Nghiên cứu thử nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư Kim Liên bằng MBR*

MBR (Membrane Bio-Reactor) 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).

Đối với công nghệ MBR có thể sử dụng rất nhiều vật liệu chế tạo màng khác nhau. Theo vật liệu chế tạo màng có thể phân loại chung là vật liệu hữu cơ (polyme tổng hợp) hay vô cơ (vật liệu gốm hay kim loại). Mô đun màng có 4 loại chính: dạng khung tấm, dạng ống, dạng cuốn xoắn, và dạng sợi rỗng. Trong xử lý nước thải mô đun sợi rỗng thường được đặt trực tiếp trong nước thải, và nước sau lọc được thu ở đầu cuối của màng.

Nguồn nước thải sinh hoạt được lựa chọn là nước thải khu dân cư Kim Liên. Do đặc điểm hệ thống cống chung có thu gom với nước mưa và nhiều loại nước thải khác nên nồng độ căn lơ lửng và chất hữu cơ tương đối thấp (TSS: 30-120 mg/L, BOD₅ 50-150 mg/L, COD từ 120-250 mg/L). Nồng độ Nitơ khá cao (T-N lên đến 40 mg/L và Nitơ Amôn từ 2-25 mgN/L), do vậy cần áp dụng quá trình xử lý Nitơ để đáp ứng tiêu chuẩn xả thải ra môi trường đối với nguồn loại A (nguồn tiếp nhận có yêu cầu chất lượng nước cao nhất), đặc biệt khi tái sử dụng nguồn nước thải này. Hàm lượng Phốt pho dao động từ 2-10mg/L, với giá trị trung bình là 4 mg/L, tương đương với mức lớn nhất cho phép khi xả nguồn loại A theo QCVN40:2011/BTNMT.

– Nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm

Với mục đích xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt nên mô hình nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm cứu là hệ Thiếu khí-Hiếu khí AO-MBR, bao gồm: Thùng đựng nước thải chưa xử lý; Bể phản ứng thiếu khí (dung tích hữu dụng 20 lít); Bể phản ứng hiếu khí (dung tích hữu dụng 25 lít); Bộ màng vi lọc mini; Bơm hút qua màng; Bơm tuần hoàn bùn, Máy nén khí; Thùng đựng nước sau xử lý. Nước thải đầu vào của mô hình được lấy từ bể điều hòa của trạm XLNT Kim Liên.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ hệ thống MBR xử lý nước thải sinh hoạt. 1) Bồn chứa nước thải thô chưa xử lý; 2) Khố bể thiếu khí-hiếu khí có màng lọc (MBR); 3) Màng lọc mini; 4) Máy cấp khí; 5) Thùng đựng nước sau lọc; 6) Thùng đựng bùn dư; 7) Máy nén khí; 8) Bơm hút chân không; 9) Bơm bùn; 10) Bơm tuần hoàn; 11) Áp kế điện tử

Trong giai đoạn đầu kéo dài 30 ngày, mô hình được vận hành với lưu lượng 10L/h; tải trọng thủy lực tương ứng là 0,24m³/m²-ngày, hàm lượng MLSS trong bể hiếu khí là 2.000mg/L. Trong bể hiếu khí, giá trị MLSS không ổn định trong thời gian này. Sau 60 ngày, khi lưu lượng bùn tuần hoàn được điều chỉnh tăng lên thì hàm lượng MLSS cũng tăng theo và ổn định ở mức 3.000-4.000 mg/L vào cuối giai đoạn 3 (ngày thứ 120). Lượng bùn tiếp tục tăng cao khi lưu lượng nước thải đầu vào và lưu lượng bùn tuần hoàn tăng thêm. Ở giai đoạn này, MLSS đạt giá trị cao nhất 5.600 mg/L. Trong khi giá trị MLSS trong bể hiếu khí dao động tỷ lệ với sự thay đổi về HRT và tỷ lệ bùn tuần hoàn, hàm lượng MLSS trong bể phản ứng thiếu khí ổn định trong khoảng 2.000-3.000mg/L trong suốt thời gian vận hành mô hình. Hàm lượng oxi hòa tan trong bể hiếu khí dao động từ 2,0 đến 5.0 mg/L. Oxi hòa tan trong bể thiếu khí được duy trì ở mức từ 0-0,5 mg/L.

Kết quả vận hành mô hình liên tục trong hơn 7 tháng cho thấy với các điều kiện khác nhau về thời gian lưu thủy lực thì hiệu suất xử lý chất hữu cơ (COD) luôn ổn định và cao (lớn hơn 90%). Hiệu suất xử lý Nitơ (Nitơ tổng số, Amôni) tuy nhạy cảm hơn với sự thay đổi môi trường (nồng độ oxi hòa tan, tải trọng chất hữu cơ) tuy nhiên cũng rất cao, thỏa mãn yêu cầu xả thải nghiêm ngặt theo QCVN 40:2011/BTNMT. Hiệu suất xử lý Nitơ tăng khi tỷ lệ bùn tuần hòan (BTH) từ bể hiếu khí sang bể thiếu khí tăng, và đạt giá trị cao nhất khi tỷ lệ BTH là 300% trong quá trình vận hành mô hình. Chúng tôi không phải điều chỉnh nồng độ kiềm và bổ sung thêm nguồn chất hữu cơ bên ngoài cho quá trình xử lý sinh học. Ngoài ra, toàn bộ bùn được lưu giữ trong quá trình 5 tháng vận hành.

Các kết quả nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý của hệ thống AO-MBR tốt hơn so với các công nghệ hiện đang áp dụng như bể phản ứng sinh học theo mẻ (SBR), công nghệ xử lý sinh học trong điều kiện kỵ khí-thiếu khí-hiếu khí (A2O) đang được triển khai áp dụng để xử lý nước thải ở Hà Nội. Ngoài ra, một điểm mạnh của công nghệ này là không cần thiết phải bổ sung hóa chất điều chỉnh hàm lượng kiềm và hàm lượng chất hữu cơ, cũng như các hóa chất trợ keo tụ như PAC, giảm chi phí vận hành của dây chuyền xử lý.

Công nghệ xử lý nước thải AO kết hợp với màng vi lọc đặt ngập 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 thử nghiệm xử lý nước thải Kim Liên trên hệ thống AO-MBR hợp khối quy mô Q=3 m3/ngày.

Mục đích nghiên cứu:

– Xác định các thông số thiết kế và vận hành hệ thống XLNT sinh hoạt khu vực đô thị bằng công nghệ MBR;

– So sánh hiệu quả xử lý nước thải và các các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác giữa công nghệ XLNT bằng MBR và các công nghệ truyền thống khác đang triển khai tại Kim Liên;

– Đánh giá khả năng tái sử dụng nước thải sau khi xử lý bằng công nghệ MBR.

Mô hình AO-MBR quy mô nhỏ (3 m^3­/ngày) được đặt ở nhà máy xử lý nước thải Kim Liên, có các bộ phận: Ngăn thiếu khí (anoxic) có dung tích hữu dụng 800 lít, ngăn hiếu khí (oxic) có dung tích hữu dụng 500 lít, kiện màng vi lọc dạng tấm (10 tấm loại KUBOTA510), bơm hút nước thải qua màng, bơm tuần hoàn bùn, máy thổi khí, bình đựng chất khử trùng dạng rắn (NaOCl₂). Toàn bộ các ngăn của hệ thống XLNT được cấu tạo hợp khối trong 1 bể FRP (vật liệu composite). Nước thải đầu vào của mô hình được lấy từ bể điều hòa của nhà máy.

Mô hình nghiên cứu tại hiện trường AO-MBR, Q=3 m3/ngày

Nội dung nghiên cứu:

– Nghiên cứu sự hình thành và phát triển sinh khối bùn (thông qua hàm lượng chất rắn lơ lửng TSS và chỉ số MLSS) trong các ngăn bể hiếu khí (MBR) và thiếu khí của mô hình;

– Nghiên cứu xác định hiệu quả xử lý nước thải trong điều kiện làm việc bình thường của mô hình thử nghiệm;

– Xác định thời gian hoạt động của màng lọc và chu kỳ tắc màng lọc;

– Đánh giá hiệu quả XLNT theo các chỉ tiêu hữu cơ (BOD/COD), nitơ (TN), coliform của quá trình XLNT trên mô hình với các công trình hiện có của nhà máy XLNT Kim Liên.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện từ tháng 6 năm 2011 đến nay (tháng 12 năm 2012).

Nghiên cứu sự hình thành bùn trong các ngăn của mô hình XLNT thấy rằng: Sau 40 ngày, khi lưu lượng bùn tuần hoàn được điều chỉnh tăng lên thì hàm lượng MLSS cũng tăng theo và ổn định ở mức 3.500-5.000 mg/L vào cuối giai đoạn 3 (ngày thứ 60). Lượng bùn tiếp tục tăng cao khi lưu lượng nước thải đầu vào và lưu lượng bùn tuần hoàn tăng thêm. Ở giai đoạn này, MLSS đạt giá trị cao nhất 5.400 mg/L. Trong khi giá trị MLSS trong bể hiếu khí dao động tỷ lệ với sự thay đổi về HRT và tỷ lệ bùn tuần hoàn, hàm lượng MLSS trong bể phản ứng yếm khí ổn định trong khoảng 1.000-1.500mg/L trong suốt thời gian vận hành mô hình. Giá trị F/M trong nghiên cứu này phù hợp với các nghiên cứu về xử lý nước thải bằng hệ bùn hoạt tính cho quá trình nitrat hóa.

Nghiên cứu hiệu quả XLNT trên mô hình thấy rằng: Nước thải Kim Liên có hàm lượng hữu cơ thấp và COD sau khi xử lý luôn đảm bảo theo cột A – QCVN14:2008/BTNMT. Sau ngày thứ 20, hiệu suất xử lý Amôni rất ổn định và khá cao (hơn 96%). Hầu hết đều <5mg/l. Hiệu suất xử lý Nitơ (Nitơ tổng số) cũng rất cao và tăng khi tỷ lệ bùn tuần hoàn tăng. Hiệu quả xử lý theo chỉ tiêu TP dao động từ 30 đến 65%. Trong giai đoạn đầu hoạt động, hiệu quả xử lý thấp (khoảng 30 đến 40%). Sau thời gian hệ thống hoạt động ổn định (trên 30 ngày), hiệu suất xử lý theo TP đạt trên 60%.

Khả năng tắc màng được đánh giá bằng độ giảm sụt lưu lượng nước qua màng khi áp lực bơm hút nước qua màng không thay đổi (20 kPa). Sau khi hoạt động lưu lượng nước lọc qua màng tăng lên và đến ngày thứ 18 lưu lượng này tương đối ổn định ở mức 23 đến 25 L/h.m². Đến ngày tứ 140 đã bắt đầu thấy xu thế giảm lượng nước qua màng. Đến ngày thứ 190, lưu lượng nước lọc qua màng giảm xuống còn 10 L/h.m². Thời gian tắc màng khoảng 20 ngày. Tuy nhiên tùy từng loại nước thải khác nhau thì thời gian này cũng khác nhau. Tiến hành cho bể ngừng hoạt động và lấy màng ra rửa bằng phương pháp cơ học, ngâm trong nước NaOCl dung dịch 0,6%. Bơm hút nước qua màng với lưu lượng tăng lên từ 10 L/h.m² đến 25L/h.m².

Tổng hợp các số liệu và kết quả nghiên cứu về hiệu quả xử lý nước thải của mô hình và của nhà máy Kim Liên được trình bày trong Bảng dưới đây.

So sánh các thông số nước thải đầu ra của trạm Kim Liên và mô hình thử nghiệm. Nguồn: Kết quả phân tích do Viện Khoa học và Kỹ thuật môi trường thực hiện ngày 12 tháng 8 năm 2012

Các thông số đầu ra của mô hình nghiên cứu đều thấp hơn giá trị đầu ra của trạm XLNT Kim Liên. Ngoài ra, số lượng coliform của nước thải sau khi xử lý qua màng MBR được giảm đáng kể, đảm bảo tiêu chuẩn về phương diện vi sinh vật khi xả ra nguồn nước mặt loại A. Như vậy, khả năng xử lí nước thải của mô hình tốt hơn khả năng xử lí của trạm Kim Liên. Ngoài ra, các chỉ tiêu chất lượng nước thải sinh hoạt Kim Liên sau xử lý theo mô hình AO-MBR có giá trị thấp hơn mức B1 của QCVN 08:2008/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt cho mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước thấp hơn.

Nghiên cứu thử nghiệm (pilot) XLNT sinh hoạt có MBR trên mô hình hiện trường Q=5 m³/ngày.

Với mục đích xác định các thông số thiết kế và chế tạo hệ thống AO-MBR để xử lý nước thải sinh hoạt hàm lượng hữu cơ thấp đáp ứng mục đích tái sử dụng, triển khai nghiên cứu với nguồn nước thải sinh hoạt tại nhà máy XLNT Kim Liên.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO-MBR công suất 5m3/ngày

Chế độ vận hành của mô hình thí nghiệm được thay đổi để tìm ra giá trị vận hành tối ưu, đem lại hiệu quả xử lý cao nhất. Mô hình được vận hành trong thời gian từ tháng 9/2011 đến tháng 11/2012 trong suốt 220 ngày có nhiệt độ không khí dao động từ 17-33^oC, nhiệt độ trung bình 26 ^oC. Giá trị oxy hòa tan DO đo được trong bể thiếu khí dao động từ 0,1-0,7mg/L trong suốt thời kỳ vận hành cho thấy môi trường thiếu khí ổn định trong bể. Ở ngăn hiếu khí, giá trị DO trong khoảng từ 1,7-4,5 mg/L, đảm bảo điều kiện cho các quá trình oxy hóa chất hữu cơ và nitrat hóa diễn ra. Mô hình được vận hành với thời gian lưu nước (HRT) và tỷ lệ tuần hoàn từ bể hiếu khí sang bể thiếu khí khác nhau. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ COD, chất dinh dưỡng N, P đạt hiệu quả cao, trên 90% đối với COD và 96% đối với N. Hiệu quả này đạt được ở thời gian lưu nước hệ thống (bao gồm bể hiếu khí và thiếu khí) dao động trong khoảng 4,5-9h, trong đó thời gian lưu nước bể hiếu khí khoảng 2,5-5h và nồng độ MLSS trong bể sinh học dao động trong khoảng 4000-6000 mg/L ở ngăn hiếu khí và xấp xỉ 3000-4000 mg/L ở ngăn thiếu khí. Mô hình được vận hành ở chế độ lưu bùn hoàn toàn trong thời gian hoạt động.

Mô hình pilot AO-MBR công suất 5m3/ngày.

Với nồng độ hữu cơ trong nước thải sinh hoạt thấp, nồng độ bùn MLSS trong bể hiếu khi ổn định hơn, dao động trong khoảng 2500mg/L -3200mg/L (nồng độ MLSS ban đầu là 3000 mg/L). Nồng độ bùn ở cả hai bể khá ổn định cuối thời kỳ vận hành và thấp hơn (MLSS trong bể thiếu khí đạt 3240mg/L và trong bể hiếu khí đạt 4700mg/L). Nồng độ bùn không cao là lợi thế vì sẽ hạn chế vấn đề tắc màng, và giảm nhu cầu tiêu thụ năng lượng. Sự thay đổi F/M trong thời gian vận hành hệ thống cũng cho thấy : Sau ngày thứ 60, giá trị F/M ổn định trong khoảng 0.2 kg COD/kgMLVSS.

Việc sử dụng màng lọc (màng sợi rỗng) trong công trình xử lý sinh học cho phép thời gian lưu nước (HRT) được độc lập với thời gian lưu bùn (SRT), do đó sinh khối bùn được lưu lại trong hệ thống ở mức cao. Ngăn thiếu khí nồng độ bùn MLSS ổn định ở mức 2800-3200mg/L. Ở ngăn hiếu khí nồng độ bùn tăng dần và ổn định ở mức 4500-5000mg/L.

Kết quả vận hành mô hình pilot AO-MBR cho thấy có hiệu quả xử lý tốt đối với cả chất hữu cơ (BOD, COD), chất dinh dưỡng (N) và chất rắn lơ lửng. Hiệu quả xử lý của mô hình được nêu trong Bảng:

Hiệu quả xử lý là chất lượng nước thải đầu ra của mô hình AO-MBR.

Sau quá trình xử lý, hàm lượng chất hữu cơ (COD) trong nước thải sau xử lý nhỏ hơn 30 mg/L. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ này chủ yếu diễn ra trong ngăn hiếu khí và một phần nhỏ trong ngăn thiếu khí.

Công nghệ AO-MBR có thể tạo ra môi trường tối ưu cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Quá trình nitrat hóa được thực hiện ở ngăn hiếu khí với nồng độ oxy hòa tan (DO) lớn hơn 2 mg/L. Quá trình khử nitrat được diễn ra trong ngăn thiếu khí, nồng độ oxy hòa tan dao động từ 0-0, 5 mg/L. Hiệu suất xử lý Nito (Amoni, Nito tổng) tăng khi tỷ lệ tuần hoàn từ ngăn hiếu khí vào ngăn thiếu khí tăng. Ở mô hình Pilot trong nghiên cứu này, hiệu quả Nitơ đạt từ 60-80% mg/L với tỷ lệ nước tuần hoàn là 2 (200% lưu lượng nước thải đầu vào).

So sánh hiệu quả xử lý của AO-MBR hiếu khí với một số công nghệ xử lý nước thải đô thị khác thấy rằng: Độ kiềm của nước thải đầu vào dao động trong khoảng 200-250mg CaCO₃/L và trong nước sau xử lý luôn lớn hơn 80 mg/L, chứng tỏ lượng kiềm trong nước đủ cho quá trình xử lý nitrat hóa và khử nitơ trong bể phản ứng sinh học AO. Mô hình không xả bùn, toàn bộ bùn được vẫn được giữ trong hệ thống xử lý tuy nhiên chất lượng nước sau xử lý vẫn rất tốt và ổn định, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải ra nguồn loại A (QCVN 14:2008/BTNMT). Các kết quả trên cho thấy hiệu suất xử lý tốt hơn so với các công nghệ hiện đang áp dụng như bể phản ứng sinh học theo mẻ (SBR), công nghệ xử lý sinh học trong điều kiện yếm khí- thiếu khí-hiếu khí (A2O) đang được triển khai áp dụng để xử lý nước thải đô thị và công nghiệp.

Ngoài ra, một điểm mạnh của công nghệ này là không cần thiết phải bổ sung hóa chất điều chỉnh hàm lượng kiềm và hàm lượng chất hữu cơ, cũng như các hóa chất trợ keo tụ như PAC, giúp giảm chi phí vận hành của dây chuyền xử lý.

Theo ước tính trên mô hình pilot 5 m³/ngày, thì chi phí đầu tư của công nghệ là 100.500.000 VNĐ và chi phí vận hành là 4.700 VND/m³ nước thải. Nước thải đầu ra có chất lượng như bảng 5 có thể sử dụng cho các mục đích trong trạm XLNT (rửa máy ép bùn, dập mùi, tưới cây, rửa đường, dội toalet, rửa sàn,…).

HỒNG PHƯƠNG

*Trích đăng Báo cáo tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI QUY MÔ NHỎ BẲNG CÔNG NGHỆ MBR (Membrane Bioreactor)” Thuộc Đề án Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025
Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Xây Dựng
Chủ nhiệm đề tài: GS. TSKH Trần Hữu Uyển/ PGS.TS Trần Đức Hạ