The application of anaerobic membrane bioreactor for the co treament of household organic waste and sewage

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN XUÂN HÙNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC KỴ KHÍ CHO ĐỒNG XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ VÀ NƢỚC THẢI SINH HOẠT The application of Anaerobic Membrane Bioreactor for the co-treament of hosehold organic waste and sewage Chuyên ngành : Kỹ Thuật Môi Trường Mã số: 60520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019 i CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Phước Dân Cán chấm nhận xét : PGS.TS Trương Thanh Cảnh Cán chấm nhận xét : PGS.TS Lê Hùng Anh Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 18 tháng 01 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Bùi Xuân Thành PGS.TS Trương Thanh Cảnh PGS.TS Lê Hùng Anh TS Nguyễn Như Sang TS Võ Nguyễn Xuân Quế Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN XUÂN HÙNG MSHV: 1770234 Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1994 Nơi sinh: Bình Dương Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 60520320 I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí cho đồng xử lý chất thải rắn hữu nước thải sinh hoạt NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đánh giá hiệu xử lý mơ hình AnMBR thời gian lưu 48 giờ, 36 12 + thông qua thay đổi COD, TKN, N-NH4 TP, sản lượng khí sinh học thu hồi Ảnh hưởng VFA đến pH dòng thấm hàm lượng khí methane hỗn hợp biogas Đánh giá áp suất chuyển màng (TMP), đặc tính bẩn màng thời gian lưu khác 48 giờ, 36 24 II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/01/2018 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2018 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Phước Dân NCS Bùi Hồng Hà Tp HCM, ngày tháng 01 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) PGS.TS Nguyễn Phước Dân (Họ tên chữ ký) NCS Bùi Hồng Hà PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN (Họ tên chữ ký) PGS.TS Võ Lê Phú iii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Phước Dân người Thầy tận tình hướng dẫn tài trợ kinh phí thời gian nghiên cứu Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô khoa Môi Trường Tài Nguyên, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức quý báu, tảng vững cho thực luận văn Tôi xin cảm ơn bạn học viên cao học, bạn sinh viên đại học khoá 2017 hỗ trợ giúp đỡ thực đề tài luận văn Cuối tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ bạn tôi, người động viên, tạo động lực đồng hành tơi suốt q trình thực luận văn Chân thành cảm ơn! TP HCM, tháng 01 năm 2019 Nguyễn Xuân Hùng iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) cho việc đồng xử lý chất thải rắn hữu nước thải sinh hoạt Hỗn hợp chất thải phối trộn với với tỉ lệ 0,72 kg chất thải hữu 150 lít nước thải dựa lượng phát sinh thực tế đầu người Kết cho thấy hiệu loại bỏ COD tăng thời gian lưu nước (HRT) tăng tải trọng hữu OLR giảm Ở thí nghiệm 1, cho thấy hiệu xử lý COD tốt ổn định tải trọng 0,9 kgCOD.m -3 ngày-1 tăng tải trọng lên 3,5 kgCOD.m-3.ngày-1 đồng thời giảm thời gian lưu HRT=24 để đánh giá khả thích nghi xử lý vi sinh thấy hiệu suất giảm đáng kể từ 91 xuống 83%, mơ hình có dấu hiệu q tải Vì vậy, thời gian lưu nước tăng lên HRT=36 thí nghiệm 2, hiệu loại bỏ COD tăng lên ổn định sau ngày thích nghi với hiệu suất đạt 89,7% với OLR=1,5 kgCOD.m-3 ngày-1 Sau 30 ngày, mơ hình tiếp tục vận hành HRT=36h tải trọng tăng lên 2,0 kgCOD.m-3.ngày-1 với mục đích đánh giá khả xử lý COD thay đổi tải trọng Kết hiệu suất xử lý COD giảm không đáng kể mức 88,7% Tuy nhiên, hiệu suất loại bỏ TKN, TP thấp Nồng độ N-NH4 + dịng thấm có gia tăng đáng kể so với nồng độ hỗn hợp dòng vào Đánh giá áp suất chuyển màng (TMP), thí nghiệm giá trị TMP đạt gần 50kPa ngày thứ 26 với HRT 48 ngày thứ 10 HRT 24 Ở thí nghiệm 2, với HRT 36 giá trị TMP đạt gần 50kPa vào ngày thứ 18 OLR=1,5 kgCOD-1 m-3 ngày-1 ngày 15 OLR=2,0 kgCOD.m-3.ngày1 Tốc độ bẩn màng (dTMP/dt) tăng nhanh nồng độ TS tăng, suất khí sinh học thu HRT 48 24 1,12 l.ngày-1 3,55 l.ngày-1 Tại HRT 36 lượng khí sinh 1,53 l.ngày-1 2,1 l.ngày-1 ứng với OLR=1,5 kgCOD.m-3.ngày-1 OLR=2,0 kgCOD.m-3 ngày-1 v ABSTRACT This study aimed to evaluate the effectiveness of the application of anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) in co-treatment of sewage and household organic solid waste The influent is the mixture at proportion of 0.72 kg of organic waste and 150 liters of sewage which is the actual per capita The results showed that the COD removal efficiency increased as Hydraulic Retention Time (HRT) increasing and Organic loading rate decreasing.In Run 1, the results showed that COD treatment efficiency was high and stable at 0.9 kgCOD.m-3.day-1 load but when OLR was increased to 3.5 kgCOD.m-3 ngày-1 and reduce HRT to 24 hours to evaluate microbial processing,the efficiency decreased significantly from 91 to 83%, the system has signs of shock of organic load, the sludge in UASB tank flows through membrane tank Therefore, in Run 2, HRT was increased to 36 hours, the results indicated that COD removal efficiency was increased and stabilized after one day of adaptation, the efficiency reached 89.7% with OLR=1.5kgCOD.m-3.ngày-1 After 30 ngàys, the model continued to operate at HRT = 36h but OLR was increased to 2.0 kgCOD.m-3 ngày-1 The purpose of OLR change is to evaluate the model's processing capability The results of COD treatment efficiency decreased negligible at 88.7%.However, Removal efficiency at the permeability flow of TKN, TP is insignificant The concentration of N-NH4 + of permeat had a remarkable growth compared to those in influent The membrance fouling velocity (dTMP.dt-1) would be quickly raised up as TS In Run the yield of biogas collected at HRT 48 hours was 1.12 L.day-1, corresponding to a yield of, compared to the 3.55L.day-1 of HRT 24 In Run 2, At HRT 36 hours the yield of biogas collected was 1.53 L.day-1 with OLR=1.5 kgCOD.m-3.day-1 compared to OLR=2.0 kgCOD.m-3.day-1 biogas collected was 2.1 l.day-1 vi with the yield of NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Phước Dân vii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 Giáo viên phản biện Giáo viên phản biện viii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn luận văn kết trình nghiên cứu tơi bạn sinh viên đại học khố 2017 thực phịng thí nghiệm khoa Mơi trường Tài Nguyên, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Những kết số liệu luận văn thực nghiêm túc trung thực Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm kết nghiên cứu TP.Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 01 năm 2019 Học Viên Cao Học Nguyễn Xuân Hùng ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Việt AeMBR Tiếng Anh Công nghệ màng sinh học Aerobic Membrane Bioreactor hiếu khí AnMBR Cơng nghệ màng sinh học kỵ Anaerobic Membrane Bioreactor khí Biogas Khí sinh học BTNMT Bộ Tài nguyên & Môi trường BOD5 Nhu cầu Oxy sinh hóa sau Biochemical Oxygen Demand ngày COD Nhu cầu Oxygen hóa học Chemical Oxygen Demand EPS Hợp chất polymer ngoại bào Extracellular polymeric substances HRT Thời gian lưu nước Hydraulic Retention Time QCVN Quy chuẩn Việt Nam TMP Áp suất qua màng Transmembrane Pressure TKN Tổng Nitrogen Kjeldahl Total Kjeldahl Nitrogen TP Tổng Phospho Total Phosphorous Tp HCM Thành phố Hồ Chí Minh TSS Tổng chất rắn lơ lửng Total Suspended Solids VS Chất rắn bay Volatile Solids UASB UF Upflow Anaerobic Sludge Blanket Công nghệ siêu lọc Ultrafiltration x Hình 4.23 Biểu đồ phân bố kích thước hạt sau bể sinh học UASB vị trí Hình 4.24 Biểu đồ phân bố kích thước hạt bùn hồi lưu từ bể màng Vị trí bùn từ mẫu đến 4, tương ứng mẫu tính từ đáy lên thành bể UASB thể hình 3.2 Hình 4.19, 4.20 4.23 thể rõ dịng vào, dịng bể sinh học bùn kỵ khí có phân bố kích thước hạt hồn tồn khác nhau, có kích thước trung bình 71μm, 122μm ,47 μm Kết giống với nghiên cứu Houghton Anglian Water 2002, điều kiện vận hành ổn định kích thước hạt trung bình bùn kỵ khí dao động từ 110-140μm theo Sự gia tăng mức độ dòng vào bể bùn dẫn đến thay đổi phân bố kích thước hạt bùn với việc giảm số lượng hạt có kích thước nhỏ theo Elsevier 2002 56 Nhìn chung, phát triển bùn hạt yếu tố quan trọng đến q trình hoạt động bể phản ứng kỵ khí Ngun nhân do: bùn hạt phân tách sinh khối lơ lửng hiệu khỏi nước thải hệ thống xử lý nước thải, vận hành bể phản ứng kỵ khí với tải trọng thủy lực cao mà khơng làm rửa trơi hạt bùn hoạt tính sinh học làm cho nồng độ sinh khối kỵ khí hoạt động với hiệu suất cao giữ lại bể phản ứng Quá trình tạo hạt bùnlàm tăng khả tiếp xúc vi sinh vật tối đa hóa chuyển hóa acetate hydro chất khử axit béo tổng hợp methanogenes, dẫn đến q trình phân hủy kỵ khí hiệu Bùn hạt có khả xử lý tốtvới tải trọng cao, vận hành quy trình xử lý bùn kỵ khí UASB để xử lý nước thải nồng độ nhiễm cao,bên cạnh vận tốc lắng nhanh hạt giúp giảm kích thước lị phản ứng kỵ khí 4.8 Cân vật chất thí nghiệm Phân bố vật chất COD, TKN, TP thí nghiệm thí nghiệm xác định nhằm đánh giá hiệu suất xử lý thành phần thu hồi 4.8.1 Cân vật chất COD Khí 2.0 16.7 Dịng thấm 4.5 Khí 11.5 24.5 18.34 Tích lũy 47.9 8.9 51.4 Thất 14.3 Dịng thấm Tích lũy Thất Bùn rút định kỳ Bùn rút định kỳ Hình 4.25 Phân bố thành phần COD thí nghiệm với OLR=0,9 kgCOD.m-3.ngày1 3,5 kgCOD.m-3.ngày1 57 Khí 2.6 13.2 53.6 Khí Dịng thấm 20.3 10.3 Dịng thấm 3.2 15.1 Tích lũy 50.0 Thất 20.44 11.3 Bùn rút định kỳ Tích lũy Thất Bùn rút định kỳ Hình 4.26 Phân bố thành phần COD thí nghiệm với OLR=1,5 kgCOD.m-3 ngày1 2,0 kgCOD.m-3.ngày1 Hình 4.25 4.26 cho thấy thành phần phân bố COD trình thí nghiệm sau: COD theo dịng thấm chiếm HRT 48 giờ, 36 tải trọng thấp, 36 tải trọng cao có dịng thấm là: 8,9%, 10,3%, 11,3% thấp COD theo dòng thấm 14,3% HRT 24 Hàm lượng COD khí sinh học chiếm 17,5%, 14,5%, 14,6% HRT 48 giờ, 36 OLR=1,5 kgCOD.m-3.ngày-1 36 OLR=2 kgCOD.m-3.ngày-1 cao COD theo dòng thấm 13,1% HRT 24 Tỉ lệ % COD tích luỹ bể thời gian lưu tương đương COD thất thoát cao HRT 24 thấp HRT 48 4,5% 2% Điều này giải thích HRT 24 ngắn q trình chuyển hố chất hữu hồ tan thành khí sinh học chưa hiệu quả, hiệu suất chuyển đổi sang sinh học thấp Tỉ lệ % COD thất thoát chiếm 2–5 % giải thích q trình tuần hồn khí sinh học có khí methane tan nước khí sinh học từ thẩm thấu hút màng lọc UF Do cần phải thực nghiên cứu thêm với HRT khác để xác định thời gian lưu hiệu cho trình ứng dụng AnMBR đồng xử lý chất thải để xác định hiệu suất thu hồi tối ưu 58 4.8.2 Cân vật chất TKN TP 9.50% 1.00% 0.50% 0.80% 4.70% 3.50% 86.00% Khí Khí Dịng thấm Dịng thấm Tích lũy Tích lũy 94.00% Thất Thất Hình 4.27 Phân bố thành phần TKN Thí Nghiệm với OLR=0,9 kgCOD.m-3.ngày1 3,5 kgCOD.m-3.ngày1 4.10% 1.40% 3.50% 91.00% 1.90% 2.00% 4.60% Khí Khí Dịng thấm Dịng thấm Tích lũy Tích lũy 91.50% Thất Hình 4.28 Phân bố thành phần TKN Thí Nghiệm với OLR=1,5 kgCOD.m-3.ngày1 2,0 kgCOD.m-3.ngày1 59 Thất thoát 8.10% 0.30% 0.90% 4.80% 1.30% 3.60% Khí Khí Dịng thấm Dịng thấm Tích lũy 87.00% Tích lũy 94.00% Thất Thất Hình 4.29 Phân bố thành phần TP Thí Nghiệm với OLR=0,9 kgCOD.m-3.ngày1 3,5 kgCOD.m-3.ngày1 1.80% 1.00% 4.50% Khí 0.60% 1.80% 4.60% Dịng thấm Dịng thấm Tích lũy Tích lũy 92.70% Thất Khí 93.00% Thất Hình 4.30 Phân bố thành phần TP Thí Nghiệm với OLR=1,5 kgCOD.m-3.ngày1 2,0 kgCOD.m-3.ngày1 Hình 4.27, 4.28, 4.29 4.30 cho thấy phân bố thành phần TKN, TP tồn q trình thí nghiệm Kết cho thấy tỉ lệ TKN, TP qua dòng thấm chiếm tỉ lệ cao Tại HRT 48 TKN, TP dòng thấm chiếm tỉ lệ 86 % 87%.Tại HRT 36 TKN, TP dòng thấm chiếm tỉ lệ 91 % 92% với OLR=1.5 kgCOD.m-3.ngày-1, với OLR=2kgCOD.m-3 ngày-1 TKN, TP dòng thấm chiếm tỉ lệ 91.5 % 93% Tại HRT 24 TKN, 60 TP dòng thấm chiếm tỉ lệ 94% Tỷ lệ % TKN, TP chiếm tỉ lệ cao dịng thấm cho thấy q trình phân huỷ kỵ khí để phân huỷ chất rắn xảy bên bể hiệu nên chuyển đổi hiệu Nitơ hữu thành dạng N-NH4 + photphat thành ortho-photphat Tỉ lệ % TKN, TP thất thoát giải thích nằm nồng độ sinh khối bùn nằm chất rắn mà chưa phân huỷ hoàn toàn 61 CHƢƠNG 5.1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Các kết luận sau rút nghiên cứu này: Ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí cho đồng xử lý chất thải rắn hữu nước thải sinh hoạt cho thấy có khả ứng dụng điều kiện Việt Nam Chất lượng COD dòng thấm chưa đáp ứng với quy chuẩn chất lượng nước xả thải nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT (COD