Đồng phân hủy xử lý chất thải rắn hữu cơ có thể phân hủy sinh học và nước thải sinh hoạt sử dụng công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR)
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
ĐỒNG PHÂN HỦY XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ
CÓ THỂ PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC SINH HỌC KỴ KHÍ (AnMBR)
Bùi Hồng Hà*, Nguyễn Tấn Thông, Trần Minh Sơn, Thái Huỳnh Chân Phương,
Lê Văn Tân, Hà Minh Anh, Võ Thanh Hằng, Nguyễn Phước Dân
Tóm tắt: Nghiên cứu này đánh giá khả năng đồng phân hủy kỵ khí chất thải
rắn hữu cơ có thể phân hủy sinh học và nước thải sinh hoạt bằng một mô hình
lọc màng sinh học kỵ khí (AnMBR) quy mô phòng thí nghiệm bao gồm một bể
xáo trộn hoàn toàn và một bể màng UF. Thí nghiệm được dựa trên sự phát thải
của nước thải sinh hoạt (150 lít/người /ngày) và chất thải rắn hữu cơ (0,72
kg/người/ngày). Chất thải rắn hữu cơ được lấy từ rác thải nhà bếp có TVS 212 ±
12 g/kg ướt, và TKN 2,6 ± 0.1 g/kg ướt; nước thải sinh hoạt được lấy từ căn hộ
có thành phần điển hình là COD 522 ± 66 mg/L, TSS 856 ± 122 mg/L, TKN 73,6
± 8,8 mg/L. Hiệu suất xử lý COD đạt 54% và 82% tương ứng với thời gian lưu
thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. Sản lượng khí sinh học cao hơn 3,38 L/ngày tại thời
gian lưu thủy lục 36 giờ ứng với 0,18 m3/kgCOD xử lý; 1,85 L/ngày tại thời gian
lưu thủy lực 24 giờ ứng với 0,12 m3/kgCOD xử lý.
Từ khóa: Màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR); Đồng phân hủy kỵ khí; Chất thải rắn hữu cơ; Nước thải sinh
hoạt; Sản lượng khí sinh học.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Từ năm 2013 đến nay, các công nghệ xử lý nước thải mới đều tập trung vào thu
hồi năng lượng và tái sử dụng nguồn nước. Màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR)
được coi là một sự lựa chọn hấp dẫn trong việc xử lý nước thải vì lợi thế vượt trội
so với phương pháp xử lý kỵ khí thông thường và màng lọc sinh học hiếu khí [1].
Việc lọc màng đã được chứng mình là một công nghệ đầy hứa hẹn, nước thải đô
thị được cô đặc để tăng hiệu suất sinh khí sinh học. Hơn nữa, chất lượng của dòng
thấm có thể được tái sử dụng hoặc thải ra một cách an toàn. Màng lọc có thể loại
bỏ 91,1% COD [2]. Tùy thuộc vào đặc điểm của nước thải, các loại nước thải khác
nhau mà hàm lượng COD sẽ có các giới hạn khác nhau. Hiệu quả xử lý COD cũng
dao động từ 76% - 99% [3].
Raijinikanth Rajagopal và các cộng sự đã tiến hành một nghiên cứu, mục tiêu
của nghiên cứu này là đánh giá tính khả thi của việc đồng phân hủy nước thải đen
và chất thải thực phẩm. Nước thải đen và nước thải xám được phân loại từ nguồn
thải, chủ yếu để tạo điều kiện cho việc thu gom và xử lý tiếp theo, thu hồi và tái sử
dụng tài nguyên. Một loạt các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, đồng phân hủy nước
thải và chất thải thực phẩm cho thấy lượng khí mê-tan cao (0,54 – 0,9 lCH4/gVS),
cao hơn nước thải hoặc chất thải nhà bếp được phân hủy riêng lẻ. Việc đồng phân
hủy kỵ khí được tiến hành trong các mô hình quy mô phòng thí nghiệm, được liên
tục cung cấp cơ chất [4].
Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu vềphân hủy nước thải với chất thải rắn
hữu cơ. Nghiên cứu của Nguyễn Công Vũ (2015) sử dụng một bể phân hủy kỵ khí
để đồng phân hủy chất thải nhà bếp kết hợp với nước thải cô đặc. Kết quả cho thấy
công suất sinh khí sinh học trung bình là 0,66 ± 0,2 m3/kgVS, hiệu quả loại bỏ
COD 65 ± 10%, VS 78 ± 5% [5]. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Tuyết (2015) về nước
thải sinh hoạt và chất thải gia đình cũng cho thấy hiệu quả xử lý COD cao (79%)
212
B. H. Hà, N. T. Thông, …, “Đồng phân hủy xử lý… lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
và VS (85%), năng suất khí sinh học là 0,70 ± 0,15 m3/kgVS [6]. Một nghiên cứu
khác của Trần Văn Cương (2015) sử dụng màng UF cô đặc nước thải cho thấy chất
lượng nước đầu ra đáp ứng với lượng xả và 90% nồng độ bùn. Đây là một tiềm
năng lớn cho việc sản xuất khí sinh học [7].
Các nhà nghiên cứu trong nước và nước ngoài đã nghiên cứu về công nghệ
AnMBR và đồng phân hủy, nhưng chưa có nghiên cứu về công nghệ đồng phân
hủy sử dụng màng lọc sinh học kỵ khí để xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước
thải sinh hoạt. Bài báo này đã khảo sát công nghệ đồng phân hủy bằng màng lọc
sinh học kỵ khí đối với việc xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt.
Sau đó, đánh giá hiệu quả xử lý COD, khả năng sản xuất khí sinh học và một số
chỉ tiêu khác.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu
2.1.1.Mô hình màng lọc sinh học kỵ khí, gồm
Một bể kỵ khí được làm bằng vật liệu Polyethersulfone, có đường kính 20cm
và chiều cao 40cm, tương ứng với thể tích làm việc là 10 lít.
Một bể kỵ khí chứa màng UF được làm bằng vật liệu Polyethersulfone có kích
thước dài x rộng x cao là 20cm x 20cm x 40cm với dung tích 10 lít.
Hình 1. Mô hình thí nghiệm màng lọc sinh học kỵ khí.
2.1.2.Nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ
Bảng 1. Tính chất nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ đầu vào.
Nước thải sinh hoạt
Chất thải rắn hữu cơ
STT
Chỉ tiêu
pH
COD
TKN
N-NH4
TP
Đơn vị
Giá trị (n=10)
6,1 ± 0,5
Đơn vị
Giá trị (n=8)
-
1
2
3
4
5
6
7
-
-
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
522 ± 66
73,6 ±8,8
15 ± 2,3
3,8 ± 0,9
856 ± 122
433 ± 139
-
-
g/kg ướt
g/kg ướt
g/kg ướt
g/kg ướt
g/kg ướt
2,6 ± 0,1
0,24 ± 0,04
1,2 ± 0,2
230 ± 13
212 ± 12
TS
VS
213
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017
Hóa học & Kỹ thuậật mmôi trường
2.1.3.
Ch
nước t
sinh ho
kỵ khí bằng bơmm định llư
M
M
ô hình thí nghiệm
t thải r n hữu cơ
ải sinh oạt theoo tỉ lệ 0,72 kkg chất t
t [9]. Hỗn hợp cchấ
m
ơ
ấ
ấ
ắ
h
ắ
s
s
au khi
đ
ược xa
y
h
y
nhuyễn sẽ được
ải rắn hữu cơ [8]
p
hối trộnn c
ới 150 llít
ạt đượcc c
ủa phao
xáo trộộn
ng bể kỵ kkhí chứa màng. TTại đây qu
n ra và dò g thấm được húút r khỏi b
với thời ggian hoạ động 088 p út, ngh
m soát thông qua ồng hồ áp suấ
chuyển màng. Để đảm bbảo nồng độ bùn tại 2 bể tương đương hau, mộột ơm địn
UF quaay về bể k
màng UF sẽ được nội tuầnn h àn bằn
hổi vào module màng. Khí sinh họ sinh raa t 2 bể s
cân bằng áp tr ớc khi dẫn khí sin học quaa t iết bị đ
h
h
ung vớ
ước thả
p vào b
c nước
ều bằn
ii
ii
ểể
..
h
n
n
ạ
ạ
tt
thải rắnn hữu cơ và nước thải sinh h
ng thôngg qua tí hiệu điều khiển
hất thải ban đầ và bùn kỵ khí đượ
uấy. Hỗn hợp saau đó sẽ tựự chảy s
ân huỷ kỵ khí đưượ tiếp tiếp tục di
àng lọc UF thông ua bơm nhu độn
. Quá trình hút củ màng được ki
ấ
ấ
ợợ
nn
mựự
Trong
máy k
b
h
b
ể kỵ khí, hỗn hợợp
cc
uu
đđ
gg
a
a
áá
ểể
ỉỉ
tt
hh
ỵỵ
gg
ẽẽ
trình p
bằng
02 phú
h
cc
ễ
n
a
a
m
m
g
qq
g
h
h
tt
aa
ể
đ
o
o
bb
lượng
khí. K
máy th
s
s
ẽ hoạt động liên tụ
í sinh h c sinh raa t
i khí chân khônng
được dẫn ra ng ài qua bbìn
g khí (hộp lật).
cc
để hút bùn từ
bb
ể kỵ khí chhứa màn
h
h
ọ
ừừ
bể kỵ hí chứ
k
aa
o
o
ổổ
t
t
ừ
ừ
o
hh
ưư
hh
oo
lưu lượ
nn
Lưuu
lượng dòng thấấm được đo bằng th
i
i
ết bị đo lưu lượng ước (hộộp l
n
n
ậật nước),,
lưu lượ
n
n
g khí sinh ra đượợc đo bằng thiết bị
đo lưu lượng khí (hộộp lật khíí).
Môô
hình thí nghiệmm đ
ư
ư
ợc mô tả trong
h
h
ình 2:
Hìnhh 2. Sơ đồ công ngh
ệệ
mô hình thí nghiệmm.
2.1.4. Thông số vận hànnh
Bảng
Ký
ống AnMBR
22. Thông sốố vận hànnh hệ thốn .
Thông số
h
iệu
Đơn vị
Giiá
7,0
5,2
19,2
92
t
t
rị
,2
3,5
14,4
69
pH
p
H
J
-
l/m2.h
l/nngày
gướt//ngày
h
±
0
0
Thông lượng màng
Lưu l
Khối l
Thời
Nhiệt
ư
ư
ợng nước thải
ợng chất thải rắn
ian lưu thủy lực
ộ phòng
QN
Q
ư
ư
n
h
h
ữu cơ
QQR
H
g
đ
RR
T
24
36
t
ooC
28 - 35
2
28 – 35
214
h A
B. H. Hà, N. T.. Thông, …, “Đồng phân hủy xử lý… lọc sinhh học kỵ khhí (AnMBR).””
Nghiên cứu khoa học công nghệ
2.1.5.Các thông số phân tích
Các thông số phân tích được thực hiện theo quy trình phân tích của tài liệu
Standard Method for Water and Wastewater. Các thông số: pH, COD, TS, TVS và
+
lưu lượng khí sinh học được phân tích 2 ngày/lần; các thông số: TP, TKN, NH4
được phân tích 4 ngày/lần. Các mẫu phân tích được lấy vào buổi sáng, sau khi
kiểm tra hệ thống hoạt động bình thường.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. pH
Biến thiên giá trị pH được thể hiện trong hình 3. Giá trị pH đầu vào trung bình
là 6,4. Với thời gian lưu nước 24 giờ, giá trị pH đầu ra trung bình là 7,7. Với thời
gian lưu nước là 36 giờ, giá trị pH đầu ra trung bình là 7,9.
Giá trị pH bị ảnh hưởng bởi lượng chất thải rắn hữu cơ. pH là một tham số
quan trọng ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và phát triển của vi khuẩn Mê-tan, việc
sản sinh khí Mê-tan bị ức chế trong môi trường axit.
Hình 3. Sự biến thiên pH với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ.
3.2. TS đầu vào và TVS đầu vào
Do các mẫu nước thải sinh hoạt, chất thải rắn hữu cơ được lấy vào các thời
điểm khác nhau, dẫn đến có sự chênh lệch về nồng độ đầu vào của mô hình thí
nghiệm. Sự chênh lệch TS và TVS được thể hiện như sau:
3.2.1. TS đầu vào
HRT = 36 giờ
HRT = 24
Hình 4. TSvào với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ.
215
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
Giá trị TSvào có giá trị trung bình là 1.678 mg/l ( từ 1.584 mg/l đến 1.759 mg/l).
Sự chênh lệch giá trị TSvào giữa các mẫu được thể hiện trong hình 4.
3.2.2.TVS đầu vào
Giá trị TVSvào trung bình là 1.156 mg/l (từ 1.024 mg/l đến 1.252 mg/l). Sự
chênh lệch giá trị TVSvàogiữa các mẫu được thể hiện trong hình 5.
Hình 5. TVSvào với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ.
3.3. Biến thiên COD
Sự biến thiên COD được thể hiện trong hình 6. Giá trị COD đầu vào trung bình
là 1382 mg/l.Với thời gian lưu nước là 24 giờ, COD đầu ra có giá trị trung bình là
637 mg/l, hiệu suất xử lý COD trung bình là 54%. Với thời gian lưu thủy lựclà 36
giờ, COD đầu ra có giá trị trung bình là 253 mg/l, hiệu suất xử lý COD trung bình
là 82%.
Hình 6. Hiệu quả xử lý COD với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ.
3.4. Biến thiênTổng ni-tơ Kjeldahl (TKN)
Hình 7. Hiệu quả xử lý TKN với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ.
216
B. H. Hà, N. T. Thông, …, “Đồng phân hủy xử lý… lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Sự biến thiên tổng nitơ Kjeldahl (TKN) được thể hiện trong hình 7. Tổng nitơ
Kjeldahl đầu vào trung bình là 119,4 mg/l.
Với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ, TKN sau khi thí nghiệm là 82,5 mg/l.
Hiệu suất xử lý trung bình là 32%. Với thời gian lưu thủy lưc là 36 giờ, TKN sau
khi thí nghiệm là 74,86 mg/l. Hiệu suất xử lý trung bình là 37%.
+
3.5. Biến thiên amoni(NH4 )
Sự biến thiên Amoni được thể hiện trong hình 8. Giá trị amoni đầu vào trung
bình là 14,6 mg/l. Với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ, giá trị amoni đầu ra trung
bình 55,1 mg/l. Giá trị amoni đầu ra tăng trung bình -256%.
Với thời gian lưu thủy lực là 36 giờ, amoni đầu ra có giá trị trung bình 61,9
mg/l. Giá trị amoni đầu ra tăng trung bình -384%.
Trong quá trình phân tích nước thải hỗn hợp và các chất thải rắn hữu cơ, nitơ
trong chất thải không tồn tại ở dạng amoni, nhưng nitơ tồn tại ở dạng khác trong
thịt, cá, rau quả ... và các chất khác trong chất thải rắn hữu cơ. Quá trình axit hóa
trong phản ứng kỵ khí tạo ra amoni, dẫn đến giá trị amoni đầu ra cao hơn đầu vào
HRT = 36 giờ
HRT = 24 giờ
+
Hình 8. Sự biến thiên Amoni (NH4 ) với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ.
3.6. Biến thiên tổng phốt-pho (TP)
HRT = 36 giờ
HRT = 24 giờ
Hình 9. Sự biến thiên tổng phốt-pho với thời gian lưu thủy lực là 24giờ và 36 giờ.
217
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
Sự biến thiên tổng phốt-pho (TP) được thể hiện trong hình 9. Giá trị TP đầu
vào trung bình là 5,7 mg/l. Với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ, TP đầu ra có giá trị
trung bình 3,4 mg/l, hiệu suất xử lý tổng phốt-pho trung bình là 39%. Với thời gian
lưu thủy lực là 36 giờ, TP đầu ra có giả trị trung bình là 2,8 mg/l, hiệu suất xử lý
tổng phốt-pho trung bình là 51%.
3.7. Sản lượng khí sinh học
Sản lượng khí sinh học được thể hiện trong hình 10. Sản lượng khí sinh
họcsinh ra là 3,38 lít/ngày tại thời gian lưu thủy lực là 36 giờ, tương ứng với 0,18
m3/kgCOD xử lý, sản lượng khí sinh học là 1,85 lít/ngày tại thời gian lưu thủy lực
là 24 giờ, tương ứng với 0,12 m3/kgCOD.
Hình 10. Sản lượng khí sinh học.
4. KẾT LUẬN
Màng UF được vận hành với thông lượng lọc là 5,2 L/m2/h and 3,5 L/m2/h
tương ứng với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. Hiệu suất xử lý COD
đạt 54% và 82% tương ứng với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. Sản
lượng khí sinh học cao hơn 3,38 L/ngày tại thời gian lưu thủy lục 36 giờ ứng
với 0,18 m3/kgCOD xử lý; 1,85 L/ngày tại thời gian lưu thủy lực 24 giờ ứng với
0,12 m3/kgCOD xử lý. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ màng lọc sinh học kỵ
khí (AnMBR) đem lại hiệu quả cao trong xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước
thải sinh hoạt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Sheng Chang, Anaerobic Membrane Bioreactors (AnMBR) for Wastewater
Treatment, Advances in Chemical Engineering and Science, 2014
[2]. Mezohegyi, G. Bilad, M.R., and Vankelecom, I.F.J, Direct sewage up-
concentration by submerged aerated and vibrated membranes, Bioresources
Technology, 1-7, 2012
[3]. George Skouteris, Daphne Hermosilla, Patricio López, Carlos Negro, Ángeles
Blanco, Anaerobic membrane bioreactors for wastewater treatment:A review.
Chemical Engineering Journal, 198 - 199, 138 – 148, 2013
[4]. Raijinikanth Rajagopal, Jun Wei Lim, Yu Mao, Chia-Lung Chen, Jing-Yuan
Wang, Anaerobic co-digestion of source segregated brown water (feces-
218
B. H. Hà, N. T. Thông, …, “Đồng phân hủy xử lý… lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
without-urine) and food waste: For Singapore context, Science of The Total
Enviroment, 2013
[5]. Nguyen Cong Vu, Do Tan An, Nguyen Ngoc Thuy Quynh, Bui Xuan Thanh,
Nguyen Phuoc Dan, HeleeDe Wever, Ludo Diels. Household-scale application
of SEWER PLUS technology for energy production using co-digestion of
organic solid waste and concentrate from ultrafiltration process.
[6]. Nguyen Thi Tuyet, Application of technology to concentrate domestic
wastewater by UF membrane in combination with the biodegradation of
domestic waste of laboratory scale waste, 2015
[7]. Tran Van Cuong, Evaluate the recovery of organic matter from waste water by
UF membrane with a dirty control regime by continuous backwash, Master
thesis (2013 – 2015)
[8]. Bộ Tài nguyên và môi trường (2011). Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011
– Chất thải rắn.
[9]. Quyết định (2013). Quyết định phê duyệt quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế
- xã hội thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2025. Số:
2631/QĐ-TTg.
ABSTRACT
CO-ANAEROBIC TREAMENT OF URBAN BIODEGRADABLE ORGANIC
WASTE AND SEWAGE USING ANAEROBIC MEMBRANE BIOREACTOR
This study aimed to evaluate possibility of anaerobic co-treatment of
biodegradable solid waste and domestic wastewater by a lab-scale
anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) consisting of a complete mixing
tank followed by UF membrane tank. The experiment was based on emission
factors of domestic wastewater (150 L/capita/day) and organic solid waste
(0.72 kg/capita/day). Organic waste collected from kitchen waste contained
COD 127 ± 20 g/kg w.w, TVS 212 ± 12 g/kg w.w, and TKN 2.6 ± 0.1 g/kg
w.w, whereas domestic wastewater which was taken from an apartment had
typical composition of COD 522 ± 66 mg/L, TSS 856 ± 122 mg/L, TKN 73.6
± 8.8 mg/L. The COD removal rates were 54% and 82%, respectively. The
biogas production was higher of about 3.38 L/day at 36 hours corresponding
to 0.18 m3/kgCOD removed, while biogas production was about 1.85 L/day
at 24 hours corresponding to 0.12 m3/kgCOD removed.
Keywords: Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR), Anaerobic co-digestion, Organic waste, Domestic
wastewater, Biogas production.
Nhận bài ngày 18 tháng 8 năm 2017
Hoàn thiện ngày 06 tháng 9 năm 2017
Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 9 năm 2017
Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường (ITE)/ Viện KH-CNQS.
* Email: [email protected].
219
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017
8 trang
13/01/2024
11600
Free
Bạn đang xem tài liệu "Đồng phân hủy xử lý chất thải rắn hữu cơ có thể phân hủy sinh học và nước thải sinh hoạt sử dụng công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- dong_phan_huy_xu_ly_chat_thai_ran_huu_co_co_the_phan_huy_sin.pdf
