Nghiên cứu quá trình than hoạt tính sinh học và RO trong tái sử dụng nước thải sinh hoạt sau xử lý bậc hai

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHAN THANH NHÂN

NGHIÊN CỨU Q TRÌNH THAN HOẠT TÍNH SINH
HỌC VÀ RO TRONG TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI
SINH HOẠT SAU XỬ LÝ BẬC HAI.
Chuyên ngành : Công Nghệ Môi Trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2008.


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

Cán bộ chấm nhận xét 1:… …………………………….

Cán bộ chấm nhận xét 2:….……………………….

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……tháng…….năm…...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày 15 tháng 07 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHAN THANH NHÂN

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/ 05/ 1982

Nơi sinh: Bình Thuận

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MSHV: 02505562

I- TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THAN HOẠT TÍNH SINH HỌC VÀ RO TRONG TÁI SỬ
DỤNG NƯỚC THẢI SINH HOẠT SAU XỬ LÝ BẬC HAI.

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
-

Nhiệm vụ: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng nước thải thơng qua q trình than
hoạt tính sinh học và RO.

-

Nội dung:
+ Nghiên cứu khả năng khử chất ơ nhiễm của q trình kết hợp BAC và BSF
thông qua việc thay đổi chất lượng nước đầu vào.
+ Nghiên cứu khả năng khử chất ô nhiễm của q trình RO thơng qua việc thay
đổi chất lượng nước đầu vào và tỉ lệ tái, sinh đồng thời đánh giá bẩn màng.
+ Đề xuất công nghệ phù hợp với đối tượng tái sử dụng nước thải.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định giao
đề tài): 05 / 01 / 2008
IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05 / 07/ 2008
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên)
PGS.TS. NGUYỄN PHƯỚC DÂN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
Ngày
TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH

tháng

năm

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


ii

LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ gia
đình, thầy cô, và bạn bè.
Con xin cảm ơn bố mẹ đã luôn động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện cho
con hoàn thành những năm học tập trong cuộc đời.
Em xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến tồn thể quý thầy cô khoa Môi
Trường Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã truyền đạt kiến thức cho em trong
những năm học tập tại trường. Đặc biệt là Thầy Nguyễn Phước Dân đã hướng dẫn,
chỉ bảo tận tình trong suốt thời gian em thực hiện luận văn.
Em chân thành cảm ơn các anh chị trong Trạm xử lý nước thải Bình Hưng
Hồ đã tạo điều kiện giúp đỡ cho em được lấy nước thải và vận hành mơ hình.
Cám ơn em Nguyễn Văn Huy và Nguyễn Thị Mỹ Hiền đã tận tình giúp đỡ để
hồn thành ln văn này.
Cám ơn quý thầy cô đã quan tâm dành thời gian nhận lời phản biện khoa học
cho đề tài này.
Cám ơn các bạn đã giúp đỡ tơi hồn thành luận án tốt nghiệp này.

Tp Hồ Chí Minh, 07/ 2008

Phan Thanh Nhân


iii

TÓM TẮT
Thiếu nước là một trong những vấn đề lớn có tính tồn cầu được đặt ra tại
Diễn đàn Nước quốc tế vừa được tổ chức tại Mehico. Vì vậy, việc nghiên cứu các
biện pháp tái sử dụng nước là rất cần thiết. Hiện nay có nhiều phương pháp khác
nhau được sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải cho mục đích tái sử dụng.
Nghiên cứu này sử dụng mơ hình cơng nghệ lọc sinh học BAC và BSF, và
RO là cơng nghệ kết hợp 2 q trình hấp phụ và xử lý sinh học bằng màng vi sinh
dính bám trên than hoạt tính. Sau q trình lọc BAC kết hợp với BSF, nước thải tiếp
tục được xử lý bằng RO.
Kết quả nghiên cứu cho thấy mơ hình BAC-BSF và RO thích hợp cho xử lý
nước thải nhằm mục đích tái sử dụng với chất lượng nước yêu cầu từ thấp cho tới
cao. Các quá trình loại bỏ COD, ammonia, độ màu, độ đục khi qua bể lọc kết hợp
BAC-BSF đạt hiệu quả cao lần lượt là 61%, 65%, 39% và 35% khi tốc độ lọc chạy
từ 1m/h – 3 m/h. Khi qua RO, chất lượng nước đầu ra khá ổn định về TOC, TDS,
Ammonia, độ màu, độ đục gần như bằng 0 tương đương với hiệu suất khoảng 9599%, với tỷ lệ tái sinh khác nhau. Tuy nhiên, vì trong hệ thống khơng có cơng đoạn
khử trùng nên sau khoảng thời gian chỉ 17 ngày, một lớp màng vi sinh dày hàng
trăm micron đã hình thành trên lớp màng, làm giảm đáng kể lưu lượng nước thấm
qua màng cũng như làm tăng áp suất vận hành.
Với chất lượng nước đầu ra như vậy, nước thải sau xử lý BAC-BSF có thể sử
dụng cho mục đích tưới tiêu, cho cơng trình, .v.v. với điều kiện phải được khử
trùng. Nước sau xử lý của RO có chất lượng cao, có thể sử dụng cho mục tắm giặt,
tái nạp tầng nước ngầm. Tuy nhiên vấn đề bẩn màng cần quan tâm hơn nữa khi áp
dụng vào thực tế.


iv

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình Nội dung

Trang

2.1

Các hình thức tái sử dụng

3

2-2

Công nghệ xử lý nước thải tái sử dụng

4

2-3

15

2-4

Các mốc thời điểm quan trọng trong việc tái sử dụng nước trên
thế giới
Quá trình tái sinh nước phục vụ cho cung cấp nước uống

17

2-5

Nghiên cứu tái sử dụng nước thải tại Haligen, Texas Mỹ

18

3-1

Nội dung nghiên cứu trên mơ hình pilot

21

3-2

Sơ đồ mặt bằng bố trí của Nhà Máy XLNTTT Bình Hưng Hịa

22

3-3

Cấu tạo mơ hình BAC

25

3-4

Cấu tạo mơ hình BSF

25

3-5

Sơ đồ ngun lý mơ hình BAC-BSF

26

3-6

Kích thước của màng RE1812-60 - Saehan

32

3-7

Sơ đồ ngun lý mơ hình RO

33

Q trình BAC kết hợp BSF tại hồ hoàn thiện
4-1

Sự thay đổi pH theo thời gian vận hành

36

4-2

Sự thay đổi COD theo thời gian vận hành

37

4-3

Hiệu suất loại bỏ COD theo tốc độ lọc

38

4-4

Sự biến đổi N-NH3 trong hệ thống BAC-BSF

40

4-5

Hiệu suất khử N-NH3 của BAC và BSF theo tốc độ lọc

40

4-6

Sự biến đổi N-NO2 trong hệ thống BAC-BSF

42

4-7

Hiệu suất khử N-NO2 của BAC và BSF theo tốc độ lọc

43

4-8

Sự biến đổi N-NO3 trong hệ thống BAC-BSF

44

4-9

Sự thay đổi độ màu trong hệ thống BAC-BSF

46

4-10

Hiệu suất khử độ màu của BAC và BSF theo tốc độ lọc

46

4-11

Sự thay đổi độ đục trong hệ thống BAC-BSF

47


v

4-12

Hiệu suất khử độ đục của BAC và BSF theo tốc độ lọc

48

4-13

Đồ thị biểu diễn sự biến đổi Coliforms tại tải trọng 2m/h

49

4-14

Đồ thị biểu diễn độ tổn áp qua BAC theo tải trọng

49

Quá trình BAC kết hợp BSF tại bể lắng
4-15

Sự thay đổi DO theo thời gian vận hành mơ hình

50

4-16

Sự thay đổi DO trung bình theo tải trọng và vị trí lấy mẫu trong

51

hệ thống BAC-BSF
4-17

Sự thay đổi pH theo thời gian vận hành mơ hình

52

4-18

Sự thay đổi pH trung bình theo vị trí lấy mẫu

52

4-19

COD và hiệu quả xử lý COD trong quá trình vận hành mơ hình

53

4-20

Hiệu suất xử lý COD (trung bình) theo tốc độ lọc

54

4-21

Kết quả xử lý TOC của BAC - BSF

55

4-22

Ammonia và hiệu quả xử lý ammonia trong quá trình vận hành

56

4-23

Hiệu quả xử lý ammonia theo tải trọng trong quá trình vận hành

56

4-24

Sự biến đổi của nitrate theo tải trọng trong quá trình vận hành

57

4-25

Độ đục trong quá trình vận hành

59

4-26

Hiệu quả khử độ đục (trung bình) trong quá trình vận hành

60

4-27

Độ màu và hiệu quả khử độ màu trong quá trình vận hành

61

4-28

Hiệu quả khử độ màu (trung bình) trong quá trình vận hành

61

4-29

Quan sát màng vi sinh trên kính hiển vi

62

4-30

Vi sinh dính bám trên hạt than

62

4-31

Coliforms trong quá trình vận hành

63

4-32

Đồ thị khảo sát độ tổn áp

64

Quá trình RO tại hồ hồn thiện
4-33

Khảo sát lưu lượng và áp suất vận hành theo thời gian

65

4-34

Khảo sát pH theo thời gian

66

4-35

Khảo sát TDS và hiệu quả khử TDS theo thời gian

67


vi

4-36

Khảo sát quá trình loại bỏ COD theo thời gian

68

4-37

Khảo sát độ màu và hiệu quả khử độ màu theo thời gian

69

4-38

Khảo sát độ đục và hiệu quả khử độ đục theo thời gian

70

4-39

Khảo sát quá trình loại bỏ SS theo thời gian

71

4-40

Khảo sát N-NH3 và hiệu quả loại bỏ N-NH3 theo thời gian

72

4-41

Khảo sát N-NO2 và hiệu quả loại bỏ N-NO2 theo thời gian

73

4-42

Khảo sát N-NO3 và hiệu quả loại bỏ N-NO3 theo thời gian

74

4-43

Coliforms trong quá trình vận hành

75

Quá trình RO tại bể lắng
4-44

Khảo sát lưu lượng và áp suất vận hành theo thời gian

76

4-45

Sự thay đổi lưu lượng và áp suất vận hành RO theo Rc khác nhau

78

4-46

Khảo sát TDS và hiệu quả khử TDS theo thời gian

79

4-47

TDS và hiệu quả khử TDS theo các tỉ lệ tái sinh Rc khác nhau

80

4-48

TOC và hiệu quả khử TOC theo các tỉ lệ tái sinh Rc khác nhau

81

4-49

Khảo sát pH theo các tỉ lệ tái sinh Rc khác nhau

82

4-50

Độ đục và hiệu quả khử độ đục theo tỉ lệ tái sinh Rc khác nhau

83

4-51

Độ màu và hiệu quả khử độ màu theo tỉ lệ tái sinh Rc khác nhau

84

4-52

N-NH3 và hiệu quả khử N-NH3 theo tỉ lệ tái sinh Rc khác nhau

85

4-53

N-NO3 và hiệu quả khử N-NO3 theo tỉ lệ tái sinh Rc khác nhau

86

Thí nghiệm đánh giá bẩn màng
4-54

Sự thay đổi áp suất, lưu lượng theo thời gian

87

4-55

Sự thay đổi áp suất vận hành và tỉ lệ tái sinh theo thời gian

88

4-56

Một số hình ảnh về bẩn màng

89

4-57

Sự thay đổi áp suất, lưu lượng theo tỉ lệ tái sinh Rc

90

4-58

Sơ đồ công nghệ tái sử dụng nước sử dụng BAC-BSF

97

4-59

Công nghệ đề xuất cho hệ thống RO tái sử dụng nước thải

100


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng Nội dung

Trang

2-1

Đối tượng sử dụng dựa trên chất lượng nước yêu cầu

5

2-2

Mức độ chất lượng nước yêu cầu

5

2-3

Một số yếu tố ảnh hưởng quá trình màng

12

2-4

Các công nghệ xử lý nước tương ứng những mốc thời điểm

16

2-5

Lợi nhuận của việc tái sử dụng nước

16

3-1

Tải trọng thuỷ lực được áp dụng trên mơ hình BAC-BSF

23

3-2

Các chỉ tiêu cơ bản của than hoạt tính dạng hạt từ gáo dừa.

27

3-3

Thành phần tính, chất nước thải tại hồ hồn thiện số (10)

27

3-4

Thành phần tính, chất nước thải tại hồ lắng số (7)

28

3-5

Bảng phương pháp phân tích các chỉ tiêu

29

3-6

Các đặc trưng của màng RO RE1812-60 – Seahan (Hàn Quốc)

32

3-7

Thành phần tính chất nước thải đầu vào RO sau cột lọc tinh MF

34

trong q trình vận hành RO tại hồ hồn thiện số (10)
3-8

Thành phần tính chất nước thải đầu vào RO sau cột lọc tinh MF

34

trong quá trình vận hành RO tại hồ lắng số (7)
Quá trình BAC kết hợp BSF tại hồ hồn thiện
4-1

Tóm tắt kết quả xử lý COD của BAC và BSF theo tốc độ lọc

38

4-2

Tóm tắt kết quả xử lý N-NH3 của BAC và BSF theo tốc độ lọc

39

4-3

Tóm tắt kết quả xử lý N-NO2 của BAC và BSF theo tốc độ lọc

42

4-4

Tóm tắt kết quả tạo thành N-NO3 của BAC và BSF theo tốc độ lọc

44

4-5

Tóm tắt kết quả xử lý độ màu của BAC và BSF theo tốc độ lọc

46

4-6

Tóm tắt kết quả xử lý độ đục của BAC và BSF theo tốc độ lọc

47

Q trình BAC kết hợp BSF tại bể lắng
4-7

Tóm tắt kết quả xử lý COD của BAC và BSF theo tốc độ lọc

53

4-8

Tóm tắt kết quả xử lý N-NH3 của BAC và BSF theo tốc độ lọc

55


viii

4-9

Tóm tắt kết quả xử lý N-NO3 của BAC và BSF theo tốc độ lọc

58

4-10

Tóm tắt kết quả xử lý độ đục của BAC và BSF theo tốc độ lọc

60

4-11

Tóm tắt kết quả xử lý độ màu của BAC và BSF theo tốc độ lọc

61

Q trình RO tại hồ hồn thiện

4-12

Tóm tắt kết quả xử lý TDS của RO theo Rc

68

4-13

Tóm tắt kết quả xử lý COD của RO theo Rc

68

4-14

Tóm tắt kết quả xử lý độ đục của RO theo Rc

70

4-15

Tóm tắt kết quả xử lý độ màu của RO theo Rc

70

4-16

Tóm tắt kết quả xử lý N-NO2 của RO theo Rc

74

4-17

Tóm tắt kết quả xử lý N-NO3 của RO theo Rc

74

4-18

Tóm tắt kết quả xử lý TDS của RO theo Rc

80

4-19

Tóm tắt kết quả xử lý độ đục của RO theo Rc

82

4-20

Tóm tắt kết quả xử lý độ màu của RO theo Rc

83

4-21

Tóm tắt kết quả xử lý N-NH3 của RO theo Rc

84

4-22

Tóm tắt kết quả xử lý N-NO-3 của RO theo Rc

86

Thí nghiệm đánh giá bẩn màng
4-23
4-24

Số liệu tổng kết kết quả sau xử lý của mô hình BAC-BSF khi đặt tại hồ
lắng
Kết quả nghiên cứu trên mơ hình BAC-BSF ở tải trọng 2m/h và 3m/h

94
95

tại hồ lắng so với giới hạn tái sử dụng.
4-25

Số liệu tổng kết kết quả sau xử lý của mơ hình BAC-BSF khi đặt tại hồ

95

hồn thiện
4-26
4-27

Kết quả nghiên cứu trên mơ hình BAC-BSF ở tải trọng 1.3m/h và 2m/h
tại hồ lắng so với giới hạn tái sử dụng

Đối tượng sử dụng theo chất lượng nước và công đoạn xử lý

96
97

4-28

Số liệu tổng kết kết quả sau xử lý của mơ hình RO khi đặt tại hồ lắng

98

4-29

Số liệu tổng kết kết quả xử lý của mơ hình RO khi đặt tại hồ hồn thiện

98

4-30

Kết quả nghiên cứu trên mơ hình RO ở trung bình Rc 15%

99

4-31

Đối tượng sử dụng theo chất lượng nước và công đoạn xử lý

100

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
AD

Apparent Density – Khối lượng riêng biểu kiến

AOC

Assimilable Organic Carbon – Carbon hữu cơ có thể đồng hố

AOPs

Advanced Oxidation Processes – Oxy hố bậc cao

BAC

Biological Activated Carbon – Than hoạt tính sinh học

BDOC

Biological Degradable Disolved Organic Carbon –
Carbon hữu cơ hoà tan phân huỷ sinh học.

BSF

Biological Sand Filter – Lọc cát sinh học

BOD5

Biological Oxygen Demand - Nhu cầu oxy sinh hóa

CA

Cellulose Acetate

COD

Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa học

DBPs

Disinfection By-products – Sản phẩm phụ khử trùng

DO

Disolved Oxygen - Oxy hòa tan

DOC

Dissolved Organic Carbon – Hợp chất carbon hữu cơ hòa tan

EBCT

Emty Bed Contact Time - Thời gian tiếp xúc

FI

FOULING INDEX - Chỉ số cáu cặn

GAC

Granular Activated Carbon – Than hoạt tính dạng hạt

GPD

Gallon Per Day – Gallon/ngày

HAAs

Haloacetic Acids

MF
N-NH4

Micro Filtration – Lọc tinh
+

Nitơ Ammonia

N-NO2-

Nitơ Nitrite

N-NO3-

Nitơ Nitrate

NOM

Natural Organic Matter – Chất hữu cơ tự nhiên

PA

Polyamide

Qp

Lưu lượng dòng thấm

Qf

Lưu lượng dòng vào

Qc

Lưu lượng dòng đậm đặc

RO

Reversed Osmosis – Màng thẩm thấu ngược

Rc

Tỷ lệ tái sinh


x

SDI

Silk Density Index - Chỉ số mật độ

SS

Suspended Solid - Chất rắn lơ lửng

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TDS

Total dissolved solid - Tổng chất rắn hòa tan

THMs

Triholomethanes

TKN

Total Kjedahl Nitrogen - Tổng nitơ Kjedahl

TOC

Total organic carbon - Tổng carbon hữu cơ

TSS

Total suspended solid - Tổng chất rắn lơ lững

WEF

Water Environmental Federation – Quỹ bảo tồn môi trường nước

WWF

Wide World Federation - Qũy bảo tồn quốc tế về thiên nhiên


MỤC LỤC

Chương 1:
MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
1.1
Đặt vấn đề ..............................................................................................................1
1.2
Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................................2
1.3
Phạm vi nghiên cứu ...............................................................................................2
1.4
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ............................................2
Chương 2:
TỔNG QUAN...............................................................................................3
2.1
Tổng quan về công nghệ xử lý nước tái sử dụng...................................................3
2.2
Tổng quan về q trình than hoạt tính sinh học - BAC .........................................6
2.3
Tổng quan về công nghệ thẩm thấu ngược RO .....................................................9

2.4
Các cơng trình trên thế giới về tái sử dụng nước thải..........................................14
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................21
3.1.
Nội dung 1: Mơ hình BAC-BSF ..........................................................................21
3.1.1.
Mục tiêu: ......................................................................................................21
3.1.2.
Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................22
3.1.3.
Mơ hình và nguyên vật liệu: ........................................................................24
3.1.4
Phương pháp nghiên cứu .............................................................................29
3.2.
Nội dung 2 - Mơ hình lọc thẩm thấu ngược RO ..................................................31
3.2.1
Mục tiêu .......................................................................................................31
3.2.2
Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................31
3.2.3
Mơ hình và ngun vật liệu .........................................................................31
3.2.4
Phương pháp nghiên cứu .............................................................................35
3.3 Nội dung 3 - Sau khi có kết quả nghiên cứu, xác định cơng nghệ phù hợp với đối
tượng sử dụng dựa trên cơ sở yêu cầu về thành phần và chất lượng nước tái sử dụng và
đối tượng sử dụng nước. ..................................................................................................35
Chương 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN.............................................36
4.1.

Thí nghiệm trên mơ hình BAC-BSF....................................................................36
4.1.1
Nội dung 1a:.................................................................................................36
4.1.2
Nội dung 1b: Mơ hình đặt tại hồ lắng số (7), tải trọng thuỷ lực 1÷5m/h.....50
4.2.
Nội dung 2: Nghiên cứu trên mơ hình lọc thẩm thấu ngược RO.........................64
4.2.1 Nội dung 2a: Nghiên cứu với sự thay đổi chất lượng nước đầu vào và tỉ lệ tái
sinh.......................................................................................................................................64
4.2.1.1 Nội dung 2a1: Mơ hình đặt tại hồ hồn thiện số (10), Rc=10-20%. .............65
4.2.1.2 Nội dung 2a2: Mơ hình đặt tại hồ hồn thiện số (10), Rc=15÷40%. ............76
4.2.2 Nội dung 2b: Thí nghiệm đánh giá bẩn màng ...................................................87
4.3.
Nội dung 3: Đề xuất công nghệ xử lý ..................................................................94
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................102
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................104

PHỤ LỤC


CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU


-1-

Chương 1:
1.1

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề
Theo chỉ tiêu của Hội tài nguyên nước quốc tế, Việt Nam là một trong những

nước đã, đang và sẽ thiếu nước trong tương lai gần. Tình hình càng nghiêm trọng do
sự phân bố nước khơng đều theo thời gian. Trong 6-7 tháng mùa khơ, dịng chảy chỉ
đạt 15%÷30% tổng dịng chảy năm, nạn thiếu nước trở nên khá trầm trọng.
Đây cũng là một trong những vấn đề lớn có tính tồn cầu được đặt ra tại
Diễn đàn Nước quốc tế vừa được tổ chức tại Mehico, mà theo các chuyên gia của
Quỹ bảo tồn quốc tế về thiên nhiên - WWF, vẫn cịn q ít giải pháp cụ thể được
khẳng định và cam kết thực hiện.
Tuy nhiên, thiếu nước khơng chỉ là một khó khăn khách quan mà cịn do sử
dụng nguồn nước khơng hợp lý. Tài nguyên nước ngầm của Việt Nam khá dồi dào
với tổng trữ lượng có khả năng khai thác ước khoảng 60 tỷ m3 mỗi năm. Mới chỉ
5% trữ lượng này được khai thác, nhưng ở một số vùng, đặc biệt là tại thành phố Hà
Nội và đồng bằng sông Cửu Long, nước ngầm lại bị khai thác quá mức và không
đúng cách, dẫn đến sụt giảm mực nước ngầm, góp phần gây ra lún sụt đất, nhiễm
mặn và các dạng ô nhiễm khác.
“Lượng” đã vậy, chất lượng nước cũng đã đến lúc cần cảnh báo. Nước ở hạ
lưu các con sơng bị ơ nhiễm khá rõ rệt, cịn các hồ ao, kênh mương trong các khu đơ
thị thì đang trở thành các bể chứa nước thải. Hầu hết nước thải đô thị đều chưa được
xử lý trước khi xả ra mơi trường và cũng chỉ có 4.26% nước thải công nghiệp được
xử lý đảm bảo tiêu chuẩn môi trường.
Theo các chuyên gia Cục Quản lý Tài nguyên nước, trong những năm tới,
nếu không giải quyết được những thách thức lớn về quản lý nguồn nước, đa dạng
hóa đầu tư cho cơ sở hạ tầng ngành nước, tăng cường giám sát thực thi pháp luật về
môi trường và tăng cường sự tham gia của người dân vào công cuộc bảo vệ nguồn
tài nguyên thiết yếu này, thì nguy cơ thiếu nước và nước ô nhiễm tại nước ta sẽ trầm

-2-

trọng hơn bao giờ hết (Nguồn: Hội bảo vệ thiên nhiên và mơi trường Việt Nam,
tháng 5/2006).
Vì vậy, việc nghiên cứu các biện pháp tái sử dụng nước là rất cần thiết. Nước
thải sau xử lý có thể được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau, tuỳ theo nhu
cầu và mức độ xử lý. Có nhiều phương pháp xử lý nước tái sử dụng khác nhau như
lọc cát, lọc micro, lọc ultra, lọc nano, lọc thẩm thấu ngược RO, hấp phụ, RO –
Electrodialysic.
Đề tài này sẽ nghiên cứu ứng dụng q trình than hoạt tính sinh học và lọc
thẩm thấu ngược RO tái sử dụng nước thải sinh hoạt sau xử lý bậc hai và lọc cát.
1.2

Mục tiêu nghiên cứu
Xác định các thơng số thiết kế thích hợp cho q trình than hoạt tính sinh học

(BAC) và lọc thẩm thấu ngược RO tái sử dụng nước thải sinh hoạt sau xử lý bậc hai
cho các đối tượng sử dụng khác nhau.
1.3

Phạm vi nghiên cứu
-

Vùng nghiên cứu lựa chọn là TP.Hồ Chí Minh.

-

Đối tượng nghiên cứu là nước thải sinh hoạt từ trạm xử lý tập trung Bình

Hưng Hồ.

-

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:
o Xác định thời gian tiếp xúc (EBCT)/tải trọng thuỷ lực thích hợp cho
quá trình than hoạt tính sinh học (BAC).
o Xác định tỉ lệ tái sinh cho q trình RO.
o Đề xuất cơng nghệ khả thi cho các đối tượng sử dụng lại nước thải.

1.4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Hiện nay, các nghiên cứu về tái sử dụng nước ở Việt Nam cịn rất ít, chưa

đánh giá được khả năng và tính cấp bách của vấn đề. Bên cạnh đó, khái niệm tái sử
dụng nước vẫn cịn tương đối mới và chưa thật sự được nhận thức một cách đúng
đắn. Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải phục vụ trong tái sử dụng là cần thiết và
thật sự mới.


CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN


-3-

TỔNG QUAN

Chương 2:
2.1

Tổng quan về công nghệ xử lý nước tái sử dụng
Công nghệ tái sử dụng nước rất đa dạng và phụ thuộc vào nhu cầu, mục đích

tái sử dụng. Hình 2.2 thể hiện các cơng nghệ xử lý nước thải thông dụng và khả
năng tái sử dụng nước theo các hình thức khác nhau. Việc tăng chất lượng nước sau
xử lý sẽ kéo theo sự gia tăng chi phí.
Từ lâu, nhiều quốc gia trên thế giới đã tái sử dụng nước nước thải sau xử lý
cho các mục đích khác nhau như nước uống (Singapore, San Diago, v.v.), sử dụng
trong công nghiệp (tháp giải nhiệt, v.v.), nuôi trồng thuỷ sản và tưới tiêu trong nông
nghiệp (70% nước tưới tiêu trong nông nghiệp của Israel từ nước thải tái sử dụng)
và tái tạo cảnh quan, khôi phục hệ sinh thái. Các hình thức tái sử dụng được thể
hiện trong hình 2.1.
HÌNH THỨC TÁI SỬ DỤNG

Ứng dụng trong đơ thị

Nơng nghiệp

- Tưới công viên, tưới
đường, sân gôn

- Tưới rau, cây
ăn trái

- Cứu hoả
- Cơng trình xây dựng

- Tưới cây cơng
nghiệp, cây
lương thực

Công nghiệp
- Nước làm mát
- Nước công
nghệ
- Nước cấp nồi
hơi

Tái tạo cảnh quan
- Hồ bơi, công
viên nước
- Hồ phục vụ
cho mục đích
câu cá

Tái nạp tầng
nước ngầm
- Ngăn mặn
- Tái nạp nước
- Chống sụt lún

- Dội rửa toilet
- Nước giải nhiệt hệ
thống lạnh

- Nước vệ sinh
máy móc

Hình 2.1 - Các hình thức tái sử dụng

Ni trồng
thuỷ sản

Nước
uống


-4-

Hình 2.2 - Cơng nghệ xử lý nước thải tái sử dụng (Nguồn - Asano, Smith, and
Tchobanoglous, 1984; R. Tsuchihashi, 2005; Jimenez, 2005)
Cơ sở lựa chọn công nghệ tái sử dụng
Để lựa chọn công nghệ tái sử dụng phù hợp, căn cứ vào đối tượng sử dụng
nguồn nước trên.


-5-

Bảng 2.1 - Đối tượng sử dụng dựa trên chất lượng nước yêu cầu
STT

Chất lượng nước

Đối tượng sử dụng nước

yêu cầu
Tưới cây cơng viên

1

Thấp

Nước vệ sinh máy móc thiết bị
Nước làm mát công nghiệp
Nước phục vụ xây dựng (trộn bê
tông)

2

Trung bình

Dội rửa toilet
Tưới đường
Cứu hoả
Vui chơi giải trí, tái tạo cảnh quan

3

Cao

Tái nạp nước ngầm
Tắm giặt
Cấp nước thành phố

Đối với từng đối tượng, phải xác định chất lượng nước cần phải đạt được dựa
theo bảng 2.2.
Bảng 2.2 - Mức độ chất lượng nước yêu cầu (Nguồn – Tchobanoglous và
Burton, 1991; US.EPA, 1992; Asano và Levin, 1998; và James Crook,

Environmental Sciencence Associates, 2002)
Thơng số

Mức độ chất lượng nước

Đơn vị
Thấp

Trung Bình

Cao

mg/l

<30

<10

<1

MPN/100ml

200

KPH

KPH

Độ đục

FAU

-

<2

-

TSS

mg/l

<30

-

-

Cl2 dư

mg/l

1

1

-

BOD5
Coliform

-6-

-

6÷9

6÷9

6÷9

TOC

mg/l

-

-

<10

Nitrate

mg/l

-

-

0.1

Nitrite

mg/l

-

-

0.5

pH

2.2

Tổng quan về q trình than hoạt tính sinh học - BAC
Hấp phụ than hoạt tính là một giải pháp rất hữu hiệu trong việc loại bỏ các

chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và nước thải. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả cao
thì chi phí cho than và tái sinh than lớn. Than hoạt tính sinh học là một công nghệ
phù hợp trong xử lý nước thải tái sử dụng.
BAC thường được sử dụng trong xử lý nước cấp và nước thải bậc cao sử
dụng than hoạt tính dạng hạt trong đó q trình hấp phụ và phân huỷ sinh học xảy ra
đồng thời. BAC được sử dụng để loại bỏ các hợp chất carbon hữu cơ hoà tan DOC,
bao gồm mùi, màu, các sản phẩm phụ của hố chất khử trùng, thuốc trừ sâu, v.v.
2.2.1 Vai trị của màng sinh học trong BAC
Các hoạt động sinh hoá trong than hoạt tính sinh học BAC đóng vai trị chính
trong việc phân huỷ các chất ơ nhiễm. Chất ơ nhiễm trong nước thải sẽ được hấp
phụ trên bề mặt của lớp màng sinh học và bị phân huỷ bởi quần thể vi sinh có trong

màng.
Cấu trúc cơ bản của BAC bao gồm có hạt than hoạt tính được bao bọc bởi
lớp màng vi sinh, nước thải chảy qua tiếp xúc với lớp màng vi sinh sẽ được xử lý.
Sự phát triển của sinh khối trên bề mặt hạt than làm tăng khả năng xử lý chất hữu cơ
và nitrate của nó do có chức năng kép là phân huỷ sinh học và hấp phụ.
Hiệu suất của quá trình than hoạt tính sinh học hồn tồn phụ thuộc vào khả
năng phân huỷ sinh học của nó. Khi sinh khối gia tăng, hiệu quả khử chất hữu cơ
cũng tăng theo trong giai đoạn đầu và sau đó sẽ giảm do sự suy giảm bề mặt riêng,
tổn thất áp tăng do sinh khối tăng. Lúc này, quá trình rửa ngược là cần thiết để loại


-7-

bỏ đi sinh khối cũ bị bong ra, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trưởng sinh khối
mới.
Hiệu quả xử lý sinh học của than hoạt tính sinh học lớn hơn so với lọc sinh
học giá thể cát và anthraxit do khả năng giữ được một lượng vi sinh dính bám lớn
hơn. Ba yếu tố cơ bản quyết định đến sự khác biệt này:
- Độ xốp, diện tích bề mặt và bề mặt nhám: đường kính trung bình của
một t bo vi khun t 0.3ữ10àm.
- Kh nng hp ph: giúp
o Tập trung cơ chất, bao gồm các cơ chất như dinh dưỡng, oxy trên bề
mặt của hạt than. Sự tập trung này sẽ đẩy nhanh tốc độ khử màu và
cho phép quá trình phân huỷ được xảy ra ngay cả khi nồng độ các cơ
chất này không đủ cho quá trình phát triển của vi sinh.
o Kéo dài thời gian tương tác giửa màng vi sinh và các cơ chất hữu cơ.
o Làm giảm nồng độ các chất độc hại có khả năng gây ảnh hưởng đến
màng vi sinh.
- Điện thế bề mặt của hạt than
Sự hiện diện của các nhóm chức khác nhau có trên bề mặt của hạt than sẽ

cho thấy sự phát triển của vi sinh dính bám trên bề mặt của hạt than. Khả năng tăng
cường hoạt động của vi sinh làm cho GAC có những ưu điểm như sau so với giá thể
cát và anthraxit:
o Cho hiệu quả xử lý các chất hữu cơ phân huỷ sinh học cao hơn, thời
gian hiệu suất ổn định được kéo dài dài hơn.
o Giảm bớt thời gian thích nghi. Đây chính là yếu tố ảnh hưởng chính
trong q trình khởi động và sau khi rửa ngược.
o Thích nghi nhanh hơn đối với sự thay đổi của chất lượng nước đầu
vào như nồng độ các chất hữu cơ phân huỷ sinh học, các chất hữu cơ
độc hại cũng như nhiệt độ môi trường. Những ưu điểm này sẽ thể
hiện rõ hơn trong thời tiết lạnh.


-8-

o Cuối cùng, khả năng hấp phụ vật lý của GAC sẽ làm tăng ưu điểm
của quá trình than hoạt tính sinh học so với các q trình sinh học
thơng thường.
2.2.2 Lựa chọn GAC cho BAC
Những yếu tố cần xem xét khi lựa chọn than hoạt tính sử dụng trong BAC là:
- Tính phù hợp với vi sinh.
- Dung lượng hấp phụ.
- Đặc tính vật lý như khối lượng riêng, khả năng chống bào mòn, độ cứng và
ảnh hưởng của nó đến khả năng tái sinh.
Tính phù hợp với vi sinh - Do có cấu trúc lỗ xốp lớn, khả năng hấp phụ và
đặc tính hố học của bề mặt, hầu hết các loại than hoạt tính dạng hạt trên thị trường
đều phù hợp trong việc sử dụng cho sự phát triển của vi sinh dính bám. Dưới cùng
điều kiện vận hành, hiệu suất xử lý sinh học đối với các chất hữu cơ hoà tan là
tương tự nhau khi sử dụng các loại than hoạt tính được sản xuất từ than đá, than non
và gỗ.

Dung lượng hấp phụ - Tổng dung lượng hấp phụ được thể hiện qua chỉ số
iodine và khả năng loại bỏ các chất dạng vết là rất quan trọng đối với:
o Quá trình khởi động, sau khi rửa ngược và khả năng đáp ứng đối với sự thay
đổi của các thành phần môi trường (trong các giai đoạn này, khả năng hấp phụ
của than hoạt tính sẽ giúp duy trì hiệu quả q trình cho tới khi khả năng xử lý
sinh học được phụ hồi).
o Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ không hoặc ít có khả năng bị phân huỷ sinh
học (các hợp chất gây mùi, vị; các chất ô nhiễm vi lượng như các chất hữu cơ
tổng hợp, hoá chất bảo vệ thực vật, v.v.)
o Khả năng tăng cường loại bỏ các chất hữu cơ tự nhiên.
Đặc tính vật lý:
Các yếu tố cần quan tâm thêm khi lựa chọn than hoạt tính là khối lượng riêng
biểu kiến (AD), độ cứng, khả năng chống bào mịn, tương tác hố học, độ tro và


-9-

thành phần tro. Khối lượng riêng biểu kiến quyết định đến hiệu quả của quá trình
rửa ngược, giá trị này càng lớn, tốc độ rửa ngược càng cao.
2.3

Tổng quan về công nghệ thẩm thấu ngược RO

2.3.1. Một số đặc điểm màng thẩm thấu ngược RO
RO là quá trình ứng dụng màng bán thấm. Màng có cấu tạo gồm lớp đỡ dày
khoảng 50µm và lớp màng dày 0.2 µm (Saehan RO – Hàn Quốc). RO có các đặc
điểm chung sau:
o Các hợp chất vơ cơ hồ tan dễ bị loại bỏ hơn bởi màng RO so với các chất
hữu cơ. Hợp chất hữu cơ với khối lượng phân tử lớn hơn 100 cũng có thể bị
loại bỏ tốt bởi màng RO.

o Các chất hồ tan có thể bị ion hố có khả năng bị loại bỏ tốt hơn so với các
chất khơng bị ion hố.
o Các chất bị ion hố có điện thế lớn hơn có khả năng bị loại bỏ tốt hơn các
chất có điện thế thấp. Ví dụ, ion Al3+ bị loại bỏ tốt hơn so với Mg2+, còn ion
này bị cũng bị loại bỏ tốt hơn so với Na+.
o Khả năng bị khử của các ion vô cơ tuỳ thuộc vào kích thước của ion này và
kích thước của ion bị hydrate hố, ion nào lớn hơn thì khả năng bị loại bỏ tốt
hơn.
o Các hợp chất không có khả năng ion hố có kích thước càng lớn (phân tử
lượng càng lớn) thì khả năng bị khử càng tốt.
o Các chất khí có phân tử lượng nhỏ hơn 100 có thể dễ dàng thấm qua màng.
Ví dụ: khả năng bị loại bỏ của ammonia, chlorine, CO2, và H2S thấp.
o Khả năng loại bỏ axit yếu thấp và phụ thuộc vào phân tử lượng. Khả năng bị
loại bỏ của các loại axit sau giảm theo thứ tự: axit citric, axit tartaric và axit
acetic vì phân tử lượng giảm.


- 10 -

2.3.2 Quá trình truyền khối xảy ra trong màng:
Dịng chất lỏng và muối qua màng có thể biểu diễn bằng phương trình sau:
Theo định luật Fick và Henry:
Đối với dòng nước sạch:
Qp = K *(∆P − ∆Π )
S
*(∆P − ∆Π )
e

Q p = Kp * K t *

(2.1)
(2.2)

Đối với dòng muối:
Qs = K * (C f − C p )
Qs = Ks* Kt *

S
*(C f − C p )
e

(2.3)
(2.4)

Trong đó : Qs - dịng muối qua màng.
Ks - hệ số thấm của màng đối với muối.
S - diện tích bề mặt màng.
Kt - hệ số nhiệt độ.
E - chiều dày màng.
(C f − C p ) - chênh lệch hàm lượng muối qua màng.

Khi nước qua màng, phân tử và ion tích tụ trên mặt màng làm hàm lượng
muối tăng, đồng thời áp suất thẩm thấu tăng và năng lượng để khắc phục áp suất
thẩm thấu cũng tăng và có thể gây ra sự kết tủa do nồng độ quá bão hòa. Hiện tượng
này gọi là sự phân cực nồng độ, được xác định bằng hệ sốψ .
ψ=

Cm
Cf

(2.5)

Trong đó : Cm - nồng độ muối của dung dịch lớp biên tiếp xúc với màng.
Cf - nồng độ muối của dịng vào.
Để giảm thiểu hiện tượng này, duy trì dịng chảy ngang, song song bề mặt
màng, khi đó độ dày lớp biên giảm đi và tạo điều kiện dễ dàng cho khuếch tán
ngược. Khi sử dụng dòng chảy ngang, hệ số ψ = 1.0 − 1.4