Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM  NGÔ THỊ BÍCH LẬP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC MBR ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI ĐÔ THỊ TẠI HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng Mã ngành: 60 44 03 01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. TRẦN ĐỨC HẠ 2. TS. HOÀNG VĂN HÙNG Thái Nguyên: 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1.Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 2.1. Mục tiêu nghiên cứu tổng quát 2 2.2. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể 2 3. Yêu cầu của đề tài 3 4. Ý nghĩa của đề tài 3 4.1. Ý nghĩa khoa học 3 4.2. Ý nghĩa thực tiễn 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 1.1. Cơ sở lý luận khoa học ….4 1.2. Cơ sở pháp lý 9 1.3. Hiện trạng nguồn thải và công nghệ xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội 10 1.4. Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải bằng MBR 13 1.4.1. Giới thiệu về MBR 13 1.4.2. Nguyên lý hoạt động hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập 19 1.4.3. Động học của quá trình vận hành hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập 21 1.4.4. Ưu điểm và nhược điểm công nghệ MBR so với công nghệ bùn hoạt tính truyền thống 23 1.4.5. Hệ thống kết hợp AO – MBR trong xử lý nước thải 29 1.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trong nước và trên thế giới 33 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trên thế giới 33 1.5.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trong nước 42 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU… … 46 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 46 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu 46 2.2. Nội dung nghiên cứu 46 2.2.1. Đánh giá chất lượng nước thải đô thị Hà Nội 46 2.2.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm AO - MBR mô phỏng quá trình hoạt động để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư. 46 2.2.3. Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học AO - MBR để xử lý một số loại nước thải đô thị dựa trên cơ sở của đối tượng đã được nghiên cứu 50 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 50 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 55 3.1. Đánh giá chất lượng nước thải đô thị Hà Nội 55 3.1.1. Nguồn thải và tính chất nước thải ở Hà Nội 55 3.1.1.1. Nước thải sinh hoạt 55 3.1.1.2. Nước thải công nghiệp 56 3.1.1.3. Nước thải bệnh viện 58 3.1.2. Hệ thống thoát nước ở Hà nội 60 3.1.3. Kết quả khảo sát nhà máy XLNT Kim Liên 61 3.2. Ứng dụng mô hình AO - MBR để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư. 64 3.2.1. Kết quả khảo sát các thành phần chính nước thải đầu vào 64 3.2.2. Kết quả tổng hợp thông số vận hành mô hình 66 3.2.3. Đánh giá quá trình làm việc của mô hình 67 3.2.3.1. Bùn sinh học 67 3.2.3.2. Tỷ lệ thức ăn và vi sinh vật F/M 68 3.2.3.3. Hàm lượng chất rắn lơ lửng SS 69 3.2.3.4. Oxy hòa tan, pH, nhiệt độ 70 3.2.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình 71 3.2.4.1. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ COD 73 3.2.4.2. Hiệu quả xử lý Nitơ 75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.4.3. Hiệu quả xử lý Photpho 76 3.2.4.4. Hiệu quả xử lý vi khuẩn 78 3.2.4.5. Kiểm soát độ kiềm 78 3.2.5. Kết quả chung và đánh giá hiệu quả xử lý mô hình 78 3.2.6. So sánh hiệu quả xử lý của mô hình thí nghiệm với hiệu quả xử lý nhà máy XLNT Kim Liên 81 3.3. Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học AO - MBR để xử lý một số loại nước thải đô thị dựa trên cơ sở của đối tượng đã được nghiên cứu… …… …83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 1. Kết luận 89 2. Kiến nghị 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO .91 PHỤ LỤC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Với tất cả tấm lòng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: PGS. TS Trần Đức Hạ và TS. Hoàng Văn Hùng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Đồng thời xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện nghiên cứu cấp thoát nước và môi trường (Hội cấp thoát nước Việt Nam) - Viện khoa học và kỹ thuật môi trường (Trường Đại học Xây dựng) - Tập đoàn Mitsubishi Rayon đã tạo điều kiện cho tôi trực tiếp tham gia đề tài nghiên cứu ― Ứng dụng màng MBR để xử lý nước thải trong điều kiện Việt Nam‖ do PGS. TS Trần Đức Hạ làm chủ trì. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa sau đại học - Trường Đại học Nông Lâm, những người đã dạy dỗ và giúp đỡ rất nhiều trong những năm học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi xin cảm ơn bạn bè cũng những người thân đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Lời cuối, Tôi xin chúc các thầy cô giáo và các bạn mạnh khỏe, học tập và công tác tốt, phục vụ trong lĩnh vực khoa học môi trường nói chung và công nghệ môi trường nhiều hơn nữa, góp phần cải thiện cuộc sống, giữ gìn môi trường trong lành cho hôm nay và cho mai sau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2014 Học viên Ngô Thị Bích Lập DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AS : Bể phản ứng sinh học thông thường AO - MBR : Thiếu khí, hiếu khí kết hợp bể lọc sinh học bằng màng BOD : Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) BHT : Bùn hoạt tính COD : Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) CCN : Cụm công nghiệp CAGR : Tỷ lệ tăng trưởng tổng hợp hàng năm CAPEX : Chi phí đầu tư DO : Lượng oxy hòa tan trong nước HRT : Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time) Et al : Cùng cộng sự F/M : Tỷ lệ thức ăn/ vi sinh vật JICA : Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản KCN : Khu công nghiệp MBR : Bể lọc sinh học bằng màng MF : Màng vi lọc MLSS : Hàm lượng chất rắn lơ lửng của hỗn hợp bùn MLVSS : Hàm lượng chất rắn bay hơi NF : Màng lọc nano N-NH 4 + : Nito-amon Nxb : Nhà xuất bản OPEX : Chi phí quản lý Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PAC : Poly Aluminium Chloride P-PO 4 3- : Photpho-photphat RO : Màng lọc thẩm thấu ngược SRT : Thời gian lưu bùn SS : Chất rắn lơ lưởng SBR : Bể phản ứng sinh học theo mẻ TDS : Tổng chất rắn hòa tan TMP : Áp suất hút qua màng T-N : Ni tơ tổng số T-P : Phốt pho tổng số TSS : Tổng chất rắn lơ lửng TXL :Trạm xử lý TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia XLNT : Xử lý nước thải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Các chỉ số đánh giá hiệu quả xử lý của 4 nhà máy XLNT tập trung đô thị Hà Nội 12 1.2 Các loại vật liệu polymer sản xuất màng 16 1.3 So sánh MBR kiểu đặt chìm và kiểu đặt ngoài 18 1.4 So sánh sản lượng bùn trong hệ thống MBR và hệ bùn hoạt tính thông thường (AS) 24 1.5 So sánh bùn hoạt tính thông thường (AS) và trong MBR 25 1.6 Đặc điểm của công nghệ AO - MBR 32 1.7 Ứng dụng MBR trong xử lý một số loại nước thải tại Nhật Bản 37 1.8 Một số những công trình tiêu biểu áp dụng thành công công nghệ MBR trong xử lý nước thải sinh hoạt và đô thị 38 1.9 Một số kinh nghiệm quốc tế trong tái sử dụng nước thải 39 2.1 Các thông số quan trắc và phân tích 53 2.2 Các phương pháp phân tích nước thải và bùn cặn 54 3.1 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt các khu dân cư 55 3.2 Thành phần và tính chất nước thải công nghiệp 57 3.3 Thành phần và tính chất nước thải bệnh viện 59 3.4 Đặc điểm nước thải nhà máy XLNT Kim Liên 63 3.5 Tổng hợp các thành phần chính nước thải đầu vào mô hình tại nhà máy XLNT Kim Liên trong giai đoạn nghiên cứu 64 3.6 Các thông số vận hành mô hình 66 3.7 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của mô hình 71 3.8 Tóm tắt hiệu quả xử lý COD, N – NH 4 + , T- N, PO 4 3— P ở các chế độ thí nghiệm 79 3.9 So sánh hiệu quả xử lý của nhà máy XLNT Kim Liên với mô hình thí nghiệm 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải Thành phố Hà Nội ( Nhà máy XLNT Kim Liên và Trúc Bạch) 11 1.2 Kích thước lỗ rỗng của một số loại màng 15 1.3 Cấu hình MBR 18 1.4 So sánh hệ thống có MBR với hệ thống xử lý nước thải truyền thống 28 1.5 Biểu đồ phát triển công nghệ XLN thải bằng MBR ở Châu Âu 36 1.6 Chi phí vận hành hệ thống MBR theo thống kê của hãng Kubota 40 1.7 Giá thành màng MBR của hãng Kubota và Norit X – Flow 41 2.1 Sơ đồ công nghệ AO – MBR mô hình thí nghiệm 47 2.2 Màng mini sử dụng trong mô hình thí nghiệm 48 2.3 Sơ đồ mô hình hệ thống thiết bị thí nghiệm 49 3.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ nhà máy XLNT Kim Liên 62 3.2 Nồng độ bùn ( MLSS và MLVSS) trong bể MBR trong thời gian vận hành mô hình 67 3.3 Sự thay đổi tỷ lệ thức ăn và vi khuẩn (F/M) trong thời gian vận hành mô hình 68 3.4 Hiệu quả xử lý SS trong thời gian vận hành mô hình 69 3.5 Hiệu quả xử lý COD trong thời gian vận hành mô hình 73 3.6 Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý COD 74 3.7 Hiệu quả xử lý T - N trong thời gian vận hành mô hình 75 3.8 Hiệu quả xử lý NH 4 - N trong thời gian vận hành mô hình 76 3.9 Hiệu quả xử lý PO 4 3 - P trong thời gian vận hành mô hình 77 3.10 Sơ đồ chi tiết hệ thống xử lý sinh học AO – MBR 84 3.11 Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị từ hệ 85 [...]... áp dụng rộng rãi trong tương lai gần (Viện khoa học và công nghệ môi trường, 2010) [16] Từ hiện trạng của nước thải đô thị Hà Nội và những lợi ích cũng như khả năng xử lý nước thải của công nghệ MBR Được sự nhất trí của Nhà Trường, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Trần Đức Hạ và TS Hoàng Văn Hùng, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước. .. lý nước thải đô thị tại Hà Nội 2 Mục tiêu nghiên cứu: 2.1 Mục tiêu nghiên cứu tổng quát: Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR trong xử lí nước thải đô thị và đề xuất một số giải pháp trong ứng dụng công nghệ này 2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể: - Xác định được các thành phần ô nhiễm cơ bản của đối tượng nghiên cứu: pH, COD, BOD, SS, Nitơ, Phốt pho, Coliform Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... nghiệp ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải sinh hoạt Hà Nội Qua đó xác định được các thông số về chế độ vận hành, hoạt động tối ưu của mô hình Xác định hiệu quả xử lý - Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học MBR xử lý cho một số loại nước thải đô thị tại Hà Nội 3 Yêu cầu đề tài - Số liệu đánh giá hiện trạng phải trung thực, các tài liệu phục vụ nghiên cứu đảm bảo độ tin cậy - Các thí nghiệm nghiên. .. nhà quản lý và cộng đồng dân cư Nước thải đô thị Hà Nội mới xử lý được khoảng 25%, còn 75% nước thải đô thị chỉ xử lý sơ bộ rồi đổ thẳng ra sông, hồ gây ô nhiễm trầm trọng môi trường nước mặt (Ngô Kim Chi, 2013)[2] Ở hầu hết các đô thị vệ tinh của Hà Nội đều chưa có trạm xử lý nước thải sinh hoạt nào (Sở TNMT Hà Nội, 2012) [14] Ngày nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong công nghệ xử. .. Từ đó có thể nghiên cứu ứng dụng triển khai mang tính thực tiễn, đem lại lợi ích và hiệu quả thiết thực để làm thành những sản phẩm công nghệ phù hợp với điều kiện và tiêu chuẩn của Việt Nam 4.2 Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học có màng vi lọc MBR đặt ngập trong bể phản ứng sinh học để xử lý nước thải đô thị là công nghệ ứng dụng phù hợp đối với nơi có yêu cầu xả thải cao, eo... xử lý nước thải đô thị Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học đang được sử dụng phổ biến nhất trong hầu hết các hệ thống xử lý ở các đô thị (Trịnh Lê Hùng, 2006)[7] Thường thì một hệ thống xử lý được đánh giá bởi hiệu quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ BOD, nitơ hay phospho v.v., khả năng áp dụng của chúng như giá thành của hệ thống, giá thành của một m3 nước được xử lý hay độ phức tạp của công. .. nay để loại bỏ hợp chất hữu cơ, các chất rắn lơ lửng, nitơ và photpho, cho duy trì lượng sinh khối lớn (Stephenson et al., 2001)[26] Với công nghệ này chất lượng nước sau xử lý rất sạch, có thể tái sử dụng cho mục đích tưới cây, làm mát Công nghệ này cũng có thể áp dụng để xử lý nước thải đô thị Hà Nội Hiện tại công nghệ MBR vẫn chưa áp dụng phổ biến tại Hà Nội, tuy nhiên với hiệu quả mà công nghệ. .. Cụm xử lý bùn Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nƣớc thải thành phố Hà Nội (Nhà máy XLNT Kim Liên và Trúc Bạch) Năm 2010 JICA đã tiến hành một nghiên cứu đánh giá hiệu quả hoạt động của các TXL ở thành phố Hà Nội Nghiên cứu chỉ ra rằng nước thải trong hệ thống thoát nước Hà Nội chủ yếu phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của người dân và chỉ chứa một lượng nhỏ nước thải công nghiệp Do đó thành... thuật đô thị để có trạm xử lý nước thải tập trung vừa không hiệu quả vừa tốn kém và mất rất nhiều thời gian Vậy để song song cùng tồn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 tại lựa chọn định hướng để sự đô thị hóa của Hà Nội có hiệu quả và quy hoạch quản lý đô thị đánh giá đúng thực trạng về môi trường nói chung và quản lý xử lý nước thải đô thị nói riêng thì giải pháp xử lý nước thải. .. Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 nghệ xử lý sinh học truyền thống ngày càng được quan tâm ứng dụng (Trần Hữu Uyển và Trần Đức Hạ, 2014) [18] Dựa trên những lợi ích cũng như hiệu quả xử lý cao, kích thước công trình nhỏ, vận hành và quản lý dễ dàng Công nghệ MBR (Membrane Bio Reactor, lọc sinh học - màng) là hệ thống xử lý nước thải kết hợp quá trình lọc màng với quá trình sinh học sinh trưởng . tiến hành nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội . 2. Mục tiêu nghiên cứu: 2.1. Mục tiêu nghiên cứu tổng quát: Nghiên cứu. Với công nghệ này chất lượng nước sau xử lý rất sạch, có thể tái sử dụng cho mục đích tưới cây, làm mát Công nghệ này cũng có thể áp dụng để xử lý nước thải đô thị Hà Nội. Hiện tại công nghệ MBR. cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR trong xử lí nước thải đô thị và đề xuất một số giải pháp trong ứng dụng công nghệ này. 2.2. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể: - Xác định được các thành