Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng submerged membrane bioreactor (smbr)

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

NGUYỄN CƯỜNG

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH
HOẠT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG SUBMERGED
MEMBRANE BIOREACTOR (SMBR)
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 08 Năm 2011


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: TS. BÙI XUÂN THÀNH
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. NGUYỄN NHƯ SANG
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 10 tháng 08 năm 2011
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS Nguyễn Văn Phước
2. TS. Bùi Xuân Thành
3. TS. Lê Hoàng Nghiêm
4. TS. Nguyễn Như Sang
5. TS. Võ Lê Phú

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 mơn 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 . . . . . tháng . . . . . năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN CƯỜNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10 – 01 – 1985

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chun ngành: Cơng Nghệ Mơi Trường

MSHV: 09250498

Khố (Năm trúng tuyển): 2009

1- TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG SUBMERGED
MEMBRANE BIOREACTOR (SMBR)
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ bể sinh học
màng sợi rỗng nhúng chìm (Hollow Fiber SMBR)
-

Khảo sát đặc tính bẩn màng (membrane fouling) của hệ thống SMBR

-

Khảo sát khả năng xử lý và đặc tính bẩn màng của hệ thống SMBR khi bổ sung
than hoạt tính dạng bột (PAC) và phèn nhơm (PACl)

-

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

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 14 Tháng 02 Năm 2011
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 01 Tháng 07 Năm 2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 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)

TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ
CHUYÊN NGHÀNH
(Họ tên và chữ ký)


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: NGUYỄN CƯỜNG

Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh: 10 – 01 – 1985

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

MSHV: 09250498

Tên đề tài: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG SUBMERGED MEMBRANE
BIOREACTOR (SMBR)
Giảng viên hướng dẫn: TS. BÙI XUÂN THÀNH
Tôi xin cam đoan tồn bộ luận văn là do q trình nghiên cứu của tơi tại phịng thí
nghiệm khoa Mơi Trường, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM. Những kết quả và
số liệu trong khóa luận chưa được ai cơng bố dưới bất kì hình thức nào. Tơi hồn

tồn chịu trách nhiệm trước nhà Trường về sự cam đoan này.

TP.HCM, Ngày

Tháng

Nguyễn Cường

Năm 2011


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi thật sự biết ơn sự động viên và
giúp đỡ của gia đình, thầy cơ và bạn bè. Đặc biệt, tơi xin chân thành cảm ơn sự
hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Xuân Thành từ khi đề tài được thành lập đến giai
đoạn kết thúc.
Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong khoa Mơi
Trường, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, những kiến thức được các
thầy cô truyền đạt trong q trình học tập đã tạo nền tản cho tơi hồn thành tốt luận
văn này.
Tơi cũng xin cảm ơn sâu sắc sự hỗ trợ, giúp đỡ của các anh chị, bạn bè và các
em thực hiện luận văn tốt nghiệp trong phịng thí nghiệm khoa Mơi Trường trong
suốt q trình mơ hình nghiên cứu được hoạt động tại đây.


iii

ABSTRACT
The emerging technology, known as a Membrane Bioreactor (MBR), offers

several advantages over the conventional activated sludge process. In this study, a
submerged membrane bioreactor (SMBR) was used to treat domestic wastewater at
different organic loading rates (OLRs) and conditions to investigate treatment
ability and fouling propensity. The operating loading rates were 0.5, 1, 1.5 and 2
kgCOD.m -3.day-1. At OLR was 2 kgCOD.m-3.day-1 (the highest OLR of SMBR
system in this study), Powdered Activated Carbon (PAC) and Poly-Aluminum
Chloride (PACl) were added. As observed, the SMBR could completely remove
turbidity as almost free suspended solids in membrane permeate. The removal
efficiency of COD, BOD5 at OLRs of 2 kgCOD.m-3.day-1 were 95% and 96%,
respectively. The transformation of nitrogen, in term of TKN, was 92%. The color
was 75 Pt – Co in permeate during the operation. In general, the treated wastewater
quality could reach the Vietnamese National Technical regulation (QCVN 14:
2008/BTNMT, level A) and water reuse purposes such as watering, street cleaning
and toilet flushing. Furthermore, it was found that there was a loss of soluble
extracellular polymeric substances (sEPS) on the membrane at operated OLRs
during the operation. The Ultra Violet Absorbance (UVA254), Protein (PN),
Polysaccharides (PS) of the membrane permeate were reduced compared to those of
the membrane supernatant. It shows that, the irreversible fouling of the SMBR was
caused by the deposition of soluble microbial products on membrane. The results
proclaim that the SMBR is becoming the attractive alternative wastewater treatment
technology for the water reuse objective in Viet Nam.


ii

TĨM TẮT
Cơng nghệ MBR (Membrane Bioreactor) được biết đến như là một kỹ thuật
nổi bật cung cấp nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với q trình bùn hoạt tính truyền
thống (CASP – Conventional Activated Sludge Process) trước đây. Trong nghiên
cứu này, một hệ thống bể sinh học màng nhúng chìm (SMBR – Submerged

Membrane Bioreactor) được lắp đặt và vận hành để xử lý nước thải sinh hoạt với
các điều kiện và tải trọng hữu cơ hoạt động khác nhau để khảo sát khả năng xử lý
nước thải sinh hoạt và đặc tính bẩn màng của hệ thống. Tải trọng hữu cơ hoạt động
của hệ thống SMBR lần lượt là 0.5, 1, 1.5 và 2 kgCOD/m3.ngày. Trong đó, ở tải
trọng 2 kgCOD/m3.ngày – tải trọng hoạt động cao nhất của hệ thống trong nghiên
cứu này, có sự bổ sung của than hoạt tính dạng bột (PAC – Powdered Activated
Carbon)) và phèn nhôn (PACl – Poly-Aluminum Chloride). Kết quả nghiên cứu
cho thấy, hệ thống SMBR có khả năng loại bỏ hồn tồn độ đục cũng như chất rắn
lơ lững ở dịng ra của màng. Hiệu suất loại bỏ COD, BOD5 ở tải trọng 2
kgCOD/m 3.ngày lần lượt là 95% và 96%. Hiệu suất chuyển hóa TKN đạt được là
92%. Độ màu trong dòng ra của hệ thống là 75 pt – Co trong suốt quá trình nghiên
cứu. Chất lượng nước sau xử lý có thể đáp ứng được với quy chuẩn xả thải đối với
nước thải sinh hoạt QCVN 14: 2008/BTNMT, cột A cũng như các mục đích tái sử
dụng nước thải khác nhau như tưới tiêu, rửa đường, dội toilet. Hơn thế nữa, kết quả
nghiên cứu cũng cho thấy rằng, có một sự chênh lệch hàm lượng của các polymer
ngoại bào hòa tan (sEPS – soluble Extracellular Polymeric Substances) trước và sau
khi qua màng tại tất cả các tải trọng đã được vận hành trong suốt quá trình nghiên
cứu. Hàm lượng Protein (PN), Polysaccharides (PS) và Ultra Violet Absorbance
(UVA254) trong bể màng là lớn hơn trong dòng ra của hệ thống. Điều này cho thấy
rằng, sự bẩn màng không thể đảo ngược (irreversible fouling) của hệ thống SMBR
được tạo ra bởi sự dính bám của các sản phẩm vi sinh hòa tan (SMP – Soluble
Microbial Products) trên màng. Những kết quả có được trong nghiên cứu này cho
thấy rằng, cơng nghệ SMBR có thể trở thành một sự lựa chọn thích hợp trong kỹ
thuật xử lý nước thải cho mục tiêu tái sử dụng nước thải tại Việt Nam.


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i

TÓM TẮT ................................................................................................................... ii
ABSTRACT ............................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 3
1.3 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 3
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ....................................................................................... 4
2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt ...................................................................... 4
2.1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt ..................................................................... 4
2.1.2 Phân loại ...................................................................................................... 4
a. Theo nguồn gốc hình thành ............................................................................. 4
b. Theo đối tượng thốt nước .............................................................................. 5
c. Theo đặc điểm hệ thống thoát nước ................................................................. 5
2.1.3 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt................................................. 7
a. Thành phần vật lý ............................................................................................ 7
b. Thành phần hóa học ........................................................................................ 7
c. Thành phần vi sinh vật ..................................................................................... 8


v

2.2 Các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt.......................................................... 10
2.2.1 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt ................................................ 10
a. Phương pháp xử lý cơ học ............................................................................. 10
b. Phương pháp xử lý hóa học ........................................................................... 10
c. Phương pháp xử lý hóa lý .............................................................................. 11

d. Phương pháp xử lý sinh học .......................................................................... 11
2.2.2 Các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt đang được áp dụng ..................... 12
2.3 Tái sử dụng nước thải ...................................................................................... 15
2.3.1 Giới thiệu ................................................................................................... 15
2.3.2 Đối tượng sử dụng ..................................................................................... 15
2.3.3 Ứng dụng của nước thải được tái sử dụng .................................................. 16
2.3.4 Các công nghệ xử lý nước thải cho mục đích tái sử dụng ........................... 19
2.3.5 Một số yếu tố chất lượng cần quan tâm khi tái sử dụng nước thải............... 19
2.4 Tổng quan về công nghệ màng MBR ............................................................... 22
2.4.1 Giới thiệu chung về công nghệ màng MBR ................................................ 22
a. Khái niệm lọc màng ...................................................................................... 22
b. Phân loại màng.............................................................................................. 23
c. Những ưu điểm của công nghệ màng MBR so với công nghệ truyền thống ... 28
2.4.2 Các kiểu module của MBR và các giai đoạn phát triển của công nghệ MBR
........................................................................................................................... 29
2.4.3 Những rào cản của công nghệ MBR ........................................................... 32
2.5 Tổng quan về cơng nghệ màng sợi rỗng nhúng chìm (Hollow Fiber – Submerged
Membrane Bioreactor, HF – SMBR) ..................................................................... 33
2.5.1 Cơ sở lý thuyết ........................................................................................... 33
2.5.2 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ HF – SMBR ................................. 35


vi

2.6 Khả năng xử lý hữu cơ, nitơ và phosphor của công nghệ màng MBR .............. 36
2.7 Hiện tượng bẩn màng (membrane fouling) ...................................................... 38
2.7.1 Các tác nhân chính gây nên hiện tượng bẩn màng ...................................... 40
a. Chất rắn lơ lững và chất keo .......................................................................... 40
b. Các chất hữu cơ hịa tan ................................................................................ 41
2.7.2 Vai trị của than hoạt tính (PAC) và phèn nhôm (PACl) trong sự bẩn màng và

loại bỏ chất hữu cơ.............................................................................................. 44
2.7.3 Cơ chế gây hiện tượng bẩn màng ............................................................... 45
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................ 48
3.1 Vật liệu nghiên cứu.......................................................................................... 48
3.1.1 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt đầu vào hệ thống SMBR ....... 48
3.1.2 Bùn nuôi cấy ban đầu ................................................................................. 49
3.1.3 Module màng ............................................................................................. 49
3.2 Mơ hình hệ thống SMBR ................................................................................. 51
3.3 Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 55
3.3.1 Các thông số vận hành hệ thống SMBR ..................................................... 55
3.3.2 Nội dung nghiên cứu và các điều kiện thí nghiệm ...................................... 56
3.3.3 Kiểm sốt các yếu tố trong quá trình vận hành ........................................... 56
a. Kiểm sốt lưu lượng ...................................................................................... 56
b. Kiểm sốt q trình nghẹt màng .................................................................... 57
c. Kiểm soát thời gian lưu bùn........................................................................... 57
d. Kiểm soát các yếu tố khác ............................................................................. 57
3.3.4 Lấy mẫu và phân tích ................................................................................. 58
a. Lấy mẫu ........................................................................................................ 58


vii

b. Các chỉ tiêu phân tích .................................................................................... 59
3.4 Quy trình phân tích Polysaccharides (PS), Protein (PN), UVA254..................... 60
3.4.1 Chỉ tiêu Polysaccharides (PS) .................................................................... 60
3.4.2 Chỉ tiêu Protein (PN).................................................................................. 61
3.4.3 Chỉ tiêu UVA254 ......................................................................................... 61
3.5 Quy trình tính tốn trở lực màng ...................................................................... 61
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...............................................................63
4.1 Hiệu quả xử lý của hệ thống SMBR ở các điều kiện vận hành khác nhau .........63

4.1.1 Giá trị pH và DO của hệ thống SMBR .........................................................63
4.1.2 Hiệu quả xử lý chất hữu cơ ..........................................................................65
a. Khả năng khử COD ........................................................................................65
b. Khả năng khử BOD5 ......................................................................................69
4.1.3 Hiệu quả xử lý độ màu, độ đục và chất rắn lơ lững......................................70
4.1.4 Hiệu quả xử lý nitơ và phospho ...................................................................76
a. Khả năng khử nitơ ..........................................................................................76
b. Khả năng khử phospho ...................................................................................80
4.1.5 Hiệu quả xử lý coliform ..............................................................................83
4.2 Đặc tính bùn của hệ thống SMBR .....................................................................83
4.3 Đặc tính bẩn màng của hệ thống SMBR ...........................................................87
4.3.1 Trở lực qua màng ........................................................................................87
4.3.2 Áp suất chuyển màng (TMP) .......................................................................87
4.3.3 Hàm lượng protein (PN) ..............................................................................92
4.3.4 Hàm lượng polysccharide (PS) ....................................................................93
4.3.5 Độ hấp thụ UVA254......................................................................................95


viii

4.4 Đánh giá khả năng tái sử dụng nước thải của hệ thống SMBR ..........................97
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 103
5.1 Kết luận .......................................................................................................... 103
5.2 Kiến nghị ........................................................................................................ 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 106
PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Kết quả thí nghiệm phân tích
Phụ lục 2. Các quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia và tiêu chuẩn tái sử dụng nước thải
Phụ lục 3. Một số hình ảnh trong quá trình nghiên cứu

ix

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các cơng trình cơng cộng và dịch vụ ........................................................ 5
Bảng 2.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh họat chưa xử lý ............... 6
Bảng 2.3 Tiêu chuẩn thải nước từ các nguồn thải khác nhau .................................... 9
Bảng 2.4 Mức độ chất lượng nước yêu cầu ............................................................ 15
Bảng 2.5 Đối tượng tái sử dụng dựa trên chất lượng nước yêu cầu ........................ 16
Bảng 2.6 Yêu cầu chất lượng FC trong nước tái sử dụng ....................................... 20
Bảng 2.7 Một số giới hạn đề xuất kim loại trong nước tái sử dụng......................... 21
Bảng 2.8 Một số tiêu chuẩn nước tái sử dụng trong tưới tiêu ................................. 26
Bảng 2.9 Các kiểu module MBR và các giai đoạn phát triển của công nghệ MBR.....
.............................................................................................................................. 31
Bảng 2.10 Những thuận lợi và khó khăn của cơng nghệ màng HF – SMBR .......... 35
Bảng 2.11 So sánh hiệu quả xử lý MBR với công nghệ truyền thống (CASP) ....... 37
Bảng 2.12 Bùn sinh ra trong các quá trình xử lý khác nhau ................................... 38
Bảng 3.1 Tính chất nước thải tại khách sạn Caravelle và chung cư Nguyễn Kim ... 48
Bảng 3.2 Các thông số của module màng MOTIMO sử dụng trong hệ thống SMBR .
.............................................................................................................................. 50
Bảng 3.3 Những đặc tính và ưu điểm của PVDF so với các loại vật liệu khác ....... 51
Bảng 3.4 Thơng số thiết kế mơ hình thử nghiệm .................................................... 54
Bảng 3.5 Điều kiện hoạt động của Hollow fiber – SMBR ...................................... 54
Bảng 3.6 Các thông số vận hành của hệ thống SMBR ........................................... 55
Bảng 3.7 Các loại hóa chất rửa màng.................................................................... 57
Bảng 3.8 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích trong nghiên cứu ........................ 59
Bảng 4.1 Tốc độ khử phospho của hệ thống SMBR trong một số ngày quan sát .... 82
Bảng 4.2 Kết quả tính tốn xác định trở lực qua màng ........................................... 87
Bảng 4.3 So sánh giới hạn chất lượng nước cho mục đích dội toilet ở Califonia
(USA), Tokyo (Japan) và New South Wales (NSW – Australia)............................ 97

Bảng 4.4 Quy chuẩn chất lượng nguồn nước mặt và U.S. EPA, 2004 .................... 98
Bảng 4.5 Mức độ chất lượng nước yêu cầu cho tái sử dụng và CITAI, 2003........ 100


x

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt .................................................................. 4
Hình 2.2 Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt .......................................... 9
Hình 2.3 Hệ thống hồ ổn định nước thải (Hồ kị khí – Hồ tùy nghi – Hồ hồn thiện) ..
.............................................................................................................................. 12
Hình 2.4 Hệ thống bể phản ứng kị khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) ...
.............................................................................................................................. 12
Hình 2.5 Hệ thống bùn hoạt tính truyền thống (CASP – Conventional Activated
Sludge Process) ..................................................................................................... 13
Hình 2.6 Hệ thống màng sinh học hiếu khí (Trickling Filter) ................................. 13
Hình 2.7 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh họat (nước đen) tại New World .... 13
Hình 2.8 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư Sing – Việt ......... 14
Hình 2.9 Các mục đích tái sử dụng nước thải......................................................... 18
Hình 2.10 Phân loại màng lọc dựa theo kích thước lỗ lọc ...................................... 25
Hình 2.11 Đặc điểm quá trình MBR ...................................................................... 27
Hình 2.12 Hiện tượng phân cực nồng độ ............................................................... 39
Hình 2.13 Những ảnh hưởng chính của hiện tượng bẩn màng................................ 40
Hình 2.14 Cơ chế gây nên hiện tượng nghẹt màng................................................. 46
Hình 3.1 Module màng sợi rỗng MOTIMO sử dụng trong hệ thống ...................... 49
Hình 3.2 Sơ đồ mơ hình hệ thống SMBR............................................................... 52
Hình 3.3 Giản đồ quy trình nghiên cứu .................................................................. 56
Hình 4.1 Giá trị pH của hệ thống SMBR theo thời gian ......................................... 64
Hình 4.2 Hiệu suất khử COD ở các điều kiện vận hành khác nhau ........................ 65
Hình 4.3 Hiệu suất khử COD tại OLR = 2 kgCOD/m3.ngày khi có sự bổ sung PAC

và PACl ................................................................................................................. 67


xi

Hình 4.4 Hiệu suất khử BOD5 ở các điều kiện vận hành khác nhau ....................... 69
Hình 4.5 Hiệu suất xử lý độ màu tại các điều kiện hoạt động khác nhau ................ 71
Hình 4.6 Hiệu suất xử lý độ màu khi có sự bổ sung PAC và PACl ........................ 73
Hình 4.7 Hiệu suất xử lý SS theo thời gian ............................................................ 75
Hình 4.8 Hiệu suất xử lý độ đục của hệ thống SMBR theo thời gian...................... 76
Hình 4.9 Hiệu suất khử nitơ theo thời gian ............................................................ 77
Hình 4.10 Sự chuyển hóa của TKN theo thời gian ................................................. 79
Hình 4.11 Hiệu suất khử phospho ở các điều kiện hoạt động khác nhau ................ 81
Hình 4.12 Đặc tính bùn của hệ thống SMBR theo thời gian ................................... 83
Hình 4.13 Tỉ lệ MLSS/MLVSS theo thời gian hoạt động....................................... 86
Hình 4.14 Biến thiên TMP theo thời gian .............................................................. 88
Hình 4.15 Sự biến thiên của TMP theo thời gian trước khi bổ sung PAC và PACl ....
.............................................................................................................................. 90
Hình 4.16 Sự biến thiên của TMP theo thời gian trong thử nghiệm PAC ............... 90
Hình 4.17 Sự biến thiên của TMP theo thời gian trong thử nghiệm PACl .............. 91
Hình 4.18 Biến thiên nồng độ protein của hệ thống SMBR theo thời gian ............. 92
Hình 4.19 Biến thiên nồng độ polysaccharide của hệ thống SMBR theo thời gian .....
.............................................................................................................................. 94
Hình 4.20 Biến thiên độ hấp thu UVA254 của hệ thống SMBR theo thời gian ........ 95
Hình 4.21 Nồng độ COD dòng ra so với tiêu chuẩn của CITAI, 2003 .................. 101
Hình 4.22 Nồng độ BOD5 dịng ra so với tiêu chuẩn của U.S. EPA, 2004 ........... 101


xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD

Nhu cầu oxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand)

CASP

Q trình bùn hoạt tính truyền thống (Conventional Activated Sludge
Process)

COD

Nhu cầu oxy hố học (Chemical Oxygen Demand)

DO

Oxy hịa tan (Dissolved Oxygen)

EPS

Hợp chất polymer ngoại bào ( Extracellular Polymeric Substances)

HRT

Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time)

MLSS

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

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

Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate)

PAC

Than hoạt tính dạng bột (Powdered Activated Carbon)

PACl

Phèn nhôm (Poly – Aluminum Chloride)

PN

Protein

PS

Polysaccharides

SMBR

Bể sinh học màng nhúng chìm (Submerged Membrane Bioreactor)

SMP

Các sản phẩm vi sinh hịa tan (Soluble Microbial Products)

SRT

Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time)

SS

Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid)

SVI

Chỉ số thể tích bùn (Sludge Volume Index)

TKN

Tổng nitơ Kjeldahl (Total Kjeldahl Nitrogen)

TMP

Áp suất chuyển màng (Trans-Membrane Pressure)

UVA254 Độ hấp thụ UV ở bước sóng 254nm (Ultra Violet Absorbance)


1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề
Quá trình sinh học đã được biết đến và áp dụng từ rất sớm cho mục đích xử lý
nước thải. Đến năm 1930, nó đã là một phương pháp chuẩn để xử lý nước thải
(Visvanathan và cộng sự, 2000). Kể từ đó, cả hai phương pháp xử lý sinh học hiếu

khí và kị khí đã được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải
cơng nghiệp, đóng vai trị chủ đạo là q trình sinh học hiếu khí mà đã được biết
đến với công nghệ truyền thống (CASP). Các sản phẩm cuối cùng của quá trình
sinh học là khác nhau tùy thuộc vào sự có mặt hay vắng mặt của oxy. Tuy nhiên,
các tế bào sinh học luôn là sản phẩm cuối cùng, mặc dù số lượng của chúng khác
nhau tùy thuộc vào việc đó là q trình hiếu khí hay kị khí. Sau khi loại bỏ các chất
hữu cơ hịa tan trong q trình sinh học, các tế bào sinh học phải được loại bỏ ra
khỏi dòng chất lỏng để đảm bảo chất lượng nước đầu ra theo yêu cầu. Theo công
nghệ truyền thống (CASP), một bể lắng thứ cấp được sử dụng để thực hiện nhiệm
vụ loại bỏ chất rắn ra khỏi dòng chất lỏng.
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, đi kèm theo sự phát triển nhanh
chóng đó là sự ơ nhiễm các nguồn nước do các hoạt động của con người gây ra.
Điều này cũng dẫn đến nhu cầu tái sử dụng và phục hồi lại nguồn nước ngày càng
cấp thiết. Nó yêu cầu sự nâng cao chất lượng nước đầu ra của các cơng trình xử lý
nước ơ nhiễm. Điều này là một thách thức lớn đối với CASP bởi vì những giới hạn
của nó, như là: (1) Tải trọng thể tích thấp (0.5 – 2 kg COD/m 3.ngày), và (2) Cặn lơ
lững trong dòng ra còn khá cao. Bên cạnh đó, u cầu diện tích lớn cho hệ thống
cũng là một hạn chế quan trọng của quá trình bởi vì CASP yêu cầu phần diện tích
cho việc lắng, lưu giữ và xử lý lượng bùn dư sinh ra từ quá trình.
Tiếp theo sự phát triển của CASP, cơng nghệ lọc sinh học màng (MBR) ra đời
là một tín hiệu khả quan trong sự đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao của việc

Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)


2

nâng cao chất lượng nước đầu ra sau xử lý. MBR có những đặc điểm nổi trội hơn
khi so sánh với CASP. MBR có tải trọng thể tích cao hơn, thời gian lưu bùn lâu

hơn, chất lượng nước ra tốt hơn và yêu cầu diện tích cho hệ thống thấp hơn. Tuy
nhiên, MBR vẫn còn những hạn chế cần phải được quan tâm và cải thiện: (1) bùn
sinh ra từ MBR khó lắng và tách nước vì bơng bùn tương đối mịn, và (2) sự tắt
nghẽn màng gây ra do các vi sinh vật, chất rắn lơ lững, chất keo, các chất polyme
ngoại bào hòa tan được sản sinh ra từ các vi sinh vật (sEPS), các oxit kim loại, muối
khống.
Trong cơng nghệ MBR thì mơ hình lọc sinh học màng nhúng chìm (SMBR) có
những thuận lợi hơn so với các dạng module khác do giá thành sản xuất và bảo trì
thấp (Fane và cộng sự, 2002), tiêu thụ năng lượng thấp (0.2 – 0.4 kwh/m3, Gender
và cộng sự, 2002; Melin và cộng sự, 2006) và dòng ra được hút ở áp suất nhỏ (<1
bar) (Fane và cộng sự, 2002; Chang và cộng sự, 2002).
Sự xuất hiện và phát triển của công nghệ lọc sinh học màng (MBR), đặc biệt
là cơng nghệ lọc sinh học màng nhúng chìm (SMBR), đã mở ra một hướng mới
trong kỹ thuật xử lý nước thải nhằm đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao về chất
lượng nước xả thải cho mục tiêu tái sử dụng và phục hồi lại nguồn nước. Cùng với
những đặc điểm nổi trội của công nghệ SMBR so với các công nghệ khác, đồng thời
từng bước cải thiện những bất lợi của nó thì cơng nghệ SMBR hứa hẹn sẽ là một sự
lựa chọn ưu tiên trong tương lai gần cho kỹ thuật xử lý nước thải.
Trên cơ sở những lợi ích có được từ cơng nghệ SMBR và triển khai nó vào
thực tế với qui mơ rộng hơn, đề tài này được tiến hành nghiên cứu với quy mơ
phịng thí nghiệm ứng dụng cơng nghệ màng sợi rỗng nhúng chìm (Hollow Fiber
SMBR) để xử lý nước thải sinh hoạt. Các thơng số COD, BOD5 hịa tan, SS, độ đục,
độ màu,TKN, N-NO2-, N-NO3-, TP, áp suất vận chuyển qua màng (TMP), quan sát
bùn dưới kính hiển vi (Microscope Observations), SVI, MLSS, MLVSS, UVA254,
protein, polysaccharides … được kiểm tra để khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh
hoạt của mô hình nghiên cứu.

Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)

3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này ứng dụng công nghệ màng sinh học nhúng chìm xử lý nước
thải sinh hoạt nhằm đạt được các mục tiêu sau:
 Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng cơng nghệ màng sinh
học nhúng chìm (SMBR)
 Khảo sát đặc tính bẩn màng (membrane fouling) của hệ thống SMBR tại các
điều kiện vận hành khác nhau
 Khảo sát khả năng xử lý và đặc tính bẩn màng của hệ thống SMBR khi bổ
sung than hoạt tính dạng bột (PAC) và phèn nhôm (Alum)
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài này sử dụng bể sinh học màng sợi rỗng nhúng chìm để khảo sát khả
năng xử lý nước thải sinh hoạt theo các tải trọng vận hành khác nhau, với các tải
trọng được khảo sát lần lượt là 0.5, 1, 1.5 và 2 kgCOD/m3.ngày. Than hoạt tính
dạng bột (PAC) và phèn nhơm (Alum) được bổ sung ở tải trọng cuối. Các thông số
COD, BOD5, SS, độ đục, độ màu, TKN, N-NO3-, TP, áp suất chuyển màng (TMP),
SVI, MLSS, MLVSS, UVA254, protein, polysaccharides … được kiểm tra trong suốt
quá trình vận hành hệ thống SMBR.
 Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng cơng nghệ màng sinh
học nhúng chìm (SMBR)
 Khảo sát đặc tính bẩn màng của hệ thống SMBR tại các điều kiện vận hành
khác nhau
 Đánh giá khả năng tái sử dụng nước thải sau xử lý

Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)

4

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt
2.1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích
sinh hoạt của cộng đồng như: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, ăn uống, vệ sinh cá nhân…
Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, nhà hàng,
khách sạn, chợ và các công trình cơng cộng khác.

Tắm rửa

Sinh hoạt

Mục đích
ăn uống

Vệ sinh
nhà cửa

Nước thải sinh hoạt
Hình 2.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt (Trần Đức Hạ, 2006)
2.1.2 Phân loại
a. Theo nguồn gốc hình thành
-

Nhóm 1: Nước thải khơng chứa phân, nước tiểu và các loại thực phẩm phát
sinh từ các quá trình tắm rửa, giặt giũ. Loại nước thải này chủ yếu chứa chất lơ
lửng, các chất tẩy giặt và thường được biết đến với tên gọi là “nước xám”.
Nồng độ các chất hữu cơ trong loại nước thải này thấp và thường khó phân

hủy sinh học. Trong nước thải chứa nhiều tạp chất vơ cơ

-

Nhóm 2: Nước thải chứa phân, nước tiểu từ các khu vệ sinh (toilet), hay còn
được biết đến với tên gọi là “nước đen”. Trong nước thải tồn tại các loại vi

Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)


5

khuẩn gây bệnh và dễ gây mùi hôi thối. Hàm lượng các chất hữu cơ (BOD) và
các chất dinh dưỡng như nitơ, phospho cao. Các loại nước thải này thường gây
nguy hại đến sức khỏe con người và dễ làm nhiễm bẩn nguồn nước mặt. Tuy
nhiên, chúng thích hợp với việc sử dụng làm phân bón và tạo khí sinh học
b. Theo đối tượng thốt nước
-

Nhóm 1: Nước thải từ các hộ gia đình, khu chung cư

-

Nhóm 2: Nước thải từ các cơng trình cơng cộng, dịch vụ như nước thải bệnh
viện, khách sạn, trường học, nhà ăn...
Mỗi nhóm, mỗi loại nước thải có lưu lượng, chế độ xả nước và thành phần

tính chất đặc trưng riêng.
Bảng 2.1 Các cơng trình cơng cộng và dịch vụ

Cơng Trình

Đơn vị

Chỉ số dân

Tiêu chuẩn thải nước

tính

tương đương

L/đơnvị tính.ngày

Khách sạn, nhà nghỉ

Giường

1

200 – 300

Nhà ăn

Chỗ ngồi

3

50 – 80

Quán cà phê, giải khát

Chỗ

15

10 – 15

Câu lạc bộ, nhà văn hóa

Chỗ

5 – 10

8 – 25

Trường học

Học sinh

10

15 – 25

Nhà trẻ

Trẻ em

2–3

50 – 100

Bệnh viện

Giường

0.4 – 0.5

300 – 600

bệnh
(Nguồn: Trần Đức Hạ, 2006)
c. Theo đặc điểm hệ thống thoát nước
-

Nước thải hệ thống thoát nước riêng: nước thải từ các thiết bị vệ sinh được thu
gom và vận chuyển về trạm xử lý theo tuyến cống riêng

-

Nước thải hệ thống thoát nước chung: các loại nước thải sinh hoạt (nước xám
và nước đen) cùng với nước mưa đợt đầu trong khu vực thoát nước được thu
gom và vận chuyển theo đường cống chung về trạm xử lý. Trong một số
Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)


6

trường hợp, nước đen được xử lý sơ bộ tại chỗ qua các cơng trình như bể tách

dầu mỡ, bể tự hoại, sau đó cùng nước xám đi vào tuyến thoát nước chung của
thành phố
Việc phân loại nước thải theo hệ thống thoát nước phụ thuộc vào đối tượng
thoát nước, đặc điểm hệ thống thốt nước của đơ thị hoặc khu dân cư và các điều
kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của đơ thị.
2.1.3 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất bẩn có nguồn gốc từ các hoạt động của
con người. Các chất bẩn này tồn tại dưới dạng lơ lững, dạng hạt keo và dạng hòa
tan, bao gồm: Các chất rắn lơ lững; các vi sinh vật gây bệnh; các chất dinh dưỡng
nitơ, phosphor; các chất dễ phân hủy sinh học; chất hữu cơ khó phân hủy sinh học
như: chất hoạt động bề mặt, phenol, hóa chất bảo vệ thực vật; các chất vơ cơ hịa
tan; các kim loại nặng; các hóa chất dược; các chất phóng xạ.
Bảng 2.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh họat chưa xử lý
Các chỉ tiêu

Nồng độ
Đơn vị

Nhẹ

Trung

Nặng

bình
Chất rắn tổng cộng

mg/L

350

720

1200

Tổng chất rắn hòa tan:

mg/L

250

500

850

- Cố định

mg/L

145

300

525

- Bay hơi

mg/L

105

200

325

mg/L

100

220

350

- Cố định

mg/L

20

55

75

- Bay hơi

mg/L

80

165

275

Chất rắn lắng được

mg/L

5

10

20

BOD5

mg/L

110

220

400

Tổng cacbon hữu cơ

mg/L

80

160

210

Chất rắn lơ lửng:

Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)


7

COD

mg/L

250

500

1000

Tổng nitơ (theo N):

mg/L

20

40

85

- Hữu cơ

mg/L

8

15

35

- Ammonia tự do

mg/L

12

25

50

- Nitrit

mg/L

0

0

0

- Nitrat

mg/L

0

0

0

mg/L

4

8

15

- Hữu cơ

mg/L

1

3

5

- Vô cơ

mg/L

3

5

10

Clorua

mg/L

30

50

100

Sunfat

mg/L

20

30

50

Độ kiềm (theo CaCO3)

mg/L

50

100

200

Dầu mỡ

mg/L

50

100

150

Tổng Coliform

No/100mL

10 6 - 10 7

107 – 108

107 – 109

Chất hữu cơ bay hơi

µg/L

< 100

100 - 400

> 400

Tổng Photpho (theo P):

(Nguồn: Metcalf and Eddy , 2003)
a. Thành phần vật lý
Theo trạng thái vật lý, các chất bẩn trong nước thải sinh hoạt được chia thành:
-

Các chất khơng hịa tan ở dạng lơ lững, kích thước lớn hơn 10-4 mm, có thể ở
dạng huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi, giấy, vải…

-

Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt trong khoảng 10-4 mm - 10-6 mm

-

Các chất bẩn dạng hòa tan có kích thước nhỏ hơn 10-6 mm, có thể ở dạng phân
tử hoặc phân ly thành ion

b. Thành phần hóa học
Các chất hữu cơ trong nước thải chiếm khoảng 50 – 60% tổng các chất. Các

chất hữu cơ này bao gồm chất hữu cơ thực vật: Cặn bã thực vật, rau, hoa quả,
giấy… và các chất hữu cơ động vật: Chất thải bài tiết của người…. Các chất hữu cơ
Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)


8

trong nước thải theo đặc tính hóa học gồm chủ yếu là protein (chiếm 40 – 60%),
hydratcacbon (25 – 50%), các chất béo, dầu mỡ (10%). Urê cũng là chất hữu cơ
quan trọng trong nước thải. Nồng độ các chất hữu cơ thường được xác định thong
qua các thong số BOD, COD. Bên cạnh các chất trên, nước thải sinh hoạt còn chứa
các lien kết hữu cơ tổng hợp: Các chất hoạt động bề mặt mà điển hình là các chất
tẩy rửa tổng hợp (Alkyl benzene sunfonat – ABS) rất khó xử lý bằng phương pháp
sinh học và gây nên hiện tượng sủi bọt trong các trạm xử lý nước thải và trên mặt
nước nguồn – nơi tiếp nhận nước thải.
Các chất vô cơ trong nước thải chiếm 40 – 42% gồm chủ yếu: Cát, đất sét, các
acid, bazơ vô cơ… Nước thải chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ như sắt, magie,
canxi, silic, nhiều chất hữu cơ sinh hoạt như phân, nước tiểu và các chất thải khác
như cát, sét, dầu mỡ. Nước thải vừa xả ra thường có tính kiềm, nhưng dần dần trở
nên có tính acid vì thối rửa.
Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng nitơ và phosphor rất lớn, nếu chúng
không được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận sảy ra hiện tượng “phú dưỡng
hóa” – một hiện tượng thường sảy ra ở các nguồn nước có hàm lượng nitơ và
phosphor cao, trong đó các lồi thực vật thủy sinh phát triển mạnh rồi chết đi, thối
rửa và làm cho nguồn nước bị ô nhiễm.
c. Thành phần vi sinh vật
Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nươc thải sinh hoạt, đặc biệt là trong
phân, đó là các loại mầm bệnh được lây truyền thong qua các vi sinh vật có trong
phân. Vi sinh vật gây bệnh từ nước thải có khả năng lây lan qua nhiều nguồn khác

nhau như qua tiếp xúc trực tiếp, qua môi trường trung gian (đất, nước, khơng khí,
cây trồng, vật ni, cơn trùng…), thâm nhập vào cơ thể người qua đường thức ăn,
nước uống, hô hấp… và sau đó có thể gây bệnh. Vi sinh vật gây bệnh cho người
bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào và giun sang.
Với thành phần ơ nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ
các loại chất khơng tan đến các tạp chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước,
việc xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và có thể
Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)


9

đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng lại nguồn nước. Việc lựa
chọn phương pháp xử lý thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại
tạp chất có trong nước thải.
Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt được tóm tắt theo giản đồ ở hình
2.2
Nước Thải Sinh Hoạt

99.9% là nước

0.1% là các chất rắn

50% - 70% là chất hữu cơ

30% - 50% là chất vô cơ

25% là cacbonhydrat

65% là protein

10% là các chất

Cát

Muối

Kim loại

Hình 2.2 Thành phần các chất trong nước thải sinh hoạt
(Nguồn: Trần Đức Hạ, 2006)
Bảng 2.3 Tiêu chuẩn thải nước từ các nguồn thải khác nhau
Nguồn nước thải

Đơn vị

Lưu lượng (L/đơn vị. Ngày)
Dãy

Trị số tiêu chuẩn

Sân bay, nhà ga

Khách

7.5 - 15

11

Gara ôtô, sữa chữa

Đầu xe

26 - 50

38

Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng công nghệ màng
Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)