đánh giá và đề xuất phương pháp cải tiến hệ thống xử lý nước thải phòng thí nghiệm sinh học phân tử khoa công nghệ sinh học đại học mở tp hcm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP. HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Đánh giá và đề xuất phương pháp cải tiến
Hệ thống xử lý nước thải phịng thí nghiệm
Sinh học Phân tử Khoa Công Nghệ sinh học
Đại học Mở tp.HCM
Mã số: T2011-32K-04

Chủ nhiệm đề tài: Thạc sĩ Vũ Thụy Quang

TP. HCM, 11/2015

1


Các thành viên
tham gia đề tài

Họ và tên : Vũ Thụy Quang

Học vị: Thạc sĩ

Chủ nhiệm đề tài
Đơn vị : Khoa Công nghệ sinh học

E-mail:

Họ và tên : Nguyễn Thị Mỹ

Học vị: Cử Nhân

Thành viên tham gia đề tài
Đơn vị : Thư viện Đại học Mở

E-mail:

2


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
CHƯƠNG I : ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 7
CHƯƠNG II : TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................ 8
1.Giới thiệu về công nghệ màng lọc ...................................................................................... 8
2.Lịch sử ................................................................................................................................ 9
3.Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học...................................................................... 10
4.Quá trình hoạt động bùn hoạt tính ...................................................................................... 12
5.Cơng nghệ màng lọc ........................................................................................................... 15
6.Giới thiệu về RO ................................................................................................................. 32
7.Nguyên lý hoạt động của công nghệ màng lọc RO ............................................................ 34
CHƯƠNG III : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG .............. 37
1.Các hóa chất sử dụng ở PTN và thải qua đường nước thải ................................................ 37
2.Thiết kế và lắp đặt hệ thống ............................................................................................... 38
3.Phương pháp bảo trì ........................................................................................................... 40
CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................ 50

1.Kết luận ............................................................................................................................... 50
2.Kiến nghị ............................................................................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHẦN PHỤ LỤC

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam.
TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam.
BOD : Biological Oxygen Demand – Nhu cầu oxy sinh học.
COD : Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa học.
DO : Dissolved Oxygen – Nồng độ oxy hòa tan.
SS : Suspended Solids – Chất rắn lơ lửng.
RO : màng lọc thẩm thấu ngược.
BVMT: Bảo vệ môi trường.
KCX : Khu chế xuất.
XLNT : Xử lý nước thải.
BTNMT : Bộ tài nguyên và môi trường.
KCN : Khu công nghiệp.
UBND : Ủy ban nhân dân.
CNSH : Công nghệ sinh học.

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 : So sánh các quá trình xử lý ........................................................................................... 11

Bảng 2 : So sánh xử lý sinh học kị khí sinh học và hiếu khí ....................................................... 13
Bảng 3 : Các dạng màng và cấu tạo màng lọc ............................................................................ 22
Bảng 4 : So sánh cấu hình cơng nghệ màng lọc .......................................................................... 22
Bàng 5 : So sánh cấu hình cơng nghệ màng lọc .......................................................................... 23
Bảng 6 : Danh sách đại diện hóa chất làm sạch .......................................................................... 27
Bảng 7 : Lịch sử và thực tại của công nghệ màng lọc ................................................................. 28
Bảng 8 : Khả năng xử lý các hóa chất bằng cơng nghệ màng lọc RO ....................................... 33
Bảng 9 : Các hóa chất phịng thí nghiệm có trong nước thải trước khi xử lý ............................. 39
Bảng 10 : Sự thay đổi pH theo thời gian ..................................................................................... 45
Bảng 11 : Sự thay đổi EC theo thời gian ..................................................................................... 47
Bảng 12 : Sự thay đổi COD theo thời gian.................................................................................. 48

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Cơng nghệ Crossflow filtration ...................................................................................... 13
Hình 2: Microfiltration (Vi lọc) và Ultrafiltration (siêu lọc)....................................................... 14
Hình 3: Ultrafiltration (Siêu lọc) ................................................................................................. 14
Hình 4: Q trình cơng nghệ lọc màng ....................................................................................... 15
Hình 5: Hệ thống xử lý nước bằng bùn hoạt tính ........................................................................ 15
Hình 6: MF và UF ....................................................................................................................... 16
Hình 7: Tấm và khung ................................................................................................................. 17
Hình 8: Phần tử màng dạng bảng ................................................................................................ 17
Hình 9: Thiết bị ống chùm ........................................................................................................... 18
Hình 10: Minh họa ống xoắn ....................................................................................................... 18
Hình 11: Bó màng hình chữ U..................................................................................................... 20
Hình 12: Màng hình chữ V .......................................................................................................... 20
Hình 13 : Bó sợi màng 2 đầu ....................................................................................................... 21
Hình 14 : Cả hai đầu màng bó linh hoạt ...................................................................................... 21

Hình 15 : Sơ đồ cơng nghệ màng lọc bên ngoài và màng nhúng bên trong ................................ 24
Hình 16: Màng lọc nhúng chìm ................................................................................................... 25
Hình 17 : Sơ đồ minh họa quá trình tắc nghẽn màng ................................................................. 25
Hình 18 : Các yếu tố ảnh hưởng tới tắc nghẽn màng trong q trình cơng nghệ màng lọc ....... 26
Hình 19 : Quá trình thẩm thấu ngược RO và thẩm thấu ở màng UF .......................................... 30
Hình 20 : Các tạp chất khơng qua được lỗ lọc ............................................................................ 32
Hình 21 : Các loại cột lọc tiền xử lý trước công nghệ màng ....................................................... 33
Hình 22 : Cơ cấu lọc màng thẩm thấu ngược RO ....................................................................... 35
Hình 23 : So sánh kích thước giữa các phân tử, vi khuẩn, virus qua màng lọc RO .................... 36
Hình 24 : Minh họa màng UF ...................................................................................................... 38
Hình 25 : Bản vẽ thiết kế hệ thống xử lý nước thải PTN ............................................................ 40
Hình 26 : Chuẩn bị trang thiết bị cơng nghệ ............................................................................... 41
Hình 27 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH theo thời gian ........................................................... 45
Hình 28 : Cấu trúc sợ màng UF ................................................................................................... 46
Hình 29 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi EC theo thời gian ........................................................... 47
Hình 30 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian ........................................................ 81
6


Chương 1: Đặt vấn đề
---o00--Đề tài này là một hướng đề nghị mới về việc xử lý nước thải tại phịng thí nghiệm Sinh
học phân tử - Khoa Cơng nghệ sinh học nhằm nâng cao chất lượng nước thải đầu ra và có
khả năng tái sử dụng nước thải sau khi lọc trong sinh hoạt thường ngày trong nhà trường.
Do tính chất và chức năng của lĩnh vực sinh phân tử mà hiện tại hệ thống cũ không đáp
ứng đủ nhu cầu xử lý và gây ra nhiều bất tiện trong quá trình nghiên cứu như phải vận
chuyển nước thải độc hại về cơ sở Bình Dương để xử lý gây mất thời gian và chi phí vận
chuyển làm ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu và hàm lượng nước thải ra có thể chưa
đảm bảo QCVN.
•

Nâng cao chất lượng nước thải ra mở ra một định hướng mới về khả năng tái sử dụng

trong thực tế, nước dùng cho vệ sinh, góp phần giảm chi phí sử dụng nước của nhà trường.
•

Giảm tác hại của dư lượng chất thải còn dư ảnh hưởng đến sức khỏe dân cư xung

quanh và những người đang làm việc tại phịng thí nghiệm khi nước thải được thải vào
mơi trường.
•

Làm tiền đề để có thể nhân rộng mơ hình xử lý nước này ra các cơ sở khác trong

trường.
Sau khi tiến hành, phòng thí nghiệm sinh phân tử sẽ có một hệ thống xử lý tốt, đảm bảo
chất lược nước thải đầu ra trước khi được thải vào môi trường. Đảm bảo cho sức khỏe của
người dân và người làm việc trong phòng thí nghiệm. Giúp cho nhà trường có thể nhanh
chóng giảm thiểu chi phí sử dụng nước và có thể nhân rộng mơ hình xử lý này ở những cơ
sở khác.

7


Chương 2: Tổng quan tài liệu
---o0o--1. Giới thiệu về công nghệ màng lọc:
Cơng nghệ màng lọc mới đặc biệt vì nó kết hợp một trong những cơng nghệ mới nhất,
chụi áp lực điều khiển sự phân tách qua màng, với cơng nghệ xử lý nước cũ thì làm giảm
sự phân hủy sinh học (phân hủy sinh học: bioremediation), việc sử dụng các vi khuẩn tự
nhiên làm xuất hiện quá trình phân hủy các chất gây ô nhiễm sinh học.
Công nghệ màng lọc hữu cơ, còn được gọi chung là sự kết hợp xử lý bằng bùn hoạt tính

kèm theo việc tách các bùn sinh học bằng bộ vi lọc hoặc các màng siêu lọc với kích thước
lỗ khác nhau, từ 0.010μ (10 nm) đến 0.500μ (500 nm) để sản xuất tràn ngập (xử lý nước
thải) với BOD và COD thấp, miễn phí thêm các hạt vật liệu và vi khuẩn Coliform. Màng
dùng thay thế cho các bộ lắng cuối, thông thường được sử dụng trong xử lý bùn hoạt tính,
mà các chất rắn thu được bằng tách trọng lực.
Các màng chắn vật lý được đặt trong hệ thống để cung cấp màng lọc khử trùng, hầu hết
nước thải điều được xử lý. Cho phép hoạt động ở nồng độ bùn cao hơn do đó làm giảm
các ảnh hưởng đến nhu cầu hoặc sản lượng bùn cặn.
Một số đánh giá cho thấy công nghệ màng lọc phát triển ở một tốc độ 25% mỗi năm.
Khi xem xét số lượng lớn các các ứng dụng phân hủy sinh học và hiện tại đang nhấn mạnh
về phục hồi và tái sử dụng nước thải.
Ứng dụng cơng nghệ màng lọc bao gồm:
• Các dự án xây dựng Khu dân cư
Nhà riêng
Khu nhà tập trung
Các tịa nhà căn hộ/chung cư cao tầng
• Các dự án thương mại
• Các khu khai thác mỏ và lắp đặt từ xa
• Đáp ứng khẩn cấp
• Lắp đặt trong quân đội
• Cơng trình thể thao
• Các khu giải trí
• Trường học
8


• Trung tâm thương mại
• Các khu văn phòng
Trong thực tế, tất cả các nhà máy xử lý nước thải đơ thị tận dụng lợi thế của vi khuẩn
có trong tự nhiên phân hủy chất gây ô nhiễm hữu cơ như một phần trong hoạt động trao

đổi chất bình thường của nó.
Trong cơng nghiệp, nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm, thực vật… mà
thường cao trong BOD (nhu cầu oxy sinh học) được xử lý bằng xử lý sinh học.
Chi tiết đầu tiên công nghệ xử lý sinh học và sau đó xác định cơng nghệ màng. Phần
cịn lại sẽ được dành cho một mơ tả đầy đủ của công nghệ màng lọc.
2. Lịch sử
Màng sinh học đã được giới thiệu vào cuối những năm 1960, với quy mô thương mại
bộ vi lọc và siêu lọc màng có mặt trên thị trường. Q trình ban đầu được giới thiệu bởi
Dorr-Oliver, bằng sự kết hợp: việc sử dụng phản ứng sinh học của bùn hoạt tính với các
màng lọc giao nhau. Các tấm màng được sử dụng trong q trình này bằng polyme với
kích thước lỗ từ 0,003 đến 0.01μm. Do điều kiện hạn hẹp nên ở công nghệ màng lọc ban
đầu, chúng chỉ thích hợp với một số nơi như là nhà xe di dộng hay nhà nghỉ.
Bước đột phá cho công nghệ màng lọc mở ra năm 1989 với ý tưởng của Yamamoto và
đồng nghiệp nhúng chìm màng trong bể phản ứng sinh học. Cho đến lúc đó, cơng nghệ
màng lọc được thiết kế với các thiết bị màng nằm bên ngoài bể phản ứng (sidestream công
nghệ màng lọc) và dựa trên áp lực màng cao (TMP) để duy trì bộ lọc. Với màng nằm chìm
trong các bể phản ứng sinh học, hệ thống công nghệ màng lọc ngập nước thường được để
với cấu hình bên ngoài, đặc biệt là xử lý nước thải thành phố.
Nhờ có các bong bóng khí giúp cho việc trộn lẫn nước thải và hạn chế việc lắng tụ gây
ô nhiễm. Năng lượng của hệ thống màng ngập nước có thể lên gấp 2 lần cường độ so với
các hệ thống Sidestream màng lọc và hệ thống ngập nước hoạt động ở dịng thấp hơn, địi
hỏi nhiều diện tích bề mặt màng hơn. Trong phương pháp này, sục khí được coi là một
trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến việc phân huỷ sinh học và thủy động lực học.
Việc sục khí giúp ổn định lượng huyền phù và cung cấp oxi cần thiết cho việc phân huỷ
bằng vi sinh vật.
Chi phí hoạt động thấp hơn thu được với việc cấu hình ngập nước cùng với giảm chi
phí màng đã dẫn đến sự gia tăng trong lắp đặt công nghệ màng từ giữa thập niên 90. Kể từ

9

đó, cải thiện hơn nữa trong việc thiết kế và hoạt động đã được giới thiệu và đưa vào nhà
máy lớn hơn.
Nhờ vào những điều kiện công nghệ mới, việc chuyển ơxy và các chi phí bơm trong
cơng nghệ màng lọc đã có xu hướng giảm và bảo trì đơn giản. Thời gian lưu nước điển
hình (HRT) khoảng từ 3 đến 10 giờ. Về cấu hình màng tế bào, chủ yếu là sợi rỗng màng
tấm phẳng được áp dụng cho các thiết kế công nghệ màng lọc, tuy nhiên, các thiết bị hình
ống và thậm chí xoắn ốc vẫn đang được sử dụng.
3. Xử lý nước thải bằng quá trình sinh học
Tất cả các quá trình xử lý sinh học đều tận dụng nguồn vi sinh vật có trong nước thải,
và nguồn vi sinh vật này cũng dùng nguồn chất thải có trong nước thải để làm thức ăn,
nhờ vậy mà giảm bớt đi phần nào hàm lượng chất thải có trong nước thải.
Tất cả các q trình sinh học xử lý nhờ khả năng đặc biệt của vi khuẩn để sử dụng các
thành phần nước thải khác nhau cung cấp năng lượng cho sự trao đổi chất của vi sinh vật
và những sinh khối để tổng hợp tế bào. Hoạt động có thể loại bỏ các nguyên liệu, hoặc
phân hủy gần như các hợp chất hữu cơ.
Khi biết được các thành phần trong nước thải là yếu tố cần thiết để chuẩn bị cho việc
xử lý nước thải. Trong các nhà máy lọc dầu, ví dụ, dư lượng đáng kể chất tẩy rửa có trong
nước thải quá nhiều có thể sẽ gây ảnh hưởng tới hệ thống vì nó kéo theo sự gia tăng của
chỉ số COD. Một vấn đề khác có thể là một sự gia tăng đáng kể hàm lượng amoniac và
sulfide, đó là kết quả sự rối loạn trong hoạt động chuyển hóa. Những ảnh hưởng này có
thể phá vỡ hệ thống xử lý sinh học nếu hệ thống khơng có khả năng xử lý ammoniac và
sulfide.
Ngồi việc tìm hiểu nguồn gốc và thành phần của nước thải, người ta cũng phải nhận
thấy rẳng xử lý sơ cấp ban đầu là cần thiết để cho một hệ thống xử lý sinh học được hoạt
động hoàn thiện. Trong hầu hết các cơ sở dầu khí và hóa dầu, ví dụ, nước thải chưa qua xử
lý có chứa dầu, có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng và có ảnh hưởng nguy hại. Dầu có thể
bất hoạt hóa và tiêu diệt vi khuẩn, gây ra sự suy giảm trong hoạt động chuyển hố của vi
khuẩn, và có thể ảnh hưởng hiệu quả tạo oxy.
Một số nguyên nhân gây ra các vấn đề ở những nhà máy tinh luyện dầu là sự rối loạn

khơng kiểm sốt (tiềm tàng) của những thiết bị khử muối có thể gây ra hiện tượng tạo nhũ
tương từ nước/dầu do đó nó gây ảnh hưởng tiêu cực tới hệ thống xử lý sinh học. Để phòng
ngừa những vấn đề trên, các bước xử lý sơ cấp là cần thiết trước khi xử lý sinh học, ví dụ
10


như việc tách dầu ra khỏi nước, và dùng bể điều hoà để cân bằng hàm lượng thành phần
các chất có trong nước thải.
Ngay cả khi nước thải đã qua xử lý vẫn có thể chứa những chất khơng thể xử lý sinh
học được. Đó có thể là sự tập trung các thành phần cho yêu cầu thay đổi tiến trình xử lý để
nhằm đáp ứng tải trọng hợp lý. Thành phần của các hợp chất, nồng độ của các chất có
trong hợp chất và lưu lượng xả thải tối đa là chìa khố quan trọng để lựa chọn hệ thống xử
lý phù hợp. Điều này đúng cho dù nước thải được thải trực tiếp ra môi trường hay tới cơng
trình xử lý riêng lẻ (POTW) hoặc nếu nó được tái sử dụng tùy nghi.
Phương pháp xử lý sinh học có độ biến thiên rộng rãi, khác nhau, từ cơng nghệ màng
cố định hình bánh xe đến cơng nghệ ngập nước tiếp xúc sinh học như trình tự bể phản ứng
liên tục và hệ thống bùn hoạt tính có dịng chảy tiếp nối.
Cơng nghệ màng lọc sử dụng q trình bùn hoạt tính nó được mơ tả chi tiết dưới đây.
Bảng 1: So sánh các quá trình xử lý nước thải

Chỉ tiêu đánh giá

Dĩa

quay Phản

Bẫy

Sinh

học ứng

lọc

Kết
(RBC)

Màng Than hoạt
Sinh

dính Liên tục học
Theo mẻ

tính dạng
Bột Xử lý
(PACT)

Hiệu quả loại BOD

X

X

X

Hiệu quả loại COD

X

X

X

Chi phí O&M thấp

X

Sản sinh bùn thấp

X

X

X

Giá trị bùn hồn lại thấp

X

X

X

Hoạt động tốt: Mùa đông
Hoạt động tốt: Mùa hè

X

Hiệu quả tốt: Nước ở nhiệt độ cao

X

X

Hiệu quả tốt: Nước ở nhiệt độ thấp
Khả năng phục hồi nhanh

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Lưu ý hoạt động tối thiểu

X

X
X

X

Dễ mở rộng hệ thống

X

X

X

Hiệu suất Nitrat hóa

X

Dễ lắp đạt

X

11

X

X


Hiệu suất năng lượng

X

X

Khoảng không cần thiết tối thiểu

X

X

X

So sánh căn cứ trên nước thải có COD 600 mg/L và BOD 250 mg/L
4. Quá trình hoạt động của bùn hoạt tính
Q trình này cần có khơng khí hoặc oxi được đưa vào quá trình xử lý sơ cấp hoặc sàng
lọc hoặc nước thải công nghiệp, phản ứng với vi khuẩn để tăng sinh và giảm hàm lượng
hữu cơ trong nước thải. Bùn có thành phần rất đa dạng phần lớn bao gồm vi khuẩn
saprotrophic nhưng cũng có một hệ thực vật đơn bào quan trọng chủ yếu gồm các amip,
Spirotrichs, Peritichs, Vorticellids và các loài khác. Các thành phần quan trọng khác bao
gồm motile và rotifer.
Sự kết hợp giữa nước thải và sinh khối được gọi là mixed liquor. Chúng là 1 dạng bùn
hoạt tính điển hình, một khi nước thải đã được xử lý bằng bùn hoạt tính thì một phần bùn
có trong nước thải đó sẽ được đưa về nơi khác để tái hoạt hoá bùn. Các vi sinh vật có
trong đó lại để sử dụng xử lý nước thải
Có 3 loại xử lý nước thải bằng sinh học cơ bản: hiếu khí, kỵ khí và yếm khí: xử lý sinh
học hiếu khí là sự kết hợp giữa nước thải, vi khuẩn và oxi (trong khơng khí) trong bể phản
ứng để tối ưu hoá sự phát triển và hiệu quả của sinh khối. Vi sinh vật đóng vai trị như một
chất xúc tác cho q trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ sinh học và những chất gây ô
nhiễm khác như ammonia và tạo ra các sản phẩm phụ không gây hại như CO2, nước, bùn.

Hầu hết hệ thống công nghệ màng lọc hiện nay hoạt động theo cách này.
Xử lý sinh học yếm khí tạo ra một sản phẩm khí sinh học phục hồi (methane) và carbon
dioxide. So với xử lý hiếu khí, nó tạo ra khối lượng bùn thấp hơn và địi hỏi ít chất dinh
dưỡng. Ngồi ra, hệ thống có thể bị đóng kín trong thời gian dài mà không vấn đề trong
khởi động.
Mặt khác, xử lý yếm khí thường địi hỏi phải xử lý sau để đáp ứng yêu cầu thoát nước
bề mặt, và nó thường tạo ra khí hydrogen sulfide, trong đó ăn mịn bề mặt, mùi và an tồn
là vấn đề và nó thường địi hỏi một khoảng thời gian dài khởi động.

12


Bảng 2: So sánh xử lý sinh học kỵ khí
và hiếu khí để xử lý nước thải có chứa 1.000 kg COD.
Thơng số

Kỵ Khí

Hiếu khí

u cầu năng lượng

1,5

65

Sản phẩm và mạng chất rắn sinh học

15-100

200-600

Sản phẩm có thể sử dụng năng lượng

140

0

Chuyển hóa nitrat thành khí nitơ, nước thải từ xử lý hiếu khí (để ơxi hóa ammoniac
thành nitrat) thường được bơm vào một bể kỵ khí mà sinh học sẽ tạo ra khí nitơ.
Trong các ứng dụng cơng nghệ màng lọc kỵ khí, khơng khí được sử dụng cọ sát vào
màng cho xử lý hiếu khí được thay thế bằng khí nitơ hoặc khí metan.
Ba loại hình riêng của cơng nghệ xử lý sinh học, hiếu khí, kỵ khí và thiếu ơxy, có thể
được kết hợp hoặc càng gia tăng trong chuỗi xử lý. Không phụ thuộc vào loại hệ thống
được lựa chọn, một trong những chìa khóa để xử lý sinh học hiệu quả là phát triển, duy trì
sự thích nghi, lượng sinh khối đủ về số lượng để các dòng chảy tối đa và tải lượng hữu cơ
được xử lý.
Công nghệ màng lọc là việc dùng công nghệ màng vi lọc hay siêu lọc để xử lý nước đã
qua xử lý sinh học nhằm loại bỏ chất rắn lơ lững, BOD, COD và vi khuẩn Ecoli. Nước
thải đã qua xử lý có thể dùng cho những mục đích khác nhau hoặc xử lý triệt để bởi q
trình thẩm thấu ngược hoặc khử ion
Công nghệ tách bằng màng đã được ứng dụng hơn 50 năm. Công nghệ này dùng màng
để tách chất thải ra khỏi nước thải và nó dựa trên những kiến thức của cơng nghệ
crossflow filtration
Lọc truyền thống chảy qua bộ lọc

Nguồn cung cấp vật liệu lọc

Tập
trung

Dich lọc

Thấm qua
Hình 1: Cơng nghệ Crossflow filtration

Các kỹ thuật tách màng cụ thể được sử dụng trong công nghệ màng lọc là MF và UF,
mô tả dưới đây
13


Vi lọc (MF)
Hình dưới đây mơ tả cơ chế vi lọc. Nói chung, vi lọc liên quan đến việc loại bỏ các vật
liệu bị tắc nghẽn trong khoảng từ khoảng 0,01-1 micron (100 đến 10.000 angstrom).

Hình 2: Microfiltration (vi lọc) và Ultrafiltration (siêu lọc)
Siêu lọc (UF)
Hình minh họa dưới đây mô tả siêu lọc, được sử dụng để vật liệu riêng biệt thường nhỏ
hơn 0.01 micron (100 angstrom). Các đặc tính loại bỏ của các màng UF có thể được mô tả
về "trọng lượng cắt phân tử" (MWCO), trọng lượng phân tử tối đa của các hợp chất này sẽ
đi qua các lỗ chân lông màng. MWCO thuật ngữ được thể hiện lực Daltons. Về cơ bản,
siêu lọc được sử dụng để loại bỏ các chất ơ nhiễm hịa tan không ion, trong khi chất rắn lơ
lửng được loại bỏ bởi bộ vi lọc.

Hình 3: Ultrafiltration (Siêu lọc)
5. Cơng nghệ màng lọc
Nước thải được bơm lên bề mặt màng. Màng tế bào được chọn để giữ lại các chất rắn lơ
lửng trở lại, vi khuẩn gây bệnh, BOD (nhu cầu oxy sinh hóa) và COD (nhu cầu oxy hóa
học). Đây là những tạp chất hữu cơ được tiêu thụ bởi các vi khuẩn xử lý sinh học.

14

Hình 4: Q trình cơng nghệ lọc màng
Dưới đây là một q trình bùn hoạt tính hiếu khí điển hình được so sánh với một q
trình cơng nghệ màng lọc hoạt động trên nước thải tương tự:

Hình 5: Hệ thống xử lý nước bằng bùn hoạt tính
Ưu điểm (các quá trình xử lý sinh học truyền thống)
• Chất lượng xử lý cao, gần như khồng có cặn lơ lửng.
• Khả năng khử trùng khơng cần hóa chất.
• Kiểm sốt độc lập và tồn bộ của HRT (tốc độ dịng nước) và SRT (tốc độ bùn cặn)
giúp giảm lượng COD và ổn định q trình nitrat hóa.
• Giảm lượng bùn cặn.

15


• Quy trình tăng cường bằng nồng độ sinh khối cao với MLSS (hỗn hợp chất rắn lơ
lửng) trên 25.000 mg/l.
• Có khả năng xử lý chất thải khó xử lý.
• Nhiều hệ thống nhỏ gọn.
• Quy trình bị tác động bởi sự lắng của các chất rắn.
• Thời gian lưu giữ dài hơn cho q trình nitrat hóa hồn chỉnh hơn.
• Giảm nhu cầu khử trùng nước.
Nhược điểm
• Chi phí vốn cao hơn, chủ yếu là chi phí màng
• Chi phí vận hành cao hơn liên quan đến các u cầu năng lượng máy thổi khí và bơm.
• Hoạt động ở SRT cao có thể làm tăng nồng độ của hóa chất vơ cơ có hại cho các quần
thể vi khuẩn.
Cấu hình màng

MF và UF màng có sẵn trong một số cấu hình. Đây có thể được chia thành bốn loại sau
đây và được minh họa dưới đây:
• Tấm & Khung
• Ống
• Sợi rỗng (mao mạch)
• Vịng xoay

Hình 6: MF và UF

16


Khung và bản
Thiết bị gồm có lớp màng được căng phủ trên tấm khung để tách lớp và dẫn các chất
thấm qua màng vào ống dẫn.

Hình 7: Tấm và khung
Dạng ống
Được làm từ sứ, carbon, thép không gỉ, hay nhiều loại nhựa dẻo cảm ứng nhiệt. Các
ống này có đường kính bên trong từ ¼ inch đến 1 inch (6 đến 25mm). Lớp màng được phủ
bên trong ống và nước thải được đưa bơm áp suất đưa từ đầu này đến đầu kia của ống, khi
đó, các chất thấm qua màng sẽ được thu lại bên ngồi ống. Hình minh họa thiết bị dạng
ống ở bên dưới.

Hình 8: Phần tử màng dạng bảng
17


Dạng ống chùm (màng sợi)
Thiết bị gần giống như dạng ống, nhưng có đường kính nhỏ hơn. Chúng thường là

màng polymer khơng có giá đỡ nên cần phải gia cố chúng bằng mâm nhựa epoxy ở 1 hay
2 đầu chùm ống. Dịng nước có thể được bơm vào 2 đầu của chùm ống và bên ngoài chùm
ống. Thiết bị ống chùm được mơ tả ở hình dưới

Hình 9: Thiết bị ống chùm
Ống xoắn
Thiết bị bao gồm một lớp màng bao bọc xung quanh ống thu chất thấm qua màng được
đục lỗ. Nước được lọc sạch bằng cách đi qua lớp màng và đi theo khe dẫn vào ống thu.

Hình 10: Minh họa ống xoắn

18


Tấm & Khung hình. Hai loại phổ biến nhất của màng được sử dụng trong q trình
cơng nghệ màng lọc là tấm, khung và màng sợi rỗng. Trong thiết kế tấm và khung, tấm
được vẽ vng góc thơng qua các tấm màng. Các bảng điều khiển giữa các màng rãnh để
tạo thành dòng thấm đến một vòi phun ở trên cùng của bảng điều khiển hoặc một ống dẫn
không thể tách rời giữa các tấm.
Sự khác biệt lớn giữa các tấm khác nhau và các nhà cung cấp màng khung bao gồm:
Kích thước bản
Vật liệu bản
Vật liệu màng
Kích thước lỗ lọc
Áp suất vận hành
Độ tin cậy của sinh thủy lực
Phương pháp gắn màng và bản
Ống chùm (màng sợi)
Các lớp màng là các sợi polymer dài, đường kính nhỏ, thường được bao quanh bới lớp
bảo vệ. Các sợi này thường được bó lại ở đầu và đi khi để vào bể bùn hoạt hóa. Chất

thấm đi qua các màng sợi, di chuyền về 1 hay 2 phía và thu lại ở đầu thu.
Các nhà sản xuất tạo ra các loại màng sợi với thơng số khác nhau, bao gồm
Đường kính sợi
Phương pháp bó sợi
Số lượng sợi trong 1 bó
Vật liệu màng
Phương pháp cung cấp khơng khí vào bó sợi
Độ dày thành sợi
Hiện nay có nhiều loại bó sợi khác nhau
Bó hình chữ U
Bao gồm 1 hay nhiều bó hình chữ U. Dạng này chỉ có dạng sợi biến dạng được và
đường kính nhỏ

19


Bó hình chữ U:
Nó chứa một hoặc một số bó sợi trong một cấu hình 'U', và chụm lại với nhau ở dưới
cùng của các mô-đun. Sự sắp xếp này chỉ có thể có đường kính nhỏ và ở các sợi biến dạng

Hình 11: Bó màng hình chữ U
Hình chữ V
Một mặt chậu và tự do di chuyển
Mỗi sợi được đóng lại ở phía trên và bó chậu ở phía dưới. Sợi này là để di chuyển tự do
độc lập ở đầu và được cố định ở phía dưới.

Hình 12: Màng hình chữ V
Bó sợi 2 đầu, mềm
Gần giống với dạng trên nhưng bó sợi khơng cứng. Các sợi có thể tự do chuyển động
giữa 2 đầu cố định.

20


Hình 13: Bó sởi màng 2 đầu
Cả hai kết thúc bó linh hoạt
Những bó này có cấu hình tương tự như một trong những hình trước, nhưng các sợi
khơng cứng nhắc. Trong trường hợp này, các sợi này là tự do di chuyển giữa hai điểm cố
định 2 đầu.

Hình 14: Cả hai đầu màng bó linh hoạt

21


Vật liệu màng
Vật liệu màng MF và vật liệu màng UF được liệt kê trong bảng dưới đây.
Bảng 3: Các dạng màng và vật liệu cấu tạo màng lọc
Loại vật liệu

Dạng thiết bị
Ống chùm

Ống

Khung bản

Ống xoắn

PS

X

X

X

X

PES

X

X

X

X

PAN

X

X

X

X

PE

-

X

-

-

PP

X

X

X

-

PVC

-

X

-

-

PVDF

X

X

-

-

PTFE

X

-

X

-

PVP

X

X

-

-

CA

X

-

-

-

Coat 316LSS

-

X

-

-

α-alumina

-

X

X

-

Titanium dioxide

-

X

-

-

Silicon dioxide

-

X

-

-

Polymer

Không polymer

Thiết kế hệ thống
Bảng 4: So sánh các cấu hình cơng nghệ màng lọc thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất.
Thiết bị
Thơng số

Khung bản

Ống chùm

Ống

Mật độ nén*

Trung bình

Cao

Thấp

Khả năng chống tắc nghẽn

Trung bình

Trung bình

Cao

Năng lượng

Trung bình

Thấp

Cao

Dịng xốy

Khơng

Có

Có

Vệ sinh

Trung bình

Trung bình

Dễ

22


Lưu lượng dịng chảy (L/m3/hr) 15-25

20-30

70-200

MLSS (mg/L)

10,000-15,000

10,000-30,000

10,000-15,000

Diện tích bề mặt màng trên thể tích thiết bị xử lý.
Hiếu khí là phương pháp xử lí phổ biến nhất, khơng khí được bơm vào bể xử lý để thúc
đẩy vi khuẩn sinh trưởng. Một phương pháp công nghệ màng lọc rất phổ biến là ngâm
màng vào bể xử lí và sử dụng đầu thủy tĩnh của dung dịch hay bơm để đẩy chất thấm qua
màng (có thể dùng cả 2 cách). Trong trường hợp này, bọt khơng khí cũng được bơm từ
dưới lên dọc theo màng để loại bỏ cặn bám.
Một thiết kế khác bao gồm bơm nước thải qua hệ thống màng bên ngoài đến bể xử lý,
thiết bị màng thường được sử dụng là dạng ống, chế độ “lumen feed” (từ bên trong ra
ngoài). Để giảm thiểu cặn bám, nước thải thường được bơm vào màng với tốc độ cao, dẫn
đến lượng tiêu thụ năng lượng cao.
Phương pháp khác nữa là sử dụng bể tách sử dụng màng lọc sau bể xử lý. Nhiều thiết
kế khác sẽ xuất hiện khi công nghệ được sử dụng rộng rãi hơn.
Bảng dưới đây so sánh thiết kế ngâm chìm và bên ngồi dựa vào các thông số quan
trọng. Các so sánh này rất khái qt, và dữ liệu có thể khơng chính xác, dự trên hệ thống
nhất định
Bảng 5: So sánh cấu hình cơng nghệ lọc màng
Thơng số

Ngâm chìm

Bên ngồi

Chi phí thơng khí

Cao

Thấp

Chi phí bơm

Thấp

Cao

Dịng chảy trên màng

Thấp

Cao

Tần suất vệ sinh

Thấp

Cao

Tổng chi phí vận hành

Thấp

Cao

Tổng chi phí đầu tư

Cao

Thấp

Xử lý sinh học phổ biến nhất là hiếu khí và thơng thường, khơng khí được sục vào bể

xử lý để khuyến khích sự phát triển của vi khuẩn. Một cách tiếp cận công nghệ màng lọc
rất phổ biến là nhúng phần tử màng tế bào trong bể xử lý, hoặc cho phép điều khiển lực
thủy tĩnh như sử dụng một máy bơm để xuyên qua màng. Trong trường hợp này, bọt khí
(belowup) trên bề mặt của màng tế bào trong một áp lực để giảm ô nhiễm.

23


Thiết kế khác liên quan đến việc bơm nước thải thơng qua hệ thống màng bên ngồi bể
xử lý, cấu hình màng phân tử thường được sử dụng cho điều này là yếu tố màng phân tử,
trong một chế độ. Để giảm thiểu ô nhiễm, nước thải thường được đưa vào màng ở một vận
tốc cao, tiêu thụ năng lượng tương đối cao.

Hình 15: Sơ đồ cơng nghệ màng lọc bên ngồi và màng nhúng bên trong
Một hệ thống cơng nghệ màng lọc điển hình bao gồm các thành phần chính sau đây:
• màn hình
• màng cassette chứa yếu tố
• xử lý sinh học bể
• thấm hoặc bơm
• Quạt gió với khuyếch tán
24


• CIP (sạch-tại-chỗ) hệ thống
• backwashing/Backpulsing thiết bị
Hệ thống này có thể được đại diện bởi các sơ đồ sau đây minh họa thiết kế cơng nghệ
màng lọc Chìm ngập.

Hình 16: Màng lọc nhúng chìm
Quá trình hoạt động:

Tắc ngẽn màng

Hình 17: Sơ đồ minh họa quá trình tắc nghẽn màng
Nguyên nhân của tắc nghẽn màng
Hiệu suất của một hệ thống công nghệ màng lọc chắc chắn giảm theo thời gian, do sự
lắng đọng của vật liệu hạt từ bùn hoạt tính lên và vào bề mặt màng. Q trình này, gây ô
nhiễm, là vấn đề thách thức nhất trong hoạt động công nghệ màng lọc.

25