Loại khí Tỵ lệ (%) CH4 55-65 CO2 35-45 N2 0-3 H2 0-1 O2 0-3 H2S 0-1 Nguồn: [12]
Các nghiên cứu về đồng phân hủy
1.4.5.
1.4.5.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Pak Chuen Chan cùng cộng sự (2017) đã nghiên cứu quá trình đồng phân hủy chất thải thực phẩm và nƣớc thải sinh hoạt sử dụng bể phản ứng UASB để tạo ra năng lƣợng tái tạo dạng khí biogas. Bể phản ứng dạng mẻ đƣợc vận hành trong điều kiện mesophilic (35oC) với thời gian lƣu nƣớc HRT là 10 ngày. Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD và hàm lƣợng khí metan trong 2 ngày đầu tiên là 80% và 56% ở tải trọng hữu cơ là 2gCOD/L/ngày. Trong khi hiệu quả loại bỏ giảm xuống
và đạt 61% ở 10 ngày sau đó. Sự suy giảm này đƣợc tác giả giải thích do tích tụ các axit béo chuỗi dài (LCFA) vào bùn. Việc áp dụng chế độ 48 giờ cấp dinh dƣỡng/48 giờ không cấp dinh dƣỡng đƣợc áp dụng và cho kết quả khả quan hơn. Hiệu quả loại bỏ COD và hàm lƣợng CH4 là 82% và 75%, 62% và 58%, 56% và 51% tại các OLR lần lƣợt là 2,3 và 4,5 gCOD/L/ngày (Pak Chuen Chan, Renata Alves de Toledo, Hojae Shim 2017)[14].
Năm 2019, Nghiên cứu Yu-You Li và cộng sự đã nghiên cứu đồng phân hủy rác thải thực phẩm và chất thải giấy liên tục và gián đoạn hoàn ở các điều kiện nhiệt độ sản xuất ra khí sinh học và cấu trúc vi sinh vật. Hai hệ thống phân hủy kỳ khí theo giai đoạn nhiệt độ (TPAD) (55 ° C trong lò phản ứng đầu tiên và 35 ° C trong lần thứ hai lò phản ứng) liên tục và gián đoạn tuần hoàn đƣợc vận hành song song cho quá trình đồng phân hủy chất thải thực phẩm và chất thải giấy. Một thí nghiệm dài hạn đã đƣợc thực hiện cho hai hệ thống này với tỵ lệ chất thải giấy tăng cao từ 0 đến 50%. Hiệu quả loại bỏ COD, TS, VS, carbohydrate và protein trong hệ thống TPAD tuần hoàn cao hơn so với hệ thống khơng tuần hồn[15].
Cheerawit cùng cộng sự (2012) đã nghiên cứu tiềm năng sản xuất khí sinh học từ quá trình đồng phân hủy nƣớc thải sinh hoạt và chất thải thực phẩm. Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên hàng loạt tỉ lệ khác nhau của nƣớc thải và chất thải thực phẩm ở 10:90, 25:75, 50:50 và 70:30 ở nhiệt độ phịng. Kết quả cho thấy khí metan sinh ra cao nhất là hiệu quả loại bỏ COD là 61,72 ml CH4/gCOD loại bỏ và 75,77% tƣơng ứng tỵ lệ 10:90 đối với nƣớc thải sinh hoạt và chất thải thực phẩm. Kết quả cho thấy tầm quan trọng của việc đồng phân hủy nƣớc thải và chất thải thực phẩm để phân hủy sinh học và sản xuất khí metan(Cheerawit R, Thunwadee TSb, Duangporn K 2012)[16].
1.4.5.2. Các nghiên cứu trong nước
Năm 2018, Đỗ Quang Trung và cộng sự nghiên cứu q trình phân hủy kỳ khí chất thải chăn nuôi lợn và rác hữu cơ sinh hoạt nơng thơn để sinh khí metan và phân hữu cơ. Rác thải hữu cơ sinh hoạt và chất thải chăn ni lợn đƣợc phối trộn theo tỵ lệ xác đình . Ba dãy thí nghiệm TN1, TN2, TN3 đƣợc thiết lập với tỵ lệ chất thải
chăn nuôi lợn:rác thải hữu cơ lần lƣợt là 100:0; 90:10 và 85:15. Kết quả thu đƣợc sau 25 ngày theo dõi cho thấy, hiệu suất loại bỏ sCOD đạt 61,77-69,93%, cao hơn so với tCOD 53,73-60,30%; thể tích khí sinh ra trong các thí nghiệm lần lƣợt là 107,31 ml/gtCOD trong TN1; 107,24 ml/gtCOD trong TN2 và 108,40 ml/gtCOD trong TN3. Khí sinh học sau khi xử lý loại bỏ CO2 , hàm lƣợng khí CH4 tăng từ 64- 65% lên 81-90%; hàm lƣợng khí H2S đáp ứng tiêu chuẩn sử dụng cho đun nấu (1.000 ppm). Sản phẩm thu đƣợc từ quá trình ủ bùn sau biogas kết hợp với rác thải hữu cơ có thành phần tƣơng đƣơng với phân hữu cơ vi sinh đƣợc quy định trong TCVN7185:2002[12].
Hiện nay, tại Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu về đồng phân hủy nƣớc thải cô đặc với chất thải rắn hữu cơ nhƣ: nghiên cứu ứng dụng cô đặc nƣớc thải sinh hoạt bằng màng lọc UF nhằm tạo ra dòng đậm đặc để sử dụng làm nguồn cơ chất cho q trình đồng phân hủy kỳ khí có kết hợp với chất thải nhà bếp hƣớng đến thu hồi khí sinh học. Nghiên cứu Nguyễn Cơng Vũ (2015) sử dụng bể kị khí xáo trộn hồn tồn để đồng phân huỵ kị khí chất thải nhà bếp kết hợp với nƣớc thải sinh hoạt cô đặc. Kết quả cho thấy rằng sản lƣợng khí sinh học thu đƣợc trung bình là 0.66 ± 0.2 m3/kgVS loại bỏ, hiệu suất loại bỏ COD 65 ± 10 %, VS 78 ± 5 %. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Tuyết (2015) về nƣớc thải sinh hoạt và chất thải nhà bếp cũng cho thấy hiệu suất xử lý cao TS (79 %) và VS (85 %), sản lƣợng sản sinh khí sinh học 0,70 ± 0,15 m3/kg VS đầu vào(N.T.Tuyết 2015). [13]
1.5. TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ MÀNG KỲ KHÍ (AnMBR)
Cơng nghệ màng kỵ khí (AnMBR)
1.5.1.
Màng lọc là một lớp vật liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khi chịu một áp lực nhất định. Màng lọc ngăn cách giữa hai pha, có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phần tử có trong nƣớc nhƣ cặn lơ lửng ion, vi sinh vật, v.v. khi cho dung dịch đi qua màng.
Công nghệ AnMBR là cơng nghệ xử lý sinh học kỳ khí kết hợp với màng lọc. Cơng nghệ này đƣợc giới thiệu lần đầu vào năm 1970. Về cấu tạo công nghệ AnMBR cơ bản là tƣơng tự công nghệ MBR, tuy nhiên việc rửa màng và tháo bùn
phải sử dụng nƣớc hoặc dùng chính khí sinh học của bể để tránh tiếp xúc với khơng khí. So với cơng nghệ màng sinh học hiếu khí MBR thì cơng nghệ AnMBR sẽ cho chi phí xử lý thấp hơn vì khơng cần sục khí Oxy vào bể và việc tạo bùn thấp hơn bể hiếu khí. Ngồi ra, khí thải nhà kính trong q trình xử lý kỳ khí thấp hơn so với các cơng nghệ hiếu khí và có thể thu hồi khí metan để sử dụng làm nguồn năng lƣợng sinh học. Nƣớc thải sinh hoạt thƣờng có nồng độ chất rắn lơ lửng cao, có thể có tác động tiêu cực đến hiệu suất của bể AnMBR, đặc biệt là trong thời kỳ nhiệt độ thấp làm cho tốc độ phân hủy ngoại bào(thủy phân) của chất rắn lơ lửng và các hạt keo bị giảm tốc độ. Nhận định về cơng nghệ ta có thể đánh giá việc kết hợp bể sinh học kỳ khí và màng MF mang lại tính hiệu quả cao trong việc giữ lại bùn sinh học trong bể, tránh hiện tƣợng giảm sinh khối do thất thốt bùn. AnMBR có thể đóng vai trị quan trong trong tƣơng lai vì yêu cầu năng lƣợng, chất dinh dƣỡng thấp, sản lƣợng bùn thải tạo ra thấp. Thêm vào đó có thể tạo ra đƣợc khí sinh học có thể đƣợc sử dụng trực tiếp nhƣ là nguồn năng lƣợng. Hơn nữa việc kết hợp màng và phân huỵ kị khí cho thấy đƣợc tiềm năng khi ứng dụng và triển khai xử lý với chất lƣợng nƣớc sau xử lý cao, lƣợng bùn thải thấp, yêu cầu năng lƣợng thấp.
Mục tiêu quan trọng nhất đạt đƣợc trong q trình hoạt động cơng nghệ AnMBR là làm giảm hàm lƣợng cacbon hữu cơ của nƣớc thải sau xử lý và thu hồi năng lƣợc từ nƣớc thải. Tuỳ theo đặc tính của nguồn thải, loại nƣớc thải mà nồng độ COD sẽ có mức giới hạn khác nhau, vì vậy hiệu suất loại bỏ COD cũng thay đổi dao động cao từ 76% - 99%
Các nghiên cứu ngoài nước
1.5.2.
1.5.2.1. Đánh giá về hiệu quả xử lý
Jaeho Ho và Shihwu Sung (2010) đã xem xét hiệu quả xử lý trong hệ thống AnMBR xử lý nƣớc thải đô thị tổng hợp, nghiên cứu đƣợc thực hiện trên 2 bể phản ứng AnMBR1 và AnMBR2 với quá trình sinh học lơ lững và sinh học bám dính ở 2 nhiệt độ 25oC và 15oC . Hiệu quả loại bỏ COD là 95% tại bể 1 và 85% ở bể 2. Việc loại bỏ COD ở bể 1 chủ yếu đƣợc thực hiện về mặt sinh học, việc loại bỏ vật lý trên bề mặt màng diễn ra trong bể 2 [18].
Nghiên cứu Cheng Wen (1999) sử dụng bể UASB kết hợp với màng lọc trong môi trƣờng xung quanh (12 – 27oC) xử lý nƣớc thải đô thị cho thấy hiệu quả loại bỏ COD đạt đến 97%, với nồng độ COD dịng thấm ln thấp hơn 20 mg/l; tải trọng hữu cơ AnMBR có thể xử lý rất cao đến 12.5 kgCOD/m3.ngày [19].
Một bể phản ứng màng kỳ khí AnMBR hết hợp với than hoạt tính (GAC) đã đƣợc Da Wen Gao cùng cộng sự (2013) nghiên cứu để xử lý nƣớc thải đô thị. Kết quả cho thấy việc loại bỏ COD là 75,8%, 73,6% và 54,1% với HRT tƣng ứng 8, 6 và 4 giờ. TMP tăng nhanh ở HRT ngắn hơn cho thấy độ bẩn màng tăng khi thời gian lƣu nƣớc ngắn. Bỏ sung GAC nhằm mục đích giàm hàm lƣợng protein bám trên màng và giúp lọc màng [20].
Năm 2014, J. Ferrer và cộng sự đã đề xuất các hƣớng dẫn thiết kế công nghệ AnMBR với màng nhúng chìm để xử lý nƣớc thải đơ thị. Phƣơng pháp thiết kế đã đƣợc lập trên cơ sở mô phỏng và kết quả thực nghiệm từ nhà máy xử lý nƣớc thải sử dụng màng sợi rỗng. Phƣơng pháp đề xuất nhằm giảm thiểu tối đa chi phí đầu tƣ và vận hành, và các thông số quan trọng đƣợc xem xét là: HRT, SRT, MLSS, thông lƣợng tới hạn ở 20oC, lƣợng khí cấp, lƣu lƣợng bùn tuần hồn từ bể chứa màng tới bể kỳ khí. Mơ hình pilot xử lý nƣớc thải bằng AnMBR hoạt động ở nhiệt độ 150C và 300C xử lý cả hai loại nƣớc thải giàu sulfat (5,7 mg COD/ mg SO4-S) và nƣớc thải đơ thị có nồng độ sulfat thấp (57 mg COD/ mg SO4-S) [21].
Pehlivaner (2014) cho rằng nhiệt độ ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất xử lý AnMBR. Hệ thống hoạt động ở điều kiện ƣa ấm có nhiều thuận lợi hơn so với điều kiện ƣa lạnh và ƣa nhiệt khi xem xét hiệu quả loại bỏ COD và sản lƣợng khí metan. Tuy nhiên tại điều kiện ƣa nhiệt thì thơng lƣợng dịng thấm sẽ cao hơn so với điều kiện ƣa lạnh và ƣa ấm [22].
Nghiên cứu Fox (2015) quan sát ảnh hƣởng tỉ lệ rửa khí đến thơng lƣợng lọc và TMP đã cho rằng tỵ lệ rửa khí ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất xử lý. Tỉ lệ rửa khí là một tham số quan trọng cần đƣợc xem xét khi thiết kế AnMBR, và quá trình bẩn màng không thể đƣợc loại bỏ bằng phƣơng pháp cọ rửa khí [23].
Nghiên cứu Watanabe (2016) đánh giá ảnh hƣởng nồng độ cellulose trong nƣớc thải cho thấy hiệu quả loại bỏ COD khơng có khác biệt đáng kể, tuy nhiên việc tích luỹ nồng độ chất lơ lửng cao do chƣa phân huỵ ảnh hƣởng đến tốc độ bẩn màng. Thêm vào đó, q trình vận hành thí nghiệm dài cộng đồng vi khuẩn kỳ khí sẽ thay đổi khi nƣớc thải có nồng độ SS cao so với nồng độ SS thấp [24].
Mohamed Galid cùng cộng sự (2016) nghiên cứu xử lý nƣớc thải thực phẩm bằng màng kỳ khí (AnMBR) với thời gian lƣu nƣớc lần lƣợt là 5 ngày, 2 ngày và 1 ngày. Thời gian lƣu bùn cho hệ thống là 50 ngày. Kết quả cho thấy 88 – 95% COD có trong nƣớc thải chế biến thịt đƣợc loại bỏ ở tải trọng hữu cơ OLR từ 0,4 – 3,2 kgCOD/m3.ngày. Thông lƣợng màng ổn định tại OLR từ 0,4 – 1,3 kgCOD/m3.ngày [25].
1.5.2.2. Thu hồi năng lượng từ khí sinh học
Nghiên cứu Pehlivaner (2014) cũng chỉ ra rằng nhiệt độ thay đổi ảnh hƣởng đến sản lƣợng khí sinh học thu hồi. Sản lƣợng khí sinh học đƣợc thu hồi khoảng 31% ở điều kiện ƣa lạnh, 70% ở điều kiện ƣa ấm, và 60% ở điều kiện ƣa nhiệt [28]. Nghiên cứu của Gao (2014) cũng cho thấy với HRT khác nhau thì sản lƣợng khí metan đƣợc tạo thành cũng khác nhau, sản lƣợng khí metan tăng khi OLR tăng hay hiệu quả loại bỏ COD tăng. Và việc sử dụng nƣớc thải đơ thị cho thấy sản lƣợng khí tạo thành cũng rất thấp so với các loại nƣớc thải khác. Với thời gian lƣu 6h thì sản lƣợng khí metan cũng chỉ đạt đƣợc 53,1% từ COD loại bỏ [26].
Nghiên cứu Xie (2010) nghiên cứu xử lý nƣớc thải bột giấy bằng cơng nghệ AnMBR cho thấy tiềm năng thu hồi khí metan từ chất hữu cơ có trong nƣớc thải là rất lớn. Sản lƣợng khí Metan có thể đạt cao nhất đến 0,397 m3 CH4/kgCOD tại nhiệt độ 37°C [27]. Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp sản lƣợng khí sinh học tạo ra rất thấp và lƣợng khí metan chiếm tỉ lệ thấp (<55%).
Ho và Sung (2010) đã xem xét hoạt tính của khí methan trong hệ thống AnMBR xử lý nƣớc thải đô thị tổng hợp, nghiên cứu đƣợc thực hiện trên 2 bể phản ứng AnMBR1 và AnMBR2 với quá trình sinh học lơ lững và sinh học bám dính ở 2 nhiệt độ 25oC và 15oC . Sản lƣợng khí methane sinh ra tại bể 1 là 65,7 mlCH4/gVSS
và tại bể 2 là 39,3 ml CH4/gVSS tại ngày thứ 75 [29]. Một bể phản ứng màng kỳ khí AnMBR hết hợp với than hoạt tính (GAC) đã đƣợc Da Wen Gao cùng cộng sự (2013) nghiên cứu để xử lý nƣớc thải đô thị. Kết quả cho thấy, với HRT tƣng ứng 8, 6 và 4 giờ thì năng suất methane tƣơng ứng là 140, 180, 190 LCH4/kgCOD loại bỏ, và chuyển đổi 45,2%, 53,1% và 43,8% từ COD vào khí methane [30]. Nghiên cứu cho thấy, cơng nghệ AnMBR có tiềm năng thu hồi năng lƣợng cao khi xử lý nƣớc thải đơ thị có nồng độ sulphat thấp và khí mêtan từ khí biogas thu đƣợc có thể đƣợc tái sử dụng, tạo ra năng lƣợng lí thuyết tối đa sản xuất 0,07 kWh /m3 nƣớc thải thô.
Sản lƣợng khí thu hồi từ ứng dụng cơng nghệ AnMBR sẽ mang lại tiềm năng thay thế năng lƣợng cung cấp cho quá trình lọc màng hay vận hành hệ thống kỳ khí. Ngƣời ta ƣớc tính rằng nếu khí sinh học đƣợc sản xuất từ q trình tiêu hóa kỳ khí thì có thể tạo thành lƣợng điện khoảng 2,02 kWh / kgCOD loại bỏ.
Các nghiên cứu trong nước
1.5.3.
Các nghiên cứu về công nghệ AnMBR tại Việt Nam còn khá hạn chế. Hiện nay, mới chỉ có một số nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ này của Nga và cộng sự cho xử lý nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải lò mổ. Đối với nƣớc thải sinh hoạt, tải trọng xử lý là 0,2 – 2,2 kgCOD/m3/ngày, thời gian lƣu nƣớc 8 giờ, hiệu quả xử lý COD đạt 75 – 81%, lƣợng khí sinh học sinh ra là 500l/ngày trong đó CH4 chiếm 75%. Đối với nƣớc thải giết mổ, tải trọng xử lý là 0,8 – 2,8 kgCOD/m3/ngày, thời gian lƣu nƣớc 10 giờ, hiệu quả xử lý COD đạt 85 – 90%, lƣợng khí sinh học sinh ra là 1.000L/ngày trong đó khí CH4 chiếm 76% [31].
Đánh giá chung
1.5.4.
Việc sử dụng màng sinh học hiếu khí đã đƣợc nghiên cứu và triển khai trong xử lý nƣớc thải đô thị ở nhiều nơi trên thế giới. Công nghệ MBR này đã chứng minh có những đặc tính tốt hơn so với công nghệ xử lý truyền thống nhƣ chất lƣợng nƣớc sau xử lý cao, lƣu giữ toàn bộ sinh khối và tải trọng xử lý cao. Tuy nhiên việc sử dụng cơng nghệ hiếu khí u cầu năng lƣợng cao, lƣợng bùn thải cao và không thể phục hồi năng lƣợng, điều này là hạn chế lớn nhất của công nghệ MBR và đã đi
ngƣợc lại xu hƣớng phát triển phát triển bền vững. Vì vậy mở rộng ra nghiên cứu AnMBR thay cho MBR cũng đang đƣợc quan tâm, nghiên cứu.
Màng sinh học kị khí đƣợc giới thiệu đầu tiên vào năm 1970. Nó đƣợc định nghĩa đơn giản là một công nghệ xử lý khi có sự kết hợp giữa q trình sinh học kị khí và màng lọc. AnMBR có thể đóng vai trị quan trong trong tƣơng lai vì yêu cầu năng lƣợng, chất dinh dƣỡng thấp, sản lƣợng bùn thải tạo ra thấp. Thêm vào đó có thể tạo ra đƣợc khí sinh học có thể đƣợc sử dụng trực tiếp nhƣ là nguồn năng lƣợng.