Chương 1 Mo đầu 1. Giới thiệu Biến đổi khí hậu đã đặt ra thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như giảm phát thải khí nhà kính trong quá trình vận hành xử lý nước thải. Với yêu cau ngày càng cao hơn của các tiêu chuẩn xả thải, van dé đặt ra là vừa đạt được những yêu câu của tiêu chuẩn xả thải vừa tiêu thụ năng lượng hiệu quả. Vì vậy, tối ưu hóa hiệu quả tiêu thụ năng lượng chưa đủ, nhu cầu trong tương lai cần sự tiếp cận tong thé trong toàn bộ chu trình xử lý nước.
Trong đó nước thải được xem xét dưới góc độ chất mang năng lượng có tiềm năng thu hồi được [1]. Ngày nay, những đô thị hiện đại nhất được xây dựng cùng với một mạng lưới thoát nước thải ngầm và những nhà máy xử lý nước thải bang phương pháp sinh học hiếu khí quy mô lớn để loại bỏ tat cả thành phan hữu cơ và dinh dưỡng nhằm tạo ra chất lượng nước phù hợp xả thải hay tái sử dụng. Cuối cùng quy trình xử lý hiện tại đã đi đến một hệ thống chu trình tuần hoàn nước không bên vững. Bởi vì các đô thị luôn luôn phát triển hơn, những khía cạnh tiêu cực càng trở nên rõ ràng hơn.
Thứ nhất, một lượng lớn năng lượng và chất dinh dưỡng sẵn có trong nước thải bị mắt đi. Trên thực tế, năng lượng và chất dinh dưỡng là những tài nguyên khan hiếm. Thứ hai, năng lượng từ nguồn bên ngoài được sử dụng để cấp vào cho việc vận chuyển và xu lý nước thải thành dòng ra vô hại. Ngoại trừ những hạn chế về sinh thái, việc xây dựng và duy trì một mạng lưới thoát nước ngầm là cực kỳ tốn kém.
Thách thức trong tương lai sẽ dẫn đến một quan điểm mà kết hợp cả ba yếu tố: tái sử dụng tài nguyên tích chứa trong dòng nước thải, vận hành mạng lưới thoát nước hợp tiêu chuẩn vệ sinh cùng với chi phí hợp lý [2]. Bên cạnh dòng nước thải, những dòng thải khác của chất thải hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học cũng được tạo ra. Ví dụ, chất thải từ nhà bếp và sân vườn là thường xuyên. Ở những vùng chưa có hệ thống thu gom, chất thải hữu cơ thường được kết hợp với chat thải khác và được đốt.
Trong trường hợp có hệ thông thu gom và vận chuyến, tat cả phần hữu cơ nay cũng thường được ủ mà không thu hồi khí sinh học tạo ra. Thêm vào đó, việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phương tiện vận tải ở những vùng nông thôn gặp khó khăn ở khâu hậu cân, trong khi đó ở vùng đô thị việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phương tiện vận tải có thể gây ra tắt nghẽn giao thông cũng như gây ra van dé nghiêm trọng về mùi [2]. Trong khuôn khô của các dự án SewagePlus, hiệp hội giữa các đối tác nghiên cứu và các đối tác công nghiệp đã và đang khảo sát một số khái niệm và kỹ thuật sáng tạo từ năm 2007 để thu hồi năng lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt được làm giàu hoặc dòng bùn sinh học từ trạm XLNT. Các khái niệm và kỹ thuật được Verstraete và cộng sự công bố vào năm 2009.
Quá trình làm giàu nước thải hoặc dựa trên giai đoạn cô đặc bản thân nước thải (bằng cách ly tâm, lọc màng, tạo bông sinh học hoặc hóa học) hoặc dựa trên việc trộn nước thải cô đặc hoặc bùn sinh học và dòng chất thải rắn có khả năng phân hủy sinh học đã được phân loại. Dòng chất thải được làm giàu sau đó được xử lý trong bé phân hủy ky khí sinh methane nhắm đến thu hồi năng lượng [2|. Một quy trình tân tiến mà giúp thu hồi tối đa nước, năng lượng, phân bón vô cơ và hữu cơ từ nước thải sinh hoạt được trình bày trong Hình 1. Nước thai sinh hoạt ban đầu được tiên xử lý băng biện pháp cơ học (chắn rác, lăng cát, vi loc) để xử lý cát và hạt kích thước lớn trong nước thải.
Đề cô đặc nước thải có thể áp dụng lọc cát áp lực, tuyển nối, lọc màng, hap thu sinh học hay kết hợp các biện pháp này, nhờ đó tạo ra dòng sau xử lý có chất rắn ở trạng thái lơ lửng và keo thấp. Điểm cốt yếu là chat lượng dòng ra phải phù hop với yêu cầu đầu vào của UF/RO. Do đó, nước sạch là sản phẩm dau tiên của quy trình tân tiễn này có thé được thu hồi. Qua việc áp dụng các kỹ thuật cô đặc, dòng chứa chất ô nhiễm cao được tạo ra.
Đồng này có thể được xem là có giá trị trong trường hợp áp dụng giải pháp từ chất thải thành năng lượng. Khia cạnh chất lượng phân hủy ky khí được xét đến qua yếu tố thu hồi năng lượng và khả năng xử lý của bùn đã phân hủy. Bé phân hủy ky khí xáo trộn hoàn toàn là lựa chọn được ưu tiên và vận hành trong điều kiện ưa 4m dé đảm bảo tốt hon quá trình 6n định chất hữu co và kiểm soát vi sinh vật gây bệnh. Hơn nữa, chat thải răn sinh hoạt hữu cơ như chất thải nhà bếp hay chất thải từ việc tỉa cảnh cây đường phố có thể được nạp kết hợp vào bề phân hủy ky khí để tăng sản lượng biogas nhăm mang lại hiệu quả kinh tế cho việc đầu tư lắp đặt.
Đa dạng nguon cơ chất có tác động tích cực lên khả năng 6n định quá trình phân hủy. Biogas từ bé ky khí được xử lý để loại bỏ H;S trước khi đưa vao thiết bị chuyển biogas thành nhiệt và năng lượng. Dé giảm thiểu 6 nhiễm CO», có thé chuyển CO cho trang trại nuôi tảo. Dòng sau xử lý của bể ky khí được tách nước bằng biện pháp cơ học như lọc ép, ly tâm tạo thành mùn giàu phospho.
Bồ sung vôi có thể được áp dụng để tăng hiệu quả tách và thu lượng phospho trong mùn dưới dạng khả dụng sinh học. Phần mùn sau đó được say khô nhằm giảm van dé mùi và chi phí vận chuyển. Bên cạnh dòng ran này còn tạo ra dòng lỏng. Dòng này chứa phân lớn nitrogen dưới dạng ammonia.
Dạng này có thé được thu hồi dưới dạng muối băng tách khí và sau đó rửa acid. Giải pháp khác là nitrat hóa ammonia sau đó lọc RO tạo ra nước sau xử lý chất lượng cao. Muối nitrat đậm đặc được chế biến thành phân bón ôn định tự nhiên. Bun đã sây khô có thể xem như nguồn năng lượng qua việc đốt tạo hơi nóng để sản xuất điện.
Một kỹ thuật khác là khí hóa tạo nhiên liệu dạng hơi mà có thể được thu hồi bằng thiết bị sản sinh điện và nhiệt kết hợp. Nhiệt phân sinh khối thành hơi nước, dầu sinh học và than được quan tâm gần đây vì có thé thu lại carbon ở dang than [3]. Cai tạo đất băng than sinh học không những giúp thu lai carbon mà còn tăng cường tinh màu mỡ và phì nhiêu của đât [4]. Dòng nước (chiếm phần lớn) , X nae Nước sạch Nước thải ——®»| Lọc —> Cô đặc —> | UF/RO > | \ 6 1/Thiết bị nhiét-dién; Hạt thô Phân hủy Biogas , , , n ; —> —> ky khi 2/CO; su dụng cho | trang trại nuôi tảo Dòng cặn và Lọc băng › Nước chứa oo bùn tai nhiêu nitrogen ->, Phân bón đã ôn (tối đa | định tự nhiên 10%) | Bánh bùn giau phospho Nhiét q phan Hình 1.1: Sơ đồ quy trình xử ly nước thai sinh hoạt dựa trên quan điểm SewagePlus thu hồi tối đa tài nguyên [3] Trước yêu cầu đặt ra như trên, đề tài “Đồng phân hủy ky khí dòng cô đặc nước thải sinh hoạt và chất thải nhà bếp theo hướng thu hồi nguồn năng lượng” được tiến hành nghiên cứu nhăm chứng minh cơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn của quan điểm trên.
Mục tiêu nghiên cứu Phát triển mô hình làm giàu nước thải sinh hoạt bằng cách cô đặc bởi màng ME trước khi đưa vào sử dụng làm cơ chất cho quá trình đồng phân hủy ky khí kết hợp với chất thải hữu co nhà bếp theo hướng thu hồi khí sinh học làm nguồn năng lượng. Pham vi nghiên cứu Nghiên cứu nay được tiến hành trên một mô hình cô đặc bằng màng MF quy mô phòng thí nghiệm đặt tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài Nguyên, trường ĐHBK Tp. Đối tượng nghiên cứu là nước thải sinh hoạt cùng với chất thải nhà bếp đã phân loại từ canteen bên cạnh khu nhà C6 trong khuôn viên trường ĐHBK Tp. HCM Trong nghiên cứu này giai đoạn khởi động bể ky khí được tiễn hành băng chat thải nhà bếp đã phân loại kết hợp với NTSH chưa cô đặc.
Do thời gian có hạn giai đoạn vận hành bé ky khí với nước thải cô đặc sẽ được triển khai trong công trình nghiên cứu nối tiếp trong tương lai. Đặc tính ban màng và ảnh hưởng của ban màng khi xem xét qua yếu tố tốc độ cô đặc và xu hướng biến thiên dòng vật chất hữu cơ tính theo COD được đánh giá. Tính khả thi của công nghệ làm giàu nước thải sinh hoạt theo quan điểm SewagePlus được thảo luận cho trường hợp xử lý ở quy mô phân tán tại nguồn. Y nghĩa khoa học thực tiễn và tinh mới của đề tài 1.
Thu hồi năng lượng trong chu trình sử dụng nước Bảo vệ môi trường và quản lý tài nguyên thiên nhiên một cách bền vững được xem là vấn đề hàng đầu trong toàn bộ hoạt động kinh tế kỹ thuật toàn cầu. Công nghệ xử lý nước thải hiện tại không nhăm đến thu hỏi tài nguyên, vì thế không bên vững. Nước thải là một nguồn dồi dào chất hữu cơ vì thế có thé xem như một chất chuyển tải năng lượng. Một sự tiếp cận bền vững hơn nhắm đến thu hôi tài nguyên thông qua công nghệ và giải pháp săn có nên được triên khai áp dụng.
Ưu tiên xử lý tại nguồn Trong quy trình xử lý truyền thống nước thải được chuyền trong hệ thông cống bởi trọng lực. Phần chất thải răn hữu cơ được xe tải đến chỗ xử lý, đốt hay ủ compost. Trong cả hai trường hợp khí nhà kính tạo ra trong quá trình này do quá trình tự len men trước khi xử lý. Hau hết những ứng dung của quy trình xử lý ky khí cho nước thải hiện nay chủ yếu là xử lý cuối đường ông.
Dé tránh hệ thông công quy mô và hành trình chuyển chat thai dai, người ta đang gia tăng chú ý đối với giải pháp xử lý thân thiện sinh thái hơn, quy mô nhỏ, tại nguồn, nhắm đến thu hồi tài nguyên (nước, chất dinh dưỡng và năng lượng) từ chất thải và nước thải.