Nghiên cứu mô phỏng quá trình xử lý sinh học của công nghệ MBR ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác

- Nguyễn Văn Quyết NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC CỦA CÔNG NGHỆ MBR ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đặng Xuân Hiển Hà Nội - 2014 MỤC LỤC Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu và cụm từ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 1 1.
- Ý nghĩa của đề tài 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 3 1.1.
- Khái niệm và sự hình thành nước rỉ rác 3 1.1.1.
- Khái niệm nước rỉ rác 3 1.1.2.
- Sự hình thành nước rác 4 1.2.
- Đặc tính của nước rỉ rác trên Thế giới và ở Việt Nam 6 1.2.1.
- Thành phần, tính chất nước rác trên Thế giới 6 1.2.2.
- Thành phần, tính chất nước rác ở Việt Nam 10 1.3.
- Tổng quan công nghệ xử lý nước rỉ rác.
- Sự cần thiết phải xử lý nước rác 13 1.3.2.
- Khái quát về công nghệ xử lý nước rác 14 1.3.3.
- Công nghệ xử lý nước rác ở các nước tiên tiến 16 1.3.4.
- Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam 18 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MBR TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 22 2.1.
- Hạn chế 35 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG CÔNG NGHỆ MBR 36 3.1.
- Thu thập số liệu ban đầu của nước rác 36 3.3.1.2.
- Quá trình xử lý hóa lý nước rác 37 3.3.2.
- Thiết lập mô hình quá trình xử lý sinh học với công nghệ MBR 39 3.3.3.
- Mô hình toán mô phỏng quá trình xử lý sinh học 40 3.3.4.
- Giá trị tối ưu các thông số công nghệ 75 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 80 DANH MỤC NHỮNG KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT AO (Anoxic Oxic) Thiếu khí – Hiếu khí ASM1 Activated Sludge Model No.1 (Mô hình bùn hoạt tính số 1) ASM 2 Activated Sludge Model No.2 (Mô hình bùn hoạt tính số 2) ASM 2d Activated Sludge Model No.2_deni (Mô hình bùn hoạt tính số 2 có khử nitrat của PAO) ASM 3 Activated Sludge Model No.3 (Mô hình bùn hoạt tính số 3) BOD (Biological Oxy Demand) Nhu cầu oxy sinh học BCL Bãi chôn lấp BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường COD (Chemical Oxy Demand) Nhu cầu oxy hóa học CTNH Chất thải nguy hại CTR Chất thải rắn CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt DO Dissolved Oxy (Oxy hòa tan) DOanoxic Oxy hòa tan trong bể thiếu khí HRT (Hydraulic Retention Time) Thời gian lưu thủy lực MBR (Membrane Bioreactor) Bể lọc sinh học bằng màng NR Nước rác NRR Nước rỉ rác QCVN Quy chuẩn Việt Nam RTSH Rác thải sinh hoạt SRT (Sludge Retention Time) Thời gian lưu bùn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TKN (Total Kjeldahl Nitrogen) Tổng ni tơ hữu cơ và ni tơ amoniac UASB Upflow Anerobic Sludge Blanket (Chảy ngược qua lớp bùn yếm khí) XLNT Xử lý nước thải DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1.
- Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên Thế giới 7 Bảng 1.2.
- Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á 7 Bảng 1.3.
- Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á (tiếp) 8 Bảng 1.4: Thành phần nước rác của các nước WHO, Mỹ 9 Bảng 1.5.
- Thành phần nước rỉ rác của một số BCL tại TP Hồ Chí Minh 11 Bảng 1.6: Thành phần nước rác tại Bãi chôn lấp Nam Sơn-Sóc Sơn-HN 12 Bảng 1.7.
- Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới tại BCL 12 Bảng 1.8.
- Các thành phần của nước rác cần được xác định khi thiết kế trạm xử lý nước rác 15 Bảng 2.1.
- Nồng độ chất ô nhiễm của nước rác mới sau xử lý hóa lý.
- Kết quả chạy chương trình khi thay đổi độ kiềm dòng vào 72 Bảng 4.10.
- Tổng hợp giá trị các thông số vận hành tối ưu của mô hình 75 Bảng 4.12.
- Sơ đồ công nghệ quá trình cơ – lý – hóa xử lý nước rác 38 Hình 3.2.
- Mô hình mô phỏng quá trình xử lý sinh học công nghệ AO-MBR 56 Hình 3.5.
- Kết quả nước thải đầu ra 59 Hình 3.10 Kết quả bùn thải sau xử lý 59 Hình 3.11.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi HRT 63 Hình 4.2.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi tỷ số thể tích bể anoxic / oxic 65 Hình 4.3.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi tỷ số tuần hoàn.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi DOanoxic 67 Hình 4.5.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi DOoxic 69 Hình 4.6.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi SRT 70 Hình 4.7.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi nhiệt độ 71 Hình 4.8.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi độ kiềm dòng vào 73 Hình 4.9.
- Biểu đồ biến đổi nồng độ các chất sau xử lý khi thay đổi tỷ lệ COD:TN 74 1 MỞ ĐẦU 1.
- Hầu hết rác thải ở nước ta đều chưa được phân loại tại nguồn, do đó gây rất nhiều khó khăn trong quản lý và xử lý, đồng thời còn sinh ra một loại nước thải đặc biệt ô nhiễm là nước rác - phát sinh từ bãi chôn lấp.
- Nước rác phát sinh từ hoạt động của bãi chôn lấp là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đến môi trường.
- Nó bốc mùi hôi nặng nề lan tỏa nhiều kilomet, nước rác có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt.
- của nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp là một trong những thông số quan trọng dùng để xác định công nghệ xử lý, tính toán thiết kế các công trình đơn vị, lựa chọn thiết bị, xác định liều lượng hoá chất tối ưu và xây dựng quy trình vận hành thích hợp.
- Mặc dù mỗi BCL đều có hệ thống xử lý nước rác nhưng những phương pháp xử lý nước rác đang được áp dụng vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải (QCVN 25:2009/BTNMT, cột B2), đặc biệt là các chỉ tiêu COD, BOD, N, P, các kim loại nặng, tiêu tốn nhiều hóa chất, giá thành xử lý rất cao, khó kiểm soát, và công suất xử lý không đạt thiết kế.
- Nguyên nhân do sự thay đổi rất nhanh của thành phần nước rác theo thời gian vận hành của BCL, với thành phần rất phức tạp (nồng độ các chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học tăng dần và nồng độ ammonium tăng đáng kể theo thời gian), không ổn định, việc lựa chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường thải ra sông, rạch vẫn còn rất hạn chế trong khi lượng nước rác tại các BCL thì tiếp tục tăng lên hàng ngày.
- Xử lý nước thải là vấn đề quan trọng trong công tác bảo vệ môi trường.
- Xã hội ngày càng phát triển và công nghệ xử lý nước thải cũng có nhiều bước tiến mới.
- Để có thể đạt hiệu quả áp dụng tốt các công nghệ xử lý mới cần phải có nghiên cứu thực tế cụ thể cho các đối tượng phù hợp.
- Vấn đề đặt ra ở đây là phải áp dụng công 2 nghệ mới ấy như thế nào để có thể xử lý hiệu quả đối với nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp tập trung.
- Dựa trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu mô phỏng quá trình xử lý sinh học của công nghệ MBR ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác” đã hình thành với mong muốn phân tích đánh giá sự phù hợp của quá trình xử lý nước rác bằng công nghệ MBR đối xử lý nước rỉ rác, qua đó lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp để xử lý nước rỉ rác đạt hiệu quả cao.
- Mục tiêu của đề tài Trên cơ sở nghiên cứu quá trình xử lý sinh học của công nghệ MBR từ đó phân tích đánh giá lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp phục vụ xử lý nước rỉ rác trong thực tiễn.
- Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là nước rỉ rác của các bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt tập trung ở Việt Nam.
- Nước rỉ rác đã được tiền xử lý bằng các phương pháp hóa - lý để nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm của một số thành phần trước khi đưa vào nghiên cứu xử lý sinh học MBR.
- Phương pháp nghiên cứu Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp mô hình hóa, phương pháp phân tích xử lý số liệu, phương pháp so sánh và phân tích tương quan.
- Ý nghĩa của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu một lần nữa khẳng định được hiệu quả và khả năng áp dụng của công nghệ được nghiên cứu vào quá trình xử lý nước rỉ rác.
- Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả nghiên cứu thu nhận được của đề tài, có thể xem là cơ sở tham khảo tốt trong việc lựa chọn công nghệ xử lý nước rác phù hợp cho các nhà máy xử lý nước rác của Việt Nam 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 1.1.
- Khái niệm và sự hình thành nước rỉ rác 1.1.1.
- Khái niệm nước rỉ rác Nước rỉ rác (còn gọi là nước rác) là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp.
- Nước rác là loại nước chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống dưới đáy ô chôn lấp Thông thường sự chuyển hóa các chất diễn ra trong BCL gồm bốn giai đoạn sau.
- Quá trình metan hóa.
- Nước rất cần cho một số quá trình hóa học và sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp để phân hủy rác.
- Nước rác có thể chảy vào các tầng nước ngầm và các dòng nước sạch và từ đó gây ô nhiễm đến nguồn nước uống.
- Vì vậy, vấn đề cần quan tâm khi thết kế, xây dựng cho hoạt động của một bãi chôn lấp là kiểm soát nước rác.
- Sự hình thành nước rác Nước rác được hình thành trong bãi chôn lấp chủ yếu do các quá trình sau [3.
- Trong quá trình đầm nén lượng nước tách ra khỏi chất thải và gia nhập vào nước rác.
- Đối với các bãi chôn lấp hợp vệ sinh (có lót đáy bằng các vật liệu chống thấm bằng đất sét hoặc/lớp vải địa kỹ thuật HDPE, có hệ thống tách nước mặt, hệ thống thu gom và xử lý nước rác, khí thải và khi đóng bãi có phủ phía trên bằng vật liệu chống thấm) thì lượng nước rác thường ít hơn so với không áp dụng các biện pháp trên.
- Như vậy, lượng nước rác sinh ra phụ thuộc vào [21.
- Kỹ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt.
- Lượng nước rác sinh ra trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước 5 trong một ô chôn lấp.
- Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước rác được trình bày trong hình sau và lượng nước rác được tính theo công thức: LC = R + RI - RO - E - lkl∆V Trong đó: LC: Nước rác.
- lượng nước thất thoát trong quá trình hình thành khí.
- Từ các số liệu trên cho thấy có thể giảm thiểu đáng kể lượng nước rác sinh ra khi thiết kế đúng và vận hành bãi chôn lấp rác một cách hợp lý.
- Vì vậy sự dao động nước rác theo mùa là rất lớn: nhiều về mùa mưa, ít về mùa khô, mức độ chênh lệch giữa các mùa có thể lệch nhau tới .
- Dự đoán khối lượng nước rác: Khối lượng nước rác và đặc tính địa chất của tầng đất nằm dưới đáy bãi là những yếu tố chính, quyết định khả năng pha loãng tự Nước gia nhập từ ngoài (RI) Nước trong CTR Bay hơi (E) Dòng chảy mặt (RO) Nước chứa trong lớp vật liệu phủ Nước trong bùn Nước rác (LC) Nước mưa (R) 6 nhiên các chất ô nhiễm trong nước rác trước khi các chất này chảy đến nguồn nước ngầm.
- Việc dự báo lượng nước rác tạo thành được dựa vào “Phương pháp cân bằng nước”.
- Sơ đồ cân bằng nước [14] Phương trình cân bằng nước ở trên áp dụng cho một ô chôn lấp cho thấy: Lượng nước rác từ của ô chôn lấp bằng tổng lượng nước đến và lượng nước sinh ra do phân hủy rác trừ đi lượng bay hơi.
- Đặc tính của nước rỉ rác trên Thế giới và ở Việt Nam 1.2.1.
- Thành phần, tính chất nước rác trên Thế giới Trong hầu hết các bãi chôn lấp nước rỉ rác bao gồm chất lỏng đi vào bãi chôn lấp từ các nguồn bên ngoài, như nước mặt, nước mưa, nước ngầm và chất lỏng tạo thành trong quá trình phân hủy các chất thải.
- Mặc dù, mỗi quốc gia có quy trình vận hành bãi chôn lấp khác nhau, nhưng nhìn chung thành phần nước rác chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như sau.
- Quy trình vận hành BCL: Quá trình xử lý sơ bộ và chiều sâu chôn lấp.
- [G4 + G5+ G6] Nước tiêu tốn cho phản ứng sinh học G5 Nước bay hơi G4 Nước tích trong rác G6 Vật liệu phủ G6 Nước ngấm xuống ở lớp dưới G7 Hay nước rỉ rác G7 Nước trong EM G3 Nước trong rác vật Liệu phủ G2 Nước mưa từ lớp trên G1 Ngấm xuống G1 7 - Thời gian vận hành bãi chôn lấp.
- Thành phần đặc trưng của nước rác ở một số nước trên thế giới được trình bày cụ thể trong Bảng 1.1.
- Bảng 1.3 và Bảng 1.4.
- Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới Thành phần Đơn vị Columbia Cannada Đức Pereira (5 năm vận hành) Clover Bar (Vận hành từ năm 1975) BCL CTR đô thị pH COD mgO2/l BOD mgO2/l NH4+ mg/l N TKN mg/l N.
- Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á Thành phần Đơn vị Thái Lan BCL khon- Kaen NRR mới BCL Saen- Suk NRR cũ BCL phitsanulock NRR cũ Mùa Khô Mùa Mưa pH TDS µS/cm COD mgO2/l BOD5 mgO2/l Thành phần Đơn vị Thái Lan BCL khon- Kaen NRR mới BCL Saen- Suk NRR cũ BCL phitsanulock NRR cũ Mùa Khô Mùa Mưa SS mg/l N-NH3 mg/l N-NO3 mg/l 0,14.
- Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á (tiếp) Thành phần Đơn vị Thái Lan Hàn Quốc BCL pathumthani Sukdowop NRR 1 năm Sukdowop NRR 12 năm pH Độ dẫn điện µS/cm .
- [Nguồn: Kwanrutai Nakwan, 2002.] Bảng 1.4: Thành phần nước rác của các nước WHO, Mỹ [2] TT Thông số WHO (mg/l) Mỹ (mg/l) 1 Tổng chất rắn hòa tan Tổng các chất lơ lửng Nhu cầu oxy sinh hóa KPH Nhu cầu oxy hóa học Tổng cácbon hữu cơ KPH - 40000 5 pH Tổng độ kiềm KPH - 15050 7 Độ cứng Cl Ca Tổng N Amonia N 10 - 600 KPH - 1200 12 SO KPH - 1850 13 Tổng P 1 - 70 KPH - 234 Tuy đặc điểm và công nghệ vận hành bãi chôn lấp khác nhau ở mỗi khu vực nhưng nước rỉ rác nhìn chung đều có tính chất giống nhau là có nồng độ COD, BOD5 cao (có thể lên đến hàng chục ngàn mgO2/L) đối với nước rỉ rác mới và nồng độ COD, BOD thấp đối với BCL cũ.
- Từ các số liệu thống kê trên cho thấy, trong 10 khi giá trị pH của nước rỉ rác tăng theo thời gian, thì hầu hết nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác giảm dần theo thời gian, ngoại trừ nồng độ NH3 trong NRR cũ rất cao (nồng độ trung bình khoảng trên 1.000mg/L).
- Thành phần, tính chất nước rác ở Việt Nam Hiện nay, Việt Nam có 3 BCL chất thải rắn sinh hoạt hợp vệ sinh đang hoạt động như: BCL Nam Sơn, Phước Hiệp số 2 và BCL Gò Cát.
- Mặc dù các BCL đều có thiết kế hệ thống xử lý nước rỉ rác, hầu hết các BLC đã nhận rác nhưng hệ thống xử lý nước rỉ rác vẫn chưa xây dựng, đây chính là một trong những nguyên nhân gây tồn đọng nước rỉ rác gây ô nhiễm đến môi trường.
- Công suất xử lý của các hệ thống xử lý nước rỉ rác này hầu như không xử lý hết lượng nước rỉ rác phát sinh ra hằng ngày tại BCL, do đó hầu hết các hồ chứa nước rỉ rác ở các BCL hiện nay đều trong tình trạng đầy và không thể tiếp nhận nước rỉ rác thêm nữa.
- Thành phần nước rỉ rác của một số BCL tại thành phố Hồ Chí Minh được trình bày trong Bảng 1.5.
- Số liệu phân tích thành phần nước rỉ rác cho thấy nước rỉ rác mới tại các BCL đều có tính chất giống nhau là có nồng độ COD cao có thể lên đến trên 50.000mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD cao trong khoảng 0,5 - 0,9.
- nồng độ NH3 không cao và giá trị pH thấp đối với nước rỉ rác mới nhưng chỉ sau một thời gian ngắn vận hành nồng độ COD, BOD giảm rất đáng kể, tỉ lệ BOD5/COD thấp, nồng độ NH4+ tăng lên đáng kể và giá trị pH tăng.
- *Nhận xét: Nhìn chung thành phần nước rác mới của BCL ở Việt Nam cũng tương tự như trên thế giới, hàm lượng chất hữu cơ cao trong giai đoạn đầu (COD, BOD lên đến hàng vài chục nghìn mgO2/L) và giảm dần theo thời gian vận hành của BCL, các hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học tích lũy và tăng dần theo thời gian vận hành.
- Giá trị pH của nước rỉ rác cũ cao hơn hơn nước rỉ rác mới.
- Theo kết quả phân tích của Viện Khoa học và Công nghệ môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội thì đặc tính của nước rỉ rác mới và cũ được thể hiện tại bảng 1.7.
- Thành phần nước rỉ rác của một số BCL tại TP Hồ Chí Minh [12] Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Gò Cát Phước Hiệp Đông Thạnh Thời gian lấy mẫu NRR mới NRR cũ 8/2006 NRR mới 1,4/2003 NRR cũ 4/03-8/06 NRR 2,4/2002 NRR 8,11/2003 pH TDS mg/L Độ cứng tổng mgCaCO3/l Ca2+ mg/L SS mg/L VSS mg/L .
- 64 - 120 Cu mg/L Pb mg/L Cd mg/L KPH Mn mg/L Ni mg/L Bảng 1.6: Thành phần nước rác tại Bãi chôn lấp Nam Sơn-Sóc Sơn-Hà Nội TT Chỉ tiêu Đơn vị Nước rác tươi tại Ô4 Nước rác lưu 1 năm tại H3 1 pH Độ màu Pt-Co BOD mgO2/l COD mgO2/l SS mg/l 165 125 6 NH4

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt