Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của bể bùn hoạt tính có và không bổ sung giá thể pe 09

Nghiên cứu nhằm đánh giá các thông số vận hành để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt bằng bể bùn hoạt tính. Thí nghiệm thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm trên mô hình bể bùn hoạt tính bổ sung giá thể PE 09. Kết quả phân tích mẫu nước thải đầu vào ghi nhận nồng độ SS, COD, BOD5, TN, TP lần lượt là 42 mg/L; 280 mg/L; 143,35 mg/L; 41,47 mg/L; 3,9 mg/L vượt cột A QCVN 14:2008/BTNMT.

Tóm tắt

So sánh kết quả vận hành mô hình ở thời gian lưu nước 7 giờ, 6 giờ và 5 giờ, thời gian lưu nước 5 giờ là tối ưu. Vận hành bể bùn hoạt tính ở thời gian lưu nước 5 giờ khi có và không có bổ sung giá thể PE 09, nước thải đầu ra có độ đục, SS, BOD5, COD, phốt-phát đạt cột A theo QCVN 14:2008/BTNMT. Có thể tiếp tục nghiên cứu xử lý các loại nước thải khác bằng bể bùn hoạt tính giá thể PE 09 hoặc thử nghiệm các loại giá thể khác để đa dạng các kỹ thuật xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường.

Từ khóa: bể bùn hoạt tính, giá thể PE 09, nước thải sinh hoạt, thời gian lưu nước, xử lý nước thải

Mở đầu

Hầu hết các hoạt động của con người luôn gắn liền với nhu cầu sử dụng nước cho các mục đích khác nhau bao gồm sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, du lịch... và đều phát sinh nước thải. Trong đó nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và nhóm dưỡng chất ni-tơ, phốt-pho phù hợp để xử lý bằng các phương pháp sinh học - phương pháp xử lý dựa trên sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật (VSV). Một trong các loại hình xử lý sinh học đã giới thiệu từ lâu là bể bùn hoạt tính được Ardern và Lockett khám phá từ năm 1914 (Wang et al., 2009). Trong bể này, bùn hoạt tính là các bông cặn sinh học chứa các sinh vật, các chất hữu cơ và các chất vô cơ; VSV tham gia vào quá trình xử lý thông qua hai cơ chế: (i) tăng trưởng lơ lửng và (ii) tăng trưởng bám dính. 

Đối với bể bùn hoạt tính vận hành với cơ chế tăng trưởng lơ lửng, thông qua quá trình sinh trưởng và phát triển các VSV giúp loại bỏ 80 - 90% SS, 80 - 95% BOD5, 80 - 85% COD, (Metcalf & Eddy, 1991). Đối với bể bùn hoạt tính vận hành với cơ chế tăng trưởng bám dính, các giá thể được bổ sung vào làm gia tăng diện tích tiếp xúc giữa nước thải và VSV, tăng hiệu suất xử lý và rút ngắn thời gian xử lý nước thải. Hiện có nhiều loại giá thể vi sinh đã thương mại hóa trên thị trường, và được chia thành hai loại cơ bản gồm có giá thể di động (hình cầu, biochip, MBBR,…) và giá thể cố định (dạng tấm tổ ong, dạng sợi,…).

Nghiên cứu này thử nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể bùn hoạt tính bổ sung giá thể di động PE 09. Kết quả của nghiên cứu nhằm cung cấp các thông số vận hành của bể bùn hoạt tính, góp phần xử lý nước thải, giảm thiểu nguồn gây ô nhiễm môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Địa điểm và thời gian nghiên cứu

Mô hình bể bùn hoạt tính bố trí tại Phòng Thí nghiệm Công trình Xử lý Môi trường, Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ.

Các thông số chất lượng nước được phân tích tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Cần Thơ (CATECH).

Nghiên cứu được thực hiện từ ngày 25/12/2023 đến ngày 28/4/2024.

Đối tượng nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt được lấy từ cống xả thải ở rạch Tham Tướng, phường Xuân Khánh, quận Ninh Kiều, TP. Cần Thơ. Nước thải được lấy trong khoảng 11h00 - 13h00 là giờ cao điểm khi các hộ dân nấu ăn, giặt giũ, tắm rửa. Thu mẫu nước thải tại thời điểm này phản ánh tương đối đại diện về thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt. 

Mô hình thí nghiệm

Bể bùn hoạt tính dạng hình hộp chữ nhật bằng thủy tinh dài 0,33 m, rộng 0,3 m, cao 0,4 m (Hình 1). Khi tiến hành thí nghiệm, bố trí giá thể PE 90 chiếm 20% thể tích bể bùn hoạt tính (Zhang et al., 2016). Đây là loại giá thể sản xuất từ nhựa HDPE với kích thước D × H = 15 × 10 mm (Hình 2). 

Hình 1: Thiết kế của mô hình (trái) và mô hình thí nghiệm (phải)

Hình 2. Giá thể sử dụng trong nghiên cứu

Hình 3. Nuôi bùn để chạy mô hình

Để hỗ trợ cho mô hình bể bùn hoạt tính vận hành đúng thiết kế, bổ trí một bồn chứa nước thải cấp cho mô hình theo kiểu bình Mariotte kiểm soát lưu lượng nạp tương ứng với các thời gian lưu nước thí nghiệm. Máy thổi khí được bố trí để bơm khí vào hệ thống sục khí đặt ở đáy bể. Nghiên cứu chọn thời gian tồn lưu nước thải (HRT) là 5 giờ, 6 giờ, 7 giờ tham khảo từ Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2023).

Tiến hành thí nghiệm

Bùn thu từ hệ thống xử lý nước thải tập trung của lò giết mổ được nuôi để thích nghi với nước thải sinh hoạt. Bố trí thí nghiệm theo các thời gian lưu nước (HRT) 7 giờ, 6 giờ, 5 giờ, theo dõi nếu COD sau xử lý đạt thì giảm thời gian lưu, không đạt thì tăng HRT. Giá trị HRT phù hợp nhất là kết quả đạt hiệu suất xử lý tối đa.

Tiến hành thí nghiệm chính thức theo HRT đã chọn trong điều kiện có và không có giá thể PE 09 để so sánh với nhau. Phân tích chất lượng nước thải đầu ra trong 3 ngày liên tục với các thông số: pH, SS, độ đục, BOD5, COD, SS, NO3-, TN, PO43- và TP. So sánh với quy chuẩn xả thải theo QCVN 14:2008/BTNMT cột A.

Kết quả và thảo luận

Nồng độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt

Mẫu nước thải được lấy từ cống thoát nước sinh hoạt tại kênh Tham Tướng, phường Xuân Khánh, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ trong 3 ngày liên tiếp để đánh giá khả năng xử lý bằng phương pháp sinh học. Mẫu nước thải có mùi hôi, màu xám đen, có váng dầu, nhiều chất rắn lơ lửng, có hiện tượng nổi bọt. Do đó, trước khi đưa vào bình Marriotte tiến hành thí nghiệm cần lọc qua để tránh bị tắc nghẽn ở các van, đường ống, máy bơm.

Các đặc tính hóa học của mẫu nước thải được trình bày ở Bảng 1. Theo đó, các thông số ghi nhận phù hợp để tiến hành xử lý bằng phương pháp sinh học.

Bảng 1. Nồng độ nước thải đầu vào

Kết quả thí nghiệm ở các HRT khác nhau

Vận hành mô hình thí nghiệm với các mốc HRT khác nhau, dựa trên kết quả phân tích mẫu nước trước và sau khi xử lý, tính toán hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt (Hình 4). Mẫu nước thải sau khi xử lý ở cả ba mốc HRT đều đạt yêu cầu xả thải của cột A theo QCVN 14:2008/BTNMT (trừ thông số ni-trát). 

Giá trị pH của mẫu nước thải sau xử lý tăng so với pH của nước thải đầu vào là do quá trình khử ni-trát diễn ra trong bể khá tốt; quá trình khử ni-trát diễn ra trong điều kiện thiếu khí, ni-trát (NO3-) bị khử thành N2 tạo ra alkalinity làm tăng pH. Hiệu suất loại bỏ độ đục trong nước thải đạt cao nhất (96,47 ± 1,02 NTU) do trong quá trình xử lý, các VSV trong màng sinh học hấp thụ và một phần được lắng ở đáy bể lắng. 

Hiệu suất loại bỏ BOD5 (94,33 ± 2,49%), COD (93,97 ± 2,22%) đạt rất cao là nhờ quá trình phân hủy các chất ô nhiễm trong nước thải bởi VSV trong lớp màng sinh học chuyển hóa thành các chất khí, đồng thời VSV đồng hóa các chất để tổng hợp các tế bào mới. Hiệu suất loại bỏ SS cao (93,24 ± 2,47%) là do các quá trình hấp phụ các chất rắn lơ lửng trong nước thải trên bề mặt màng sinh học và các VSV phân hủy để tổng hợp các tế bào mới.

Hình 4. Hiệu suất xử lý nước thải ở các HRT khác nhau

Hình 5. Hiệu suất xử lý của mô hình có và không có giá thể PE 09 ở HRT 5 giờ

Ni-trát trong nước thải đầu ra tăng so với đầu vào (89,28 ± 0,11%) nhưng vẫn đạt yêu cầu xả thải của cột A theo QCVN 14:2008/BTNMT. Nguyên nhân ni-trát tăng là do ni-tơ trong nước thải thường nằm ở dạng các hợp chất hữu cơ hay dưới dạng đạm a-môn, đạm a-môn chuyển hóa thành ni-trát từ đó làm cho nồng độ ni-trát tăng.

So sánh kết quả xử lý ở 3 mốc HRT, vận hành ở HRT 5 giờ đảm bảo đầu ra đạt QCVN 14:2008/ BTNMT (cột A) nhưng tiết kiệm được chi phí xây dựng và chi phí vận hành. Do đó chọn mốc HRT 5 giờ để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể bùn hoạt tính khi có và không có giá thể PE 09.

Vận hành mô hình thí nghiệm ở HRT 5 giờ

Kết quả vận hành mô hình bể bùn hoạt tính có và không bổ sung giá thể PE 09 ở HRT 5 giờ trình bày ở Hình 5. Hiệu suất xử lý độ đục (96,23 ± 0,88%) và SS (89,49 ± 1,4%) giữa hai nghiệm thức không khác biệt, tuy nhiên có sự khác biệt đáng kể giữa hiệu suất xử lý BOD5, COD và phốt-phát. Bể bùn hoạt tính có bổ sung giá thể PE 09 có hiệu suất xử lý ba thống số này cao hơn bể bùn không bổ sung giá thể. Khi đưa giá thể vào bể xử lý, các VSV sẽ dính bám trên bề mặt giá thể tạo thành màng sinh học. Các màng này sẽ dày dần lên có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải, ngoài ra màng sinh học còn có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng.

Bên trong bể xử lý, giá thể có thể di chuyển theo sự chuyển động của nước thải giúp quá trình khuấy trộn tốt hơn, tăng thời gian tiếp xúc giữa VSV và nước thải, tăng hiệu quả xử lý. Bên cạnh đó, máy thổi khí cấp khí liên tục vào bể cung cấp oxy cho VSV hoạt động. Bọt khí được cấp đảm bảo bao phủ đều toàn bộ thể tích của mô hình và tạo sự xáo trộn cần thiết để xử lý đạt hiệu quả tối đa. Ngoài ra, giá thể PE 09 giúp tăng diện tích bề mặt cho vi sinh bám dính, từ đó gia tăng đáng kể nồng độ MLSS, nồng độ MLSS càng cao diện tích yêu cầu để xây dựng hệ thống xử lý càng nhỏ.

Kết luận

Khi sử dụng bể bùn hoạt tính xử lý nước thải sinh hoạt, thời gian lưu nước 5 giờ là tối ưu để nước thải sau xử lý đạt yêu cầu xả thải cột A theo QCVN 14:2008/BTNMT (trừ thông số ni-trát). 

Khi vận hành ở HRT 5 giờ, bể bùn hoạt tính có bổ sung giá thể PE 09 mang lại hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt cao hơn bể không bổ sung giá thể, đặc biệt ở các thông số BOD5, COD và phốt-phát. 

Có thể nghiên cứu ứng dụng mô hình tương tự để xử lý một số loại nước thải công nghiệp. Hoặc tiếp tục nghiên cứu mô hình bể bùn hoạt tính nhưng với các loại giá thể khác như giá thể dạng sợi, giá thể hình cầu, biochip.

Tài liệu tham khảo

1. Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân (2023). Ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể phản ứng giá thể di động kết hợp cột lọc màng tự chế. Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần Thơ 59(2A) 17-26;

2. Metcalf & Eddy (2003). Wastewater engineering: Treatment, disposal, reuse. McGraw - Hill Companies, Inc;

3. Wang L.K., Shammas N.K., Hung Y. T. (2009). Advanced biological treatment processes. Humana Press;

4. Zhang X., Chen X., Zhang C., Wen H., Guo W., Ngo H. H. (2016). Effect of filling fraction on the performance of sponge-based moving bed biofilm reactor. Bioresource Technology 219: 762-767.

PHAN THANH THUẬN*, TIỀN NGUYỄN NHÂN HẬU, LÊ NGỌC TUYỀN
Bộ môn Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Cần Thơ
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 21 (Kỳ 1 tháng 11) năm 2024