Ứng dụng công nghệ sewage plus sử dụng đồng phân hủy kỵ khí để tái tạo năng lượng từ rác thải và nước thải cô đặc bằng màng siêu lọc cho hộ gia đình với quy mô pilot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG

NGUYỄN CÔNG VŨ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SEWAGE PLUS
SỬ DỤNG ĐỒNG PHÂN HỦY KỲ KHÍ ĐỂ TÁI TẠO NĂNG
LƢỢNG TỪ RÁC THẢI VÀ NƢỚC THẢI CƠ ĐẶC BẰNG MÀNG
SIÊU LỌC CHO HỘ GIA ĐÌNH VỚI QUY MƠ PILOT

Chun ngành

Kỹ thuật Mơi trƣờng

Mã số

60 52 03 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hồ Chí Minh Tháng 12 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Nguyễn Phƣớc Dân
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 2: PGS. TS. Bùi Xuân Thành
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày 18 tháng 01 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.
5.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------

--------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Công Vũ

MSHV: 132050598

Ngày, tháng, năm sinh: 16 – 10 - 1977

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi Trƣờng

Mã số: 60 52 03 20

I. Tên Đề Tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SEWAGE PLUS, SỬ DỤNG ĐỒNG
PHÂN HỦY KỲ KHÍ ĐỂ TÁI TẠO NĂNG LƢỢNG TỪ RÁC THẢI VÀ NƢỚC
THẢI CÔ ĐẶC BẰNG MÀNG SIÊU LỌC CHO HỘ GIA ĐÌNH VỚI QUY MƠ
PILOT
II. Nhiệm vụ và nội dung:
1. Cô đặc nƣớc thải bằng màng siêu lọc (UF) với hai nội dung:
- Cô đặc nƣớc thải sinh hoạt (nƣớc tắm giặt, nƣớc thải sau bể tự hoại và nƣớc
thải từ nhà bếp) từ đó đánh giá khả năng thu hồi cơ chất thông qua sự thay đổi của
COD, N-NH4+, TKN, TP.
- Cô đặc nƣớc thải nhà bếp với các thời gian lƣu ở dịng cơ đặc khác nhau từ
đó xác định thời gian lƣu hiệu quả nhất.
2. Sử dụng bể phân hủy kỳ khí đồng xử lý rác hữu cơ nhà bếp và nƣớc thải sinh
hoạt cô đặc từ đó đánh giá hiệu quả thu hồi khí sinh học và dinh dƣỡng.
II. Ngày giao nhiệm vụ:

24/12/2014

III. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

24/12/2015

IV. Cán bộ hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS Nguyễn Phƣớc Dân

PGS.TS Bùi Xuân Thành

Nội dung và đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đã đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
Tp. HCM, ngày .....tháng .....năm 2015
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã nhận đƣợc nhiều sự hỗ trợ của
thầy cơ, bạn bè và gia đình.
Trƣớc tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS.Nguyễn Phƣớc Dân,
PGS.TS. Bùi Xuân Thành, đã tận tâm hƣớng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện
luận văn này.Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong Khoa Môi Trƣờng và Tài Nguyên – Trƣờng
Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp. HCM đã truyền đạt những kiến thức
q báu cho tơi trong suốt q trình học tập tại trƣờng.
Tôi cũng cảm ơn tập thể cán bộ quản lý phịng thí nghiệm Khoa Tài Ngun và
Mơi Trƣờng – Trƣờng Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp. HCM đã nhiệt
tình hỗ trợ trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Đại Học Quốc Gia Tp. HCM và Viện Khoa Học Công Nghệ
Flemish (VITO) đã tài trợ tài chính cho nhóm nghiên cứu thực hiện đề tài này.

Tôi gửi lời cảm ơn các bạn sinh viên nhóm Sewage Plus 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 ngƣời 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 11 tháng 01 năm 2015

Nguyễn Công Vũ


T M TẮT LUẬN VĂN
Mục đích của nghiên cứu này đánh gía khả năng luận cơ đặc của màng UF cho nƣớc
thải sinh hoạt và nƣớc thải nhà bếp và đánh giá hiệu quả của q trình địng phân
hủy kỳ khí của rác thải hữu cơ dễ phân hủy sinh học dễ phân hủy sinh học nhà bếp
và nƣớc thải sinh hoạt cơ đặc từ q trình phía trên để thu hồi khí sinh học.
Q trình cơ đặc nƣớc thải sinh hoạt bằng màng UF và quá trình đồng phân hủy kỳ
khí đƣợc thực hiện tại chung cƣ 518 đƣờng Võ Văn Kiệt, Phƣờng Cầu Kho, Quận 1,
TP Hồ Chí Minh. Ƣớc tính tƣơng đƣơng bốn kg rác thải nhà bếp ƣớt và 852 L nƣớc
thải thải ra hàng ngày từ hai hộ gia đình mỗi bốn ngƣời một hộ đƣợc sử dụng cho
thí nghiệm này. Một mơ-đun màng tấm phẳng đƣợc sử dụng trong thí nghiệm này
có kích thƣớc khe rỗng (MWCO) là 150 kDa với tổng diện tích là 3m2,đƣợc đặc
trong bể chứa với thể tích hữu ích là 185 L, đƣợc vận hành với thông lƣợng 16
LMH. Với hiệu quả thu hồi nƣớc 99,8%, hệ thống màng cô đặc nƣớc thải sinh hoạt
với nồng độ ban đầu COD là 202 ± 34 mg/L, TKN là 31 ± 5 mg/L và TP là 3 ± 0,9
mg/L. 2 L nƣớc cơ đặc có tổng COD 1960 ± 1.019 mg/L, TKN là 162 ± 76 mg/L và
TP là 38 ± 24 mg/L. Bể kỳ khí với thể tích hữu ích là 300 L vận hành ở tải trọng
hữu trung bình là 2,7 ± 0,5 kgVS/m3day. Nồng độ COD và TKN và TP thấm là 42 ±
10 mg/L, 20 ± 5 mg/L và 3 ± 0,9 mg/L, tƣơng ứng. Đầu ra dòng thấm COD đạt tiêu
chuẩn xả thải của quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam. Tuy nhiên, Amonia và
nồng TP đã khơng có hiệu quả loại bỏ bằng cách lọc trực tiếp qua màng UF. Trong
hệ thống lọc màng, TMP nhanh chóng tăng từ 50 mbar đến 300 mbar sau bốn ngày,

hệ thống đã rửa ngƣợc (ở chế độ 10 phút hoạt động và 2 phút nghỉ) nhƣng đối với
một hoạt động dài hạn (2 tuần sau), TMP giữ ổn định dƣới 150 mbar và hệ thống
chỉ rửa ngƣợc hàng tháng. Hệ thống phân hủy kỳ khí sản sinh 425 ± 92 L/ngày.
Cô đặc nƣớc thải nhà bếp bằng UF diễn ra tại căng-tin của trƣờng đại học TP HCM
khoảng 700 L nƣớc thải đƣợc thu gom và sử dung cho thí nghiệm này, thí nghiệm
đƣợc thực hiện với 3 thời gian lƣu dịng cơ đặc khác nhau. Module màng đƣợc sử
dụng cùng loại với thí nghiệm 1 và chứa trong bể với thể tích hữu ích là 120 L, hoạt
động ở dòng 10 LMH. Nồng độ đầu vào ứng với các CRT lần lƣợt là COD = 927 ±
97 mg/L, TKN = 31 ± 11,5 mg/L, TP = 1,06 ± 0,33 mg/L tại CRT 1 ngày, COD =
1410 ± 220 mg/L, TKN = 60 ± 11 mg/L, TP = 1,74 ± 0,72 mg/L tại CRT 2 ngày và
COD = 1632 ± 179 mg/L, TKN = 55 ± 11 mg/L, TP = 0,8 ± 0, 5 mg/L tại CRT 3


ngày, nồng độ dịng cơ đặc tƣơng ứng là tCOD = 1526 ± 95 mg/L CRT1, tCOD =
3603 ± 735 mg/L CRT2 và tCOD = 5806 ± 1.708 mg/L CRT3. Nồng độ COD dòng
thấm tƣơng ứng nhƣ sau COD, TP và TKN là 177 ± 56 mg/L, 0,14 ± 0,07 mg/L, 8 ±
4 mg/L CRT1, 202 ± 44 mg/L, 0,23 ± 0, 13 mg/L, 9 ± 1 mg/L ở CRT2 và 202 ± 44
mg/L, 0,12 ± 0,05 mg/L, 5 ± 1 mg/L ở CRT 3. Phần trăm COD thất thoát ở CRT1 là
28 %, CRT2 là 40% và CRT3 là 43%. Sự thất thoát này đƣợc gây ra bởi phản ứng
sinh học bên trong bể màng. Kết quả cho thấy ở CRT3 là hiệu quả tốt cho tăng nồng
độ của nƣớc thải nhà bếp.

ABSTRACT
This study discusses the potential of concentration process by ultrafitration
membrane for 2 kind of wastewater; domestic wastewater, kichen wastewater, and
co-anaerobic digestion potential of concentrated domestic wastewater from
membrane concentration process and kitchen waste to produce biogas.
Concentrated domestic wastewater by UF and co-anaerobic digiestion process takes
place at Apartment 518 Vo Van Kiet Street, Cau Kho Ward, District 1, HCMC.
Four kilograms of wet kitchen waste and 852 L of wastewater, which daily

generated from two four-person households were fed into a pilot-scale anaerobic
digester. An flat-sheet membrane module was used in this experimental has pore
size (MWCO) is 150 kDa with total areas is 3m2, it was storage in reactor with the
working volume of 185 L, was operated at flux of 16 LMH. With efficiency
recovery of 99.8%, Membrane system concentrated from 852 L of domestic
wastewater with initial COD of 202 ± 34 mg/L, TKN of 31 ± 5 mg/L and TP of 3 ±
0.9 mg/L to 2 L of the concentrated wastewater with total COD of 1960 ± 1019
mg/l, TKN of 162 ± 76 mg/L and TP of 38 ± 24 mg/L. An anaerobic digester with
the working volume of 300 L was run at organic loading rate ranging from 2.7±0.5
kg VS/m3.day. The permeate COD and TKN and TP concentrations were 42± 10
mg/L, 20 ± 5 mg/L and 3 ± 0.9 mg/L, respectively. The permeate COD met the
effluent standards of Vietnam national technical regulation. However, ammonia
nitrogen and TP concentration was not efficiently removed by direct UF. In
Membrane separation system, At the beginning of operation time transmembrane
pressure (TMP) quickly increased from 50 mbar to 300 mbar after four days, the
system has to backwash (at mode of 10 min operation and 2min relax) but for a long


term running (2 week later on) the TMP kept stable under 150 mbar and the system
was backwash monthly. The daily biogas production from co-anaerobic digestion
process was 425 ± 92 L/day.
Concentrated of kitchen wastewater by UF take place at the canteen of HCMC
University around 700 L of wastewater was collected and fed to membrane system.
the membrane module was used as the same as in the first experimental and was
storage in reactor with the working volume of 120 L, was operated at flux of 10
LMH. With initial COD = 927 ± 97 mg/l, TKN = 31 ± 11,5 mg/l, TP = 1,06 ± 0,33
mg/l at CRT 1 day, COD = 1410 ± 220 mg/l, TKN = 60 ± 11 mg/l, TP = 1,74 ± 0,72
mg/l at CRT 2 days and COD = 1632 ± 179 mg/l, TKN = 55 ± 11 mg/l, TP = 0,8 ±
0,5 mg/l at CRT 3 days, the concentrated goes following; tCOD = 1526 ± 95 mg/l
CRT1, tCOD = 3603 ± 735 mg/l CRT2 and tCOD = 5806 ± 1708 mg/l CRT3

respectively. The permeate flow as follow COD, TP and TKN were 177 ± 56 mg/l,
0,14 ± 0,07 mg/l, 8 ± 4 mg/l CRT1, 202 ± 44 mg/l, 0,23 ± 0,13 mg/L, 9 ± 1 mg/L at
CRT2 and 202 ± 44 mg/l, 0,12 ± 0,05 mg/L, 5 ± 1 mg/L at CRT 3. The COD
percentate lots at CRT1 was 28 %, CRT2 was 40 % and CRT3 was 43 %. The COD
loss was caused by biodegadable inside membrane reactor. The results showed that
at CRT3 was good effect for up concentration of kitchen wastewater.
Keywords: UF membrane; co-digestion; kitchen waste; direct filtration; domestic
wastewater.


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan tồn bộ luận văn là do q trình nghiên cứu của tơi và cộng sự tại
phịng thí nghiệm khoa Tài Ngun và Mơi Trƣờng, Trƣờng ĐHBK Tp. HCM.
Những kết quả và số liệu trong luận văn đƣợc thực hiện nghiêm túc và trung thực.
Tôi hồn tồn chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
TP.HM ngày 11/01/2016
Học Viên Cao Học

Nguyễn Công Vũ


MỤC LỤC

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................1
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ..........................................................................3
1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................................3
1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ........4
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN.....................................................................................5

2.1 HIỆN TRẠNG NƢỚC THẢI SINH HOẠT Ở VIỆT NAM .........................5
2.1.1 Sự tiêu thụ và chi phí năng lƣợng cho cơng nghệ xử lý nƣớc thải hiện nay
6
2.1.2 Tiềm năng thu hồi năng lƣợng, tài nguyên trong nƣớc thải .......................9
2.1.3 Cô đặc nƣớc thải bằng công nghệ màng nhắm đến thu hồi cơ chất .........13
2.1.3.1 Công nghệ lọc màng và những tiềm năng ............................................13
2.1.4 Công Nghệ Sewage Plus ..........................................................................15
2.1.5 Cô đặc nƣớc thải cho mục tiêu thu hồi năng lƣợng .................................16
2.1.6 Lý thuyết xử lý nƣớc thải bằng cơng nghệ màng [20] .............................17
2.1.6.1 Q trình lọc màng ...............................................................................17
2.1.6.2 Phân loại màng lọc ................................................................................17
2.2 HIỆN TRẠNG CHẤT THẢI RẮN Ở VIỆT NAM ....................................21
2.2.1 Chất Thải Rắn Đô Thị ..............................................................................21
2.2.1.1 Rác Thải Nhà Bếp .................................................................................21
2.2.2 Khả Năng Phân Hủy Sinh Học.................................................................22
2.2.3 Phân Hủy Kị Khí Thu Hồi Năng Lƣợng ..................................................22
2.3 CÁC NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY KỊ KHÍ ...................................31
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................34
3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................34
3.2 THÍ NGHIỆM 1: CƠ ĐẶC NƢỚC THẢI SINH HOẠT VÀ ĐỒNG PHÂN
HỦY KỲ KHÍ RÁC HC VỚI NƢỚC CƠ ĐẶC...................................................35
3.2.1 Mơ hình ....................................................................................................35
3.2.2 Vật liệu .....................................................................................................36
3.2.3 Điều kiện vận hành ...................................................................................37
3.2.3.1 Hệ thống cô đặc màng ..........................................................................37
3.2.3.2 Hệ thống đồng phân hủy kỳ khí ............................................................38
3.3 THÍ NGHIỆM 2: CƠ ĐẶC NƢỚC THẢI NHÀ BẾP ................................39
3.3.1 Mơ hình ....................................................................................................39
3.3.2 Vật liệu .....................................................................................................39
3.3.3 Điều kiện vận hành ...................................................................................40

3.4 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ..............................42


3.4.1 Phƣơng pháp phân tích .............................................................................42
3.4.2 Xử lý và thống kê dữ liệu thô ...................................................................42
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................44
4.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1 ........................................................................44
4.1.1 Cơ đặc nƣớc thải sinh hoạt .......................................................................44
4.1.1.1 Khả năng loại bỏ COD..........................................................................45
4.1.1.2 Loại bỏ Nitơ và Phốt pho ......................................................................46
4.1.1.3 Bẩn màng ..............................................................................................47
4.1.2 Đồng phân hủy kỳ khí. .............................................................................53
4.1.2.1 Hiệu quả khử COD ...............................................................................54
4.1.2.2 Sự thay đổi thành phần dinh dƣỡng ......................................................57
4.1.3 Cân bằng cơ chất ......................................................................................58
4.1.4 Cân bằng dinh dƣỡng ...............................................................................60
4.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 2 ........................................................................62
4.2.1 Hiệu quả xử lý ..........................................................................................62
4.2.1.1 Diễn biến COD tổng của các dòng ở các CRT trong TN2 ...................62
4.2.1.2 Hiệu quả thu hồi COD ..........................................................................65
4.2.1.3 So sánh các kết qua đạt đƣợc với kết quả của các thí nghiệm khác. ....66
4.2.1.4 Hiệu quả xử lý Ni tơ. ............................................................................67
4.2.1.5 Hiệu quả xử lý Phốt pho .......................................................................72
4.2.2 Bẩn màng..................................................................................................74
4.2.2.1 Ảnh hƣởng của Protein và Polysaccharide ...........................................74
4.2.2.2 Sự thay đổi TMP và thông lƣợng ở các CRT khác nhau .....................77
4.2.2.3 Sự thay đổi giá trị TSS, kích thƣớc hạt ở các CRT khác nhau .............80
4.2.3 Đánh giá hiệu quả xử lý ở 3 thời gian lƣu ................................................85
CHƢƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................88
5.1.Kết luận ...........................................................................................................88

5.2. Kiến nghị ........................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................92
PHỤ LỤC A .............................................................................................................98
PHỤ LỤC B ...........................................................................................................101


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Tình hình xử lý nƣớc thải ở VN theo khảo sát của WB năm 2012 [4] ........5
Hình 2.2 Một số q tình thu hồi dịng nƣớc từ nƣớc thải đơ thị bằng cơng nghệ lọc
màng [15]............................................................................................................14
Hình 2.6 Lọc trực giao và lọc tiếp tuyến. ..................................................................19
Hình 2.7 Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình bẩn màng [20] ...................................19
Hình 2.8 Cơ chế bẩn màng [20] ................................................................................20
Hình 3.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu ........................................................................34
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống cô đặc nƣớc thải bằng màng và bể phân hủy kị khí ..........35
Hình 3.3. Kích thƣớc bể màng và module màng A3 ................................................35
Hình 3.4 Kích thƣớc bể đồng phân hủy kỳ khí xáo trộn hồn tồn ..........................36
Hình 3.5 Sơ đồ SCADA hệ thống điều khiển mơ hình .............................................38
Hình 3.6 Sơ đồ mơ hình màng UF quy mơ pilot .......................................................39
Hình 3.7 Kích thƣớc bể màng UF TN2 .....................................................................39
Hình 4.1 Diễn biến COD tổng ở 3 dịng vào, ra cơ đặc TN1 ....................................45
Hình 4.2 Diễn biến COD dịng cơ đặc ở TN1 ...........................................................46
Hình 4.3. Cân bằng COD trong bể cơ đặc màng UF TN1. .......................................46
Hình 4.4 Sự thay đổi TKN (a) (b) trong bể cơ đặc TN1 ...........................................46
Hình 4.5 Diễn biến TP trong TN1 .............................................................................47
Hình 4.6 Diễn biến TMP và thơng lƣợng ở TN1 ......................................................47
Hình 4.7 Diễn biến của COD hạt và COD hịa tan ở dịng cơ đặc TN1 ...................49
Hình 4.8 Kích thƣớc hạt ngày thứ 1 ở TN1 ..............................................................50
Hình 4.9 Kích thƣớc hạt ngày thứ 10 ở TN1 ............................................................51
Hình 4.10 Kích thƣớc hạt dịng vào ngày thứ 1 và thứ 10 ở TN1 ............................51

Hình 4.11 Kích thƣớc hạt dịng cơ đặc ngày thứ 1 và ngày thứ 10. .........................52
Hình 4.12 Diễn biến pH trong bể kỳ khí ở TN1 .......................................................53
Hình 4.13 Diễn biến COD trong bể kỳ khí ở TN1 ....................................................55
Hình 4.14 Diễn biến VS trong bể kỳ khí ở TN1 .......................................................55
Hình 4.15 Sản lƣợng biogas sinh ra ở TN1...............................................................55
Hình 4.16 Kết quả đo thành phần khí vào ngày thứ 137 ..........................................57
Hình 4.17 Diễn biến của TKN bể kỳ khí ở TN1 .......................................................58
Hình 4.18 Diễn biến của TP trong bể kỳ khí ở TN1 .................................................58
Hình 4.19 Cân bằng COD của tồn bộ hệ thống .......................................................59
Hình 4.20 Phân bố COD của tồn bộ hệ thống ở TN1 .............................................59
Hình 4.21 Cân bằng TKN và TP tồn bộ hệ thống. ..................................................60
Hình 4.22 Sự phân bố TKN và TP cả hệ thống ở TN1 .............................................61
Hình 4.23 Diễn biến tCOD của các dịng ở TN2 ......................................................63
Hình 4.24 Sự phân bố các thành phần COD dịng và các CRT ở TN2 .....................64
Hình 4.25 phân bố COD trong dịng vào và dịng cơ đặc ở các CRT TN2 ..............65
Hình 4.26 Cân bằng COD tổng của các CRT trong TN2 .........................................66


Hình 4.27 Diễn biến N-NH4+ trong bể ở các CRT TN2 ...........................................68
Hình 4.28 Nồng độ N - NH4+ trong bể với các CRT ở TN2 .....................................69
Hình 4.29 Diễn biến TKN ứng với các CRT ở TN2 .................................................70
Hình 4.30 Cân bằng tải lƣợng TKN trong bể với các CRT TN2 ..............................71
Hình 4.31 Diễn biến TP trong bể với các CRT TN2 ................................................72
Hình 4.32 Cân bằng tải lƣợng TKN trong bể với các CRT TN2 ..............................73
Hình 4.33 Diễn biến của polysaccaride với các CRT TN2 .......................................75
Hình 4.34 Diễn biến Protein với các CRT TN2 ........................................................76
Hình 4.35 Biểu đồ áp suất qua màng (TMP) và thông lƣợng a) CRT 1 ngày, b) CRT
2 ngày, c) CRT 3 ngày........................................................................................78
Hình 4.36 Trở lực màng ở các chế độ vận hành khác nhau ......................................80
Hình 4.37 Kích thƣớc hạt khi vận hành ở CRT 1 ngày ............................................81

Hình 4.38 Nồng độ TSS khi vận hành ở CRT 1 ngày...............................................81
Hình 4.39 kích thƣớc hạt khi vận hành ở CRT 2 ngày .............................................83
Hình 4.40 Nồng độ TSS khi vận hành ở CRT 2 ngày...............................................83
Hình 4.41 kích thƣớc hạt khi vận hành ở CRT 3 ngày .............................................84
Hình 4.42 Nồng độ TSS khi vận hành ở CRT 3 ngày...............................................85
Hình 4.43 So sánh COD cân bằng ở các CRT khác nhau .........................................87


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Tiềm năng thu hồi tài nguyên từ nƣớc thải đô thị [3] ..................................9
Bảng 2.2 Phân loại màng lọc.....................................................................................17
Bảng 2.3 So sánh giữa các loại màng lọc..................................................................18
Bảng 2.4 Thành phần tính chất chất thải nhà bếp .....................................................21
Bảng 2.5 Sản lƣợng khí sinh học từ phân hủy các chất thải HC khác nhau .............33
Bảng 3.1 Thông số vận hành bể màng UF ................................................................37
Bảng 3.2 Thông số vận hành bể ĐPH kỳ khí xáo trộn hồn tồn .............................39
Bảng 3.3 Thông số vận hành bể màng UF ................................................................41
Bảng 3.4 Phƣơng pháp phân tích các chỉ tiêu ...........................................................42
Bảng 4.1 Kết quả phân tích COD, TKN, TP TN1 (n=25) ........................................44
Bảng 4.2 Tính chất của dòng vào và dòng ra bể phân hủy kị khí (n=38) .................53
Bảng 4.3 So sánh với nghiên cứu khác .....................................................................56
Bảng 4.4 Kết quả thành phần COD ở các CRT trong TN2. ....................................62
Bảng 4.5 So sánh kết quả giữa nghiên cứu này và các nghiên cứu trƣớc đó ............67
Bảng 4.6 kết quả thành phần TKN NH4+-N ở các CRT trong TN2 ..........................67
Bảng 4.7 diễn biến TP ở các CRT ở TN2 .................................................................72
Bảng 4.8 Thành phần polysacharides, protein, TS, VS ở các CRT TN2 ..................74
Bảng 4.9 Chỉ tiêu phân tích của CRT 1 ngày n 9 ..................................................86
Bảng 4.10 Chỉ tiêu phân tích của CRT 2 ngày n 11 ............................................86
Bảng 4.11 Chỉ tiêu phân tích của CRT 3 ngày n 9 ..............................................86

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt
A2O
AnMBR
AnSBR
Biogas
BOD5
CAS
CHP S
coCOD
CO2e
COD
CRT
CSTR
CTR
EPS
fCOD
HRT
HTXLNT
KTTĐ
MBR
MF
NF
NMXLNT
pCOD
peCOD
PVC
RO

sCOD
SBR
tCOD
TDS
TMP
TKN
TP
Tp HCM
TSS
VS
UASB
UF

Tiếng Việt

Tiếng Anh

Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí
Cơng nghệ màng kỳ khí
Cơng nghệ bùn hoạt tính kỳ khí theo mẻ
Khí sinh học
Nhu cầu Oxy sinh hóa sau 5 ngày
Bùn hoạt tính truyền thống
Hệ thống kết hợp tạo nhiệt điện
COD dòng đậm đặc
Đƣơng lƣợng carbon dioxide
Nhu cầu Oxygen hóa học
Thời gian lƣu dịng cơ đặc
Bể phản ứng khuấy trộn liên tục
Chất thải rắn

Hợp chất polymer ngoại bào
Nồng độ COD dòng vào
Thời gian lƣu nƣớc
Hệ thống xử lý nƣớc thải
Kinh tế trọng điểm
Công nghệ sinh học màng
Công nghệ vi lọc
Công nghệ lọc nano
Nhà máy xử lý nƣớc thải
Hàm lƣợng COD hạt
Hàm lƣợng COD dịng thấm
Polyvinylclorua
Cơng nghệ lọc thẩm thấu ngƣợc
Hàm lƣợng COD hồ tan
Cơng nghệ bùn hoạt tính theo mẻ
Hàm lƣợng COD tổng
Tổng chất rắn hoà tan
Áp suất qua màng
Tổng Nitrogen Kjeldahl
Tổng Phospho
Thành phố Hồ Chí Minh
Tổng chất rắn lơ lửng
Chất rắn bay hơi
Cơng nghệ bùn kỳ khí dịng chảy ngƣợc
Cơng nghệ siêu lọc

(Anaerobic – Anoxic– Oxic)
Anaerobic Membrane Bioreactor
Anaerobic Sequencing Batch Reactor
Biochemical Oxygen Demand

Conventional Active Sludge
Combined Heat Power system
CO2 equivalent
Chemical Oxygen Demand
Concentrate Retention Time
Continuosly Stirred Tank Reactor
Extracellular polymeric substances
Hydraulic Retention Time

Membrane Bioreactor
Microfiltration
Nanofiltration

Reverse Osmosis
Sequencing Batch Reactor
Total Dissolved Solids
Transmembrane Pressure
Total Kjeldahl Nitrogen
Total Phosphorous
Total suppended Solids
Volatile Solids
Upflow Anaerobic Sludge Blanket
Ultrafiltration


CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hầu hết các đô thị hiện nay ở các nƣớc phát triển thƣờng đầu tƣ các nhà máy xử lý
nƣớc thải sinh hoạt tập trung bằng phƣơng pháp sinh học hiếu khí quy mơ lớn để
loại bỏ tất cả thành phần hữu cơ và dinh dƣỡng nhằm tạo ra chất lƣợng nƣớc phù

hợp để thải vào nguồn tiếp nhận. Hƣớng xử lý này đƣợc xem là không bền vững do
một lƣợng lớn năng lƣợng và chất dinh dƣỡng sẵn có trong nƣớc thải bị mất đi qua
các quá trình xử lý. Trên thực tế, năng lƣợng và chất dinh dƣỡng là những tài
nguyên khan hiếm, nhƣng với công nghệ xử lý nƣớc thải hiện nay, nhƣ các q
trình sinh học hiếu khí tiêu thụ một lƣợng lớn nguồn năng lƣợng (cụ thể là điện
năng) để vận chuyển và xử lý nƣớc thải mà những nguồn năng lƣợng này phần lớn
đƣợc sử dụng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch, mà nó một nguồn nhiên liệu khơng thể
tái tạo và ngày càng cạn kiệt. Do đó thách thức trong tƣơng lai là làm sao tìm đƣợc
hƣớng đi phù hợp cho các hệ thống xử lý nƣớc thải mà ở đó kết hợp đƣợc các yếu tố
nhƣ thu hồi và tái sử dụng tài nguyên sẵn có trong dòng nƣớc thải, đảm bảo tiêu
chuẩn đầu ra cùng với chi phí chấp nhận đƣợc.
Bên cạnh với nƣớc thải, cịn có những dịng thải khác nhƣ chất thải rắn hữu cơ phát
sinh từ hoạt động của con ngƣời nhƣ rác nhà bếp, rác sân vƣờn, rác chợ, v.v…là
nguồn năng lƣợng sinh khối đầy tiềm năng về mặt kinh tế. Thực trạng xử lý hiên
nay là ở những vùng chƣa có hệ thống thu gom, chất thải hữu cơ thƣờng đƣợc kết
hợp với chất thải khác mang đi đốt hoặc làm compost. Trong trƣờng hợp có hệ
thống thu gom và vận chuyển, phần lớn rác hữu cơ đƣợc mang đến bãi chôn lấp
hoặc vận chuyển đến nhà máy compost, không thu hồi khí sinh học tạo ra hoặc thu
hồi nhƣng hiệu quả khơng cao. Thêm vào đó, việc thu gom chất thải hữu cơ bằng
phƣơng tiện vận tải ở những vùng nơng thơn gặp khó khăn, trong khi đó ở vùng đô
thị việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phƣơng tiện vận tải có thể gây ra tắt nghẽn
giao thông cũng nhƣ gây ra vấn đề nghiêm trọng về phát sinh mùi.
Việc phân hủy kị khí các loại rác thải thực phẩm đã đƣợc chứng minh là một biện
pháp ít tốn chi phí, bền vững và là nguồn năng lƣợng tái tạo ở các nƣớc châu Á.
Energy Forum, một tổ chức phi lợi nhuận khuyến khích sử dụng các nguồn tài


nguyên bền vững, có trụ sở tại Colombo, Sri Lanka, đang tìm kiếm phƣơng án để
khuyến khích ngƣời dân Sri Lanka chấp nhận các chính sách về năng lƣợng tái tạo
bao gồm việc sử dụng khí sinh học trong các hộ gia đình. Trong quá trình phát triển

của Sri Lanka, việc họ coi trọng là phải tìm ra các phƣơng án để phát triển đất nƣớc
mà không tăng lƣợng phát thải carbon [1].
Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng năng lƣợng tái tạo và sự cần thiết phải
xử lý chất thải có khả năng phân hủy sinh học từ bãi rác đã thúc đẩy sự phát triển xử
lý kị khí vào thị trƣờng. Đối với các thành phần phân hủy sinh học của rác thải đô
thị, chất thải thực phẩm là thách thức lớn nhất vì độ ẩm cao. Mặc dù đã có nhiều đề
xuất cho việc quản lý chất thải thực phẩm kể cả đốt, ủ phân, xử lý kị khí. Trong đó
xử lý kị khí đã đƣợc sự quan tâm nhiều hơn vì tiềm năng năng lƣợng thu đƣợc từ
nó. Tại Anh, các nhà máy đồng xử lý đầu tiên đã đƣợc lắp đặt tại Holsworthy,
Devon để xử lý phân gia súc và chất thải thực phẩm [2]. Tuy nhiên, đồng xử lý của
bùn thải với chất thải thực phẩm chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi. Để thay đổi điều
này, những quyết định gần đây đã đƣợc thực hiện ở Anh để thúc đẩy việc sử dụng
các đồng xử lý của chất thải thực phẩm với bùn thải nhƣ là một tiềm năng lớn. Đây
có thể là một cơ hội lớn cho ngành công nghiệp nƣớc để tăng năng lƣợng tái tạo của
nó từ đó làm giảm ô nhiễm môi trƣờng
Từ năm 2007, Dự án SewagePlus bắt nguồn từ sự kết hợp của một nhóm giữa các
nhà nghiên cứu và các đối tác công nghiệp đã đƣa ra một hƣớng đi mới về thu hồi
năng lƣợng tối đa từ dòng nƣớc thải sinh hoạt hoặc dòng bùn sinh học từ trạm
XLNT. Các khái niệm và kỹ thuật này đƣợc Verstraete và cộng sự [3] công bố vào
năm 2009 thơng qua các bƣớc nhƣ: Q trình làm giàu/cô đặc nƣớc thải hoặc dựa
trên công đoạn cô đặc nƣớc thải bằng ly tâm, lọc màng, tạo bông sinh học hoặc hóa
học, hoặc dựa trên việc trộn nƣớc thải cơ đặc (hoặc bùn sinh học) với dịng chất thải
rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học. Dịng chất thải đƣợc cơ đặc sau đó đƣợc
xử lý trong bể phân hủy kị khí sinh khí sinh học để thu hồi năng lƣợng Đề tài “Ứng
dụng công nghệ Sewage-Plus, sử dụng đồng phân hủy kỵ khí để tái tạo năng
lượng từ rác thải và nước thải cô đặc bằng màng siêu lọc cho hộ gia đình quy mơ


pilot” đƣợc tiến hành triển khai với mục đích chứng minh cơ sở khoa học và tính
ứng dụng thực tiễn của quan điểm trên.

1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SEWAGE PLUS (SW+) ở điều kiện Việt Nam;
kết hợp xử lý nƣớc thải và rác thải hữu cơ dễ phân hủy sinh học nhà bếp cho các hộ
dân với quy mô pilot thông qua q trình cơ đặc nƣớc thải bằng màng UF và đồng
phân hủy kỳ khí rác hữu cơ từ nhà bếp với nƣớc thải cơ đặc. Từ đó đánh giá khả
năng thu hồi chất hữu cơ của q trình cơ đặc màng UF, khả năng tái sử dụng chất
dinh dƣỡng từ lƣợng bùn thải và sản lƣợng khí sinh học tạo thành từ q trình kỳ
khí.
Để đáp ứng mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:
1. Cô đặc nƣớc thải bằng màng siêu lọc (UF) với hai nội dung:
- Cô đặc nƣớc thải sinh hoạt (nƣớc tắm giặt, nƣớc thải sau bể tự hoại và nƣớc
thải từ nhà bếp) từ đó đánh giá khả năng thu hồi cơ chất thông qua sự thay đổi của
COD, N-NH4+, TKN, TP và sự thay đổi áp suất qua màng.
- Cô đặc nƣớc thải nhà bếp với các thời gian lƣu ở dịng cơ đặc khác nhau từ
đó xác định thời gian lƣu hiệu quả nhất thông qua sự thay đổi của COD, N-NH4+,
TKN, TP và sự thay đổi áp suất qua màng
2. Sử dụng bể phân hủy kỳ khí đồng xử lý rác hữu cơ nhà bếp và nƣớc thải sinh
hoạt cơ đặc từ đó đánh giá hiệu quả thu hồi khí sinh học và dinh dƣỡng thơng qua
sự thay đổi TS,VS, COD, sản lƣợng khí Biogas sinh ra.
1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Phạm vi của nghiên cứu này đƣợc thực hiện với quy mô pilot ở 2 địa điểm:
Địa điểm thứ nhất đặt tại chung cƣ 518 Võ Văn Kiệt, Phƣờng Cầu Kho, Quận 1,
thành phố Hồ Chí Minh.
Địa điểm thứ hai đặt tại PTN Cơng trình Thủy của Khoa Xây Dựng gần căn tin B4,
Trƣờng ĐHBK TP.HCM.
Nƣớc thải sinh hoạt và chất thải hữu cơ từ nhà bếp đƣợc thu gom từ các hộ tại
chung cƣ 518 Võ Văn Kiệt, Phƣờng Cầu Kho, Quận 1, thành phố Hồ Chí Minh.
Nƣớc thải nhà bếp đƣợc thu gom tại hố thu của căn tin B4 Trƣờng ĐHBK TP.HCM.

Thành phần và đặc tính dịng thải thực phẩm từ nhà bếp, dòng nƣớc thải sinh hoạt
phát sinh tại địa điểm nghiên cứu đƣợc khảo sát.
Hiệu quả xử lý của hệ thống kị khí, khả năng thu hồi năng lƣợng sinh khối và chất
dinh dƣỡng đƣợc đánh giá.
1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Cách tiếp cận mới của đề tài này là tìm hệ thống xử lý nƣớc thải kết hợp xử lý rác
thải sinh hoạt theo hƣớng phát triển bền vững, thu hồi tối đa năng lƣợng sinh khối
(cụ thể là chất hữu cơ) và chất dinh dƣỡng (nitơ và phốt pho) trong dịng nƣớc thải
mà khơng loại bỏ/xử lý các thành phần này nhƣ các cơng nghệ thơng thƣờng.
Những lợi ích mang lại là gia tăng sản xuất khí methane, tạo ra lƣợng bùn thải tốt
hơn, ổn định hơn và tăng khả năng phân hủy chất hữu cơ. Hiện nay phần lớn chất
thải rắn hữu cơ đƣợc xe tải chuyển đến chỗ xử lý, đốt ủ compost hoặc chôn lấp. Hầu
hết những ứng dụng của cơng nghệ xử lý kị khí nƣớc thải hiện nay chủ yếu là xử lý
cuối đƣờng ống. Để tránh hệ thống cống quy mơ và hành trình chuyển chất thải dài,
ngƣời ta chú ý đối với giải pháp xử lý thân thiện với sinh thái hơn, quy mô nhỏ, tại
nguồn, nhắm đến thu hồi tài nguyên (nƣớc, chất dinh dƣỡng và năng lƣợng) từ chất
thải và nƣớc thải. Bằng cách xử lý các chất ô nhiễm ngay gần nguồn phát thải, hệ
thống này giúp tiết kiệm chi phí xây dựng các tuyến cống thu gom về nhà máy xử lý
nƣớc thải tập trung, do vậy tính khả thi kinh tế của hệ thống xử lý cao hơn. Từ đó, ý
tƣởng về xử lý nƣớc thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn sinh hoạt trong cộng
đồng dân cƣ đƣợc đề nghị trong nghiên cứu này dựa trên sự kết hợp vừa xử lý nƣớc
thải và chất thải rắn sinh hoạt phù hợp với yêu cầu tái sử dụng cho trồng trọt, chăn
nuôi đồng thời tận dụng nguồn năng lƣợng từ q trình kỳ khí để phục vụ phát điện
hoặc đun nấu cho các hộ gia đình.


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
VN đã ban hành và áp dụng nhiều chính sách cũng nhƣ đầu tƣ cải thiện vệ sinh đô

thị, khiến lĩnh vực thu gom và xử lý nƣớc thải phát triển mạnh mẽ. Hình 2.1 cho
biết tình hình quản lý và xử lý nƣớc thải sinh hoạt ở VN là 94% ngƣời dân sử dụng
nhà vệ sinh, trong đó 90% số hộ gia đình sử dụng bể tự hoại làm trình xử lý tại
chỗ, từ số liệu 60% hộ gia đình đấu nối vào hệ thống thốt nƣớc cơng cộng, cho
thấy đa phần các hộ gia đình thực hiện đấu nối vào hệ thống thu gom nƣớc thải để
giải quyết nhu cầu thốt dịng nƣớc thải phát sinh ra khỏi nhà. Mặc dù 60% hộ gia
đình đấu nối vào hệ thống thốt nƣớc công cộng, nhƣng hầu hết nƣớc thải đƣợc xả
thẳng ra hệ thống tiêu thốt nƣớc bề mặt, chỉ có 10% lƣợng nƣớc thải đƣợc xử lý.
Trong khi 90% hộ gia đình xả nƣớc thải vào bể tự hoại, chỉ 4% lƣợng phân bùn
đƣợc xử lý thêm vào đó cơng tác quản lý phân bùn ở hầu hết các thành phố cịn yếu
kém [4].
Hình 2.1 Tình hình xử lý nƣớc thải ở VN theo khảo sát của WB năm 2012 [4]
Đến cuối năm 2012, VN có tổng cộng 17 nhà máy xử lý nƣớc thải đô thị tập trung.
Với số lƣợng nhà máy nhƣ vậy khá ít so với con số trên 87 triệu dân trên cả nƣớc.
Trong số đó, 12 nhà máy đƣợc xây dựng ở 3 thành phố là Hà Nội, Hồ Chí Minh và
Đà Nẵng, 5 nhà máy cịn lại nằm rải rác ở các đơ thị cấp tỉnh. Ngồi ra, hiện nay cả
nƣớc có trên 30 dự án xử lý nƣớc thải đô thị trong quá trình thiết kế hoặc xây dựng.
Mƣời trong số mƣời bảy nhà máy xử lý nƣớc 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 nhƣ cơng nghệ BHT truyền thống, kỳ khí – thiếu khí – hiếu khí (A2O), mƣơng
oxi hóa và xử lý sinh học theo mẻ. Cơng nghệ xử lý BHT đƣợc áp dụng phổ biến
trong các nhà máy do JICA tài trợ nhƣ Kim Liên, Trúc Bạch, Băc Thăng Long (Hà
Nội) và Bình Hƣng (TP. Hồ Chí Minh). Bảy nhà máy cịn lại áp dụng các cơng nghệ
xử lý đơn giản hơn, nhƣ hệ thống hồ kỳ khí phủ bạt (Đà Nẵng), chuỗi hồ sinh học
(Bn Ma Thuột), bể sục khí/hồ hồn thiện (Bình Hƣng 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 [4]. Thành phần ô nhiễm hữu

cơ trong nƣớc thải đầu vào của 17 nhà máy nêu trên khá lỗng. Vì vậy, giải pháp cơ
đặc nƣớc thải có tính khả thi cao khi triển khai áp dụng.
2.1.1 Sự tiêu thụ và chi phí năng lƣợng cho công nghệ xử lý nƣớc thải hiện
nay
Lƣợng tài nguyên hiện diện trong nƣớc thải đô thị cho ta thấy rằng hiện nay tài
nguyên này đã và đang đƣợc khai thác một cách bất hợp lý trong chu trình nƣớc cổ
điển. Trong chu trình này, nƣớc đƣợc khai thác từ tự nhiên và xử lý để đủ các điều
kiện cần để tạo ra nƣớc cấp cho sinh hoạt có chất lƣợng, sau đó đƣợc vận chuyển
đến ngƣời sử dụng. Lƣợng nƣớc này sau khi sử dụng bị nhiễm các chất bẩn rồi
đƣợc vận chuyển và xử lý bởi một hệ thống xử lý nƣớc thải tốn kém trƣớc khi trả
lại môi trƣờng mà phần lớn hệ thống lại không thu hồi đƣợc các nguồn tài nguyên
chứa trong nƣớc. Thực trạng hiện nay, hệ thống xử lý nƣớc thải phổ biến nhất đang
sử dụng là công nghệ BHT thông thƣờng, mà nguyên lý là sinh khối của các vi
khuẩn lơ lửng trong nƣớc đƣợc đồng hóa một phần với các hợp chất hữu cơ có
trong nƣớc 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 Phốt pho hoặc chuyển thành các phức
kim loại [5]. Trong điều kiện tốt nhất, sinh khối dƣ thừa (bùn) đƣợc tạo ra trong quá
trình BHT truyền thống có thể đƣợc phân hủy kỳ khí nhằm thu hồi một số năng
lƣợng ở dạng khí sinh học giàu mêtan, tuy nhiên phần lớn chất dinh dƣỡng lại
không thu hồi đƣợc (một số dạng Phốt pho có thể đƣợc phục hồi từ quá trình đốt
bùn, tuy nhiên quá trình này là không đƣợc áp dụng rộng rãi), kể cả là dịng đầu ra
cũng khơng phù hợp để tái sử dụng nếu khơng xử lý bổ sung. Ngồi ra, các u cầu
của q trình nitrat hóa và nhu cầu giảm tối thiểu lƣợng bùn dƣ đã khiến cho các hệ
thống BHT truyền thống phải sử dụng và mở rộng hơn hệ thống thổi khí tăng
cƣờng, cũng có nghĩa là tƣơng ứng với tuổi bùn cao và tải trọng bùn thấp và điều
nạy lại gây bất lợi cho quá trình xử lý kỳ khí sau đó.


Báo cáo mức tiêu thụ năng lƣợng của các hệ thống BHT thơng thƣờng nhƣ sau:

khoảng 33 (kWh/ngƣời.năm) ít nhất là 20 (kWh/ngƣời.năm) ở các quốc gia khu vực
Tây Âu, trong đó thơng thƣờng là 20% đến tối đa là 50% có thể đƣợc thu hồi thơng
qua hệ thống phân hủy kị khí, khoảng 53 (kWh/ngƣời.năm) đối với nhà máy BHT
truyền thống có kết hợp xử lý loại bỏ nitơ và khơng có q trình xử lý sơ cấp [6].
Tại Mỹ, mức tiêu năng lƣợng đã đƣợc báo cáo là trong khoảng 80 – 150
(kWh/ngƣời.năm) đối với các nhà máy BHT không loại bỏ các chất dinh dƣỡng, và
rất cao khoảng 250 (kWh/ngƣời.năm) cho các nhà máy BHT có kết hợp q trình
nitrat hóa [7]. Dƣới các giả định rằng hệ thống xử lý nƣớc thải có kèm theo hệ
thơng phân hủy kỳ khí bùn, các giá trị này tƣơng ứng với mức tiêu thụ năng lƣợng
tƣợng trƣng cho năng lƣợng có trong nhiên liệu hóa thạch (giả sử hiệu suất chuyển
đổi sang năng lƣợng điện là 31% của 35 – 85 (kWh/ngƣời.năm) đối với các nƣớc
Tây Âu [5]. Các giá trị tƣơng ứng đối với Mỹ là 130 – 390 (kWh/ngƣời.năm) cho
các nhà máy BHT mà không loại bỏ chất dinh dƣỡng và lên đến 640
(kWh/ngƣời.năm) cho các nhà máy BHT kết hợp loại bỏ nitơ. Mặc dù những dẫn
chứng này một cách tƣơng đối là không đáng kể khi so sánh với năng lƣợng tiêu thụ
sơ cấp bình quân đầu ngƣời tiêu thụ khoảng 44 (MWh/ngƣời.năm) ở châu Âu và
khoảng 83 (MWh/ngƣời.năm) tại Mỹ. Tuy nhiên khi so với mức tiêu thụ năng
lƣợng trên đầu ngƣời này cho các quốc gia khác, ví dụ nhƣ Ấn Độ 4700
(kWh/ngƣời.năm) và các quốc gia châu Phi 4200 (kWh/ngƣời.năm) đây là một con
số đáng kể. Do chi phí năng lƣợng cao, nhiều nƣớc đang phát triển ở Châu Á và
châu Phi khơng thể chịu đƣợc chi phí cho xử lý sinh học thông thƣờng bậc hai [8].
Điều này cho thấy một thực tế là so với các nƣớc đang phát triển mơ hình xử lý
nƣớc thải hiện tại của các nƣớc phát triển tốn quá nhiều năng lƣợng để phát triển
bền vững. Một số quốc gia có tài nguyên nƣớc hạn hẹp kết luận rằng dòng nƣớc sau
xử lý là thứ “sản phẩm” quá tốn kém nếu chỉ để đơn giản là trao trả lại cho mơi
trƣờng, do đó họ đã đầu tƣ và cải tạo nƣớc từ nƣớc thải để tạo nên vịng tuần ngắn
hơn cho chu trình sử dụng nƣớc của họ. Ví dụ nổi tiếng là Singapore và các cộng
đồng của Windhoek ở Namibia đã xử lý nƣớc thải đô thị nâng lên tầm cao mới với
việc cho phép nƣớc sau xử lý đƣợc sử dụng cho mục đích ăn uống. Kuwait, Israel

và Singapore là những quốc gia tiên phong trên thế giới trong công nghệ tái sử dụng
nƣớc, tƣơng ứng 35, 18 và 14% nguồn mà họ thu lấy từ môi trƣờng [9]. Tại Israel,
hầu hết nƣớc thải đƣợc xử lý và tái sử dụng lại cho việc tƣới tiêu, trong khi đó ở
Kuwait, nhà máy xử lý nƣớc thải cải tạo tại Sulaibiya cung cấp nƣớc cho mục đích
thủy lợi, công nghiệp và bổ sung vào tầng nƣớc ngầm Và ở Trung Quốc, đƣợc dự
kiến là lƣợng nƣớc thải tái sử dụng có tiềm năng cung cấp nhiều hơn 30 tỷ m3/năm
và bổ sung cho nguồn cấp nƣớc sinh hoạt, hoặc khoảng 15% lƣợng dự kiến
cung/cầu trong tổng thể đến năm 2030. Dựa trên công nghệ hiện tại, điều này dẫn
đến sự xuất hiện chi phí bổ sung vào khoảng 0.2 (Euro/ m3) nƣớc thải đƣợc xử lý
[10].
Mặc dù thực tế rằng việc tái sử dụng nƣớc thải có thể gây ra sự bất đồng trong cộng
đồng dân cƣ nhƣng cũng cần nhận thấy rằng so với các nguồn thay thế khác nói
chung và khử mặn nói riêng, việc tái chế nƣớc thải dựa trên công nghệ siêu lọc UF
(Ultrafiltration) và lọc thẩm thấu ngƣợc RO (Reverse Osmosis) cho dòng thải sau
xử lý thứ cấp tiêu thụ ít hơn tới 50% năng lƣợng so với phƣơng pháp truyền thống
và chi phí cũng giảm đi một nửa , do đó nó cho thấy tính khả thi và có thể áp dụng,
quản lý một cách an toàn [11]. Để nắm bắt cơ hội tạo tiền đề cho sự phát triển bền
vững cũng nhƣ sử dụng tài nguyên hiệu quả trong chu trình nƣớc, cần phải nhìn
nhận là các tài nguyên và năng lƣợng trong nƣớc thải đƣợc coi là một nguồn tài
nguyên hấp dẫn về mặt kinh tế. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nó khơng những
chỉ tập trung vào hiệu suất xử lý nƣớc thải mà còn phải thiết kế sao cho thu hồi
đƣợc lƣợng năng lƣợng lớn nhất, nhƣng chất dinh dƣỡng và lƣợng nƣớc phải đạt
chuẩn xả thải ra mơi trƣờng. Theo đó cách tiếp cận theo thuyết khơng phát thải có
thể giảm thiểu tối đa chi phí về kinh tế, mơi trƣờng kể cả những gánh nặng cho xã
hội do việc xử lý nƣớc thải. Hiện nay ở châu Âu chi phí trong khoảng 30 – 100
(Euro/ngƣời.năm) (tùy thuộc vào quy mơ của HTXLNT) trong đó chi phí BHT
chiếm 17 – 40 (Euro/ngƣời.năm) và trong một số trƣờng hợp thậm chí có thể
chuyển gánh nặng trở thành một nguồn lợi [8]. Đối với các nƣớc phát triển, chi phí
tƣơng đối cao của việc cấp nƣớc cho các hộ gia đình và xử lý nƣớc thải sau đó, phần

lớn là do sự tiêu thụ năng lƣợng có liên quan hiện vẫn đƣợc chấp nhận rộng rãi. Ở


các nƣớc đang phát triển việc quan tâm nhiều hơn đến cách tiếp cận này sẽ giúp
đảm bảo rằng sự phát triển trong tƣơng lai của hệ thống nƣớc và xử lý nƣớc tạo ra
chi phí có thể chấp nhận đƣợc . Ví dụ, ở Ấn Độ hàng năm GDP tính theo thu nhập
quốc dân chỉ là 870 Euro và q trình BHT tốn chi phí khoảng 10 (Euro/ngƣời.năm)
[12].
Qua đó, ta nhận thấy cần phải có những kiểu mơ hình xử lý nƣớc thải mới ít tốn
kém năng lƣợng hơn, đồng thời có khả năng thu hồi lại năng lƣợng và tài nguyên
trong dòng nƣớc thải.
2.1.2 Tiềm năng thu hồi năng lƣợng, tài nguyên trong nƣớc thải
Nƣớc thải đô thị thƣờng bao gồm các thành phần sau đây: nƣớc, 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 nhƣ kim loại nặng, hydrocarbons thơm (PAHs), thuốc trừ
sâu, các hợp chất vô cơ khơng độc hại nhƣ silicat, aluminat, hợp chất có chứa canxi
và magiê. Nhiệt lƣợng trong nƣớc thải cũng khá đáng kể. Trong đó, nƣớc, năng
lƣợng (theo hình thức liên kết hóa học và nhiệt) và các chất dinh dƣỡng (N, P và C)
có thể đƣợc coi là nguồn tài nguyên có giá trị, sự thu hồi có thể đƣợc thực hiện.
Bảng 2.1 liệt kê các tiềm năng thu hồi các nguồn tài nguyên từ nƣớc thải đô thị,
không bao gồm thu hồi nhiệt, dƣới giả định rằng năng lƣợng hóa học đƣợc tìm thấy
trong các dạng của metan thơng qua phân hủy kị khí và carbon hữu cơ cịn lại sau
xử lý đƣợc sử dụng làm phân hữu cơ [3].
Bảng 2.1 Tiềm năng thu hồi tài nguyên từ nƣớc thải đô thị [3]
Tiềm năng thu Thành phần chứa Giá trị thị trƣờng Tổng giá trị trên 1
hồi.

trong 1m3 NT

năm 2009

m3 Euro

Nƣớc

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

Phốt pho

0.01 kg

0.70 Euro/kg

0.01

Tổng cộng

0.35


a:

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

sản sinh 0.35 (m3/kgCOD) bị loại bỏ.
b

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

được tính tốn dựa trên các lợi ích nơng nghiệp từ chất hữu cơ.
Một cách cụ thể hơn, thành phần năng lƣợng và tài nguyên có thể thu hồi trong
nƣớc thải đƣợc chia ra nhƣ sau [3]:

1. Thành phần hạt và hịa tan
Sự phân bố của các chất gây ơ nhiễm có khả năng lắng (> 105 nm), dạng keo (1-105
nm) và hịa tan (<1 nm) có tác động lớn trong việc lựa chọn công nghệ để sử dụng
và yêu cầu năng lƣợng cần thiết để loại bỏ (hoặc thu hồi) chúng. Một số lƣợng lớn
các chất gây ô nhiễm có nguồn gốc từ nhà vệ sinh hoặc nhà bếp ở dạng hạt khi
chúng đi vào hệ thống cống rãnh. Kết quả là, phần lớn (khoảng 50-70% tổng hợp
chất hữu cơ) của COD trong nƣớc thải sinh hoạt hiện diện ở dạng hạt, và chỉ có một
phần tƣơng đối nhỏ là ở dạng hịa tan. Các q trình diễn ra trong hệ thống ống
cống, có thể sự ảnh hƣởng đáng kể lên sự phân bố kích thƣớc hạt của dịng vào của
trạm xử lý nƣớc thải đô thị. Trong điều kiện kị khí và điều kiện tƣơng đối ấm hơn,
sự thủy phân của các hạt vật chất bởi lớp màng sinh học có trong hệ thống cống sẽ
là q trình chiếm ƣu thế và điều này sẽ dẫn đến tăng thành phần COD hịa tan
trong nƣớc thải.
2. Năng lƣợng hóa học
Năng lƣợng dƣới dạng liên kết hóa học của các hợp chất có thể giảm do đƣợc giải
phóng bởi quá trình oxy hóa. Mặc dù vấn đề nói trên khơng đƣợc tính tốn trong
dịng năng lƣợng, COD trong nƣớc thải đơ thị thƣờng có nồng độ từ 300 – 800
(mg/L) và do đó đƣợc sử dụng để đánh giá sự trao đổi chất của các quá trình xử lý
sinh học. Cho đến hiện nay, ngƣời ta chấp nhận nƣớc thải đô thị là một hỗn hợp
đồng nhất của nhiều thành phần khơng chỉ bao gồm các dạng carbohydrates (thƣờng
có một lƣợng năng lƣợng 13 – 15 (nkJ/gCOD) có chứa 14.7 (kJ/g COD). Tuy nhiên,
các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng nƣớc thải đơ thị thực sự có thể chứa 17.9
(kJ/g COD). Nhƣ vậy, 14 (kJ/gCOD) có thể đƣợc xem là một giá trị tối thiểu cho
nƣớc thải (hữu cơ) chỉ áp dụng cho nƣớc thải bao gồm hoàn toàn của carbo-hydrat


hoặc hợp chất tƣơng tự. Giả sử nƣớc thải của một đơ thị có COD bình qn đầu
ngƣời là 130 (gCOD/ngƣời.ngày) và 17.9 (kJ/gCOD), hàm lƣợng năng lƣợng của
nƣớc thải đô thị là 8.5 105 (kJ/ngƣời.năm) tƣơng đƣơng 235 (kWh/ngƣời.năm) trong
một năm. So sánh con số này với mức tiêu thụ năng lƣợng chủ yếu của nhà máy xử

lý nƣớc thải đô thị hiện nay, mà đã đƣợc báo cáo từ 85 – 640 (kWh/ngƣời.năm).
Trong bối cảnh hiện nay, năng lƣợng tiêu thụ trung bình trên đầu ngƣời là 19 (MWh
/ngƣời.năm), nhƣng có sự chênh lệch lớn giữa các vùng khác nhau trên thế giới.
3. Nhiệt năng
Đặc biệt đối với các nƣớc có khí hậu lạnh, phần lớn trong tổng số năng lƣợng hữu
ích của nƣớc thải sinh hoạt khơng nhất thiết là năng lƣợng hóa học, mà là lƣợng
nhiệt năng đáng kể có trong nƣớc thải. Ví dụ ở Flanders, trung bình 4.4.106 (kJ/m3)
năng lƣợng chủ yếu đƣợc dành để làm nóng nƣớc hộ gia đình. Mặc dù rất nhiều
năng lƣợng này rõ ràng là mất đi do sự hoạt động khơng hiệu quả của lị hơi và
trong q trình vận chuyển đến trạm xử lý nƣớc thải, tuy nhiên, nhà máy XLNT đơ
thị vẫn có thể nhận một lƣợng nhiệt. Nhiệt độ trung bình thơng thƣờng của dịng
nƣớc sau xử lý ở Tây Âu là từ 15-17o C, trong đó cứ 1o C là do nhiệt phát sinh trong
thời gian xử lý hiếu khí. Ở nhiệt độ mơi trƣờng xung quanh trung bình, ngƣời ta có
thể tính tốn đƣợc rằng dịng vào có nguồn năng lƣợng nhiệt tạo ra tối đa khoảng
21.103 (kJ/ m3) (với giả thiết lƣợng nƣớc sử dụng là 175 (L/ngƣời.năm)), xấp xỉ
1.3.106 (kJ/ngƣời.năm) = 373 (kWh/ngƣời.năm) và do đó cao hơn năng lƣợng hóa
học mà dòng thải mang lại.
4. Nƣớc
Bắt nguồn từ khái niệm cải thiện điều kiện vệ sinh, trong đó một lƣợng lớn nƣớc
đƣợc sử dụng để dội rửa lƣợng tƣơng đối thấp các chất ô nhiễm, sự tiêu thụ nƣớc ở
các đô thị là rất cao trong các khu vực mà sử dụng hệ thống thoát nƣớc tập trung. Ở
Châu Âu sự tiêu thụ nƣớc ở hộ gia đình là 85 – 265 (L/ngƣời.ngày), hoặc 31 – 97
(m3/ngƣời.năm), trong đó khoảng một phần ba đƣợc sử dụng cho toilet. Trong các
hệ thống cống thoát nƣớc kết hợp, lƣợng nƣớc mƣa và nƣớc rị rỉ từ hệ thống cấp
nƣớc có thể tăng thêm gấp ba hoặc nhiều hơn thể tích nƣớc đến HTXLNT. Kết quả
là nƣớc thải đô thị thƣờng là thành phần có giá trị lớn và có tiềm năng thu hồi, với