Đánh giá thu hồi chất hữu cơ từ nước thải bằng lọc màng uf với chế độ kiểm soát bẩn màng bằng phương pháp rửa ngược liên tục

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƢƠNG VĂN CƢƠNG

ĐÁNH GIÁ THU HỒI CHẤT HỮU CƠ TỪ NƢỚC THẢI
BẰNG LỌC MÀNG UF VỚI CHẾ ĐỘ KIỂM SOÁT BẨN MÀNG
BẰNG PHƢƠNG PHÁP RỬA NGƢỢC LIÊN TỤC
Chuyên ngành

Kỹ thuật Môi trường

Mã số

60 52 03 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hồ Chí Minh Tháng 12 năm 2015


2
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Phước Dân

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA…………


3
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Trương Văn Cương

MSHV: 13251203

Ngày sinh: 10 - 07 – 1986

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

MS: 60 52 03 20

Tên đề tài: ĐÁNH GIÁ THU HỒI CHẤT HỮU CƠ TỪ NƢỚC THẢI BẰNG
LỌC MÀNG UF VỚI CHẾ ĐỘ KIỂM SOÁT BẨN MÀNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP
RỬA NGƢỢC LIÊN TỤC
I.

Nhiệm vụ và nội dung

 Xác định thời gian cơ đặc thích hợp cho các loại nước thải nhằm đạt hiệu quả thu
hồi COD cao nhất (Đối với mơ hình lọc theo mẻ).
 Xác định tỷ số CRT : HRT thích hợp nhằm đạt được hiệu quả thu hồi COD cao
nhất (Đối với mơ hình lọc liên tục).
 Xác định phần trăm thu hồi COD
 Đánh giá bẩn màng dựa trên sự thay đổi TMP theo thời gian vận hành và trở lực
màng Rm, Ra, Rc, Rp.
 Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thơng qua đánh giá chất lượng dịng thấm của
màng UF

 Đánh giá khả năng thu hồi Nito, Photpho
II. Ngày nộp quyển luận văn: 31/12/2015
III. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
IV. Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phước Dân
Tp. HCM ngày….. tháng …… năm ……
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA


4

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã nhận được nhiều sự hỗ trợ của
thầy cơ, bạn bè và gia đình.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS.Nguyễn Phước Dân đã tận tâm
hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn này.Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất
để tơi hồn thành luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong Khoa Môi Trường và Tài Nguyên – Trường
Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp. HCM đã truyền đạt những kiến thức quý
báu cho tôi trong suốt q trình học tập tại trường.
Tơi cũng cảm ơn tập thể cán bộ quản lý phịng thí nghiệm Khoa Mơi Trường và Tài
Nguyên – Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp. HCM đã nhiệt tình hỗ trợ
trong suốt thời gian làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Đại Học Quốc Gia Tp. HCM và Viên Khoa Học Cơng Nghệ
Flemish đã tài trợ tài chính cho nhóm nghiên cứu thực hiện đề tài này.
Tôi gửi lời cảm ơn các bạn sinh viên nhóm UF- Khóa K11 – Lớp MO11KMT1 đã
đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và người thân đã động viện, ủng hộ và

tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi có thể hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này.

Tp. HCM, ngày ….. tháng….. năm 2015

Trương Văn Cương


5
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Dựa trên quan điểm tiếp cận thân thiện mơi trường đang nhìn nhận q trình xử lý
nước thải khơng phải ở góc độ là chất thải mà ở góc độ là một nguồn tái tạo nước, năng
lượng và chất dinh dưỡng. Trong nghiên cứu này nước thải được cô đặc trực tiếp bằng
màng UF ở quy mơ phịng thí nghiệm nhắm đến giảm thế tích nước khi đưa vào sử dụng
làm nguồn cơ chất cho q trình đồng phân hủy kỵ khí với 2 mơ hình chạy theo mẻ và
liên tục. Khả năng thu hồi các chất dinh dưỡng gồm COD, TKN, TP dựa trên phần trăm
các chất dinh dưỡng bị mất đi được khảo sát. Đặc tính bẩn màng và ảnh hưởng của bẩn
màng được xem xét thông qua mối quan hệ giữa thông lượng và áp suất trong suốt q
trình lọc.
Đối với mơ hình lọc theo mẻ,dịng vào NTSH có nồng độ (COD = 139 ± 11 mg/l,
TKN = 9.2 ± 0.7 mg/l, TP = 1.3 ± 0.2 mg/L), khá thấp so với NTCT (COD = 1134 ± 66
mg/l, TKN = 34.4 ± 3.5 mg/l, TP = 12 ± 0.7 mg/l. Trong quá trình lọc màng, hiện tượng
bẩn màng xảy ra nghiêm trọng sau 20 giờ lọc đối với 2 loại nước thải trên. Sau 52h vận
hành, NTSH có nồng độ COD đạt tới 461 ± 20 mg/l, gấp 3.3 so với đầu vào, đạt tỷ lệ thu
hồi COD là 47%. Sau 16h vận hành, NTCT có nồng độ COD đạt tới 2658 ± 61 mg/l, gấp
2.4 so với đầu vào, đạt tỷ lệ thu hồi COD là 51%. Chất lượng dòng thấm qua lọc UF đối
với NTSH (COD = 31 ± 15 mg/l, TP = 0.6 ± 0.4 mg/l, N-NH4+= 5.9 ± 0.8 mg/l) đạt quy
chuẩn chất lượng xả thải của Việt Nam (cột A, QCVN 14:2008/BTNMT). Tuy nhiên,
dòng thấm sau lọc của NTCT thì nồng độ COD cao vượt quy chuẩn xả thải (COD = 685 ±
81 mg/l, TP = 11.9 ± 0.8 mg/l, N-NH4+= 2.1 ± 0.6 mg/l, nên thích hợp để áp dụng công
nghệ lọc RO để thu hồi triệt để lượng tài ngun cịn lại.

Đối với mơ hình lọc liên tục,chất lượng nước đầu vào không ổn định, tùy thuộc
vào thời điểm lấy mẫu.Chất lượng nước dòng thấm là tương đối ổn định tuy nhiên chưa
đạt được tiêu chuẩn xả thải hiện hành.COD dòng đậm đặc trong bể tăng và bắt đầu ổn
định tại các thời điểm 50h; 138h; 140h và 192h lần lượt với CRT = 24h; 12h; 9h và 6h với
hệ số cô đặc lần lượt là 4.2; 2.6; 3.1 và 1.8 lần nước thải đầu vào. Nồng độ các chất hữu
cơ TKN, TP, Polysaccharide tăng trong q trình thí nghiệm. Tuy nhiên các chất hữu
cơ,N-NH4+và protein hầu như khơng tăng trong q trình thí nghiệm. Kết quả cho thấy
lượng COD thu hồi tại CRT = 24, 12, 9 và 6h lần lượt là 17.7; 23.4; 50.6 và 55.8%.
Lượng TKN bị mất tại CRT = 24, 12, 9 và 6h lần lượt là 27.5; 13.4; 8.7 và 18.8 %. Phân
bố các thành phần gây nghẽn màng phụ thuộc vào chất lượng nước thải đầu vào.


6
Based on the views of environmental friendly approaches are recognized
wastewater treatment process not in terms of the waste that angle is a renewable source of
water, energy and nutrients. In this study concentrated wastewater directly by UF
membranes at the laboratory scale aimed at reducing the volume of water being put to use
as a source for the copper substrate anaerobic digestion with two models running batch
and continuously. Recoverability of nutrients including COD, TKN, TP is based on the
percentage of the nutrients are lost surveyed. Feature dirty dirty membrane and membrane
effects of consideration through the relationship between flux and pressure during the
filtration process.
For batch filtering model, domestic wastewater inflow concentrations (COD = 139
± 11 mg/l, 9.2 ± 0.7 TKN = mg/l, TP = 1.3 ± 0.2 mg/l), relatively low compared to
canteen wastewater (COD = 1134 ± 66 mg/l, 34.4 ± 3.5 TKN = mg/l, TP = 12 ± 0.7 mg /
l). In the process of membrane filtration, membrane phenomena occurring serious dirt
after 20 hours against 2 types of filter wastewater on. After 52h operation domestic
wastewater COD concentration reaches 461 ± 20 mg/l, 3.3 fold compared to inputs,
achieve recovery rates of 47% COD. After 16h of operation, canteen wastewater COD
concentration reached 2658 ± 61 mg/l, 2.4 fold compared to the input rate is 51% COD

recovery. Quality UF permeate flow for domestic wastewater (COD = 31 ± 15 mg/l, TP =
0.6 ± 0.4 mg/l, N-NH4+ = 5.9 ± 0.8 mg/l) to reach the quality standards of discharge of
Vietnam (column A, NTR 14: 2008/BTNMT). However, seepage behind the filter of
canteen wastewater the COD towered normative discharge (COD = 685 ± 81 mg/l, TP =
11.9 ± 0.8 mg/l, N-NH4+ = 2.1 ± 0.6 mg/l, it is suitable to apply technology RO to recover
fully to the amount of remaining resources.
For continuous filtration model, the quality of the input water is not stable,
depending on the time of sampling. Seepage water quality is relatively stable but have not
achieved the current discharge standards. COD concentrated in an increasing line and
begin to stabilize at the time of 50h; 138h; 140h and 192h respectively with CRT = 24h;
12h; 9h and 6h and concentrated by a factor of 4.2,; 2.6; 3.1 and 1.8 timesthe input waste
waterrespectively. The concentration of organic matter TKN, TP, Polysaccharide
increased during the experiment. However, organic matter, N-NH4+ and protein almost
unchanged during the experiment. The results showed that the COD that recovered at
CRT = 24, 12, 9 and 6 were 17.7; 23.4; 50.6 and 55.8%, respectively. TKN that lost at
CRT = 24, 12, 9 and 6 were 27.5; 13.4; 8.7 and 18.8%, respectively. Distribution
obstruction in membrane components depend on the quality of wastewater inputs.


7
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên học viên : Trương Văn Cương

Giới tính

: Nam

Ngày sinh

: 10 – 07 – 1986

Nơi sinh

: Quảng Nam

Chuyên ngành

: Công nghệ Môi trường

MSHV

: 13251203

Tên đề tài: Đánh giá thu hồi chất hữu cơ từ nước thải bằng lọc màng UF với chế độ
kiểm soát bẩn màng bằng phương pháp rửa ngược liên tục
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Phước Dân
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn là do quá trình nghiên cứu của tơi tại Phịng Thí
Nghiệm Khoa Mơi Trường và Tài Nguyên, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM. Những
kết quả và số liệu trong luận văn chưa được ai cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tơi
hồn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này.

NGƢỜI CAM ĐOAN

TRƢƠNG VĂN CƢƠNG


8

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. i
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. iv
CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................1
1.1

Đặt vấn đề ........................................................................................................1

1.2

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................2

1.3 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................2
1.4 Phạm vi nghiên cứu ...............................................................................................3
1.5 Ý nghĩa thực tiễn và tính mới của đề tài................................................................3
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN ....................................................................................5
2.1 Hiện trạng nước thải sinh hoạt ở Việt Nam...........................................................5
2.2 Sự tiêu thụ năng lượng của quá trình xử lý nước thải và tiềm năng thu hồi năng
lượng từ nước thải ................................................................................................................8
2.2.1 Sự tiêu thụ và chi phí năng lượng cho công nghệ xử lý nước thải hiện nay
..................................................................................................................................... 8
2.2.2 Tiềm năng thu hồi năng lượng, tài nguyên trong nước thải: ................... 11
2.3 Lý thuyết không phát thải (Zero wastewater concept) ........................................15
2.4 Cô đặc nước thải bằng công nghệ màng nhắm đến thu hồi nguồn năng lượng ..17
2.4.1 Công nghệ lọc màng và những tiềm năng ............................................... 17
2.4.2 Cô đặc nước thải cho mục tiêu thu hồi năng lượng ................................. 20
2.5 Lọc trực tiếp nước thải bằng công nghệ màng ....................................................21
2.5.1 Quá trình lọc màng .................................................................................. 21
2.5.2 Quá trình bẩn màng.................................................................................. 24

2.6 Các nghiên cứu về công nghệ màng trong và ngoài nước..................................28


9
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................32
3.1 Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................32
3.2 Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................32
3.2.1 Thí nghiệm 1: Cơ đặc nước thải theo mẻ ................................................. 32
3.2.2 Thí nghiệm 2: Cô đặc nước thải liên tục.................................................. 38
3.3 Phương pháp xác định các thành phần trở lực màng..........................................42
3.4 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý ..........................................................43
CHƢƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................45
4.1 Thí nghiệm 1: Cơ đặc màng UF theo mẻ ............................................................45
4.1.1 Hiệu suất cô đặc màng ............................................................................. 45
4.1.2 Cân bằng vật chất hữu cơ......................................................................... 51
4.1.3 Bẩn màng ................................................................................................. 53
4.2 Thí nghiệm 2: Cơ đặc màng UF liên tục .............................................................56
4.2.1 Hiệu suất cô đặc màng ............................................................................. 57
4.2.2 Cân bằng vật chất hữu cơ......................................................................... 65
4.2.3 Bẩn màng ................................................................................................. 68
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................74
5.1 Kết luận................................................................................................................74
5.2 Kiến nghị .............................................................................................................76
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................77


i
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Công nghệ xử lý và thông số nước thải của các nhà máy XLNT tập trung ở
Việt Nam [10] ....................................................................................................................... 7

Bảng 2.2 Tiềm năng thu hồi tài nguyên từ nước thải đô thị [28] .............................. 11
Bảng2.3: Ứng dụng công nghệ màng xử lý thành phần cụ thể trong nước thải [7]
............................................................................................................................................ 22
Bảng 2.4: Phân loại màng lọc [65] ........................................................................... 23
Bảng 2.5: Ứng dụng công nghệ màng xử lý thành phần cụ thể trong nước thải
[65] ..................................................................................................................................... 23
Bảng 2.6: Thành phần trong nước thải có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của màng
thông qua cơ chế bẩn màng [7] .......................................................................................... 26
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật màng lọc UF VITO ...................................................... 35
Bảng 3.2: Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt đầu vào của thí nghiệm cơ đặc
theo mẻ (Mẫu được lấy vào các ngày 24;25 và 26/6/2015) ............................................... 36
Bảng 3.3: Thành phần tính chất nước thải canteen đầu vào của thí nghiệm cơ
đặctheo mẻ (Mẫu được lấy vào các ngày 8;9;10/11/2015) ................................................ 37
Bảng 3.4:Thông số vận hành thí nghiệm cơ đặc màng UF theo mẻ .......................... 38
Bảng 3.5: Thành phần và tính chất nước thải canteen của thí nghiệm cơ đặc liên tục
(Mấu được lấy từ ngày 22/8/2015 đến ngày 01/11/2015) .................................................. 41
Bảng 3.6:Thông số vận hành thí ngiệm cơ đặc màng UF liên tục ............................ 42
Bảng 3.7 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ........................................................... 44
Bảng 4.1 So sánh hiêu quả cô đặc giữa nghiên cứu này và các nghiên cứu trước đó
............................................................................................................................................ 46
Bảng 4.2: Đường kính trung bình D50 của dịng cơ đặc trong mẻ vận hành............. 48
Bảng 4.3: Thu hổi chất dinh dưỡng đối với NTSH và NTCT .................................... 50
Bảng 4.4: Kết quả COD tại các thí nghiệm cơ đặc liên tục ...................................... 58
Bảng 4.5: Nồng độ các chất hữu cơ tại các thời gian lưu khác nhau ....................... 62
Bảng 4.6: Nồng độ Protein và Polysaccharide tại cái CRT khác nhau .................... 65
Bảng 4.7: Nồng độ Protein, Polysaccharide và VSS tại các CRT khác nhau ........... 73


ii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ cơng nghệ xử lý rác và nước thải bằng kết hợp q trình cơ đặc
màng và phân hủy kị khí [9] ................................................................................................. 4
Hình 2.1 Tình hình xử lý nước thải ở Việt Nam theo khảo sát của WB năm 2012 [10]
.............................................................................................................................................. 5
Hình 2.2: Tái thiết kế chu trình nước: vịng tuần hồn ngắn hơn của nguồn tài
ngun có trong nước nhằm mục đích thu hồi [14] ........................................................... 16
Hình 2.3 Một số dạng thu hồi dịng nước từ nước thải đơ thị sử dụng cơng nghệ lọc
màng [57] ........................................................................................................................... 18
Hình 2.4: Sơ đồ quy trình xử lý nước thải sinh hoạt dựa trên quan điểm SEWAGE
PLUS thu hồi tối đa tài nguyên [57] .................................................................................. 20
Hình 2.5: Lọc trực giao và lọc tiếp tuyến .................................................................. 24
Hình 2.6: Cơ chế bẩn màng [8] ................................................................................. 25
Hình 2.7: Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình bẩn màng [8] ................................... 27
Hình 3.1: Sơ đồ nội dung nghiên cứu ........................................................................ 32
Hình 3.2: Sơ đồ mơ hình màng lọc UFtheo mẻ quy mơ Phịng Thí nghiệm .............. 33
Hình 3.3: Chi tiết bể màng UF .................................................................................. 34
Hình 3.4: Màng lọc UF VITO .................................................................................... 35
Hình 3.5: Sơ đồ mơ hình lọc màng UF liên tục quy mơ Phịng Thí Nghiệm ............. 39
Hình 3.6: Chi tiết bể màng UF .................................................................................. 40
Hình 4.1: Biến thiên nồng độ COD theo thời gian với NTSH (a) và NTCT (b) ....... 45
Hình 4.2: Biến thiên các thành phần COD dòng đậm đặc theo thời gian với nước
thải sinh hoạt (a) và nước thải Canteen (b) ....................................................................... 47
Hình 4.3: Phân bố kích thướt hạt tại thời điểm bắt đầu và 72h vận hành đối với
NTSH .................................................................................................................................. 49
Hình 4.4: Phân bố kích thước hạt tại thời điểm bắt đầu và 36h vận hành với NTCT
............................................................................................................................................ 49
Hình 4.5: Sự thay đổi chất dinh dưỡng trong thí nghiệm với NTSH (a) và NTCT (b)
............................................................................................................................................ 51
Hình 4.6: Cân bằng COD cho cơ đặc nước thải sinh hoạt (a) và nước thải Canteen

(b)........................................................................................................................................ 51
Hình 4.7: Cân bằng TKN đối với nước thải sinh hoạt (a) và nước thải canteen (b). 52
Hình 4.8: Cân bằng TP cho cô đặc với nước thải canteen........................................ 52


iii
Hình 4.9: Thay đổi TMP và thơng lượng theo thời gian với nước thải sinh hoạt ..... 53
Hình 4.10: Thay đổi TMP và thông lượng theo thời gian với nước thải Canteen .... 54
Hình 4.11: Biểu đồ so sánh các thành phần trở lực màng của NTSH và NTCT ....... 55
Hình 4.12: Phân bố trở lực với NTCT và NTSH ....................................................... 55
Hình 4.13: Biến thiên nồng độ COD với CRT = 24h (a); 12h (b); 9h (c) và 6h (d) . 57
Hình 4.14: Biến thiên các thành phần COD dịng đậm đặc theo thời gian với CRT =
24h (a); CRT = 12h (b); CRT = 9h (c) và CRT = 6h (d) ................................................... 58
Hình 4.15: Thay đổi nồng độ TKN theo thời gian với CRT = 24h (a);12h (b), 9h (c),
6h (d)................................................................................................................................... 60
Hình 4.16: Thay đổi nồng độ N-NH4+với CRT = 24h (a);12h (b);9h (c) và 6h (d) . 60
Hình 4.17: Biến thiên nồng độ TP theo với CRT = 24h (a);12h (b);9h (c) và6h (d) 61
Hình 4.18: Nồng độ TP, N-NH4+ và TKN với CRT = 24h, 12h, 9h và 6h ................. 61
Hình 4.19: Biến thiên nồng độ Protein (a) và Polysaccharide (b) với CRT = 24h .. 63
Hình 4.20: Biến thiên nồng độ Protein (a) và Polysaccharide (b) vớiCRT = 12h .. 63
Hình 4.21: Biến thiên nồng độ Protein (a) và Polysaccharide (b) với CRT = 9h .... 64
Hình 4.22: Biến thiên nồng độ Protein (a) và Polysaccharide (b) với CRT = 6h .... 64
Hình 4.23: Cân bằng COD theo thời gian với CRT = 24 (a); CRT = 12h (b); ........ 66
Hình 4.24: Cân bằng TKN theo thời gian với CRT = 24 (a); 12h (b); 9h (c) và6h (d)
............................................................................................................................................ 67
Hình 4.25: Cân bằng TP theo thời gian với CRT = 24 (a);12h (b),9h (c) và 6h (d) . 67
Hình 4.26: Thay đổi TMP và thơng lượng theo thời gian trong khoảng 100h vận
hành đầu tiên với CRT = 9h ............................................................................................... 68
Hình 4.27: Thay đổi TMP và thông lượng theo thời gian với CRT = 6h .................. 69
Hình 4.28: Thay đổi TMP và thơng lượng theo thời gian với CRT = 9h .................. 69

Hình 4.29: Thay đổi TMP và thông lượng theo thời gian với CRT = 12h ................ 70
Hình 4.30: Thay đổi TMP và thơng lượng theo thời gian với CRT = 24h ................ 70
Hình 4.31: Phân bố trở lực màng với CRT = 24h (a); 12h (b); 9h (c) và 6h (d) ...... 71
Hình 4.32: Phân bố các thành phần trở lực màng với CRT = 24h (a); 12h (b); 9h
(c)và 6h (d) ......................................................................................................................... 72


iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
A2O

Anaerobic/Anoxic/Oxic – Công nghệ xử lý nước thải kỵ khí/thiếu khí/Hiếu khí

AnMBR Anaerobic Membrane Bioreactor – Bể sinh học màng kỵ khí
AnSBR Anaerobic Sequencing Batch Reactor – Bể phản ứng sinh học kỵ khí theo mẻ luân phiên
BHT

Bùn hoạt tính

BOD

Biochemical Oxygen Demand – Nhu cầu Oxygen sinh hóa

BRIC

Các quốc gia Brazil, Russia, India, China

BTNMT Bộ Tài Nguyên Môi Trường
CHP

Combined Heat and Power – Hệ thống kết hợp tạo nhiệt điện

coCOD Colloidal Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu Oxygen hóa học dạng keo
COD

Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu Oxygen hóa học

CRT

Concentrate Retention Time – Thời gian lưu giữ dòng đậm đặc

CSTR

Continuous Stirred Tank Reactors – Bể phản ứng khuấy trộn liên tục

ĐHBK

Đại học Bách Khoa

ĐHQG

Đại học Quốc gia

EPS

Extracellular Polymeric Substance – Chuỗi hợp chất ngoại bào tiết ra từ vi sinh vật

GDP

Gross Domestic Product – Tổng thu nhập quốc nội

HRT

Hydraulic retention time – Thời gian lưu nước

IE

Inhabitant equivalents – lượng Oxy gắn kết với cơ chất trong đó lượng oxy tiêu thụ của
q trình phân huỷ sinh học tương đương với lượng nước thải được sản sinh trên một
người.

JICA

Japan International Cooperation Agency – Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản

MBR

Membrane Bioreactor – Công nghệ sinh học màng

MF

Microfiltration – Công nghệ Vi lọc

MFC

Microbial Fuel Cell – Pin nhiêu liệu học

NF

Nanofiltration – Công nghệ lọc nano

NTCT

Nước thải canteen

NTSH

Nước thải sinh hoạt

OD

Oxidation ditch – Mương oxy hoá

OECD

Organization for Economic Cooperation and Development  Tổ chức Hợp tác và Phát
triển Kinh tế

pCOD

Particulate Chemical Oxygen Demand – Tổng Nhu cầu Oxygen hóa học dạng hạt

PVDF

PolyVinyl Diene Flouride

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

v
RO

Reverse Osmosis – Công nghệ lọc thẩm thấu ngược

SBR

Sequencing Batch Reactor – Bể phản ứng theo mẻ luân phiên

sCOD

Soluble Chemical Oxygen Demand –Nhu cầu Oxygen hóa học hịa tan

CODf

Chemical Oxygen Demand of Feed –Nhu cầu Oxygen hóa học đầu vào

CODc

Chemical Oxygen Demandof Concentrate –Nhu cầu Oxygen hóa học cơ đặc

CODp

Chemical Oxygen Demandof Permeate –Nhu cầu Oxygen hóa học dịng thấm

tCOD

Total Chemical Oxygen Demand – Tổng Nhu cầu Oxygen hóa học

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen – Tổng Nitrogen Kjeldahl

TMP

Transmembrane Pressure – Áp suất qua màng

TP. HCM Thành phố Hồ Chí Minh
TP

Total Photpho Tổng Phospho

TSS

Total Suppended Solid – Tổng chất rắn lơ lửng

UF

Ultrafiltration – Cơng nghệ siêu lọc

UNEP

United Nations Environment Programme – Chương trình Môi Trường LiênHiệp Quốc

UNICEF United Nations International Children's Emergency Fund – Quỹ bảo trợ nhi đồng Liên
Hiệp Quốc
VFAs

Volatile Fatty Acids – Các Acid béo hữu cơ dễ bay hơi

VITO

Flemish Institute for Technological Research  Viện nghiên cứu Công nghệFlemish

WB

World Bank – Ngân hàng Thế Giới

WHO

World Health Organization  Tổ chức Y Tế Thế Giới

XLNT

Xử lý nước thải


1

CHƢƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề
Trong khuôn khổ của các dự án SewagePlus, hiệp hội giữa tổ chức nghiên cứu và các
đối tác công nghiệp đã và đang nghiên cứu xem xét một số khái niệm mới và kỹ thuật
sáng tạo mới kể từ năm 2007, với mục đích để thu hồi năng lượng tối đa từ dịng cơ đặc
của NTSH và bùn sau xử lý sinh học. Quá trình cơ đặc nước thể có thể bằng phương pháp

ly tâm, lọc màng, tạo bơng sinh học, hóa học hoặc trộn nước thải hay bùn với dịng chất
thải rắn có khả năng phân hủy sinh học đã được chọn lọc. Quá trình xử lý chính trong
nghiên cứu là dịng nước cơ đặc sẽ được xử lý trong bể phân hủy kỵ khí, tạo ra khí
methane hay lên men tạo acid, nhằm sản xuất tối đa các acid béo bay hơi (VFAs). Sản
phẩm đầu ra có thể được sử dụng cho sản xuất điện pin nhiên liệu vi sinh (MFC). Để đưa
công nghệ này vào cuộc sống, đáp ứng yêu cầu cụ thể và phù hợp với luật môi trường,
khái niệm tổng thể về phương pháp này cần được nghiên cứu hoàn thành. Yêu cầu đặt ra
là nước thải sau xử lý kị khí đạt tiêu chuẩn xả thải và việc thải bỏ bùn nằm trong tầm
kiểm sốt. Đây là cơng nghệ tiên tiến kết hợp xử lý nước thải với hiệu suất cao đồng thời
có thể tận dụng nguồn bùn thải để tái tạo năng lượng. Công nghệ này không những đáp
ứng được yêu cầu tạo ra nguồn nước sạch đảm bảo tiêu chuẩn ngày càng cao trong lĩnh
vực xử lý nước thải, đồng thời có thể tận dụng nguồn chất thải sau xử lý để tạo nguồn
năng lượng sạch thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt [6].
Ứng dụng trên qui mô pilot cho riêng nước đen và nước xám tại 32 điểm ở Sneek
(Hà Lan) cho thấy rằng, lượng năng lượng sản sinh ròng từ q trình xử lý nước đen cơ
đặc là thực sự khả thi (tạo ra khoảng 13 lít/ngày của CH4/người, hay 2.4Nm3CH4/m3 nước
đen). Hiển nhiên, để đưa ra quan điểm vệ sinh mới này vào thực tế cần yêu cầu trang bị
thêm thiết bị tại nhà và phụ thuộc vào sự chấp nhận, triển khai của cộng đồng để thực
hiện trên quy mô lớn.Hiện tại, thử nghiệm ở Sneek đang được mở rộng đến 232 hộ mới
[7].
Nghiên cứu của Phạm Thị Kim Chi (2014) nghiên cứu ứng dụng cô đặc NTSH bằng
màng lọc MF nhằm tạo ra dòng đậm đặc để sử dụng làm nguồn cơ chất cho quá trình
đồng phân hủy kỵ khí có kết hợp với chất thải nhà bếp hướng đến thu hồi khí sinh học.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tỷ lệ dòng đậm đặc so với dòng nạp sau 25h lọc đạt tỷ lệ


2
9.54%. Bẩn màng trở nên nghiêm trọng sau 15h lọc, trong đó nguyên nhân chủ yếu ảnh
hưởng lớn đến quá trình lọc là do bám bẩn trên bề mặt màng [72]. Khác với màng MF, sử
dụng màng UF cô đặc có thể thu hồi chất lượng nước tốt hơn, đồng thời sử dụng màng

UF có chế độ vận hành đặc biệt rửa ngược liên tục chưa có nghiên cứu thực hiện trước
đây tại Việt Nam.
Vì vậy đề tài “Đánh giá thu hồi chất hữu cơ từ nước thải bằng màng lọc UF với chế
độ kiểm soát bẩn màng bằng phương pháp rửa ngược liên tục” được tiến hành triển khai
với mục đích chứng minh cơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn của ứng dụng màng
UFnhằm nâng cao hiệu quả cô đặc nước thải.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Đánh gia chất lượng dòng thấm và hiệu quả thu hồi chất hữu cơ từ nước thải sinh
hoạt và nước thải sau xử lý kỵ khí bằng lọc màng UF kết hợp kiểm soát bẩn màng bằng
phương pháp rửa ngược liên tục với định hướng thu hồi năng lượng sinh khối
1.3 Nội dung nghiên cứu
Dựa vào chất lượng nước thải đầu vào và kết quả phân tích dịng thấm, dịng cơ đặc
sau khi lọc màng UF xác định:
Đối với mơ hình UF vận hànhtheo mẻ, các nội dung nghiên cứu sau được thực hiện:
-

Xác định thời gian cơ đặc thích hợp cho các loại nước thải nhằm đạt hiệu quả thu
hồi COD cao nhất.

-

Xác định phần trăm thu hồi COD.

-

Đánh giá bẩn màng dựa trên sự thay đổi TMP theo thời gian vận hành và trở lực
màng Rm, Ra, Rc, Rp.

-

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thông qua đánh giá chất lượng dòng thấm của
màng UF.

-

Đánh giá khả năng thu hồi Nito và Photpho.

Đối với mơ hình UF vận hành liên tục, các nội dung nghiên cứu sau được thực hiện:
-

Xác địnhCRT thích hợp nhằm đạt được hiệu quả thu hồi COD cao nhất.

-

Xác định phần trăm thu hồi COD

-

Đánh giá bẩn màng dựa trên sự thay đổi TMP theo thời gian vận hành và trở lực
màng Rm, Ra, Rc, Rp.


3
-

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thông qua đánh giá chất lượng dòng thấm của
màng UF

-

Đánh giá khả năng thu hồi Nito và Photpho

1.4 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi của nghiên cứu này được tiến hành trên hai mơ hình thực nghiệm chạy theo
mẻ và chạy liên tục đặt tại Phịng thí nghiệm khoa Mơi trường, trường Đại học Bách
Khoa, Đại Học Quốc GiaThành phố Hồ Chí Minh.Mơ hình là một phần của hệ thống
đồng phân hủyxử lý rác và nước thải sinh hoạt bằng kết hợp quá trình cơ đặc bằng màng
UF, dịng đậm đặc cùng với rác hữu cơ được đưa vào bể thủy phân acid hóa nối tiếp với
bể lên men metan. Hình 1.1 thể hiện phạm vi nghiên cứu của đề tài trong hệ thống tổng
thể xử lý rác và nước thải sinh hoạt từ hộ dân.
1.5 Ý nghĩa thực tiễn và tính mới của đề tài
Biến đổi khí hậu đã đặt ra thách thức tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và hạn chế phát
thải khí nhà kính trong q trình sản xuất nước cấp và xử lý nước thải. Yêu cầu trong
tương lai đòi hỏi một sự tiếp cận tổng thể trong tồn bộ chu trình nước trong tự nhiên.
Một khái niệm mới xem xét tiềm năng của nước thải dưới góc độ chất chuyển tải năng
lượng của carbon và nhiệt năng, nước thải như là nguồn năng lượng tái tạo.Nước thải là
một nguồn dồi dào chất hữu cơ vì thế có thể xem như một chất chuyển tải năng lượng
carbon.


4

Hình 1.1: Sơ đồ cơng nghệ xử lý rác và nước thải bằng kết hợp q trình cơ đặc màng và phân hủy kị khí [9]


5
CHƢƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 Hiện trạng nƣớc thải sinh hoạt ở Việt Nam
Khảo sát của Ngân Hàng Thế Giới WB cho biết từ năm 1998 tới nay, Chính phủ
Việt Nam đã ban hành và áp dụng nhiều chính sách cũng như đầu tư cải thiện vệ sinh đô
thị, khiến lĩnh vực thu gom và xử lý nước thải phát triển mạnh mẽ. Hình 2.1 cho biết tình
hình quản lý và xử lý nước thải sinh hoạt ở Việt Nam là 94% người dân sử dụng nhà vệ
sinh, trong đó 90% số hộ gia đình sử dụng bể tự hoại làm trình xử lý tại chỗ. 60% hộ
gia đình đấu nối vào hệ thống thốt nước cơng cộng, cho thấy đa phần các hộ gia đình
thực hiện đấu nối vào hệ thống thu gom nước thải để giải quyết nhu cầu thoát dòng nước
thải phát sinh ra khỏi nhà. Mặc dù 60% hộ gia đình đấu nối vào hệ thống thốt nước công
cộng, hầu hết nước thải được xả thẳng ra hệ thống tiêu thốt nước bề mặt, chỉ có 10%
lượng nước thải được xử lý. Trong khi 90% hộ gia đình xả nước thải vào bể tự hoại, chỉ
4% lượng phân bùn được xử lý. Công tác quản lý phân bùn ở hầu hết các thành phố cịn
yếu kém.

Hình 2.1 Tình hình xử lý nước thải ở Việt Nam theo khảo sát của WB năm 2012 [10]


6
Đến cuối năm 2012, Việt Nam có tổng cộng 17 nhà máy xử lý nước thải đô thị tập
trung.Chi tiết của 17 nhà máy này được trình bày trong bảng 2.1. Với số lượng nhà máy
như vậy khá ít so với con số trên 87 triệu dân trên cả nước. Trong số đó, 12 nhà máy được
xây dựng ở 3 thành phố là Hà Nội, Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, 5 nhà máy còn lại nằm rải
rác ở các đơ thị cấp tỉnh. Ngồi ra, hiện nay cả nước có trên 30 dự án xử lý nước thải đơ
thị trong quá trình thiết kế hoặc xây dựng. Mười trong số mười bảy nhà máy xử lý nước
thải đô thị hiện đang áp dụng các công nghệ xử lý chủ yếu là các biến thể khác nhau của
công nghệ xử lý bậc 2 với BHT, ví dụ như cơng nghệ BHT truyền thống, kỵ khí – thiếu
khí – hiếu khí (A2O), mương oxi hóa (OD) và xử lý sinh học theo mẻ (SBR). Công nghệ
xử lý BHT được áp dụng phổ biến trong các nhà máy do JICA tài trợ như Kim Liên, Trúc
Bạch, Băc Thăng Long (ở Hà Nội) và Bình Hưng (ở thành phố Hồ Chí Minh). Bảy nhà
máy cịn lại áp dụng các cơng nghệ xử lý đơn giản hơn, như hệ thống hồ kỵ khí phủ bạt

(Đà Nẵng), chuỗi hồ sinh học (Buôn Ma Thuột), bể sục khí/hồ hồn thiện (Bình Hưng
Hịa – Hồ Chí Minh) và hệ thống bể lắng hai vỏ/lọc sinh học nhỏ giọt (Đà Lạt). Nhìn
chung khi vận hành, các cơng nghệ đơn giản này có chi phí điện năng, hóa chất, đào tạo
và thay thế thiết bị thấp hơn so với các hệ thống xử lý bằng BHT nói trên [10]. Thành
phần ô nhiễm hữu cơ trong nước thải đầu vào của 17 nhà máy nêu trên khá lỗng.Vì vậy,
giải pháp cơ đặc nước thải có tính khả thi cao khi triển khai áp dụng.
Bên cạnh các nhà máy xử lý nước thải tập trung, sơ đồ thoát nước và xử lý nước thải
phân tán tại nguồn phù hợp với các khu vực ven đơ, các khu vực có mật độ dân cư thưa,
đang ngày càng được áp dụng phổ biến. Trong khi phương thức thu gom và xử lý nước
thải tập trung được áp dụng ở khu vực nội thành đông đúc, hệ thống quản lý nước thải
phân tán tại nguồn tỏ ra phù hợp đối với các khu vực chưa xây dựng được hệ thống tập
trung. Sơ đồ vệ sinh phân tán tại nguồn mang lại các lợi ích quan trọng là xử lý nước thải
và áp dụng các biện pháp kiểm sốt ơ nhiễm gần nguồn thải [10].
Trường hợp của Tp. HCM có tổng lượng NTSH khoảng 1.2 triệu m3/ngày
[11].Theo số liệu Tổng cục thống kê, dân số Tp. HCM năm 2010 là 7396500 người
[12].Có thể suy luận chỉ số phát sinh nước thải bình quân đầu người xấp xỉ
165L/người.ngày.


7
Bảng 2.1 Công nghệ xử lý và thông số nước thải của các nhà máy XLNT tập trung ở Việt Nam [10]
Nhà máy

Thu gom

Công nghệ xử lý

BOD5

COD

TSS

NH4-N

T-N

TP

Coliform

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

(MPN/100mL)

Vào Ra

Vào

Ra

Vào

Ra

Vào

Ra

Vào

Ra

Vào

Ra

Ra

Tiêu chuẩn xả thải

Kim Liên

Chung

A2O

115

9

145

18

85

5

18

-

40

17

6.5

1.7

0

TCVN5945 2005,B

Trúc Bạch

Chung

A2O

135

8

155

15

85

5

-

-

34

16

6.5

1

0

TCVN5945 2005,B

Chung

A2O

85

12

135

16

65

8

-

-

38

12

5.4

0.85

100

Yên Sở

Chung

SBR

45

6

132

24

51

10

28

0.5

34

8

7.2

6.5

-

QCVN40 2011,B

Bình Hưng

Chung

Hồ sinh học

42

3

135

30

103

7

-

-

11

7

-

-

175

QCVN14 2008,B

Chung

CAS

78

10

203

50

49

18

17.9

3.3

-

-

-

-

-

Hịa Cường

Chung

Hồ kỵ khí

63

31

115

60

59

23

-

-

23.6 18.6

1.9

1.5

-

QCVN40 2011,B

Ngũ Hành Sơn

Chung

Hồ kỵ khí

31

22

60

44

27

16

-

-

15.6 12.9

1.4

1.1

-

QCVN40 2011,B

Sơn Trà

Chung

Hồ kỵ khí

37

25

67

49

38

19

-

-

1.7

1.4

-

QCVN40 2011,B

Phú Lộc

Chung

Hồ kỵ khí

96

37

169

73

71

23

-

-

2.2

1.8

-

QCVN40 2011,B

Bãi Cháy

Chung

SBR

36

20

80

32

196

11

1.3

0.79

-

-

-

-

13

QCVN40 2011,B

Hà Khánh

Chung

SBR

45

23

68

68

41

35

1.1

1

-

-

-

-

43

Đà Lạt

Riêng

380 14

604

65

792

82

68

25.6

95

30

19.7

9

-

336 45

564

98

286

76

36.4

32

93.7

23

11.2

4.3

15000

90

120

25

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Bắc Thăng
Long

Bình Hưng
Hịa

Bn Ma
Thuộc
Bắc Giang

Bể lắng / Lọc nhỏ
giọt

Riêng

Chuỗi hồ

Chung

Mương oxy hóa

-

18

14

28.3 21.4

QCVN 40, cột A

30

75

50

5

20

4

3000

QCVN 40, cột B

50

150

100

10

40

6

5000

QCVN40 2011,A

QCVN14 2008,B

QCVN24 2009,B

QCVN24 2009,B

QCVN14 2008,B


8

2.2 Sự tiêu thụ năng lƣợng của quá trình xử lý nƣớc thải và tiềm năng thu hồi
năng lƣợng từ nƣớc thải
2.2.1 Sự tiêu thụ và chi phí năng lƣợng cho công nghệ xử lý nƣớc thải hiện nay
Lượng tài nguyên hiện diện trong nước thải đô thị cho ta thấy rằng hiện nay tài
nguyên này đã và đang không được khai thác một cách hợp lý trong chu trình nước
điển hình. Trong chu trình này, nước được tách ra từ tự nhiên (và đối với của đô thị
lớn, nằm cách xa nguồn cấp) [13], được cung cấp các điều kiện cần để tạo ra nước cấp
cho sinh hoạt có chất lượng cao, sau đó được vận chuyển đến người sử dụng. Lượng
nước này sau khi được sử dụng bị nhiễm các chất bẩn có nồng độ thấp, nhưng lại được
vận chuyển và xử lý với mức độ cao bởi một hệ thống xử lý nước thải tốn kém, mà
phần lớn hệ thống lại không thu hồi được các nguồn tài nguyên chứa trong nước để
cuối cùng trả lại cho mơi trường tự nhiên [14].
Bởi vì cho đến nay, hệ thống xử lý nước thải phổ biến nhất đang sử dụng là công

nghệ BHT thông thường, mà nguyên lý là sinh khối của các vi khuẩn lơ lửng trong
nước được đồng hóa một phần với các hợp chất hữu cơ có trong nước thải, các thành
phần khống khác một phần chuyển thành CO2 thơng qua q trình hơ hấp hiếu khí,
oxy hóa hợp chất Amonia thành Nitrate (q trình nitrat hóa), có thể kết hợp để hấp thụ
các hợp chất Photpho hoặc chuyển thành các phức kim loại [14], [15]. Trong điều kiện
tốt nhất, sinh khối dư thừa (bùn) được tạo ra trong q trình BHT truyền thống có thể
được phân hủy kỵ khí nhằm thu hồi một số năng lượng ở dạng khí sinh học giàu mêtan,
tuy nhiên phần lớn chất dinh dưỡng lại không thu hồi được (một số dạng Photpho có
thể được phục hồi từ q trình đốt bùn, tuy nhiên q trình này là khơng được áp dụng
rộng rãi), kể cả là dòng đầu ra cũng không phù hợp để tái sử dụng mà không cần đến
xử lý bổ sung.
Trong những năm qua, công nghệ BHT truyền thống đã trở nên phức tạp hơn và
cũng tiêu thụ nhiều năng lượng về mặt bản chất.Trong công nghệ này, ban đầu các bể
sinh học thường vận hành và được đặt sau bể lắng sơ cấp với thời gian lưu nước trong
khoảng 2 đến 3 giờ. Thông qua bể lắng sơ cấp, một số lượng đáng kể các chất giàu


9

năng lượng, các cặn nặng có khả năng lắng và phân hủy được tách ra và thu hồi mà
không cần phải cấp khí liên tục. Ngày càng nhiều các xu hướng phát triển gần đây đang
hướng tới việc loại bỏ nitrat, đã gây ảnh hưởng lớn và dẫn đến sự giảm đi (HRT còn lại
1 giờ) hoặc bỏ đi quá trình xử lý sơ cấp [16], nhằm mục đích cho phép các hợp chất
cacbon (cho-nhận electron) tồn tại như chất nền làm ngun liệu cho q trình khử
nitrat hóa (trong đó nitrat được chuyển đổi thành khí nitơ) [14]. Ngồi ra, các u cầu
của q trình Nitrat hóa và nhu cầu giảm tối thiểu lượng bùn dư đã khiến cho các hệ
thống BHT truyền thống phải sử dụng và mở rộng hơn hệ thống thổi khí tăng cường,
cũng có nghĩa là tương ứng với tuổi bùn cao và tải trọng bùn thấp. Trong lý thuyết về
tiêu thụ năng lượng, điều này đã có hai hậu quả. Một mặt, nó địi hỏi thổi khí nhiều hơn
nên lượng tiêu thụ năng lượng do đó nhiều hơn, theo thứ bậc thì cần ít nhất 9

kWh/(IE.y) [17]. Mặt khác, nó dẫn đến việc tạo ra ít bùn hơn cũng như bùn có khả
năng phân hủy kém hơn, dẫn đến sự thu hồi năng lượng dưới điều kiện khơng thuận
lợi, như đã được phân tích ở trên.
Sự phục hồi năng lượng không thuận lợi này thơng qua q trình phân hủy kỵ khí
của bùn từ hệ thống BHT truyền thống chỉ tạo ra và thu hổi được khoảng 20% năng
lượng do nhà máy xử lý tiêu thụ [18]. Thêm một tác động không may nữa là thường
làm cho q trình phân hủy kỵ khí trở nên bất khả thi đối với các nhà máy xử lý nước
thải với công suất, quy mô vừa và nhỏ. Vì thực tế là hệ thống buồng đốt để sản sinh
năng lượng từ hỗn hợp nhiệt và năng lượng (CHP) thường hoạt động không hiệu quả
với lượng điện cấp vào nhất định, thông thường là 0,35 MW [19]. Các buồng đốt trong
kích thước nhỏ nhất hoạt động với năng lượng cấp vào ở mức tối thiểu là 0,2 MW,
tương đương 0,6 MW tổng (nhiệt + điện) sản lượng điện [20]. Thật vậy, mặc dù hệ
thống phân huỷ kỵ khí được coi là phương pháp bền vững nhất để ổn định bùn [21],
việc u cầu hệ thống CHP có kích thước lớn (và các chi phí hậu cần vận chuyển bùn
từ máy xử lý nước cho các nhà máy phân huỷ kỵ khí tập trung) đã tạo ra tình trạng là
phần lớn bùn sản xuất trong các nhà máy BHT ở châu Âu (đa phần là nhỏ hơn 100.000
IE) không được phân hủy hết [14]. Cũng tương tự, 81% những nhà máy xử lý nước


10

thải đơ thị tập trung có sử dụng hệ thống phân huỷ kỵ khí ở Mỹ cũng khơng tạo ra đủ
năng lượng từ khí metan trong hệ thống CHP và thay vào đó chỉ đơn giản là đốt đi
[22].
Báo cáo mức tiêu thụ năng lượng của các hệ thống BHT thơng thường như sau:
khoảng 33 kWh/(IE.y) (ít nhất 20 kWh/(IE.y) ở các quốc gia Tây Âu, trong đó thơng
thường là 20% đến tối đa là 50% có thể được thu hồi thơng qua hệ thống phân hủy kị
khí [18], khoảng 53 kWh/(IE.y) đối với nhà máy BHT truyền thống có kết hợp xử lý
loại bỏ nitơ và khơng có q trình xử lý sơ cấp [23]. Tại Mỹ, mức tiêu năng lượng đã
được báo cáo là trong khoảng 80-150 kWh/(IE.y) đối với các nhà máy BHT không loại

bỏ các chất dinh dưỡng, và rất cao khoảng 250 kWh/(IE.y) cho các nhà máy BHT có
kết hợp q trình nitrat hóa [24]. Dưới các giả định rằng hệ thống xử lý nước thải có
kèm theo hệ thơng phân hủy kỵ khí bùn, các giá trị này tương ứng với mức tiêu thụ
năng lượng tượng trưng cho năng lượng có trong nhiên liệu hóa thạch (giả sử hiệu suất
chuyển đổi sang năng lượng điện là 31% của 35-85 kWh/(IE.y) đối với các nước Tây
Âu [14]. Các giá trị tương ứng đối với Mỹ là 130-390 kWh/(IE.y) cho các nhà máy
BHT mà không loại bỏ chất dinh dưỡng và lên đến 640 kWh/(IE.y) cho các nhà máy
BHT kết hợp loại bỏ nitơ. Mặc dù những dẫn chứng này một cách tương đối là không
đáng kể khi so sánh với năng lượng tiêu thụ sơ cấp bình quân đầu người tiêu thụ
khoảng 44 MWh/(IE.y) ở châu Âu và khoảng 83 MWh/(IE.y) tại Mỹ. Tuy nhiên khi so
với mức tiêu thụ năng lượng trên đầu người này cho các quốc gia khác, ví dụ như Ấn
Độ (4700 kWh/(IE.y) và các quốc gia châu Phi (4200 kWh/(IE.y), đây là một con số
đáng kể. Do chi phí năng lượng cao, nhiều nước đang phát triển Châu Á và châu Phi
khơng thể chịu được chi phí cho xử lý sinh học thông thường bậc hai [25]. Điều này
nhấn mạnh một thực tế là mơ hình xử lý nước thải hiện tại của các nước phát triển tốn
quá nhiều năng lượng để phát triển bền vững hơn là các nước đang phát triển [26].
Qua đó, ta nhận thấy cần phải có những kiểu mơ hình nước thải mới ít tốn kém
năng lượng hơn, đồng thời có khả năng thu hồi lại năng lượng và tài nguyên trong
dòng nước thải.


11

2.2.2 Tiềm năng thu hồi năng lƣợng, tài nguyên trong nƣớc thải:
Nước thải đô thị thường bao gồm các thành phần sau đây [27]: nước, hợp chất
hữu cơ không độc hại; nitơ; phốt pho; tác nhân gây bệnh và các vi sinh vật khác; ô
nhiễm vô cơ và hữu cơ độc hại như kim loại nặng, hydrocarbons thơm (PAHs), thuốc
trừ sâu, các hợp chất vô cơ không độc hại như silicat, aluminat, hợp chất có chứa canxi
và magiê.
Nhiệt lượng trong nước thải cũng khá đáng kể. Trong đó, nước, năng lượng (theo

hình thức liên kết hóa học và nhiệt) và các chất dinh dưỡng (N, P và C) có thể được coi
là nguồn tài nguyên có giá trị, sự thu hồi có thể được thực hiện. Bảng 2.2 liệt kê các
tiềm năng thu hồi các nguồn tài nguyên từ nước thải đô thị, không bao gồm thu hồi
nhiệt, dưới giả định rằng năng lượng hóa học được tìm thấy trong các dạng của metan
thơng qua phân hủy kị khí và carbon hữu cơ còn lại sau xử lý được sử dụng làm phân
hữu cơ [28].
Bảng 2.2 Tiềm năng thu hồi tài nguyên từ nước thải đô thị [28]
Tiềm năng
thu hồi

Thành phần chứa
trong 1 m3 nƣớc
thải

Giá trị thị trƣờng
năm 2009

Tổng giá trị trên 1 m3

Nước

1 m3

0,25 Euro/m3

0,25

Nito

0.05 kg

0,22 Euro/kg

0,01

Metana

0,14 m3

0,34 Euro/m3CH4

0,05

Phân hữu
cơb

0,10 kg

0,20 Euro/kg

0,02

Photpho

0,01 kg

0,70 Euro/kg

0,01

Tổng cộng
a :

Euro

0,35

Dựa trên 80% lượng chất hữu cơ thu hồi chuyển hết sang dạng khí sinh học và

sản sinh 0,35 m3/kg COD bị loại bỏ.
b

: Dựa trên 20% lượng chất hữu cơ còn lại sau q trình phân huỷ kỵ khí. Giá

trị được tính tốn dựa trên các lợi ích nơng nghiệp từ chất hữu cơ.