TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH ĐẾN SẢN LƯỢNG BÙN DƯ TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG AN ASSESSMENT OF THE EFFECTS OF KINETIC PARAMETERS AND OPERATIONAL CONDITIONS ON SLUDGE GENERATION IN THE MEMBRANE BIOREACTOR TREATING MUNICIPAL WASTEWATER Đỗ Khắc Uẩn Rajesh Banu Ick-Tae Yeom Sungkyunkwan University, Korea Anna University Tirunelveli, Sungkyunkwan University, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội India Korea TÓM TẮT Dựa vào cân khối lượng chất sinh khối, nghiên cứu thiết lập phương trình tính sản lượng bùn dư hệ thống xử lý nước thải phương pháp sinh học kết hợp lọc màng Kết nghiên cứu cho thấy thời gian lưu bùn (θb) có ảnh hưởng lớn đến sản lượng bùn dư Ví dụ nước thải có mức độ ô nhiễm trung bình, θb tăng đến 429 (ngày) dẫn đến sản lượng bùn dư không Các hệ số sản lượng sinh khối (Y) hệ số phân hủy nội bào (kd) gây ảnh hưởng lớn đến sản lượng bùn dư Thời gian lưu thủy lực (θ) ảnh hưởng đến mức độ suy giảm bùn dư, cho dù θ tăng lên đến 50 (giờ) Ngoài ra, hệ thống vận hành θb lớn cần tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng bùn đến tượng tắc màng ABSTRACT Based on the mass balances of sludge and substrate, an equation calculating the excess sludge generation in membrane bioreactor was established The obtained observations showed that the excess sludge generation was affected strongest by the sludge retention time (θb) If θb increased to 429 (day) for treating the medium-polluted municipal wastewater the excess sludge generation would be zero The excess sludge generation was also strongly affected by the sludge yield (Y), endogenous decay coefficient (kd) The hydraulic retention time (θ) almost had no effect on reduction of the excess sludge production, though it was increased to 50 (h) In addition, if the system is operated at high θb it will be necessary to further examine the effect of sludge on the membrane founling Đặt vấn đề Công nghệ bùn hoạt tính sử dụng phổ biến để xử lý nước thải nói chung nước thải đô thị nói riêng Chức chủ yếu công nghệ chuyển hóa chất ô nhiễm hữu thành cacbonic, nước bùn (sinh khối) Trong quy trình này, hệ số chuyển hóa bùn thường nằm khoảng 0,40-0,70 mg VSS/mg COD [1] Như vậy, bùn dư lại loại chất thải thứ cấp cần tiếp tục phải xử lý thải bỏ phương pháp thích hợp Tuy nhiên, chi phí xử lý thải bỏ bùn dư cao, 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 chiếm đến 30-60% tổng chi phí đầu tư chi phí vận hành nhiều trạm xử lý nước thải [2] Do đó, việc quản lý xử lý bùn dư thực vấn đề môi trường lớn thu hút nhiều nghiên cứu mặt lý thuyết thực hành Trong năm gần đây, công nghệ sinh học kết hợp lọc màng áp dụng vào lĩnh vực xử lý nước thải Hệ thống có ưu điểm nhỏ gọn, chất lượng nước sau xử lý cao, đặc biệt có khả giảm bùn dư nguồn [3] Tỷ lệ chuyển hóa bùn hệ thống khoảng 0,10-0,40 mg VSS/mg COD [4], trung bình khoảng nửa so với công nghệ bùn hoạt tính thông thường Mặc dù vậy, sản lượng bùn dư lại chịu nhiều ảnh hưởng đặc trưng dòng vào, thông số động học điều kiện vận hành hệ thống Vì vậy, nghiên cứu tiến hành thiết lập phương trình động học xác định sản lượng bùn dư hệ thống sinh học kết hợp lọc màng áp dụng cho xử lý nước thải đô thị Dựa vào phương trình để đánh giá ảnh hưởng hệ số sản lượng sinh khối, thời gian lưu bùn, hệ số phân hủy nội bào, thời gian lưu thủy lực đến sản lượng bùn dư Đồng thời tiến hành so sánh mức độ ảnh hưởng thông số đến khả giảm sản lượng bùn dư Phương pháp thực 2.1 Hệ thống xử lý nước thải phương pháp sinh học kết hợp lọc màng Về mặt nguyên lý, màng lọc lắp đặt bên bên bể phản ứng sinh học Hình biểu diễn màng lọc lắp đặt bên bể phản ứng Nước thải đầu vào hòa trộn với bùn hoạt tính bể phản ứng Ở diễn trình ôxi hóa sinh học chất ô nhiễm hữu thành CO2, H2O sinh khối (bùn) CO2 thoát khỏi hệ thống nhờ trình sục khí, nước hút qua màng lọc Bùn hoạt tính giữ lại bên bể phản ứng lượng bùn dư thải bỏ để trì hàm lượng bùn hệ thống theo yêu cầu thiết kế 2.2 Thiết lập phương trình động học xác định sản lượng bùn dư hệ thống xử lý nước thải phương pháp sinh học kết hợp lọc màng Dựa vào nguyên lý cân khối lượng, thiết lập phương trình cân khối lượng bùn (sinh khối) chất hệ thống xử lý nước thải phương pháp sinh học kết hợp lọc màng sau (các thông số đầu vào, đầu ra, thành phần hệ thống biểu diễn hình 2): V× dX = Qi × X i + Rb × V − Qw × X w − Qe × X e (1) dt V× dS = Qi × S i + Rs × V − Qw × S w − Qe × S e (2) dt đó: 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 Qi: lưu lượng nước thải đầu vào, L/ngày Xi: hàm lượng bùn nước thải đầu vào, mg/L Qe: lưu lượng nước sau xử lý, L/ngày X: hàm lượng bùn bể sinh học, mg/L Qw: lưu lượng thải bùn dư, L/ngày Xe: hàm lượng bùn nước sau xử lý, mg/L S: nồng độ chất bể sinh học, mg/L Xw: hàm lượng bùn thải ra, mg/L Sw: nồng độ chất bùn dư, mg/L Si: nồng độ chất nước thải đầu vào, mg/L V: thể tích bể phản ứng, L Se: nồng độ chất dòng sau xử lý, mg/L Rs: tốc độ sử dụng chất (mg/L.s) Rb: tốc độ sinh trưởng vi khuẩn, mg VSS/L.s Máy thổi khí Dòng vào Màng lọc Dòng Bơm hút Bể hiếu khí Bùn dư Bơm bùn Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước thải phương pháp sinh học kết hợp lọc màng (màng lọc đặt nhúng chìm bể phản ứng) [5] Qe , S e , X e Qi , S i , Xi V,S X dS/dt dX/dt Bể hiếu khí Qw , S w , Xw Hình Sơ đồ biểu diễn cân khối lượng Giả thiết bể sinh học khuấy trộn đồng đều, dòng vào dòng không chứa bùn, tức là: Xi = 0, Xe = 0, Xw = X, Sw = S (3) 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 Ở điều kiện ổn định: dX dS = 0; = (4) dt dt Mối quan hệ hệ số sản lượng sinh khối lý thuyết (Y) với Rs Rg biểu diễn theo phương trình sau: Rb = −Y × Rs (5) Ngoài ra, hệ số sản lượng sinh khối thực (Yo) xác định thông qua Y phương trình sau: Yo = (6) + kd × θb kd: hệ số phân hủy nội bào, (1/ngày) Đối với hệ thống sinh học kết hợp lọc màng, thời gian lưu thủy lực (θ) thời gian lưu bùn (θb) tính theo phương trình: θ= V V ; θb = (7) Qe Qw và: Qi = Qw + Qe (8) Thay phương trình (3) (4) vào phương trình (1) (2), sau biến đổi kết hợp với phương trình (5), (6), (7) (8) dễ dàng xác định X (biểu diễn nồng độ bùn hệ thống) sau: X = Y × θb ⎡ Si − S e Si − S ⎤ (9) + ⎢ + kd × θb ⎣ θ θ b ⎥⎦ Sản lượng bùn dư hệ thống (M, mg VSS/ngày) tính bằng: M = V×X θb (10) Thay (9) vào (10), biến đổi kết hợp với phương trình (7) (8) thu phương trình tính sản lượng bùn dư: M = Y × Qi ⎡θ b × ( S i − S e ) + θ × ( S i − S ) ⎤ ⎢ ⎥ (11) + kd × θb ⎣ θ + θb ⎦ Đại lượng (Si - Se) viết (Si - S) + (S - Se), (Si - S) biểu diễn việc khử chất trình ôxi hóa sinh học, (S - Se) lượng chất giảm nhờ trình phân tách màng lọc Từ phương trình (11), cho thấy tất thông số: Qi, kd, Y, θb, θ, (Si - S) (S - Se) có khả ảnh hưởng đến M Như vậy, sản lượng bùn hệ thống phụ thuộc vào đặc trưng nước thải, hiệu suất trình sinh học hiệu trình lọc màng 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 2.3 Nước thải đô thị thông số động học Nước thải đô thị chia thành ba mức độ ô nhiễm: nặng, trung bình nhẹ, tương ứng với nồng độ COD 1000, 500 250 mg/L [1] Các hệ thống xử lý nước thải đô thị phương pháp sinh học kết hợp lọc màng vận hành thời gian dài chứng tỏ S Se có giá trị ổn định 30 mg/L [6] Với hệ thống xử lý biết, lưu lượng đầu vào (Qi) thường không đổi, nghiên cứu không đánh giá ảnh hưởng Qi đến M Các thông số động học điều kiện vận hành sử dụng để tính toán đánh giá tóm tắt bảng Bảng Tham khảo lựa chọn giá trí thông số động học điều kiện vận hành [1,4,7] Thông số Khoảng dao động Giá trị thường dùng kd (1/ngày) 0,010 - 0,080 0,040 Y (mg VSS/mg COD) 0,10 - 0,40 0,30 θ (giờ) 1,0 - ∞ θb (ngày) 1,0 - ∞ 40 Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng hệ số sản lượng sinh khối đến sản lượng bùn dư Để đánh giá ảnh hưởng hệ số sản lượng sinh khối đến sản lượng bùn dư, tiến hành thay giá trị θ , θb kd (bảng 1) vào phương trình (11) xác định mối quan hệ M theo Y Bằng cách sử dụng phương pháp hồi quy, xác định phương trình biểu diễn mối quan hệ phương trình đường thẳng tuyến tính với hệ số tương quan R2 = 0,9999 (hình 3) Từ hình vẽ dễ dàng thấy rằng, độ dốc đường thẳng biểu diễn mối quan hệ M Y nguồn nước thải đô thị có mức độ ô nhiễm nhẹ, trung bình nặng lớn Khi giảm Y, giá trị M giảm đáng kể Ví dụ, Y giảm từ 0,4 xuống 0,10 mg VSS/mg COD, M giảm 27,9 x Qi ; 56,8 x Qi 114,4 x Qi (mg VSS/ngày) nước thải có mức độ ô nhiễm nhẹ, trung bình nặng (kết tóm tắt bảng 2) Như vậy, biện pháp giảm Y đem lại hiệu giảm M lớn Tuy nhiên, từ phương trình (11) thấy để đạt trường hợp M tiến đến không (0) bắt buộc Y phải tiến đến không (0) Nhưng trường hợp thực Y tiến đến không (0) tức hệ thống trình sinh tổng hợp tế bào Thực tế, tồn hệ thống xử lý nước thải (Metcalf and Eddy, 2003) 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 Hình Ảnh hưởng hệ số sản lượng sinh khối đến sản lượng bùn dư (khi θ = giờ; θb = 40 ngày; kd = 0,040 1/ngày) 3.2 Ảnh hưởng thời gian lưu bùn đến sản lượng bùn dư Khi thay giá trị θ, Y kd xác định ảnh hưởng θb đến M Từ hình thấy rằng, ba loại nước thải, tăng θb M suy giảm theo ba giai đoạn khác Giá trị M suy giảm đột ngột θb tăng từ đến 50 (ngày) Khi θb tăng dần từ khoảng 50 đến 200 (ngày), giá trị M giảm chậm dần Khi tiếp tục tăng θb lớn hơn 200 ngày, giá trị M giảm không đáng kể Bằng việc sử dụng chương trình máy tính thông dụng (Microsoft Excel Sigma Plot) dễ dàng xác định mối quan hệ M θb tuân theo quy luật hàm logarit Từ phương trình biểu diễn hình 4, xác định M tiến đến không (M Æ 0) θb 432, 429 418 (ngày) nước thải có mức độ ô nhiễm nhẹ, trung bình nặng Có nghĩa sản lượng bùn dư tiến đến không θb trì đủ lớn Tuy nhiên, khó vận hành hệ thống với θb lớn Bởi θb lớn dẫn đến nhiều vấn đề liên quan đến trình vận hành hiệu xử lý, đặc biệt tích tụ bùn hệ thống tượng tắc màng lọc [5] Hình Ảnh hưởng thời gian lưu bùn đến sản lượng bùn dư (khi θ = giờ; Y = 0,30 mg VSS/mg COD; kd = 0,040 1/ngày) 30 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 3.3 Ảnh hưởng hệ số phân hủy nội bào đến sản lượng bùn dư Ảnh hưởng kd đến M biểu diễn hình Từ hình vẽ thấy rằng, giá trị M ba loại nước thải suy giảm tăng kd Mức độ giảm phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm nước thải Sự suy giảm lớn nước thải có mức độ ô nhiễm cao Sử dụng phương pháp hồi quy để xác định mối quan hệ M kd Kết cho thấy M phụ thuộc vào kd theo dạng hàm bậc hai, với hệ số tương quan (R2) lớn, từ 0,9892 đến 0,9898 Xét theo phương diện toán học, rõ ràng phương trình bậc hai tồn điểm cực tiểu Bằng phép tính toán học, dễ dàng xác định giá trị cực tiểu 16,6 x Qi, 34,3 x Qi 68,8 x Qi (mg VSS/ngày) nước thải có mức độ ô nhiễm nhẹ, trung bình nặng Các giá trị lớn không (0) Hay nói cách khác, M không (0) tăng kd Hình Ảnh hưởng hệ số phân hủy nội bào đến sản lượng bùn dư (khi θ = giờ; θb = 40 ngày; Y = 0,30 mg VSS/mg COD) 3.4 Ảnh hưởng thời gian lưu thủy lực Tương tự phần trên, để xét ảnh hưởng θ đến M, tiến hành thay giá trị θb , Y kd vào phương trình (11) Hình Ảnh hưởng thời gian lưu thủy lực đến sản lượng bùn dư (khi θb = 40 ngày; Y = 0,30 mg VSS/mg COD; kd = 0,040 1/ngày) 31 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 Hình biểu diễn mối quan hệ M θ tuân theo phương trình đường thẳng, với hệ số góc độ dốc nhỏ Kết hình vẽ cho thấy ba loại nước thải, rõ ràng M không thay đổi tăng thời gian lưu thủy lực Về mặt kỹ thuật, θ nhỏ, kích thước thiết bị nhỏ, có nghĩa có lợi cho chi phí đầu tư [8] Nhưng xét đến khía cạnh giảm sản lượng bùn dư thấy ảnh hưởng θ đến M không đáng kể, nên bỏ qua vai trò θ 3.5 So sánh mức độ ảnh hưởng thông số động học điều kiện vận hành đến khả giảm sản lượng bùn dư hệ thống sinh học kết hợp lọc màng Mức độ ảnh hưởng thông số Y, θb, kd θ đến giảm thiểu sản lượng bùn tổng hợp bảng Bảng Tổng hợp mức độ sản lượng bùn dư giảm thay đổi giá trị thông số động học điều kiện vận hành Sản lượng bùn dư giảm (mg VSS/ngày) Thông số Y (mg VSS/mg COD) θb (ngày) kd (1/ngày) θ (giờ) Khoảng biến thiên Nước thải có mức độ ô nhiễm nhẹ trung bình nặng 0,40 Æ 0,10 27,9 x Qi 56,8 x Qi 114,4 x Qi Æ 200 58,5 x Qi 119,7 x Qi 242,1 x Qi 0,010 Æ 0,080 37,2 x Qi 75,9 x Qi 153,0 x Qi Æ 50 0,1 x Qi 0,2 x Qi 0,2 x Qi So sánh kết bảng 2, dễ dàng thấy phương pháp giảm M hiệu tăng θb Khi tăng kd giảm Y làm sản lượng bùn giảm lớn Phương pháp có hiệu tăng θ Cho dù θ tăng từ đến 50 (giờ), sản lượng bùn giảm khoảng 0,2 x Qi (mg VSS/ngày) Do vậy, bỏ qua ảnh hưởng θ đến mức độ giảm sản lượng bùn so sánh với mức độ ảnh hưởng θb, Y kd Trong hệ thống sinh học kết hợp lọc màng, θb không phụ thuộc vào θ, nên vận hành hệ thống với θb đủ lớn điều kiện θ nhỏ đạt trạng thái sản lượng bùn dư tiến đến không (M Æ 0) Khi hệ thống vận hành điều kiện θb lớn θ nhỏ chắn làm tăng hàm lượng sinh khối, giúp tăng cường hiệu xử lý chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học [8] Tuy nhiên, hàm lượng bùn lớn lại làm tăng độ nhớt bùn làm tăng nguy gây tắc màng Đồng thời, hàm lượng bùn lớn làm giảm trình chuyển khối ôxi, làm giảm hiệu xử lý hệ thống [4] Kết luận Xuất phát từ cân khối lượng chất sinh khối, nghiên cứu thiết lập phương trình tính sản lượng bùn dư hệ thống xử lý nước thải 32 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 phương pháp sinh học kết hợp lọc màng Các thông số động học điều kiện vận hành có ảnh hưởng đến sản lượng bùn dư Trong thời gian lưu bùn (θb) có ảnh hưởng lớn đến sản lượng bùn dư Nếu hệ thống vận hành θb đủ lớn (429 ngày, nước thải ô nhiễm trung bình) dẫn đến sản lượng bùn dư tiến đến không Các hệ số sản lượng sinh khối (Y) hệ số phân hủy nội bào (kd) có ảnh hưởng đến sản lượng bùn với mức độ giảm lớn kd tăng Y giảm Thời gian lưu thủy lực (θ) ảnh hưởng đến mức độ suy giảm bùn dư, cho dù θ tăng lên đến 50 (giờ) Khi hệ thống vận hành điều kiện θb lớn dẫn đến hàm lượng bùn hệ thống cao Do đó, cần phải tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng bùn đến tượng tắc màng, yếu tố quan trọng giúp hệ thống làm việc ổn định TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Metcalf and Eddy (2003) Wastewater engineering: Treatment, disposal and reuse, 4th Edition, McGraw-Hill, NewYork, USA [2] Canales AP and Poles JL (1994) Decreased sludge production strategy for domestic wastewater treatment Water Sci Tech., 30: 97-106 [3] Nowak O (2006) Optimizing the use of sludge treatment facilities at municipal WWTPs J Environ Sci Health A, 41: 1807-1817 [4] Trouve FW, Urbain V and Manem J (1994) Treatment of municipal wastewater by membrane bioreactor: Results of a semi-industrial pilot scale study Water Sci Tech., 30: 151-157 [5] Đỗ Khắc Uẩn Đặng Kim Chi (2008) Đánh giá tiềm ứng dụng công nghệ màng xử lý nước thải đô thị Việt Nam Tạp chí Môi trường Đô thị, 7: 3942 [6] Rajesh BJ, Do KU and Yeom IT (2008) Nutrient removal in an A2/O-MBR reactor with sludge recycling The 1st International Conference on Technologies & Strategic Management of Sustainable Biosystems, Perth, Western Australia, July 6-9 [7] Henze M (1992) Characterization of wastewater for modelling of activated sludge process Water Sci Tech., 25: 1-15 [8] Chiemchaisri C, Yamamoto K and Vigneswaran S (1994) Household membrane bioreactor in domestic wastewater treatment Water Sci Tech., 27: 171-178 33 ... sinh học kết hợp lọc màng Các thông số động học điều kiện vận hành có ảnh hưởng đến sản lượng bùn dư Trong thời gian lưu bùn (θb) có ảnh hưởng lớn đến sản lượng bùn dư Nếu hệ thống vận hành θb đủ... nhiều ảnh hưởng đặc trưng dòng vào, thông số động học điều kiện vận hành hệ thống Vì vậy, nghiên cứu tiến hành thiết lập phương trình động học xác định sản lượng bùn dư hệ thống sinh học kết hợp lọc. .. bùn dư Đồng thời tiến hành so sánh mức độ ảnh hưởng thông số đến khả giảm sản lượng bùn dư Phương pháp thực 2.1 Hệ thống xử lý nước thải phương pháp sinh học kết hợp lọc màng Về mặt nguyên lý, màng