Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN SÁNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
KẾT HỢP LỌC MÀNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 20162017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN SÁNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
KẾT HỢP LỌC MÀNG
CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC
MÃ SỐ: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Trần Văn Quy
2. TS. Trần Hùng Thuận

Hà Nội - 20162017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự
hỗ trợ của đề tài cấp Bộ Khoa học và Công nghệ “Nghiên
cứu chế tạo môđun màng lọc polyme hợp khối phục vụ xử lý
nước thải chăn nuôi” do TS. Trần Hùng Thuận làm chủ
nhiệm đề tài, mà trong đó tôi là thành viên tham gia và đã
trực tiếp thực hiện. Các kết quả trong luận án này là trung
thực và đã được chủ nhiệm đề tài TS. Trần Hùng Thuận cho
phép sử dụng.

Tác giả luận án

Nguyễn Sáng


LỜI CẢM ƠN
Tôi cảm ơn sâu sắc PGS.TS. Trần Văn Quy – giảng viên
Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà Nội và TS. Trần Hùng Thuận – Giám đốc
Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ,
Bộ Khoa học và Công nghệ, đã hướng dẫn tận tình và tạo
mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi cảm ơn TS. Chu Xuân Quang – Trưởng phòng Công
nghệ và Vật liệu môi trường, các đồng nghiệp Trung tâm
Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, đã luôn
quan tâm, chia sẻ và góp ý về chuyên môn, cũng như động
viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Tôi gửi lời tri ân tới quý thầy, cô giáo bộ môn Công nghệ
Môi trường cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong và ngoài
Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ tôi trong quá
trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc đến
cơ quan bố mẹ và , gia đình tôi … đã giúp đỡ, tạo mọi điều
kiện để tôi hoàn thành tốt mọi công việc trong nghiên cứu và
học tập.
Hà Nội, ngày

tháng năm 20162017
Tác giả luận án


Nguyễn Sáng


MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................ 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................11
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................13
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..............................7
1.1.Tình hình phát triển chăn nuôi tại Việt Nam..............................................7
1.2.Khối lượng và đặc tính nước thải chăn nuôi...............................................8
1.3.Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường................................12
1.4.Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam..12
1.4.1.Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới......................12
1.4.2.Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam........................25

1.5.Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng.................................................29
1.5.1.Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng (MBR)................................29
1.5.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến màng lọc và quá trình lọc màng.................34
1.5.3.Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc và giải pháp làm sạch màng lọc.........38
Ưu điểm và hạn chế của công nghệ MBR........................................................42
Ưu điểm: Hệ thống MBR có thiết kế nhỏ gọn hơn so với quá trình BHT
thông thường, do không cần bể lắng cấp hai và sản phẩm bùn dư ít (Cicek
và ncs, 1998; Uẩn và Chi, 2008). Tỷ lệ chuyển hóa bùn trong hệ thống MBR
chỉ khoảng 0,1 – 0,4 mg VSS/mg COD (Trouve và ncs, 1994), trung bình
chưa bằng một nửa so với công nghệ BHT thông thường (0,4 – 0,7 mg
VSS/mg COD (Metcalf và Eddy, 2003)). Do mật độ sinh khối trong bể phản
ứng cao (MBR có thể hoạt động ở MLSS lên đến 20.000 mg/L nên một mặt
năng suất xử lý tăng khoảng 5 - 7 lần so với BHT; mặt khác cho phép lưu
bùn lâu và phân huỷ bùn ngay trong bể phản ứng dẫn đến giảm lượng và chi
phí xử lý bùn thải .............................................................................................42
Ngoài ra, với công nghệ MBR, màng lọc như một tấm rào cản cơ học đối với
VSV nên có khả năng loại bỏ các vi khuẩn gây bệnh và không bị phụ thuộc

1


vào chất lượng nước đầu vào. Hệ thống MBR có thể tách loại tổng coliform
gần như tuyệt đối , do đó tiết kiệm được chi phí sử dụng hóa chất khử trùng,
làm giảm chi phí vận hành hệ thống................................................................42
Hạn chế: Việc tách loại bằng màng cần thêm sự phối hợp hoạt động liên
quan đến việc giảm thiểu tắc nghẽn màng nên vận hành phức tạp hơn so với
quá trình bùn hoạt tính thông thường. Do vậy, không chỉ chi phí đầu tư cao
mà còn tăng chi phí vận hành hệ thống do chi phí làm sạch màng (Đỗ Khắc
Uẩn và ncs, 2015)...............................................................................................42
1.6.Hiện trạng ứng dụng công nghệ lọc màngMBR ở Việt Nam....................42

2.1. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................46
2.1.1. Nước thải chăn nuôi lợn......................................................................46
2.1.2. Môđun màng lọc ..................................................................................46
2.1.3. Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu.......................................47
2.2. Phạm vi, quy mô nghiên cứu.....................................................................47
2.3. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................47
2.3.1. Phương pháp luận nghiên cứu.............................................................47
2.3.2. Phương pháp điều tra và thu thập tài liệu............................................47
2.3.4. Xác định thành phần, đặc tính nước thải chăn nuôi lợn.....................50
2.3.5. Khảo sát sự thích nghi và đặc tính của bùn hoạt tính..........................50
2.3.6. Lắp ghép môđun màng lọc polyme.......................................................51
2.3.7. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tắc màng.................................56
2.3.8. Khảo sát xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng
xử lý nước thải chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm........................................60
2.3.9. Khảo sát các điều kiện vận hành mô hình hệ thống xử lý sinh học kết
hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi.................66
2.3.12. Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc..........................................68
Thí nghiệm 12: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hóa chất và thời gian
ngâm màng đến hiệu quả làm sạch màng..........................................................68

2


Vận hành hệ thống với các điều kiện tối ưu đã lựa chọn từ các thí nghiệm
trên, đồng thời theo dõi quá trình hoạt động của môđun màng lọc. Sau một thời
gian hoạt động, áp suất qua màng tăng cao đến giới hạn cảnh báo, khi này
màng được lấy ra khỏi bể phản ứng và loại bỏ cặn bám trên bề mặt màng bằng
biện pháp cơ học.................................................................................................68
Đối với hệ MBR – Aeroten truyền thống, hoá chất làm sạch màng thường
dùng là hypochlorite (NaOCl) (Judd, 2006).......................................................68

Khảo sát nồng độ của NaOCl tăng dần từ 500, 1000, 2000 lên 3000 mg/L và
thời gian ngâm màng từ 1 giờ lên đến 2 giờ. Mục đích lựa chọn được nồng độ
NaOCl và thời gian ngâm màng sao cho sau khoảng thời gian ngắn nhất màng
có thể đạt được áp suất qua màng như ban đầu. Điều này giúp tiết kiệm chi phí
hóa chất cũng như rút ngắn được thời gian chờ làm sạch màng để hệ thống trở
lại hoạt động bình thường..................................................................................68
Sau khi đã rửa bằng hoá chất, rửa lại màng bằng nước sạch để trung hòa và
sử dụng lại..........................................................................................................68
2.3.1312. Tính toán sản lượng bùn dư trong hệ thống lọc màng...................68
2.3.13. Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc..........................................68
2.3.14. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu..............................................69
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.........................71
3.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn khu vực nghiên cứu............................71
3.2. Sự thích nghi và đặc tính bùn hoạt tính....................................................72
3.3. Ảnh hưởng của một số các yếu tố vận hành lọc đến quá trình tắc màng
79
3.3.1. Ảnh hưởng của vật liệu màng lọc dạng tấm phẳng.............................79
3.3.2. Ảnh hưởng của hình thái môđun màng lọc sợi rỗng...........................81
3.3.3. Ảnh hưởng của cường độ sục khí........................................................84
3.3.4. Ảnh hưởng của năng suất lọc..............................................................86
3.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính................................................88

3


3.4. Xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng xử lý nước
thải chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm........................................................90
3.4.1. Lựa chọn thời gian lưu thủy lựcnước các bể theo kiểu mẻ..................90
3.4.2. Xây dựng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng
thí nghiệm...........................................................................................................93

3.5. Ảnh hưởng của các điều kiện vận hành mô hình hệ thống đến hiệu quả
xử lý.................................................................................................................... 95
3.5.1. Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào......................................................95
3.5.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tuần hoàn nước đến hiệu quả xử lý nitrat
101
3.6. Đánh giá chung quá trình vận hành của mô hình hệ thống xử lý sinh học
kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm.................................................106
3.6.1. Khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình hệ thống sinh
học kết hợp lọc màng........................................................................................108
3.6.2. Năng xuất xử lý và tải lượng COD, NH4+ của mô hình hệ thống.....125
3.6.3. Khả năng loại bỏ chất rắn và vi khuẩn..............................................128
3.7. Quá trình lọc và xử lý tắc nghẽn màng lọc.............................................130
3.7.1. Quá trình lọc và hiện tượng tắc nghẽn màng lọc................................130
Trong quá trình vận hành hệ thống, áp suất qua màng được theo dõi hàng
ngày và biến thiên áp suất qua màng theo thời gian được thể hiện trên Hình
3.27.................................................................................................................... 130
130
Hình 3.27. Biến thiên áp suất qua màng theo thời gian................................130
Qua số liệu theo dõi thể hiện trên đồ thị Hình 3.27 thấy rằng, ở bể bùn hiếu
khí nồng độ 9000 mg/L, với năng suất lọc của màng 12 L/m2.h, cường độ sục
khí 0,0675 – 0,075 L/cm2/phút, màng hoạt động ổn định và lâu dài. Cụ thể,
sau khoảng thời gian 9 ngày đầu hoạt động, áp suất qua màng vẫn duy trì
dưới 1 cmHg, và sau đấy áp suất qua màng tăng nhẹ theo thời gian. Sau
khoảng thời gian hoạt động lên đến 42 ngày, áp suất qua màng mới bắt đầu

4


tăng nhanh và đạt 31 cmHg sau 45 ngày hoạt động. So với quá trình lọc
màng trong nghiên cứu của nhóm Shin (2005) thấy rằng, với chu kỳ hoạt

động của màng hút và nghỉ lần lượt sau 15 phút, làm việc ở nồng độ bùn rất
cao (khoảng 15000 mg/L), thời gian làm việc của màng đạt được như sau:
khi hoạt động với năng suất lọc 10 L/m2.h, sau gần 60 ngày, áp suất qua
màng mới đạt khoảng 30 cmHg; khi tăng năng suất lọc lên 15 L/m2.h, áp
suất đạt được tương tự chỉ sau 47 ngày hoạt động. Như vậy có thể thấy quá
trình lọc màng trong nghiên cứu trên diễn ra dài hơn so với trong luận án
không nhiều. Nguyên nhân có thể do kích thước lỗ màng sử dụng trong luận
án (0,1µm) nhỏ hơn so với trong nghiên cứu của Shin (2005) (0,25µm); hoặc
do chế độ làm việc của màng ở các nghiên cứu khác nhau, trong nghiên cứu
trên là hút và nghỉ theo chu kỳ 15 phút; trong khi đó chế độ làm việc của
màng trong luận án là hút 10 phút và nghỉ 2 phút. Chế độ hút nghỉ có thể
làm giảm áp lực của lớp bánh bùn lên sợi màng, và có thể bị rơi ra khi màng
ngừng hút, kéo dài hoạt động của màng. ......................................................131
Các lớp bánh bùn bám chặt trên các sợi màng là nguyên nhân làm áp suất
qua màng tăng cao. Khi các môđun màng được đặt trong bể BHT, ảnh
hưởng của tính chất bùn đối với tắc màng là rất phức tạp. Một vài nhà
nghiên cứu cho rằng thành phần sinh học (gồm MLSS, chất trùng ngưng
ngoại bào, các dạng vi khuẩn hòa tan, độ nhớt bùn) và các đặc điểm hình
thái (kích thước keo bùn, chỉ số sợi trong bùn đóng vai trò quan trọng trong
việc làm tắc màng (Lee, 2001; Lim, 2003 và Bacchin, 2006). Các nghiên cứu
khác xác định rằng chất trùng ngưng ngoại bào là thành phần sinh học có
ảnh hưởng nhất đến tắc màng (Nagaoka và ncs, 1996; Chang và ncs, 1998;
và Nagaoka và ncs, 1998). Nghiên cứu của Kornboonraksa và Lee (2009) lại
cho rằng độ nhớt bùn, các dạng vi khuẩn hòa tan, không trực tiếp liên quan
đến tắc màng, nhưng chúng có thể là những yếu tố phụ ảnh hưởng đến khả
năng lọc của màng. Các yếu tố ảnh hưởng đến tắc màng được tìm thấy là
nồng độ MLSS và kích thước bùn keo. Và sự gia tăng MLSS ảnh hưởng trực

5

tiếp đến sự gia tăng độ nhớt của bùn và làm giảm kích thước bùn keo
(Itonaga và ncs, 2004; Katsuki và ncs, 2005; và Kornboonraksa và Lee,
2009). Do đó, trong quá trình lọc màng cần kiểm soát MLSS chặt chẽ hơn.
132
Môđun màng lọc sau khi làm sạch được đặt lại vào bể hiếu khí và tiếp tục
chạy với các điều kiện như ban đầu. Do độ nhớt bùn cao hoặc do cường độ
sục khí thô không đảm bảo như lúc đầu, nên ở giai đoạn sau này, hiện tượng
tắc nghẽn màng xảy ra nhanh hơn so với lúc đầu, sau khoảng thời gian 25
ngày hoạt động áp suất qua màng đã tăng lên 34 cmHg..............................132
3.7.2. Phương pháp khắc phục tắc nghẽn màng lọc......................................132
Trong quá trình vận hành, các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ bám lên bề mặt
màng gây tắc màng, làm giảm năng suất lọc. Do vậy, cần thiết phải rửa
màng để đảm bảo chế độ hoạt động ổn định cho hệ thống...........................132
Có 2 cách rửa màng, đó là rửa màng bằng phương pháp vật lý và hóa học.
132
Rửa màng bằng phương pháp vật lý..............................................................133
Sử dụng hệ thống sục khí: Các bọt khí di chuyển theo hướng từ dưới lên
trên, tác dụng lên bề mặt màng, tách các cặn bẩn bám trên bề mặt màng,
làm giảm sự tắc nghẽn màng. ........................................................................133
Khi lưu lượng cấp khí vào giảm, cần phải vệ sinh hệ thống sục khí. Nguyên
do bùn đi vào đường ống sục khí. Do đó, dừng hoạt động của màng lọc, tiến
hành rửa ống thổi khí......................................................................................133
Trong quá trình vận hành, đường ống thổi khí bị nghiêng, dòng khí không
đi vào chính giữa hộp màng làm giảm hiệu quả hạn chế bùn bám lên bề mặt
sợi màng, do đó cần điều chỉnh đường ống thổi khí lại như ban đầu..........133
Rửa màng bằng phương pháp hóa học..........................................................133
Nếu tổn thất áp qua màng tăng lên trên 30 - 35 cmHg, ngay cả khi đã dùng
cách rửa màng bằng thổi khí thì cần làm sạch màng bằng cách ngâm màng
vào bể hóa chất. ..............................................................................................133

6


Nguyên nhân màng bị tắc không xử lý được bằng các biện pháp cơ học là do
các chất hữu cơ hòa tan đã đi sâu vào trong sợi màng. Còn các chất rắn lơ
lửng, các chất vô cơ có kích thước lớn hơn kích thước lỗ màng nên không
thể đi vào trong sợi màng được, bằng chứng là độ đục nước sau khi được xử
lý qua màng rất thấp (< 1 NTU). Như vậy là màng bị nhiễm bẩn bởi các hợp
chất hữu cơ. Do đó, lựa chọn NaOCl để làm sạch màng. Theo các báo cáo
gần đây cho thấy sử dụng NaOCl làm sạch màng trong hệ MBR là tốt hơn
so với các hóa chất khác như enzyme, axit hoặc H2O2 (Fangang và ncs,
2009). Điều này cũng phù hợp với nghiên cứu của Judd (2006) khi cho rằng
đối với hệ MBR – Aeroten truyền thống, hoá chất làm sạch màng thường
dùng là hypochlorite (NaOCl). Cũng theo nghiên cứu này, để làm sạch màng
cần ngâm màng trong thời gian dài, thường một chu kỳ là 30 – 60 phút, ở
các nồng độ trung bình của NaOCl là 200 – 500 mg/L (Judd, 2006). Tuy
nhiên, trong nghiên cứu của luận án, với thời gian ngâm màng 60 phút trong
dung dịch NaOCl 500 mg/L, màng vẫn chưa được phục hồi hoàn toàn. Do
đó, cần tăng thời gian ngâm màng và nồng độ dung dịch NaOCl...............133
Kết quả áp suất qua màng khi khảo sát thời gian ngâm với các nồng độ
NaOCl khác nhau được thể hiện trong Bảng 3.12........................................134
Bảng 3.12. Áp suất qua màng sau khi ngâm màng với các nồng độ NaOCl
khác nhau ........................................................................................................134
Áp suất qua màng (-cmHg).............................................................................134
NaOCl (mg/L)..................................................................................................134
Thời gian .........................................................................................................134
ngâm (giờ)........................................................................................................134
500 134
1000...................................................................................................................134

2000...................................................................................................................134
3000...................................................................................................................134
1

134

7


3

134

1,5 134
1

134

1

134

2

134

2

134

0,3 134
0,3 134
0,3 134
Qua kết quả thể hiện trong Bảng 3.12 thấy rằng, áp suất qua màng gần phục
hồi như ban đầu sau khi ngâm màng 1 giờ trong dung dịch NaOCl. Cụ thể,
áp suất qua màng giảm từ 5 xuống 3 cmHg với nồng độ NaOCl 500 mg/L.
Khi ngâm màng với các nồng độ NaOCl cao hơn (1000 – 3000 mg/L), áp suất
qua màng giảm xuống còn 1,5 và 1 cmHg. Tuy nhiên, áp suất qua màng vẫn
chưa được phục hồi như lúc ban đầu. ...........................................................135
Khi tăng thời gian ngâm màng trong dung dịch NaOCl lên 2 giờ, áp suất
qua màng có xu hướng giảm. Áp suất qua màng hồi phục như ban đầu, đạt
0,3 cmHg ở các nồng độ NaOCl 1000, 2000 và 3000 mg/L. Do đó, để tiết
kiệm hóa chất nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả làm sạch màng, điều kiện ngâm
màng 2 giờ trong dung dịch NaOCl 1000 mg/L đã được lựa chọn..............135
Quy trình rửa màng bằng dung dịch NaOCl:...............................................135
Màng lọc được di chuyển ra khỏi hệ thống, tiến hành làm sạch bằng cơ học;
135
Chuẩn bị dung dịch NaOCl 1000 mg/L: pha 0,4 L NaOCl 10% vào 40 L
nước sạch;........................................................................................................135
Đặt màng vào trong bể hóa chất và ngâm 2 giờ;...........................................135
Chạy lại màng trong bể nước sạch 30 phút với năng suất lọc 12 L/m2.h,
không cần sục khí;...........................................................................................135

8


Nếu áp suất qua màng đạt giá trị như màng ban đầu thì dừng quá trình làm
sạch màng. Nếu áp suất qua màng cao hơn thì tiếp tục rửa và ngâm màng
bằng hóa chất như trên;..................................................................................135
Lắp màng trở lại hệ thống..............................................................................135

Kết quả chạy lại màng lọc trong bể hiếu khí sau khi đã làm sạch được thể
hiện trên Hình 3.28..........................................................................................135
136
Hình 3.28. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian sau khi làm sạch
bằng NaOCl.....................................................................................................136
Qua số liệu thể hiện trên Hình 3.28 cho thấy, áp suất qua màng đạt 32
cmHg sau khoảng thời gian 43 ngày hoạt động. Với màng lúc đầu, áp suất
qua màng đạt 31 cmHg sau 45 ngày. Kết quả này cho thấy khả năng làm
việc của màng sau khi làm sạch đã được phục hồi gần như lúc ban đầu. Tuy
nhiên, nhiều nghiên cứu về màng cho thấy, sau mỗi lần rửa màng, thời gian
làm việc của màng có xu hướng suy giảm. Kết quả trong nghiên cứu của
Kornboonraksa và Lee (2009) cũng tương tự như trong nghiên cứu. Sau thời
gian 40 ngày hoạt động, áp suất qua màng đạt 30 cmHg. Tuy nhiên, sau khi
làm sạch màng bằng hóa chất, chỉ sau 20 ngày hoạt động, áp suất qua màng
đã tăng lên 30 cmHg. Đây là vấn đề không tránh khỏi khi sử dụng màng lọc.
Do đó, phương pháp tối ưu nhất là tối ưu các điều kiện làm việc của màng
trong bể sinh học, để hạn chế hiện tượng tắc nghẽn màng lọc, duy trì thời
gian làm việc của màng lâu dài.......................................................................136
3.87. Sản lượng bùn dư trong hệ thống lọc màng.........................................136
3.8. Quá trình lọc màng và xử lý tắc nghẽn màng lọc...................................140
3.8.1. Quá trình lọc màng và hiện tượng tắc nghẽn màng lọc.....................140
3.8.2. Phương pháp khắc phục tắc nghẽn màng lọc....................................142
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................150
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ..............153
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.......................................................................153

9


TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................155

10


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AO

Thiếu Yếm khí kết hợp hiếu khí (Anaerobic Oxic)

AUBF

Dòng Bể với giá thể yếm khí dòng chảy ngược chảy ngược

Anammox

qua giá thể yếm khí (Anaerobic Upflow Bed Filter)
Phản ứng ôxy hóa yếm khí amoni (Anaerobic Ammonium

BNNPTNT

Oxdation)
Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nnông thôn

BOD

Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biological Biochemical Oxygen

BHT

Demand)
Bùn hoạt tính

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

COD

Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

DO

Ôxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

HRT

Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time)

JICA

Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International

MBR

Cooperation Agency)
Bể sinh học kết hợp lọc màng (Membrane Bioreactor)

MLSS

Hàm lượngNồng độ chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp chất

MLVSS

lỏng/rắn/huyền phù (Mixed Liquor Suspended Solids)
Nồng độ Hàm lượng chất rắn dễ bay hơi trong hỗn hợp chất
lỏng/rắn/huyền phù (Mixed Liquor Volatile Suspended

Ncs

Solids)
Nhóm cộng sự

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

SBR

Bể phản ứng gián đoạn theo mẻhoạt động theo mẻ kế tiếp
(Sequencing Batchio Rreactor)

11


SS

Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid)

SRT

Thời gian lưu bùn (Solid Retention Time)

SVI

Chỉ số thể tích lắng của bùn (Sludge Volume Index)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TN

Tổng nitơ

TP

Tổng phôtpho

UASB

Dòng chảy ngược qua tầng bùn yếm khíBể với lớp bùn
yếm khí dòng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge

VSV

Blanket)
Vi sinh vật

XLNT

Xử lý nước thải

12


DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG 1.1. SỰ THAY ĐỔI VỀ SỐ LƯỢNG VẬT NUÔI TRONG GIAI
ĐOẠN 2012 – 2015..............................................................................................7
BẢNG 1.2. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA PHÂN LỢN TỪ 70 – 100 KG.9
BẢNG 1.3. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC TIỂU LỢN CÓ KHỐI
LƯỢNG 70 – 100 KG........................................................................................10
BẢNG 1.4. HIỆU SUẤT XỬ LÝ CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC
COOPER COUNTY HOG FARM, AUSTRALIA.........................................13
BẢNG 1.5. HIỆU SUẤT VÀ TẢI LƯỢNG XỬ LÝ CỦA HỆ THỐNG ĐẤT
NGẬP NƯỚC Ở LEPING, TRUNG QUỐC...................................................14
BẢNG 2.1. ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI VẬT LIỆU MÀNG ..............................46
BẢNG 2.2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG........49
BẢNG 3.1. ĐẶC ĐIỂM NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SỬ DỤNG
TRONG NGHIÊN CỨU...................................................................................71
BẢNG 3.2. ĐỘ BỀN KÉO CỦA CÁC LOẠI VẬT LIỆU MÀNG.................81
BẢNG 3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LƯU NƯỚC TRONG BỂ
YẾM KHÍ ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ COD.....................................................90
BẢNG 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LƯU NƯỚC TRONG BỂ
HIẾU KHÍ ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ COD VÀ NH4+-N..............................91
BẢNG 3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LƯU NƯỚC TRONG BỂ
THIẾU KHÍ ......................................................................................................92
ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ NO3- - N VÀ COD................................................92
BẢNG 3.6. LƯU LƯỢNG ĐẦU VÀO CÁC BỂ .............................................96
BẢNG 3.7. THỜI GIAN LƯU NƯỚC TRONG CÁC BỂ VÀ TOÀN HỆ VỚI

CÁC LƯU LƯỢNG ĐẦU VÀO KHÁC NHAU..............................................96
BẢNG 3.8. LƯU LƯỢNG VÀO CÁC BỂ VỚI CÁC TỶ LỆ TUẦN HOÀN
NƯỚC KHÁC NHAU.....................................................................................101
BẢNG 3.9. THỜI GIAN LƯU NƯỚC TRONG CÁC BỂ VÀ TOÀN HỆ VỚI
CÁC TỶ LỆ TUẦN HOÀN NƯỚC KHÁC NHAU......................................102

13


BẢNG 3.10. MẬT ĐỘ COLIFORM TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ.........128
BẢNG 3.11. ĐỘ ĐỤC CỦA NƯỚC THẢI TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ
..........................................................................................................................129
BẢNG 3.12. ÁP SUẤT QUA MÀNG SAU KHI NGÂM MÀNG VỚI CÁC
NỒNG ĐỘ NAOCL KHÁC NHAU ..............................................................143
DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH 1.1. MÔ HÌNH LUDZACK – ETTINGER .........................................19
HÌNH 1.2. MÔ HÌNH BARDENPHO .............................................................19
HÌNH 1.3. SƠ ĐỒ HỆ THỐNG NIX-MBR-HT..............................................23
HÌNH 1.4. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ MBR TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI ....................................................................................................33
HÌNH 2.1. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............48
HÌNH 2.2. SƠ ĐỒ HỆ THỐNG NUÔI BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ........51
HÌNH 2.3. MÔĐUN MÀNG TẤM PHẲNG ĐÃ ĐƯỢC LẮP GHÉP ..........52
HÌNH 2.4. KHUNG ĐẦU GẮN MÀNG VÀ ĐĨA ĐỤC LỖ...........................53
HÌNH 2.5. MÔĐUN MÀNG SỢI RỖNG.........................................................54
HÌNH 2.6. KHUNG ĐỠ MÔĐUN MÀNG......................................................55
HÌNH 2.7. MÔĐUN MÀNG SỢI RỖNG ĐÃ ĐƯỢC LẮP GHÉP................55
HÌNH 2.8. MÔ HÌNH BỂ HIẾU KHÍ TÍCH HỢP MÀNG LỌC..................57
HÌNH 2.9. MỘT SỐ HÌNH THÁI MÔĐUN MÀNG LỌC DẠNG SỢI
RỖNG ĐÃ ĐƯỢC LẮP GHÉP .......................................................................58

HÌNH 2.10. SƠ ĐỒ CẤU TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ......................................63
HÌNH 2.11. SƠ ĐỒ CẤU TẠO BỂ THIẾU KHÍ VÀ HÌNH ẢNH GIÁ THỂ
SỬ DỤNG TRONG BỂ.....................................................................................65
HÌNH 3.1. SỰ THAY ĐỔI MLSS VÀ SVI THEO THỜI GIAN..................73
HÌNH 3.2. SỰ THAY ĐỔI CỦA MLSS VÀ TỈ SỐ MLVSS/MLSS THEO
THỜI GIAN ......................................................................................................74
HÌNH 3.3. SỰ THAY ĐỔI CỦA PH THEO THỜI GIAN LƯU .................75

14


HÌNH 3.4. SỰ THAY ĐỔI CỦA COD VÀ HIỆU SUẤT XỬ LÝ COD THEO
THỜI GIAN.......................................................................................................77
HÌNH 3.5. SỰ THAY ĐỔI CỦA NỒNG ĐỘ NH4+ - N VÀ HIỆU SUẤT XỬ
LÝ THEO THỜI GIAN....................................................................................78
HÌNH 3.6. SỰ THAY ĐỔI ÁP SUẤT QUA MÀNG DẠNG TẤM PHẲNG
THEO THỜI GIAN VỚI TỪNG LOẠI VẬT LIỆU MÀNG KHÁC NHAU
............................................................................................................................80
HÌNH 3.7. CÁC HÌNH THÁI MÔ ĐUN MÀNG LỌC SỢI RỖNG .............82
HÌNH 3.87. SỰ THAY ĐỔI ÁP SUẤT QUA MÀNG THEO THỜI GIAN
VỚI CÁC HÌNH THÁI MÔĐUN MÀNG SỢI RỖNG KHÁC NHAU.........82
HÌNH 3.98. SỰ THAY ĐỔI ÁP SUẤT QUA MÀNG THEO THỜI GIAN
VỚI CƯỜNG ĐỘ SỤC KHÍ KHÁC NHAU...................................................84
HÌNH 3.109. SỰ THAY ĐỔI ÁP SUẤT QUA MÀNG THEO THỜI GIAN
PHỤ THUỘC VÀO NĂNG SUẤT LỌC ........................................................86
HÌNH 3.110. SỰ THAY ĐỔI ÁP SUẤT QUA MÀNG THEO THỜI GIAN
PHỤ THUỘC VÀO NỒNG ĐỘ BHT KHÁC NHAU.....................................88
HÌNH 3.1211. MÔ HÌNH HHỆ XỬ LÝ SINH HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG
QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM..................................................................95
HÌNH 3.1312. HIỆU SUẤT XỬ LÝ COD THEO CÁC LƯU LƯỢNG ĐẦU

VÀO KHÁC NHAU..........................................................................................97
HÌNH 3.1413. HIỆU SUẤT XỬ LÝ NH4+-N THEO CÁC LƯU LƯỢNG
ĐẦU VÀO KHÁC NHAU.................................................................................99
HÌNH 3.1514. DIỄN BIẾN NH4+-N VÀ NO3- -N VỚI CÁC TỶ LỆ DÒNG
TUẦN HOÀN NƯỚC KHÁC NHAU............................................................103
HÌNH 3.1615. HIỆU SUẤT KHỬ NO3- -N VỚI CÁC TỶ LỆ DÒNG TUẦN
HOÀN KHÁC NHAU.....................................................................................105
HÌNH 3.17165. SƠ ĐỒ KHỐI MÔ HÌNH HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CHĂN NUÔI LỢN QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM...............................107

15


HÌNH 3.18176. SỰ THAY ĐỔI PH TRONG CÁC BỂ XỬ LÝ THEO THỜI
GIAN................................................................................................................108
HÌNH 3.19187. SỰ THAY ĐỔI COD QUA CÁC BỂ THEO THỜI GIAN 110
HÌNH 3.20198. SỰ THAY ĐỔI NH4+ -N QUA CÁC BỂ THEO THỜI
GIAN................................................................................................................114
HÌNH 3.212019. DIỄN BIẾN TỶ SỐ NH4+ - N/MLSS THEO THỜI GIAN
..........................................................................................................................115
HÌNH 3.22210. SỰ THAY ĐỔI NOX--N ĐẦU RA THEO THỜI GIAN....117
HÌNH 3.23221. HIỆU SUẤT XỬ LÝ TN THEO THỜI GIAN....................119
HÌNH 3.24232. SỰ THAY ĐỔI TP QUA CÁC BỂ THEO THỜI GIAN....121
HÌNH 3.25243. QUAN HỆ GIỮA TẢI LƯỢNG ĐẦU VÀO VÀ NĂNG
SUẤT XỬ LÝ COD.........................................................................................126
HÌNH 3.26254. QUAN HỆ GIỮA TẢI LƯỢNG VÀ NĂNG SUẤT XỬ LÝ
AMONI............................................................................................................128
HÌNH 3.29265. SƠ ĐỒ BIỂU DIỄN CÂN BẰNG KHỐI LƯỢNG TRONG
BỂ MBR...........................................................................................................137
HÌNH 3.276. BIẾN THIÊN ÁP SUẤT QUA MÀNG THEO THỜI GIAN. 140

HÌNH 3.287. SỰ THAY ĐỔI ÁP SUẤT QUA MÀNG THEO THỜI GIAN
SAU KHI LÀM SẠCH BẰNG NAOCL........................................................144

16


1


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Những năm gần đây, sự tăng trưởng nhanh của ngành chăn nuôi tại Việt

Nam, đã góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế của đất nước. Tuy nhiên,
bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, ngành chăn nuôi đã và đang làm cho môi
trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của
cộng đồng dân cư và hệ sinh thái tự nhiên do nước thải từ các trang trại đưa vào
nguồn tiếp nhận nhưng chưa qua xử lý hoặc chỉ xử lý bằng các biện pháp đơn lẻ,
không hiệu quả, không đạt tiêu chuẩn xả thải. Trong số đó, phải kể đến nguồn
nước thải từ các trang trại chăn nuôi lợn với hàm lượng của các chất hữu cơ, chất
rắn lơ lửng, chất dinh dưỡng nitơ (N), phôtpho (P) và vi sinh vật (VSV) gây bệnh
cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn xả thải cho phép. Trên thực tế, ở nước ta
cho đến nay vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua. Do đó,
việc xử lý một khối lượng lớn nước thải phát sinh từ ngành chăn nuôi gia súc là
nhu cầu cấp thiết của ngành công nghiệp môi trường.
Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi như: phương pháp sinh
học (công nghệ bùn hoạt tính (BHT), phân hủy yếm khí, thực vật thủy sinh);
phương pháp hóa lý; phương pháp đất ngập nước; ... đã được nghiên cứu, áp

dụng. Các phương pháp này hoặc là gây tốn kém về chi phí hóa chất, hoặc là yêu
cầu thời gian lưu nước dài (20 – 30 ngày) và sử dụng diện tích đất lớn. Ngoài ra,
do nồng độ các thành phần N và P trong nước thải chăn nuôi quá lớn, nên hầu
như các phương pháp này vẫn chưa thể xử lý triệt để được các chất ô nhiễm này.
Tại các nước phát triển việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý
nước thải (XLNT) có tải trọng ô nhiễm cao như chăn nuôi đã được nghiên cứu,
ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua. Để tăng hiệu quả xử lý đối với các
nguồn thải này, việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng (gọi tắt là
công nghệ MBR) đang được coi là giải pháp và hướng đi phù hợp hiện nay trên
thế giới. Dựa trên khả năng tách loại pha rắn – lỏng rất tốt của màng lọc nên đã
làm tăng được nồng độ vi sinh trong bể xử lý, đặc biệt đối với các vi khuẩn có

2


tốc độ sinh trưởng thấp như Nitrosomonas, Nitrobacter (oxy ôxy hóa ammoni
thành NOx-), dẫn đến có thể tăng hiệu suất xử lý nitơ cao hơn 60% so với công
nghệ BHT truyền thống, đồng thời việc sử dụng màng lọc cũng có thể loại bỏ vi
khuẩn gần như tuyệt đối . Ngoài ra, công nghệ này có khả năng xử lý BOD5,
COD, SS và P trong nước thải chăn nuôi lợn, với hiệu suất đạt được rất cao . Tuy
nhiên, do tải lượng các chất ô nhiễm trong nguồn nước thải chăn nuôi đầu vào
thường xuyên thay đổi, cho nên rất khó kiểm soát được sự ổn định chất lượng
nước đầu ra sau quá trình xử lý. Bên cạnh đó, việc khắc phục hiện tượng tắc
nghẽn màng lọc, thường xảy ra khi vận hành hệ thống MBR, đòi hỏi màng lọc
phải được làm sạch bằng hóa chất hoặc thay mới . Do đó, làm cho giá thành vận
hành hệ thống XLNT bằng công nghệ này tăng cao.
Chính vì vậy, để có thể bố trí các đơn nguyên phù hợp trong hệ thống công
nghệ MBR và xác định được các điều kiện vận hành tối ưu nhằm khắc phục được
các tồn tại trên, để xử lý hiệu quả nước thải chăn nuôi khi áp dụng công nghệ
này, thì việc lựa chọn và thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước thải

chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng” là rất cần thiết. Các
kết quả của nghiên cứu này sẽ góp phần trong việc tìm kiếm phương pháp hiệu
quả XLNT chăn nuôi, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, góp phần phát triển
công nghiệp hóa ngành chăn nuôi theo Quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16
tháng 1 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng được mô hình hệ thống XLNT chăn nuôi lợn bằng phương pháp

sinh học kết hợp lọc màng đáp ứng tiêu chuẩn xả thải loại B theo QCVN 0179:2011/BNNPTNT;
- Xác định được các điều kiện vận hành tối ưu cho mô hình hệ thống đã xây
dựng để đảm bảo không chỉ giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc, mà còn đáp ứng các
tiêu chuẩn xả thải đối với nguồn nước thải này.
3.

Luận điểm khoa học
Nghiên cứu này được đặt ra, dựa trên một số luận điểm sau:

3


Nước thải chăn nuôi lợn là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng
gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ
lửng, nitơ, phôtpho và vi sinh vật gây bệnh. Trước đây, cũng đã có nhiều công
trình nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sử dụng các phương pháp như:
phương pháp sinh học, phương pháp keo tụ, phương pháp hóa học, sử dụng hệ
thống đất ngập nước, … tuy nhiên các phương pháp này có hiệu quả xử lý chưa
cao, thời gian vận hành kéo dài, sử dụng diện tích đất lớn;
Ở Việt Nam, công nghệ lọc màng đã được ứng dụng trong XLNT như nước

thải bệnh viện, nước sinh hoạt, nước thải công nghiệp, … tuy nhiên hầu hết mới
được thử nghiệm và sử dụng trong các trường hợp có hàm lượng chất rắn lơ lửng
và các chất ô nhiễm thấp. Đối với các nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm cao
như nước thải chăn nuôi lợn thì các nghiên cứu sử dụng công nghệ tiềm năng này
còn rất khiêm tốn;
Việc kết hợp cả phương pháp vật lý, sinh học và lọc màng sẽ khắc phục
được các hạn chế mà các phương pháp khác còn tồn tại không giải quyết được
như: xử lý được cả các hợp chất hữu cơ hòa tan, nitơ, phốtpho, chất rắn lơ lửng
cũng như các loại vi khuẩn gây bệnh một cách hiệu quả; thời gian lưu ngắn;
không cần bể lắng bùn; không sử dụng hóa chất cho quá trình xử lý; giảm thiểu
các sản phẩm ô nhiễm thứ cấp đồng thời có thể tiết kiệm chi phí cho quá trình xử
lý.
Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng
sẽ là định hướng tiềm năng áp dụng trong XLNT chăn nuôi.
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Phân tích, đánh giá đặc tính nước thải chăn nuôi khu vực
nghiên cứu;
Nội dung 2: Khảo sát sự thích nghi và đánh giá đặc tính BHT với nước thải
chăn nuôi;

4