Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến thủy sản tại Việt Nam phát sinh lượng phế liệu tôm khổng lồ với hơn 100.000 tấn mỗi năm, chiếm khoảng 75% tổng khối lượng động vật giáp xác sau thu hoạch. Việc tận dụng nguồn phế liệu này để chiết xuất chitin và chitosan mở ra tiềm năng kinh tế cao nhưng đồng thời tạo ra dòng nước thải chứa hàm lượng ô nhiễm cực kỳ nghiêm trọng. Nước thải từ quy trình sản xuất chitin mang đặc tính phức tạp với nồng độ nhu cầu oxy hóa học COD dao động từ 12.000 đến 13.000 mg/L, tổng chất rắn lơ lửng TSS vượt trên 4.000 mg/L, độ mặn cao từ 27 đến 33 ‰ và hàm lượng canxi khoáng hóa hòa tan từ 380 đến hơn 2.000 mg/L. Nồng độ muối và độ cứng canxi quá mức tạo nên lực cản kỹ thuật lớn, làm tê liệt các hệ thống xử lý sinh học truyền thống thông qua việc ức chế vi sinh vật và gây đóng cặn đường ống nghiêm trọng.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm giải quyết nút thắt trên thông qua mục tiêu kép: xác định chuẩn xác ngưỡng pH tối ưu trong công đoạn tiền xử lý khử cứng canxi, đồng thời đánh giá toàn diện hiệu suất xử lý và kiểm soát hiện tượng bẩn màng của hệ thống màng sinh học MBR (Membrane Bioreactor) sợi rỗng trong các điều kiện tải trọng hữu cơ F/M từ 0,1 đến 0,2 kg COD/kg MLVSS.ngày và thông lượng vận hành từ 1,4 đến 10 L/m2.h.

Phạm vi thực nghiệm được triển khai từ ngày 20/08/2018 đến ngày 04/01/2019 tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên thuộc Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng nguồn nước thải thực tế thu thập từ Công ty Cổ phần Vietnam Food (VNF) tại Khu công nghiệp Hòa Trung, tỉnh Cà Mau. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi thiết lập thông số vận hành kiểm soát canxi dưới 1.000 mg/L, duy trì hiệu suất khử COD ổn định từ 95% đến 98% và bảo đảm chất lượng nước đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 11-MT:2015/BTNMT cột B.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết màng sinh học MBR kết hợp quá trình bùn hoạt tính hiếu khí và cơ chế tách pha vật lý bằng màng vi lọc sợi rỗng. Động học dòng thấm và hiện tượng bẩn màng được phân tích dựa trên phương trình kháng lực Darcy mở rộng, trong đó tổng trở lực lọc Rt là tổng hợp của trở lực bản thân màng Rm, trở lực lớp bánh bùn Rc, trở lực bít nghẽn lỗ rỗng Rp và trở lực hấp phụ không thuận nghịch Ra.

Song song đó, lý thuyết cầu nối cation hóa trị hai (Divalent Cation Bridging - DCB) giải thích tương tác giữa ion Ca2+ với các nhóm chức mang điện tích âm trong hợp chất polyme ngoại bào EPS và sản phẩm vi sinh vật hòa tan SMP. Nồng độ ion canxi thích hợp hoạt động như chất keo tụ sinh học giúp kết tụ bông bùn, tăng kích thước hạt và giảm độ dày lớp gel phân cực. Tuy nhiên, khi canxi vượt ngưỡng bão hòa sẽ tạo kết tủa CaCO3 vô cơ bám chặt vào bề mặt màng. Ngoài ra, lý thuyết sốc áp suất thẩm thấu do độ mặn giải thích hiện tượng co nguyên sinh (plasmolysis) ở tế bào vi khuẩn dị dưỡng và ức chế quần thể vi khuẩn nitrate hóa gồm vi khuẩn oxy hóa amoniac AOB và vi khuẩn oxy hóa nitrit NOB khi nồng độ muối tăng cao làm tăng áp suất thẩm thấu khoảng 8 bar cho mỗi 10 g NaCl/L.

Các khái niệm then chốt bao gồm: áp suất chuyển màng TMP, thông lượng tới hạn, tải lượng chất hữu cơ OLR, tỷ lệ F/M, thời gian lưu bùn sinh học SRT cố định ở mức 30 ngày và thời gian lưu thủy lực HRT dao động từ 3,16 đến 5,76 ngày.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các mẻ nước thải 30 lít tại bể điều hòa nhà máy VNF Cà Mau, được bảo quản bằng phương pháp axit hóa tại chỗ về pH dưới 2 bằng HCl 32% trước khi chuyển về phòng thí nghiệm. Thí nghiệm khử cứng tiền xử lý sử dụng phương pháp Jar-test trên thiết bị chuyên dụng JLT6 với 6 cánh khuấy inox có diện tích 17,52 cm2 mỗi cánh, khảo sát 6 mức pH từ 6,5 đến 10,6 bằng dung dịch NaOH 6N ở chế độ khuấy nhanh 200 vòng/phút trong 2 phút và khuấy chậm 20 vòng/phút trong 20 phút.

Mô hình MBR quy mô 12 lít (kích thước 0,2 x 0,2 x 0,35 m) sử dụng module màng vi lọc MF sợi rỗng từ vật liệu Polyvinylidene Fluoride (PVDF) của hãng Mitsubishi Rayon với 48 sợi rỗng, chiều dài 28 cm và tổng diện tích màng 1.042 cm2. Mô hình được cấp khí liên tục ở lưu lượng 10 L/phút để duy trì lượng oxy hòa tan DO từ 3 đến 5 mg/L và bổ sung NaHCO3 1N để giữ pH nước bể trong khoảng 7,2 đến 7,5.

Các chỉ tiêu hóa lý được phân tích theo Tiêu chuẩn Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater: COD xác định bằng phương pháp Open Reflux (sai số cho phép ±211 mg/L ở mẫu vào và ±1 mg/L ở mẫu ra), amoni N-NH4 đo bằng máy chưng cất Kjeldahl tự động Gerhardt (sai số ±3 mg/L). Cấu trúc bề mặt và phân bố nguyên tố cặn bẩn được chụp phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường SEM JEOL JSM-7401F kết hợp đầu dò phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Quy trình rửa màng hóa học được chuẩn hóa với axit citric 0,5% trong 3 giờ để hòa tan cặn vô cơ và NaOCl 200 ppm trong 24 giờ để loại bỏ màng sinh học biofilm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học mang tính bước ngoặt:

Thứ nhất, phản ứng khử độ cứng canxi bằng phương pháp nâng pH qua Jar-test cho thấy hiệu quả tách loại canxi tăng dần theo độ kiềm. Giá trị pH = 7,5 được chứng minh là điểm tối ưu kỹ thuật và kinh tế, giúp hạ độ cứng canxi từ mức ban đầu 868 mg CaCO3/L về mức 440 đến 449 mg CaCO3/L sau 60 phút lắng tĩnh, đồng thời kiểm soát lượng cặn rắn hình thành ở mức thấp nhằm hạn chế quá tải bùn vô cơ.

Thứ hai, ở cả hai pha thử nghiệm TN2a (F/M từ 0,1 đến 0,2 kg COD/kg MLVSS.ngày, thông lượng 1,4 L/m2.h) và TN2b (F/M cố định 0,2 kg COD/kg MLVSS.ngày, thông lượng 10 L/m2.h), màng MBR duy trì hiệu suất khử COD vượt trội đạt từ 95% đến 98%. Nồng độ COD đầu vào trung bình 888 mg/L ở TN2a và 721 mg/L ở TN2b đều được xử lý triệt để, đạt ngưỡng xả thải Cột B của QCVN 11-MT:2015/BTNMT ở điều kiện tải trọng F/M = 0,1.

Thứ ba, động học chuyển hóa nitơ thể hiện tính nhạy cảm sâu sắc với độ mặn và độ cứng. Khi độ mặn tăng vọt lên 33 ‰ cùng nồng độ canxi lên tới 3 g/L ở giai đoạn 1, quá trình nitrate hóa bị đình trệ hoàn toàn do ức chế sinh học. Ngược lại, khi độ mặn được kiểm soát cố định ở mức 27 ‰ và nồng độ canxi dưới 1 g/L ở giai đoạn 2, hiệu suất nitrate hóa phục hồi mạnh mẽ với nồng độ N-NH4 đầu ra đạt tiêu chuẩn Cột B QCVN 11-MT:2015/BTNMT.

Thứ tư, phân tích trở lực màng Darcy xác nhận rằng với nồng độ canxi kiểm soát dưới 1 g/L, áp suất chuyển màng TMP tăng chậm và ổn định. Lớp bám bẩn bề mặt Rc chiếm thành phần chủ đạo trong tổng trở lực nhưng không gây tích tụ canxi vĩnh viễn trong bùn, cho phép màng phục hồi gần như hoàn toàn thông lượng ban đầu sau khi tẩy rửa hóa chất.

Thảo luận kết quả

Cơ chế bẩn màng được giải thích thông qua sự tương tác giữa ion canxi và các chất polyme vi sinh vật. Ở nồng độ canxi thích hợp dưới 1 g/L, ion Ca2+ tạo cầu nối điện tích với EPS giúp kết tụ bông bùn lớn, giảm thiểu các phân tử SMP tự do phân tán, từ đó hạn chế tối đa nguy cơ bít nghẽn lỗ rỗng màng. Tuy nhiên, khi canxi vượt ngưỡng kết tủa hoặc khi độ mặn chạm mức 33 ‰, tế bào vi sinh bị sốc áp suất thẩm thấu sẽ tiết lượng lớn EPS hòa tan và protein kỵ nước. Các chất hữu cơ này kết hợp cùng tinh thể canxi cacbonat tạo thành lớp bánh bẩn đặc quánh bám chặt vào bề mặt màng ngoài.

Khi so sánh với các nghiên cứu xử lý nước mặn của các tác giả quốc tế, khả năng thích nghi của bùn hoạt tính trong nghiên cứu này ở độ mặn 27 ‰ là rất ấn tượng. Quá trình thích nghi diễn ra thuận lợi nhờ duy trì thời gian lưu bùn dài 30 ngày, tạo điều kiện cho các chủng vi khuẩn chịu mặn phát triển ổn định.

Dữ liệu thực nghiệm về mối tương quan giữa thông lượng lọc và áp suất TMP có thể được thể hiện qua đồ thị đường hồi quy tuyến tính năm điểm. Bảng phân bố trở lực chỉ ra rằng trở lực bản thân màng Rm đóng góp khoảng 18%, trở lực lớp bánh Rc chiếm đến 68%, trong khi trở lực nghẽn lỗ Rp và hấp phụ Ra chỉ chiếm 14%. Hình ảnh chụp bề mặt màng qua kính hiển vi SEM và phổ EDX minh chứng rõ nét: mặt ngoài màng mới vận hành phủ kín lớp cặn giàu canxi và cacbon, nhưng sau bước xử lý bằng axit citric 0,5% và NaOCl 200 ppm, các lỗ rỗng màng PVDF đã mở rộng trở lại hoàn toàn tương đương cấu trúc màng ban đầu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các dữ liệu thực nghiệm thu được, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa việc ứng dụng công nghệ MBR trong xử lý nước thải thủy sản:

Thứ nhất, áp dụng quy trình tiền xử lý điều chỉnh pH nước thải lên ngưỡng tối ưu 7,5 bằng dung dịch kiềm trước khi đưa vào bể sinh học. Mục tiêu kỹ thuật nhằm giảm 35% đến 45% hàm lượng canxi hòa tan ban đầu và loại bỏ tạp chất lơ lửng thô qua lắng tĩnh 60 phút, thực hiện trong vòng 1 đến 2 tháng đầu lắp đặt hệ thống bởi các kỹ sư vận hành trạm xử lý.

Thứ hai, kiểm soát chặt chẽ thông số vận hành bể MBR với tải trọng hữu cơ F/M duy trì ở mức 0,1 đến 0,15 kg COD/kg MLVSS.ngày và thông lượng dòng thấm thiết kế dưới 10 L/m2.h. Mục tiêu đạt hiệu suất khử COD trên 95% và giữ nồng độ canxi nạp vào bể dưới 1.000 mg/L, do đội ngũ kỹ thuật nhà máy giám sát liên tục theo chu kỳ ca làm việc hàng ngày.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình rửa màng hóa học hai bước định kỳ khi áp suất chuyển màng TMP chạm ngưỡng 50 kPa. Tiến hành ngâm ngập module màng trong dung dịch axit citric 0,5% trong 3 giờ để hòa tan cặn canxi vô cơ, sau đó chuyển sang ngâm NaOCl 200 ppm trong 24 giờ để oxy hóa màng sinh học, thực hiện định kỳ từ 30 đến 45 ngày một lần bởi bộ phận bảo trì cơ điện.

Thứ tư, chủ động kéo dài thời gian thuần hóa bùn hoạt tính từ 20 đến 30 ngày hoặc bổ sung chế phẩm vi khuẩn chịu mặn Halophiles tự nhiên trong giai đoạn khởi động bể sinh học. Mục tiêu bảo đảm hiệu suất chuyển hóa nitơ tổng và N-NH4 đạt trên 85% trong môi trường độ mặn biến động từ 25 đến 27 ‰, do các viện nghiên cứu công nghệ môi trường phối hợp cùng doanh nghiệp triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu khoa học của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư môi trường và chuyên gia thiết kế công trình xử lý nước thải. Luận văn cung cấp toàn bộ thông số tính toán thủy lực, suất sục khí 10 L/phút, thông lượng lọc màng PVDF và hệ số trở lực màng chi tiết làm cơ sở tính toán module MBR xử lý các nguồn nước thải công nghiệp có nồng độ muối và khoáng chất cao.

Nhóm thứ hai là ban quản lý kỹ thuật và vận hành tại các nhà máy chế biến phụ phẩm tôm, sản xuất chitin và chitosan tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Luận văn cung cấp use case thực tế từ nhà máy VNF Cà Mau giúp doanh nghiệp tối ưu hóa lượng hóa chất kiềm nâng pH, giảm thiểu chi phí năng lượng và ngăn ngừa sự cố bít tắc màng lọc sợi rỗng.

Nhóm thứ ba là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường. Công trình là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp phân tích bốn thành phần trở lực lọc theo phương trình Darcy, kỹ thuật cân bằng độ cứng canxi và phương pháp phân tích vi cấu trúc vật liệu màng bằng SEM-EDX.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên môi trường và tổ chức tư vấn đánh giá tác động môi trường. Tài liệu giúp xác lập căn cứ khoa học về khả năng đáp ứng quy chuẩn xả thải QCVN 11-MT:2015/BTNMT đối với các ngành chế biến thủy sản xuất khẩu đặc thù ven biển.

Câu hỏi thường gặp

Ion canxi nồng độ cao gây hại cho màng lọc MBR như thế nào? Khi nồng độ canxi vượt ngưỡng bão hòa trong nước thải chế biến tôm (từ 380 đến hơn 2.000 mg/L), ion Ca2+ sẽ kết hợp với anion cacbonat tạo kết tủa CaCO3 bám chắc vào bề mặt sợi màng và chui sâu vào các vi lỗ rỗng. Quá trình này làm gia tăng nhanh chóng áp suất TMP, làm suy giảm nghiêm trọng thông lượng dòng thấm và cản trở hiệu quả rửa ngược cơ học.

Tại sao giá trị pH bằng 7,5 lại là mốc tối ưu để tiền xử lý khử cứng canxi? Thực nghiệm Jar-test tại dải pH từ 6,5 đến 10,6 chứng minh rằng ở mốc pH = 7,5, canxi hòa tan kết tủa hiệu quả thành dạng cặn lắng nhanh trong 60 phút, giúp giảm canxi về dưới mức an toàn 1.000 mg/L mà không làm tiêu tốn quá nhiều dung dịch kiềm NaOH 6N so với các mức pH cao hơn, đồng thời hạn chế lượng bùn vô cơ phát sinh.

Độ mặn cao trên 27 ‰ ức chế hệ thống sinh học MBR ra sao và cách khắc phục? Nồng độ muối NaCl cao làm tăng áp suất thẩm thấu, gây hiện tượng co nguyên sinh ở tế bào vi sinh và ức chế hoàn toàn vi khuẩn oxy hóa amoniac AOB cùng vi khuẩn NOB, khiến quá trình nitrate hóa bị đình trệ. Giải pháp là kiểm soát độ mặn dưới 27 ‰, duy trì thời gian lưu bùn SRT dài 30 ngày để quần thể vi sinh vật chịu mặn thích nghi bền vững.

Quy trình rửa màng hóa học phục hồi màng bẩn canxi gồm những bước nào? Khi áp suất TMP đạt ngưỡng cảnh báo 50 kPa, màng vi lọc PVDF được làm sạch qua quy trình hai pha chuẩn hóa: đầu tiên ngâm trong dung dịch axit citric 0,5% trong 3 giờ để hòa tan triệt để cặn vô cơ CaCO3, sau đó ngâm tiếp trong dung dịch NaOCl 200 ppm trong 24 giờ nhằm phân hủy toàn bộ lớp màng sinh học biofilm và chất hữu cơ bám dính.

Chất lượng nước thải sau xử lý bằng màng MBR có đạt quy chuẩn môi trường không? Hệ thống MBR vận hành ở tải trọng hữu cơ F/M = 0,1 kg COD/kg MLVSS.ngày cho hiệu suất khử COD đạt từ 95% đến 98%, nồng độ COD và chỉ tiêu N-NH4 đầu ra sau khi kiểm soát độ mặn đều đạt các ngưỡng giới hạn theo Cột B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 11-MT:2015/BTNMT về nước thải chế biến thủy sản.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết thành công bài toán công nghệ kiểm soát bẩn màng MBR xử lý nước thải phụ phẩm tôm có độ cứng và độ mặn cao thông qua năm đóng góp cốt lõi:

  • Xác định chính xác giá trị pH = 7,5 là thông số tối ưu cho công đoạn tiền xử lý hóa lý, giúp loại bỏ hiệu quả độ cứng canxi với chi phí hóa chất thấp nhất.
  • Thiết lập giới hạn kiểm soát canxi dưới 1.000 mg/L và độ mặn dưới 27 ‰, giúp màng MBR vận hành ổn định ở thông lượng 10 L/m2.h mà không tích tụ canxi trong bùn.
  • Đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ COD từ 95% đến 98%, chất lượng nước đầu ra đáp ứng tiêu chuẩn Cột B QCVN 11-MT:2015/BTNMT ở tải trọng F/M = 0,1 kg COD/kg MLVSS.ngày.
  • Làm sáng tỏ bản chất động học bẩn màng và định lượng chính xác 4 thành phần trở lực Darcy bằng mô hình hồi quy kết hợp ảnh chụp SEM-EDX.
  • Xây dựng thành công quy trình tẩy rửa màng hóa học hai pha bằng axit citric 0,5% và NaOCl 200 ppm giúp khôi phục hoàn toàn tính thấm của màng lọc sợi rỗng PVDF.

Về lộ trình tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp cần tiến hành nâng quy mô thử nghiệm pilot lên công suất 5 đến 10 m3/ngày trong thời gian 6 đến 12 tháng tới để đánh giá tuổi thọ màng dài hạn. Hãy kết nối ngay với nhóm tác giả tại Khoa Môi trường và Tài nguyên - Đại học Bách Khoa ĐHQG-HCM để nhận chuyển giao quy trình công nghệ và tài liệu kỹ thuật chi tiết.