Nghiên cứu đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) kết hợp thu hồi năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ


BÙI HỒNG HÀ

NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ
VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CƠNG NGHỆ MÀNG SINH
HỌC KỴ KHÍ (AnMBR) KẾT HỢP THU HỒI NĂNG LƯỢNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. Hồ Chí Minh – 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ


BÙI HỒNG HÀ

NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ
VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CƠNG NGHỆ MÀNG KỴ KHÍ
(AnMBR) KẾT HỢP THU HỒI NĂNG LƯỢNG
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 9520320

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS Nguyễn Phước Dân
2. TS Nguyễn Thế Tiến

TP. Hồ Chí Minh - 2023


i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan, đây là cơng trình nghiên cứu của riêng
tôi. Các kết quả và số liệu trình bày trong luận án là hồn tồn
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.
TP.HCM, ngày tháng năm 2023
Tác giả luận án

Bùi Hồng Hà


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Nhiệt đới môi trường/
Viện Khoa học và Cơng nghệ qn sự. Trong q trình thực hiện, tơi đã nhận
được sự giúp đỡ quí báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp,
bạn bè và gia đình.
Nghiên cứu sinh bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS. Nguyễn
Phước Dân và TS. Nguyễn Thế Tiến, đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ, động viên,
khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận án
này.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và

Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Ban Chỉ huy Viện
Nhiệt đới môi trường đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các cán bộ đã và đang cơng tác
tại Phịng Nghiên cứu mơi trường Khơng khí & Chất thải rắn đã có nhiều ý kiến
đóng góp, giúp đỡ, động viên, khích lệ trong quá trình thực hiện nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô, các nhà khoa học, các
đồng nghiệp, đang cơng tác trong và ngồi qn đội, đã hỗ trợ tôi trong thời
gian học tập và thực hiện luận án.
Sau cùng, xin bày tỏ lời tri ân sâu sắc, tới bố, mẹ, gia đình và bạn bè đã
ln bên cạnh ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Trân trọng
Bùi Hồng Hà


iii
MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... xiii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 8
1.1. Chất thải sinh hoạt và các phương pháp xử lý .......................................... 8
1.1.1. Chất thải rắn sinh hoạt ............................................................................. 8
1.1.2. Nước thải sinh hoạt ................................................................................ 11
1.2. Công nghệ đồng phân hủy ...................................................................... 14
1.2.1. Quá trình phân hủy kỵ khí ..................................................................... 14
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng ............................................................................ 16
1.2.3. Các công nghệ đồng phân hủy ............................................................... 20

1.2.4. Nhận xét chung ...................................................................................... 25
1.3. Công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR) .................................... 26
1.3.1. Cơng nghệ màng MBR sinh học............................................................ 26
1.3.2. Các loại màng lọc .................................................................................. 28
1.3.3. Nhận xét chung ...................................................................................... 39
1.4. Một số nghiên cứu về công nghệ đồng phân hủy kết hợp màng lọc kỵ khí
................................................................................................... 40
1.4.1. Nghiên cứu trong nước .......................................................................... 40
1.4.2. Nghiên cứu ngoài nước .......................................................................... 41
1.5. Tình hình xử lý chất thải sinh hoạt tại các đơn vị quân đội đóng quân độc
lập

................................................................................................... 42

1.6. Đánh giá chung ....................................................................................... 44
Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 46


iv
2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................. 46
2.1.1. Nước thải sinh hoạt ................................................................................ 46
2.1.2. Chất thải rắn hữu cơ............................................................................... 48
2.1.3. Hỗn hợp chất thải phối trộn ................................................................... 49
2.1.4. Bùn hoạt tính kỵ khí .............................................................................. 50
2.1.5. Vật liệu mơ hình .................................................................................... 50
2.1.6. Thiết bị đo và thiết bị phân tích ............................................................. 57
2.2. Phương pháp nghiên cứu......................................................................... 59
2.2.1. Phương pháp điều tra khảo sát điển hình và xác định tỉ lệ phát thải ..... 59
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .................................................. 59
2.2.3. Phương pháp lấy mẫu ............................................................................ 68

2.2.4. Phương pháp đo các chỉ tiêu .................................................................. 71
2.2.5. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ....................................................... 71
2.2.6. Phương pháp xác định các thông số động học của quá trình ................ 72
2.2.7. Phương pháp đo trở lực màng ............................................................... 74
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 77
3.1. Kết quả khảo sát tại các đơn vị đóng qn độc lập................................. 77
3.1.1. Tình hình phát sinh chất thải ................................................................. 77
3.1.2. Tỉ lệ phát thải ......................................................................................... 78
3.2. CSTR-AnMBR quy mơ phịng thí nghiệm – TN1.................................. 80
3.2.1. Ảnh hưởng của SRT – TN1.1 ................................................................ 80
3.2.2. Ảnh hưởng của HRT – TN1.2 ............................................................... 95
3.3. UASB-AnMBR quy mơ phịng thí nghiệm – TN2 ............................... 101
3.3.1. Ảnh hưởng của HRT – TN2 ................................................................ 101
3.3.2. Đánh giá bẩn màng .............................................................................. 108
3.4. CSTR-ANMBR quy mơ Pilot – TN3.................................................... 114
3.4.1. Tính tốn, thiết kế mơ hình – TN3 ...................................................... 114
3.4.2. Đánh giá hiệu quả đồng phân hủy – TN3 ............................................ 114


v
KẾT LUẬN ................................................................................................... 119
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 125
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 141
PHỤ LỤC 1: HÌNH ẢNH CÁC THÍ NGHIỆM ............................................ P.1
PHỤ LỤC 2: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM.......................................................... P.8
PHỤ LỤC 3: BẢN VẼ CÁC MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ............................ P.44


vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
∆P

: Áp suất chuyển màng [Pa]

µ

: Độ nhớt theo nhiệt độ [Pa.s]

J

: Thông lượng lọc [m3/m3.giờ, L/m2.giờ]

k

: Hệ số sử dụng cơ chất tối đa [mg/mg.ngày]

kd

: Hệ số phân hủy nội bào [mgVSS/mgVSS.ngày]

KS

: Hằng số bán tốc độ

NT

: Lượng nước thải sinh hoạt phát sinh [m3/người.ngày]

pH

: Chỉ số đo độ hoạt động của ion H+

Q

: Lưu lượng dòng thấm [L/giờ]

Qb

: Lượng bùn rút ra hàng ngày [m3/ngày, L/ngày]

Qn

: Lưu lượng nước thải sinh hoạt [m3/ngày, L/ngày]

Qr

: Khối lượng rác thải được xử lý [kgướt/ngày, gướt/ngày]

Ra

: Trở lực do chất bẩn chui vào lỗ màng

Rc

: Trở lực do lớp bẩn bám bên ngoài màng

Rm

: Trở lực bẩn thân màng

rsu

: Tốc độ tiêu thụ cơ chất tối đa [mg/L.giờ]

RT

: Khối lượng rác thải phát sinh [kg/người.ngày]

Rt

: Tổng trở lực màng

S

: Diện tích màng lọc [m2]

S0

: Nồng độ cơ chất trước phản ứng [mg/L]

Se

: Nồng độ cơ chất sau phản ứng [mg/L]

t

: Nhiệt độ [oC]

TL

: Tỉ lệ phát thải [kg/m3, g/L]

U

: Tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa [mgCOD/mgVSS.ngày]

V

: Thể tích [m3, L]

X

: Nồng độ sinh khối trong bể [mg/L]


vii
Xe

: Nồng độ bùn đầu ra [mg/L]

Y

: Hệ số sản lượng sinh khối [mgVSS/mgCOD]

θ

: Thời gian lưu nước [giờ]

θc

: Thời gian lưu bùn [ngày]

AcD

: Đồng phân hủy kỵ khí (Anaerobic co-Digestion)

AD

: Phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion)

AeMBR

: Bể màng sinh học hiếu khí (Aerobic Membrane Bioreactor)

AnMBR

: Bể màng sinh học kỵ khí (Anaerobic Membrane Bioreactor)

BMP

: Tiềm năng sinh khí mê tan (Biological methane potential)

BOD

: Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)

BTNMT

: Bộ Tài nguyên môi trường

BVMT

: Bảo vệ môi trường

BW

: Nước thải đen (Black wastewater)

C/N

: Tỉ lệ ni tơ trên phốt pho

CD

: Phân bò (Cow dung)

CIP

: Ciprofloxacin

CM

: Phân gà (Chicken manure)

COD

: Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

CTR

: Chất thải rắn

CTRSH

: Chất thải rắn sinh hoạt

CSTRs

: Bể phản ứng xáo trộn liên tục (Continuous Stirred Tank
Reactors)

DM

: Phân bò sữa (Dairy manure)

DMF

: N, N-dimethylformamide

DS

: Vỏ sầu riêng (Durian shell)

EPS

: Các chất polymer ngoại bào (Extracellular Polymeric
Substances)

viii
FO-AnMBR

: Hệ thống màng kỵ khí sử dụng thẩm thấu thuận (Forward
Osmosis Anaerobic Membrane Bioreactor)

FW

: Chất thải thực phẩm (Food waste)

G-AnMBR

: Hệ thống màng kỵ khí sử dụng bùn hoạt tính dạng hạt
(Granular Anaerobic Membrane Bioreactor)

GAC

: Than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon)

GG

: Cỏ vườn (Garden grass)

GW

: Chất thải xanh (Green waste)

HH

: Hemicelluloses

HRT

: Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time)

KW

: Chất thải nhà bếp (Kitchen waste)

LCA

: Phân tích vịng đời (Life cycle analysis)

MBR

: Cơng nghệ màng lọc sinh học (Membrane Bio-Reactor)

MEC-

: Hệ thống màng kỵ khí sử dụng màng điện phân (Microbial

AnMBR

Electrolysis Cell-Anaerobic Membrane Bioreactor)

MLSS

: Hàm lượng sinh khối (Mixed Liquor Suspended Solids)

MF

: Màng vi lọc (Microfiltration)

MOWFAST

: Quản lý chất thải hữu cơ đô thị bằng cách kết hợp xử lý chất
thải thực phẩn và hệ thống xử lý nước thải (Municipal
Organic Waste management by combined Food waste
disposal and Sewage Treatment)

NF

: Màng lọc nano (Nanofiltration)

NTSH

: Nước thải sinh hoạt

OLR

: Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate)

PD

: Phân lợn (Pig dung)

PVDF

: Polyvinylidene fluoride

QCVN

: Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam


ix
RO

: Màng lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis)

RS

: Bùn dư (Residual sludge)

SAnMBR

: Bể màng sinh học kỵ khí nhúng chìm (Submerged Anaerobic
Membrane Bioreactor)

SBFA

: Tro bay từ bã mía (Sugarcane bagasse fly ash)

sCOD

: Nhu cầu oxy hóa học hịa tan (Soluble Chemical Oxygen
Demand)

SM

: Phân cừu (Sheep manure)

SMP

: Sản phẩm sinh học hòa tan (Soluble microbial products)

SRB

: Vi sinh vật khử sun phát (Sulfate reducing bacteria)

SRT

: Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time)

tCOD

: Nhu cầu oxy hóa học tổng cộng (Total Chemical Oxygen
Demand)

TIPS

: Tách pha cảm ứng nhiệt(Thermally induced phase
separation)

TKN

: Tổng Ni tơ Kjeldahl (Total Kjeldahl Nitrogen)

TMP

: Áp suất chuyển màng (Trans-membrane Pressure)

TP.HCM

: Thành phố Hồ Chí Minh

TP

: Tổng phốt pho (Total Phospho)

T-N

: Tổng Ni tơ (Total Nitrogen)

TS

: Tổng hàm lượng chất rắn (Total Solids)

TSS

: Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solids)

UASB

: Bể kỵ khí dịng chảy ngược qua tầng bùn (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket)

UF

: Màng siêu lọc (Ultrafiltration)

UWW

: Nước thải đô thị (Urban wastewater)

VFAs

: Các acid béo hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Fatty Acids)


x
VLR

: Tải trọng thể tích (Volumetric Loading Rate)

VS

: Chất rắn bay hơi (Volatile Solids)

WAS

: Q trình bùn hoạt tính (Waste activated sludge)

WS

: Rơm lúa mì (Wheat straw)

XLNT

: Xử lý nước thải

YE

: Yeast extract


xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Thành phần CTRSH tại một số địa phương ...................................... 9
Bảng 1.2 Khối lượng CTRSH được xử lý theo các phương pháp .................. 10
Bảng 1.3 Thành phần của phân và nước tiểu .................................................. 11
Bảng 1.4 Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt ....................................... 12
Bảng 1.5 Nồng độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại ................ 12
Bảng 1.6 Thông số các loại màng lọc ............................................................. 28
Bảng 1.7 Khả năng xử lý của các loại màng ................................................... 30
Bảng 1.8 Lượng phát thải tại một số đơn vị đóng quân độc lập ..................... 43
Bảng 2.1 Tính chất của nước thải sinh hoạt đầu vào ...................................... 48
Bảng 2.2. Thành phần, tính chất hỗn hợp nước và rác thải ............................ 49
Bảng 2.3 Kích thước bể kỵ khí xáo trộn hồn tồn ........................................ 51
Bảng 2.4 Kích thước bể màng kỵ khí ............................................................. 52
Bảng 2.5 Kích thước bể UASB ....................................................................... 54
Bảng 2.6 Kích thước bể màng kỵ khí ............................................................. 55
Bảng 2.7 Kích thước bể kỵ khí xóa trộn hồn tồn quy mơ pilot ................... 55
Bảng 2.8 Kích thước bể màng kỵ khí quy mơ pilot ........................................ 56
Bảng 2.9 Thiết bị đo các chỉ tiêu .................................................................... 58
Bảng 2.10 Thơng số thiết kế bình marriot ...................................................... 58
Bảng 2.11 Thơng số vận hành CSTR-AnMBR quy mô PTN (SRT) – TN1.1 62
Bảng 2.12 Thông số vận hành CSTR-AnMBR quy mô PTN (HRT) – TN1.2
......................................................................................................................... 63

Bảng 2.13 Thông số vận hành UASB-AnMBR (HRT) – TN2....................... 65
Bảng 2.14 Thông số vận hành CSTR-AnMBR quy mô Pilot – TN3 ............. 67
Bảng 2.15 Phương pháp lấy mẫu chất thải cho TN1, TN2 ............................. 68
Bảng 2.16 Phương pháp lấy mẫu chất thải cho TN3 ...................................... 70
Bảng 2.17 Phương pháp đo các chỉ tiêu .......................................................... 71


xii
Bảng 2.18 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ............................................... 71
Bảng 2.19 Các biến số của 2 phương trình động học ..................................... 74
Bảng 3.1 Kết quả từ thí nghiệm TN1.1 với các thời gian lưu bùn khác nhau 90
Bảng 3.2 Kết quả tính tốn tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng tối đa...................... 91
Bảng 3.3 Các biến số của 2 phương trình động học ....................................... 92
Bảng 3.4 Bảng tính các giá trị x, y cho phương trình (2.6) ............................ 92
Bảng 3.5 Bảng tính các giá trị x, y cho phương trình (2.7) ............................ 93
Bảng 3.6 Tóm tắt các thơng số động học đã tính tốn .................................... 94


xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Sơ đồ q trình phân hủy kỵ khí ...................................................... 15
Hình 1.2 Bể xáo trộn hồn tồn ...................................................................... 22
Hình 1.3 Bể dịng chảy ngược qua đệm bùn ................................................... 23
Hình 1.4 Mơ tả ngun lý hoạt động của màng lọc ........................................ 26
Hình 1.5 Bể phản ứng kỵ khí sử dụng màng đặt ngồi................................... 33
Hình 1.6 Bể phản ứng kỵ khí sử dụng màng nhúng chìm .............................. 33
Hình 1.7 Bể phản ứng kỵ khí kết hợp bể chứa màng riêng ............................ 34
Hình 2.1 Quy trình nghiên cứu và thực nghiệm ............................................. 47
Hình 2.2 Cấu tạo bể kỵ khí xáo trộn hồn tồn .............................................. 51

Hình 2.3 Cấu tạo bể màng kỵ khí.................................................................... 52
Hình 2.4 Cấu tạo bể UASB ............................................................................. 53
Hình 2.5 Cấu tạo bể UASB ............................................................................. 54
Hình 2.6 Cấu tạo bể kỵ khí xáo trộn hồn tồn quy mơ pilot ......................... 56
Hình 2.7. Cấu tạo bể chứa màng kỵ khí quy mơ pilot .................................... 57
Hình 2.8 Cấu tạo bình Marriott thu khí sinh học ............................................ 58
Hình 2.9 Sơ đồ mơ hình CSTR-AnMBR quy mơ PTN .................................. 61
Hình 2.10 Sơ đồ mơ hình UASB-AnMBR quy mơ PTN ............................... 64
Hình 2.11 Sơ đồ mơ hình CSTR-AnMBR quy mơ Pilot – TN3 ..................... 66
Hình 3.1 Sự biến thiên nhiệt độ - TN1.1 ......................................................... 80
Hình 3.2 Sự biến thiên pH (a), nồng độ VFAs (b), độ kiềm (c) - TN1.1 ....... 81
Hình 3.3 Sự biến thiên tỉ lệ VFA/Alk – TN1.1 ............................................... 82
Hình 3.4 Sự biến thiên COD tại các SRT khác nhau – TN1.1 ....................... 83
Hình 3.5 Hiệu quả xử lý COD tại các SRT khác nhau – TN1.1 ..................... 84
Hình 3.6 Giá trị COD trung bình – TN1.1 ...................................................... 84
Hình 3.7 Sự biến thiên T-N tại các SRT khác nhau – TN1.1 ......................... 85
Hình 3.8 Giá trị T-N trung bình – TN1.1 ........................................................ 86


xiv
Hình 3.9 Sự biến thiên T-P tại các SRT khác nhau – TN1.1 .......................... 87
Hình 3.10 Giá trị T-P trung bình – TN1.1 ...................................................... 87
Hình 3.11 Khả năng xử lý dinh dưỡng – TN1.1 ............................................. 88
Hình 3.12 Khả năng thu hồi khí sinh học – TN1.1 ......................................... 89
Hình 3.13 Sự biến thiên của 1/U theo 1/S....................................................... 93
Hình 3.14 Sự biến thiên của 1/SRT theo U..................................................... 94
Hình 3.15 Sự biến thiên pH – TN1.2 .............................................................. 95
Hình 3.16 Hiệu quả xử lý COD tại các HRT khác nhau – TN1.2 .................. 96
Hình 3.17 Giá trị COD trung bình – TN1.2 .................................................... 97
Hình 3.18 Sự biến thiên T-N tại các HRT khác nhau – TN1.2....................... 98

Hình 3.19 Giá trị T-N trung bình – TN1.2 ...................................................... 98
Hình 3.20 Sự biến thiên T-P tại các HRT khác nhau – TN1.2 ....................... 98
Hình 3.21 Giá trị T-P trung bình – TN1.2 ...................................................... 99
Hình 3.22 Khả năng xử lý dinh dưỡng – TN1.2 ............................................. 99
Hình 3.23. Khả năng thu hồi khí sinh học – TN1.2 ...................................... 100
Hình 3.24 Sự biến thiên pH – TN2 ............................................................... 101
Hình 3.25 Sự biến thiên COD tại các HRT khác nhau – TN2 ...................... 102
Hình 3.26 Giá trị COD trung bình – TN2 ..................................................... 102
Hình 3.27 Sự biến thiên T-N tại các HRT khác nhau – TN2........................ 103
Hình 3.28 Giá trị T-N trung bình – TN2 ....................................................... 103
Hình 3.29 Sự biến thiên T-P tại các HRT khác nhau – TN2 ........................ 104
Hình 3.30 Giá trị T-P trung bình – TN2 ....................................................... 104
Hình 3.31. Khả năng xử lý dinh dưỡng – TN2 ............................................. 105
Hình 3.32 Khả năng thu hồi khí sinh học – TN2 .......................................... 106
Hình 3.33 Biến thiên áp suất lọc màng tại chế độ 6 qua thời gian ............... 109
Hình 3.34 Biến thiên áp suất lọc màng tại chế độ 1,2,3,4,5 qua thời gian ... 109
Hình 3.35 So sánh chu kỳ hoạt động màng lọc UF ứng với mơ hình UASBAnMBR và CSTR-AnMBR .......................................................................... 110


xv
Hình 3.36 Hiệu quả xử lý TSS – TN1.2 – TN2 ............................................ 110
Hình 3.37 Giá trị thành phần các trở lực màng ............................................. 112
Hình 3.38 Phân bố thành phần trở lực màng ................................................ 112
Hình 3.39 Sự biến thiên pH – TN3 ............................................................... 115
Hình 3.40 Hiệu quả xử lý COD – TN3 ......................................................... 116
Hình 3.41 Sự biến thiên T-N – TN3 ............................................................. 116
Hình 3.42 Sự biến thiên T-P – TN3 .............................................................. 117
Hình 3.43 Khả năng thu hồi khí sinh học - TN3 ........................................... 118

1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Hiện nay, đa số các đô thị tại các quốc gia phát triển đều đầu tư các nhà
máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung quy mô lớn sử dụng phương pháp sinh
học hiếu khí để loại bỏ thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhằm tạo ra chất
lượng nước phù hợp để xả thải vào nguồn tiếp nhận. Phương pháp này được
xem là không bền vững do một lượng lớn năng lượng và chất dinh dưỡng sẵn
có trong nước thải bị mất đi qua các quá trình xử lý. Hơn nữa, công nghệ xử lý
nước thải sử dụng quá trình sinh học hiếu khí tiêu thụ một lượng lớn nguồn
năng lượng bên ngoài (cụ thể là điện năng) để vận hành và xử lý nước thải, từ
đó làm gia tăng chi phí xử lý nước thải [33].
Ngồi nguồn nước thải sinh hoạt cần xử lý thì những dịng chất thải
khác như chất thải rắn hữu cơ phát sinh từ hoạt động sinh hoạt của con người
như rác nhà bếp, rác sân vườn, rác chợ,…là nguồn chất thải cần quan tâm xử
lý. Việc phân hủy kỵ khí các thành phần hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt đã
được chứng minh là một biện pháp ít tốn chi phí, bền vững và có thể sản sinh
nguồn năng lượng sinh học thân thiện mơi trường. Bên cạnh đó, cơng nghệ
phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ nhà bếp cũng được chứng minh là dễ vận
hành ở các nước châu Á, đặc biệt các vùng có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam
[64]. Tuy phương pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt kỵ khí bằng chơn lấp có
thể thu hồi khí sinh học nhưng dẫn đến tổn thất tiềm năng thu hồi năng lượng
tái tạo cao hơn từ chất thải sinh hoạt và gây ra các vấn đề môi trường nghiêm
trọng, như mùi khó chịu, ơ nhiễm nước rị rỉ từ bãi rác, thời gian phân hủy dài,
tốn diện tích chơn lấp và hiệu quả thu hồi năng lượng khơng cao, thất thốt
nhiều. Chính vì vậy, cần có một phương pháp xử lý phù hợp, làm tăng hiệu quả
xử lý chất ô nhiễm này hướng tới thu hồi được nguồn năng lượng từ khí sinh
học.
Đồng phân hủy nước thải và phần hữu cơ của rác thải là một cách tiếp

2
cận thiết thực cho các hệ thống quản lý chất thải phân tán ở các khu vực bán đô
thị và nơng thơn, nơi khơng có hệ thống thu gom chất thải rắn đô thị hoặc nước
thải sinh hoạt tập trung. Hơn nữa, đồng xử lý có thể giảm thiểu đáng áp lực
chôn lấp rác thải của các bãi chôn lấp chất thải và tối đa hóa thu hồi năng lượng
từ nước thải. Vì thế, từ năm 2007, các nghiên cứu đồng phân hủy nước thải và
chất thải hữu cơ được tập trung nghiên cứu bởi các học giả khắp nơi trên thế
giới. Phương pháp đồng phần hủy có thể nâng cao hiệu quả xử lý và thu hồi
được năng lượng, điển hình như: Xử lý kỵ khí của hỗn hợp nước đen và chất
thải hữu cơ ứng dụng phân hủy hai pha kết hợp bể tự hoại và UASB [95]. Trong
một nghiên cứu khác, chất thải nhà bếp được thêm vào để xử lý nước thải đen,
làm tăng gấp đôi lượng khí sinh học. Sau khi xử lý, nước thải được thu hồi phốt
pho và loại bỏ COD, ni tơ [92]. Ngồi ra, cịn có các nghiên cứu đồng phân hủy
nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ như: nghiên cứu của Zeeman G [41],
nghiên cứu của Guneet Kaur [42], nghiên cứu của Loustarinen [96], ... Tuy
nhiên, nhược điểm của phương pháp đồng phân hủy là chất lượng nước đầu ra
còn thấp và hiệu quả thu hồi năng lượng sinh học chưa cao.
Từ năm 2013 đến nay, các công nghệ xử lý nước thải mới, tiên tiến
được quan tâm nhiều hơn hướng tới thu hồi năng lượng và tái sử dụng nước
thải sau xử lý. Công nghệ bể phản ứng sinh học màng kỵ khí (AnMBR Anaerobic Membrane Bioreactor) đang được xem là một lựa chọn tốt trong xử
lý nước thải do những ưu điểm vượt trội so với xử lý kỵ khí thơng thường và
cơng nghệ bể phản ứng sinh học màng hiếu khí. Vì thế, các nhà khoa học đã
khẳng định, so với bùn hoạt tính thơng thường và bãi chơn lấp hoặc ủ phân hiếu
khí, đồng quản lý chất thải rắn sinh hoạt và nước thải bằng cách sử dụng bể
phản ứng sinh học màng kỵ khí (AnMBR) là một cách tiếp cận hấp dẫn [49].
AnMBR có thể cơ đặc nước thải đã pha lỗng và bằng cách đồng phân hủy nó
với chất thải nhà bếp, từ đó có thể tạo ra khí sinh học bằng cách tải trọng hữu
cơ (OLR) xử lý và tỷ lệ COD đầu vào/SO42−, do đó thúc đẩy tính khả thi về

3
mặt kinh tế của tồn bộ q trình xử lý. Hơn nữa, chất lượng nước đầu ra sau
bể sinh học màng cao, có thể tái sử dụng hoặc xả thải an tồn [50].
Tại Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu về đồng phân hủy nước
thải với chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ màng AnMBR như: nghiên cứu
ứng dụng cô đặc nước thải sinh hoạt bằng màng lọc UF nhằm tạo ra dòng đậm
đặc để sử dụng làm nguồn cơ chất cho quá trình đồng phân hủy kỵ khí có kết
hợp với chất thải nhà bếp hướng đến thu hồi khí sinh học [7], [8], [11].
Việt Nam là một quốc gia đang trên đà phát triển, với nhiều khu dân cư
phân tán và các đơn vị đóng qn độc lập, nơi khơng có hệ thống thu gom và
xử lý chất thải tập trung (như hệ thống xử lý nước thải tập trung, bãi chôn lấp
chất thải sinh hoạt tập trung). Vì thế cơng nghệ đồng phân hủy xử lý chất thải
sinh hoạt nhà bếp và nước thải sinh hoạt là khả thi và phù hợp với điều kiện
Việt Nam. Việc ứng dụng công nghệ đồng phân hủy cho những khu vực này
vừa xử lý được chất thải sinh hoạt và rác thải sinh hoạt nhà bếp, vừa thu hồi
được năng lượng vừa giảm thiểu được ô nhiễm mơi trường và chi phí vận
chuyển chất thải và nước thải thường gặp phải như phương pháp xử lý cuối
đường ống. Tuy nhiên, tại các khu dân cư phân tán hay các đơn vị đóng quân
độc lập có tỷ lệ phát thải giữa phần hữu cơ của rác thải sinh hoạt và nước thải
thấp, chỉ khoảng 5 g chất thải sinh hoạt/1 lít nước thải sinh hoạt. Bên cạnh
đó,hỗn hợp chất thải này có nồng độ ơ nhiễm COD thấp, chỉ khoảng 2.000
mg/L, vì thế cơng nghệ đồng phân hủy hướng tới thu hồi khí sinh học từ hỗn
hợp này sẽ cho sản lượng khí sinh học thấp. Cơng nghệ đồng phân huỷ kỵ khí
kết hợp màng ( AnMBR) xử lý chất thải sinh hoạt kết hợp nước thải có thể giải
quyết các vấn đề này do khả năng cô đặc được dịng nước thải, từ đó nâng cao
tải trọng hữu cơ xử lý, và cho sản lượng thu hồi khí sinh học cao. Bên cạnh đó,
hiệu quả xử lý hữu cơ, dinh dưỡng N, P, TSS cũng được thúc đẩy sau bể sinh
học màng dẫn tới giảm thiểu chi phí và cải thiện chất lượng nước đầu ra.
Như vậy, rõ ràng trong những năm gần đây, công nghệ đồng phân hủy

4
kỵ khí kết hợp màng đang được quan tâm nghiên cứu. Tại Việt Nam, bước đầu
cũng đã có các nghiên cứu trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng
chỉ dừng lại ở việc đồng phân hủy kỵ khí thông thường nhằm nâng cao hiệu
quả xử lý và thu hồi năng lượng trên các loại nước thải và chất thải khác nhau
với các tỷ lệ pha trộn có nồng độ cao. Các nghiên cứu chuyên sâu về đồng phân
hủy nước thải sinh hoạt và phần hữu cơ rác thải nhà bếp với nồng độ thấp trong
bể xử lý sinh học màng kỵ khí cịn hiếm. Đặc biệt, chưa có nghiên cứu đồng
phân hủy kỵ khí kết hợp màng nào được triển khai quy mô thực tế dựa trên các
số liệu khảo sát lượng phát thải thực tế về nước thải sinh hoạt và rác thải nhà
bếp tại đơn vị đóng quân độc lập hay các khu dân cư phân tán. Vì thế “Nghiên
cứu đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt bằng công nghệ
màng sinh học kỵ khí (AnMBR) kết hợp thu hồi năng lượng” được thực hiện
nhằm đạt được mục tiêu kép bao gồm quản lý chất thải rắn và xử lý nước thải
sinh hoạt hiệu quả hướng tới thu hồi năng lượng sạch cho các khu dân cư phân
tán và các đơn vị đóng quân độc lập.
2. Mục tiêu nghiên cứu
a. Mục tiêu chung:
Nghiên cứu đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và phần hữu cơ hữu cơ
rác thải sinh hoạt bằng cơng nghệ AnMBR quy mơ phịng thí nghiệm và quy
mơ pilot.
b. Mục tiêu cụ thể:
- Đánh giá hiệu quả xử lý hữu cơ, dinh dưỡng N, P và hiệu quả thu hồi
năng lượng từ quá trình đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và phần hữu cơ rác
thải nhà bếp sử dụng bể sinh học màng kỵ khí (AnMBR) quy mơ phịng thí
nghiệm và quy mơ pilot;
- Xây dựng và tính tốn các thơng số động học cho q trình đồng phân
hủy kỵ khí kết hợp màng.

5
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu:
- Chất thải sinh hoạt (chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt);
- Công nghệ đồng phân hủy kết hợp màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR)
b. Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ
bằng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) đối với chất thải sinh hoạt tại
Trung đoàn 294 và Trạm ra đa 33.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu quá trình đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải
rắn hữu cơ bằng cơng nghệ lọc màng kỵ khí AnMBR.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của SRT và tải trọng hữu cơ OLR (HRT) đến
q trình xử lý trên các mơ hình CSTR-AnMBR quy mơ phịng thí nghiệm,
UASB-AnMBR quy mơ phịng thí nghiệm và CSTR-AnMBR quy mô pilot.
- Đánh giá khả năng xử lý và và thu hồi năng lượng cùa các mô hình
đồng phân hủy kết hợp màng kỵ khí.
- Xây dựng và tính tốn động học cho q trình đồng phân hủy.
5. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng
5.1. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp kế thừa: Luận án tham khảo, kế thừa các kết quả nghiên
cứu về xử lý nước thải và chất thải rắn, một số đề tài nghiên cứu đã thực hiện
tại Việt Nam và một số quốc gia khác.
- Phương pháp thống kê: Luận án thu thập các dữ liệu đã có về quy mơ,
cơng suất, dây chuyền công nghệ, các thông số thiết kế, đặc trưng chất thải.
Trên cơ sở các dữ liệu này, luận án áp dụng các phương pháp thống kê được
thừa nhận rộng rãi để xử lý số liệu nhằm đạt được độ tin cậy cao. Sử dụng các
phương pháp thu thập thông tin, điều tra thực tế nhu cầu và hiện trạng trong

nước, tham khảo tình hình cơng nghệ và phương pháp triển khai của quốc tế,


6
từ đó đưa ra giải pháp phù hợp cho hồn cảnh Việt Nam.
- Phương pháp thực nghiệm: Luận án tiến hành khảo sát, đo đạc, lấy
mẫu phân tích để đánh giá khả năng ứng dụng cơng nghệ.
- Phương pháp tính tốn thơng số động học: Căn cứ kết quả thí nghiệm
tiến hành xây dựng và tính tốn các thơng số động học của quá trình đồng phân
hủy.
5.2. Kỹ thuật sử dụng
- Sử dụng các kỹ thuật phân tích hóa học và hóa lý tiêu chuẩn để đo đạc,
đánh giá hiệu quả xử lý nước thải.
- Đề tài nghiên cứu dựa trên các cơ sở khoa học:
+ Lý thuyết thực nghiệm trong lĩnh vực mơi trường;
+ Lý thuyết phân tích và tiếp cận hệ thống;
+ Lý thuyết điều khiển và kiểm sốt quy trình;
+ Lý thuyết mơ hình hóa;
+ Phương pháp mơ hình hóa;
+ Các cơ sở lý thuyết tốn học;
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Kết quả của luận án đem lại các ý nghĩa về mặt khoa học:
- Luận án đưa ra một giải pháp công nghệ đồng phân hủy nước thải sinh
hoạt và chất thải rắn hữu cơ bằng cơng nghệ màng kỵ khí nhằm tăng hiệu quả
xử lý và thu hồi năng lượng từ khí sinh học.
- Xác định được các thơng số thiết kế và điều kiện vận hành phù hợp
cho hệ thống đồng phân hủy nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ.
- Nghiên cứu chuyên sâu công nghệ lọc màng kỵ khí (AnMBR) trong
điều kiện Việt Nam.
Ngồi ra, kết quả của luận án có ý nghĩa thực tiễn ở những nội dung

sau:
- Giải pháp công nghệ đồng phân hủy không chỉ xử lý triệt để vấn đề ô


7
nhiễm nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ mà cịn có thể tái sử dụng các
nguồn sau xử lý như nước sau xử lý có thể tái sử dụng cho tưới tiêu, bùn thải
làm phân bón, và có thể thu hồi năng lượng từ khí sinh học (biogas).
- Mơ hình cơng nghệ này đặc biệt phù hợp với các khu vực biệt lập như
các vùng dân cư, các đơn vị đóng quân độc lập, v.v.
7. Bố cục của luận án
Luận án gồm 141 trang được phân bố như sau: Mở đầu, 7 trang; Chương
1 – Tổng quan, 38 trang; Chương 2 – Vật liệu và phương pháp nghiên cứu, 31
trang; Chương 3 – Kết quả và thảo luận, 42 trang; Kết luận, 4 trang; Danh mục
các công trình khoa học đã cơng bố, 2 trang và 112 tài liệu tham khảo.


8
Chương 1.
TỔNG QUAN
1.1. Chất thải sinh hoạt và các phương pháp xử lý
1.1.1. Chất thải rắn sinh hoạt
1.1.1.1. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt
Chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) là chất thải được phát sinh trong sinh
hoạt thường ngày của con người, trong đó chất thải rắn hữu cơ (CTRHC) là
thành phần chính. Chất thải rắn hữu cơ của các hộ gia đình thường được tạo ra
từ chất thải rắn nhà bếp (ví dụ: khoai tây, trái cây, vỏ rau củ), thức ăn thừa, rau
quả hư hỏng từ các chợ, rác sân vườn (ví dụ lá cây từ các cơng viên), các hoạt
động thương mại (ví dụ: nhà hàng, tổ chức) [3].
Chất thải thực phẩm đại diện cho một tỉ lệ đáng kể các chất thải hữu cơ

được tìm thấy trong chất thải rắn sinh hoạt. Chất thải thực phẩm có thành phần
hữu cơ và độ ẩm cao, có khả năng phân hủy sinh học cao cũng như phát sinh
nước rỉ rác và mùi hơi trong suốt q trình xử lý. Tại hầu hết các đô thị, khối
lượng chất thải rắn sinh hoạt chiếm khoảng 60 - 70%, trong đó thành phần chất
hữu cơ chiếm khoảng hơn 60%. Ước tính mỗi ngày thải ra khoảng 0,72kg rác
hữu cơ/người.ngày [1].
CTRSH của Việt Nam có đặc trưng là độ ẩm cao (dao động trong
khoảng 65 – 95%), độ tro khoảng 25 – 30%, tổng hàm lượng chất rắn bay hơi
khoảng 70 – 75%. Từ năm 1995, thành phần chất thải thực phẩm chiếm tỷ lệ
rất cao (80 – 96%) nhưng đến năm 2017 thành phần này giảm xuống còn
khoảng 50 – 70%. Số liệu thống kê thành phần CTRSH của Thành phố Hồ Chí
Minh từ năm 2009 đến 2017 cho thấy thành phần thực phẩm của hộ gia đình
chiếm tỷ lệ cao hơn các thành phần khác và thành phần này đang giảm dần từ
74,3% (năm 2009) xuống 59,2% (năm 2017) [12].
Thành phần CTRSH phát sinh ở một số đô thị ở Việt Nam được khảo
sát và cho kết quả trong bảng 1.1.