Tổng quan nghiên cứu

Quá trình xử lý chất thải rắn sinh hoạt và nước thải sinh hoạt tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh đang đối mặt với thách thức về hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường. Theo ước tính, lượng chất hữu cơ trong rác thải sinh hoạt tại một số địa phương có thể lên đến hàng nghìn mg COD/L, gây áp lực lớn lên hệ thống xử lý hiện tại. Nghiên cứu này tập trung đánh giá hiệu quả của công nghệ màng sinh học kỵ khí (Anaerobic Membrane Bioreactor - AnMBR) trong xử lý chất thải rắn sinh hoạt và nước thải sinh hoạt với tải trọng cao, thông qua hai mô hình phân hủy kỵ khí một giai đoạn (1S-AD) và hai giai đoạn (2S-AD).

Mục tiêu chính của luận văn là xác định tải trọng hữu cơ thích hợp cho quá trình 1S-AD và đánh giá hiệu quả vận hành của quá trình 2S-AD trong điều kiện tải trọng cao, đồng thời phân tích các chỉ tiêu như hiệu suất xử lý COD, sản lượng khí sinh học, và sự phát triển màng lọc. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ năm 2018 đến 2019.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ AnMBR để nâng cao hiệu quả xử lý chất thải hữu cơ, giảm thiểu phát thải khí nhà kính và tăng khả năng tái sử dụng tài nguyên trong quản lý chất thải đô thị. Các chỉ số hiệu suất như hiệu suất xử lý COD đạt trên 80% ở tải trọng 5 kgCOD/ngày, sản lượng khí sinh học đạt 0,18 - 0,41 L biogas/gCOD, cùng với khả năng duy trì pH ổn định và kiểm soát áp suất màng (TMP) là những minh chứng cho tính khả thi của công nghệ này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Quá trình phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion - AD): Đây là quá trình vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường không có oxy, tạo ra khí sinh học chủ yếu là metan (CH4) và cacbon dioxide (CO2). Quá trình này gồm các giai đoạn: thủy phân, acid hóa, acetogenesis và methanogenesis. Các chỉ tiêu quan trọng bao gồm COD, VFA, pH, TKN, TP và sản lượng khí sinh học.

  2. Công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR): Kết hợp giữa quá trình phân hủy kỵ khí và lọc màng siêu lọc (UF), giúp giữ lại vi sinh vật và các chất rắn lơ lửng, tăng hiệu quả xử lý và giảm thể tích bùn thải. Các chỉ số vận hành như áp suất xuyên màng (TMP), tốc độ rửa màng, và tải trọng hữu cơ (OLR) được kiểm soát chặt chẽ.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tải trọng hữu cơ (OLR): Lượng COD đưa vào hệ thống tính theo kgCOD/m³/ngày.
  • Thời gian lưu thủy lực (HRT): Thời gian nước thải lưu lại trong bể phản ứng, ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.
  • Tổng Nitơ Kjeldahl (TKN) và Tổng Phospho (TP): Chỉ tiêu dinh dưỡng quan trọng trong nước thải.
  • Áp suất xuyên màng (TMP): Chỉ số phản ánh mức độ bẩn màng và hiệu quả vận hành của hệ thống màng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ hai thí nghiệm mô hình phòng thí nghiệm:

  • Thí nghiệm 1 (1-sAnMBR): Xử lý chất thải rắn sinh hoạt và nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AnMBR một giai đoạn với các tải trọng hữu cơ lần lượt là 3,5; 5,0 và 7,0 kgCOD/ngày. Mô hình gồm bể UASB kết hợp với bể màng UF, vận hành ở HRT 24 giờ.

  • Thí nghiệm 2 (2-sAnMBR): Áp dụng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn với tải trọng hữu cơ 4,0 kgCOD/ngày, trong đó bể thủy phân có HRT 5 ngày và bể methan có HRT 24 giờ.

Phương pháp phân tích bao gồm đo lường các chỉ tiêu COD, BOD5, TKN, TP, VFA, MLSS, TMP, pH, và sản lượng khí sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam và các phương pháp chuẩn quốc tế (Standard Methods). Cỡ mẫu được lấy liên tục trong suốt quá trình vận hành, với các mẫu nước thải và bùn được phân tích định kỳ.

Timeline nghiên cứu kéo dài 10 tháng, từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2019, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, vận hành mô hình, thu thập và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất xử lý COD của 1-sAnMBR:

    • Ở tải trọng 3,5 kgCOD/ngày, hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 83%.
    • Tải trọng 5,0 kgCOD/ngày cho hiệu suất xử lý giảm nhẹ còn 77,6%, nhưng vẫn duy trì ổn định.
    • Khi tăng tải trọng lên 7,0 kgCOD/ngày, hiệu suất giảm xuống còn khoảng 50%, cho thấy hiện tượng quá tải.
    • Sản lượng khí sinh học đạt cao nhất ở tải trọng 5,0 kgCOD/ngày với 0,41 L biogas/gCOD.

  2. Hiệu quả vận hành của 2-sAnMBR:

    • Mô hình vận hành ổn định ở tải trọng 4,0 kgCOD/ngày với HRT thủy phân 5 ngày và HRT methan 24 giờ.
    • Sản lượng khí sinh học đạt 4 L/ngày, tương đương 0,18 L biogas/gCOD.
    • Hiệu suất loại bỏ dinh dưỡng như TKN và TP thấp, dưới 20% và 10% tương ứng.
    • Áp suất TMP tăng chậm với chu kỳ khoảng 44 giờ, cho thấy màng lọc ít bị bẩn hơn so với 1-sAnMBR.

  3. Đặc điểm vận hành và sinh học:

    • pH duy trì ổn định trong khoảng 6,8 - 7,2, phù hợp cho hoạt động vi sinh vật kỵ khí.
    • Nồng độ VFA thấp, chứng tỏ quá trình acid hóa và methan hóa cân bằng.
    • MLSS trong bể UASB duy trì ở mức 7,5 g/L, đảm bảo mật độ vi sinh vật cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất xử lý giảm ở tải trọng 7,0 kgCOD/ngày là do sự tích tụ ion H+ làm giảm pH, ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật methanogen, đồng thời làm tăng áp suất TMP gây nghẽn màng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy tải trọng hữu cơ vượt quá khả năng xử lý sẽ gây quá tải và giảm hiệu quả.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, hiệu suất xử lý COD và sản lượng khí sinh học của mô hình 1-sAnMBR và 2-sAnMBR tương đương hoặc cao hơn, đặc biệt là khả năng duy trì pH và kiểm soát TMP tốt hơn nhờ thiết kế hai giai đoạn trong 2-sAnMBR. Điều này cho thấy ưu điểm của việc tách giai đoạn thủy phân và methan hóa trong xử lý chất thải hữu cơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý COD theo thời gian vận hành ở các tải trọng khác nhau, biểu đồ sản lượng khí sinh học và biểu đồ biến thiên TMP để minh họa sự bẩn màng theo chu kỳ vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tải trọng hữu cơ vận hành:

    • Khuyến nghị vận hành mô hình 1-sAnMBR ở tải trọng 5,0 kgCOD/ngày để đạt hiệu suất xử lý và sản lượng khí sinh học tối ưu.
    • Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn vận hành thử nghiệm.

  2. Áp dụng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn (2-sAnMBR):

    • Triển khai mô hình 2-sAnMBR với HRT thủy phân 5 ngày và HRT methan 24 giờ để tăng tính ổn định và giảm bẩn màng.
    • Chủ thể thực hiện: các nhà máy xử lý nước thải và chất thải rắn sinh hoạt.
    • Thời gian: kế hoạch 6-12 tháng để thử nghiệm và đánh giá.

  3. Kiểm soát pH và áp suất màng:

    • Thiết lập hệ thống điều chỉnh pH tự động và quy trình rửa màng định kỳ để duy trì TMP dưới ngưỡng 44 giờ chu kỳ.
    • Chủ thể: kỹ thuật viên vận hành hệ thống.
    • Thời gian: liên tục trong quá trình vận hành.

  4. Nâng cao hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng:

    • Kết hợp xử lý sinh học với các phương pháp xử lý bổ sung như keo tụ hoặc lọc sinh học để cải thiện loại bỏ TKN và TP.
    • Chủ thể: nhà nghiên cứu và đơn vị vận hành.
    • Thời gian: nghiên cứu và thử nghiệm trong 12-18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị:

    • Lợi ích: Hiểu rõ công nghệ xử lý chất thải hữu cơ hiệu quả, từ đó xây dựng chính sách và quy hoạch phù hợp.
    • Use case: Lập kế hoạch nâng cấp hệ thống xử lý chất thải sinh hoạt.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy xử lý nước thải:

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ AnMBR để tối ưu hóa hiệu suất xử lý và giảm chi phí vận hành.
    • Use case: Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và rác hữu cơ.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, công nghệ sinh học:

    • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức về công nghệ màng sinh học kỵ khí và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.
    • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn.

  4. Các doanh nghiệp xử lý chất thải và tái chế:

    • Lợi ích: Tăng cường khả năng tái sử dụng khí sinh học và giảm phát thải môi trường.
    • Use case: Đầu tư và triển khai công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ AnMBR có ưu điểm gì so với phương pháp xử lý truyền thống?
    AnMBR kết hợp xử lý kỵ khí và lọc màng giúp giữ lại vi sinh vật, tăng hiệu quả xử lý COD lên đến 80-90%, giảm thể tích bùn thải và tăng sản lượng khí sinh học. Ví dụ, mô hình 1-sAnMBR đạt hiệu suất xử lý COD 83% ở tải trọng 3,5 kgCOD/ngày.

  2. Tải trọng hữu cơ tối ưu cho quá trình 1S-AD là bao nhiêu?
    Tải trọng 5,0 kgCOD/ngày được xác định là phù hợp nhất, cân bằng giữa hiệu suất xử lý và sản lượng khí sinh học, tránh hiện tượng quá tải như ở 7,0 kgCOD/ngày.

  3. Làm thế nào để kiểm soát áp suất màng (TMP) trong hệ thống AnMBR?
    TMP được kiểm soát bằng cách rửa màng định kỳ, điều chỉnh tải trọng và duy trì mật độ vi sinh vật ổn định. Trong 2-sAnMBR, chu kỳ tăng TMP khoảng 44 giờ, lâu hơn so với 1-sAnMBR.

  4. Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng như Nitơ và Phospho trong quá trình này ra sao?
    Hiệu quả loại bỏ TKN và TP thấp, dưới 20% và 10%, do quá trình kỵ khí không tập trung xử lý dinh dưỡng. Cần kết hợp thêm các công đoạn xử lý bổ sung để cải thiện.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho quy mô lớn không?
    Nghiên cứu cho thấy công nghệ AnMBR có tiềm năng mở rộng quy mô, đặc biệt với mô hình 2-sAnMBR giúp vận hành ổn định hơn. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm về chi phí đầu tư và vận hành thực tế.

Kết luận

  • Xác định tải trọng hữu cơ 5,0 kgCOD/ngày là mức tối ưu cho mô hình 1-sAnMBR, đạt hiệu suất xử lý COD trên 77% và sản lượng khí sinh học cao nhất.
  • Mô hình 2-sAnMBR vận hành ổn định ở tải trọng 4,0 kgCOD/ngày với HRT thủy phân 5 ngày và HRT methan 24 giờ, giảm bẩn màng và duy trì TMP chu kỳ 44 giờ.
  • Quá trình xử lý giữ pH ổn định trong khoảng 6,8 - 7,2, đảm bảo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí hoạt động hiệu quả.
  • Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng TKN và TP còn hạn chế, cần bổ sung công đoạn xử lý chuyên biệt.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ AnMBR trong xử lý chất thải rắn sinh hoạt và nước thải sinh hoạt tại các đô thị lớn, đồng thời nghiên cứu mở rộng quy mô và tối ưu vận hành.

Next steps: Thực hiện thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý, đồng thời nghiên cứu tích hợp công nghệ xử lý dinh dưỡng để nâng cao hiệu quả tổng thể.

Call to action: Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường nên cân nhắc áp dụng công nghệ AnMBR để nâng cao hiệu quả xử lý chất thải hữu cơ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.