Màng lọc có thể phân loại thao kích cỡ và mức độ áp lực. Ngoài ra màng lọc cớ thể phân loại theo vật liệu cấu tạo màng và hình dáng lọc.
- Vi lọc (microfiltration - MF); - Siêu lọc (Ultrafiltration - UF); - Lọc nano (Nanofiltration - NF);
- Lọc thẩm thấu ngược (Reverse osmosis - RO).
Màng lọc cớ thể phân loại theo:
Màng đối xứng: là màng đồng chất có các lỗ tạo thành do kỹ thuật bắn phá chùm tia, sau đó cho hóa chất tác dụng cố định lại.
Màng không đối xứng:là màng hỗn hợp, thường làm từ các vật liệu polyme gồm nhiều lớp mỏng có kích thước lỗ rỗng khác nhau theo thứ tự giảm dần độ rỗng xếp chồng lên nhau, giữa lớp là các sợi đỡ.
Bảng 2. 2: Phân loại màng lọc theo kích thước và áp suất vận hành
Type Molecular Weight cutoff (MWC) Pressure (bar) Pore Size (mm) MTC for water (Permeability) RO 50-100 5-120 <0,5 (0,1) (0,05-1,5 L/h.m0,1 gsfd/psi 2.bar) NF 150-1000 3-20 0,5-2 (1) 0,3 gsfd/psi (1,5-30 L/h.m2.bar) UF 5000-10000 0,1-5 2-100(10) 5 gsfd/psi (10-1000 L/h.m2.bar) MF >10000 0,1-2 100-10000 (500) 20 gsfd/psi (>1000 L/h.m2.bar)
Nguồn: Giáotrìnhcông nghệxửlýnước Cácquátrìnhhoálý(TS.Trần MinhThảo)
Môđun mang: có 4 loại chính
Dạng ống: (Tubular module) Ống được chế tạo từ sứ, carbon hoặc plastic rỗng có đường kính từ 3,2 mm đến 25,4 mm. Dòng thấm chảy qua thành ống và được thu ở phía ngoài ống.
Dạng sợi rỗng: (Hollow Fiber module) là ống hình trụ bên trong gồm bó sợi rỗng. Sợi rỗng này có tương tự dạng ống, màng đặt bên trong, nhưng sợi rỗng có đường kính nhỏ hơn nhiều và kết cấu đỡ đòi hỏi rắn chắc hơn.
Dạng tấm phẳng: (Plate type module) tấm màng lọc trải trên khung đỡ gồm nhiều tấm phẳng.
Dạng vòng xoắn:(Spiral wound module) tấm màng lọc được quấn quanh một ống thấm khoan lỗ để thu nước thấm (permeate)
2.5. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
2.5.1. Công nghệ OsMBR trong xử lý nước thải
Nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ màng thẩm thấu thuận (FO) đã phát triển đáng kể trong 10 năm qua, nhưng ứng dụng của nó trong phạm vi xử lý nước thải đã chậm hơn. Tuy nhiên, công nghệ này đã mang lại nhiều hiệu quả nhất định trong việc xử lý nước thải. Nguyên lý hoạt động được mô phỏng tại hình 2.5.
Hình 2. 5: Công nghệ xử lý nướcthải OsMBR
Ghi chú: Submerged OMBR: OMBR đặt chìm; Moving biofilm carrier: giá thể
sinh học; Air blower: máy thổi khí; Conductivity meter: Máy đo độ dẫn điện; Air diffuser: bộ khuếch tán không khí; Bioreactor tank: bể hiếu khí; Sludge wasting: bùn thải; Pump: bơm; Overflow: dòng chảy tràn; Concentrated salt tank: Bể muối đậm đặc. FO là một thuật ngữ kỹ thuật mô tả hiện tượng thẩm thấu tự nhiên: sự vận chuyển các phân tử nước qua màng bán thấm. Chênh lệch áp suất thẩm thấu là động lực của vận chuyển nước, trái ngược với các quá trình màng điều khiển áp lực. So với các MBR thông thường sử dụng màng vi lọc xốp (MF) hoặc màng siêu lọc (UF) dưới tác động của áp lực thủy lực, OMBR có khả năng tiêu hao năng lượng ít hơn (đối với trường hợp
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Minh Quyền Giảngviên hướng dẫn:TS. Trần Minh Thảo 17
không cần phục hồi DS), tỷ lệ loại bỏ cao đối với nhiều chất gây ô nhiễm và xu hướng ô nhiễm thấp.
Tuy nhiên, một trong những thách thức quan trọng nhất trong việc phát triển hơn nữa các hệ thống OsMBR hiện tại là thiếu DS thích hợp để giảm tích lũy muối trong bể phản ứng sinh học. Sự khuếch tán ngược của muối từ DS vào bùn hoạt tính và tích tụ muối do tính lưu giữ cao của màng FO có thể làm tăng nồng độ muối trong lò phản ứng sinh học dẫn đến ảnh hưỡng xấu đến vi khuẩn hoạt động nhờ một số vi khuẩn chức năng nhạy cảm hơn với điều kiện độ mặn tăng cao. Ngoài ra, sự gia tăng tổng nồng độ chất rắn hòa tan (TDS) trong bùn hoạt tính cũng có thể làm giảm chênh lệch áp suất thẩm thấu qua màng FO, do đó gây ra sự suy giảm thông lượng thấm nhanh chóng.
2.5.2. Giới thiệu công nghệ xử lý nước thải OMBR-RO
Hình 2. 6: Nguyên lý hoạt động công nghệ OMBR-RO
Công nghệ OMBR-RO (Forward Osmosis Micro Filtration - Reverse Osmosis) là công nghệ dựa trên công nghệ MBR nhưng có cải tiến hơn kết hợp với màng thẩm thấu thuận FO, màng MF và màng RO để nâng cao hiệu quả xử lý nước và góp một phần vào việc thu hồi photpho trong nước thải và trong việc tái sử dụng nước cho mục đích thích hợp. Quá trình hoạt động được mô phỏng tại hình 2.6
Trong công nghệ này bể phản ứng sinh học hiếu khí giúp phân huỷ các chất ô nhiễm hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí (tương tự bể Aerotank). Bản chất của phương pháp là phân huỷ sinh học hiếu khí với cung cấp oxy cưỡng bức và nồng độ bùn hoạt tính được duy trì cao tầm 4000 – 6000 mg/l.
Nước thải sẽ được bơm vào bể sinh học. Tại đây sẽ được sục khí cung cấp lượng oxi cần thiết được vi sinh vật phân giải chất hữu cơ. Đồng thời trong bể sử dụng một hệ thống có ứng dụng màng thẩm thấu thuận FO. Công nghệ FO này sẽ dùng dung dịch DS
để tạo sự chênh lệch áp suất thẩm thấu để rút nước sạch từ trong bể theo thời gian. Sau một thời gian nhất định, dung dịch tạo áp suất thẩm thấu DS bị pha loãng dẫn tới thông lượng thấm. Giảm khi đó ta cần có hệ thống phụ màng RO. Hệ thống RO được vận hành bằng bơm áp lực để tách nước sạch và phục hồi lại DS. Bên cạnh đó, trong qua trình rút nước trong bể bằng màng FO lúc đó nước trong bể được cô đặc lại và hàm lượng nito và photpho trong bể tăng cao. Khi đó cho màng MF rút nước ra từ trong bể sinh học. Do kích thước lỗ màng MF cho phép một lượng lớn photpho đi qua nên phần lớn phopho và canxi được rút ra sau màng MF được loại bỏ thông qua việc tăng pH bằng NaOH.
Ưu, Nhược điểm của công nghệ oMBR- RO
Ưu điểm:
Quá trình OMBR-RO không cần phải xây thêm bể lắng bùn sinh học và bể khử trùng phía sau, giảm được chi phí xây dựng và thiết bị, giảm chi phí vận hành và giảm được diện tích xây dựng có thể dùng cho mục đích khác.
- Thời gian lưu nước ngắn (3-5 giờ) so với công nghệ bùn hoạt tính thông thường (>6 giờ) giảm diện tích xây dựng cần thiết.
- Nồng độ vi sinh trong bể cao và thời gian lưu bùn (SRT) dài nên khối lượng bùn do sinh ra ít, giảm chi phí xử lý, thải bỏ bùn. Ngoài ra, do nồng độ bùn trong bể cao nên sẽ làm giảm khả năng nổi của bùn, tăng hiệu của xử lý của bùn hoạt tính. - MBR được thiết kế với nồng độ bùn hoạt tính cao (8.000-18.000 mg/l) và tải trọng BOD xử lý cao, giảm thể tích của bể sinh học hiếu khí nên giảm chi phí đầu tư xây dựng.
- Trường hợp nhà máy có nâng công suất hoạt động lên thì đối với quá trình MBR chỉ cần đầu tư thêm module màng.
Nhược điểm:
- Giá thành đầu tư cao, do phải đầu tư mua màng và các cụm màng phải được thay thế định kì để đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường.
- Giá vận hành cao: Chi phí cho năng lượng bơm nước qua màng cao, chi phí hoá chất pha dung dịch DS
- Công nhân cần có chuyên môn. Cần có hệ thống phụ đi kèm để phục hồi dung dịch draw solution và tách nước sạch. Quá trình phục hồi DS tốn thêm năng lượng và dễ bẩn màng.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Minh Quyền Giảngviên hướng dẫn:TS. Trần Minh Thảo 19
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Do đề tài đang được nghiên cứu ở giai đoạn thích nghi mà vi sinh vật ở giai đoạn này rất nhạy cảm với kim loại. Nên nếu hệ thống sử dụng ngay nước thải sinh hoạt trong giai đoạn thích nghi sẽ khiến cho vi sinh trong các ngăn của bể ABR và bể AEROTANK có thể chết. Khi đó hoạt động sinh hóa của chúng bị giảm, khi nồng độ kim loại nặng tăng cao, hoạt động của vi sinh dạng sợi phát triển dẫn tới bùn hoạt tính khó lắng (tạo bông bùn nhẹ). Cu, Fe, Pb, Zn… là những kim loại có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lí của chất ô nhiễm. Vì vậy, để tránh tính trạng này hệ thống sử dụng nước sinh hoạt nhân tạo có nồng độ BOD, COD, N, P giống như nước thải sinh thực tế.
Nước thải sinh hoạt nhân tạo được pha theo tỉ lệ: 300g rỉ đường: 15g NPK ( Nts 17%, 𝑃𝑃2𝑂𝑂5hh 12%, 𝐾𝐾2Ohh 7% + CaO 0. 5%,) pha với 30l nước thải để hòa tan. Sau đó bơm vào bể chứa có dung tích 100l.
3.2. QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KỴ KHÍ, HIẾU KHÍ KẾT HỢP MÀNG LỌC MF MÀNG LỌC MF
Sau khi tìm hiểu một số tài liệu và tổng hợp liên quan đến đề tài nghiên cứu. Trong đề tài này, tôi sử dụng công nghệ màng MF kết hợp với bể AEROTANK, và bể ABR có sử dụng giá thể sinh học để nâng cao hiệu quả xử lý. Bể AEROTANK sục khí một lượng khí thích hợp tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí phân giải chất hữu cơ làm giảm hàm lượng COD, nito và photpho trong nước thải và góp phần giảm vấn đề bẩn màng đặt trong bể.
3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.3.1. Phương pháp thu thập và nghiên cứu tài liệu
Thu thập và nghiên cứu tài liệu là một công việc quan trọng cần thiết cho bất kỳ hoạt động nghiên cứu khoa học nào. Đây là nền tảng cho hoạt động nghiên cứu. Việc thu thập và nghiên cứu tài liệu giúp cho người nghiên cứu nắm rõ được các phương pháp nghiên cứu trước đây, làm rõ hơn đề tài nghiên cứu của mình, có thêm kiến thức rộng, sâu về lĩnh vực đang nghiên cứu… Từ các tài liệu đã thu thập và kiến thức chuyên ngành đề xuất và đưa ra mô hình xử lí nước thải sinh hoạt bằng hệ thống kị khí, hiếu khí kết hợp màng lọc (MF) quy mô phòng thí nghiệm.
3.3.2. Phương pháp lấy mẫu nước thải
Theo TCVN 5992 – 1995 (ISO 5667 – 2: 1991): Chất lượng nước, lấy mẫu, hướng dẫn kỹ thuật lấy mẫu.
Lấy mẫu tại đầu vào và đầu ra của hệ thống.
Chuẩn bị dụng cụ lấy mẫu có nhãn dán ghi rõ địa điểm lấy mẫu; Tráng dụng cụ chứa mẫu 2-3 lần bẵng mẫu nước tại hiện trường.
3.3.3. Phương pháp mô hình Mô hình pha nước thải: Mô hình pha nước thải:
Gồm có bơm đương lượng, 1 can nhựa 30l, 1 thùng chứa 100l
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống như sau: Đầu tiên nước thải đã được pha loãng được đổ vào thùng chứa. Tại đây nước thải sẽ được pha loãng và được bơm vào hệ thống. Nước trong thùng chứa được cấp vào liên tục. Việc sử dụng bơm đương lượng để bơm nước từ bình chứa nước thải vào pha loãng góp phần làm ổn định nồng độ của nước thải, giúp quá trình xử lí diễn ra hiệu quả hơn.
3.3.4. Vật liệu màng ứng dụng trong nghiên cứuCông nghệ màng MF Công nghệ màng MF
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Minh Quyền Giảngviên hướng dẫn:TS. Trần Minh Thảo 21
Bảng 3. 1: Ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm của các loại màng.
Nguồn: Giáotrìnhcông nghệxửlýnước Cácquátrìnhhoálý(TS.Trần MinhThảo)
MÀNG LỌC MICRON (MF) là được cấu tạo từ Polyproylene (PP) hay Polypropene, đây là các sợi hữu dẻo có đặc tính cơ học tốt cà chống chịu được ăn mòn từ axit và các hoá chất tồn tại trong nước. Ngoài ra, màng MF còn được làm bằng gốm sứ, Teflon hoặc các loại nhựa khác. Để chế tạo lõi lọc nước thô, các sợi PP sẽ được nén với áp suất cao và công nghệ tiên tiến để tạo nên hệ thống lọc với các khe lọc nhỏ, thường là khoảng 0,1 đến 5µm (micronmet). Lõi lọc này sẽ bảo đảm chống chịu tốt áp suất nước cao, không bị ảnh hưởng bởi hoá chất trong nước và có đặc tính cơ học bền vững. Màng có dộ xốp cao, các chất bị màng MF. Chặn lại có kích thước 0.1 – 10micron bao gồm rỉ sét, bùn đất, cát, huyền phù và các vi sinh vật trôi nổi nhưng không ngăn được vi khuẩn và các tạp chất hoà tan.
Cơ chế: Nguyên lý lọc màng của công nghệ MF dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua lớp vách ngăn (màng lọc) nhờ sự chênh lệch áp suất. Màng MF có khả năng tách các phân tử có kích thước từ vài micromet ra khỏi nước nhờ vi khuẩn, các vi sinh vật, chất lơ lửng...
Chất ô nhiễm
Loại màng
MF UF NF RO
Chất hữu cơ dễ phân huỷ v v v
Các ion cứng v v Kim loại nặng v v Nitrate v v Các chất hữu cơ tổng hợp v v TDS v v TSS v v Vi khuẩn v v v v Động vật nguyên sinh v v v v Virus v v
Hình 3. 2: Cơ chế hoạt động màng MF (nguồn: http://hongphuctv.com.vn/san-
pham/mang-loc-mbr-hieu-toray-nhat-ban/)
Đặc điểm của màng lọc MF được cấu tạo với độ xốp cao và có kích thước rất nhỏ từ 0,1 -10 µm. Trong nghiên cứu này sử dụng màng MF dạng sợi có kích thước lỗ màng 1.0 µm và chất liệu từ florua polyvinylidene. Màng MF có nhược điểm gây tổn thất do áp lực và bẩn màng khá nghiêm trọng.
Hệ màng lọc MF
Màng lọc MF (Microfiltration) hay còn gọi là màng siêu lọc sợi rỗng thẩm thấu, mỗi sợi màng có dạng hình ống, màu trắng, khi lọc cho phép nước đi từ ngoài vào trong lòng ống nhờ áp lực dòng chảy của nước, khi ta bịt một đầu ống lại hoặc uốn ống theo hình chữ (U). Dưới áp lực dòng chảy của nước sẽ thấm qua các mao dẫn có kích thước khoảng từ 0,1~ 2,0 micromet(µm).
Công dụng của màng lọc MF: Với kích thước từ 0,1~ 2,0 micron (µm) màng lọc MF có thể lọc sạch các tạp chất có kích thước nhỏ hơn cả vi khuẩn, loại bỏ dầu, mỡ, hydroxit kim loại, chất keo, nhũ tương, chất rắn lơ lửng, và hầu hết các phân tử lớn từ nước và các dung dịch khác như (phấn hoa, tảo, kí sinh trùng, virut, và vi trùng gây bệnh…)và đặc biệt là có thể triệt tiêu được vi khuẩn tới 99.9% dường như không còn vi khuẩn. Các phân tử có kích thước lớn hơn như các loại tạp chất, virus, vi khuẩn sẽ bị giữ lại và thải xả ra ngoài. qua tất cả các bước lọc khắt khe nhất từ các lõi lọc, cấp lọc và màng siêu lọc MF đã cho ra một nguồn nước tinh khiết đảm bảo sức khỏe tối ưu cho mọi người sử dụng.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Minh Quyền Giảngviên hướng dẫn:TS. Trần Minh Thảo 23
Cấu tạo và chức năng của màng siêu lọc MF:
Hình 3. 3: Cấu tạo màng lọc
Màng lọc Microfiltration có thể hoạt động theo 2 nguyên lý:
Hình 3. 4: Quy trình màng lọc
Từ ngoài vào trong: Lớp lọc nằm bên ngoài màng, dòng nước có chất ô nhiễm được đẩy vào từ bên ngoài vào trong màng lọc tất cả các chất độc hại được dữ lại bên ngoài màng lọc. chỉ duy nhất Nước sạch nguyên khoáng, nước tinh khiết sau lọc được thu ở bên trong màng lọc.
Từ trong ra ngoài: Lớp lọc nằm bên trong màng. Dòng nước có chất ô nhiễm được thấm vào từ bên trong màng lọc. Nước sạch sau lọc được thu ở bên ngoài màng lọc
Cấu tạo của màng lọc MF là: Các tạp chất không thấm qua màng sẽ được giữ lại bên ngoai màng lọc trong lòng ống và được tống ra ngoài khi mở đầu bịt của ống ra. Điều này cho phép tạo khả năng tự xả bẩn của màng MF bằng cách lắp van tự động xả thải một theo thời gian làm việc của màng.
Hình 3. 5: Sợi rỗng Hình 3. 6: Kiểu quấn
Nguyên lý hoạt động:
Microfiltration (MF) là công nghệ siêu lọc, sử dụng các lớp màng có kích thước nhỏ 0,1 – 5 dùng để loại bỏ các hạt lơ lửng thô, có kích thước lớn dưới một áp lực nhất định (khoảng 100 PSI). Nước sẽ được chảy qua màng lọc này trước khi qua các bước