Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống Gaslift-MBR

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN

1.2. Công nghê ̣ màng lọc sinh học kết hợp khí nâng (Gaslift-MBR) trong xử lý nước

1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống Gaslift-MBR

Hệ thống Gaslift-MBR bao gồm bể sinh học tích hợp xử lý thiếu khí, hiếu khí và một hệ thống màng với khí nâng cột nước đi trong ống màng được cấp từ máy nén khí như Hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống Gaslift - MBR

Màng khí nâng được sử dụng trong nghiên cứu để giải quyết hai vấn đề chính của cơng nghệ màng truyền thống đó là chi phí vận hành cao do phải thay thế màng lọc khi màng bị tắc và chi phí cho năng lượng do dịng hỗn hợp đi vào màng cần được tăng áp nhờ hoạt động của một bơm ly tâm. Đồng thời việc sử dụng màng cũng làm tăng hiệu quả xử lý cho hệ thống sinh học khi q trình tuần hồn bùn về bể được diễn ra ổn định và không bị ảnh hưởng bởi nồng độ bùn (trong khi điều này là rất khó khăn đối với việc sử dụng bể lắng và tuần hoàn bùn từ bể lắng về). Việc nghiên cứu này sẽ góp phần vào việc giảm chi phí vận hành và tiết kiệm diện tích xử lý, nâng cao khả năng ứng dụng rộng khắp cho các lò giết mổ cho cả nước.

Công nghệ xử lý sinh học trên thế giới, tùy thuộc vào đặc tính nguồn thải ơ nhiễm, nguồn lực tài chính, cơng nghệ và trình độ nguồn lực về nhân sự, người ta

có thể lựa chọn triển khai dưới nhiều giải pháp kỹ thuật ứng dụng khác nhau: giải pháp bể phản ứng sinh học hiếu khí (Aerated Tank), giải pháp màng sinh học (Biofilter System), giải pháp phân hủy kỵ khí dung treo bùn hoạt tính (Upflow

Anaerobic Sludge Blanket), giải pháp phản ứng khối tuần tự gián đoạn (Sequencing Bactch Reactor), giải pháp lọc dòng ngược bùn sinh học (Upflow Sludge Blanket Filter); trong đó phổ biến nhất là các hệ thống xử lý nước thải theo cơng nghệ bùn

hoạt tính phối hợp khai thác đồng thời: xử lý kỵ khí – xử lý vi hiếu khí – xử lý hiếu khí, nhờ vi sinh vật. Đặc điểm chung của các hệ thống xử lý hiện hành là gồm nhiều bể xử lý với chức năng công nghệ khác nhau. Các hệ thống xử lý này cần nhiều diện tích đất và chi phí xây dựng ban đầu; tiêu tốn nhiều năng lượng (để sục khí cung cấp ơxy vào bể xử lý hiếu khí; để bơm vịng từ bể hiếu khí trở lại bể xử lý vi hiếu khí cho mục tiêu khử các chất ô nhiễm chứa nitơ; để khuấy trộn chống lắng cặn bùn làm giảm thể tích hiệu dụng trong bể xử lý kỵ khí; để phục vụ yêu cầu chiếu sáng và sinh hoạt của nhân lực vận hành hệ thống...), và năng lực kiểm soát chất lượng xử lý của hệ thống rất hạn chế, khi nguồn ô nhiễm đầu vào thay đổi. Để cắt giảm các giai đoạn xử lý đồng nghĩa với việc cắt giảm chi phí xây dựng vận hành của hệ thống xử lý, nghiên cứu này sẽ phát triển ứng dụng của bể sinh học kết hợp màng lọc có khí nâng cho việc xử lý nước thải lò giết mổ .

Hệ thống Gaslift-MBR được triển khai nghiên cứu phát triển và ứng dụng để cải thiện và giám sát hiệu quả hơn chất lượng quá trình xử lý, theo hướng tiếp cận và hội nhập với xu thế công nghệ quốc tế.

1.2.2. Ưu điểm và hạn chế của công nghệ Gaslift-MBR

a, Ưu điểm của công nghệ Gaslift-MBR

Hỗ trợ máy bơm trong việc bơm nước thải qua bề mặt màng và giảm áp lực bơm khi tạo áp suất qua màng: Khí nâng được thiết kế đi từ dưới lên trên theo chiều đi của khí sẽ trợ giúp vận chuyển chất lỏng và chất rắn đi lên phía trên qua bề mặt của màng. Việc thiết kế như vậy sẽ làm bơm không cần phải vận hành với cơng suất cao mà vẫn có thể đưa dung dịch rắn lỏng từ bể sinh học qua bề mặt màng và vẫn

một phía của màng lọc. Tùy vào tính chất của chất thải, loại màng lọc và ứng dụng mà năng lượng giảm được do khí nâng có thể khác nhau. Theo tính tốn sơ bộ, với sự hỗ trợ của khí nâng, năng lượng dành cho bơm có thể được giảm từ 30-100% [22].

Sử dụng khí cọ rửa bề mặt màng giảm tắc màng và kéo dài tuổi thọ của màng: Việc khí nâng liên tục đi qua bề mặt và xuyên qua lỗ màng có thể giúp cọ rửa bề mặt và lỗ màng, bởi vậy có thể làm giảm các mảng bám trên bề mặt màng cũng việc chuyển động xáo trộn liên tục của khí làm cho các hạt nhỏ khó có khả năng bám chặt vào lỗ màng, gây tắc màng. Bởi vậy, khí nâng vừa có nhiệm vụ nâng các chất lỏng vả rắn đi qua bề mặt màng đồng thời đóng vai trị cọ rửa bề mặt màng, làm hạn chế việc màng bị các mảng bám hay các lỗ màng bị lấp đầy bởi các hạt nhỏ. Việc này sẽ làm cho màng có thể hoạt động liên tục mà sẽ giảm thời gian tạm dừng để bảo trì hay cọ rửa màng, đồng thời kéo dài tuổi thọ của màng. Tóm lại, việc sử dụng khí nâng để hỗ trợ màng có thể giải quyết được vấn đề khó khăn mà hệ thống MBR hiện nay đang gặp phải.

b, Hạn chế của công nghệ Gaslift-MBR

Do cơng nghệ Gaslift-MBR sử dụng khí nâng đẩy vào màng do đó cần phải có sự kiểm sốt chặt chẽ về áp suất, lưu lượng khí vào màng. Số lượng van điều chỉnh, đồng hồ đo cũng tăng lên đồng nghĩa với việc vận hành hệ thống cũng phức tạp và khó khăn hơn địi hỏi người vận hành phải có kiến thức tốt về hệ thống. Ngồi ra, cơng nghệ Gaslift-MBR với nộng độ bùn vi sinh cao, nước thải và bùn đi trong ống do đó hiện tượng tắc màng rất dễ xảy ra nếu khơng có quy trình và tần suất rửa hệ thống màng tốt.

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Mục tiêu, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục tiêu, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu của đề tài

Đề tài nghiên cứu được xây dựng với 3 mục tiêu cụ thể đó là: thiết kế và xây dựng được hệ thống xử lý nước thải Gaslift-MBR; nghiên cứu tìm ra các điều kiện tối ưu để vận hành hệ thống xử lý sinh học và hệ thống màng lọc cấp khí nâng; thành phần chất hữu cơ (COD) trong nước thải sau khi được xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng cột B theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40 : 2009/BTNMT).

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

a) Các nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống: được xử lý trên máy tính và gia cơng chế tạo thiết bị bằng phay, tiện, hàn TIC, MIC và với chi tiết cần độ chính xác cao sẽ gia cơng tự động trên máy CNC.

b) Phương pháp nghiên cứu tìm ra điều kiện tối ưu của hệ thống: được thực hiện theo quy trình biến thiên một biến và cố định các biến còn lại. Dữ liệu sẽ được xử lý dưới dạng đồ thị để tìm điểm tối ưu.

c) Các dữ liệu về nghiên cứu và phân tích mẫu: đều tuân thủ nghiêm ngặt quy trình, quy phạm được quy định trong các tiêu chuẩn ISO và TCVN hiện hành tương ứng. Các phép phân tích định lượng được triển khai bằng các kỹ thuật định lượng tiêu chuẩn mới nhất, trên các thiết bị phân tích hiện đại như so màu UV-Vis, hệ thống phân hủy mẫu hồi lưu, hệ thống phá mẫu đạm Kjeldal.

2.1.3 Phạm vi nghiên cứu

Tiến hành thí nghiệm mơ hình xử lý chất thải lị giết mổ trên quy mơ 1 m3. Mơ hình xử lý nước thải này được xây dựng tại Viện Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu. Các mẫu nước thải được lấy từ các cơ sở giết mổ lợn thủ công tại xã Vạn Phúc

Phân tích các mẫu nước thải tại Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo Việt Nam – Hàn Quốc

2.2. Hóa chất và thiết bi ̣

2.2.1. Hóa chất

- Dung dịch chuẩn K2Cr2O7 0.01667M. Hòa tan 33,3 g HgSO4 trong 500 mL

nước cất, thêm cẩn thận vào bình 167mL H2SO4. Để nguội và hòa tan 4.903 g o

- Bạc sunfat - axit sunfuric: thêm một tỷ lệ 5.5g Ag2SO4 /kg H2SO4 vào 1L

nước. Để hỗn hợp này trong khoảng từ 1 - 2 ngày cho tan hết. Khuấy dung dịch để tăng nhanh sự hòa tan.

- Dung dịch chỉ thị sắt amoni sunfat: hòa tan 1.485g 1,1 - phenanthroline

monohydrate và 695mg FeSO4.7H2O trong nước cất và định mức thành 100 mL. Dung dịch chỉ thị này bền trong vài tháng và bảo quản trong bóng tối. Pha loãng dung dịch này bằng nước cất theo tỷ lệ 1:4.

- Dung dịch chuẩn sắt amoni sunfat (FAS) khoảng 0.1M. Hòa tan 39.2g

Fe(NH4)2(SO4).6H2O trong nước cất. Thêm 20mL H2SO4 98% và định mức thành 1000 mL. Dung dịch chuẩn này phải chuẩn lại hàng ngày bằng K2Cr2O7 theo cách sau:

Dùng pipet lấy 5mL dung dịch K2Cr2O7 và thêm 10mL nước cất vào mẫu và để nguội ở nhiệt độ phòng. Thêm 1 - 2 giọt chỉ thị feroin và chuẩn độ dung dịch bằng FAS. Nồng độ amonisunfat được tính theo cơng thức sau:

2 2 7 amoni sunfat K Cr O 0,100 FAS V V V  

- Chuẩn KaliHydrophtalate HOOCC6H4COOK (KPH): hòa tan 425mg đã sấy

ở 1100C trong nước cất và định mức thành 1000mL. KPH theo lý thuyết có giá trị COD là 1.176 mgO2/mg và dung dịch này có giá trị COD lý thuyết là 500µg O2/mL. Dung dịch này được bảo quản lạnh để tăng độ bền.

- Hợp kim Devarda: pha trộn bột Al, Cu, Zn theo tỷ lệ khối lượng lần lượt là

45%, 50%, 5%.

- Dung dịch chuẩn Kali nitorat 1000 mg/L: hịa tan 7,215g Kali nitrat đã sấy

khơ vào khoảng 750ml nước. Chuyển tồn bộ dung dịch vào bình định mức 1 vạch 1000ml và định mức bằng nước tới vạch. Dung dịch giữ trong bình thủy tinh khơng quá 2 tháng.

2.2.2. Thiết bi ̣

Bảng 2.1 Các thiết bị phân tích chính dùng trong nghiên cứu

Tên thiết bị Đặc điểm Độ chính xác

Máy đo pH Loại cầm tay, có chỉ thị

nhiệt độ 0,01 (đơn vị pH) Tủ sấy Loại tủ sấy đối lưu cưỡng bức 0,1oC Cân hóa chất Loại cân phân tích 0,001g Bộ phá mẫu COD Loại hồi lưu tuần hoàn 0,4 oC

Máy so màu UV-Vis Loại màn hình cảm ứng, hãng Optical 0,001mg/L theo phương pháp phân tích b, Thiết bị nghiên cứu hệ vi sinh và hệ màng lọc

- Thùng đựng nước thải chưa xử lý;

- Bể phản ứng thiếu khí kết hợp kị khí một phần (dung tích 500L); - Bể phản ứng hiếu khí ( dung tích 500L);

- Bể lắng (dung tích 200L);

- Hệ thống màng lọc bao gồm: bơm, ống màng, các đồng hồ đo áp và đo lưu lượng

- Bơm tuần hồn bùn, máy nén khí; - Thùng đựng nước sau xử lý.

- Ống PVC dẫn nước và ống mềm dẫn khí

2.3. Thiết kế và lắp đă ̣t hê ̣ thống

2.2.1. Thiết kế và lắp đặt hê ̣ thống xử lý sinh học

Hình 2.1. Hệ thống màng lọc cặn thơ và bể điều hòa nước thải

Bể chứa nước thải đầu vào hình khối hộp chữ nhật có vịm tránh tràn. Bể có thể tích 1m3 được chế tạo bằng nhựa 3 lớp. Kích thước 850 × 1010 × 1440 mm (Chiều cao × rộng × dài).

Nước thải trước khi vào bể được lọc qua một lưới chắn rác bằng inox kích thước lỗ 0,8x0,8mm

+ Thiết kế bể thiếu khí và hiếu khí

Bể thiếu khí hình trụ được chế tạo bằng nhựa 3 lớp, bể có thể tích 0,5 m3, thể tích sử dụng là 0,42 m3 với kích thước: chiều cao h = 0,9m, đường kính d = 0,77m. Bể được đảo trộn bằng hai bơm chìm đặt ở đáy bể.

Hình 2.2. Bể xử lý sinh học hiếu khí cho hệ thống quy mơ 1m3/ngày

Bể hiếu khí hình trụ được chế tạo bằng nhựa 3 lớp, bể có thể tích 0,5 m3, thể tích sử dụng là 0,36 m3 với kích thước: chiều cao h = 0,78m, đường kính d = 0,77m. Bể được bố trí hệ sục khí chia đều ở đáy, khí được cấp vào nhờ máy thổi khí loại con sị 0,75kW (Hình 2.2).

Sau khi q trình xây dựng và lắp đặt hệ thống hồn thiện. Chúng tơi đã vận hành thử nghiệm và nghiên cứu khả năng xử lý thành phần COD của hệ sinh học.

2.2.2. Thiết kế và lắp đặt hê ̣ thống màng lọc kết hợp khí nâng

Modul màng lọc có khí nâng cơng suất 1m3/ngày được cấu tạo bởi 2 màng lọc dạng ống với kích thước: đường kính ống màng d=60mm, chiều cao h=1000mm. Nước được cấp vào màng thông qua bơm 0,75kW, khí được cấp vào màng qua ejector và bơm chân khơng đảm bảo chất lượng và số lượng khí cấp. Khí và nước được kiểm sốt thơng qua lưu lượng kế và áp kế chuyên dụng cho mỗi loại. Thiết kế với hai modul cột màng, có van đóng mở ở từng cột và van xả đáy nên có thể dễ dàng tháo rửa một cột mà không ảnh hưởng đến hoạt động của cột cịn lại.

 Hê ̣ thớng màng lo ̣c

Hệ màng gồm 2 bộ riêng biệt được kết nối chung đường nước thải, khí nâng vào. Màng dạng ống với đường kính ống ngồi ø60, chiều dài 1m, vật liệu chế tạo là nhựa PVD-F. Màng được kết nối với đường nước và khí nhờ khớp nối ren.

Thơng số kỹ thuâ ̣t của màng: màng được sử dụng để nghiên cứu được sản xuất bởi công ty Berghof (Đức) với thông số kỹ thuật như bảng sau:

Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của modul màng (UF) quy mơ 1m3/ngày

Ký hiệu Kích thước lỗ Vật liệu tmax pmax Chiều dài MO P1U (1m)_I5 30nm PVD-F 40oC 800kPa 1000mm

 Hê ̣ thống đường nước thải vào – ra

Loại ống cấp nước thải vào màng và đường nước thải tuần hoàn được dùng là loại ống mềm chịu áp lực . Trên mỗi đường nước thải vào và tuần hồn đều có van điều chỉnh lưu lượng và đồng hồ đo áp. Các bộ phận phụ nối với màng đều có rắc nối có thể tháo rời để thuận tiện cho việc sửa chữa khi gặp sự cố hay rửa màng. Đoạn nối ống mềm với hệ được cố định bằng đai vít. Đường nước ra sau lo ̣c được

 Hê ̣ thớng cấp khí nâng

Khí nâng đươ ̣c cấp cho hê ̣ thống màng là không khí nén . Đường ống dẫn khí được chọn là loại ống dẻo chịu áp lực.

Hình 2.4. Các phần của bộ cấp khí nâng (ống kết nối với màng; máy nén khí và

đồng hồ đo lưu lượng khí)

 Đồng hồ đo lưu lượng khí máy nén

Hình 2.5. Hệ thống màng có khí nâng cơng suất 1m3/ngày

Hệ màng lọc có khí nâng gồm 2 màng được đấu chung đầu vào, nước thải được vận chuyển qua màng nhờ bơm chun dụng cơng suất 0,75kW/h có đồng hồ đo lưu lượng và áp suất. Nước hút ra sau lọc màng bởi bơm tự động công suất

nén khí. Các bơm đầu vào ra đều có đồng hồ đo áp và đo lưu lượng nước, khí. Hệ thống được vận hành thông qua công tắc trên tủ điện. Nước sau khi lọc được tích trữ một phần phục vụ công việc rửa màng khi cần thiết.

2.2.3. Kết hợp hê ̣ thống màng lọc với hê ̣ thống xử lý vi sinh (Gaslift – MBR)

Sau khi đã nghiên cứu hiê ̣u quả xử lý của hê ̣ vi sinh kết hợp thiếu khí và hiếu khí cùng với năng suất lọc màng đối với nước sa ̣ch . Tiếp tục tiến hành đấu nối đầu nước ra của hê ̣ vi sinh với đầu vào của hê ̣ màng lo ̣c để thử nghiê ̣m hê ̣ MBR hoàn chỉnh. Thời gian vận hành hệ thống tổng thể: hơn 3 tháng (từ khi hệ thống ổn định và đấu nối với hệ màng lọc)

Công nghệ Gaslift-MBR với các thông s ố của bể xử lý sinh học và màng lọc được thiết kế như sau:

Hình 2.7. Sơ đồ hệ thống Gaslift-MBR

- Bể chứa nước thải: có thể tích 1m3 chứa được nước thải cho hệ vận hành 1 ngày. Bể chứa nước thải đầu vào hình khối hộp chữ nhật có vịm tránh tràn. Nước thải trước khi vào bể được lọc qua một lưới chắn rác 0,8x0,8mm