung ở các trạm xử lý tại chỗ và được dùng trong nhà vệ sinh, dội rửa toilet
Nông nghiệp Nước sau xử lý tái sử dụng cho việc tưới tiêu trong nông nghiệp và làm vườn Tính chất hóa lý của nước tái sử dụng cho tưới tiêu rất quan trọng, đặc biệt đối với vùng có nhiệt độ cao và độ ẩm thấp, dẫn đến tốc độ thoát hơi nước lớn Khi sử dụng nước tái sử dụng để tưới tiêu, cần quan tâm đến sự thay đổi tính chất đất do lượng muối và các thành phần dinh dưỡng có trong nước thải
Công nghiệp Nước thải sau xử lý có thể sử dụng lại cho mục đích công nghiệp nếu các ngành công nghiệp thích hợp không quá xa trạm xử lý Nhu cầu về chất lượng nước cho công nghiệp rất khác nhau, từ nước tinh khiết sử dụng cho nồi hơi của máy phát điện đến nước có chất lượng thấp hơn sử dụng trong tháp làm mát Nước thải sau xử lý bậc hai và khử trùng có thể tái sử dụng cho các công đoạn không yêu cầu chất lượng nước cao
Tái tạo cảnh quan Nước thải sau xử lý được dùng để tái tạo cảnh quan các ao hồ, thác nước nhân tạo Yêu cầu chất lượng của nước sử dụng cho mục đích tái tạo cảnh quan rất cao do khả năng tiếp xúc trực tiếp với con người cao
Tái nạp, bổ cập các nguồn nước ngầm Nước thải sau xử lý được nạp lại các tầng nước ngầm nhằm bảo tồn hay gia tăng thể tích nước ngầm Nước sau xử lý được tái nạp vào tầng nước ngầm bằng cách bơm trực tiếp, bể lọc nhanh hoặc thấm
Mục đích của việc tái nạp nước ngầm là:
- Ngăn sự xâm nhập mặn - Tăng thêm nguồn tài nguyên nước - Lưu trữ nguồn nước tái sử dụng
- Ngăn chặn và kiểm soát hiện tượng sụt đất
Nuôi trồng thủy sản Tái sử dụng nước thải trong nuôi trồng thủy sản đã được ứng dụng thành công trong nhiều quốc gia như Peru, Trung Đông, Ai Cập…
2.9.4 Một số yếu tố chất lượng cần quan tâm khi tái sử dụng nước thải
Tiêu chuẩn chất lượng của nước thải sẽ tùy vào mục đích sử dụng Tuy nhiên, theo nghiên cứu tổng hợp của Ghermandi (2005) có những thông số thiết yếu cần chú trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến đối tượng sử dụng dù ở mục đích nào đi nữa Dưới đây sẽ trình bày hai thông số: vi sinh vật gây hại và kim loại nặng trong nước
Vi sinh vật gây hại Chỉ số Colifrom phân (Faecal Colifrom - FC) được dùng để chỉ thị sự ô nhiễm nước bởi các vi sinh vật có hại Tùy vào mục đích sử dụng khác nhau mà giới hạn về mức độ FC được đưa ra Vẫn chưa có một quy chuẩn chung nào về giới hạn mức độ nhiễm vi sinh có hại trong nước, cụ thể là FC
Bảng 2.5 thể hiện cụ thể các yêu cầu chất lượng của FC trong nước tái sử dụng:
Bảng 2.5 Yêu cầu chất lượng FC trong nước tái sử dụng
FC ( CFU/100ml) Phân loại chất lượng
10.000 >10.000 Không nên tái sử dụng
Các nguyên tố vết như kim loại nặng , chất rắn lơ lửng, muối vô cơ Hàm lượng kim loại nặng cần được đánh giá kỹ lưỡng Giả sử với mục đích tưới tiêu, vào mùa khô, nước sẽ nhanh chóng bay hơi làm gia tăng hàm lượng kim loại hoặc các chất khác trong nước, từ đó sẽ làm giảm chất lượng nước và có nguy cơ ảnh hưởng tới mạch nước ngầm (Bouwer, 2000) Độ mặn cũng phải được kiểm soát để tránh sự tác động xấu đến môi trường
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Vật liệu nghiên cứu
3.1.1 Thành phần và tính chất nước thải trạm ép rác
Nước thải đầu vào sử dụng trong nghiên cứu là nước thải trạm ép rác trung chuyển được pha loãng đến COD = 1200-1400mg/L NaHCO3 được sử dụng để năng pH 6.5-8, với hàm lượng 0.2g/L
Thành phần và tính chất nước thải trạm ép rác trung chuyển được mô tả ở bảng 3.1
Bảng 3.1 Tính chất nước thải trạm ép rác
Chỉ tiêu Đơn vị tính Giá trị pH - 4.5-6.0
COD mg/L 4778 ±1187 Độ màu Pt – Co 2225± 152 Độ đục NTU 1150± 305
(Nguồn: Khoa Môi trường, Trường ĐH Bách Khoa, TP HCM)
3.1.2 Bùn nuôi cấy ban đầu
Bùn nuôi cấy ban đầu của hệ thống SMBR được lấy từ bể sinh học hiếu khí theo mẻ (SBR) của trạm xử lý nước thải khu công nghiệp Tân Bình, quận Tân Phú, Thành Phố Hồ Chí Minh
Màng sử dụng trong hệ thống là màng bán thấm MF với module màng dạng sợi rỗng
MOTIMO (Trung Quốc) được chế tạo từ vật liệu polyvinylidene fluoride (PVDF)
Màng sợi rỗng MOTIMO được chế tạo từ vật liệu PVDF với những tính chất nổi trội như: Có thể chịu được hóa chất, tẩy rửa dễ dàng, độ bền cơ học cao, mềm dẻo không gãy đứt, chống tắc nghẽn, lưu lượng dòng hút cao, tiêu thụ năng lượng thấp
Hình 3.1 Module màng sợi rỗng MOTIMO sử dụng trong hệ thống
Các thông số của module màng MOTIMO sử dụng trong hệ thống SMBR được trình bày theo Bảng 3.2
Bảng 3.2 Các thông số của module màng MOTIMO sử dụng trong hệ thống SMBR
Vật liệu ống thu nước ABS (Acrylonitrile Butadiene Styren)
Thông lượng thiết kế (Flux) 10 – 20 L/m 2 h
Kớch thước lỗ lọc (pore size) 0.2 àm Áp suất vận hành tối đa -50 kPa Áp suất vận hành đề nghị < -40 kPa
Diện tích bề mặt module màng 1 m 2
TMP (Trans Membrane Pressure) 5 – 30 kPa
Tỉ số: không khí/nước ra 15:1 – 20:1
Hóa chất rửa và nồng độ NaOCl < 1000mg/l, làm sạch off-line
NaOCl < 500mg/l, làm sạch on-line
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý nước thải trạm ép rác trung chuyển sử dụng bể sinh học màng nhúng chìm (SMBR), xác định chế độ vận
47 hành thích hợp và khảo sát các đặc tính bẩn màng của hệ thống Nội dung nghiên cứu được trình bày trong Hình 3.2
Hình 3.2 Sơ đồ nội dung nghiên cứu
Vận hành hệ thống xử lý nước thải tại các thông lượng khác nhau: 1.2; 2.4; 3.8;
5.1L/m 2 h Với từng trường hợp, hiệu quả xử lý nước thải của quá trình lọc màng được đánh giá thông qua việc xác định lưu lượng tổng cộng, thu mẫu và phân tích (COD, SS, độ màu, độ đục, ammonia, TKN, N-NO 3 - , TP) mẫu đầu vào và đầu ra của mô hình; đồng thời đặc tính bẩn màng của quá trình lọc màng cũng được khảo sát thông qua việc theo dõi TMP, thu mẫu và phân tích (PS, UVA 254 ) mẫu bùn và đầu ra của mô hình.
Trên cơ sở đó, lựa chọn thông lượng thích hợp cho quá trình lọc màng
Nước thải pha loãng COD00-1400mg/L
Hiệu quả xử lý: COD, SS, độ đục, ammonia, Nitơ tổng,
Photpho tổng, độ màu Đặc tính bẩn màng: tốc độ bẩn màng, trở lực màng, TMP, PS,
Bảng 3.3 Các thông số vận hành của hệ thống SMBR
Thông số vận hành Đơn vị Giá trị
Tải trọng hữu cơ (OLR) kg
Chế độ chạy của bơm đầu ra Phút 8 on/2 off Áp suất chuyển màng
Trở lực màng ban đầu
Mô hình nghiên cứu
Mô hình hệ thống SMBR bao gồm: Bể sinh học màng nhúng chìm (SMBR) thể tích hữu dụng 22 L, màng được nhúng chìm trong bể sinh học với kích thước lỗ màng 0.2 àm và diện tớch bề mặt màng là 1m 2 ; bể chứa nước thải đầu vào; bể chứa nước đầu ra sau xử lý; bể chứa nước rửa ngược
1 Bể chứa nước đầu vào B1: Bơm đầu vào D2, D3: Đồng hồ đo áp
2 Bể chứa nước đầu ra B2: Bơm đầu ra V1: Van ra tự động 3 Bể chứa nước rửa ngược B3: Bơm rửa ngược V2: Van rửa ngược tự động
A1: Máy thổi khí V3: Van xả bùn
Hình 3.3 Mô hình nghiên cứu
Nước thải đầu vào được chứa trong bể chứa nước đầu vào, tại bể chứa có lắp thêm cánh khuấy chậm (nhằm đảm bảo nồng độ được đồng đều trong toàn bể) và một bơm chìm Life-Tech (P1) để bơm nước đầu vào từ bể chứa vào bể SMBR Bơm (B1) này hoạt động hoàn toàn tự động nhờ hệ thống sensor dò mực nước được lắp trong bể SMBR, khi mực nước trong bể SMBR ở vị trí thấp nhất (được định trước nhằm đảm bảo cho màng luôn được đặt ngập) thì bơm (B1) sẽ hoạt động và khi mực nước ở vị trí cao nhất (cũng được định sẵn nhằm đảm bảo thể tích hữu ích của bể) thì bơm (B1) sẽ ngừng
Trong bể sinh học màng nhúng chìm (SMBR), nước thải đầu vào được xáo trộn hoàn toàn cùng với hệ bùn hoạt tính nhờ hệ thống sục khí đặt ở đáy bể, khí được cung cấp vào liên tục nhờ máy thổi khí (A1) Lưu lượng khí vào bể được kiểm soát ổn định
50 ở lưu lượng 1,53 lít/phút (theo tỉ lệ khí cung cấp/ nước đầu ra = 15/1 – 20/1 theo thể tích, Tianjin – Trung Quốc), tại đây khí đưa vào sẽ cung cấp oxy để vi sinh trong bể tăng trưởng và phát triển Bên cạnh đó, lượng khí này cũng giúp có được sự cọ rửa module màng
Ngoài ra, trong bể SMBR có đặt một màng lọc, hệ thống sục khí mạnh được đặt phía dưới màng lọc để làm giảm hiện tượng nghẹt màng và cung cấp DO trong quá trình vận hành (DO = 2– 3 mg/L) Bơm hút nước ra (B2) có nhiệm vụ hút nước đã được lọc qua màng và đưa vào bể chứa nước sạch sau xử lý Bơm (B2) hoạt động hoàn toàn tự động theo chu kỳ 8 phút chạy và 2 phút nghỉ, một sensor dò mực nước khác được đặt trong bể nhằm đề phòng sự cố bất thường khác, khi đó toàn bộ hệ thống sẽ ngưng hoạt động, đảm bảo an toàn cho màng và cho cả hệ thống Trên đường ống thu nước ra có đặt đồng hồ đo áp (D2), đồng hồ (D2) sẽ cho ta giá trị của áp suất chuyển màng (TMP)
Ta sẽ ghi nhận giá trị này mỗi ngày và qua đó đánh giá được tốc độ bẩn màng Khi giá trị TMP tăng đến mức giới hạn (- 40 kPa) thì hệ thống sẽ lập tức ngưng bơm (B2) và khởi động bơm rửa ngược (B3), nước sạch trong bể chứa nước rửa ngược sẽ được bơm
(B3) bơm vào để rửa màng, thời gian rửa ngược sẽ là 3 phút và kiểm soát bởi Timer điều chỉnh tự động Một van tay phía đáy bể SMBR giúp ta có thể rút bùn một cách thuận tiện, dễ dàng
Ngoài chế độ tự động, mô hình SMBR vẫn có chế độ điều chỉnh bằng tay, nhằm giúp ta dễ dàng khắc phục khi có sự cố xảy ra hay tạm ngưng để vệ sinh đường ống…
Bảng 3.4 Thông số thiết kế mô hình thử nghiệm
Loại bể Thông số Đơn vị
Bể chứa nước thải đầu vào - L 120
Bể chứa nước sạch Kích thước = L x W x H m 0,5 x 0,35 x 0,7
Bể chứa nước rửa ngược - L 30
Quy trình lấy mẫu và phân tích
Mẫu nước: nước thải đầu vào được lấy trực tiếp trong bể chứa nước thải, nước sau xử lý được lấy trực tiếp từ ống dẫn nước đầu ra
Mẫu bùn: được lấy trực tiếp ngay trong bể SMBR
Thời điểm lấy mẫu: được lấy vào mỗi buổi sáng ngay sau khi kiểm tra mô hình hoạt động trong điều kiện bình thường
Một số chỉ tiêu như pH, DO sẽ được đo trực tiếp tại mô hình tại thời điểm trong ngày
3.4.2 Các chỉ tiêu phân tích
Các chỉ tiêu phân tích với tần suất phân tích mẫu khác nhau: pH, COD, độ màu, độ đục, SS, phosphate, TKN, nitrate, nitrit, MLSS, MLVSS, SVI Việc phân tích mẫu được thực hiện theo các phương pháp phân tích của Standard Methods (APHA, 1998)
Bảng 3.5 Các chỉ tiêu phân tích đối với mẫu nước đầu vào, đầu ra
Thông số Đơn vị Thiết bị phân tích Sai số Tần suất lấy mẫu
COD mg/L Tủ nung COD – Binder 2 lần/tuần
TP mg/L Bếp nung sợi amiang 2 lần/tuần
TKN mg/L Bếp nung phá mẫu, bộ chưng cất Kjeldahl 3,06% 2 lần/tuần
Gerhardt pH - Máy HANNA pH 211 ±0.01 1 lần/tuần Độ màu thực Pt-Co Máy Spectrophotometer
Hach DR/2010 < 1% 1 lần/tuần Độ đục FAU Máy Spectrophotometer
Tủ nung 105 0 C-memmert, bình hút ẩm, cân phân tích Sartorius - BL 210 ±0.1 1 lần/tuần
Bảng 3.6 Các chỉ tiêu phân tích đối với mẫu bùn Thông số Đơn vị Thiết bị phân tích Sai số Tần suất lấy mẫu
SVI mL/g Ống đong 500ml 1 lần/tuần
Tủ nung 105 0 C - Memmert, bình hút ẩm, cân phân tích
Tủ nung 550 0 C Lenton – Furnaces, bình hút ẩm, cân phân tích Sartorius-BL 210 ±0.1 1 lần/tuần
3.4.3 Quy trình phân tích Polysaccharide (PS), UVA 254
Lấy 2 mL mẫu nước sau khi đã ly tâm với tốc độ 4.000 vòng/phút trong 20 phút vào ống nghiệm Thêm 1 mL dung dịch phenol 5% và 5 mL dung dịch acid sulfuric đậm đặc Giữ ống nghiệm đứng yên trong 10 phút Lắc vortex, để nguội trong chậu nước
53 trong 15 phút (lưu ý để ống nghiệm trong rack để giữ cố định) Sử dụng máy UV – Vis đo độ hấp thu ở bước sóng 490 nm sau 20 phút, mẫu chuẩn là nước cất được thêm cùng một lượng hóa chất như trên
Phương trình đường chuẩn: conc (mg/L) = 84,392 x ABS, với R 2 = 0,9999
Ly tâm mẫu cần phân tích ở 4.000 vòng/phút trong 20 phút
Sử dụng máy UV – Vis đo độ hấp thu ở bước sóng 254 nm, mẫu chuẩn là nước cất
UVA 254 chính là độ hấp thu (cm -1 )
