Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh hiện đang đối mặt với thách thức lớn trong quản lý và xử lý chất thải rắn đô thị, với lượng phát sinh trung bình khoảng 7.200-8.100 tấn/ngày. Các trạm trung chuyển rác, phần lớn nằm gần khu dân cư và có diện tích hạn chế, chưa đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn về an toàn và bảo vệ môi trường. Nước thải phát sinh từ các trạm này chứa hàm lượng ô nhiễm cao, đặc biệt là COD (3500-12000 mg/L), TKN (150-500 mg/L), cùng các ion kim loại và chất dinh dưỡng như photpho, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng nếu không được xử lý hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải kết hợp giữa lọc sinh học kỵ khí (AF) sử dụng vật liệu xốp polyurethane và màng sinh học nhúng chìm có giá thể (SMBR) trong xử lý nước rỉ rác tại trạm ép rác trung chuyển. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2013 tại phòng thí nghiệm Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, sử dụng nước thải lấy từ trạm trung chuyển số 2, quận 11.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc đề xuất công nghệ xử lý phù hợp với điều kiện hạn chế về diện tích, đồng thời đảm bảo hiệu quả xử lý cao và ổn định, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao chất lượng nước thải sau xử lý, hướng tới phát triển bền vững trong quản lý chất thải đô thị.

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. Lọc sinh học kỵ khí (Anaerobic Sponge Biofilter - AF): Sử dụng vật liệu xốp polyurethane làm giá thể, tạo môi trường cho vi sinh vật kỵ khí phát triển, phân hủy chất hữu cơ trong nước thải. Quá trình này giúp giảm tải hữu cơ với hiệu suất COD đạt từ 75% đến 90% theo các nghiên cứu trước đây.

  2. Màng sinh học nhúng chìm có giá thể (Submerged Membrane Bioreactor - SMBR): Kết hợp giữa quá trình hiếu khí và lọc màng, sử dụng màng lọc sợi rỗng với diện tích bề mặt 1 m² và giá thể sponge chiếm 20% thể tích bể, giúp tăng cường sinh khối vi sinh vật, nâng cao hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng như nitơ và photpho, đồng thời kiểm soát hiện tượng bẩn màng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tải trọng hữu cơ (OLR): Được vận hành trong khoảng 5-12 kg COD/m³/ngày.
  • Thời gian lưu bùn (SRT): 30-60 ngày, ảnh hưởng đến sự phát triển vi sinh và quá trình bẩn màng.
  • Bẩn màng (Membrane fouling): Quá trình tích tụ các chất hữu cơ, vô cơ và vi sinh vật trên bề mặt màng, ảnh hưởng đến áp suất xuyên màng (TMP) và hiệu suất lọc.
  • Chất keo tụ PACI: Được bổ sung nhằm giảm tốc độ bẩn màng và cải thiện chất lượng nước sau xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nước thải lấy trực tiếp từ trạm trung chuyển rác số 2 tại quận 11, TP. Hồ Chí Minh. Nước thải được phân tích các chỉ tiêu cơ bản như pH (4.6-5.5), COD (3500-12000 mg/L), TKN (150-500 mg/L), độ màu (300-1000 Pt-Co), và các thông số khác.

Mô hình nghiên cứu gồm hai giai đoạn chính:

  • Giai đoạn 1 và 2: Vận hành hệ thống AF + SMBR với tải trọng hữu cơ lần lượt là 8-12 và 5-7 kg COD/m³/ngày, theo dõi hiệu quả xử lý và đặc tính bẩn màng.
  • Giai đoạn 3: Thử nghiệm bổ sung chất keo tụ PACI vào hệ thống SMBR, so sánh hiệu quả xử lý và tốc độ bẩn màng với các giai đoạn trước.

Phương pháp phân tích bao gồm đo các chỉ tiêu hóa lý và sinh học theo tiêu chuẩn quốc tế, sử dụng thiết bị như máy đo pH, máy đo COD, TKN, UV-Vis để đánh giá các chỉ số ô nhiễm và đặc tính bùn. Áp suất xuyên màng (TMP) được ghi nhận hàng ngày để đánh giá tốc độ bẩn màng.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết kế phù hợp với quy mô pilot, sử dụng mẫu nước thải thực tế và bùn vi sinh từ các hệ thống xử lý đã ổn định, nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý COD: Hệ thống AF + SMBR đạt hiệu suất xử lý COD trung bình 98 ± 1.6% ở cả hai khoảng tải trọng 5-7 và 8-12 kg COD/m³/ngày. Nồng độ COD sau xử lý duy trì dưới 200 mg/L, phù hợp với tiêu chuẩn xả thải.

  2. Xử lý nitơ và photpho: Ở tải trọng 5-7 kg COD/m³/ngày, hiệu quả loại bỏ tổng nitơ (TN) đạt 48.2 ± 7%, photpho tổng (TP) cũng được xử lý hiệu quả với tỷ lệ tương tự. Quá trình cân bằng nitơ trong hệ thống được duy trì ổn định, giảm thiểu nguy cơ phát thải amoni và nitrat ra môi trường.

  3. Tốc độ bẩn màng: Tốc độ tăng áp suất xuyên màng (TMP) trong hệ thống SMBR không thêm PACI là khoảng 5 kPa/ngày ở lưu lượng dòng thấm 10 L/m²/h. Khi bổ sung PACI, tốc độ bẩn màng giảm gần 3 lần, chỉ còn khoảng 1.7 kPa/ngày, đồng thời độ màu nước thải sau xử lý giảm tới 92%, cho thấy hiệu quả kiểm soát bẩn màng và cải thiện chất lượng nước.

  4. So sánh với các công nghệ khác: Hiệu quả xử lý COD và nitơ của hệ thống kết hợp AF + SMBR vượt trội hơn so với các phương pháp sinh học truyền thống như AAO, đồng thời giảm diện tích xây dựng và chi phí vận hành nhờ tải trọng hữu cơ cao và thời gian lưu bùn tối ưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả xử lý cao của hệ thống AF + SMBR là do sự kết hợp giữa quá trình phân hủy kỵ khí hiệu quả trong bể lọc sponge polyurethane và quá trình hiếu khí với màng lọc sinh học nhúng chìm, giúp tăng cường sinh khối vi sinh và loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng. Việc bổ sung giá thể sponge trong bể MBR tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển phức tạp, nâng cao khả năng xử lý nitơ và photpho.

Tốc độ bẩn màng giảm đáng kể khi sử dụng PACI nhờ khả năng keo tụ các chất keo và polymer sinh học, hạn chế sự tích tụ trên bề mặt màng, kéo dài thời gian vận hành màng và giảm chi phí bảo trì. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng chất keo tụ trong kiểm soát bẩn màng MBR.

Biểu đồ thể hiện sự biến thiên TMP theo thời gian cho thấy điểm nhảy TMP được kiểm soát tốt hơn khi có PACI, đồng thời bảng so sánh hiệu quả xử lý COD, TN, TP giữa các giai đoạn vận hành minh chứng cho sự ổn định và hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai công nghệ AF + SMBR tại các trạm trung chuyển rác: Áp dụng hệ thống lọc sinh học kỵ khí kết hợp màng sinh học nhúng chìm với giá thể sponge nhằm xử lý nước rỉ rác hiệu quả, phù hợp với điều kiện diện tích hạn chế của các trạm. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: các đơn vị quản lý môi trường đô thị và nhà thầu công nghệ.

  2. Bổ sung chất keo tụ PACI trong vận hành MBR: Để giảm tốc độ bẩn màng, nâng cao chất lượng nước sau xử lý và kéo dài tuổi thọ màng lọc, nên áp dụng liều lượng PACI tối ưu khoảng 0,04 g/L. Thời gian thử nghiệm và điều chỉnh: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và đơn vị vận hành.

  3. Xây dựng quy trình kiểm soát bẩn màng và bảo trì định kỳ: Thiết lập hệ thống giám sát TMP, lưu lượng dòng thấm và các chỉ số chất lượng nước để kịp thời xử lý hiện tượng bẩn màng, đảm bảo vận hành ổn định. Thời gian triển khai: liên tục. Chủ thể thực hiện: đội ngũ kỹ thuật vận hành.

  4. Nâng cao năng lực quản lý và đào tạo nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ xử lý nước thải rỉ rác, vận hành hệ thống AF + SMBR và kiểm soát bẩn màng cho cán bộ kỹ thuật và quản lý. Thời gian: 6 tháng đầu triển khai. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị: Nhận diện công nghệ xử lý nước thải rỉ rác phù hợp với điều kiện thực tế, từ đó xây dựng chính sách và kế hoạch phát triển bền vững.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia công nghệ môi trường: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, vận hành và tối ưu hóa hệ thống xử lý nước thải tại các trạm trung chuyển rác.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và phân tích chuyên sâu về công nghệ lọc sinh học kỵ khí kết hợp màng sinh học.

  4. Các doanh nghiệp cung cấp thiết bị và dịch vụ xử lý nước thải: Nắm bắt xu hướng công nghệ mới, cải tiến sản phẩm và dịch vụ phù hợp với nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống AF + SMBR có phù hợp với các trạm trung chuyển rác có diện tích nhỏ không?
    Có, công nghệ này được thiết kế đặc biệt để vận hành hiệu quả trong điều kiện diện tích hạn chế, nhờ tải trọng hữu cơ cao và cấu trúc giá thể sponge giúp tăng cường xử lý trong không gian nhỏ.

  2. Tốc độ bẩn màng ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả vận hành?
    Tốc độ bẩn màng cao làm tăng áp suất xuyên màng (TMP), giảm lưu lượng dòng thấm và tăng chi phí bảo trì. Việc kiểm soát bẩn màng bằng PACI giúp giảm TMP, duy trì hiệu suất lọc ổn định.

  3. Chất keo tụ PACI được sử dụng với liều lượng bao nhiêu là tối ưu?
    Theo nghiên cứu, liều lượng khoảng 0,04 g/L PACI giúp giảm tốc độ bẩn màng và cải thiện chất lượng nước mà không gây ảnh hưởng tiêu cực đến màng lọc.

  4. Hệ thống có khả năng xử lý các chất dinh dưỡng như nitơ và photpho không?
    Có, hệ thống AF + SMBR xử lý hiệu quả nitơ và photpho với tỷ lệ loại bỏ TN đạt gần 50% ở tải trọng 5-7 kg COD/m³/ngày, góp phần giảm ô nhiễm dinh dưỡng trong nước thải.

  5. Thời gian vận hành thử nghiệm mô hình là bao lâu?
    Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 6 tháng, với các giai đoạn vận hành và điều chỉnh tải trọng hữu cơ, bổ sung PACI nhằm đánh giá toàn diện hiệu quả và đặc tính bẩn màng.

Kết luận

  • Hệ thống lọc sinh học kỵ khí kết hợp màng sinh học nhúng chìm (AF + SMBR) đạt hiệu suất xử lý COD lên đến 98 ± 1.6% ở tải trọng hữu cơ 5-12 kg COD/m³/ngày.
  • Hiệu quả loại bỏ nitơ và photpho đạt gần 50% ở tải trọng thấp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm dinh dưỡng.
  • Việc bổ sung chất keo tụ PACI làm giảm tốc độ bẩn màng gần 3 lần, đồng thời cải thiện độ màu nước thải sau xử lý tới 92%.
  • Công nghệ phù hợp với điều kiện diện tích hạn chế của các trạm trung chuyển rác đô thị, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính ổn định.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ này tại các trạm trung chuyển rác TP. Hồ Chí Minh trong vòng 12-18 tháng, đồng thời xây dựng quy trình vận hành và đào tạo nhân sự.

Hãy liên hệ với các đơn vị nghiên cứu và chuyên gia công nghệ môi trường để được tư vấn chi tiết và hỗ trợ triển khai giải pháp xử lý nước thải rỉ rác hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.