TT Nội dung Tác giả Quốc gia
1
Nghiên cứu về quá trình sản xuất sinh khối trong hệ thống xử lý MBBR
Karizmeh, Mohsen
Soleimani, [19] Canada
2
Nghiên cứu hiệu suất của VLM trong công nghệ MBBR và động học của màng sinh học để cải tạo hệ thống xử lý hiếu khí hiện có
Anjali Barwal, Rubina
Chaudhary, [9] Ấn Độ
TT Nội dung Tác giả Quốc gia của bể MBBR để xử lý nƣớc sản xuất mía đƣờng Ngân, [5] 4 MBBR hiếu khí trong xử lý nƣớc sản xuất bột giấy trắng trong điều kiện nhiệt đới
S. J Jahren, J.A Rintala, H.
Ødegaard, [32] Na Uy
5
Ứng dụng tổ hợp công nghệ MBBR và bùn hoạt tính cố định (IFAS) cho hệ thống lọc sinh học của nƣớc sông
Lariyah Mohd Sidek, Gasim Hayder, Hairun Aishah Mohiyaden, Hidayah Basri, [20]
Indonesia
6
Ảnh hƣởng của chất mang đến hiệu suất và đặc điểm vi sinh vật trong hệ phản ứng MBBR
Wang R., Wen X., Qian Y.,
[38] Trung Quốc
Từ kết quả các cơng trình nghiên cứu, công nghệ MBBR đƣợc đƣa vào ứng dụng trong thực tế với hơn 90 cơng trình xử lý ở 17 quốc gia khác nhau, [9].
Tại Ấn Độ, công nghệ MBBR đƣợc áp dụng để xử lý nƣớc thải cho các khu đô thị mới phát triển với các quy mơ khác nhau, từ cơng trình nhỏ cơng suất 10m3/ngày cho tới các cơng trình lớn cơng suất 8000 m3/ngày. Công nghệ MBBR cũng đã đƣợc sử dụng cho nƣớc thải công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp thực phẩm và ngành công nghiệp giấy và bột giấy, [9].
Tại Indonesia, Mỹ, Trung Quốc, Na Uy, ... Công nghệ MBBR rất phổ biến trong việc xử lý nƣớc thải sinh hoạt, xử lý nƣớc thải có tải trọng hữu cơ cao và xử lý hợp chất nitơ trong nƣớc thải, [19, 20, 38].
Tại Việt Nam, công nghệ MBBR đƣợc ứng dụng trong xử lý nƣớc thải sinh hoạt, [4], xử lý nƣớc thải thuộc da, [2], xử lý nƣớc thải ngành cơng nghiệp mía đƣờng, [5], ...
Kết quả thực tế đã chứng minh rằng xử lý nƣớc thải bằng cơng nghệ sinh học có sử dụng công nghệ MBBR cho hiệu quả trong xử lý BOD, COD và chất dinh dƣỡng. Ví dụ nhƣ Ødegaard (2000) ứng dụng công nghệ MBBR để đạt đƣợc q trình nitrat hóa, loại bỏ nitơ và loại bỏ BOD/ COD, [26, 27].
So với công nghệ BHT lơ lửng cơng nghệ MBBR có nhiều ƣu điểm nhƣ: - Khả năng tích lũy vi sinh cao, do vi sinh tồn tại đồng thời ở hai dạng là huyền phù và dạng màng.
- Hoạt tính trao đổi chất lớn. Do tính chất nhầy của màng nên nó có thể bắt giữ cả các thành phần thức ăn ở dạng không tan. Mức độ tập trung dinh dƣỡng cao thúc đẩy sự phát triển của vi sinh và do đó có hoạt tính cao. Cũng có ý kiến giải thích khả năng tăng hoạt tính nhờ q trình biến đổi gien của vi sinh vật trong trạng thái kết khối trong màng, [7, 11, 17].
- Khả năng chống chịu độc tố cao. Các vi sinh vật sống trên biofilm khi liên kết với nhau thƣờng có khả năng chống chịu các chất kháng khuẩn cao hơn so với tế bào sống tự do trong môi trƣờng ni cấy. Hệ thống có khả năng chịu đƣợc biến động tải trọng cao mà không cần sự can thiệp của ngƣời vận hành, [26].
- Bùn dễ lắng. So với bùn hoạt tính, bùn (sinh khối) bong ra từ màng vi sinh có khả năng lắng tốt hơn nhiều do tính đặc của màng (khối lƣợng riêng lớn) và mật độ vi sinh dạng sợi trong đó thấp.
- Có khả năng xử lý một phần các hợp chất nitơ. Vi sinh vật bám trên bề mặt VLM gồm 3 loại: lớp ngoài cùng là vi sinh vật hiếu khí, tiếp là lớp vi sinh vật thiếu khí, lớp trong cùng là vi sinh vật kị khí. Trong nƣớc thải sinh hoạt, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng ammoniac, hợp chất nitơ hữu cơ. Vi sinh vật hiếu khí sẽ thực hiện q trình nitrat hóa, chúng sử dụng oxy để oxy hóa hợp chất nitơ về dạng nitrit, nitrat. Tiếp theo vi sinh vật thiếu khí và kị khí sẽ sử dụng các hợp chất hữu cơ và nitrit, nitrat trong nƣớc thải làm chất oxy hóa chuyển nitrit, nitrat về dạng khí N2 bay lên.
- Yêu cầu về diện tích mặt bằng xây dựng thấp do cơng nghệ này sử dụng tồn bộ thể tích của bể để xử lý; diện tích bề mặt của VLM rất lớn, đủ không gian cho cho sự phát triển của vi khuẩn, [7].
- Đơn giản hóa trong q trình vận hành. So với cơng nghệ BHT lơ lửng, công nghệ MBBR khơng hồi lƣu bùn. Việc kiểm sốt tỷ lệ F/M không cần quá khắt khe bởi hệ thống màng biofilm có khả năng tự điều tiết sao cho phù hợp, [7].
- Chi phí vận hành thấp hơn. Do sinh khối đƣợc hệ thống này sản xuất ra ít hơn 10 lần so với hệ thống BHT lơ lửng nên giảm chi phí cho phần xử lý bùn thải, [19]. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng chi phí xây dựng của hệ thống MBBR là vừa phải (bằng 80% chi phí để xây dựng các cơng trình xử lý bậc cao khác), [10].
- Do có diện tích hiệu dụng lớn thời gian lƣu cho quá trình xử lý chỉ còn 30-90 phút. Sự thay đổi thời gian lƣu phụ thuộc vào tải trọng hữu cơ của nƣớc thải, [26].
- Lợi thế của công nghệ MBBR so với các cơng nghệ màng sinh học khác là tính linh hoạt của nó. Ta có thể sử dụng chúng để cải tiến bất kỳ bể phản ứng nào bằng cách lựa chọn và tính tốn thể tích VLM sao cho phù hợp với hệ xử lý đã có.
Bên cạnh đó cơng nghệ MBBR cũng tồn tại các hạn chế nhƣ:
- Hiệu suất bị ảnh hƣởng bởi nồng độ cao của dầu mỡ và tổng chất rắn lơ lửng. Hiệu quả xử lý các chất dinh dƣỡng thấp hơn so với kết quả các nghiên cứu.
- Dù công nghệ này đã đƣợc phổ biến từ cả thập kỷ trƣớc nhƣng đối với mỗi loại nƣớc thải khác nhau, ứng dụng ở những điều kiện môi trƣờng cụ thể khác nhau sẽ có các thơng số thiết kế và vận hành khác nhau. Vì vậy phải tiến hành khảo sát các thông số trƣớc khi tiến hành ứng dụng công nghệ vào xử lý thực tế.
- Quá trình vận hành hệ thống vẫn cịn gặp phải khó khăn trong việc kiểm sốt các thơng số vận hành, giải quyết các vấn đề nhƣ việc tắc nghẽn ống bùn hay hiện tƣợng bào mòn giá thể.
- Không tái tạo năng lƣợng cũng là một nhƣợc điểm của cơng nghệ này.
Tồn bộ các ƣu điểm, nhƣợc điểm của công nghệ MBBR đƣợc tổng hợp ngắn gọn trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Tổng hợp ƣu điểm, nhƣợc điểm của hệ thống xử lý có cải tiến bằng công nghệ MBBR
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
- Xử lý cả BOD, COD và chất dinh dƣỡng
- Tính linh hoạt cao
- Chi phí xây dựng và vận hành ít tốn kém
- Chịu đƣợc biến động tải trọng cao - Chống chịu tốt với độc tố từ mơi trƣờng.
- Ít phát sinh bùn thải.
- Đơn giản trong quá trình vận hành
- Hiệu suất giảm khi nồng độ dầu mỡ và tổng chất rắn lơ lửng tăng.
- Hiệu suất xử chất dinh dƣỡng cịn thấp so với các nghiên cứu.
- Q trình vận hành cịn gặp nhiều vấn đề
- Cần có lao động tay nghề cao theo dõi quá trình vận hành của hệ thống.
- Không tái tạo năng lƣợng.
Để khắc phục các nhƣợc điểm trên của cơng nghệ MBBR có rất nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành. Kết quả các nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất xử lý của bể MBBR phụ thuộc mật thiết tới diện tích bề mặt của VLM. VLM có diện tích bề mặt càng lớn sinh khối càng nhiều. Chất mang có diện tích càng lớn thì kích thƣớc mao quản càng nhỏ, tuy nhiên kích thƣớc mao quản nhỏ lại hạn chế sự phát triển của vi sinh do hạn chế quá trình khuếch tán thức ăn vào bên trong. Nhƣ vậy muốn công nghệ MBBR đạt hiệu quả cao trong xử lý nƣớc thải nhân tố quan trọng chính là vật liệu mang.
1.2.2 Vật liệu mang và đặc tính của vật liệu mang
Nhƣ đã trình bày ở trên, vật liệu mang (giá thể di động) là một nhân tố quan trọng trong quá trình xử lý chất thải ứng dụng công nghệ MBBR. Cho đến nay, một
số hãng đã phát triển các sản phẩm giá thể di động, hình ảnh và đặc trƣng của các giá thể di động đƣợc thể hiện ở bảng 1.4. Bảng 1.4. Đặc điểm của một số VLM, [17] TT Tên vật liệu mang Diện tích bề mặt (m2/m3) Kích thƣớc (L x D mm) Hình ảnh 1 Anoxkaldnes TM K1 500 7*10 2 AnoxkaldnesTM K2 800 16*20 3 Anoxkaldnes TM K3 584 12*25 4 AnoxkaldnesTM Biofilm Chip (M) 1200 2x48 5 AnoxkaldnesTM Biofilm Chip (P) 900 3x45 6 Lamela Dạng cầu D100 176 D = 100
TT Tên vật liệu mang Diện tích bề mặt (m2/m3) Kích thƣớc (L x D mm) Hình ảnh 7 Lamela Dạng cầu D50 200 D = 50 8 PH EUROPE Giá thể dạng tổ ong 110 1000*500/tấm 9 PH EUROPE Giá thể dạng sợi nylon 380-600 D = 50
L là chiều cao của vật liệu, D là đường kính của vật liệu
Bảng 1.4 cho thấy đặc điểm của một số VLM thơng thƣờng với kích thƣớc, hình dạng và diện tích bề mặt cụ thể của chúng. Thông tin đƣợc cung cấp bởi nhà sản xuất là Veolia Inc. Veolia đã phát triển một số loại VLM nhƣ: Anoxkaldnes K1 và K3, Biofilm Chip M và P, …
Những giá thể này đƣợc thiết kế với mục tiêu:
- Có tổng diện tích bề mặt lớn để tích lũy đƣợc lƣợng sinh khối lớn.
- Các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn nƣớc (tuỳ từng loại mà có tỷ trọng khác nhau) đảm bảo tính lơ lửng trong nƣớc.
- Có độ bền cơ học cao để khắc phục hiện tƣợng bào mòn các giá thể di động xảy ra khi các chất mang chuyển động và va chạm vào nhau.
Các VLM này đã đƣợc sử dụng trong nhiều nghiên cứu. Bảng 1.5 cho thấy các loại VLM đƣợc áp dụng trong phịng thí nghiệm và nghiên cứu cho hệ MBBR.
Bảng 1.5. Các nghiên cứu sử dụng VLM
TT VLM VVLM/V bể Áp dụng trong nghiên cứu Tác giả
1 Anoxkaldnes
K1 40-50 %
Ảnh hƣởng của chất mang đến hiệu suất và đặc điểm vi sinh vật trong hệ phản ứng MBBR Wang R., Wen X., Qian Y., [38] 2 Anoxkaldnes K3 50%
Đánh giá loại bỏ nitơ thông qua tỷ lệ nitrat hóa và tích lũy biofilm trong quá trình IFAS.”
Regmi và cộng sự, 2011, [29] 3 Biofilm Chip M - Loại bỏ vi chất nhờ sự tăng trƣởng của vi sinh vật trong màng sinh học kết hợp bùn hoạt tính.
Falås et al., 2013, [28]
4 S20-4 25%
Khảo sát thời gian lƣu nƣớc của bể MBBR để xử lý nƣớc sản xuất mía đƣờng Lê Hồng Việt, Võ Châu Ngân, [5] Với mẫu mã đa dạng thiết kế các loại VLM phù hợp cho nhiều yêu cầu, các VLM này đã đƣợc thƣơng mại hóa trên thị trƣờng. Các giá thể này có ƣu điểm khá tốt tuy nhiên giá thành khi ứng dụng ở Việt Nam vẫn còn khá cao (do phải nhập khẩu giá thể), gây cản trở trong việc áp dụng ở quy mô rộng. Để giảm giá thành, VLM cần đƣợc chế tạo trong nƣớc, sử dụng các nguyên liệu sẵn có và phổ biến, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu về diện tích bề mặt, tỷ trọng, độ bền cơ học, ...
Ngoài các vật liệu đƣợc làm từ polyethylen nhƣ trình bày ở trên có rất nhiều các loại VLM khác cấu tạo từ đá, clinker, cát, ... Đá rỗng thủy tinh (Supersol) là vật liệu đá nhân tạo nhẹ, xốp, có tính thấm, giữ nƣớc, độ chịu nhiệt cao và độ bền lâu dài, trong q trình sản xuất có thể điều chỉnh đƣợc tỷ trọng và độ hút nƣớc phù hợp với nhiều yêu cầu. Vì vậy phù hợp làm vật liệu mang cho hệ thống MBBR. Ngoài
ra, vật liệu này cịn bền với các loại hóa chất, khơng phân hủy thành chất độc hại nên thân thiện với mơi trƣờng.
Đá rỗng thủy tinh có các đặc trƣng phù hợp với yêu cầu của đề tài nghiên cứu. Vì vậy đề tài lựa chọn chế tạo đá rỗng thủy tinh làm VLM. Nghiên cứu chế tạo đá rỗng thủy tinh vừa đáp ứng yêu cầu vật liệu cho hệ thống MBBR vừa góp phần giảm chi phí trong sản xuất, đƣa vật liệu tốt ứng dụng rộng rãi trong đời sống.
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tƣợng nghiên cứu
- Vật liệu mang: đá rỗng thủy tinh (supersol)
- Nƣớc thải sau bể lắng sơ cấp tại trạm xử lý nƣớc thải tập trung Kim Liên, Đống Đa, Hà Nội.
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp thu thập, kế thừa, tổng hợp tài liệu
Nghiên cứu, tìm hiểu các thông tin đã đƣợc công bố về công nghệ MBBR. Nghiên cứu về động học và các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc thải bằng MBBR từ các nguồn tin cậy để làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm.
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm của hệ thống MBBR với các vật liệu mang khác nhau ở các điều kiện nghiên cứu khác nhau để làm cơ sở cho việc đánh giá hiệu quả xử lý.
Thu thập và tìm hiểu các tài liệu cơng bố về VLM và đặc tính chúng chúng. Nghiên cứu về các đặc trƣng của đá rỗng thủy tinh, phƣơng pháp chế tạo đá rỗng thủy tinh. Tìm hiểu các vật liệu và thiết bị phù hợp cho thí nghiệm. Tìm hiểu các vật liệu sẵn có tại Việt Nam vẫn đáp ứng đƣợc các yêu cầu của thí nghiệm từ đó thiết lập nên chƣơng trình thí nghiệm.
2.2.2 Phương pháp thực nghiệm
a) Chế tạo vật liệu mang – đá thủy tinh rỗng
Nguyên liệu chế tạo vật liệu mang: phế liệu thủy tinh đƣợc nghiền nhỏ; bột xi măng (Hình 2.1); chất phụ gia (NaHCO3, CaCO3).
Hình 2.1. Nguyên liệu chế tạo đá rỗng thủy tinh
Quy trình chế tạo: Chế tạo vật liệu đá thủy tinh theo quy trình của Tibor Pietsch đã cơng bố và có cải tiến để phù hợp với nguyên vật liệu tại Việt Nam (hình 2.2), [35].
Hình 2.2. Sơ đồ mơ tả thí nghiệm Mơ tả thí nghiệm Mơ tả thí nghiệm
- Nghiền thủy tinh lấy bột thủy tinh, chuẩn bị bột xi măng, các chất phụ gia. - Phối trộn các nguyên liệu thành 6 mẫu theo các tỷ lệ trong bảng sau:
Bảng 2.1. Tỷ lệ phối trộn các nguyên liệu theo trọng lƣợng
Bột thủy tinh: NaHCO3: xi măng M1 (80:10:10) M2 (70:20:10) M3 (60:20:20) Bột thủy tinh: CaCO3 : xi măng M4 (80:10:10) M5 (70:20:10) M6 (60:20:20)
- Điều chỉnh tỷ lệ nƣớc phù hợp.
- Tạo hình mẫu thành dạng viên và dạng miếng. Chuẩn bị nguyên liệu
(nghiền thủy tinh)
Phối trộn các nguyên liệu theo tỷ lệ Sấy 100oC trong 24h Điều chỉnh tỷ lệ nƣớc phù hợp
Nung Tạo hình dạng viên
- Sấy: Đặt mẫu vào trong khay và đƣa vào tủ sấy, đặt nhiệt độ sấy ở 100oC và sấy trong vòng 24h. Sau khi sấy trong vòng 24h, lấy mẫu ra khỏi tủ sấy và đặt vào lò nung.
- Q trình nung: do đặc tính của NaHCO3 và CaCO3 khác nhau nên quá trình nung cũng khác nhau đƣợc thể hiện trên biểu đồ 2.1 và 2.2.
Biểu đồ 2.1. Quá trình gia nhiệt với NaHCO3 và CaCO3
Đối với mẫu sử dụng NaHCO3, tiến hành gia nhiệt theo 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Gia nhiệt tới nhiệt độ 4000C trong khoảng thời gian hơn 1 tiếng rồi hằng nhiệt trong khoảng 2 tiếng để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Phƣơng trình phản ứng:
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O
+ Giai đoạn 2: Gia nhiệt tới 700oC trong 3 tiếng rồi hằng nhiệt trong 2 giờ. Đối với mẫu sử dụng CaCO3, tiến hành gia nhiệt tới 900oC rồi hằng nhiệt trong 2 giờ. Phƣơng trình phản ứng:
CaCO3 CaO + CO2
- Sau quá trình nung và làm nguội tự nhiên, ta lấy mẫu ra khỏi lò và tách nhỏ
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 100 200 300 400 500