3.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MBR.
Thuật ngữ MBR (Membrane Bioreactor) được hiểu là một sự kết hợp của quá trình xử lý nước thải bằng bể sinh học bùn hoạt tính với q trình lọc màng để tách sinh khối, cặn lơ lửng..(hay cơng nghệ màng lọc sinh học), có thể là màng vi lọc MF hoặc màng siêu lọc UF. MBR là sự cải tiến của quy trình xử lý bằng bùn hoạt tính theo mẻ kiểu bể SBR trong đó việc tách cặn khơng cần dùng đến bể lắng bậc hai. MBR có thể kết hợp q trình màng với bể vi sinh hiếu khí (chủ yếu). MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản trong một đơn nguyên:
Phân huỷ sinh học các chất hữu cơ bằng q trình hiếu khí.
Kỹ thuật tách chất lơ lửng, bùn, cả vi sinh vật,vi khuẩn bằng quá trình màng vi
lọc MF(micro-flitration) hoặc siêu lọc UF (ultrafiltration). Màng ở đây cịn đóng vai trị như là một giá thể cho VSV dính bám tạo nên các lớp màng VSV dày đặt làm tăng bề mặt tiếp xúc pha tăng cường khả năng phân huỷ sinh học.
Hình 3.1. mơ hình tách nước qua màng trong bể phản ứng.
Trong bể duy trì hệ bùn sinh trưởng lơ lửng, các phản ứng diễn ra trong bể giống như các q trình sinh học thơng thường khác, nước sau xử lý qua màng có chất lượng rất tốt và khơng phải qua bể lắng 2 hoặc có thể bỏ qua khâu khử trùng (sẽ được nghiên cứu ở phần sau). Quy trình MBR thường hoạt động ở hai cấu hình sau: dạng đặt màng chìm trong bể iMBR (immersed MBR) và màng đặt ngồi bể sMBR (sidestream MBR) như hình 3.2:
+ Với kiểu đặt ngập màng MBR hoạt động bằng dùng bơm hút hay dùng áp lực.
+ Với kiểu đặt ngoài màng MBR hoạt động theo ngun tắc tuần hồn lại bể
Hình 3.2. Cấu hình MBR: a) iMBR và b) sMBR
Việc tiêu thụ điện năng để lọc nước trong cấu hình đặt ngập là thấp hơn so với cấu hình màng đặt ngồi. Do khi đặt màng ngồi bể phản ứng thì áp lực nước cắt qua màng lớn hơn và năng lượng cho dịng tuần hồn, chính vì lý do này mà cấu hình màng đặt ngập trong bể chiếm ưu thế và được sử dụng phổ biến hơn. Một kết quả nghiên cứu theo [22] cho thấy so sánh áp lực nước qua màng ở cấu hình đặt ngập chiếm ưu thế hơn:
Bảng 3.1. Thơng số so sánh hai cấu hình sMBR và iMBR [22]
Thơng số sMBR iMBR Loại màng (MF và UF) Modul Diện tích bề mặt (m2) Lưu lượng thấm [L/m2.h] Áp lực màng (bar) Năng lượng lọc (kwh/m3) Zenon Z-8 2 50-100 2-5 4-12 Zenon ZW-500 46 20-50 0,2-0,5 0,3-0,6
Cấu hình ngồi thường chỉ áp dụng cho trạm có cơng suất lớn cịn cơng suất nhỏ hay dùng cấu hình đặt ngập. Các thơng số trên cịn phụ thuộc vào nhà sản xuất cung cấp và tuỳ vào mục đích xử lý và loại nước cần xử lý mà chọn loại màng thích hợp. Trong đề tài này chỉ tập trung vào cấu hình iMBR.
Sự phát triển của cơng nghệ tiên tiến và thâm nhập thị trường của MBR có thể được xem xét trong bối cảnh các quy trình điều khiển chính, lịch sử phát triển và triển vọng trong tương lai. Như một cơng nghệ tương đối mới cơng nghệ MBR
Nước vào Khí Nước ra Bùn xả Khí Nước vào Màng Tuần hồn Bùn xả Nước ra a) b)
thường thiếu sự quan tâm trong các nhà máy xử lý sinh học truyền thống. Tuy nhiên, một số các chỉ số cho thấy rằng MBR đang ngày càng được chấp nhận như là một công nghệ cho sự lưa chọn.
Sự phát triển của công nghệ MBR trên thế giới
Theo báo cáo của các nhà phân tích thị trường MBR hiện tại đang tăng trưởng cao, trong giai đoạn 5 năm từ 2000 đến năm 2005 tổng giá trị là 217 triệu USD, con số này vượt trội so với năm 1995 là 10 triệu USD, và dự kiến sẽ đạt 360 triệu USD vào năm 2010.
Cịn tại Mỹ và Canada dự kiến duy trì tốc độ phát triển của cơng nghệ MBR, với tổng doanh thu từ thanh lọc nước, khử muối và xử lý nước thải tới 750 triệu USD vào năm 2003 và dự kiến đạt 1,3 tỷ USD vào năm 2010.
Ở châu Âu: sự phát triển mạnh mẻ của MBR có thể mơ tả qua đồ thị trong hình 3.3:
Hình 3.3. Thị trường MBR ở Châu Âu [21]
MBR tại Việt Nam: tại Việt Nam công nghệ MBR đã xâm nhập và đã được
nghiên cứu lắp đặt ở một số nơi với quy mô nhỏ, các công ty quảng cáo công nghệ và rao bán thiết bị khá đông và đều nhập từ nước ngồi.
+Chẳng hạn như cơng ty cổ phần đầu tư A1 (A1 INVEST) của tập đồn
cơng nghiệp HITACHI Nhật Bản tại Việt Nam. Hiện nay theo thơng báo của cơng ty thì hệ thống MBR đã được lắp đặt ở một số nhà cao ốc, chung
cư như: chung cư Tân Thịnh Lợi- Q6 tp HCM với công suất 90 m3/ngày;
chung cư Phú Đạt – Q. Bình Thạnh – HCM cơng suất 130 m3/ngày; TTTM
Đầm sen – HCM công suất 450 m3/ngày. Xưởng xi mạ công ty TNHH
+ Một nghiên cứu thành công của T.S. Nguyễn Phước Dân trưởng khoa môi trường, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM. Bằng việc xử lý nước thải bằng màng vi lọc MBR [ theo báo Người lao động 9-7-2009]
+ Tuy nhiên việc áp dụng còn chưa rộng rãi, do là công nghệ mới
xâm nhập và nhu cầu sử dụng cịn hạn chế, bên cạnh đó là do việc đã có sẵn các nhà máy xử lý củ chưa được nâng cấp và các chủ sở còn chưa rõ và lo ngại về giá cả lắp đặt và chi phí vận hành và cần được nghiên cứu thêm.
Một sự tin cậy lớn trong công nghệ MBR đã được chứng minh bởi sự tăng công suất lắp đặt các thiết bị của MBR trong xử lý nước thải. Bên cạnh đó là việc trang bị thêm và nâng cấp các nhà máy xử lý nước thải hiện có do yêu cầu cao về năng lực xử lý và cải thiện chất lượng nước thải đầu ra lớn hơn đã là 1 cơ hội cho áp dụng công nghệ MBR, đặc biệt tại Mỹ. Nhà máy xử lý bằng MBR hiện nay có cơng
suất lớn nhất là 50.000 m3/ngày và kế hoạch lắp đặt một quy mô lên tới 300-800.000
m3/ngày là khả thi (21). Hiện tại thống trị thị trường MBR là do 2 công ty hàng đầu
Zenon và Kubota cung cấp thiết bị MBR trên phạm vi rộng và đáp ứng được sự bền vững của công nghệ trong tương lai.
Ngày nay, Kubota chiếm ưu thế trên thị trường xử lý nước thải bằng màng ở Nhật Bản và cung cấp số lượng MBR lớn nhất trên toàn thế giới, mặc dù trong số
này có thơng lượng ít hơn 200 m3/ngày. Q trình tich luỹ các cơng suất thiết kế của
hai cơng ty kubota và Zenon như trong hình 3.4:
Cuối thập niên 1980, sự phát triển của iMBR màng siêu lọc sợi rỗng HF (Hollow fibre) diễn ra 2 loại màng ở Nhật Bản, với sự tiên phong của Kazuo Yamamoto và các đồng nghiệp, đầu năm 1990 Zenon đã được cấp bằng sáng chế và
công suất thiết kế 2800m3/ngày ở Bắc Mỹ. Zenon đã giới thiệu các modul thiết kế
đầu tiên vào năm 1993: ZW145 sau đó la modul ZW130 và 150 vào năm 1997, tiếp theo modul ZW500b,c,d vào các năm 1999, 2001 và 2003. Trong giai đoạn này Kubota cũng đã giới thiệu một sản phẩm giảm thiểu năng lượng một thiết kế vào năm 2003.Sự phát triển của công nghệ và tiềm năng về kinh tế và hiệu quả làm sạch của MBR là như vậy, tuy nhiên nguyên lý như thế nào, hiệu quả ra sao sẽ được nghiên cứu phần III.2.
3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CƠNG NGHỆ MBR
Như đã nói ở trên cơng nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống MBR bao gồm hai q trình chính xảy ra trong một bể phản ứng đó là:
+ Q trình phản ứng sinh học hiếu khí: xảy ra trong tồn bộ thể
tích bể và trong các modul màng.
+ Quá trình phân tách nước sạch qua màng.
Vì vậy trong đồ án này chỉ trình bày hai phần lý thuyết chính này giới hạn trong một hệ thống MBR.
3.2.1. Cơng nghệ màng
3.2.1.1. Màng và các q trình phân tách bằng màng
Các quá trình lọc màng tuy mới chỉ được áp dụng vào thực tế trong vòng mấy chục năm trở lại đây, nhưng chúng đã nhanh chóng đóng một vai trị vơ cùng quan trọng trong sản xuất và đời sống của con người. Cùng với sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật vật liệu và chế tạo màng ngày càng phát triển, các quá trình màng ngày càng được áp dụng rộng rãi không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau ở nhiều nước trên thế giới.
Màng được hiểu như là một pha đóng vai trị ngăn cách giữa các pha khác nhau, nó có thể là chất rắn, chất keo, vi khuẩn, sự trương nở của dung môi hoặc là một chất lỏng. Hiện tượng thấm qua màng có thể chia thành hiện tượng thẩm thấu (osmosis phenomenon) trong đó chủ yếu dung mơi thấm qua màng, và hiện tượng thẩm tích (dialysis phenomenon) trong đó chủ yếu chất tan thấm qua màng.
Trong nghiên cứu quá trình thẩm thấu người ta chia 4 quá trình phân tách màng chủ yếu theo kích thước của mao quản và cách thức nước thấm qua là màng thẩm thấu ngược RO, màng lọc nano NF (nanofiltration), màng siêu lọc UF (ultrafiltration), và màng vi lọc MF (microfiltration), như trong hình 3.5:
Hình 3.5. Các quá trình phân tách bằng màng [21]
• Thẩm thấu ngược RO (Reverse osmosis): là phương pháp lọc tốt nhất trong tất
cả các phương pháp lọc màng. Quá trình lọc này chỉ cho nước đi qua màng cịn tất cả các chất hồ tan, các chất rắn lơ lửng đều bị giữ lại.
• Một loại lọc khác tương đương với lọc RO là màng Nano NF. Trong thực tế
thì màng NF chỉ giữ lại các ion có hố trị lớn hơn 1 (Ca2+, Mg2+, SO42- ...), trong khi
những ion hố trị 1 vẫn có thể đi qua màng.
• Siêu lọc UF là quá trình lọc mà các hợp chất có phân tử lượng lớn như là
protein và các chất keo, chất rắn lơ lửng, vi khuẩn ... trong khi đó những hợp chất có phân tử lượng thấp có thể đi qua màng như axit hữu cơ, vô cơ, muối, kiềm....
• Vi lọc MF là q trình lọc chỉ có thể loại bỏ được các chất rắn lơ lửng, vi
khuẩn cơn trùng, sinh khối ..
Tuỳ theo mục đích sử dụng và yêu cầu vận hành mà chọn loại màng cho thích hợp vì màng dễ bị tắc nghẽn và giá thành cao.
Một phân tử chuyển qua màng có thể theo 2 cơ chế mơ tả q trình màng dưới tác dụng của áp suất: cơ chế mao quản và cơ chế hồ tan - khuếch tán như hình 2.5:
Hình 3.6. Cơ chế thấm qua màng: a) cơ chế mao quản, b) cơ chế hoà tan – khuếch tán [23].
Ở đây chỉ giới thiệu các cơ chế có mơ hình tốn liên quan đến các quá trình màng áp dụng trong hệ thống MBR:
Hình 3.7. Sơ đồ màng
1. Cơ chế hồ tan khuếch tán - Q trình thẩm thấu ngược:
Thẩm thấu là sự di chuyển tự phát của dung môi từ một dung dịch loãng vào một dung dịch đậm đặc qua màng bán thấm. Ở tại một áp suất nhất định, sự cân bằng được thiết lập thì áp suất đó gọi là áp suất thẩm thấu. Thẩm thấu ngược là quá trình ngược lại với quá trình thẩm thấu nghĩa là hướng chuyển động từ dung dịch đặc hơn sang dung dịch loãng hơn, động lực của quá trình là sự chênh lệch áp suất giữa 2 bề mặt màng do đó áp suất yêu cầu tạo ra phải cao hơn áp suất thẩm thấu, áp suất thẩm thấu có thể thay đổi theo nồng độ, nhiệt độ và chỉ phụ thuộc vào thuộc tính của dung dịch, áp suất thẩm thấu của nước được tính như sau:
n RT V
π = (3.1) Trong đó: n- số mol của dung dịch,
V- thể tích mol của nước, R- hằng số khí,
a) b)
Dịng bị giữ lại
Dịng thấm Dòng vào
T- nhiệt độ của nước.
Hình 3.8. Sơ đồ thẩm thấu [8]
1-Nước sạch, 2- Màng, 3-Dung dịch, π-Áp suất thẩm thấu, p- Áp suất làm việc. a) Thẩm thấu, b) cân bằng thẩm thấu, c) Thẩm thấu ngược.
Phương trình 2.1. biểu thị cho trường hợp lý tưởng và chỉ đúng cho dung dịch lỗng. Đối với các dung dịch có nồng độ cao, biểu thức này được vant- Hoff nhân thêm hệ số thẩm thấu Ф:
n RT V
π = Φ (3.2)
Đối với các chất điện ly, hệ số thẩm thấu Ф nhỏ hơn 1 đơn vị và sẽ giảm khi tăng nồng độ. Điều này có nghĩa là biểu thức 3.2 được bảo tồn và giá trị dự tính theo cơng thức này cao hơn áp suất thẩm thấu quan sát. Khi áp suất làm việc cao hơn áp suất thẩm thấu ở phía dung dịch của màng như hình 3.8.c. thì sẽ có dịng di chuyển ngược đó chính là q trình thẩm thấu ngược, vì vậy có thể định nghĩa q trình thẩm thấu ngược là quá trình lọc dung dịch qua màng bán thấm dưới một áp suất cao hơn áp suất thẩm thấu.
Mơ hình tốn học của q tình thẩm thấu ngược thường dùng là mơ hình hồ tan – khuếch tán: trong mơ hình này người ta coi rằng trên bề mặt màng hình thành một lớp khơng có lỗ xốp và đồng nhất. Mỗi phần tử cấu thành trong dung dịch hoà tan bị nén ép trong màng và sau đó khuếch tán qua màng. Sự khuếch tán của dòng nước và dòng chất tan là khơng đồng nhất, nó phụ thuộc vào bản chất của chất tan và sự chuyển nước qua màng có tốc độ nhanh hơn chất tan.
Dòng thấm qua F, đi qua một màng bán thấm có chiều dày d được tính theo biểu thức sau: H2O H2O 2 3 1 H2O 2 3 1 H2O H2O 2 π P-π a)P<π b)P=π c)P>π
( ) w w d D C V F P RT π = ∆ − (3.3) Trong đó: Dw- hệ số khuếch tán; Cw- nồng độ của nước; V- thể tích mol của nước;
∆P- Áp suất dẫn động, (tạo động lực cho quá trình)
Biểu thức này cho thấy lượng nước nhận được trong một đơn vị thời gian tỉ lệ
nghịch với độ dày của màng. Đặt W w w
d
p
D C V RT
= (hệ số thấm qua của nước), khi đó ta
có cơng thức:
W (p )
F = ∆ −P π (3.4)
Như vậy tốc độ thẩm thấu ngược tỉ lệ với áp suất hữu hiệu (hiệu số giữa áp suất tác động lên chất lỏng và áp suất thẩm thấu). Áp suất hữu hiệu cao hơn nhiều áp suất thẩm thấu.
Đối với dòng dung dịch Fs, động lực của q trình hồn tồn là do gradient nồng độ qua màng theo phương trình Clack (1962) như sau:
' ' i i s s s dC C F D D dX d ∆ = = (3.5) Trong đó: ' i C - nồng độ cấu tử i trong màng; ' i C
∆ - giá trị nồng độ đo qua màng
Ds- hệ số khuếch tán của dung dịch.
Viết biểu thức (3.5) cho cho nồng độ Ci của dung dịch ở hai mặt của màng, hợp thành hệ số phân bố Kd- là một hằng số đối với các màng:
i s s d p i C F D K K C d ∆ = = ∆ (3.6)
Trong đó: Kp- hệ số thấm qua. Các đại lượng Wp và Kp đều đặc trưng cho một loại màng cụ thể.
Quá trình phân tách mằng màng phụ thuộc vào áp suất, điều kiện thuỷ động, kết cấu thiết bị, bản chất và nồng độ của nước thải, hàm lượng tạp chất trong nước thải và nhiệt độ của nước thải.... sự tăng nồng độ dung dịch dẫn đến tăng áp suất
thẩm thấu của dung môi, tăng độ nhớt của dung dịch và tăng sự phân cực nồng độ, dấn đến giảm độ thấm qua và độ chọn lọc.
2. Cơ chế chảy qua mao quản màng – quá trình Siêu lọc UF (ultrafiltration) và Vi lọc (Microfiltration)
Theo thuyết này cho rằng: màng bán thấm cấu tạo bởi nhiều ống mao quản, trên bề mặt màng và bên trong ống mao quản hình thành một lớp chất lỏng liên kết hấp