Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với áp lực gia tăng chất thải sinh hoạt tại các đô thị, với lượng rác thải rắn sinh hoạt dự kiến đạt khoảng 83 triệu tấn vào năm 2025, trong đó hơn 60% là chất thải hữu cơ. Đồng thời, tỷ lệ nước thải sinh hoạt được thu gom và xử lý mới đạt khoảng 20%, gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng. Trước thực trạng này, việc ứng dụng công nghệ xử lý nước thải và chất thải rắn hữu cơ hiệu quả, thân thiện môi trường và tiết kiệm năng lượng là cấp thiết. Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) cho đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt tại TP. Hồ Chí Minh, nhằm đánh giá hiệu quả xử lý, khả năng thu hồi khí sinh học và đặc tính bẩn màng trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Mô hình thí nghiệm được vận hành trong khoảng thời gian 180 ngày, với các thời gian lưu nước (HRT) 48 giờ, 36 giờ và 24 giờ, tương ứng với các tải trọng hữu cơ (OLR) từ 0,9 đến 3,5 kgCOD/ngày. Nghiên cứu nhằm mục tiêu xác định hiệu suất loại bỏ COD, TKN, TP, sản lượng khí sinh học, cũng như đánh giá áp suất chuyển màng (TMP) và đặc tính bẩn màng trong quá trình vận hành. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp xử lý nước thải và chất thải rắn hữu cơ quy mô nhỏ, thân thiện môi trường, đồng thời góp phần thúc đẩy tái sử dụng tài nguyên và thu hồi năng lượng sinh học tại các đô thị Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) kết hợp quá trình phân hủy kỵ khí với màng siêu lọc (UF) hoặc lọc vi mô (MF), giữ lại sinh khối và các chất rắn lơ lửng, giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải. Hai lý thuyết chính được áp dụng trong nghiên cứu là:

  • Lý thuyết phân hủy kỵ khí: Quá trình vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ thành khí sinh học (methane và CO2), với hiệu suất phụ thuộc vào các yếu tố như pH, nhiệt độ, tải trọng hữu cơ và thời gian lưu nước (HRT). pH tối ưu cho vi sinh vật methanogen là 6,8-7,4, trong khi vi sinh vật sản xuất axit hoạt động tốt ở pH 5,5-6,5.

  • Lý thuyết màng lọc: Màng UF có kích thước khe rỗng 0,02-0,04 µm, giữ lại các chất rắn lơ lửng và sinh khối, đồng thời cho phép dòng nước thấm qua. Áp suất chuyển màng (TMP) và trở lực màng (Rt) là các chỉ số quan trọng đánh giá mức độ bẩn màng và hiệu suất lọc.

Các khái niệm chính bao gồm: COD (Chemical Oxygen Demand), TKN (Tổng Nitrogen Kjeldahl), TP (Tổng Phospho), VFA (Volatile Fatty Acids), TMP (Transmembrane Pressure), OLR (Organic Loading Rate), HRT (Hydraulic Retention Time), MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm đặt tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Mô hình gồm bể kỵ khí UASB thể tích 8,5 L và bể màng UF thể tích 4 L, sử dụng màng polyethersulfone dạng sợi rỗng với diện tích 0,05 m². Hỗn hợp chất thải rắn hữu cơ (0,72 kg/người/ngày) và nước thải sinh hoạt (150 lít/người/ngày) được phối trộn theo tỷ lệ thực tế và nạp vào hệ thống.

Phương pháp phân tích bao gồm đo các chỉ tiêu COD, TKN, N-NH4+, TP, VFA, pH, độ kiềm, áp suất chuyển màng (TMP), lưu lượng khí sinh học và lưu lượng nước thấm. Cỡ mẫu được lấy liên tục trong 180 ngày, với mỗi điều kiện HRT vận hành từ 30-45 ngày. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2013 và các phương pháp thống kê toán học.

Phương pháp đo trở lực màng lọc được thực hiện qua các bước xác định trở lực màng sạch (Rm), trở lực do lớp bẩn bám ngoài màng (Rc) và trở lực do chất bẩn chui vào lỗ màng (Ra). Lưu lượng khí sinh học được đo bằng thiết bị hộp lật khí, lưu lượng nước thấm đo bằng hộp lật nước. Cân bằng vật chất C, N, P được tính toán dựa trên nồng độ và lưu lượng dòng vào, dòng thấm, khí sinh học và bùn tích lũy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất loại bỏ COD: Ở HRT 48 giờ và OLR 0,9 kgCOD/ngày, hiệu suất loại bỏ COD đạt 91,1%. Khi tăng tải trọng lên 3,5 kgCOD/ngày và giảm HRT xuống 24 giờ, hiệu suất giảm xuống 83,8%, cho thấy dấu hiệu quá tải. Ở HRT 36 giờ với OLR 1,5 và 2,0 kgCOD/ngày, hiệu suất ổn định ở mức 89,7% và 88,7% tương ứng.

  2. Loại bỏ TKN và TP: Hiệu suất loại bỏ TKN thấp, dao động từ 5,67% đến 8,93% tùy điều kiện vận hành. Hiệu suất loại bỏ TP cũng thấp, chỉ khoảng 5-13%. Nồng độ N-NH4+ trong dòng thấm tăng so với dòng vào do ammonolysis và không bị giữ lại bởi màng UF.

  3. Sản lượng khí sinh học: Ở HRT 48 giờ, sản lượng khí sinh học thu được là 1,12 lít/ngày; tại HRT 24 giờ là 1,53 lít/ngày với OLR 1,5 kgCOD/ngày và tăng lên 2,0 lít/ngày khi OLR tăng lên 2,0 kgCOD/ngày. Hàm lượng methane trong khí sinh học giảm khi nồng độ VFA tăng.

  4. Đặc tính bẩn màng và áp suất chuyển màng (TMP): TMP tăng nhanh khi nồng độ chất rắn tổng (TS) tăng. Ở HRT 48 giờ, TMP đạt gần 50 kPa vào ngày thứ 26; ở HRT 24 giờ, TMP đạt 50 kPa vào ngày thứ 10. Ở HRT 36 giờ, TMP đạt 50 kPa vào ngày thứ 18 với OLR 1,5 kgCOD/ngày và ngày thứ 15 với OLR 2,0 kgCOD/ngày.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất xử lý COD cao và ổn định ở HRT 48 giờ và 36 giờ cho thấy thời gian lưu nước này phù hợp để vi sinh vật kỵ khí phát triển và phân hủy hiệu quả chất hữu cơ. Giảm HRT xuống 24 giờ và tăng tải trọng hữu cơ gây quá tải, làm giảm hiệu suất xử lý và tăng bùn nổi trong bể UASB. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về AnMBR xử lý nước thải sinh hoạt và chất thải hữu cơ.

Hiệu quả loại bỏ TKN và TP thấp do các chất này tồn tại dưới dạng ion nhỏ, không bị giữ lại bởi màng UF và không bị phân hủy hoàn toàn trong quá trình kỵ khí. Nồng độ N-NH4+ tăng trong dòng thấm phản ánh quá trình ammonolysis diễn ra mạnh, cần có biện pháp xử lý bổ sung để kiểm soát dinh dưỡng.

Sản lượng khí sinh học tăng theo tải trọng hữu cơ và giảm HRT, tuy nhiên hàm lượng methane giảm khi nồng độ VFA tăng, do môi trường axit hóa ảnh hưởng đến vi sinh methanogen. TMP tăng nhanh khi nồng độ TS tăng cho thấy bẩn màng là thách thức lớn trong vận hành AnMBR, cần kiểm soát tốt để duy trì hiệu suất lọc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên TMP theo thời gian, biểu đồ hiệu suất loại bỏ COD theo HRT và OLR, cũng như bảng cân bằng vật chất C, N, P để minh họa rõ ràng các xu hướng và hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thời gian lưu nước (HRT): Khuyến nghị vận hành AnMBR ở HRT từ 36 đến 48 giờ để đảm bảo hiệu suất xử lý COD trên 89% và ổn định sản lượng khí sinh học. Thời gian này giúp tránh quá tải và giảm bùn nổi trong bể UASB. Chủ thể thực hiện: các nhà quản lý và kỹ thuật vận hành nhà máy xử lý nước thải; thời gian áp dụng: ngay khi triển khai.

  2. Kiểm soát tải trọng hữu cơ (OLR): Giữ OLR trong khoảng 0,9 đến 2,0 kgCOD/ngày để tránh hiện tượng sốc tải, giảm hiệu suất xử lý và tăng bẩn màng. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật vận hành; thời gian áp dụng: liên tục trong quá trình vận hành.

  3. Quản lý bẩn màng và áp suất chuyển màng (TMP): Áp dụng thiết bị rung màng và quy trình rửa hóa chất định kỳ để kiểm soát TMP dưới 50 kPa, kéo dài tuổi thọ màng và duy trì thông lượng lọc. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật vận hành; thời gian áp dụng: hàng ngày và theo lịch bảo trì.

  4. Xử lý bổ sung dinh dưỡng: Do hiệu quả loại bỏ TKN và TP thấp, cần nghiên cứu và áp dụng các công nghệ xử lý bổ sung như xử lý sinh học thiếu khí hoặc kết hợp với công nghệ khác để kiểm soát dinh dưỡng, tránh ô nhiễm môi trường. Chủ thể thực hiện: nhà nghiên cứu và đơn vị vận hành; thời gian áp dụng: giai đoạn nâng cấp hệ thống.

  5. Phát triển mô hình xử lý phân tán quy mô nhỏ: Khuyến khích áp dụng AnMBR cho các khu dân cư, cơ sở sản xuất nhỏ nhằm giảm chi phí vận chuyển, thu gom và xử lý tập trung, đồng thời tận dụng nguồn năng lượng sinh học thu hồi được. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương, nhà đầu tư; thời gian áp dụng: trung hạn (1-3 năm).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và giải pháp công nghệ phù hợp để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải và chất thải rắn hữu cơ, giúp hoạch định chính sách và đầu tư công trình xử lý.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin chi tiết về vận hành mô hình AnMBR, các thông số kỹ thuật, hiệu suất xử lý và quản lý bẩn màng là tài liệu tham khảo quý giá cho thiết kế và vận hành hệ thống.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn trình bày cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm có giá trị học thuật, hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý nước thải và chất thải hữu cơ.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực xử lý chất thải: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ AnMBR, khả năng thu hồi năng lượng và lợi ích kinh tế từ việc đồng xử lý chất thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ AnMBR là gì và ưu điểm chính của nó?
    AnMBR là công nghệ kết hợp xử lý sinh học kỵ khí với màng siêu lọc, giúp giữ lại sinh khối và chất rắn lơ lửng, nâng cao hiệu quả xử lý, giảm bùn thải và thu hồi khí sinh học làm nguồn năng lượng tái tạo.

  2. Thời gian lưu nước (HRT) ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất xử lý?
    HRT dài hơn (36-48 giờ) giúp vi sinh vật kỵ khí phát triển ổn định, tăng hiệu suất loại bỏ COD trên 89%. HRT quá ngắn (24 giờ) gây quá tải, giảm hiệu suất và tăng bùn nổi.

  3. Tải trọng hữu cơ (OLR) tối ưu cho mô hình là bao nhiêu?
    OLR từ 0,9 đến 2,0 kgCOD/ngày được khuyến nghị để duy trì hiệu suất xử lý cao và tránh hiện tượng sốc tải, giảm bẩn màng.

  4. Làm thế nào để kiểm soát bẩn màng trong AnMBR?
    Sử dụng thiết bị rung màng, quy trình rửa hóa chất định kỳ và kiểm soát nồng độ chất rắn tổng trong bể giúp giảm áp suất chuyển màng (TMP), kéo dài tuổi thọ màng và duy trì thông lượng lọc.

  5. Khả năng thu hồi khí sinh học từ công nghệ này như thế nào?
    Sản lượng khí sinh học đạt từ 1,12 đến 2,0 lít/ngày tùy điều kiện vận hành, với hàm lượng methane giảm khi nồng độ VFA tăng. Khí sinh học có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ.

Kết luận

  • Công nghệ AnMBR hiệu quả trong đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt, đạt hiệu suất loại bỏ COD ổn định từ 88,7% đến 91,1% ở HRT 36-48 giờ.
  • Hiệu quả loại bỏ TKN và TP còn hạn chế, cần bổ sung công nghệ xử lý dinh dưỡng để đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.
  • Sản lượng khí sinh học thu hồi tăng theo tải trọng hữu cơ, có tiềm năng sử dụng làm nguồn năng lượng tái tạo.
  • Áp suất chuyển màng (TMP) và bẩn màng là thách thức trong vận hành, cần kiểm soát bằng thiết bị rung và quy trình rửa màng hợp lý.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống xử lý phân tán quy mô nhỏ, thân thiện môi trường và tiết kiệm năng lượng cho các đô thị Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô thực nghiệm, đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường khi áp dụng công nghệ AnMBR trong thực tế. Các đơn vị quản lý và vận hành được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả xử lý và thu hồi năng lượng từ chất thải sinh hoạt.