Đặt vấn đề Hiện nay hầu hết các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ở các đô thị nước ta tập trung đầu tư xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí quy mô lớn để loại bỏ tất cả thành phần hữu cơ và dinh dưỡng nhằm tạo ra chất lượng nước phù hợp với tiêu chuẩn xả thải Việt Nam. Cách tiếp cận "xử lý cuối đường ống" này được xem là không bền vững do tiêu thụ lượng lớn năng lượng để vận chuyển, xử lý nước thải và chất dinh dưỡng sẵn có trong nước thải bị mất đi qua các quá trình xử lý. Thách thức trong tương lai là làm sao tìm được cách tiếp cận cho hệ thống xử lý nước thải mà ở đó kết hợp được ba yếu tố: tái sử dụng tài nguyên sẵn có trong nước thải, vận hành hệ thống xử lý nước thải hợp tiêu chuẩn vệ sinh cùng với tiết kiệm chi phí xử lý [1]. Bên cạnh nước thải, chất thải rắn hữu cơ phát sinh từ hoạt động sinh hoạt của con người như rác nhà bếp, rác sân vườn, rác chợ, v.v…là nguồn năng lượng sinh khối cần quan tâm.
Ở những vùng chưa có hệ thống thu gom, chất thải hữu cơ thường được kết hợp với chất thải khác mang đi đốt hoặc làm phân hữu cơ. Trong trường hợp có hệ thống thu gom và vận chuyển, phần lớn rác hữu cơ được mang đến bãi chôn lấp hoặc vận chuyển đến nhà máy compost mà không thu hồi khí sinh học [2]. Thêm vào đó, việc thu gom chất thải hữu cơ bằng phương tiện vận tải ở những vùng nông thôn gặp khó khăn. 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 vấn đề nghiêm trọng về phát sinh mùi.
Trong những năm gần đây, nhu cầu tái chế các sản phẩm hữu cơ, phục hồi năng lượng từ chất thải đã thúc đẩy sự phát triển các công nghệ kỵ khí xử lý chất thải đô thị ở nhiều nơi trên thế giới [3]. Forum – một tổ chức phi lợi nhuận có trụ sở tại Colombo, Sri Lanka đang tìm kiếm phương án để khuyến 1 khích người dân Sri Lanka chấp nhận các chính sách về năng lượng tái tạo, phát triển đất nước mà không tăng lượng phát thải Cacbon, bao gồm việc sử dụng khí sinh học trong các gia đình ở Sri Lanka [4]. Tại Anh, các nhà máy đồng xử lý đầu tiên đã được lắp đặt tại Holsworthy, Devon để xử lý phân gia súc kết hợp chất thải thực phẩm. Tuy nhiên, đồng xử lý bùn thải với chất thải thực phẩm chưa được hiệu quả và ứng dụng rộng rãi.
Vì thế, những quyết định gần đây đã được thực hiện ở Anh để thúc đẩy các nghiên cứu sử dụng các đồng xử lý của chất thải thực phẩm với bùn thải và nước thải sau bể tự hoại như là một tiềm năng tái tạo năng lượng [5]. Đây có thể là một cơ hội lớn cho ngành công nghiệp nước để tăng năng lượng tái tạo, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Dự án Sewage Plus đã đưa ra khái niệm và kỹ thuật sáng tạo để thu hồi năng lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt hoặc dòng bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải và được công bố vào năm 2009. Quá trình làm giàu/cô đặc nước thải dựa trên công đoạn cô đặc nước thải bằng ly tâm, lọc màng, tạo bông sinh học,hóa học; từ đó trộn nước thải cô đặc (hoặc bùn sinh học) với dòng chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học.
Dòng chất thải được cô đặc sau đó được xử lý trong bể phân hủy kỵ khí sinh khí sinh học để thu hồi năng lượng [6;7]. Cùng với quan điểm này dự án Sewage Plus với mục đích thu hồi năng lượng tối đa từ nước thải sinh hoạt đã được triển khai nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa TP. Nghiên cứu Cương (2015) sử dụng màng UF cô đặc nước thải sinh hoạt, nước thải căn tin bằng phương pháp sục khí tự nhiên cho thấy chất lượng nước nước sau xử lý ổn định, đạt tiêu chuẩn xả thải Việt Nam tuy nhiên lượng COD thất thoát nhiều lên đến gần 36% [8]. Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lượng nước đầu ra 2 sau lọc màng tương đối ổn định, đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 14:2008/BTNMT, quá trình đồng phân huỷ kỵ khí cho sản lượng khí sinh học cao 0,43 m3.
Tuy nhiên nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng quá trình cô đặc màng dòng đậm đặc thất thoát đến 70% COD đầu vào. Nồng độ COD nước sau xử lý kỵ khí vẫn còn cao, có sai số lớn, không ổn định là vấn đề cần phải được quan tâm, nghiên cứu. Công nghệ MBR đang được ứng dụng khá tốt để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí hoặc cô đặc màng. Tuy nhiên, về mặt thu hồi năngchất thải thực phẩm chưa được hiệu quả và ứng dụng rộng rãi.
Vì thế, những quyết định gần đây đã được thực hiện ở Anh để thúc đẩy các nghiên cứu sử dụng các đồng xử lý của chất thải thực phẩm với bùn thải và nước thải sau bể tự hoại như là một tiềm năng tái tạo năng lượng [5]. Đây có thể là một cơ hội lớn cho ngành công nghiệp nước để tăng năng lượng tái tạo, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Dự án Sewage Plus đã đưa ra khái niệm và kỹ thuật sáng tạo để thu hồi năng lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt hoặc dòng bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải và được công bố vào năm 2009. Quá trình làm giàu/cô đặc nước thải dựa trên công đoạn cô đặc nước thải bằng ly tâm, lọc màng, tạo bông sinh học,hóa học; từ đó trộn nước thải cô đặc (hoặc bùn sinh học) với dòng chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học.
Dòng chất thải được cô đặc sau đó được xử lý trong bể phân hủy kỵ khí sinh khí sinh học để thu hồi năng lượng [6;7].2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả trong việc ứng dụng công nghệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) cho đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt cho cộng đồng dân cư và tiềm năng thu hồi khí sinh học.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu này xác định hiệu quả xử lý, sản lượng khí sinh học, đặc tính bẩn màng công nghệ AnMBR ở tại trọng lần lượt là: 0,9; 1.ngày-1) với thời gian lưu 48 giờ, 36 giờ ở hai tải trọng tiếp theo và 24 giờ ở tải trọng cuối. Từ đó đánh giá cân bằng C, N, P khi đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ – nước thải sinh hoạt.4 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi của nghiên cứu này được thực hiện với mô hình quy mô phòng thí nghiệm đặt tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên, trường Đại học Bách Khoa TP. Nước thải sinh hoạt được thu gom từ lô 6, chung cư Phú Thọ, đường Lữ Gia, phường 15, quận 11, TP. HCM và chất thải rắn hữu cơ được thu gom tại căn tin nhà C6 trường Đại học Bách khoa TP.
Hiệu quả xử lý của mô hình AnMBR, khả năng thu hồi khí sinh học và chất dinh dưỡng được đánh giá 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn và tính mới của đề tài Để tránh việc đầu tư hệ thống thoát nước có chi phí cao, hành trình vận chuyển nước thải dài, thu gom rác thải dễ gây ô nhiễm môi trường thì cần có thêm các nghiên cứu cho xử lý phân tán tại từng địa phương, quy mô nhỏ, đặc thù và thân thiện hơn với môi trường. Từ đó, ý tưởng về xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ AnMBR được đề xuất dựa trên sự phù hợp với yêu cầu tái sử dụng nước sau xử lý cho trồng trọt, chăn nuôi, đồng thời tận dụng nguồn năng lượng từ quá trình kỵ khí để phục vụ phát điện tại chỗ cho các đơn vị, các hộ gia đình. Kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá hiệu quả xử lý và tiềm năng thu hồi khí sinh học khi kết hợp đồng xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt có kết hợp nước sau bể tự hoại bằng công nghệ AnMBR. Từ đó xác định được thông số thời gian lưu mô hình AnMBR phù hợp để tăng hiệu suất xử lý và cải thiện sản lượng khí sinh học thu hồi.
Đánh giá đặc tính bẩn màng kỵ khí AnMBR, khi không sục khí biogas hoặc nitơ để giảm bẩn màng mà thay vào đó gắn motor vào khung màng để tránh 4 làm thất thoát dòng khí, qua đó kiểm soát lượng khí và lượng bùn tốt hơn ở từng tải trọng khác nhau. 5 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Hiện trạng phát sinh chất thải sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam Tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam đang tăng nhanh kéo theo sự hình thành nhiều đô thị mới ở khắp nơi trên cả nước, dự báo đến năm 2020 dân số đô thị là 44 triệu người, chiếm hơn 45% dân số [10]. Gia tăng đô thị hoá cho thấy có những tiềm năng về phát triển kinh tế và chuyển dịch cơ cấu kinh tế giữa các ngành. Tuy nhiên bên cạnh những lợi ích kinh tế thì trong quá trình hoạt động, sinh hoạt hàng ngày tại các đô thị con người thải ra lượng lớn chất thải (cao gấp 2 - 3 lần tại nông thôn) vì vậy ảnh hưởng lớn đến môi trường sống xung quanh và áp lực cho công tác quản lý, bảo vệ môi trường tại các đô thị Việt Nam [2].1 Chất thải rắn sinh hoạt Quá trình sản xuất và sinh hoạt con người luôn phát thải ra lượng lớn chất thải sinh hoạt.
Thống kê BTNMT cho thấy năm 2007 lượng rác phát sinh là 17.ngày-1 thì đến năm 2010 là 26.ngày-1 (tăng 1,48 lần) và dự báo đến năm 2025 là 83. Năm 2009 chỉ số phát sinh chất thải rắn sinh hoạt khoảng 1,0 kg.ngày đến năm 2015 chỉ số này vào khoảng 1,2 kg.ngày và dự báo lượng phát sinh chất thải rắn đô thị sẽ ngày càng tăng nhanh và khó kiểm soát. Tại hầu hết các đô thị, khối lượng chất thải rắn sinh hoạt chiếm khoảng 60 - 70%, trong đó thành phần chất hữu cơ chiếm khoảng hơn 60%. Ước tính mỗi ngày thải ra khoảng 0,72kg rác hữu cơ.[2] Hiện nay công tác thu gom chất thải rắn đô thị nước ta chủ yếu ở 2 hình thức: thu gom sơ cấp (người dân tự thu gom rác vào các thùng.