Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu công nghệ xử lý triệt để nước thải sinh hoạt bằng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa" do nghiên cứu sinh Phạm Văn Dương thực hiện tại Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội (năm 2019), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Thanh Sơn và PGS. Vũ Văn Hiểu, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ sở hạ tầng (mã số: 62.10).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt đô thị là nguồn gây ô nhiễm môi trường nước chính bởi các thành phần chất rắn lơ lửng (SS), hợp chất hữu cơ (biểu thị qua chỉ số BOD, COD) và các chất dinh dưỡng (N, P). Phần lớn các trạm xử lý nước thải sinh hoạt hiện hành áp dụng công nghệ xử lý sinh học truyền thống bậc 2 (hệ bùn hoạt tính lơ lửng hoặc bể lọc sinh học). Tuy nhiên, nước thải sau xử lý bậc 2 vẫn còn chứa một lượng chất rắn lơ lửng và chất hòa tan, không đáp ứng được các tiêu chuẩn xả thải ngày càng khắt khe cũng như yêu cầu tái sử dụng nước cho dịch vụ đô thị, công nghiệp hoặc nông nghiệp. Tại các quốc gia phát triển như Nga, Mỹ và các nước châu Âu, các công trình xử lý bậc 3 (xử lý triệt để) thường xuyên được bổ sung vào dây chuyền công nghệ.

Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế TCVN 7957:2008 chưa đưa các công trình xử lý triệt để N, P và các công trình xử lý bậc 3 vào quy chuẩn bắt buộc. Các nghiên cứu và ứng dụng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa thủy lực hầu như chỉ mới tập trung trong lĩnh vực cấp nước và xử lý nước ngầm quy mô nhỏ, hoàn toàn vắng bóng các nghiên cứu bài bản về việc ứng dụng loại bể lọc này cho xử lý triệt để nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học bậc 2. Đây chính là khoảng trống khoa học và thực tiễn mà luận án lựa chọn giải quyết.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận án là phát triển công nghệ xử lý triệt để nước thải sinh hoạt bằng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa để ứng dụng vào thực tế. Để đạt được mục đích trên, các nội dung nghiên cứu được xác định cụ thể:

  1. Đánh giá mức độ nghiên cứu và sự phát triển ứng dụng công nghệ xử lý triệt để nước thải sinh hoạt bằng bể lọc vật liệu lọc nổi hiện nay (tiêu chuẩn xả thải, phương pháp xử lý triệt để, thông số cấu tạo bể lọc nổi tự rửa và không tự rửa, các sáng chế khoa học liên quan).
  2. Tổng quan cơ sở lý thuyết xử lý nước thải qua lớp vật liệu lọc nổi dạng hạt trên phương diện loại bỏ SS, BOD và Nitơ nhằm phục vụ tính toán, vận hành mô hình và xử lý dữ liệu.
  3. Xây dựng mô hình thực nghiệm pilot bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa và thiết lập phương pháp thực nghiệm ở chế độ xử lý triệt để.
  4. Thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình pilot để xác định các quy luật toán học của các thông số công nghệ theo thời gian (tốc độ gia tăng tổn thất áp lực, hiệu quả xử lý theo SS, COD, BOD, N, P và cường độ rửa lọc).
  5. Xử lý toán học dữ liệu thực nghiệm nhằm xác định các hệ số lọc ($a, b$) của vật liệu lọc nổi dạng hạt, tối ưu hóa chiều dày lớp vật liệu lọc, vận tốc lọc và chu kỳ lọc cho quá trình giữ cặn cơ học SS.
  6. Xác định các thông số động học của quá trình xử lý sinh học đối với chất hữu cơ hòa tan (BOD, COD) và các chất vô cơ hòa tan (Amoni, tổng Nitơ).
  7. Xây dựng phương pháp tính toán công nghệ cho bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa đối với các mức độ xử lý triệt để khác nhau (loại bỏ đồng thời SS và BOD; hoặc loại bỏ đồng thời SS, BOD, Amoni và tổng Nitơ).
  8. Ứng dụng công nghệ nghiên cứu vào thiết kế, tính toán một công trình thực tế nhằm chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ xử lý triệt để nước thải sinh hoạt bằng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình pilot với nước thải sinh hoạt thực tế đã qua xử lý sinh học bậc 2 tại trạm xử lý nước thải của Công ty TNHH Young One Nam Định (Khu công nghiệp Hòa Xá, TP. Nam Định, tỉnh Nam Định); ứng dụng tính toán thiết kế cho trạm xử lý nước thải sinh hoạt quy mô 150 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Trong xử lý sinh học triệt để các chất dinh dưỡng (N, P), các quy trình công nghệ bằng hệ bùn hoạt tính lơ lửng đơn hệ thống (với các vùng yếm khí, thiếu khí, hiếu khí xen kẽ) được áp dụng phổ biến gồm: quy trình $\text{A}^2/\text{O}$, Bardenpho 5 bậc, UCT và VIP. Theo các tài liệu kỹ thuật, khi tỷ lệ $\text{COD}/\text{TKN} > 14$, mọi hệ thống xử lý sinh học đều có thể áp dụng; trong khoảng $7 - 14$, quy trình UCT đạt hiệu quả cao nhất; khi $\text{COD}/\text{TKN} < 7$, cần tách riêng quá trình xử lý nitơ hoặc phốt pho.

Đối với quá trình nitrat hóa và khử nitrat, khi tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{TKN} > 5$, hệ thống diễn ra quá trình loại bỏ đồng thời $\text{BOD}$ và $\text{NH}_4^+$; khi $\text{BOD}_5/\text{TKN} < 3$, quá trình chuyển sang chế độ nitrat hóa riêng biệt với tỷ lệ vi sinh vật nitrat hóa biến thiên từ 0,083 đến 0,21. Trong các công trình xử lý sử dụng màng sinh học cố định (bể lọc sinh học ngập nước BAF, tháp lọc sinh học), mức độ nitrat hóa phụ thuộc mật thiết vào tải trọng hữu cơ $\text{BOD}_5$.

Loại công trình Hiệu quả nitrat hóa (%) Tải trọng theo $\text{BOD}_5$ ($\text{kg}/\text{m}^3\cdot\text{đêm}$)
Bể lọc sinh học (đá dăm, sỏi) 75 - 85
85 - 95		 0,160 - 0,096
0,096 - 0,048
Tháp lọc sinh học, bể lọc sinh học với tải nhựa 75 - 85
85 - 95		 0,288 - 0,192
0,192 - 0,096

Về bể lọc sinh học sục khí ngập nước (BAF), các vật liệu nổi nhẹ hơn nước được sử dụng gồm Biostyr® (hạt polystyrene kích cỡ 3,0 - 6,0 mm, tỷ khối khoảng 0,5) và Biobead® (đệm polyethylene, tỷ khối 0,95) với chiều cao lớp vật liệu 3 - 4 m. Nghiên cứu của Ødegaard và Liao (1998) tại Na Uy trên mô hình cột lọc đường kính 38 cm và 90 cm sử dụng giá thể MBBR K1 (chiều dày 1 m, tỷ trọng $0,95\text{ kg}/\text{m}^3$, kích thước $7 \times 10\text{ mm}$) ở các vận tốc lọc từ 2,5 đến 15 m/h cho thấy hiệu quả loại bỏ SS đạt 75 - 85%, đồng thời chỉ ra việc dùng hóa chất keo tụ làm tăng nhanh tổn thất áp lực mà không cải thiện rõ rệt hiệu quả giữ cặn. Nghiên cứu của H. Vigneswaran (2007) dùng hạt polystyrene ($D_e = 3,8\text{ mm}$, độ rỗng 36%, chiều dày 20 cm) kết hợp phèn liều lượng 40 - 50 mg/l ở vận tốc 2,5 và 5,4 m/h cho hiệu suất giữ SS đạt 59% và 35%, loại bỏ $\text{PO}_4^{3-}$ đạt 74% và 61%. Weimin Xie và cộng sự (2003) tại Nhật Bản và Trung Quốc cũng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với các hệ thống lọc nổi tiếp xúc.

Đối với dòng thiết bị lọc vật liệu nổi tự rửa, các nghiên cứu từ giai đoạn 1960 - 1970 tại Nga, Đức và Trung Quốc đã phát triển nguyên lý tự rửa bằng xi phông thủy lực dựa trên sự gia tăng tổn thất áp lực qua lớp lọc, giúp loại bỏ hoàn toàn bơm rửa ngược, van điều khiển điện tử và các thiết bị cơ khí chuyển động. Các kiểu bể lọc nổi kinh điển của Nga gồm chuỗi bể FPZ (FPZ-1 đến FPZ-5, FPZ-4N, FPZ-Compact-2, FPZ-Compact-10), bể Compack-6 tại thành phố Vitebsk (công suất $120\text{ m}^3/\text{h}$), và mô hình bể kết hợp AFPZ-4M tại Trường Đại học Xây dựng Moscow.

Tình hình nghiên cứu trong nước và vị trí của luận án

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về bể lọc vật liệu nổi bắt đầu từ công trình của Phạm Ngọc Thái (1986 tại ĐH Bách Khoa Brno Tiệp Khắc và 1990 trong chương trình cấp nhà nước 66A-02-05) về xử lý nước cấp quy mô nhỏ. Tiếp đó, Nguyễn Văn Tín (luận án tiến sĩ và đề tài cấp Bộ năm 2001) nghiên cứu dây chuyền khử sắt nước ngầm và quy trình rửa lọc của bể lọc nổi không tự rửa. Trần Thanh Sơn (2005) bảo vệ luận án tiến sĩ tại Moscow về xử lý triệt để nước thải trong bể phản ứng sinh học bằng sinh khối bám dính, sau đó phát triển mô hình bể lọc sinh học tự rửa ABioF với xi phông đồng tâm ứng dụng cho xử lý nước cấp từ năm 2010. Năm 2016, Nguyễn Thanh Phong nghiên cứu cơ chế hoạt động của xi phông và khóa thủy lực cho bể lọc nổi tự rửa dùng cho cấp nước.

Vị trí của luận án: Luận án của NCS. Phạm Văn Dương là công trình đầu tiên tại Việt Nam kế thừa nguyên lý tự rửa thủy lực của hệ thống xi phông và đặc tính vật liệu lọc nổi polystyrene để nghiên cứu chuyên sâu cho công đoạn xử lý triệt để (bậc 3) nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học bậc 2. Công trình tích hợp đồng thời hai cơ chế: lọc cơ học giữ chất rắn lơ lửng SS và phân hủy sinh học chất hữu cơ, chất dinh dưỡng nhờ màng vi sinh vật bám dính trên bề mặt hạt nổi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm công nghệ

Luận án chuẩn hóa và sử dụng các khái niệm công nghệ nền tảng:

  • Xử lý bậc 1: Loại bỏ chất rắn lơ lửng bằng phương pháp cơ học (song chắn rác, lắng cát, lắng đợt 1, tuyển nổi).
  • Xử lý bậc 2: Quá trình sinh học loại bỏ chất hữu cơ hòa tan và lơ lửng không lắng bằng bùn hoạt tính lơ lửng (aeroten) hoặc vi sinh vật bám dính (bể lọc sinh học).
  • Xử lý triệt để (bậc 3): Công đoạn bổ sung sau bậc 2 nhằm khử tiếp các chất rắn lơ lửng còn sót lại (SS) và các chất hòa tan ($\text{COD}$, $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+$, tổng Nitơ, $\text{PO}_4^{3-}$).
  • Vật liệu lọc nổi (VLLN): Vật liệu có khối lượng riêng nhỏ hơn nước ($\gamma < 1000\text{ kg}/\text{m}^3$), nổi tự nhiên trong môi trường nước.
  • Thời gian bảo vệ của lớp vật liệu lọc ($T_{bv}$): Thời gian làm việc từ lúc bắt đầu chu kỳ lọc cho đến khi hàm lượng cặn ở nước đầu ra vượt quá giá trị cho phép.
  • Thời gian làm việc giới hạn ($T_{gh}$): Thời gian từ khi bắt đầu lọc đến khi tổn thất cột áp qua lớp lọc đạt giá trị giới hạn thiết kế ($H_{gh}$).
  • Tổn thất giới hạn ($H_{gh}$): Chiều cao cột nước chênh áp cho phép, đối với bể tự rửa chính là chiều cao tính từ mực nước lớn nhất trong bể lọc đến đỉnh xi phông.

Cơ sở lý thuyết lọc chất lơ lửng SS qua lớp vật liệu hạt được mô tả bằng hệ phương trình vi phân quá trình lọc: $$\frac{\partial C}{\partial x} = -a C + b \rho$$ $$\frac{\partial \rho}{\partial t} = -v \frac{\partial C}{\partial x}$$ Trong đó: $C$ là nồng độ cặn lơ lửng tại độ sâu $x$; $\rho$ là khối lượng cặn bị giữ lại trong một đơn vị thể tích lớp lọc; $v$ là vận tốc lọc; $a$ và $b$ là các thông số công nghệ đặc trưng cho khả năng dính bám và tách cặn của lớp vật liệu lọc nổi.

Cơ sở lý thuyết động học phân hủy sinh học qua màng vi sinh bám dính được khảo sát theo các mô hình phản ứng: bậc 0 ($S_t - S_0 = -k_0 t$), bậc 1 ($\ln(S_t/S_0) = -k_1 t$), và bậc 2 ($1/S_t - 1/S_0 = k_2 t$). Dữ liệu thực nghiệm của luận án xác định quá trình chuyển hóa chất hữu cơ hòa tan ($\text{COD}, \text{BOD}_5$) và các chất vô cơ hòa tan ($\text{NH}_4^+$, tổng Nitơ) tuân theo phương trình động học bậc 1 trong hệ tọa độ $(\ln(S_t/S_0), t)$.

Thông số vật liệu lọc sử dụng

Luận án sử dụng hạt polystyrene nhỏ (ký hiệu P2) đã được chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam (TCXDVN 76:1979) và tiêu chuẩn Nga (OST-6-05-200-83), với các chỉ tiêu đối sánh với hạt polystyrene to (P1):

Thông số kỹ thuật Hạt polystyrene to (P1) Hạt polystyrene nhỏ (P2)
Đường kính hữu dụng, $D_e$ $3,19\text{ mm}$ $1,22\text{ mm}$
Hệ số không đồng nhất, $K_d$ ($d_{80}/d_{10}$) 1,22 1,38
Khối lượng riêng khô, $\gamma_0$ $27,58\text{ kg}/\text{m}^3$ $45,01\text{ kg}/\text{m}^3$
Độ rỗng xốp, $e$ $42,00%$ $41,00%$
Hệ số hình dạng, $\alpha$ 1,1 - 1,5 1,1 - 1,5
Độ bào mòn và vỡ vụn (TCXDVN 76:1979, rung 24h) Không phát hiện Không phát hiện
Độ bền hóa học ($\text{HCl } 0,1\text{M}$ và $\text{NaOH } 0,5\text{M}$ ở $50^\circ\text{C}$, 48h) Không biến dạng Không biến dạng

Đối với các giá thể vi sinh di động MBBR dạng bánh xe được điểm cứu trong cơ sở lý thuyết, các thông số kỹ thuật thương chuẩn gồm:

  • Loại K1 ($11 \times 10\text{ mm}$): Diện tích bề mặt $1200\text{ m}^2/\text{m}^3$, vật liệu HDPE/PE, tỷ trọng $0,95 - 0,98\text{ g}/\text{cm}^3$.
  • Loại K2 ($16 \times 10\text{ mm}$): Diện tích bề mặt $800\text{ m}^2/\text{m}^3$, vật liệu HDPE/PE, tỷ trọng $0,95 - 0,98\text{ g}/\text{cm}^3$.
  • Loại K3 ($25 \times 10\text{ mm}$): Diện tích bề mặt $584\text{ m}^2/\text{m}^3$, vật liệu HDPE/PE, tỷ trọng $0,95 - 0,98\text{ g}/\text{cm}^3$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp kế thừa và tổng hợp: Kế thừa các công trình lý thuyết về thủy lực lọc qua lớp hạt, lý thuyết phản ứng sinh hóa của vi sinh vật bám dính và cấu tạo bể lọc tự rửa thủy lực của các tác giả trong và ngoài nước.
  • Phương pháp mô phỏng pilot vật lý: Chế tạo cột lọc pilot bằng vật liệu trong suốt với lớp vật liệu lọc nổi polystyrene P2 ($D_e = 1,22\text{ mm}$), trang bị hệ thống lấy mẫu dọc theo chiều sâu lớp vật liệu lọc $L_x$ và bảng đo áp lực thủy tĩnh đa điểm.
  • Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Lắp đặt mô hình và dẫn nguồn nước thải thực tế sau bể lắng đợt 2 của trạm xử lý nước thải Công ty TNHH Young One Nam Định (KCN Hòa Xá) qua mô hình pilot.
  • Phương pháp phân tích mẫu: Phân tích các chỉ tiêu SS, COD, $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+$, tổng Nitơ, $\text{PO}_4^{3-}$ theo các phương pháp tiêu chuẩn phân tích nước và nước thải (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater).
  • Phương pháp toán học và xử lý số liệu: Sử dụng giải tích toán học để xác định các hệ số lọc $a, b$ từ số liệu phân bố cặn theo chiều sâu $L_x$ và thời gian $t$; xác định hằng số tốc độ động học $k$ của quá trình sinh hóa bậc 1; xây dựng thuật toán và ma trận tính toán thiết kế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan công nghệ xử lý triệt để nước thải sinh hoạt bằng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các giải pháp công nghệ xử lý triệt để bậc 3 trên thế giới và trong nước. Luận án phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý vận hành và thông số kỹ thuật của 10 dạng bể lọc vật liệu nổi điển hình:

  1. Bể FPZ-1: Bể lọc một lớp hạt đồng nhất ($D = 0,7 - 1,5\text{ mm}$, chiều dày 1,0 m), dòng nước đi từ dưới lên trên, cấu tạo đơn giản và kinh tế nhất trong vận hành.
  2. Bể FPZ-2: Bể hai lớp vật liệu lọc nổi ngược chiều giảm dần độ rỗng (Lớp 1: $D = 1,0 - 2,0\text{ mm}$; Lớp 2: $D = 0,5 - 1,0\text{ mm}$), bổ sung hóa chất keo tụ tiếp xúc vào lớp thứ 2, phát huy chế độ giữ cặn thể tích.
  3. Bể FPZ-3: Bể một lớp không đồng nhất ($D = 1,0 - 4,0\text{ mm}$, chiều dày 1,2 m), hướng dòng chảy từ trên xuống dưới, vận tốc lọc $4 - 5\text{ m}/\text{h}$. Hạt to nổi lên trên, hạt mịn nằm phía dưới theo đúng chiều dòng nước, tăng dung tích giữ cặn.
  4. Bể FPZ-4: Chiều lọc từ trên xuống, hệ thống thu nước sạch đặt ở giữa và nằm ngay trong lớp vật liệu lọc nổi, cho phép đạt vận tốc lọc cao nhất trong dòng FPZ ($8 - 10\text{ m}/\text{h}$).
  5. Bể FPZ-5: Cấp nước xử lý đồng thời từ hai phía (dưới lên và trên xuống), hệ thống thu nước đặt ở giữa, tận dụng tối đa thể tích lớp vật liệu lọc.
  6. Bể áp lực FPZ-4N: Chế tạo bằng vỏ kim loại kín chịu áp lực, thích hợp cho các dây chuyền xử lý kín hoặc cần áp lực dư sau lọc.
  7. Bể FPZ-COMPACT-2: Tích hợp cụm cyclon thủy lực sơ bộ phía dưới để loại bỏ cặn thô trước khi nước đi qua lớp lọc polystyrene.
  8. Bể FPZ-COMPACT-10: Kết hợp cụm tấm lắng lamen với hai tầng lọc vật liệu nổi cỡ hạt khác nhau để tăng cường hiệu quả tách cặn.
  9. Bể Compack-6: Ứng dụng tại nhà máy xử lý nước thải TP. Vitebsk (Nga), kết hợp lớp polystyrene ($d = 1,2 - 1,8\text{ mm}$, dày $0,5 - 0,8\text{ m}$) và lớp vật liệu dạng sợi ($d = 1,8 - 2,0\text{ mm}$, dày $0,3 - 0,4\text{ m}$), vận tốc lọc $1 - 10\text{ m}/\text{h}$, cường độ rửa lọc $18 - 22\text{ l}/(\text{s}\cdot\text{m}^2)$ trong $4 - 5\text{ phút}$.
  10. Bể tự rửa xi phông thủy lực (ABioF, AFPZ-4M): Sử dụng khóa thủy lực và hệ thống xi phông tự động mồi và ngắt theo mức chênh áp giới hạn ($H_{gh}$), không cần bất kỳ động cơ van khóa hay bơm rửa ngược.

Bảng tổng hợp thông số thiết kế tiêu chuẩn của các dòng bể lọc vật liệu nổi khi xử lý triệt để nước thải sinh hoạt được tác giả trích dẫn:

Loại bể Dạng vật liệu Cỡ hạt (mm) Chiều dày (m) Vận tốc lọc (m/h) Chu kỳ lọc (h) Cường độ rửa ($\text{l}/\text{s}\cdot\text{m}^2$) Độ nở (%) Thời gian rửa (phút)
FPZ-4 1 lớp polystyrene 0,7 - 0,6 1,4 10 12 15 40 5
FPZ-5 1 lớp polystyrene 1,0 - 6,0 1,6 15 24 15 40 3

Chương 2: Cơ sở khoa học cho xử lý triệt để nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học bậc 2 bằng bể lọc vật liệu lọc nổi

Nội dung chương 2 tập trung xây dựng cơ sở toán học và cơ chế phản ứng sinh hóa:

  • Cơ sở thủy lực và giữ cặn cơ học: Phân tích đặc tính không gian rỗng bị lấp đầy bởi cặn bùn hoạt tính sót lại sau bể lắng 2. Xây dựng phương pháp giải hệ phương trình vi phân quá trình lọc để xác lập mối quan hệ giữa tỷ số cặn đầu ra/đầu vào ($C_t/C_0$), chiều sâu lớp lọc ($x$) và thời gian lọc ($t$). Xác lập phương trình tổn thất áp lực $\Delta H$ tăng dần theo thời gian làm việc để tính toán thời gian làm việc giới hạn $T_{gh}$ tương ứng với chiều cao xi phông tự rửa $H_{gh}$.
  • Cơ sở phản ứng sinh học bám dính: Làm rõ ba điều kiện tiên quyết để bể lọc nổi thực hiện chức năng kép (lọc cơ học kết hợp phản ứng sinh học):
    1. Hình thành và duy trì màng vi sinh vật cố định trên bề mặt hạt polystyrene nhẹ;
    2. Bổ sung oxy hòa tan (DO) trong nước thải cấp vào bể lọc thông qua thiết bị làm thoáng hoặc ejector khí;
    3. Duy trì chu kỳ lọc kéo dài nhằm đảm bảo thời gian tiếp xúc của màng sinh học với các chất nền ô nhiễm hòa tan.
  • Phương pháp xác định thông số động học: Thiết lập phương pháp đồ thị hóa để tìm bậc phản ứng $m$ và hằng số tốc độ $k$. Đối với các chỉ tiêu $\text{BOD}_5, \text{COD}, \text{NH}_4^+$, đồ thị quan hệ $\ln(S_t/S_0)$ theo thời gian $t$ cho dạng đường thẳng, chứng minh quá trình xử lý sinh hóa trong lớp vật liệu lọc nổi diễn ra theo động học bậc 1.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm quá trình xử lý triệt để nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học bậc 2 bằng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa

Chương 3 trình bày toàn bộ kết quả thí nghiệm trên mô hình pilot tại Công ty TNHH Young One Nam Định và xây dựng quy trình tính toán:

  • Thực nghiệm ở các dải vận tốc lọc: Khảo sát toàn diện tại 4 chế độ vận tốc lọc $v = 5,0\text{ m}/\text{h}$; $7,5\text{ m}/\text{h}$; $10,0\text{ m}/\text{h}$ và $12,5\text{ m}/\text{h}$ với lớp vật liệu lọc nổi polystyrene P2 ($D_e = 1,22\text{ mm}$):
    • Theo dõi diễn biến nồng độ và hiệu suất xử lý theo chiều dày lớp vật liệu $L_x$ đối với SS, COD, $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+$, tổng Nitơ, $\text{PO}_4^{3-}$.
    • Đo đạc sự gia tăng tổn thất áp lực theo thời gian và chiều sâu lớp lọc để vẽ biểu đồ tổn thất cột áp.
    • Kết quả chỉ ra rằng ở các vận tốc lọc từ $5,0$ đến $7,5\text{ m}/\text{h}$, hiệu quả xử lý đồng thời cả cặn SS và các chất hữu cơ, amoni đạt mức ổn định và tối ưu nhất; khi nâng vận tốc lên $12,5\text{ m}/\text{h}$, tổn thất cột áp tăng rất nhanh làm chu kỳ lọc bị rút ngắn, hiệu suất xử lý sinh học suy giảm.
  • Thực nghiệm rửa lọc: Xác định tương quan giữa cường độ rửa lọc ($W_{rl}$) và độ nở tương đối của lớp hạt polystyrene ($e%$). Đối với hạt $D_e = 1,22\text{ mm}$, cường độ rửa lọc hợp lý được xác định nhằm đảm bảo độ nở $40 - 50%$, giúp giải phóng hoàn toàn lượng cặn bám dính mà không gây trôi dạt hạt lọc. Chiều dòng nước rửa đi từ trên xuống trùng với phương trọng lực giúp rút ngắn thời gian rửa lọc xuống dưới 5 phút.
  • Xác định các thông số công nghệ quá trình lọc SS: Bằng phương pháp bình phương bé nhất, luận án xác định chính xác các hệ số dính bám $a$ và tách cặn $b$ của lớp hạt polystyrene P2 ở các chế độ vận tốc $5,0\text{ m}/\text{h}$; $7,5\text{ m}/\text{h}$ và $10,0\text{ m}/\text{h}$. Từ đó, thiết lập công thức tính thời gian bảo vệ $T_{bv}$ theo chiều dày $L_x$ và nồng độ cặn đầu vào $C_0$.
  • Xác định các thông số động học sinh hóa: Từ đồ thị thực nghiệm $\ln(S_t/S_0) - t$, luận án xác định các hằng số tốc độ phản ứng bậc 1:
    • Hằng số phân hủy chất hữu cơ theo $\text{COD}$ ($k_{\text{COD}}$);
    • Hằng số phân hủy chất hữu cơ theo $\text{BOD}5$ ($k{\text{BOD}}$);
    • Hằng số chuyển hóa amoni ($k_{\text{NH}_4^+}$);
    • Hằng số chuyển hóa tổng Nitơ ($k_{\text{T-N}}$).
  • Xây dựng phương pháp tính toán công nghệ và ứng dụng thực tế:
    • Thiết lập quy trình tính toán gồm các bước: xác định thời gian phản ứng cần thiết $t$, tính chiều dày lớp vật liệu lọc $L_x$, kiểm tra thời gian bảo vệ $T_{bv}$, tính tổn thất áp lực giới hạn $H_{gh}$ để xác định chiều cao xi phông tự rửa, đường kính ống xi phông và diện tích mặt bằng bể lọc.
    • Ứng dụng quy trình tính toán thiết kế cụ thể cho Trạm xử lý nước thải sinh hoạt công suất $150\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ sau lắng 2. Đưa ra bảng tổng hợp thông số thiết kế hình học bể, kích thước xi phông, chế độ sục khí bổ sung DO và phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật (tiết kiệm điện năng do không dùng bơm rửa, giảm chi phí hóa chất và diện tích xây dựng).

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm rõ cơ chế làm việc tích hợp: Chứng minh bằng thực nghiệm rằng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa thủy lực có khả năng làm việc ổn định đồng thời ở hai chế độ trong cùng một công trình đơn vị: chế độ lọc cơ học (loại bỏ chất rắn lơ lửng SS) và chế độ phản ứng sinh học màng bám dính (loại bỏ chất hữu cơ hòa tan $\text{COD}, \text{BOD}_5$ và các hợp chất dinh dưỡng $\text{NH}_4^+$, tổng Nitơ, $\text{PO}_4^{3-}$).
  2. Xác lập hệ số công nghệ lọc hạt nổi: Tìm ra các hệ số lọc $a$ và $b$ đặc trưng cho lớp vật liệu lọc nổi polystyrene chuẩn hóa ($D_e = 1,22\text{ mm}$) trong điều kiện lọc nước thải sau xử lý bậc 2 ở các dải vận tốc khác nhau ($5 - 10\text{ m}/\text{h}$).
  3. Mô hình hóa động học chuyển hóa sinh hóa: Xác định được các thông số động học và chứng minh các quá trình oxy hóa chất hữu cơ ($\text{COD}, \text{BOD}_5$) và nitrat hóa chuyển hóa nitơ ($\text{NH}_4^+$, tổng Nitơ) trong lớp vật liệu lọc nổi tuân theo quy luật động học bậc 1, cung cấp cơ sở toán học để tính toán thời gian phản ứng và chiều sâu lớp vật liệu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Quy trình tính toán thiết kế đồng bộ: Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp tính toán thiết kế công nghệ bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa cho công đoạn xử lý triệt để bậc 3, kết hợp hài hòa giữa điều kiện bảo vệ chất lượng nước lọc ($T_{bv}$) và điều kiện thủy lực tự rửa xi phông ($T_{gh}, H_{gh}$).
  2. Khẳng định tính khả thi qua công trình thực tế: Thiết kế ứng dụng thành công cho Trạm xử lý nước thải sinh hoạt công suất $150\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Kết quả tính toán cho thấy công trình hoạt động hoàn toàn tự động bằng thủy lực, tiết kiệm năng lượng điện do không dùng bơm rửa lọc và máy nén khí rửa ngược, giảm chi phí vận hành và diện tích chiếm đất so với các bể lọc cát truyền thống.

Kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng mô hình bể lọc nổi tự rửa để cải tạo nâng cấp các trạm xử lý nước thải sinh hoạt hiện hữu chưa đạt tiêu chuẩn xả thải hoặc có nhu cầu tái sử dụng nước thải sinh hoạt.
  • Tiếp tục số hóa thuật toán tính toán công nghệ thành phần mềm chuyên dụng hỗ trợ công tác tư vấn thiết kế chuyên ngành Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu của luận án mới chỉ tập trung khảo sát trên một loại vật liệu lọc nổi polystyrene hạt nhỏ ($D_e = 1,22\text{ mm}$); nguồn nước thải thực nghiệm được lấy tại một địa điểm cụ thể (nước thải sinh hoạt sau xử lý bậc 2 của nhà máy may mặc Young One Nam Định); chưa khảo sát thực nghiệm mở rộng đối với các loại nước thải công nghiệp đặc thù hoặc nước thải sinh hoạt có tỷ lệ $\text{COD}/\text{TKN}$ quá thấp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Nghiên cứu thực nghiệm so sánh với các loại vật liệu lọc nổi khác như hạt polystyrene cỡ lớn ($D_e = 3,19\text{ mm}$), giá thể MBBR dạng bánh xe (K1, K2, K3) hoặc các loại polymer xốp tái chế.
    2. Mở rộng dải nghiên cứu với việc định lượng chính xác lượng oxy hòa tan cấp trước bể lọc và bổ sung nguồn cơ chất carbon ngoài khi cần tối ưu hóa quá trình khử nitrat triệt để.
    3. Lập trình và thương mại hóa phần mềm tính toán tự động cụm bể lọc tự rửa vật liệu nổi phục vụ thiết kế công trình.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật cơ sở hạ tầng, Kỹ thuật môi trường, Cấp thoát nước: Cung cấp phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm pilot, cách xử lý dữ liệu động học sinh hóa và giải hệ phương trình vi phân lọc chất lơ lửng.
  • Kỹ sư và đơn vị tư vấn thiết kế công trình xử lý nước thải: Sử dụng trực tiếp quy trình tính toán thiết kế bể lọc nổi tự rửa, công thức tính toán xi phông thủy lực, xác định diện tích lọc và chiều dày lớp hạt tại Chương 3 để áp dụng vào các dự án thực tế.
  • Cơ quan quản lý và vận hành trạm xử lý nước thải: Cung cấp giải pháp kỹ thuật có chi phí đầu tư và vận hành thấp, cấu tạo đơn giản, không phụ thuộc vào thiết bị điện tử phức tạp, thích hợp cho các khu đô thị mới, trạm xử lý nước thải phân tán hoặc vùng nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý tự động rửa lọc bằng thủy lực của bể lọc vật liệu lọc nổi diễn ra như thế nào?

Quá trình tự rửa hoàn toàn không dùng bơm hay van điện tử. Trong quá trình lọc, cặn SS bị giữ lại làm tổn thất cột áp qua lớp vật liệu nổi tăng dần, mực nước trong ống áp lực dâng cao dần. Khi tổn thất đạt đến giá trị giới hạn ($H_{gh}$), mực nước kích hoạt hệ thống xi phông hút nước rửa từ ngăn chứa nước sạch chảy ngược từ trên xuống dưới qua lớp vật liệu lọc để cuốn cặn bẩn ra ngoài qua đường xả cặn. Khi mực nước trong ngăn chứa nước rửa hạ xuống mức quy định, không khí lọt vào qua ống ngắt xi phông, phá vỡ chân không và kết thúc chu kỳ rửa, đưa bể trở lại chu kỳ lọc mới.

2. Vật liệu lọc polystyrene hạt nhỏ P2 sử dụng trong nghiên cứu có những đặc tính kỹ thuật nào?

Hạt polystyrene P2 có đường kính hữu dụng $D_e = 1,22\text{ mm}$, hệ số không đồng nhất $K_d = 1,38$, khối lượng riêng khô $\gamma_0 = 45,01\text{ kg}/\text{m}^3$, độ rỗng xốp ban đầu $e = 41,00%$, hệ số hình dạng $\alpha = 1,1 - 1,5$. Vật liệu có độ bền cơ học cao (không vỡ vụn khi rung lắc 24 giờ) và độ bền hóa học tốt (không biến dạng trong dung dịch $\text{HCl } 0,1\text{M}$ và $\text{NaOH } 0,5\text{M}$ ở $50^\circ\text{C}$ sau 48 giờ).

3. Những vận tốc lọc nào đã được khảo sát trên mô hình pilot và vận tốc nào cho kết quả tối ưu?

Thực nghiệm tiến hành khảo sát ở 4 dải vận tốc lọc: $v = 5,0\text{ m}/\text{h}$; $7,5\text{ m}/\text{h}$; $10,0\text{ m}/\text{h}$ và $12,5\text{ m}/\text{h}$. Kết quả cho thấy chế độ vận tốc $v = 5,0 - 7,5\text{ m}/\text{h}$ là tối ưu, cho phép cân bằng tốt nhất giữa hiệu suất giữ cặn cơ học SS, hiệu quả xử lý sinh học $\text{BOD}_5, \text{COD}, \text{NH}_4^+$ và duy trì chu kỳ lọc kéo dài hợp lý trước khi xi phông tự rửa kích hoạt.

4. Quá trình xử lý các chất ô nhiễm hòa tan (COD, BOD5, Amoni, tổng Nitơ) trong bể lọc nổi tuân theo mô hình động học nào?

Dữ liệu thực nghiệm phân tích dọc theo chiều sâu lớp vật liệu lọc qua các mốc thời gian chứng minh rằng sự suy giảm nồng độ của các chất ô nhiễm hòa tan ($\text{COD}, \text{BOD}_5, \text{NH}_4^+$, tổng Nitơ) tuân theo phương trình động học phản ứng bậc 1. Trong hệ tọa độ $(\ln(S_t/S_0), t)$, đồ thị quan hệ biểu diễn dưới dạng đường thẳng với hệ số tương quan cao, cho phép trích xuất các hằng số tốc độ phản ứng $k$.

5. Quy mô công trình thực tế mà luận án ứng dụng tính toán thiết kế là bao nhiêu?

Luận án ứng dụng cơ sở lý thuyết và các thông số thực nghiệm để tính toán thiết kế cụm bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa xử lý triệt để bậc 3 cho Trạm xử lý nước thải sinh hoạt có công suất $150\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, tiếp nhận nước thải sau bể lắng sinh học đợt 2, nhằm đưa chất lượng nước sau xử lý đạt quy chuẩn xả thải môi trường và phục vụ mục đích tái sử dụng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của NCS. Phạm Văn Dương đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu phát triển công nghệ xử lý triệt để nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học bậc 2 bằng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa. Bằng nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm pilot hiện trường với hạt polystyrene chuẩn hóa ($D_e = 1,22\text{ mm}$), luận án đã chứng minh khả năng tích hợp hiệu quả giữa lọc cơ học giữ cặn SS và xử lý sinh học bám dính loại bỏ $\text{BOD}_5, \text{COD}$ và Nitơ theo động học bậc 1. Các hệ số công nghệ lọc, hằng số động học và quy trình tính toán thủy lực xi phông tự rửa được xác lập đầy đủ, cung cấp căn cứ khoa học và giải pháp thực tiễn tin cậy cho thiết kế xây dựng các trạm xử lý nước thải sinh hoạt quy mô vừa và nhỏ.