3.8. Quá trình lọc màng và xử lý tắc nghẽn màng lọc
3.8.2. Phương pháp khắc phục tắc nghẽn màng lọc
Trong quá trình vận hành, các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ bám lên bề mặt màng lọc gây tắc màng lọc, làm giảm năng suất lọc. Do vậy, cần thiết phải làm sạch màng lọc để đảm bảo chế độ hoạt động ổn định cho hệ thống.
Có 2 cách làm sạch màng lọc, đó là làm sạch màng lọc bằng phương pháp vật lý và hóa học.
Làm sạch màng lọc bằng phương pháp vật lý
- Sử dụng hệ thống sục khí: Các bọt khí di chuyển theo hướng từ dưới lên trên, tác dụng lên bề mặt màng lọc, tách các cặn bẩn bám trên bề mặt màng lọc, làm giảm sự tắc nghẽn màng lọc.
- Khi lưu lượng cấp khí vào giảm, cần phải vệ sinh hệ thống sục khí.
Nguyên do bùn đi vào đường ống sục khí. Do đó, dừng hoạt động của màng lọc, tiến hành rửa ống thổi khí.
- Trong quá trình vận hành, đường ống thổi khí bị nghiêng, dòng khí không đi vào chính giữa hộp màng lọc làm giảm hiệu quả hạn chế bùn bám lên bề mặt sợi màng, do đó cần điều chỉnh đường ống thổi khí lại như ban đầu.
Làm sạch màng lọc bằng phương pháp hóa học
Nếu tổn thất áp qua màng lọc tăng lên trên 30 - 35 cmHg, ngay cả khi đã dùng cách làm sạch màng lọc bằng thổi khí thì cần làm sạch màng bằng cách ngâm màng lọc vào bể hóa chất.
Nguyên nhân màng lọc bị tắc không xử lý được bằng biện pháp vật lý là do các chất hữu cơ hòa tan đã đi sâu vào trong sợi màng. Còn các chất rắn lơ lửng, các chất vô cơ có kích thước lớn hơn kích thước lỗ màng nên không thể đi vào trong sợi màng được, bằng chứng là độ đục trong nước sau khi được xử lý qua màng rất thấp (< 1 NTU). Như vậy là màng lọc bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ. Do đó, lựa chọn NaOCl để làm sạch màng lọc. Theo các báo cáo gần đây cho thấy sử dụng NaOCl làm sạch màng lọc trong công nghệ MBR là tốt hơn so với các hóa chất khác như enzyme, axit hoặc H2O2 (Fangang và ncs, 2009). Điều này cũng phù hợp với nghiên cứu của Judd (2006) khi cho rằng đối với công
142
nghệ MBR – Aeroten truyền thống, hoá chất làm sạch màng lọc thường dùng là hypochlorite (NaOCl). Cũng theo nghiên cứu này, để làm sạch màng lọc cần ngâm màng lọc trong thời gian dài, thường một chu kỳ là 30 – 60 phút, ở các nồng độ trung bình của NaOCl là 200 – 500 mg/L (Judd, 2006). Tuy nhiên, trong nghiên cứu của luận án, với thời gian ngâm màng lọc khoảng 60 phút trong dung dịch NaOCl 500 mg/L, màng lọc vẫn chưa được phục hồi hoàn toàn. Do đó, cần tăng thời gian ngâm màng lọc và nồng độ dung dịch NaOCl.
Kết quả áp suất qua màng khi khảo sát thời gian ngâm với các nồng độ NaOCl khác nhau được thể hiện trong Bảng 3.12.
Bảng 3.12. Áp suất qua màng sau khi ngâm màng với các nồng độ NaOCl khác nhau
Áp suất qua màng (-cmHg) NaOCl (mg/L)
Thời gian ngâm (giờ)
500 1000 2000 3000
1 3 1,5 1 1
2 2 0,3 0,3 0,3
Qua kết quả thể hiện trong Bảng 3.12 thấy rằng, áp suất qua màng gần phục hồi như ban đầu sau khi ngâm màng 1 giờ trong dung dịch NaOCl. Cụ thể, áp suất qua màng giảm từ 5 xuống 3 cmHg với nồng độ NaOCl 500 mg/L. Khi ngâm màng lọc với các nồng độ NaOCl cao hơn (1000 – 3000 mg/L), áp suất qua màng giảm xuống còn 1,5 và 1 cmHg. Tuy nhiên, áp suất qua màng vẫn chưa được phục hồi như lúc ban đầu.
Khi tăng thời gian ngâm màng lọc trong dung dịch NaOCl lên 2 giờ, áp suất qua màng có xu hướng giảm. Áp suất qua màng phục hồi như ban đầu, đạt 0,3 cmHg ở các nồng độ NaOCl 1000, 2000 và 3000 mg/L. Do đó, để tiết kiệm hóa chất nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả làm sạch màng lọc, điều kiện ngâm màng lọc 2 giờ trong dung dịch NaOCl 1000 mg/L đã được lựa chọn.
Quy trình làm sạch màng lọc bằng dung dịch NaOCl:
- Màng lọc được đưa ra khỏi hệ thống, tiến hành làm sạch bằng phương pháp vật lý;
- Chuẩn bị dung dịch NaOCl 1000 mg/L: pha 0,4 L NaOCl 10%
vào 40 L nước sạch;
- Đặt màng lọc vào trong bể hóa chất và ngâm 2 giờ;
- Chạy lại màng lọc trong bể nước sạch 30 phút với năng suất lọc 12 L/m2 .h, không cần sục khí;
- Nếu áp suất qua màng đạt giá trị như màng ban đầu thì dừng quá trình làm sạch màng. Nếu áp suất qua màng cao hơn thì tiếp tục rửa và ngâm màng bằng hóa chất như trên;
- Lắp màng lọc trở lại hệ thống.
Kết quả chạy lại màng lọc trong bể hiếu khí sau khi đã làm sạch được thể hiện trên Hình 3.287.
Hình 3.287. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian sau khi làm sạch bằng NaOCl
Qua số liệu thể hiện trên Hình 3.28 cho thấy, áp suất qua màng đạt 32 cmHg sau khoảng thời gian 43 ngày hoạt động. Với màng lọc lúc đầu, áp suất qua màng đạt 31 cmHg sau 45 ngày. Kết quả này cho thấy khả năng làm việc của màng lọc sau khi làm sạch đã được phục hồi gần như lúc ban đầu. Nhiều nghiên cứu về công nghệ MBR cho thấy, sau mỗi lần rửa màng lọc, chu kỳ làm việc của màng lọc có xu hướng suy giảm. Kết quả trong nghiên cứu của luận án cũng phù
144
hợp với nghiên cứu của Kornboonraksa và Lee (2009). Sau thời gian 40 ngày hoạt động, áp suất qua màng đạt 30 cmHg. Tuy nhiên, sau khi làm sạch màng lọc bằng hóa chất, chỉ sau 20 ngày hoạt động, áp suất qua màng đã tăng lên 30 cmHg. Đây là vấn đề không tránh khỏi khi sử dụng màng lọc. Do đó, phương pháp tối ưu nhất là tối ưu các điều kiện làm việc của màng lọc trong bể sinh học, để hạn chế hiện tượng tắc nghẽn màng lọc, duy trì thời gian làm việc của màng lâu dài.
3.9. Đánh giá lợi ích kinh tế và khả năng ứng dụng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng vào xử lý nước thải chăn nuôi
Những giá trị kinh tế mang lại khi ứng dụng mô hình hệ thống sinh học kết hợp với lọc màng xử lý nước thải chăn nuôi so với các công nghệ hiện nay có thể kể đến là:
- Mô hình hệ thống được t hiết kế nhỏ gọn do không cần có bể lắng bùn và bể khử trùng dẫn đến giảm chi phí xây dựng cơ bản và giải phóng mặt bằng;
- Xử lý được các hợp chất nitơ, phôtpho và vi khuẩn mà không sử dụng đến hóa chất, giúp tiết kiệm chi phí cho quá trình xử lý; trong đó ưu điểm vượt trội so với các hệ xử lý truyền thống đó là xử lý được phôtpho bởi vì lượng phôtpho trong nước thải chăn nuôi rất cao và rất khó xử lý, thường phải kết hợp với xử lý hóa lý và chi phí khá cao;
- Lượng bùn dư sinh ra ít hơn rất nhiều so với các công nghệ xử lý hiện hành , giúp giảm chi phí xử lý bùn dư;
Mặc dù lợi ích kinh tế mang lại khi sử dụng hệ thống sinh học kết hợp với lọc màng là rất đáng kể, tuy nhiên vẫn còn có một số lo ngại về chi phí đầu tư cho môđun màng lọc. Điều này cũng dễ hiểu, do màng lọc thường chiếm một tỷ lệ chi phí khá lớn trong cả hệ thống, có thể lên tới 25 – 50 % tổng chi phí đầu tư, trong đó chi phí thay thế màng chiếm khoảng 25 – 33 % tổng chi phí vận hành và bảo dưỡng màng lọc (Đỗ Khắc Uẩn và ncs, 2015). Bài toán này đã được giải quyết khi công nghệ chế tạo vật liệu và môđun màng lọc càng ngày càng phát triển đã có thể nâng tuổi thọ của màng lọc lên đến 11 năm, điều này sẽ làm giảm
đáng kể chi phí thay thế màng lọc. Ngoài ra, giá thành màng lọc cũng đang có xu hướng giảm dần theo thời gian. Năm 1992, giá màng lọc ước tính khoảng 400 USD/m2 , đến năm 2005, giá màng lọc giảm xuống còn dưới 50 USD/m2 ( (Đỗ Khắc Uẩn và ncs, 2015). Hiện nay, với sự xuất hiện của các công ty chế tạo màng lọc đến từ Trung Quốc với, giá màng chỉ còn khoảng 20 - 30 USD/m . Giá2 thành màng lọc giảm là yếu tố quan trọng để công nghệ MBR có thể cạnh tranh với các công nghệ xử lý khác mở rộng ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng trong xử lý nước thải chăn nuôi nói riêng và xử lý nước thải nói chung.
Chi phí đầu tư và vận hành mô hình hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm:
-Chi phí xây dựng TT Hạng
mục
Đặc tính kỹ thuật
Đơn vị tính
Số lượng
Đơn giá (VNĐ)
Thành tiền (VNĐ)
1 Bể đầu vào
Thùng nhựa
60L Bể 01 90.000 90.000
2 Bể yếm khí
Hình trụ, đường kính 200 mm, chiều cao 1400mm
Bể 01 650.000 650.000
3 Bể thiếu khí
Hình trụ, đường kính 200 mm, chiều cao 1000m m
Bể 01 320.000 320.000
4 Bể hiếu khí
Hình hộp chữ nhật
250×500×1100 (mm)
Bể 01 2.000.000 2.000.000
5 Bể đầu ra Thùng nhựa 60
L Bể 01 90.000 90.000
Tổng 3.150.000
-Chi phí thiết bị
146
TT Hạng mục
Tên thiết bị
Thông số kỹ thuật
Đơn vị tính
Số lượng
Đơn giá (VNĐ)
Thành tiền (VNĐ) 1 Bể đầu
vào Rây lọc Kích thước lỗ
0,1 mm Chiếc 01 60.000 60.000
Máy khuấy
Công suất 15W (Trung Quốc)
Cái 01 500.000 500.000
2 Bể yếm khí
Bơm nhu động
Công suất 7,5W (Hàn Quốc)
Cái 01 30.000.000 30.000.000
3 Bể thiếu khí 4 Bể hiếu
khí
Máy thổi khí
Công suất 60W (Trung Quốc)
Cái 01 950.000 950.000
Bơm tăng áp
Công suất 15W (Đài Loan)
Cái 01 330.000 330.000
Công tắc điện phao nước
Việt Nam Cái 01 80.000 80.000
Thiết bị đo lưu lượng khí
Cái 01 650.000 650.000
5 Bể đầu ra
Bơm tuần hoàn
Công suất 5,5W (Trung Quốc)
Cái 01 200.000 200.000
6 Môđun màng
Môđun màng
Kích thước lỗ
0,1àm, PVDF m2 01 400.000 400.000
Đồng hồ
giọt dầu Cái 01 690.000 690.000
7 Tủ điều khiển
Tủ điều
khiển Bộ 01 3.000.000 3.000.000
Tổng 36.860.000
Tổng chi phí đầu tư cơ bản cho hệ thống xử lý:
Tổng chi phí đầu tư = Chi phí xây dựng + Chi phí thiết bị = 40.010.000 (VNĐ)
Chi phí vận hành:
Chi phí vận hành mô hình hệ thống bao gồm điện năng và hóa chất rửa màng.
+ Chi phí hóa chất rửa màng:
Giá NaClO 10% Trung Quốc: 3.500 đồng/kg; tương đương với 4.400 đồng/lít.
Tần suất rửa màng 1 tháng/1 lần. Mỗi lần dùng 0,4 L NaClO 10%. Trung bình chi phí hóa chất rửa màng khoảng 60 đồng/ngày (*)
+ Chi phí điện năng:
Thiết bị Số lượng Lượng điện tiêu thụ
W Giờ W.h
Máy khuấy 01 15 24 360
Bơm nhu
động 01 7,5 24 180
Máy thổi khí 01 60 24 1.440
Bơm tăng áp 01 15 20 300
Bơm tuần
hoàn 01 5,5 24 132
Tổng 2.412
Với giá điện 1.500 đồng/KWh.
Chi phí điện năng sử dụng: 2.412 /1000 x 1500 = 3.618 đồng/ngày (**) Chi phí xử lý nước thải = (*) + (**) = 60 + 3.618 = 3.678 đồng/ngày.
Chi phí xử lý nước thải (tính cho 1m3 nước thải):
3.678 / 0,045 (với quy mô hệ thống 45 L/ngày) = 81.733 đồng/m3
Chi phí xử lý của hệ thí nghiệm theo tính toán còn khá lớn, do toàn bộ thiết bị gồm máy khuấy, bơm nhu động, bơm tăng áp, bơm tuần hoàn, máy thổi khí, được tận dụng theo thiết bị sẵn có của Trung tâm. Dẫn đến công suất tiêu thụ
148
điện năng bị dư khá nhiều. Chi phí điện năng của hệ thống là (2.412 / 0,045 =) 53,6 kw/m được xử lý không có giá trị thực tiễn. Do đó, đề tài 3 cần tiếp tục nghiên cứu thêm để tối ưu hóa các điều kiện vận hành để có thể triển khai trên thực tế ở quy mô xử lý lớn hơn.
Thiết bị sử dụng
TT Tên thiết bị Công suất Số lượng Đơn giá Thành tiền 1 Bơm nhu động
GT-150D (Hàn Quốc)
36W 01 40.000.000
2 Bơm thổi khí (Trung Quốc)
750W 01 2.500.000
3 Máy khuấy (Trung Quốc)
90W 01 700.000
4 Bơm tăng áp (Đài Loan)
90W 01 330.000
5 Đồng hồ giọt dầu
01 690.000
6 Thiết bị đo lưu lượng khí
01 650.000
7 Công tắc điện phao nước (Việt Nam)
01 80.000
8 Hộp điều khiển 01 5.000.000
9 Bể phản ứng (nhựa PVC)
03 3.800.000
10 Thùng nhựa 01 90.000
11 Màng lọc 1 m 2 400.000
12 NaClO 1L 120.000
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
1. Trong thành phần nước thải chăn nuôi lợn khu vực nghiên cứu có các chỉ tiêu ô nhiễm cao gấp nhiều lần so với loại B theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải chăn nuôi gia súc (QCVN 01-79:2011/BNNPTNT), COD 29 - 83 lần, NH4+ -N 15 - 65 lần, TP 4 - 12 lần, SS 20 - 35 lần và coliform 160 - 440 lần; so với loại B theo quy chuẩn về nước thải chăn nuôi (QCVN 62- MT:2016/BTNMT), COD 9,6 – 27,6 lần, TN 1,1 – 4,8 lần, SS 13,3 – 23,3 lần và coliform khoảng 160 - 440 lần.
2. Bùn hoạt tính nghiên cứu thích nghi nhanh với nước thải chăn nuôi lợn và có chất lượng tốt, cụ thể: sau khoảng 18 ngày sục khí luân phiên, bùn hoạt tính đã tăng trưởng nhanh về sinh khối, từ nốồng độ ban đầu 1200 mg/L lên tới 6500 mg/L; tỷ số MLVSS/MLSS khá ổn định, dao động từ 0,75 - 0,88; chỉ số SVI dao động từ 72 - 108 mL/g và có xu hướng giảm dần theo thời gian.
3. Thiết kế Đã lựa chọn được kiểu dáng môđun màng lọc sợi rỗng M3 ( các sợi màng duỗi thẳng, hút nước từ một đầu sợi, một đầu bó sợi cố định), vật liệu PVDF thích hợp nhất trong việc ứng dụng xử lý nước thải chăn nuôi lợn so với các kiểu môđun màng phẳng, màng sợi rỗng M1 (các sợi màng uốn cong hình chữ U, hút nước từ một đầu sợi), M2 (các sợi màng duỗi thẳng, hút nước từ hai đầu sợi), M4 (một đầu sợi không bó cố định ) và vật liệu CA, CA biến tính, PTFE. Bên cạnh đó, đã xác định được các điều kiện hoạt động để giảm thiểu tắc nghẽn màng là: năng suất lọc ≤ 15 L/m2 .h, cường độ sục khí ở mức 0,06 L/cm2 /ph và nồng độ bùn hoạt tính khoảng 9000 mg/L.
4. Đã xây dựng được mô hình hệ thống sinh học xử lý nước thải chăn nuôi lợn gồm các giai đoạn yếm khí, thiếu khí và hiếu khí kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm. Khi vận hành hệ thống theo các điều kiện tối ưu đã thiết lập được như: lưu lượng đầu vào 45 L/ngày và tỷ lệ dòng tuần hoàn nước từ sau bể hiếu khí về bể thiếu khí ở mức 300%, với thời gian lưu nước toàn hệ thống chỉ khoảng 4 ngày, hiệu suất xử lý COD, NH4+ , NO 3- , TN, TP và coliforms của hệ thống đạt được rất cao, tương ứng 97,5 – 98,3; trên 99,9;
150
70,8 – 88,3; 84,8 – 97,5; 91,8 – 98,3 và 99,95 - 99,98% , với các giá trị đầu ra tương ứng: 52 – 98 mgO2/L; thấp hơn 1; 5,7 – 27,72; 8,1 – 29,2; 0,7 – 6,5 mg/L; và 200 - 400 MPN/100 mL đáp ứng quy chuẩn xả thải loại B theo QCVN 01-79:2011/BNNPTNT và loại A theo QCVN 62-MT:2016/BTNMT.
5. Đã tính toán được lượng bùn dư sinh ra trong bể MBR khoảng 2,22 lít bùn/ngày khi vận hành hệ thống sinh học quy mô phòng thí nghiệm với các điều kiện tối ưu đã thiết lập.
6. Đã xác định được điều kiện làm sạch màng để phục hồi khả năng làm việc của màng bằng phương pháp vật lý kết hợp sử dụng dung dịch NaOCl nồng độ 1000 mg/L trong 2 giờ.
KIẾN NGHỊ
- Cần tiếp tục nghiên cứu thêm để tối ưu hóa các điều kiện vận hành để có thể triển khai trên thực tế ở quy mô xử lý lớn hơn.
- Nghiên cứu lắp ghép, chế tạo môđun màng lọc có giá thành phù hợp với điều kiện Việt Nam và tiến tới làm chủ công nghệ lọc màng trong xử lý nước thải.
KẾT LUẬN
7. Nước thải chăn nuôi lợn khu vực nghiên cứu có các chỉ tiêu ô nhiễm cao gấp nhiều lần so với quy chuẩn theo cột B của QCVN 01-79:2011/BNNPTNT, COD 29 - 83 lần, NH4+-N 15 - 65 lần, TP 4 - 12 lần, SS 20 - 35 lần và coliform 160 - 440 lần; so với quy chuẩn theo cột B của QCVN 62- MT:2016/BTNMT, COD 9,6 – 27,6 lần, TN 1,1 – 4,8 lần, SS 13,3 – 23,3 lần và coliform khoảng 160 - 440 lần.
8. Bùn hoạt tính (BHT) hiếu khí lấy từ Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội sau khi được nuôi dưỡng bằng nước thải chăn nuôi lợn đã tăng trưởng nhanh về sinh khối (nồng độ BHT tăng từ 1200 mg/L lên khoảng 7000 mg/L sau khoảng 30 ngày sục khí luân phiên). Tỉ số MLVSS/MLSS khá ổn định, dao động từ 0,71 - 0,88; Chỉ số SVI dao động từ 72 - 108 mL/g và giảm dần theo thời gian, điều này chứng tỏ BHT nghiên cứu có chất lượng tốt.
9. Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc giảm khi vận hành bể MBR sử dụng môđun màng sợi rỗng, vật liệu PVDF, dạng sợi màng duỗi thẳng, hút nước từ một đầu sợi, một đầu bó sợi cố định với năng suất lọc ≤ 15 L/m2.h, cường độ sục khí ở mức 0,06 L/cm2/ph và nồng độ BHT trong bể khoảng 9000 mg/L.
10. Đã xây dựng được hệ thống sinh học xử lý nước thải chăn nuôi lợn gồm các giai đoạn yếm khí, thiếu khí và hiếu khí kết hợp lọc màng. Khi vận hành ở điều kiện tối ưu, với các thông số đã thiết lập được như: lưu lượng đầu vào 45 L/ngày; tỷ lệ dòng tuần hoàn nước từ sau bể hiếu khí về bể thiếu khí ở mức 300%, chỉ với thời gian lưu nước toàn hệ rất ngắn 1,52 ngày, hiệu suất xử lý COD, NH4+, NO3-, TN và TP của hệ thống đạt được rất cao, tương ứng lần lượt là 97,5 – 98,3; trên 99,9; 70,8 – 88,3; 84,8 – 97,5 và 91,8 – 98,3%, tương ứng các giá trị đầu ra: 52 – 98 mgO2/L; thấp hơn 1; 5,7 – 27,72; 8,1 – 29,2 và 0,7 – 6,5 mg/L, đáp ứng quy chuẩn xả thải loại B theo QCVN 01- 79:2011/BNNPTNT và loại A theo QCVN 62-MT:2016/BTNMT. Chỉ tiêu coliform đạt tiêu chuẩn loại A và độ đục thấp hơn 1 NTU.
11. Nguyên nhân màng bị tắc không xử lý được bằng các biện pháp cơ học được xác định là do các chất hữu cơ hòa tan đã đi sâu vào trong sợi màng. Ngâm
152