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

Hóa học & Kỹ thuật môi trường B. H. Hà, N. T. Thông, , “Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).” 212 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%) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 213 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. STT Chỉ tiêu Nước thải sinh hoạt Chất thải rắn hữu cơ Đơn vị Giá trị (n=10) Đơn vị Giá trị (n=8) 1 pH - 6,1 ± 0,5 - - 2 COD mg/l 522 ± 66 - - 3 TKN mg/l 73,6 ±8,8 g/kg ướt 2,6 ± 0,1 4 N-NH4 mg/l 15 ± 2,3 g/kg ướt 0,24 ± 0,04 5 TP mg/l 3,8 ± 0,9 g/kg ướt 1,2 ± 0,2 6 TS mg/l 856 ± 122 g/kg ướt 230 ± 13 7 VS mg/l 433 ± 139 g/kg ướt 212 ± 12 214 2.1.3. nư sinh ho kỵ khí bằng bơm định lượng thông qua tín hiệu điều khiển của phao mực nước Trong bể kỵ khí máy khu trình phân hu bằng 02 phút. Quá trình hút c chuyển màng lượng sẽ hoạt động liên tục để hút bùn từ bể kỵ khí chứa màng UF quay về bể kỵ khí máy th đư lưu lư lưu lư 2.1.4. pH Thông lư Lưu lư Kh Th Nhi Ch ớc thải sinh hoạt theo tỉ lệ 0,72 kg . Khí sinh học sinh ra từ bể kỵ khí chứa màng UF sẽ được nội tuần hoàn bằng ợc dẫn ra ngo Lưu lư Mô hình thí nghi ối l ời gian l ệt độ ph Mô hình thí nghi ất thải rắn hữu c ạ màng l ổi khí chân không thổi v ợng khí (hộp lật). ợng khí sinh ra đ ư t [9 ấy Thông s ợng m ợng n ợng chất Hình A B. H. Hà, N. T. Thông, ]. H . H ọc UF thông qua b ợng d ưu th òng ỗn hợp chất thải rắn hữu c ỗn hợp sau đó sẽ tự chảy sang bể kỵ khí chứa m ỷ kỵ khí đ . Để ố Thông s ước thải , hỗn hợp chất thải ban đầu và bùn kỵ đảm bảo nồng độ bùn tại ài qua bình cân b òng th vậ àng th ủy lực 7: ệm đ Hình 2. n hành ải rắn Mô ệm ơ sau khi đư ư ấm đ ược ố ợc tiếp tiếp tục diễn ra v ủa m ư h ược đo bằng thiết bị đo l đo b ợc mô tả trong Sơ đ ữu c ơm nhu đ àng đư à ằng thiết bị đo l ồ công nghệ mô h ơ , “ o module màng. Khí sinh h ằng áp tr Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR) ợc xay nhuyễn sẽ đ ch ợc kiểm soát thông qua đồng hồ đo áp suất B ất ảng Ký hi th ơ và nư ộng với thời gian hoạt động 08 phút, nghỉ ư h 2 pH J Q Q HRT t ải 2 bể tương đương nhau ớc khi ình 2: . Thông s ệu N R rắn ưu lư h ớc thải sinh ho à dòng th d ình thí nghi g ữu c ẫn khí sinh học qua thiết bị đo ưu lư ợng khí (hộp lật khí). ố vận h Đơn v l/m l/ngày ướt/ngày o Hóa h ơ khí được xáo - 2.h h C ược phối trộn chung với [8 ấm đ ợng n ị ọc & Kỹ thuật môi tr ] v ọc sinh ra từ 2 bể sẽ ệm. ành h ới 150 lít n ạt àng. T ược hút ra khỏi ước (hộp lật n 5,2 19,2 28 được cấp vào bể , ệ thống AnMBR. 7,0 ± 0,2 92 24 - 35 trộn đều bằng một bơm định Giá tr ại đây 28 ước thải ị 3,5 14,4 69 36 ường quá ước), – 35 .” . bể Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 215 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 Hình 4. TSvào với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. HRT = 24 HRT = 36 giờ Hóa học & Kỹ thuật môi trường B. H. Hà, N. T. Thông, , “Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).” 216 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 217 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 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) Hình 9. Sự biến thiên tổng phốt-pho với thời gian lưu thủy lực là 24giờ và 36 giờ. -1000 % -800 % -600 % -400 % -200 % % 200 % 0 10 20 30 40 50 60 70 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 65 69 73 77 81 85 89 93 97 10 1 10 5 10 9 11 3 11 7 12 1 H iệ u q u ả xử l ý N H 4+ ( % ) N H 4+ ( m g/ l) Thời gian (ngày) NH4+ in NH4+ out NH4+ removal efficiency % 20% 40% 60% 80% 100% 1 2 3 4 5 6 7 8 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 65 69 73 77 81 85 89 93 97 10 1 10 5 10 9 11 3 11 7 12 1 H iệ u s u ất x ử l ý T P ( % ) T P ( m g/ l) Thời gian (ngày) TP in TP out TP removal efficiency HRT = 36 giờ HRT = 24 giờ HRT = 24 giờ HRT = 36 giờ Hóa học & Kỹ thuật môi trường B. H. Hà, N. T. Thông, , “Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).” 218 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- 00 01 02 03 04 05 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 L ư ợ ng k h í si n h họ c (L ) Ngày Biogas, Biogas, Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 219 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: buihonghavittep@yahoo.com.