Ứng dụng màng moven fiber microfiltration (wfwf) để xử lý nước thải sau bể tự hoại

Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

NGUYỄN LAN HƯƠNG

ỨNG DỤNG MÀNG WOVEN FIBER
MICROFILTRATION (WFMF) XỬ LÝ NƯỚC THẢI
SAU BỂ TỰ HOẠI

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2012
i


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN
TS BÙI XUÂN THÀNH
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. NGUYỄN NHƯ SANG
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 28 tháng 02 năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn

2. Thư kí: TS. Lê Đức Trung
3. Phản biện 1: TS. Nguyễn Như Sang
4. Phản biện 2: TS. Lê Hoàng Nghiêm
5. Cán bộ hướng dẫn: TS. Bùi Xuân Thành

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá
Luận Văn

Bộ môn quản lý chuyên ngành


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 01 tháng 03 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Lan Hương

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 19 – 12 – 1979

Nơi sinh: Bắc Giang

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

MSHV: 09250503

Khoá (Năm trúng tuyển): 2009
1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÀNG WOVEN FIBER MICROFILTRATION
(WFMF) XỬ LÝ NƯỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bể tự hoại bằng hệ thống BTH - WFMF.

-

Đánh giá đặc tính bẩn màng (membrane fouling) của hệ thống BTH - WFMF.

-

Đánh giá khả năng tái sử dụng nước thải sau xử lý.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 15 Tháng 07 Năm 2011
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 01 Tháng 01 Năm 2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN
TS. BÙI XUÂN THÀNH
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo
tận tình của TS. Bùi Xuân Thành và PGS. TS Nguyễn Phước Dân, tơi xin bày tỏ
lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới GS. C. Visvanathan đã hỗ trợ về mặt kỹ
thuật, GS. Lingam Pillay Visvanathan đã cung cấp màng WFMF cho nghiên cứu
của tơi.
Tự đáy lịng xin được cảm ơn các em sinh viên K2007, khoa Môi trường,
trường Đại học Bách khoa đã đồng hành cùng tơi trong suốt q trình nghiên cứu.
Cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã ln ở bên, cổ vũ, động viên trong suốt
q trình học tập, nghiên cứu.
Tp . Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2012

i


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

TÓM TẮT
Hiện nay, phần lớn nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư đô thị, ven đô và
nông thôn đều chưa được xử lý triệt để và hiệu quả. Nước thải từ các khu nhà vệ
sinh mới chỉ được xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại truyền thống, xây dựng dựa trên hai

quá trình: lắng và phân hủy cặn. Biện pháp xử lý này cho hiệu suất xử lý thấp (chỉ
xử lý được 50% cặn lơ lửng và 30% chất hữu cơ COD) và chất lượng nước đầu
chưa đạt yêu cầu thải ra môi trường. Đây là nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước
ngầm, nước mặt và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe cộng đồng. Để cải tiến bể
tự hoại truyền thống mà không cần phải thay đổi cấu trúc bể bằng các cơng nghệ
đơn giản, dễ vận hành, có chi phí xây dựng và vận hành thấp, đảm bảo vệ sinh mơi
trường thì việc lắp đặt module màng lọc Woven Fiber Microfiltration (WFMF)
trong ngăn lắng của bể tự hoại để xử lý cặn lơ lửng, chất hữu cơ và tận dụng nguồn
dinh dưỡng N, P trong nước thải đầu ra cho mục đích tưới tiêu là một giải pháp thiết
thực và có ý nghĩa to lớn nhằm hạn chế ơ nhiễm nguồn nước.
Nghiên cứu này ứng dụng công nghệ màng kị khí, dạng tấm, kích thước lỗ
lọc 1- 3 µm, tổng diện tích màng là 0,969 m2 đặt ngập trong ngăn lắng của bể tự
hoại. Nước thải sinh hoạt (nước đen) trong ngăn lắng của bể tự hoại có nồng độ
COD tổng dao động trong khoảng 80-170 mg/L, COD hòa tan dao động trong
khoảng 50 – 94 mg/L, SS trong khoảng 45- 225 mg/L và TKN là 40 – 74 mg/L.
Nghiên cứu xử lý nước thải tại các thông lượng 1,6; 2; 2,5; 3,4; 6,2 LMH , kết quả
cho thấy hiệu quả xử lý của mơ hình rất tốt. Hiệu quả xử lý COD tổng cao đạt 61 –
74 %. Hiệu quả khử COD hòa tan đạt 46 – 56%, nồng độ COD đầu ra luôn nhỏ hơn
50 mg/l. Hiệu quả xử lý SS đạt gần 100%. Hiệu quả xử lý N, P thấp đạt 4-19% và
4-14%. Mơ hình kết hợp màng lọc BTH-WFMF có thể xử lý nước thải sinh hoạt đạt
quy chuẩn nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT, cột B. Ứng dụng hệ thống
này vào thực tế có khả năng giảm tải lượng phát thải chất hữu cơ ra môi trường
đồng thời tận dụng lượng chất dinh dưỡng N, P, K sẵn có trong nước thải đầu ra
như một nguồn dinh dưỡng tự nhiên tưới tiêu.
ii


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Abstract

Currently, the majority of domestic wastewater in urban neighborhoods,
suburban and rural areas have not been treated thoroughly and effectively.
Wastewater from the toilet has only been pre-treated in the traditional septic tank,
based on two processes: sedimentation and residue decomposition. This treatment
measures get the low performance (only remove 50% of suspended solids and
organic matter 30% COD) and where water quality does not meet discharge
standards. This causes groundwater pollution, surface and impact to public health.
To improve the traditional septic tank without having to modify the structure of the
tank by the simple technology, easy operation, with lower construction costs and
operational, environmental hygiene, the installation of the membrane modules
Woven Fiber Microfiltration filters in sedimentation chamber of septic tanks to
remove suspended solids, organic matter and TKN is a practical solution and has
great significance in order to limit surface water pollution.
This research application of anaerobic membrane technology that have the
plate form, filter pore size from 1 to 3 micrometers, the total area of 0.99 m2, the
membrane is submerged in sedimentation chamber of the septic tank. Domestic
wastewater (black water) in tank sedimentation of septic have the total COD
concentration ranged between 80-170 mg/L, soluble COD ranged from 50 to 94
mg/L, SS of about 45 - 225 mg/L and TKN was 40 to 74 mg/L. Study the
wastewate treatment at flux of 1,6; 2; 2,5; 3,4; 6,2 LMH, the results show the
effectiveness of the removal is very good. Total COD removal efficiency reached
61 to 74%. Soluble COD removal efficiency reached 46 to 56%, COD output is
always less than 50 mg/L. Effective treatment is 100% SS.

iii


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Mục lục

Lời cảm ơn
Tóm tắt
Mục lục
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục hình ảnh
Danh mục bảng biểu

i
ii
iv
vi
vii
viii

Chương 1
1.1.
1.2.
1.3.

Mở đầu
Giới thiệu
Mục tiêu nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu

1
1
4
4

Chương 2

Tổng quan về nước thải sinh hoạt và bể sinh học màng xử lý nước thải
sinh hoạt
Tổng quan về nước thải sinh hoạt
Đặc trưng chất thải của con người
Các vấn đề về hệ thống vệ sinh
Các quá trình xử lý nước thải tại chỗ (on – site treatment)
Bể tự hoại
Bể tự hoại với vách ngăn mỏng dòng hướng lên (BAST – baffled
septic tank)
Bể tự hoại hình nón (Imhoff tank)
Bể tự hoại với ngăn lọc kị khí
Hệ thống xử lý nước thải tập trung và phân tán
Hệ thống xử lý nước thải tập trung
Hệ thống xử lý nước thải phân tán
Tái sử dụng nước đầu ra cho tưới tiêu
Lợi ích của tái sử dụng nước
Bất lợi của tái sử dụng nước
Chất lượng nước sử dụng cho tưới tiêu
Bể sinh học màng (MBR) trong xử lý nước thải
Công nghệ màng và phân loại
Các thông số vận hành của màng
Màng lọc Woven Fiber Microfiltration
Bể sinh học màng (MBR)
Các ưu điểm của quá trình màng
Hiện tượng bẩn màng

5

2.1.

2.1.1.
2.1.2.
2.2.
2.2.1.
2.2.2.
2.2.3.
2.2.4.
2.3.
2.3.1.
2.3.2.
2.4.
2.4.1.
2.4.2.
2.4.3.
2.5.
2.5.1.
2.5.2.
2.5.3.
2.5.4.
2.5.5.
2.5.6.

iv

5
5
7
8
8
11

12
13
14
14
15
16
16
16
17
17
17
19
20
21
25
26


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

2.5.7.
2.6.

Làm sạch màng
Bể sinh học màng hiếu khí và kị khí trong xử lý nước thải sinh hoạt

29
31

Chương 3

3.1.
3.1.1.
3.1.2.
3.2.
3.3.

Phương pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Điều kiện vận hành của hệ thống BTH-WFMF
Mơ hình nghiên cứu

35
35
35
37
38
44

3.4.
3.4.1.
3.4.2.
Chương 4
4.1.

Kiểm sốt các yếu tố trong q trình vận hành
Chỉ tiêu và phương pháp phân tích
Qui trình lấy mẫu và phân tích
Phương pháp phân tích

46
46
46

4.1.1.
4.1.2.
4.1.3.
4.1.4.
4.1.5.
4.2.
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
4.2.4.
4.3.
4.4.

Kết quả và thảo luận
Hiệu quả xử lý của hệ thống BTH-WFMF qua các điều kiện vận hành
khác nhau
Giá trị pH của hệ thống BTH-WFMF
Hiệu quả loại bỏ COD
Tổng chất rắn lơ lửng (SS) và độ đục
Hiệu quả loại bỏ TKN và P-PO43Loại bỏ tác nhân gây bệnh
Đánh giá đặc tính bẩn màng của hệ thống BTH-WFMF
Áp suất chuyển màng – TMP
Hàm lượng Protein (PN)
Polysaccharides (PS)
Độ hấp thu UVA254
Đánh giá khả năng tái sử dụng nước đầu ra của hệ thống BTH-WFMF

Hướng dẫn lắp đặt, vận hành,và ví dụ tính tốn sơ bộ cho hệ thống BTH-WFMF

50
51
53
54
56
56
56
59
61
61
63
64

Chương 5
5.1.
5.2.

Kết luận và kiến nghị
Kết luận
Kiến nghị

65
65
66

Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Phụ lục A - Một số hình ảnh nghiên cứu

Phụ lục B – Kết quả phân tích của mơ hình BTH-WFMF
Phụ lục C – Kết quả đo trở lực màng

68
72
73
75
92

v

50
50


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Danh mục các từ viết tắt
BOD5

Nhu cầu oxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand)

COD

Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand)

tCOD

Nhu cầu oxy hóa học tổng đầu vào (Total Chemical Oxygen Demand)

sCOD

Nhu cầu oxy hóa học hịa tan (Soluble Chemical Oxygen Demand)

SS

Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid)

HRT

Thời gian lưu nước thuỷ lực (Hydraulic Retention Time)

FAU

Đơn vị đo độ đục (Formazin Attenuation Units)

EPS

Hợp chất polymer ngoại bào ( Extracell polymeric substances)

MLSS

Hàm lượng chất rắn lơ lửng ( Mixed Liquor Suspended Solids)

MLVSS Hàm lượng chất rắn bay hơi (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)
DO

Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

OLR

Tải lượng chất hữu cơ (Organic loading rate)

SRT

Thời gian lưu bùn (Sludge retention time)

WFMF
MBR

Woven Fiber Microfiltration
Bể sinh học màng

BASTAF Bể tự hoại cải tiến với vách ngăn mỏng dòng hướng lên và ngăn lọc kị khí
PVDF

Poly Vinyldene fluoride

PES/PVP Polyethersulfone/Polyvinylpyrolidone.
TMP

Áp suất qua màng

BTH-WFMF Hệ thống bể tự hoại kết hợp màng Woven fiber microfiltration
LMH

Lít/m2/giờ

BASF

Bể tự hoại cải tiến với các vách ngăn mỏng

TCCP Tiêu chuẩn cho phép
TKN

Total Kendan Nitrogen

vi


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Danh mục hình ảnh
Hình

Tiêu đề

Trang

2.1

Các dạng chất thải của con người

5

2.2

Vị trí của bể tự hoại

9

2.3

Sơ đồ bể tự hoại hai ngăn

10

2.4

Sơ đồ cấu tạo của bể BAST có bốn ngăn

11

2.5

Mặt cắt ngang của bể Imhoff

13

2.6

Bể tự hoại với ngăn lọc kị khí

14

2.7

Hệ thống gồm hai pha phân tách bằng màng

18

2.8

Các kiểu vận hành của màng

19

2.9

Màng WFMF

21

2.10

Bể sinh học màng MBR

23

2.11

Hiện tượng bẩn màng

27

2.12

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bẩn màng

29

3.1

Sơ đồ nội dung nghiên cứu của hệ thống BTH-WFMF

37

3.2

Module màng WFMF

40

3.3

Sơ đồ bố trí mơ hình nghiên cứu

42

3.4

Mơ hình BTH-WFMF thực tế

43

4.1

Biến thiên pH tại các thông lượng khác nhau

50

4.2

tCOD vào, sCOD vào, COD ra và hiệu quả khử COD tổng và COD hịa 52
tan tại các thơng lượng khác nhau

4.3

Nồng độ SS vào, ra và hiệu quả xử lý SS tại các thông lượng khác nhau

54

4.4

Độ đục đầu vào, đầu ra và hiệu quả loại bỏ độ đục tại các flux khác nhau

54

4.5

Nồng độ TKN đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý TKN tại các flux

55

4.6

Biến thiên TMP theo thời gian tại các thông lượng

57

4.7

Mối tương quan giữa nồng độ tCOD đầu vào và TMP tại các flux

58

4.8

Tốc độ biến thiên TMP theo thời gian tại các flux khác nhau

59

4.9

Biến thiên nồng Protein theo thời gian vận hành của hệ thống BTH-WFMF

60

4.10

Biến thiên nồng độ Polysaccharides của hệ thống BTH-WFMF theo thời gian

61

4.11

Biến thiên độ hấp thu UVA254 theo thời gian

62

4.12

Tiêu chuẩn tái sử dụng cho tưới tiêu (CITAI)

64

vii


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Danh mục bảng biểu
Bảng

Tiêu đề

Trang

2.1

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh họat chưa xử lý

6

2.2

Các thành phần khác nhau trong chất thải của con người

7

2.3

Nồng độ các chất ô nhiễm ra khỏi bể tự hoại

11

2.4

Ưu, nhược điểm của bể BAST

12

2.5

Những ưu, nhược điểm của bể imhoff

13

2.6

Ưu, nhược điểm của bể tự hoại với ngăn lọc kị khí

14

2.7

Tiêu chuẩn chất lượng nước tái sử dụng cho tưới tiêu

17

2.8

So sánh giữa các quá trình màng

18

2.9

So sánh các thơng số của q trình bùn hoạt tính thông thường (AS) và MBR.

24

2.10

Bùn sinh ra trong các quá trình xử lý khác nhau

24

2.11

Các dạng chất bẩn và tác nhân làm sạch tương ứng

31

2.12

Một số nghiên cứu về MBR xử lý nước thải đô thị, sinh hoạt

32

2.13

Một số kết quả nghiên cứu trong bể MBR kị khí

34

3.1

Điều kiện vận hành của mơ hình WFMF

38

3.2

Thành phần và tính chất nước thải trong ngăn thứ 3 của bể tự hoại

39

3.3

Thông số màng WFMF

39

3.4

Chỉ tiêu, vị trí lấy mẫu phân tích và các phương pháp phân tích mẫu nước

48

viii


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

ix


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Giới thiệu
Một trong những vấn đề môi trường mà Việt Nam đang phải đối mặt là ô

nhiễm nguồn nước mặt do hầu hết nước thải phân tán từ các khu dân cư, nhà máy,
xí nghiệp,… chưa được xử lý tốt. Hiện nay, các loại nước xám, nước đen và nước
mưa, đặc biệt là nước đen mới chỉ có một phần được xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại,
còn lại thải trực tiếp vào hệ thống cống chung và kênh mương, ao hồ tự nhiên khiến
nhiều nơi nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc xây dựng hệ thống xử lý nước
thải tập trung thì đang được bắt đầu một cách chậm chạp ở các đơ thị lớn như Hà
Nội, TP. Hồ Chí Minh, Đà Nẵng. Vì thế, trong 20 - 30 năm tới, xử lý nước thải sinh
hoạt phân tán ở quy mô hộ gia đình và cụm dân cư sẽ giữ vai trị quyết định trong
bảo vệ mơi trường đơ thị, ven đô và nông thôn.
Hiện nay, đa phần người dân dùng bể tự hoại truyền thống, xây dựng dựa
trên hai quá trình: lắng và phân huỷ kị khí cặn lắng. Biện pháp này khó đấu nối với
cống, hiệu suất xử lý thấp (chỉ xử lý được khoảng 50% cặn lơ lửng, 30% chất hữu
cơ COD). Trên thực tế, bể tự hoại truyền thống còn cho hiệu suất xử lý thấp hơn

nhiều, do được thiết kế, xây dựng và quản lý không đúng quy cách. Điều này dẫn
đến môi trường nước mặt bị ơ nhiễm nghiêm trọng. Hơn nữa, đã có một số nghiên
cứu cải tiến bể tự hoại như bể tự hoại có ngăn lọc kị khí, hiếu khí,… để đạt chất
lượng nước đầu ra tốt hơn, tuy nhiên việc cải tiến này cần phải thay đổi cấu trúc của
bể vì phải xây dựng thêm ngăn lọc nên gây ra nhiều khó khăn.
Đề tài: “Ứng dụng màng Woven Fiber Microfiltration xử lý nước thải sinh
hoạt sau bể tự hoại” được thực hiện nhằm góp phần tìm ra giải pháp để xử lý
nguồn nước thải sinh hoạt trong các hộ gia đình, cơ quan, xí nghiệp,… trước khi
thải ra hệ thống thốt nước chung của khu vực nhằm hạn chế ô nhiễm nguồn nước
mặt như hiện nay. Mục tiêu của việc sử dụng màng WFMF là để loại bỏ chất hữu
cơ, chất rắn lơ lửng trong nước thải, hạn chế tới mức thấp nhất vi sinh gây bệnh,
1


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

giun sán đe dọa môi trường và sức khỏe con người. Thêm vào đó, chất lượng nước
đầu ra tốt và nguồn dinh dưỡng có lợi có thể được ứng dụng như một nguồn phân
bón tự nhiên và một nguồn nước tưới tiêu, trước tiên được sử dụng cho các mảng
xanh trong đô thị và lâu dài được tính tốn, khai thác cho tưới tiêu trong nơng
nghiệp. Bên cạnh đó, WFMF dễ vận hành, dễ làm sạch và cho chất lượng nước đầu
ra tốt. Hơn nữa, việc cải tiến bể tự hoại truyền thống bằng việc lắp đặt module màng
lọc WFMF trong ngăn lắng của bể tự hoại để xử lý cặn lơ lửng và chất hữu cơ COD
tinh gọn, dễ lắp đặt, không cần thay đổi cấu trúc sẵn có của bể, dễ vận hành và hiệu
quả xử lý cao.
Nghiên cứu ứng dụng màng WFMF kết hợp bể tự hoại xử lý nước thải sinh hoạt có
nhiều ý nghĩa to lớn, là nghiên cứu được thực hiện trên mơ hình thực tế, là tiền đề
cho các nghiên cứu trên qui mô lớn và được triển khai ứng dụng rộng rãi trong thực
tế, đồng thời đây cũng là nghiên cứu mới về quá trình ứng dụng màng lọc Woven
Fiber Microfiltration nhúng chìm trong bể tự hoại trong điều kiện kị khí để xử lý

nước thải sinh hoạt.
1.2.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt trong ngăn lắng của bể
tự tự hoại sử dụng màng WFMF, với các mục tiêu sau:
• Đánh giá khả năng xử lý của hệ thống Bể tự hoại kết hợp màng WFMF tại
các thông lượng khác nhau.
• Đánh giá đặc tính bẩn màng (membrane fouling) của hệ thống BTH-WFMF
tại các thơng lượng nói trên.
• Đánh giá khả năng tái sử dụng nước thải đầu ra cho mục đích tưới tiêu.
1.3.

Phạm vi nghiên cứu

Mơ hình nghiên cứu ở qui mơ pilot và phân tích trong phịng thí nghiệm được thực
hiện tại Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi của nghiên
cứu bao gồm:

2


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

• Nghiên cứu qui mơ pilot được thực hiện để cải thiện chất lượng nước đầu ra
trong ngăn lắng cuối của bể tự hoại ba ngăn đặt tại khuôn viên giữa khu nhà
A4 và A5, trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh bằng màng
lọc Woven Fiber Microfiltration nhúng chìm trong điều kiện kị khí thơng qua
đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống BTH-WFMF tại

các thông lượng 1,6; 2; 2,5 ; 3,4 LMH và 6,2 LMH. Hiệu quả loại bỏ vi
khuẩn được đánh giá thông qua chỉ tiêu tổng Coliform. Hiệu quả loại bỏ các
thành phần ô nhiễm vật lý, hóa học được đánh giá thơng qua các thơng số độ
đục, SS, COD, TKN, N-NH4+, PO43-. Tính tốn sơ bộ chi phí cho một hệ
thống BTH-WFMF và chuẩn bị hướng dẫn lắp đặt, vận hành và bảo trì cho
hệ thống.
• Đánh giá đặc tính bẩn màng (membrane fouling) của hệ thống BTH-WFMF
tại các thơng lượng nói trên.
• Chất lượng nước đầu ra của hệ thống BTH-WFMF được so sánh với các tiêu
chuẩn quốc tế (CITAI) cho mục tiêu tái sử dụng cho tưới tiêu.

3


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ BỂ SINH HỌC MÀNG XỬ
LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT
2.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt
2.1.1. Đặc trưng chất thải của con người
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích
sinh hoạt: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân… Lượng nước thải sinh hoạt của
một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ
thống thoát nước. Lượng nước thải sinh hoạt tính trên đầu người cũng có sự khác
biệt giữa thành thị và nơng thơn.
Có rất nhiều loại chất thải của con người được tạo ra trong nước sinh hoạt và
phát thải bao gồm:
Nước sinh hoạt

Nước tiểu

Phân

Nước rửa chén

Nước tắm

Nước giặt

Nước hỗn hợp

Nước vàng
Toilet

Nước xám

Nước đen

Hệ thống xử lý nước thải
Thải bỏ

Hình 2.1. Các dạng chất thải của con người (Morel, 2002)
Nước thải từ nhà vệ sinh gọi là nước đen. Lượng nước thải này rất nhỏ nhưng chứa
phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là COD, cặn lơ lửng, vi sinh gây bệnh và các
chất dinh dưỡng quan trọng (như N, P, K). Các loại nước thải khác phát sinh từ
4


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

hoạt động sống của con người như nấu ăn, tắm, giặt gọi là nước xám. Nước xám
chiếm thể tích lớn và chứa các chất hữu cơ tuy nhiên ít chứa các chất dinh dưỡng.
Nước đen được tách thành hai loại là phân và nước tiểu trước khi được hòa trộn
trong nhà vệ sinh.
Chất lượng nước thải sinh hoạt chưa xử lý thông qua một số chỉ tiêu ơ nhiễm đặc
trưng có thể tham khảo bảng 2.1.
Bảng 2.1. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý (Metcalf
and Eddy,2003)
Các chỉ tiêu
Chất rắn lơ lửng
BOD5
COD
Tổng nitơ (theo N)
•

Hữu cơ

•

Amơnia tự do

•

Nitrit

•

Nitrat

Tổng Photpho (theo P)
•

Hữu cơ

•

Vơ cơ

Tổng Coliform

Nồng độ
Nhẹ
Trung bình

Đơn vị

Nặng

mg/l

100

220

350

mg/l

110

220

400

mg/l

250

500

1000

mg/l

20

40

85

mg/l

8

15

35

mg/l

12

25

50

mg/l

0

0

0

mg/l

0

0

0

mg/l

4

8

15

mg/l

1

3

5

mg/l

3

5

10

MNP/100mL

106 - 107

107 – 108

107 – 109

Các đặc tính chất thải của con người rất khác nhau về thành phần và nồng độ. Nếu
các thành phần này được phân tách ra, sẽ là nguồn dinh dưỡng rất có lợi cho mùa
màng. Đặc trưng các thành phần khác nhau trong chất thải của con người được
trình bày trong bảng sau:

5


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Bảng 2.2. Các thành phần khác nhau trong chất thải của con người (Morel,2002;
Langergaber và Muellegger, 2005)
Thể tích
Nitơ
Photpho
Kali
COD
Feacal
coliform

Tổng cộng
25.000- 100.000
(L/người/năm)
4,5 kg/người/năm
0,75 kg/người/năm
1,8 kg/người/năm
30 kg/người/năm
-

Nước xám

Nước tiểu

Phân

25.000 – 100.000

500

50

3%
10%
34%
41%

87%
50%
54%
12%

10%
40%
12%
47%

104 – 106/100mL

0

107 – 109/100mL

2.1.2. Các vấn đề về hệ thống vệ sinh
Theo WHO, trên thế giới, cứ trong 5 người thì có một người khơng được tiếp cận
với nguồn nước uống an tồn và phù hợp và có rất nhiều người không được hưởng

hệ thống vệ sinh an tồn và đầy đủ. Khoảng 2,6 tỉ người khơng được hưởng bất kỳ
một loại hình hệ thống vệ sinh đã được cải thiện nào. (WHO/UNICEF, 2003;
Langergaber và Muellegger (2005). Hệ thống vệ sinh không chỉ là vấn đề của các
quốc gia đang phát triển mà còn là một vấn đề trong các quốc gia đã phát triển.
Các hệ thống vệ sinh thông thường trên thế giới dựa trên việc thu gom và vận
chuyển nước thải thơng qua hệ thống thốt nước. Hệ thống này pha trộn lượng nhỏ
các chất gây hại với lượng lớn nước sạch. Thêm vào đó, việc xây dựng, vận hành và
bảo dưỡng các hệ thống sử dụng cho hệ thống thốt nước thơng thường là một gánh
nặng về tài chính. Các hệ thống này bộc lộ nhiều thiếu sót như khai thác quá mức
nguồn tài nguyên không tái tạo được, ô nhiễm đất và nước ngầm, thải bỏ các thành
phần có giá trị vào trong nước thải và khó khăn trong việc loại bỏ hiệu quả các chất
ô nhiễm. Các hệ thống vệ sinh khác như giếng thấm cũng được sử dụng ở nhiều
quốc gia đang phát triển. Tuy nhiên, bất lợi của hệ thống này là gây nhiễm bẩn đất
và nước ngầm bởi tác nhân gây bệnh và mùi, ruồi, muỗi. Trong khu vực đông dân
cư, hạn chế của hệ thống này là mùi và không được phép sử dụng (Langergaber và
Muellegger (2005).

6


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Otterpohl và cộng sự., (1997) đã tóm tắt những hạn chế của cách tiếp cận truyền
thống cho các hệ thống vệ sinh trong các quốc gia cơng nghiệp như sau:
• Các chất dinh dưỡng bị mất vì nước thải được thải bỏ sau xử lý.
• Nhu cầu năng lượng lớn được sử dụng cho việc phân hủy vật chất hữu cơ và
q trình nitrat hóa trong nước thải.
• Tải lượng ơ nhiễm cao trong bùn thải.
• Một lượng lớn nước cần cho việc dội rửa trong các nhà máy xử lý.
• Các vấn đề vệ sinh trong nguồn tiếp nhận nước thải sau khi kết nối dịng thải

với nhà máy xử lý nước đầu ra.
• Sự hợp nhất của các kim loại nặng dẫn đến sự di động của các kim loại.
• Chi phí vận hành và bảo dưỡng cho hệ thống thoát nước và nhà máy xử lý
nước thải cao.
2.2.

Các quá trình xử lý nước thải tại chỗ (On-site treatment)

2.2.1. Bể tự hoại
Bể tự hoại là cơng trình xử lý nước thải tại chỗ nổi tiếng và phổ biến nhất. Chúng
được sử dụng phổ biến cho qui mơ nhỏ và các cơng trình xử lý phân tán trên thế
giới. Nhiệm vụ của bể tự hoại là phải tiếp nhận toàn bộ nước thải phát sinh từ khu
nhà ở và xử lý sơ bộ chúng. Bể tự hoại có thể có một hay nhiều ngăn và thường
được xây kín, ngầm dưới đất. Bể tự hoại cung cấp một bước tiền xử lý quan trọng
trong hệ thống xử lý nước thải qui mô nhỏ tại chỗ và có hiệu quả xử lý khoảng 50%
(Seabloom và cộng sự., 2003). Quá trình xảy ra trong bể giống như một q trình
phân hủy sinh học kị khí, lắng và phân hủy cặn lắng, chuyển hóa kị khí các chất hữu
cơ và tích tụ hoặc phân hủy bùn. (Lier và Letting., 1999).
Nhìn chung, bể tự hoại được xây ngầm dưới đất. Vị trí bể tự hoại trong nhà phụ
thuộc vào từng vùng. Ở vùng nông thôn, đất rộng, bể tự hoại được đặt ngoài nhà. Ở
các vùng đất hẹp, như thành phố, bể tự hoại được đặt ngầm dưới nhà tắm. Vị trí bể
tự hoại được mơ tả như trong hình sau:
7


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Hình 2.2. Vị trí của bể tự hoại (EPA, 2001)
Mô tả bể tự hoại
Bể tự hoại là một bể xây kín đặt ngầm có từ một tới nhiều ngăn. Nước thải từ nhà

vệ sinh được thải vào bể. Vận tốc dòng vào giảm dần qua các ngăn tạo nên điều
kiện khá tĩnh trong bể. Điều này cho phép một phần chất rắn có trọng lượng lớn
lắng xuống đáy bể. Các chất nhẹ hơn như dầu, mỡ và vật chất nổi khác nổi lên phía
trên và tạo thành lớp váng. Các vi khuẩn kị khí phân hủy các chất ơ nhiễm có trong
bể.
Thơng thường, nước thải từ bể tự hoại chứa các hợp chất hòa tan được thải thẳng
vào trong đất qua mương, ruộng và được hấp thụ vào trong đất. Bùn lắng được ổn
định bằng quá trình phân hủy kị khí. Các chất rắn khơng được phân hủy, được giữ
lại trong bể gọi là bùn và được định kì hút đi xử lý. Chu kì hút bùn phụ thuộc vào
kích thước bể, loại chất rắn chứa trong bể, thơng thường 3-5 năm.
Bể tự hoại có rất nhiều dạng. Bể có thể có hình chữ nhật, hình trụ làm từ bê tông
hoặc nhựa. Petterson, (2003) mô tả bể tự hoại cũ nhất giống như một cái bồn có
một ngăn, dung tích khoảng 1.800 – 2.000 L. Ngăn chứa nước sạch trong bể cung
cấp một thời gian lưu phù hợp (24h) để cho phép thu gom, phân hủy, lắng và chất
nổi nổi lên bề mặt. Có sự ngắn dòng của nước thải từ dòng vào và dòng ra là do bể

8


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

khơng có vách ngăn, cụ thể là nước sạch sẽ kết hợp với bùn, váng và lắng đọng lại
qua thời gian.
Bể tự hoại có hai hoặc nhiều ngăn được đưa ra để khắc phục sự ngắn dòng của bể
một ngăn. Sơ đồ cấu tạo của bể tự hoại hai ngăn được mơ tả trong hình sau:

Hình 2.3. Sơ đồ bể tự hoại hai ngăn (Crites và Tchobanoglous, 1998)
Nguyên tắc làm việc của bể tự hoại là thực hiện q trình lắng và lên men kị khí cặn
lắng. Bể có từ hai tới ba ngăn. Bể tự hoại có hiệu suất xử lý khơng cao, chỉ cho phép
tách được một phần cặn lơ lửng và hầu như khơng tách được các chất hịa tan trong

nước thải và chưa đạt yêu cầu xả nước thải ra môi trường. Tuy nhiên, bể tự hoại vẫn
được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới bởi có nhiều ưu điểm như hiệu
suất xử lý ổn định, khoảng làm việc dao động lớn, chiếm ít diện tích, giá thành rẻ,
việc xây dựng và quản lý đơn giản.
Mặc dù, nước thải được xử lý bằng bể tự hoại nhưng chất lượng nước đầu ra vẫn
chứa nhiều vi sinh gây bệnh và các chất ơ nhiễm khác. Theo EPA (2002), nhìn
chung, chất lượng nước đầu ra của bể tự hoại là không tốt do vẫn chứa nồng độ cao
các chất BOD, SS, Nitơ. Đặc biệt chứa lượng lớn các vi khuẩn gây bệnh.

9


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Bảng 2.3. Nồng độ các chất ô nhiễm ra khỏi bể tự hoại
Chỉ tiêu
pH
SS
BOD5
COD
NO3-N, mg/l
NH4-N, mg/l
TN
TP
Coliform

Đơn vị
mg/L
mg/L
mg/L

mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
MPN/100mL

Brandes, 1997
7,2-8,5
37-261
174-490
38-160
0,1-0,3
120-160
140-170
16-22
0,03x106 – 0,03x109

EPA, 2002
6,4-7,8
40-350
46-156
0,01-0,16
19-53
7,2-17
106-108

2.2.2. Bể tự hoại với các vách ngăn mỏng dòng hướng lên (BAST- baffled
septic tank)
Bể được dùng để xử lý nước thải có thành phần chất rắn không lắng được cao và tỉ
lệ COD/BOD thấp. Theo Sasse (1998), BAST là một bể rộng và nơng. Nó là một

dạng bể tự hoại cải tiến và tận dụng những ưu điểm của bể UASB cho xử lý nước
thải. Nó gồm 2-5 ngăn với một ngăn lọc ở cuối. Ngăn đầu là ngăn lắng và các ngăn
phía sau có vách ngăn dòng hướng lên. Nguyên tắc làm việc của bể này là: nước
thải được đưa vào ngăn thứ nhất của bể, có vai trị làm ngăn lắng - lên men kị khí,
đồng thời điều hịa lưu lượng và nồng độ dòng nước thải. Nhờ các vách ngăn hướng
dòng, ở những ngăn tiếp theo, nước thải chuyển động theo chiều từ dưới lên trên,
tiếp xúc với vi sinh kị khí trong lớp bùn hình thành ở đáy bể trong điều kiện động,
các chất bẩn hữu cơ được vi sinh hấp thụ và chuyển hóa, làm nguồn dinh dưỡng cho
sự phát triển của chúng. Quá trình này dẫn đến hiệu quả loại bỏ COD đạt 65-90%.
Thông số quan trọng nhất để thiết kế là vận tốc dòng hướng lên, giá trị này khơng
lên vượt q 2m/h.

Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo của bể BAST có bốn ngăn (Sasse,1998)
10


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Những ưu và nhược điểm của bể BAST
Bảng 2.4. Ưu, nhược điểm của bể BAST (Sasse, 1998)
•
•
•
•
•
•

Ưu điểm
Hiệu suất xử lý cao
Đơn giản trong xây dựng và vận

hành
Khó tắc nghẽn
Hệ thống bền
Khá rẻ
Ít bị ảnh hưởng bởi sự shock tải
và shock nước

Nhược điểm
• Hiệu quả thấp với nước thải có
nồng độ ơ nhiễm thấp
• Thời gian khởi động dài
• u cầu thể tích lớn

2.2.3. Bể tự hoại hình nón (Imhoff tank)
Bể imhoff có nhiều ưu điểm hơn hệ thống bể tự hoại, nhưng chất lượng nước đầu ra
chưa đáp ứng được yêu cầu xả thải, vì thế đó là một hạn chế của bể này. Thơng
thường, bể imhoff được sử dụng cho xử lý nước thải sinh hoạt và dòng thải hỗn hợp
với lưu lượng trên 3 m3/ngày. Bể bao gồm một ngăn lắng nằm phía trên ngăn phân
hủy. Dòng chất rắn lắng được từ ngăn phía trên sẽ đi qua một rãnh phía dưới rồi đi
vào ngăn thấp hơn, nơi mà chất rắn đã được tích lũy lại và được phân hủy trong
điều kiện kị khí. Đầu vào được phân tách triệt để từ lớp bùn phía dưới: các vách
ngăn sẽ ngăn chặn các phân tử bùn bẩn đi lên từ hỗn hợp với dòng ra và gây ra sự
chuyển động rối.
Đầu ra rất sạch và khơng có mùi là do chất rắn lơ lửng và hịa tan khơng tiếp xúc
với bùn hoạt tính. Bùn được tháo ra ở đáy phía bên phải của bể để đảm bảo chỉ các
chất nền được phân hủy hoàn toàn mới được thải bỏ. Chỉ một phần bùn được loại bỏ
đúng qui tắc để vẫn giữ được một lượng bùn hoạt tính trong bể. Bùn được tháo ra
phải được xử lý ngay lập tức bằng cách phơi khô hoặc làm phân compost để kiểm
soát vi sinh gây bệnh.
Theo Sasse (1998), những ưu điểm và nhược điểm của bể imhoff được trình bày

trong bảng 2.5.

11


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Bảng 2.5. Những ưu, nhược điểm của bể imhoff (Sasse, 1998)
Ưu điểm
• Ổn định
• Tốn ít diện tích do xây dựng
ngầm
• Đầu ra khơng có mùi

Nhược điểm
• Cấu trúc phức tạp hơn bể tự hoại
• Cần xử lý bùn đúng nguyên tắc

Hình 2.5. Mặt cắt ngang của bể Imhoff (Sasse, 1998)
2.2.4. Bể tự hoại với ngăn lọc kị khí
Bể tự hoại với ngăn lọc kị khí được dùng để xử lý nước thải sinh hoạt và cơng
nghiệp có tỷ lệ COD/BOD nhỏ và nồng độ SS thấp. Vì vậy, chúng khơng chỉ được
sử dụng kết hợp với q trình xử lý sơ bộ mà cịn được dùng để xử lý các chất rắn
khó lắng và hịa tan bằng việc cho dòng nước thải tiếp xúc với vi sinh hoạt tính trên
lớp giá thể lọc. Vật liệu lọc là các loại vật liệu thô như đá, cát, sỏi, nhựa, là giá thể
cho vi sinh bám dính. Bề mặt riêng của giá thể nên có diện tích từ 90-300 m2/m3 thể
tích bể. Diện tích bề mặt càng lớn cho vi sinh vật phát triển thì tốc độ phân hủy càng
nhanh. Thể tích bể nên là 0,5-1 m3/đầu người. Hiệu quả loại bỏ COD đạt 70-90%.
Thu hồi khí sinh học nên được thực hiện khi nồng độ BOD lớn hơn 1.000 mg/L.
Thời gian lưu nước nên lớn hơn 24 giờ.

12


Ứng dụng màng Woven fiber microfiltration (WFMF) xử lý nước thải sau bể tự hoại

Hình 2.6. Bể tự hoại với ngăn lọc kị khí (Sasse,1998)
Bảng 2.6. Ưu, nhược điểm của bể tự hoại với ngăn lọc kị khí (Sasse,1998)
Ưu điểm
• Hệ thống ổn định và bền vững
• Hiệu quả xử lý cao
• u cầu diện tích nhỏ

•
•
•
•

Nhược điểm
Chi phí xây dựng cao (giá thể)
Dễ tắc nghẽn
Nước đầu ra có mùi
Phải thau rửa vật liệu lọc

Nhìn chung, tất cả các loại bể tự hoại cải tiến này đều có hạn chế là phải thiết kế
thêm một vài ngăn và có sự thay đổi về cấu trúc bể, hiệu suất xử lý khơng cao, chi
phí cải tạo lớn.
2.3.

Hệ thống xử lý nước thải tập trung và phân tán

2.3.1. Hệ thống xử lý nước thải tập trung
Hệ thống xử lý nước thải tập trung được sử dụng để xử lý nước thải cho các khu
dân cư lớn như thành phố và được ứng dụng rất thành cơng ở các quốc gia cơng
nghiệp hóa. Nó được lắp đặt trong các quốc gia có nền công nghiệp phát triển trong
một khoảng thời gian dài trước đây (Winderer và Schereff, 2000). Ý tưởng đó
dường như rất tốt cho vệ sinh và quản lý nước thải.
Tuy nhiên, cách tiếp cận này chỉ phù hợp cho các quốc gia giàu vì khả năng tài
chính cho chi phí đầu tư cho xây dựng hệ thống xử lý cao. Hệ thống xử lý tập trung
không chỉ yêu cầu quá nhiều tiền cho vận hành, bảo dưỡng và thu gom nước thải
mà còn cần rất nhiều hạ tầng cơ sở thêm vào như: đường ống, trạm bơm, hệ thống
13