Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp (KCN) nhằm thúc đẩy công nghiệp hóa và tạo việc làm. Tính đến tháng 7/2016, cả nước có 316 KCN với tổng diện tích hơn 88,6 nghìn ha, trong đó 218 KCN đã đi vào hoạt động với diện tích 59,5 nghìn ha. Tuy nhiên, sự phát triển này kéo theo áp lực lớn lên môi trường, đặc biệt là vấn đề xử lý nước thải công nghiệp với hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng cao như COD, BOD, Nitơ và Photpho. Nước thải từ các ngành sản xuất bia, chế biến thủy sản và bánh kẹo tại KCN An Nghiệp, Sóc Trăng có đặc tính ô nhiễm hữu cơ cao, với COD dao động từ 500 đến 2800 mg/l và tổng Nitơ từ 30 đến 160 mg/l.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý nước thải khu công nghiệp bằng công nghệ ICEAS (Intermittent Cycle Extended Aeration System) dòng vào liên tục kết hợp giá thể Mutag BioChipTM, nhằm xử lý hiệu quả các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm với mô hình có dung tích 18 lít, sử dụng nước thải thực từ KCN An Nghiệp, Sóc Trăng, vận hành ở các tải trọng hữu cơ từ 0,5 đến 2,0 kg COD/m³/ngày. Ý nghĩa của nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

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. Công nghệ ICEAS: Là phiên bản cải tiến của công nghệ SBR truyền thống, ICEAS cho phép dòng nước thải đầu vào liên tục trong suốt chu kỳ vận hành, giảm thiểu nhược điểm của SBR như lưu lượng đầu vào gián đoạn và khó kiểm soát tải trọng. ICEAS gồm ba pha chính: pha phản ứng (khuấy trộn và sục khí xen kẽ), pha lắng và pha rút nước, giúp tăng cường quá trình nitrat hóa và khử nitrat, đồng thời nâng cao hiệu quả loại bỏ Nitơ và Photpho.

  2. Giá thể Mutag BioChipTM: Là giá thể di động có diện tích bề mặt lớn (3000 m²/m³), được làm từ nhựa PE, hỗ trợ vi sinh vật bám dính và phát triển sinh khối hiệu quả. Giá thể này giúp tăng cường khả năng xử lý COD và Nitơ trong nước thải, đồng thời giảm thể tích bể phản ứng cần thiết.

Các khái niệm chính bao gồm: COD (Chemical Oxygen Demand), NH4+-N (Amoni), TN (Tổng Nitơ), MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids), MLVSS (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids), SVI (Sludge Volume Index), và tải trọng hữu cơ (OLR).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước thải được lấy từ nhà máy xử lý nước thải tập trung KCN An Nghiệp, Sóc Trăng, với đặc tính COD khoảng 1500 mg/l, tổng Nitơ 80-140 mg/l, pH 6,7 và SS 1500 mg/l.

  • Mô hình nghiên cứu: Hai mô hình phòng thí nghiệm bằng nhựa mica, dung tích 18 lít, trong đó một mô hình có sử dụng giá thể Mutag BioChipTM chiếm 10% thể tích bể, mô hình còn lại không có giá thể làm đối chứng.

  • Điều kiện vận hành: Nhiệt độ phòng 27-38°C, lưu lượng bơm 36 lít/ngày, chu kỳ 8 giờ gồm 7 giờ sục khí và khuấy trộn, 0,5 giờ lắng và 0,5 giờ rút nước.

  • Phương pháp phân tích: Định kỳ phân tích các chỉ tiêu pH, COD, NH4+-N, NO2-, NO3-, TN, MLSS, MLVSS, SVI và sinh khối bám dính trên giá thể. Sử dụng các phương pháp chuẩn theo TCVN và SMEWW, xử lý số liệu bằng phần mềm Excel với tính toán hiệu suất xử lý và độ lệch chuẩn.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2017, với các giai đoạn thích nghi, tăng tải trọng và đánh giá hiệu quả xử lý ở các mức tải trọng hữu cơ 0,5; 1,0; 1,5 và 2,0 kg COD/m³/ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý COD: Mô hình ICEAS kết hợp giá thể Mutag BioChipTM đạt hiệu suất xử lý COD cao hơn mô hình không sử dụng giá thể. Ở tải trọng 0,5 kg COD/m³/ngày, hiệu quả xử lý COD đạt 95% so với 87% của mô hình đối chứng. Khi tải trọng tăng lên 2,0 kg COD/m³/ngày, hiệu quả giảm nhẹ nhưng vẫn duy trì ở mức 89% so với 78%.

  2. Loại bỏ NH4+-N và TN: Ở tải trọng 0,5 kg COD/m³/ngày, hiệu quả loại bỏ NH4+-N và TN của mô hình có giá thể lần lượt là 87% và 85%, cao hơn so với mô hình không có giá thể (78% và 82%). Ở tải trọng 2,0 kg COD/m³/ngày, hiệu quả loại bỏ NH4+-N và TN vẫn duy trì ở mức 78% và 82%.

  3. Sinh khối vi sinh và khả năng bám dính: Sinh khối vi sinh trên giá thể Mutag BioChipTM tăng dần theo thời gian và tải trọng, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý. Khả năng bám dính vi sinh trên giá thể đạt khoảng 4-5 g sinh khối/g giá thể, giúp ổn định quá trình xử lý và giảm thời gian chu kỳ.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả tương tự các nghiên cứu quốc tế về ICEAS và MBBR, cho thấy công nghệ kết hợp giá thể di động giúp tăng hiệu quả xử lý COD và Nitơ, đồng thời giảm chi phí vận hành so với công nghệ truyền thống.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của mô hình ICEAS kết hợp giá thể Mutag BioChipTM được giải thích bởi sự phát triển sinh khối vi sinh bám dính trên bề mặt giá thể, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra hiệu quả. Dòng nước thải đầu vào liên tục giúp duy trì ổn định nồng độ vi sinh và tránh hiện tượng quá tải hoặc thấp tải như ở SBR truyền thống.

Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý COD, NH4+-N và TN giữa hai mô hình qua các tải trọng cho thấy sự khác biệt rõ rệt, minh chứng cho vai trò quan trọng của giá thể trong nâng cao hiệu quả xử lý. Bảng số liệu chi tiết cũng thể hiện sự ổn định của các chỉ tiêu MLSS, MLVSS và SVI trong quá trình vận hành, đảm bảo chất lượng bùn và khả năng lắng tốt.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của công nghệ ICEAS kết hợp giá thể Mutag BioChipTM trong xử lý nước thải công nghiệp có hàm lượng Nitơ cao, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ nguồn nước tiếp nhận.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng công nghệ ICEAS kết hợp giá thể Mutag BioChipTM trong các nhà máy xử lý nước thải KCN nhằm nâng cao hiệu quả xử lý COD, NH4+-N và TN, đặc biệt với nước thải có tải trọng hữu cơ từ 0,5 đến 2,0 kg COD/m³/ngày. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Ban quản lý KCN và các nhà đầu tư.

  2. Tăng cường nghiên cứu và phát triển giá thể sinh học có diện tích bề mặt lớn để tối ưu hóa sinh khối vi sinh và giảm thể tích bể phản ứng, từ đó tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành. Thời gian: 3 năm; Chủ thể: Các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành hệ thống ICEAS cho cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy xử lý nước thải nhằm đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả lâu dài. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Trung tâm đào tạo và các công ty môi trường.

  4. Xây dựng quy trình vận hành tiêu chuẩn và giám sát chất lượng nước thải đầu ra theo QCVN 40:2011/BTNMT để đảm bảo nước thải sau xử lý đạt chuẩn trước khi xả ra môi trường. Thời gian: 6 tháng; Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, các nhà máy xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và ban quản lý khu công nghiệp: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp, nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường trong KCN.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia môi trường tại nhà máy xử lý nước thải: Hướng dẫn vận hành và tối ưu hóa hệ thống ICEAS kết hợp giá thể, cải thiện chất lượng nước thải đầu ra.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm, phương pháp nghiên cứu và phân tích số liệu về công nghệ xử lý nước thải công nghiệp hiện đại.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý nước thải: Tham khảo để đánh giá hiệu quả đầu tư công nghệ mới, giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của hệ thống xử lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ ICEAS khác gì so với SBR truyền thống?
    ICEAS cho phép dòng nước thải đầu vào liên tục trong suốt chu kỳ vận hành, giảm nhược điểm của SBR như lưu lượng đầu vào gián đoạn và khó kiểm soát tải trọng. ICEAS có ba pha chính (phản ứng, lắng, rút nước) và hỗ trợ quá trình nitrat hóa, khử nitrat hiệu quả hơn.

  2. Giá thể Mutag BioChipTM có ưu điểm gì trong xử lý nước thải?
    Mutag BioChipTM có diện tích bề mặt lớn (3000 m²/m³), giúp vi sinh vật bám dính và phát triển sinh khối hiệu quả, tăng khả năng xử lý COD và Nitơ, đồng thời giảm thể tích bể phản ứng cần thiết.

  3. Hiệu quả xử lý COD và Nitơ của mô hình kết hợp giá thể đạt bao nhiêu?
    Ở tải trọng 0,5 kg COD/m³/ngày, hiệu quả xử lý COD đạt 95%, NH4+-N 87% và TN 85%. Ở tải trọng 2,0 kg COD/m³/ngày, hiệu quả vẫn duy trì cao với COD 89%, NH4+-N 78% và TN 82%.

  4. Mô hình nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại nước thải công nghiệp khác không?
    Mô hình phù hợp với nước thải có hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng cao như từ ngành sản xuất bia, chế biến thủy sản và bánh kẹo. Tuy nhiên, cần điều chỉnh thông số vận hành phù hợp với đặc tính nước thải từng ngành.

  5. Làm thế nào để duy trì sinh khối vi sinh trên giá thể hiệu quả?
    Cần duy trì điều kiện vận hành ổn định như nhiệt độ, pH, DO và tải trọng phù hợp. Việc vận hành xen kẽ pha sục khí và khuấy trộn giúp sinh khối phát triển đều và tăng khả năng xử lý.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh công nghệ ICEAS kết hợp giá thể Mutag BioChipTM nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp với tải trọng hữu cơ từ 0,5 đến 2,0 kg COD/m³/ngày.
  • Hiệu suất loại bỏ COD, NH4+-N và TN của mô hình có giá thể cao hơn đáng kể so với mô hình không sử dụng giá thể.
  • Sinh khối vi sinh bám dính trên giá thể đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả xử lý và ổn định quá trình vận hành.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng công nghệ ICEAS kết hợp giá thể trong xử lý nước thải khu công nghiệp tại Việt Nam.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu quy mô thực tế, đào tạo nhân lực vận hành và xây dựng quy trình vận hành tiêu chuẩn nhằm đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Hành động tiếp theo: Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường nên xem xét áp dụng công nghệ này trong các dự án xử lý nước thải công nghiệp để nâng cao hiệu quả và bảo vệ môi trường bền vững.