Nghiên Cứu Khả Năng Ứng Dụng Công Nghệ Sinh Học MBR Để Xử Lý Nước Thải Đô Thị Tại Hà Nội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.43 MB, 109 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NGÔ THỊ BÍCH LẬP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ SINH HỌC MBR ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
ĐÔ THỊ TẠI HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã ngành: 60 44 03 01
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. TRẦN ĐỨC HẠ
2. TS. HOÀNG VĂN HÙNG
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NGÔ THỊ BÍCH LẬP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ SINH HỌC MBR ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
ĐÔ THỊ TẠI HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
MỤC LỤC
MỞĐẦU...............................................................................................................................................................1
1.Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................... 2
2.1. Mục tiêu nghiên cứu tổng quát ................................................................................ 2
2.2. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể...................................................................................... 2
3. Yêu cầu của đề tài........................................................................................................ 3
4. Ý nghĩa của đề tài........................................................................................................ 3
4.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 3
4.2. Ý nghĩa thực tiễn....................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU..................................................................................................4
1.1. Cơ sở lý luận khoa học .......................................................................................….4
1.2. Cơ sở pháp lý............................................................................................................9
1.3. Hiện trạng nguồn thải và công nghệ xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội............10
1.4. Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải bằng MBR ........................................13
1.4.1. Giới thiệu về MBR.............................................................................................. 13
1.4.2. Nguyên lý hoạt động hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập........................... 19
1.4.3. Động học của quá trình vận hành hệ thống MBR hiếu khí dạng đặt ngập ....... 21
1.4.4. Ưu điểm và nhược điểm công nghệ MBR so với công nghệ bùn hoạt tính
truyền thống................................................................................................................... 23
1.4.5. Hệ thống kết hợp AO – MBR trong xử lý nước thải......................................... 29
1.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trong nước và trên thế giới.................33
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trên thế giới .......................................... 33
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng MBR trong nước............................................ 42
CHƯƠNG2:ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…...…..46
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................................................46
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 46
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................. 46
2.2. Nội dung nghiên cứu...............................................................................................................................46
2.2.1. Đánh giá chất lượng nước thải đô thị Hà Nội .................................................... 46
2.2.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm AO - MBR mô phỏng quá trình hoạt động để xử
lý nước thải sinh hoạt khu dân cư. ................................................................................ 46
2.2.3. Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học AO - MBR để xử lý một số loại nước thải
đô thị dựa trên cơ sở của đối tượng đã được nghiên cứu............................................. 50
2.3. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................................................50
CHƯƠNG3:KẾT QUẢNGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN......................................................55
3.1. Đánh giá chất lượng nước thải đô thị Hà Nội.....................................................55
3.1.1. Nguồn thải và tính chất nước thải ở Hà Nội....................................................... 55
3.1.1.1. Nước thải sinh hoạt .......................................................................................... 55
3.1.1.2. Nước thải công nghiệp..................................................................................... 56
3.1.1.3. Nước thải bệnh viện ......................................................................................... 58
3.1.2. Hệ thống thoát nước ở Hà nội............................................................................. 60
3.1.3. Kết quả khảo sát nhà máy XLNT Kim Liên...................................................... 61
3.2. Ứng dụng mô hình AO - MBR để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư........64
3.2.1. Kết quả khảo sát các thành phần chính nước thải đầu vào ................................ 64
3.2.2. Kết quả tổng hợp thông số vận hành mô hình.................................................... 66
3.2.3. Đánh giá quá trình làm việc của mô hình........................................................... 67
3.2.3.1. Bùn sinh học ..................................................................................................... 67
3.2.3.2. Tỷ lệ thức ăn và vi sinh vật F/M....................................................................... 68
3.2.3.3. Hàm lượng chất rắn lơ lửng SS....................................................................... 69
3.2.3.4. Oxy hòa tan, pH, nhiệt độ ................................................................................ 70
3.2.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình................................................................. 71
3.2.4.1. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ COD.................................................................... 73
3.2.4.2. Hiệu quả xử lý Nitơ .......................................................................................... 75
3.2.4.3. Hiệu quả xử lý Photpho ................................................................................... 76
3.2.4.4. Hiệu quả xử lý vi khuẩn.................................................................................... 78
3.2.4.5. Kiểm soát độ kiềm ............................................................................................ 78
3.2.5. Kết quả chung và đánh giá hiệu quả xử lý mô hình........................................... 78
3.2.6. So sánh hiệu quả xử lý của mô hình thí nghiệm với hiệu quả xử lý nhà máy
XLNT Kim Liên............................................................................................................ 81
3.3. Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học AO - MBR để xử lý một số loại nước thải đô
thị dựa trên cơ sở của đối tượng đã được nghiên cứu….......................……........…83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................................................89
1. Kết luận............................................................................................................................................................89
2. Kiến nghị.........................................................................................................................................................90
TÀI LIỆUTHAM KHẢO.............................................................................................................................91
PHỤ LỤC.
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Với tất cả tấm lòng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: PGS. TS
Trần Đức Hạ và TS. Hoàng Văn Hùng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt
nghiệp này.
Đồng thời xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện nghiên cứu cấp thoát
nước và môi trường (Hội cấp thoát nước Việt Nam) - Viện khoa học và kỹ
thuật môi trường (Trường Đại học Xây dựng) - Tập đoàn Mitsubishi Rayon
đã tạo điều kiện cho tôi trực tiếp tham gia đề tài nghiên cứu “ Ứng dụng màng
MBR để xử lý nước thải trong điều kiện Việt Nam” do PGS. TS Trần Đức Hạ
làm chủ trì.
Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa sau đại
học - Trường Đại học Nông Lâm, những người đã dạy dỗ và giúp đỡ rất nhiều
trong những năm học tập và nghiên cứu tại trường.
Tôi xin cảm ơn bạn bè cũng những người thân đã giúp đỡ và động viên
trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Lời cuối, Tôi xin chúc các thầy cô giáo và các bạn mạnh khỏe, học tập
và công tác tốt, phục vụ trong lĩnh vực khoa học môi trường nói chung và
công nghệ môi trường nhiều hơn nữa, góp phần cải thiện cuộc sống, giữ gìn
môi trường trong lành cho hôm nay và cho mai sau.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2014
Học viên
Ngô Thị Bích Lập
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AS
: Bể phản ứng sinh học thông thường
AO - MBR : Thiếu khí, hiếu khí kết hợp bể lọc sinh học bằng màng
BOD
: Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)
BHT
: Bùn hoạt tính
COD
: Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)
CCN
: Cụm công nghiệp
CAGR
: Tỷ lệ tăng trưởng tổng hợp hàng năm
CAPEX
: Chi phí đầu tư
DO
: Lượng oxy hòa tan trong nước
HRT
: Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time)
Et al
: Cùng cộng sự
F/M
: Tỷ lệ thức ăn/ vi sinh vật
JICA
: Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản
KCN
: Khu công nghiệp
MBR
: Bể lọc sinh học bằng màng
MF
: Màng vi lọc
MLSS
: Hàm lượng chất rắn lơ lửng của hỗn hợp bùn
MLVSS
: Hàm lượng chất rắn bay hơi
NF
: Màng lọc nano
N-NH4+
: Nito-amon
Nxb
: Nhà xuất bản
OPEX
: Chi phí quản lý
PAC
P-PO4
: Poly Aluminium Chloride
3-
: Photpho-photphat
RO
: Màng lọc thẩm thấu ngược
SRT
: Thời gian lưu bùn
SS
: Chất rắn lơ lưởng
SBR
: Bể phản ứng sinh học theo mẻ
TDS
: Tổng chất rắn hòa tan
TMP
: Áp suất hút qua màng
T-N
: Ni tơ tổng số
T-P
: Phốt pho tổng số
TSS
: Tổng chất rắn lơ lửng
TXL
:Trạm xử lý
TCVN
: Tiêu chuẩn Việt Nam
QCVN
: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia
XLNT
: Xử lý nước thải
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
1.1
Tên bảng
Trang
Các chỉ số đánh giá hiệu quả xử lý của 4 nhà máy XLNT
tập trung đô thị Hà Nội
12
1.2
Các loại vật liệu polymer sản xuất màng
16
1.3
So sánh MBR kiểu đặt chìm và kiểu đặt ngoài
18
1.4
So sánh sản lượng bùn trong hệ thống MBR và hệ bùn hoạt
tính thông thường (AS)
24
1.5
So sánh bùn hoạt tính thông thường (AS) và trong MBR
25
1.6
Đặc điểm của công nghệ AO - MBR
32
1.7
Ứng dụng MBR trong xử lý một số loại nước thải tại Nhật Bản
37
1.8
Một số những công trình tiêu biểu áp dụng thành công công
nghệ MBR trong xử lý nước thải sinh hoạt và đô thị
38
1.9
Một số kinh nghiệm quốc tế trong tái sử dụng nước thải
39
2.1
Các thông số quan trắc và phân tích
53
2.2
Các phương pháp phân tích nước thải và bùn cặn
54
3.1
Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt các khu dân cư
55
3.2
Thành phần và tính chất nước thải công nghiệp
57
3.3
Thành phần và tính chất nước thải bệnh viện
59
3.4
Đặc điểm nước thải nhà máy XLNT Kim Liên
63
3.5
Tổng hợp các thành phần chính nước thải đầu vào mô hình
tại nhà máy XLNT Kim Liên trong giai đoạn nghiên cứu
3.6
Các thông số vận hành mô hình
3.7
Tổng hợp kết quả thí nghiệm của mô hình
3.8
3.9
Tóm tắt hiệu quả xử lý COD, N –
66
NH4+,
T- N, PO4
71
3—
Pở
các chế độ thí nghiệm
So sánh hiệu quả xử lý của nhà máy XLNT Kim Liên với
mô hình thí nghiệm
64
79
81
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình
1.1
Tên hình
Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải Thành phố
Hà Nội ( Nhà máy XLNT Kim Liên và Trúc Bạch)
Trang
11
1.2
Kích thước lỗ rỗng của một số loại màng
15
1.3
Cấu hình MBR
18
1.4
So sánh hệ thống có MBR với hệ thống xử lý nước thải truyền thống
28
1.5
Biểu đồ phát triển công nghệ XLN thải bằng MBR ở Châu Âu
36
1.6
Chi phí vận hành hệ thống MBR theo thống kê của hãng Kubota
40
1.7
Giá thành màng MBR của hãng Kubota và Norit X – Flow
41
2.1
Sơ đồ công nghệ AO – MBR mô hình thí nghiệm
47
2.2
Màng mini sử dụng trong mô hình thí nghiệm
48
2.3
Sơ đồ mô hình hệ thống thiết bị thí nghiệm
49
3.1
Sơ đồ dây chuyền công nghệ nhà máy XLNT Kim Liên
62
3.2
3.3
Nồng độ bùn ( MLSS và MLVSS) trong bể MBR trong
thời gian vận hành mô hình
Sự thay đổi tỷ lệ thức ăn và vi khuẩn (F/M) trong thời
gian vận hành mô hình
67
68
3.4
Hiệu quả xử lý SS trong thời gian vận hành mô hình
69
3.5
Hiệu quả xử lý COD trong thời gian vận hành mô hình
73
3.6
Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý COD
74
3.7
Hiệu quả xử lý T - N trong thời gian vận hành mô hình
75
3.8
Hiệu quả xử lý NH4 - N trong thời gian vận hành mô hình
76
3.9
Hiệu quả xử lý PO4 3- P trong thời gian vận hành mô hình
77
3.10
Sơ đồ chi tiết hệ thống xử lý sinh học AO – MBR
84
3.11
Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị từ hệ
thống thoát nước chung
85
3.12
3.13
Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị từ hệ
thống thoát nước riêng
Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị từ hệ
thống nhà hàng, khách sạn
87
88
B1
Ảnh mô hình AO - MBR thí nghiệm
94
B2
Ảnh mô hình AO - MBR thí nghiệm lắp đặt hoàn chỉnh
94
B3
Ảnh mô hình AO - MBR thí nghiệm 1
95
B4
Ảnh mô hình AO - MBR thí nghiệm 2,3
95
B5
B6
Ảnh mẫu nước đầu vào – ra qua mô hình và mẫu nước
đối chứng đầu ra nhà máy XLNT Kim Liên thí nghiệm 1
Ảnh mẫu nước đầu vào – ra qua mô hình và mẫu nước
đối chứng đầu ra nhà máy XLNT Kim Liên thí nghiệm 3
96
96
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Ô nhiễm môi trường đã và đang là một vấn đề quan trọng, hệ quả của
một quá trình phát triển nóng của các nước đang phát triển trong giai đoạn
công nghiệp hóa và hiện đại hóa như Việt Nam (Ngân hàng TG, 2013)[10].
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp và dịch vụ, quá trình
đô thị hoá và tập trung dân cư nhanh chóng là những nguyên nhân gây nên
hiện trạng quá tải môi trường ở những thành phố lớn (Trần Đức Hạ, 1995)[3].
Hiện nay ở TP. Hà Nội, ô nhiễm nước là một trong những vấn đề môi trường
bức xúc lôi cuốn sự quan tâm của các nhà quản lý và cộng đồng dân cư. Nước
thải đô thị Hà Nội mới xử lý được khoảng 25%, còn 75% nước thải đô thị chỉ
xử lý sơ bộ rồi đổ thẳng ra sông, hồ gây ô nhiễm trầm trọng môi trường nước
mặt (Ngô Kim Chi, 2013)[2]. Ở hầu hết các đô thị vệ tinh của Hà Nội đều
chưa có trạm xử lý nước thải sinh hoạt nào (Sở TNMT Hà Nội, 2012) [14].
Ngày nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong công
nghệ xử lý nước thải đô thị. Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học đang
được sử dụng phổ biến nhất trong hầu hết các hệ thống xử lý ở các đô thị
(Trịnh Lê Hùng, 2006)[7]. Thường thì một hệ thống xử lý được đánh giá bởi
hiệu quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ BOD, nitơ hay phospho v.v.,
khả năng áp dụng của chúng như giá thành của hệ thống, giá thành của một
m3 nước được xử lý hay độ phức tạp của công nghệ và quá trình vận hành,
bảo dưỡng thiết bị v.v.. (Trần Đức Hạ, 2007)[5]. Tuy nhiên, để lựa chọn được
một phương pháp thích hợp không phải là điều dễ dàng. Phương pháp tối ưu
cho xử lý nước thải được lựa chọn dựa trên đặc tính của nước thải, mục đích
sử dụng sau cùng, chi phí đầu tư, vận hành. Trong số công nghệ hiện tại, các
quá trình xử lý sinh học bậc cao và quá trình lọc màng chuyển hóa từ công
nghệ xử lý sinh học truyền thống ngày càng được quan tâm ứng dụng (Trần
Hữu Uyển và Trần Đức Hạ, 2014) [18].
2
Dựa trên những lợi ích cũng như hiệu quả xử lý cao, kích thước công
trình nhỏ, vận hành và quản lý dễ dàng. Công nghệ MBR (Membrane Bio Reactor, lọc sinh học - màng) là hệ thống xử lý nước thải kết hợp quá trình
lọc màng với quá trình sinh học sinh trưởng lơ lửng, được biết đến như một
kỹ thuật hiệu quả nhất hiện nay để loại bỏ hợp chất hữu cơ, các chất rắn lơ
lửng, nitơ và photpho, cho duy trì lượng sinh khối lớn (Stephenson et al.,
2001)[26]. Với công nghệ này chất lượng nước sau xử lý rất sạch, có thể tái
sử dụng cho mục đích tưới cây, làm mát…Công nghệ này cũng có thể áp
dụng để xử lý nước thải đô thị Hà Nội. Hiện tại công nghệ MBR vẫn chưa
áp dụng phổ biến tại Hà Nội, tuy nhiên với hiệu quả mà công nghệ đem lại,
cộng với chi phí đầu tư ngày càng giảm hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi
trong tương lai gần (Viện khoa học và công nghệ môi trường, 2010) [16].
Từ hiện trạng của nước thải đô thị Hà Nội và những lợi ích cũng như
khả năng xử lý nước thải của công nghệ MBR. Được sự nhất trí của Nhà
Trường, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Trần Đức Hạ và TS.
Hoàng Văn Hùng, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng
ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội”.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
2.1. Mục tiêu nghiên cứu tổng quát:
Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ sinh học MBR trong xử lí
nước thải đô thị và đề xuất một số giải pháp trong ứng dụng công nghệ này.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Xác định được các thành phần ô nhiễm cơ bản của đối tượng nghiên
cứu: pH, COD, BOD, SS, Nitơ, Phốt pho, Coliform.
- Lập mô hình thực nghiệp ứng dụng công nghệ sinh học MBR để xử lý
nước thải sinh hoạt Hà Nội. Qua đó xác định được các thông số về chế độ vận
hành, hoạt động tối ưu của mô hình. Xác định hiệu quả xử lý.
3
- Đề xuất sơ đồ công nghệ sinh học MBR xử lý cho một số loại nước thải
đô thị tại Hà Nội.
3. Yêu cầu đề tài
- Số liệu đánh giá hiện trạng phải trung thực, các tài liệu phục vụ
nghiên cứu đảm bảo độ tin cậy.
- Các thí nghiệm nghiên cứu cần phải thực hiện nghiêm túc, các số liệu
thu thập được yêu cầu phải khách quan.
- Cần nghiên cứu thực tế, các đề xuất đưa ra phải xuất phát từ kết quả
nghiên cứu.
4. Ý nghĩa của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
- Kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ góp phần vào việc xác định các
thông số thiết kế và qui trình vận hành công nghệ sinh học MBR để xử lý
nước thải sinh hoạt phù hợp với điều kiện Hà Nội. Từ đó có thể nghiên cứu
ứng dụng triển khai mang tính thực tiễn, đem lại lợi ích và hiệu quả thiết thực
để làm thành những sản phẩm công nghệ phù hợp với điều kiện và tiêu chuẩn
của Việt Nam.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học có màng vi lọc MBR đặt
ngập trong bể phản ứng sinh học để xử lý nước thải đô thị là công nghệ ứng
dụng phù hợp đối với nơi có yêu cầu xả thải cao, eo hẹp về quỹ đất và không
có điều kiện xử lý về bùn cặn
- Với sự kết hợp công nghệ MBR sẽ đơn giản hóa hệ thống xử lý, tiết
kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ
thống phù hợp với các trạm xử lý phân tán, trong các khu đô thị, các tòa nhà
chung cư cao cấp và khách sạn.
- Đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ thấp,
Nitơ và Photpho cao. Nước thải sau xử lý đạt mức A của QCVN 14: 2008/BTNMT
có thể tái sử dụng cho các công trình vui chơi giải trí và vệ sinh cho đô thị.
4
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. 1. Cơ sở lý luận khoa học
Khái niệm về nước thải
Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người
và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng (Trịnh Thị Thanh và cs,2012)[15].
Nước thải đô thị là tổ hợp hệ thống phức tạp các thành phần vật chất,
trong đó chất nhiễm bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ và vô cơ thường tồn tại dưới
dạng không hòa tan, dạng hòa tan và dạng keo (Hoàng Huệ, 1996) [6].
Nước thải đô thị thường chứa khoảng 50 - 60% nước thải sinh hoạt, 10 - 15%
là các loại nước thấm và 30 - 36% là nước thải sản xuất.
Nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước đã được sử dụng cho các mục đích ăn
uống, sinh hoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa,... của các khu dân cư, công trình
công cộng, cơ sở dịch vụ,... Như vậy, nước thải sinh hoạt được hình thành
trong quá trình sinh hoạt của con người. Một số các hoạt động dịch vụ hoặc
công cộng như bệnh viện, trường học, nhà ăn,… cũng tạo ra các loại nước
thải có thành phần và tính chất tương tự như nước thải sinh hoạt (Hoàng Văn
Hùng và Dương Thị Hòa, 2014) [8].
Đặc điểm của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân
hủy, chất dinh dưỡng đối với sinh vật, vi khuẩn và có mùi khó chịu. Nước thải
sinh hoạt thường chiếm khoảng 58% là các chất hữu cơ, 42% là các chất vô
cơ và lượng lớn các vi sinh vật chủ yếu là các vi khuẩn gây bệnh. Nước thải
sinh hoạt sau khi thải ra thường dẫn trở nên tính axit và thối rữa. Đặc điểm cơ
bản là hàm lượng các chất hữu cơ không bền vững cao (Lương Đức Phẩm,
2002) [11].
5
Nước thải công nghiệp
Là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp,
giao thông vận tải.. Việc gia tăng nhiều nhà máy, xí nghiệp từ quy mô nhỏ hộ
gia đình đến quy mô lớn dẫn đến nhu cầu về nguồn nước tăng, không những
nước phục vụ cho sản xuất mà còn phục vụ sinh hoạt cho một số lượng lớn
công nhân từ nhiều vùng khác nhau tập trung về.
Đặc điểm nước thải công nghiệp còn phụ thuộc vào đặc điểm của từng
ngành công nghiệp khác nhau. Các chất thải công nghiệp từ nền công nghiệp
hiện đại với đa dạng ngành nghề, từ luyện kim, cơ khí, hóa chất, công nghiệp
nặng đến sản xuất đồ may mặc, hàng tiêu dùng,… đã xả vào môi trường đủ
các chất hữu cơ, vô cơ, các kim loại nặng, các hợp chất thơm, các chất hữu cơ
khó phân hủy sinh học (Nguyễn Văn Phước, 2010) [12].
Nước thấm (Nước chảy tràn bề mặt)
Nước chảy tràn từ mặt đất chủ yếu là nước mưa, cuốn theo các chất bẩn
rơi vãi khi nước chảy qua các công trình sinh hoạt của con người, khu đô thị,
khu công nghiệp. Đây là nguồn gây ô nhiễm các chất rắn, dầu mỡ, hóa chất và
vi khuẩn cho các hồ, sông đô thị khi nước mưa chảy tràn. Lượng chất bẩn
trong nước chảy tràn phụ thuộc vào diện tích của lưu vực, tính chất thành
phần và khối lượng chất ô nhiễm trên bề mặt mà nước mưa chảy qua (Trịnh
Thị Thanh và cs, 2012) [15].
Các thông số đặc trưng của nước thải đô thị:
Đặc trưng của nước thải đô thị là thường chứa nhiều tạp chất khác
nhau, trong đó khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một
số lớn vi sinh vật. Phần lớn các vi sinh vật trong nước thải ở dạng các virút và
vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn… Đồng thời trong nước thải cũng
chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải. Do phần
lớn nước thải sinh hoạt và các loại nước thải khác có thành phần tương tự nên
6
các thông số đặc trưng chính của nó là: TSS, BOD, các chất dinh dưỡng N, P
và coliform (Trần Đức Hạ, 1995) [3].
Hàm lượng chất rắn:
Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất rắn có khả
năng lắng, các hạt keo và chất rắn hòa tan. Tổng các chất rắn (TS) trong nước
thải là phần còn lại sau khi đã cho nước thải bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ từ
1030C, 1050C. Các chất bay hơi ở nhiệt độ này không được coi là chất rắn.
Xác định hàm lượng chất rắn bằng cách cho nước thải thấm qua giấy lọc tiêu
chuẩn với kích thước lỗ khoảng 1,2 µm. Gạn lấy lượng cặn đọng lại trên giấy
thấm đem sấy ở nhiệt độ 105oC cho đến khi trọng lượng không thay đổi sau
đó đem cân và so sánh với khối lượng nước ban đầu, đơn vị là mg/l.
Qua quá trình xói mòn, rửa trôi, nước mưa chảy tràn qua các khu phố,
khu dân cư, hay quá trình lắng đọng bụi... đổ vào hồ, kênh, sông dẫn nước.
Phần lớn các chất rắn lơ lửng sẽ bị lắng xuống đáy của nơi tiếp nhận dòng
chảy, những hạt không lắng được sẽ tạo thành độ đục của nước. Các chất lơ
lửng hữu cơ sẽ tiêu thụ oxy để phân hủy làm giảm DO của nguồn nước, làm
giảm tầm nhìn của các hoạt động sống dưới nước, giảm độ dọi của ánh sáng
mặt trời qua nước gây ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của hệ
động vật trong nước.
Nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD):
Mức độ nhiễm bẩn nước thải bởi chất hữu cơ có thể xác định theo
lượng ôxy cần thiết để ôxy hóa chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật hiếu
khí và được gọi là nhu cầu ôxy cho quá trình sinh hóa.
Nhu cầu ôxy sinh hóa là chỉ tiêu rất quan trọng và tiện dùng để chỉ mức
độ nhiễm bẩn của nước thải bởi các chất hữu cơ. Trị số BOD đo được cho
phép tính toán lượng ôxy hòa tan cần thiết để cấp cho các phản ứng sinh hóa
của vi khuẩn diễn ra trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ có
trong nước thải. Chỉ tiêu nhu cầu ôxy sinh hóa BOD không đủ để phản ánh
7
khả năng ôxy hóa các chất hữu cơ khó bị ôxy hóa và các chất vô cơ có thể bị
ôxy hóa có trong nước thải.
Nhu cầu ôxy hóa học COD: Là lượng ôxy cần thiết để ôxy hóa hoàn
toàn chất hữu cơ và một phần nhỏ các chất vô cơ dễ bị ôxy hóa có trong nước
thải. Việc xác định COD có thể tiến hành bằng cách cho chất ôxy hóa mạnh
vào mẫu thử nước thải trong môi trường axít. Trị số COD luôn lớn hơn trị số
BOD5 và tỷ số COD: BOD càng nhỏ thì xử lý sinh học càng dễ. Tỷ lệ COD:
BOD của nước thải đô thị nằm trong khoảng 2 - 2.5.
Các hợp chất của Nitơ và Photpho trong nước thải:
Các hợp chất của nitơ trong nước thải: Nước thải đô thị luôn có một số
hợp chất chứa nitơ. Nitơ là chất dinh dưỡng quan trọng trong quá trình phát
triển của vi sinh vật trong các công trình xử lý sinh học. Các hợp chất chứa
nitơ là protein, các sản phẩm phân hủy của nó như amino axit là nguồn thức
ăn hữu cơ của vi khuẩn, và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có trong nước thải
bắt nguồn từ phân và nước tiểu (urê) của người và động vật. Urê bị phân hủy
ngay khi có tác dụng của vi khuẩn thành amoni (NH4+) và NH3 là hợp chất vô
cơ chứa nitơ có trong nước thải.
Hai dạng hợp chất vô cơ chứa Nitơ có trong nước thải là nitrit và nitrat.
Nitrat là sản phẩm ôxy hóa của amoni (NH4+) khi tồn tại oxy, thường gọi quá
trình này là quá trình Nitrat hóa. Còn nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của
quá trình nitrat hóa, nitrit là hợp chất không bền vững dễ bị ôxy hóa thành
nitrat (NO3-). Vì amoni sử dụng ôxy trong quá trình Nitrat hóa và các vi sinh
vật trong nước, rong, tảo dùng nitrat làm thức ăn để phát triển, cho nên nếu
hàm lượng nitơ có trong nước thải xả ra sông, hồ quá mức cho phép sẽ gây ra
hiện tượng phú dưỡng kích thích sự phát triển nhanh của rong, tảo làm bẩn
nguồn nước.
Các hợp chất photpho trong nước thải: Photpho cũng giống như nitơ, là
chất dinh dưỡng cho vi khuẩn sống và phát triển trong các công trình xử lý
8
nước thải. Photpho là chất dinh dưỡng đầu tiên cần thiết cho sự phát triển của
thảo mộc sống dưới nước, nếu nồng độ photpho trong nước thải xả ra sông,
suối quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng. Photpho thường ở
dạng photphat vô cơ và bắt nguồn từ chất thải là phân, nước tiểu, phân bón
dùng trong nông nghiệp và từ các chất tẩy rửa dùng trong sinh hoạt hằng
ngày.
Vi sinh vật:
Vi sinh vật ngoài những nhóm tham gia các chu trình chuyển hóa vật
chất có lợi cho môi trường sinh thái còn có những nhóm gây bệnh cho con
người, động vật, thực vật. Những nhóm vi sinh vật gây bệnh đặc biệt là nhóm
gây bệnh cho con người khi tồn tại quá nhiều trong môi trường sống sẽ là
nguồn gây nhiễm bệnh nguy hiểm. Nguyên nhân của sự ô nhiễm vi sinh là
nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện, do ý thức của người dân còn kém,
thải bỏ vô ý thức chất thải sinh hoạt, xác chết động vật...
Nước thải đô thị chứa rất nhiều các vi sinh vật với số lượng từ 105 - 106
tế bào/1ml. Phần lớn vi sinh có trong nước thải không phải là vi khuẩn gây
bệnh, có thể có một số ít vi khuẩn gây bệnh như thương hàn, tả, lỵ, vi trùng gan.
Mức độ ô nhiễm do vi sinh vật gây bệnh thường đặc trưng bằng thông số coliform.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống
và hoạt động của vi sinh vật có tác dụng phân hóa những hợp chất hữu cơ.
Các chất hữu cơ sau khi phân hóa trở thành nước, những chất vơ cơ và những
khí đơn giản (Hoàng Huệ, 1996) [6].
Nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học cuối cùng sẽ làm cho
các chỉ tiêu BOD và COD giảm đến mức cho phép. Để có thể xử lý bằng
phương pháp này, nước thải không được chứa các chất độc hại và tạp chất,
các muối kim loại nặng, hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng
độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD : COD 0,5 (Trịnh Lê Hùng, 2006) [7].
9
1.2. Cơ sở pháp lý
1. Luật bảo vệ môi trường được Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa
Việt Nam thông qua ngày 29/11/2005 và có hiệu lực thi hành ngày
01/7/2006.
2. Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13 đã được Quốc hội nước Cộng hòa
xã hội chủ nghĩa Việt Nam khóa XIII, kỳ họp thứ 3 thông qua ngày
21/6/2012.
3. Nghị định số: 80/2006/NĐ-CP ngày 09/8/2006 của Chính phủ về việc quy
định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều của Luật Bảo vệ Môi trường.
4. Nghị định 21/2008/NĐ-CP ngày 28 tháng 02 năm 2008 về sửa đổi bổ sung
một số điều của nghị định số 80/2006/NĐ-CP ngày 09 tháng 08 năm 2006
của Chính phủ về việc quy định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều
của Luật Bảo vệ Môi trường.
5. Nghị định số 149/2005/NĐ - CP ngày 27/07/2004 của chính phủ quy định
việc cấp phép thăm dò, khai thác, sử dụng tài nguyên nước, xả thải vào
nguồn nước.
6. Nghị định số 201/2013/NĐ-CP, ngày 27/11/2013 của Chính phủ về quy
định chi tiết thi hành một số điều Luật tài nguyên nước.
7. Nghị định số 25/2013/NĐ-CP, ngày 29/03/2014 của Chính phủ về phí bảo
vệ môi trường đối với nước thải.
8. Nghị định số 80/2014/NĐ –CP, ngày 06/08/2014 của Chính phủ về thoát
nước và xử lý nước thải.
9. Thông tư 02/2005/TT - BTNMT ngày 24/06/2005 hướng dẫn thực hiện
Nghị định số 149/2004/NĐ-CP ngày 27/07/2004 của Chính Phủ về việc
cấp phép thăm dò, khai thác, sử dụng tài nguyên, xả nước thải vào nguồn
nước.
10
10.Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT ngày 19/03/2009 hướng dẫn đánh giá
khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước.
11.Thông tư số 63/2013/TTLT-BTC-BTNMT, ngày 15/05/2013 hướng dẫn
thực hiện Nghị định số 25/2013/NĐ-CP, ngày 29/03/2014 của Chính phủ
về phí bảo vệ môi trường đối với nước thải.
12.Quyết định 725/QĐ – TTg ban hành ngày 10/05/2013 phê duyệt quy
hoạch thoát nước đô thị Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn 2050.
13.Các Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải được của Bộ Tài nguyên và
Môi trường, được sử dụng cho đề tài gồm:
+ QCVN 08:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt.
+ QCVN 14:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt.
+ QCVN 28:2010/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải y tế.
+ QCVN 40:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp.
+ QCVN 50:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng nguy
hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước thải.
1.3. Hiện trạng nguồn thải và công nghệ xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội
Hà Nội là một thành phố có số lượng dân cư lớn thứ hai ở Việt Nam
(sau TP HCM) tính đến 31/12/2012 dân số toàn thành phố Hà Nội là
6.924.700 người. Tổng diện tích của Hà Nội là 3.328,97 km2, mật độ dân cư
phân bố không đều ngày càng có sự tăng giữa đô thị và nông thôn và có xu
hướng tăng dần từ 1.775 người/km2 (2005) lên 2.080 người/km2 (2012). Đặc
biệt mật độ dân số khu vực nội thành là rất lớn đạt trên 30.000 người/km2.Tạo
ra các nguồn thải tập trung vượt quá khả năng tự phân hủy của môi trường tự
nhiên (Sở TNMT Hà Nội, 2012) [14].
Với lượng thải được tạo bởi các nguồn: nước thải sinh hoạt khu vực đô
thị gần 600.000 m3/ngđ, nước thải công nghiệp khoảng 75.000 m3/ngđ có 6/8
KCN có trạm XLNT hoạt động và đang xây dựng đạt tỷ lệ xử lý 75%, nước
thải y tế khoảng 4.266 m3/ngđ có 22/61 bệnh viện chính có trạm XLNT đạt tỷ
lệ xử lý 36 %, nước thải của khách sạn và các trung tâm thương mại – du lịch
11
khoảng 123.000 m3/ngđ, nước thải làng nghề và chăn nuôi, giết mổ gia súc,
gia cầm khoảng 226.000 m3/ngđ (Sở TNMT Hà Nội, 2012) [14].
Hiện thành phố Hà Nội có 4 nhà máy xử lý nước thải tập trung đang
hoạt động trong hệ thống thoát nước với tổng công suất là 250.000 m3/ngày
trong tổng số hơn 1 triệu m3 nước thải phát sinh mỗi ngày. Trong số đó có 3
nhà máy XLNT được xây dựng bằng nguồn vốn ODA của Nhật Bản trong Dự
án Thoát Nước Hà Nội giai đoạn 1997-2005 và 1 nhà máy XLNT Yên Sở
công suất 200.000 m3/ngày được xây dựng theo hình thức BT vận hành năm
2013. Công nghệ xử lý nước thải áp dụng ở các trạm xử lý này là bùn hoạt
tính theo các quá trình xử lý Yếm khí - Thiếu khí - Hiếu khí (AAO). Nước
thải sau khi xử lý được xả ra kênh mương đạt tiêu chuẩn loại A (QCVN
14:2008/BTNMT) với nồng độ COD 50 mg/L, BOD5 30 mg/L, T-N 18mg/L.
Nhà máy xử lý nước thải Yên Sở với công suất thiết kế 200.000 m3/ngày dựa
trên công nghệ bùn hoạt tính hoạt động theo mẻ (SBR) đã đưa vào hoạt động
trong năm 2013, đưa lượng nước thải được xử lý lên tới 250.000 m3/ngày,
chiếm khoảng 20-25% tổng lượng nước thải phát sinh toàn thành phố.
Cụm xử lý sinh học
A2O
Nước
thải
đầu
vào
Bể lắng
cát
Bể điều
hòa
Bể lắng
đợt 1
Bể kỵ
khí
Bể lắng
đợt 2
Bể nén
bùn
Bể thiếu
khí
Bể khử
trùng
Máy
ép bùn
Cụm xử lý bùn
Bể hiếu
khí
Xả ra
nguồn
Vận
chuyển
đi
12
Hình 1.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải thành phố Hà Nội
(Nhà máy XLNT Kim Liên và Trúc Bạch)
Năm 2010 JICA đã tiến hành một nghiên cứu đánh giá hiệu quả hoạt
động của các TXL ở thành phố Hà Nội. Nghiên cứu chỉ ra rằng nước thải
trong hệ thống thoát nước Hà Nội chủ yếu phát sinh từ các hoạt động sinh
hoạt của người dân và chỉ chứa một lượng nhỏ nước thải công nghiệp. Do đó
thành phần chất hữu cơ trong nước thải dễ dàng bị phân hủy bởi các vi sinh
vật. Các nhà máy XLNT đều đạt hiệu suất xử lý chất hữu cơ (theo chỉ tiêu
BOD và COD), tuy nhiên lượng chất hữu cơ thấp có thể không đủ cho quá
trình xử lý Nitơ và Phốt Pho. Vào mùa mưa, khi nước thải được pha loãng với
nước mưa, hiệu quả của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
giảm, đặc biệt là quá trình xử lý Phốt Pho. Trong thời kỳ này các trạm đều sử
dụng nguồn chất hữu cơ ở bên ngoài để nâng cao hiệu quả xử lý chất dinh
dưỡng. Ngoài ra, các trạm đều gặp vấn đề bùn nổi lên, và lượng phèn nhôm
PAC được sử dụng để tăng cường hiệu quả của quá trình lắng bùn lớn.
Bảng 1.1: Các chỉ số đánh giá hiệu quả xử lý của 4 nhà máy XLNT
tập trung đô thị Hà Nội [10]
Nhà
máy
Kim
Liên
Trúc
Bạch
Bắc
Thăng
Long
Qui
trình
xử lý
BOD
( mg/l)
COD
( mg/l)
TSS
( mg/l)
NH4 – N
( mg/l)
Ra
Coliform
(MPN/
100ml)
Ra
6.5
1.7
0
16
6.5
1
0
38
12
5.4
0.85
100
34
8
7.2
6.5
0
4
3000
T- N
( mg/l)
Vào Ra Vào
Ra
Vào
Ra
A2O
115
9
145
18
85
5
18
-
40
17
A2O
135
8
155
15
85
5
-
-
34
A2O
85
12
135
16
65
8
-
-
45
6
132
24
24
10
28
0.5
Bể
sinh
Yên
học
Sở
theo
mẻ
*QCVN
30
75
50
T–P
( mg/l)
Vào Ra Vào Ra Vào
5
20
13
40:2011 (A)
**QCVN
40:2011 (B)
50
100
100
10
40
6
5000
* QCVN 14:2011/BTNMT cột A - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải
công nghiệp.
** QCVN 40:2011/BTNMT cột B - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải
công nghiệp.
Vấn đề nước thải của Hà Nội trước đây chưa giải quyết được thì hiện
nay thành phố phải đối mặt với thách thức lớn hơn khi Hà Nội chính thức mở
rộng về phía Tây. Từ thành phố xấp xỉ 3 triệu dân trở thành thành phố gần 7
triệu dân, vấn đề nước thải càng trở nên cấp thiết hơn. Việc quy hoạch hệ
thống hạ tầng kỹ thuật đô thị để có trạm xử lý nước thải tập trung vừa không
hiệu quả vừa tốn kém và mất rất nhiều thời gian. Vậy để song song cùng tồn
tại lựa chọn định hướng để sự đô thị hóa của Hà Nội có hiệu quả và quy
hoạch quản lý đô thị đánh giá đúng thực trạng về môi trường nói chung và
quản lý xử lý nước thải đô thị nói riêng thì giải pháp xử lý nước thải tại
nguồn, phân cắt qui mô xử lý vừa và nhỏ đang là lựa chọn thích hợp nhất.
1.4. Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải bằng MBR
1.4.1. Giới thiệu về MBR
MBR là viết tắt cụm từ Membrane Biological Reactor (Bể lọc sinh học
bằng màng) được hiểu là bể phản ứng hoặc thiết bị sinh học XLNT trong
đó áp dụng kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán có kết hợp với màng lọc tách vi
sinh tạo thành quá trình xử lý liên hợp (Davies et al., 2000) [22].
Công nghệ lọc sinh học bằng màng ngày càng trở nên phổ biến, đa
dạng và được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây để xử lý nước thải.
Ngày nay, nhiều sản phẩm MBR được thương mại hóa trên thị trường và có
hàng trăm nhà máy sử dụng hệ thống MBR chính thức đang hoạt động trên
toàn thế giới
