Ứng dụng công nghệ màng trong xử lý nước thải với điều kiện Việt Nam

Theo dõi MTĐT trên

Tóm tắt
Từ năm 2009, nhóm nghiên cứu thuộc Bộ môn Cấp thoát nước, Khoa Kỹ thuật Môi trường, trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã thực hiện nhiều nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc (MBR) để xử lý nước thải. Các nghiên cứu này được triển khai cả với công nghệ sinh học hiếu khí (CN màng MBR hiếu khí và công nghệ sinh học kỵ khí (CN màng MBR kỵ khí hay AnMBR) để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau: nước thải sinh hoạt trên hệ thống thoát nước thành phố (nước thải loãng), nước xám và nước đen tại các nhà cao tầng, nước thải sản xuất (nước thải giết mổ, nước thải chăn nuôi) để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và xác định các thông số vận hành tối ưu của công nghệ với các loại nước thải có đặc tính khác nhau. Các nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm của BM CTN sử dụng nước thải thực tế, trong đó có một số nghiên cứu được thực hiện cả trên mô hình Pilot công suất 2-5m3/ngày đặt tại hiện trường. Các kết quả cho thấy việc ứng dụng công nghệ màng đạt hiệu quả cao trong xử lý nhiều loại nước thải có thành phần ô nhiễm khác nhau, nước thải sau xử lý có thể phục vụ cho mục tiêu tái sử dụng trong phạm vi đô thị và nông nghiệp. Công nghệ nhỏ gọn, phù hợp với nơi eo hẹp về quỹ đất và không có điều kiện xử lý về bùn cặn, và do đó rất phù hợp với quy mô xử lý nước thải phân tán, trong các khu đô thị mới, các tòa nhà chung cư cao cấp và khách sạn. Bài báo này sẽ tổng quan lại các nội dung nghiên cứu cụ thể, kết quả đạt được, và khản năng ứng dụng thực tế công nghệ xử lý tiên tiến này trong điều kiện của Việt Nam.

Giới thiệu chung

Công nghệ xử lý nước và nước thải bằng màng vi lọc là công nghệ tiên tiến được các nước phát triển như Nhật, Mỹ, châu Âu áp dụng rộng rãi trong vòng hai thập kỷ qua. Đặc biệt trong đó công nghệ bể sinh học màng vi lọc (Membrane bio reactor, gọi tắt là MBR) đã chứng tỏ các ưu thế vượt trội trong hiệu quả xử lý, vận hành và vốn đầu tư.

MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản trong một đơn nguyên: 1) Phân hủy sinh học chất hữu cơ; 2) Kỹ thuật tách sinh khối vi khuẩn bằng màng vi lọc (micro-filtration). Công nghệ MBR thay thế công nghệ xử lý sinh học truyền thống, kết hợp bể phản ứng sinh học và bể lắng chỉ bằng một công trình đơn giản hơn trong xây dựng và vận hành (cụm màng có thể đặt ngập trong bể phản ứng sinh học hay nằm bên ngoài). Công nghệ MBR rất hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ, kim loại, và vi khuẩn, phù hợp để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước rỉ rác. Chất lượng nước sau khi xử lý rất tốt và ổn định, với hàm lượng SS <1mg/L, độ đục <0.2NTU. Hiệu suất lọc Nitơ và Ammonia lên đến 90 - 95% và đặc biệt hiệu suất loại bỏ vi khuẩn và virus rất cao. Đặc biệt, màng lọc ở đây còn đóng vai trò một barie giữ lại các vi khuẩn nguy hiểm đến sức khỏe mà quá trình khử trùng bằng clo cũng không có tác dụng. Nước sau xử lý thích hợp để xả ra môi trường tự nhiên hoặc các mục đích tái sử dụng như tưới cây, rửa sàn, dội nhà vệ sinh,… Ở Nhật Bản, Đài Loan, Trung Quốc, nước thải sau xử lý trong hệ MBR được sử dụng để làm vòi phun tạo cảnh quan tại một số công viên và khu vui chơi giải trí.

Ưu điểm chính của màng MBR: nước sau xử lý có chất lượng rất tốt, có khả năng tái sử dụng lại; hệ thống hoạt động ổn định, ngày cả ở các trạm công suất nhỏ; tiêu thụ năng lượng ít; lượng bùn dư nhỏ; hiệu quả xử lý về vi sinh vật rất cao, giảm thiểu các nguy cơ nhiễm bệnh. Ngoài các ưu điểm về kỹ thuật, công nghệ này còn ngày càng cho thấy có hiệu quả cao trong kinh tế. Từ trước đến nay công nghệ màng lọc trong xử lý nước và nước thải vốn được coi là công nghệ có giá thành cao. Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây tại Úc và Nhật cho thấy chi phí áp dụng MBR so với các công trình xử lý nước thải tiên tiến khác ngày càng cạnh tranh, nhất là khi chí phí sử dụng đất được tính đến. Đặc biệt giá thành các công nghệ xử lý nước truyền thống lại có xu hướng gia tăng do chi phí lao động và lạm phát tăng cao, trong khi đó giá thành của các thiêt bị màng (bao gồm cả lọc trực tiếp và MBR lại giảm đáng kể trong vòng mười năm qua. Do đó MBR ngày càng được quan tâm và áp dụng ở nhiêu nơi trên thế giới để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp.

Ở Việt Nam hiện nay, phần lớn nước thải được xả trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt, nước ngầm. Năng lực xử lý nước thải của Việt Nam hiện nay đáp ứng ở mức rất thấp so với nhu cầu thực tế. Các công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học truyền thống được áp dụng rộng rãi trong thực tế như công nghệ màng vi sinh vật dính bám, bùn hoạt tính có hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm rất tốt, nhưng chi phí đầu tư và vận hành tương đối lớn do phải cung cấp ô xi cho quá trình xử lý sinh học hiếu khí. Với công nghệ MBR, nhờ vai trò của màng vi lọc, nước sau xử lý có chất lượng tốt, có thể đáp ứng nhu cầu tái sử dụng trong nông nghiệp, giải quyết vấn đề thiếu nước tại các vùng đô thị và ven đô. Đây là hướng nghiên cứu mới có tiềm năng ứng dụng cao ở điều kiện khí hậu nhiệt đới để xử lý nước thải đạt hiệu quả cao.

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBR hiếu khí (AO-MBR) để xử lý nước thải đô thị và tái sử dụng nước sau xử lý

Đây là nghiên cứu thuộc chương trình KHCN trọng điểm của bộ GDĐT (2010-2011); chương trình Công nghiệp môi trường của bộ Công Thương (2011-2012) với mục tiêu chính là đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và nitơ của hệ thống MBR xử lý nước thải sinh hoạt nồng độ thấp ở thành phố Hà Nội và đánh giá tiềm năng áp dụng thực tế của công nghệ này trong việc xử lý nước thải đô thị ở Việt Nam, đặc biệt cho mục đích tái sử dụng.

Hệ thống đề xuất (công nghệ xử lý sinh học Thiếu khí - Hiếm khí kết hợp màng vi lọc, gọi tắt là AO/MBR) được thử nghiệm để xử lý nước thải sinh hoạt nồng độ thấp (được thu gom bằng hệ thống thoát nước chung - là loại hình nước thải đặc trưng và phổ biến ở các đô thị Việt Nam). Cả hai mô hình quy mô phòng thí nghiệm và pilot hiện trường cho thấy hiệu quả xử lý chất hữu cơ, cặn lơ lửng và nitơ rất tốt và ổn định, nước thải đầu ra đạt quy chuẩn QCVN40/BTNMT-2011. Hơn nữa, với kích thước công trình nhỏ gọn, được vận hành ở điều kiện thời gian lưu thủy lực ngắn và không xả bùn dư, hệ thống AO/MBR cho thấy ưu điểm nổi trội so với các công nghệ sinh học truyền thống khác.

- Mô hình AO/MBR phòng thí nghiệm với công suất 10L/h vận hành trong 220 ngày liên tục. Nước thải đầu vào lấy từ bể điều hòa của TXL nước thải Kim Liên. Mô hình được vận hành với các chế độ lưu nước thủy lực khác nhau. Nước sau khi xử lý có TSS nhỏ hơn 1mg/L, COD khoảng 20mg/L, NH4-N nhỏ hơn 1mg/L, và NO3-N nhỏ hơn 10mg/L.

- Hệ thống pilot ứng dụng công nghệ AO-MBR đã được xây dựng dựa trên các thông số thiết kế và vận hành được xác định dựa trên kết quả nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm, có công suất 20m3/ngày được đặt trong khuôn viên của TXL nước thải Kim Liên. Mô hình được vận hành ở thời gian lưu nước nhỏ (T=4.5h), và bùn được lưu giữ hoàn toàn trong hệ thống trong thời gian vận hành 90 ngày. Kết quả vận hành trong thời gian hơn 1 năm cho thấy hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm cao và ổn định, nước đầu ra đạt tiêu chuẩn xả thải quy định theo cột A, theo QCVN14:2008/BTNMT hay QCVN40:2011/BTNMT mà không phải bổ sung hóa chất keo tụ hay nguồn các bon bên ngoài như các công trình xử lý đang vận hành.

--Hình 1: Sơ đồ hệ thống A/O-MBR phòng thí nghiệm: 1) nước thải thô; 2) Bể phản ứng thiếu khí - hiếu khí; 3) Cụm màng lọc (mini); 4) Hệ thống cấp khí; 5) Bể chứa nước sau xử lý; 6) Bùn dư; 7) Máy nén khí; 8) Máy bơm; 9) Bùn thải; 10) bơm bùn quay lại bể sinh học.

Kết quả thực nghiệm cho thấy công nghệ và các thông số thiết kế và vận hành đề xuất có hiệu quả xử lý rất tốt đối với nước thải đô thị có nồng độ ô nhiễm thấp (nước thải từ hệ thống cống chung đô thị). Với các ưu điểm nhỏ gọn, nước thải sau xử lý có chất lượng tốt, giảm thiểu việc sinh bùn dư, công nghệ MBR chứng tỏ có tiềm năng lớn trong việc áp dụng xử lý nước thải đô thị cho mục tiêu tái sử dụng ở Việt Nam.

Các kết quả cho thấy công nghệ xử lý nước thải AO MBR rất phù hợp để xử lý loại nước thải sinh hoạt đô thị có tải trọng chất ô nhiễm thấp ở các khu vực có yêu cầu xả thải cao, eo hẹp về quỹ đất và không có điều kiện xử lý về bùn cặn. Cộng nghệ này rất phù hợp với các trạm xử lý nước thải phân tán, trong các khu đô thị mới, các tòa nhà chung cư cao cấp và khách sạn. Nước thải sau khi xử lý có thể tái sử dụng cho các công trình vui chơi giải trí và vệ sinh cho đô thị.

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBR kỵ khí (AnMBR) để xử lý nước thải trong điều kiện Việt Nam

Xử lý sinh học trong điều kiện kỵ khí trước đây chủ yếu được áp dụng để chất thải hữu cơ và bùn cặn ở các trạm xử lý nước thải, nhằm mục đích giảm sinh khối và do đó giảm thể tích bùn, tăng cường khả năng tách nước, làm giảm thành phần vi sinh vật gây bệnh của bùn cặn, đồng thời quá trình xử lý sinh khí sinh học với thành phần chính có ích là khí mê tan. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp sinh học kỵ khí là hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng và vi khuẩn gây bệnh không cao, do đó nước thải cần phải xử lý tiếp bằng các quá trình sinh học hiếu khí trước khi xả ra môi trường. Để khắc phục các nhược điểm này, việc kết hợp công trình sinh học kỵ khí và màng vi lọc (công nghệ AnMBR) được nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây.

Các kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy công nghệ này có nhiều ưu điểm so với công nghệ xử lý sinh học truyền thống khác như: giảm tiêu thụ năng lượng do không cần cung cấp oxy cho quá trình phân hủy chất hữu cơ; giảm khối tích bùn tạo thành; thu hồi được khí biogas làm năng lượng sinh học; hoạt động ổn định, ngày cả ở các trạm công suất nhỏ; xử lý tải lượng ô nhiễm lớn, kích thước và diện tích công trình xử lý sinh học nhỏ, phù hợp với khu vực có quỹ đất eo hẹp.

--Hình 2. Sơ đồ hệ thống AnMBR với màng lọc đặt ngập quy mô phòng thí nghiệm.

Ngoài ra, công nghệ AnMBR tiết kiệm chi phí xây dựng công trình lắng thứ cấp, công trình lọc và giảm chi phí xây dựng các công trình xử lý bùn cặn lên men do lượng bùn cặn sinh ra nhỏ. Nhờ vai trò của màng vi lọc, nước sau xử lý có chất lượng tốt, có thể đáp ứng nhu cầu tái sử dụng trong nông nghiệp, giải quyết vấn đề thiếu nước tại các vùng đô thị và ven đô. Đây là hướng nghiên cứu mới có tiềm năng ứng dụng cao ở điều kiện khí hậu nhiệt đới để xử lý nước thải đạt hiệu quả cao và thu hồi khí mê tan tạo năng lượng, do đó các nghiên cứu được tiến hành nhằm phát triển và ứng dụng công nghệ AnMBR để xử lý một số nước thải đô thị ở Việt Nam.

- Nghiên cứu phát triển công nghệ AnMBR để xử lý nước thải sinh họat ở TP Hà Nội.
Trong khuôn khổ đề tài KHCN trọng điểm của bộ GDĐT (2012 - 2013) và dự án hợp tác nghiên cứu với Trung tâm phát triển công nghệ - Tập đoàn Kubota (Nhật Bản) (2013 - 2015), lần đầu tiên công nghệ AnMBR được áp dụng ở Việt Nam để xử lý nước thải sinh hoạt phát sinh từ hai hệ thống thoát nước điển hình của Việt Nam (Hệ thống thoát nước chung và hệ thống thoát nước riêng).
Kết quả nghiên cứu trển hai mô hình quy mô phòng thí nghiệm và pilot hiện trường đối với cả hai loại nước thải nêu trên đều cho thấy rằng công nghệ này có nhiều ưu điểm vượt trội không chỉ đối với các công nghệ hiếu khí mà còn hiệu quả hơn so với các công nghệ kỵ khí truyền thống khác. Hiệu quả xử lý các chất hữu cơ (COD, BOD), cặn lơ lửng (TSS) cao và ổn định. Hơn nữa kích thước công trình nhỏ gọn do được vận hành ở thời gian lưu thủy lực ngắn và thời gian lưu bùn dài dẫn đến giảm chi phí sử dụng quỹ đất và chi phí xử lý bùn. Ngoài ra nguồn khí sinh học tạo ra trong quá trình xử lý cũng là một trong những ưu điểm của công nghệ này, nguồn nhiên liệu sạch này có thể được sử dụng để làm khí đốt hoặc phát điện.
Các kết quả cụ thể như sau: Hai hệ thống MBR kỵ khí quy mô phòng thí nghiệm được lắp đặt. Với mô hình số 1, nước thải đầu vào được lấy từ bể điều hòa của hệ thống thu nước đen trong tòa nhà chung cư Sky Tower (địa chỉ số 88 đường Láng Hạ). Mô hình 2 xử lý nước thải lấy từ bể điều hòa ở trạm Kim Liên (đường Đông Tác), xử lý nước thải từ hệ thống cống chung của khu tập thể Kim Liên.

Kết quả vận hành hai mô hình liên tục trong hơn 600 ngày cho thấy với các điều kiện khác nhau về thời gian lưu thủy lực và tải trọng chất hữu cơ thì hiệu suất xử lý chất hữu cơ (COD, BOD) đều rất ổn định và ở mức cao (80 - 90%). Tuy nhiên cơ chế xử lý của công nghệ MBR kỵ khí không loại bỏ được Nitơ. Với nước thải loãng có nồng độ chất dinh dưỡng không cao (tổng Nitơ <40mg/L) như nước thải từ hệ thống thoát nước chung của thành phố, thì nước sau xử lý bằng công nghệ MBR kỵ khí đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN14:2008/BTNMT cho nguồn loại B. Tuy nhiên nếu nguồn thải có hàm lượng TN cao hơn thì cần phải được tiếp tục xử lý để loại bỏ Nitơ.

Mô hình pilot AnMBR được thiết kế nhỏ gọn, chỉ có ngăn thu kết hợp bể điều hòa, một bể phản ứng sinh học kết hợp màng lọc và hệ thống thiết bị đặt trong khuôn viên Ký túc xá - trường Đại học Xây dựng. Nước thải (bao gồm cả nước đen và nước xám) từ các khu vệ sinh được thu gom một phần về bể điều hòa đặt chìm dưới mặt đất. Bể phản ứng sinh học có hình trụ tròn, được thiết kế kín hoàn toàn để tránh sự xâm nhập của oxy, tạo ra môi trường kỵ khí nghiêm ngặt. Hệ thống màng vi lọc bao gồm các modun màng tấm phẳng có kích thước khe màng 0.4 µm đặt ngập bên trong bể sinh học làm nhiệm phân tách sinh khối bùn và nước. Trong mô hình, khí mê tan (CH4) sinh ra được chứa trong túi chứa khí, một phần được cấp tuần hoàn ngược trở lại bể sinh học để hòa trộn đều nước thải với bùn hoạt tính và giảm thiểu khả năng tắc nghẽn màng.

Mô hình pilot AnMBR đang vận hành được 160 ngày, với thời gian lưu nước (HRT) 8h và nồng độ bùn đạt 7.000mg/L, có hiệu quả xử lý chất hữu cơ COD khá cao, trung bình đạt trên 85%, hiệu quả sản sinh khí sinh học trung bình khoảng 280L/ngày, nồng độ khí CH4 chiếm từ 67- 70% và hàm lượng chất rắn lơ lửng SS < 2mg/L.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ MBR ky khí không chỉ phù hợp để xử lý loại nước thải chứa nồng độ chất hữu cơ cao như nước thải từ công nghiệp bia, rượu, tinh bột mà còn rất hiệu quả trong việc xử lý nước thải đô thị có hàm lượng dinh dưỡng thấp. Hệ thống xử lý có chi phí vận hành thấp hơn so với các công trình xử lý hiếu khí cùng công suất do không phải vận hành hệ thống cấp khí cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí, ngoài ra có thể tận thu được nguồn khí sinh học có thể tạo năng lượng cấp nhiệt hay phát điện.

--

--Hình 3: Hệ thống AnMBR phòng thí nghiệm (phải) và quy mô hiện trường (trái) xử lý nước thải ký túc xá sinh viên ĐHXD.

Dựa trên kết quả thu được từ nội dung nghiên cứu mô hình phòng thí nghiệm, một hệ thống AnMBR pilot có công suất 5m3/ngày được thiết kế và lắp đặt trong khuôn viên Ký túc xá của trường Đại học Xây dựng. Bùn nạp cho hệ thống được lấy từ trang trại chăn nuôi lợn với nồng độ nạp ban đầu 7000mg/L. Kết quả vận hành trong gần 6 tháng từ ngày 4/5 đến 11/9/2014. Trong giai đoạn thích nghi ban đầu, vận hành trong khoảng 60 ngày với flux tương đối nhỏ 4.5L/m2.h và giai đoạn vận hành theo thông số thiết kế là 100 ngày với flux 13.5L/m2.h. Tải trọng hữu cơ OLR dao động trong khoảng từ 0.2 - 2 kgCOD/m3.ngày, với giá trị trung bình khoảng 1 kgCOD/m3.ngày. Kết quả vận hành mô hình cho thấy hiệu quả xử lý tương đối cao và ổn định: TSS đạt 99%, COD đạt trên 70 - 90% với COD sau xử lý < 100mg/L. Sản lượng sinh khí là 0.231 m3 CH4/1kg COD được xử lý và hàm lượng khí CH4 đạt 78%.

Nghiên cứu ứng dụng công nhệ AnMBR để xử lý nước thải cơ sở giết mổ gia súc. Đây là đề tài KHCN của sở KH&CN TP Hà Nội thực hiện trong giai đoạn 2013 - 2014.

Nước thải giết mổ gia súc có đặc trưng là hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng nito hữu cơ và ammonium rất cao, cùng với sự tồn tại của các chất rắn bao gồm lông, da, phân và mỡ động vật, đất cát và thức ăn chưa tiêu hóa. Theo báo cáo của Sở Công Thương và Chi cục Thú y về hiện trạng các lò mổ gia súc và gia cầm tại Hà Nội (2012), hiện nay trên địa bàn thành phố có 5 cơ sở công nghiệp và cơ sở giết mổ thủ công tập trung cùng 3725 hộ giết mổ gia súc gia cầm nhỏ lẻ. Chỉ tính riêng về các lò mổ gia súc,thì chỉ có 2 cở sở ở quy mô công nghiệp, 3 cở sở giết mổ thủ công tập trung và 288 cở sỏ nhỏ lẻ cung cấp hơn 386 tấn thịt gia súc cho Hà Nội, tuy nhiên chỉ khoảng 60 - 70% số cơ sở giết mổ gia súc tập trung được kiểm soát thú y, còn lại hàng nghìn cơ sở nhỏ lẻ các lò mổ tư nhân không đủ tiêu chuẩn vệ sinh. Các cơ sở công nghiệp tuy có hệ thống xử lý nước thải nhưng đều chưa đạt yêu cầu. Còn lại, tất cả các cơ sở thủ công tập trung và hộ nhỏ lẻ, đều nằm trong hoặc liền kề với khu dân cư, đều không có hệ thống xử lý đạt yêu cầu hoặc thải trực tiếp máu và nước thải không xử lý, gây ô nhiễm nặng nề và nguy cơ lan truyền bệnh dịch rất cao.

--Hình 2.1: Hệ thống pilot 5m3/ngày xử lý nước thải giết mổ và chế biến gia súc

Với một số ưu thế trong xử lý chất ô nhiễm tiêu tốn ít năng lượng, công nghệ sinh học kỵ khí kết kợp màng vi lọc (AnMBR) có tiềm năng ứng dụng lớn trong các công trình xử lý nước thải, đặc biết là các trạm xử lý quy mô nhỏ và có quỹ đất hẹp và điều kiện khí hậu nhiệt đới. Do vậy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ này trong xử lý nước thải giết mổ và chế biến gia súc có ý nghĩa rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường bền vững cho thành phố Hà Nội. Xuất phát từ nhu cầu trên ‘‘Nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ và chế biến gia súc bằng công nghệ xử lý sinh học kỵ khí kết hợp màng vi lọc AnMBR” được sở KH và CN Hà Nội phê duyệt thực hiện trong 2 năm từ 1/2013 đến 12/2014.

Dựa trên kết quả thu được sau gần 2 năm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và với sự hỗ trợ về công nghệ và thiết bị từ Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ của Tập đoàn KUBOTA (Nhật Bản), một mô hình pilot có công suất 3 - 5m3/ngày được thiết kế và lắp đặt để xử lý nước thải sinh hoạt của Ký túc xá sinh viên của trường Đại học Xây Dựng.

Mô hình AnMBR có ngăn thu kết hợp bể điều hòa, một bể phản ứng sinh học kết hợp màng lọc và hệ thống thiết bị điều khiển. Nước thải (bao gồm cả nước đen và nước xám) từ các khu vệ sinh được thu gom một phần về bể điều hòa đặt chìm dưới mặt đất. Bể phản ứng sinh học có hình trụ tròn, được thiết kế kín hoàn toàn để tránh sự xâm nhập của oxy, tạo ra môi trường kỵ khí nghiêm ngặt. Hệ thống màng vi lọc bao gồm các modun màng tấm phẳng có kích thước khe màng 0.4 µm đặt ngập bên trong bể sinh học làm nhiệm phân tách sinh khối bùn và nước. Trong mô hình, khí mê tan (CH4) sinh ra được chứa trong túi chứa khí, một phần được cấp tuần hoàn ngược trở lại bể sinh học để hòa trộn đều nước thải với bùn hoạt tính và giảm thiểu khả năng tắc nghẽn màng.

Mô hình được vận hành liên tục trong 12 tháng để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải, hiệu suất sinh khí sinh học, cũng như chế độ tiêu thụ năng lượng của hệ thống để xác định chi phí vận hành của công nghệ. Hệ thống được thiết kế để xử lý nước thải ở thời gian lưu nước HRT 8h. Tuy nhiên, để tránh sốc tải trọng cho hệ vi sinh vật ky khí, hệ thống được giảm HRT dần dần từ 24h đến 8h. Trong giai đoạn thích nghi ban đầu, vận hành trong khoảng 60 ngày với flux tương đối nhỏ 0.11 m3/m2.ngày (4.5L/m2.h) và 0.22m3/m2.ngày ứng với HRT 24 và 12h, và giai đoạn vận hành theo thông số thiết kế là 100 ngày với flux tương đối lớn 0.32m3/m2.ngày (13.5L/m2.h). Bùn nạp cho hệ thống được lấy từ trang trại chăn nuôi lợn với nồng độ nạp ban đầu 7.000 mg/L.

Kết quả vận hành mô hình cho thấy hiệu suất xử lý chất hữu cơ (COD) đạt từ 70 - 90%, COD sau xử lý luôn nhỏ hơn 100mg/L. Tuy nhiên, amoni và phôt pho hầu như không thay đổi trước và sau khi xử lý. Cho thấy công nghệ kỵ khí đơn thuần này không có khả năng xử lý các chất dinh dưỡng. Cần có các biện pháp xử lý tiếp theo sao khi xử lý bằng công nghệ AnMBR để có thể đáp ứng tiêu chuẩn xả thải về chất dinh dưỡng (N,P). Hiện nay nhóm nghiên cứu chúng tôi cũng đang đang tiến thành thực hiện việc cử lý tăng cường N, P trong nước thải sau hệ thống AnMBR để đáp ững yêu cầu xả thải hiện hành.

Kết luận

Lần đầu tiên ở Việt Nam việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kỵ khí kết hợp với quá trình lọc màng (gọi tắt là công nghệ AnMBR) để xử lý nước thải được thực hiện cả ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot tại hiện trường. Hai hệ thống MBR kỵ khí được vận hành song song và xử lý hai loại nước thải sinh hoạt khác nhau trong phòng thí nghiệm: hệ thống R1 xử lý nước thải đen của một chung cư ở Hà Nội (COD 300-800mg/l, BOD: 180-350mg/l, NH4-N:40-85 mg/L) và hệ thống R2 xử lý nước thải thu gom từ hệ thống cống chung (COD 150-300mg/l, BOD: 60-250mg/l, NH4-N:5-35mg/L). Cả hai mô hình đều được vận hành với thời gian lưu thủy lực thay đổi từ 48 giờ xuống đến 6 giờ trong khoảng 550 ngày liên tục trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý chất ô nhiễm theo cặn lơ lửng và chất hữu cơ rất cao và ổn định với cả hai mô hình (hàm lượng COD nhỏ hơn 85mg/l và BOD nhỏ hơn 30mg/L). Nồng độ bùn tối ưu ở mức dưới 15g/L để hệ thống màng vi lọc hoạt động ổn định tránh tắc nghẽn. Năng suất khí sinh học của hệ thống MBR kỵ khí số 1 tăng khi tải trọng chất hữu cơ đi vào hệ thống xử lý tăng (từ 0.28- 2 kg COD/m3.ngày), tuy nhiên ở mô hình số 2 lượng khí sinh học thu được không đáng kể. Kết quả vận hành trên mô hình pilot công suất 3-5m3/ngày cũng cho kết quả tương tự, cho thấy công nghệ MBR kỵ khí đạt hiệu quả cao trong xử lý chất hữu cơ và cặn lơ lửng, và đạt yêu cầu xả thải (QCVN14/2008/BTNMT) cho nguồn loại B đối với nước thải có hàm lượng chất dinh dưỡng thấp (Tổng Ni tơ <40mg/L). Tuy nhiên đối với nước thải sinhh hoạt nồng độ cao, cần phải tiếp tục xử lý loại bỏ Nitơ trong nước sau xử lý thì mới đạt yêu cầu xả ra môi trường.

PGS.TS. Trần Thị Việt Nga, PGS.TS. Trần Đức Hạ, ThS. Dương Thu Hằng, KS. Nguyễn Đức Cảnh, CN. Nguyễn Thúy Liên, TS. Trần Thị Hiền Hoa
Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Munariatis I. D. and Grigoropoulos S. G. - Low-strength wastewater treatment using an anaerobic baffled reactor” Water Environment Research, 74 (2002) 170 - 177.
2. Sutton P.M., Bérubé P., and Hall E.R. - Membrane Bioreactors for Anaerobic Treatment of Wastewaters. Final report - WERF Project 02- CTS-4 (2004). Water Environment Research Foundation.
3. Jaeho H. and Shihwu S. Methanogenic activities in anaerobic membrane bioreactors (MBR kỵ khí ) treating synthetic municipal wastewater. Bioresource Technology 101 (2010) 2191 - 2196
4. Giménez J.B., Robles A., Carretero L., Durán F., Ruano M. V., Ferrer J., and Seco A. Experimental study of the anaerobic urban wastewater treatment in a submerged hollow-fibre membrane bioreactor at pilot scale. Bioresource Technology 102 (2011) 8799 - 8806.
5. Trần Thị Việt Nga và nhóm nghiên cứu. Báo cáo tổng hợp đề tài NCKH trọng điểm cấp Bộ (Bộ GD& ĐT) - Nghiên cứu phát triển công nghệ sinh học kỵ khí kết hợp màng vi học để xử lý nước thải sinh hoạt. Hà Nội, 2014.