lý trong điều kiện pH = 3, I = 200 mA, sử dụng điện cực dương là Pt, cực âm là vải cacbon. Kết quả độ màu được loại bỏ sau 7h, khả năng khoáng hóa sau 9h [71].
Năm 2008, Montanaro đã sử dụng quá trình EF để xử lý nước thải công nghiệp trong điều kiện 20mg/L TOC, 800 mg/L Cl-, pH = 6,8. Áp dụng điều kiện của quá trình EF sử dụng cực dương là BDD, cực âm là GDE, pH = 1,5. J = 1 mA/cm2. Kết quả hiệu quả xử lý đạt sau 240 phút [72].
Năm 2016, Lin và cộng sự nghiên cứu quá trình EF và điện – quang Fenton sử dụng catot bằng than chì – Fe3O4 để xử lý nước ô nhiễm thuốc kháng sinh tetracycline. Kết quả thực nghiệm khả năng xử lý tăng lên khi sử dụng chiếu xạ UV, EF, điện – quang Fenton [73].
Qua các nghiên cứu trên có thể thấy quá trình EF được ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải có hàm lượng ô nhiễm chất hữu cơ khác nhau bao gồm thuốc nhuộm, hóa chất BVTV, nước rỉ rác,... Công nghệ áp dụng quá trình EF đầy hứa hẹn là một trong công nghệ ứng dụng xử lý nước thải hiện nay.
1.2.2.5. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng fenton và fenton điện hóa tại Việt Nam
Năm 2009, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thị Lê Hiền dùng các loại điện cực khác nhau: Graphit, SnO2 – Sb2O5 để xử lý đối với methyl đỏ, methyl da cam và phenol. Khi phối hợp với phương pháp EF thì khả năng xử lý tăng lên [74].
Trung tâm công nghệ hóa học và môi trường (Liên hiệp các Hội khoa học kỹ thuật Việt Nam) đã nghiên cứu xử lý hóa chất trừ sau có trong nước thải sản xuất. Khi kết hợp quá trình fenton với quá trình sinh học để xử lý thì khả năng xử lý các loại hóa chất BVTV như hóa chất trừ sâu, trừ cỏ, gốc clo hữu cơ, photpho hữu cơ... đạt trên 97% ÷ 99%.
Viện di truyền.Nông nghiệp Việt Nam.đã nghiên cứu ra hoạt chất C1, C2 với tác nhân Fenton để làm sạch nước và khử mùi hôi của nước. Tác nhân Fenton là chất ôxy hóa nhanh làm nước sạch thêm và mất mùi, cho nước đảm bảo tưới tiêu và sinh hoạt. Nước rác từ các bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị có chứa các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học.
Một nghiên cứu về xử lý nước thải dệt nhuộm bằng quá trình EF được Đặng Hoàng Yến thực hiện năm 2016 với điều kiện tại pH = 3,27; nồng độ Fe2+ = 1,87 mM; hiệu điện thế U = 15V. Trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã công bố hiệu quả xử lý COD từ 400 ÷ 500 mgO2/L sau thời gian 30 phút nồng độ COD đầu ra còn 71 mg/L.
30
Nghiên cứu của nhóm cho thấy khả năng xử lý COD cao trong khoảng thời gian ngắn. Vì vậy quá trình EF ứng dụng tốt trong quá trình nghiên cứu xử lý nước thải công ty về dệt nhuộm [75].
1.2.2.6. Ứng dụng fenton và fenton điện hóa kết hợp với quá trình công nghệ khác
Một số nghiên cứu quá trình fenton và EF riêng để loại bỏ các chất ô nhiễm được áp dụng cho rất nhiều nguồn chất ô nhiễm như đã trình bày ở phần trên. Tuy nhiên, hiện nay quá trình fenton và đặc biệt EF kết hợp với công nghệ khác thì số lượng nghiên cứu còn rất ít. Tiêu biểu có một số nghiên cứu:
Trong nghiên cứu của Martinez và cộng sự đã kết hợp fenton và quá trình sinh học. Trong đó quá trình fenton đã được áp dụng như một kỹ thuật khả thi trong giai đoạn tiền xử lý ô nhiễm nước thải dược phẩm. Quá trình fenton làm tăng giá trị BOD5/COD từ 0,26 đến 0,5 và tăng khả năng loại bỏ cloramphenicol, diclofenac, p– aminophenol, axit benzoic và thành phần độc hại khác khi kết hợp giữa fenton và quá trình xử lý sinh học. So với quá trình xử lý sinh học đơn thuần, quy trình kết hợp xử lý bằng fenton và sinh học đã cải thiện việc loại bỏ COD [76].
Năm 2010, bằng cách sử dụng quá trình siêu âm và Fenton, Ma đã tiến hành nghiên cứu phản ứng để xử lý carbofuran 20 mg/L. Kết quả đã tìm ra một số tín hiệu tích cực. Khi chỉ sử dụng quá trình siêu âm, hơn 40% carbofuran bị oxy hóa trong 120 phút, TOC nhỏ hơn 15% (một phần của carbofuran bị oxy hóa thành chất trung gian). Sự kết hợp của quá trình siêu âm với fenton góp phần tăng hiệu quả phân hủy lên nhiều hơn 99% với 40% khoáng hóa trong 30 phút [77].
Hơn thế nữa, năm 2015 nhóm nghiên cứu của Cheng chỉ ra dimethoate (14,71 mg/L), triazophos (5,87 mg/L) và malathion (24,53 mg/L) đã được loại bỏ hoàn toàn bởi MWEUV/Fenton với thời gian xử lý trong vòng 120 phút [78]. Sau khi xử lý hàm lượng COD và TOC lần lượt giảm từ 183,2 mg/L xuống 36,9 mg/L và 43,5 mg/L xuống 27,8 mg/L.
Năm 2017, Roshini và công sự áp dụng kết hợp quá trình EF và sinh học để xử lý nước thải dệt nhuộm. Sau quá trình xử lý, hiệu suất loại bỏ màu sắc, COD và TOC lần lượt là 63%, 48% và 29% bằng quá trình EF sau 60 phút ở điều kiện pH = 3, điện cực Graphit, chất xúc tác Fe2+ 5mg/L; nguồn điện với hiệu điện thế 7V. Khi kết hợp với quá trình sinh học hiệu suất loại bỏ 85% độ màu, 86% COD và 56% TOC. Kết quả hiệu suất xử lý sẽ tốt hơn nếu kết hợp với điều kiện xử lý sinh học hiếu khí và vi sinh.
Sau khi phân tích độc tính cho thấy hiệu quả xử lý giảm đáng kể với nước thải thô. Vì vậy EF kết hợp với quá trình phân hủy sinh học được áp dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm để loại bỏ màu, COD và TOC một cách hiệu quả [79].
1.3. Tổng quan về quá trình sinh học – màng MBR
1.3.1. Định nghĩa và đặc điểm của màng MBR
MBR là viết tắt cụm từ Membrane Biological Reactor (Bể lọc sinh học bằng màng) là công nghệ xử lý mới kết hợp giữa bể phản ứng sinh học xử lý nước thải trong đó áp dụng kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán có kết hợp với màng lọc tách vi sinh [80]. Do kích thước lỗ màng có thể dưới 0,1 µm, công nghệ MBR trở nên hiệu quả để chất lượng nước thải đầu ra cao. Kích thước lỗ màng càng lớn thì khả năng tắc nghẽn càng thấp tuy nhiên chất lượng nước thải cũng không đạt hiệu quả xử lý tốt, vì màng không lọc sạch được cặn bẩn, vi khuẩn. Bên cạnh đó, nếu kích thước lỗ màng nhỏ thì khả năng tắc nghẽn sẽ cao nhưng chất lượng nước thải sẽ tốt hơn. Đồng thời, bùn sinh học sẽ được giữ lại trong bể phản ứng, mật độ vi sinh cao nên nâng cao hiệu suất xử lý chất ô nhiễm.
Quá trình MBR ngày càng nhận được sự quan tâm vì nhưng ưu điểm như hiệu quả loại loại bỏ chất ô nhiễm, tiết kiệm diện tích và tạo ra lượng bùn ít. Lọc màng đảm bảo VSV được giữ lại điều này giúp kiểm soát tốt hơn các phản ứng sinh học và điều chỉnh điều kiện của VSV trong bể sục khí. Điều này cho phép thời gian lưu bùn (SRT) dài và nồng độ chất rắn lơ lửng (MLSS) trong dung dịch hỗn hợp cao.
Quá trình lọc sinh học bằng màng ngày càng trở nên phổ biến, đa dạng và được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp như chất hữu cơ ô nhiễm, nitơ và photpho,...
Ngày nay, nhiều sản phẩm MBR được thương mại hóa trên thị trường và có hàng trăm nhà máy sử dụng hệ thống MBR chính thức đang hoạt động trên toàn thế giới.
Nguyên lý hoạt động của quá trình MBR
Đối với công nghệ xử lý bằng quá trình MBR có hai dạng là đặt màng nằm ngoài bể phản ứng sinh học eMBR (external MBR) và đặt chìm trong bể phản ứng sinh học (iMBR) (Hình 1.4).
MBR kiểu đặt ngoài
MBR kiểu nhúng ngập
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý của 2 model phổ biến trong công nghệ MBR [81]
Với hệ thống MBR kiểu đặt màng bên ngoài, quá trình tách cặn bẩn nhờ vận tốc nước qua màng trong quá trình lọc. Động lực là áp suất được tạo ra bởi vận tốc dòng chảy chéo dọc theo màng. Với hệ thống này sẽ kiểm soát thủy động lực học trực tiếp với tắc nghẽn màng và có thể thay thế màng dễ dàng hơn, thông lượng cao. Tuy nhiên chi phí làm sạch thường xuyên và tiêu thụ năng lượng lớn (2 ÷ 12 kWh/m3 sản phẩm).
Đối với hệ thống MBR kiểu đặt nhúng ngập, môđun màng được đặt trực tiếp trong bể phản ứng sinh học. Trường hợp này được ứng dụng trong xử lý nước thải đô thị và công nghiệp. Sử dụng máy bơm hút để hút nước thải qua màng còn bùn hoạt tính giữ lại trong bể phản ứng sinh học bởi màng lọc. Không khí được cấp liên tục để cung cấp oxy giúp duy trì điều kiện hiếu khí cho các VSV hoạt động, đồng thời quá trình sục khí cũng giúp tách các chất rắn lơ lửng bám trên màng và làm sạch bề mặt màng. Bể phản ứng sinh học đặt màng chìm (SMBR) được sử dụng phổ biến hơn. Quá trình MBR hiếu khí màng đặt nhúng ngập kết hợp quá trình phân hủy sinh học hiếu khí sinh học và màng lọc.
Ở giai đoạn phân hủy sinh học cần lựa chọn các chủng loại VSV áp dụng vào quá trình phản ứng và sản phẩm tạo thành từ các phản ứng sau:
Chất hữu cơ + VSV hiếu khí → H2O+ CO2 + sinh khối (1.24) Tổng quát:
- Oxi hóa các chất hữu cơ
CxHyOz + (x + y/4 – z/2) O2→ xCO2 + y/2H2O (1.25)
- Tạo sinh khối
n(CxHyOz) + n(x+y/4–z/2–5)O2 + nNH3 → (C5H7NO2)n + n(x-5)CO2 + n(y-4)/2H2O (1.26)
- Phân hủy nội bào
(C5H7NO2)n + 5nO2 →5nCO2 + 2nH2O + nNH3 (1.27)
Quá trình xử lý tách 2 pha rắn và pha lỏng khi đi qua màng: tại bề mặt màng, nước được thấm qua màng trong khi các tạp chất bị chặn lại không đi qua được lỗ màng tồn tại ở dạng biomass và được phân tán trở lại dung dịch trong bể. Theo thời gian hoạt động, bề mặt màng bị bẩn, lúc đó các chất cặn bẩn sẽ tạo thành các bánh cặn. Sau một thời gian hoạt động, tắc nghẽn màng làm giảm thông lượng màng khi
MBR được vận hành ở áp suất qua màng không đổi (TMP), và dẫn đến tăng áp suất qua màng khi MBR được vận hành ở thông lượng màng không đổi. Ở hoạt động thông lượng liên tục, áp suất xuyên màng tăng mạnh cho thấy sự tắc nghẽn nghiêm trọng của màng. Sự gia tăng áp suất xuyên màng đột ngột này được gọi là “bước nhảy áp suất xuyên màng”. Bước nhảy áp suất xuyên màng được mô tả là gồm ba giai đoạn: Giai đoạn 1: gọi là sự tắc nghẽn ban đầu, gây ra bởi sự ngăn chặn lỗ màng và sự hấp phụ các chất hòa tan; giai đoạn 2: áp suất xuyên màng tăng dần theo cấp số nhân hoặc tuyến tính yếu do sự hình thành màng sinh học và quá trình tắc lỗ màng tiếp tục; và giai đoạn 3: tốc độ tăng áp suất xuyên màng (dTMP/dt) tăng nhanh đột ngột. Giai đoạn 3 được cho là hậu quả của sự tắc nghẽn nghiêm trọng của màng, do các lỗ tại màng bị lấp đầy bởi chất rắn. Vi khuẩn trong màng sinh học bên trong có xu hướng chết do giới hạn oxi. Ở giai đoạn 3 xảy ra, khi áp suất qua màng tăng đến giá trị nhất định cần tiến hành làm sạch màng [82]. Ý nghĩa thực tế của điều này là làm chậm trong giai đoạn 3 sẽ cho phép giảm tần suất làm sạch màng, điều này cuối cùng sẽ tiết kiệm chi phí vận hành MBR. Do đó, một mục tiêu chính của kiểm soát tắc nghẽn là làm chậm bước nhảy áp suất xuyên màng thông qua việc thay đổi các đặc tính bùn. Khi màng tắc nghẽn thì cần tiến hành làm sạch màng. Có 2 cách làm sạch màng là dùng bơm thổi khí vào trong ruột màng qua các lỗ rỗng để đẩy các cặn bám ra ngoài. Khi tổn thất áp qua màng lớn thì cần làm sạch màng bằng cách ngâm với hóa chất.
Phân loại màng được sử dụng trong quá trình MBR
Phân loại theo vật liệu chế tạo màng lọc [83]
Các vật liệu khác nhau có thể được sử dụng để chế tạo màng. Trong xử lý nước thải liên quan đến màng lọc cần lựa chọn có khả năng làm việc trong môi trường có tính bazơ, axit cao, có thể hoạt động tốt trong phạm vi pH từ 1 ÷ 12, hoạt động trên 5 năm. Để đáp ứng yêu cầu đó, các vật liệu như nhựa, gồm sứ, vật liệu thép không gỉ có
thể được sử dụng. Màng lọc sử dụng rộng rãi nhất là polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), polypropylene (PP). Theo báo cáo của Cicek năm 2003, màng lọc vật liệu vô cơ như kim loại, oxit kim loại, ceramic, zeolites, thủy tinh, sứ, polymer tổng hợp [84].
Bảng 1.5. Các loại vật liệu Polyme sản xuất màng
Ưu điểm | Nhược điểm | |
Celluose acetate (CA) | - Rẻ - Ít bị ảnh hưởng bởi Clo | - Ổn định nhiệt kém - Ổn định hóa chất kém |
Polysulphone (PSO) | - Có khả năng khử trùng - Ít bị phụ thuộc bởi pH | - Ổn định hóa chất kém |
Polypropylen (PP) | - Ít phụ thuộc bởi hóa chất | - Kỵ nước |
Polytetrafluroenthylene (PTPE) | - Phù hợp với nồng độ hữu cơ cao - Ổn định hóa học cao - Có khả năng khử trùng | -Rất kỵ nước |
Polyamide | - Ổn định hóa học tốt - Ổn định nhiệt tốt | -Bị ảnh hưởng bởi clo |
Polyethylen (PE) | - Rẻ - Ít bị ảnh hưởng bởi hóa chất | - Ổn định hóa học kém |
Polyvinylidene fluoride (PVDF) | - Ít bị ảnh hưởng bởi hóa chất - Ổn định hóa chất cao | - Kỵ nước |
Có thể bạn quan tâm!
-
Lượng Hóa Chất Bvtv Sử Dụng Tại Châu Phi Và Châu Âu Trong Những Năm 2010 Và 2014 -
Ảnh Hưởng Của Hóa Chất Diệt Cỏ Glyphosate Đến Con Người Và Môi Trường -
Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Của Quá Trình Ef Ảnh Hưởng Nồng Độ Fe2+: -
Nguyên Nhân Cơ Chế Ảnh Hưởng Gây Bít Tắc Màng Mbr -
Hệ Ef Trong Phòng Thí Nghiệm Theo Đó, Hệ Ef Bao Gồm: -
Giá Trị Ph Của Quá Trình Ef Trong Các Nghiên Cứu Khác Nhau
Xem toàn bộ 229 trang tài liệu này.
Phân loại theo kích thước các lỗ trên sợi màng
Bên cạnh đó màng lọc có thể được phân loại theo kích thước lỗ lọc, màng lọc. Phân loại theo dạng này các loại màng thường gồm có: vi lọc (Micro Filtation – MF), siêu lọc (Ultra Filtration – UF), lọc nano (Nano Filtration – NF), thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO). Phạm vi phân tách của màng như sau: 0,05 ÷ 10 μm cho màng MF; 5 ÷ 100 nm cho màng UF; 1 ÷ 10 nm cho màng NF và 0,1 ÷ 2 nm đối với màng RO.
Hình 1.5. Màng MBR dạng tấm phẳng và sợi
Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của MBR
Xử lý nước ô nhiễm sử dụng màng MBR chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như sau: tốc độ sục khí, thời gian lưu bùn thủy lực (HRT), tải trọng hữu cơ (OLR), nhiệt độ.
Tốc độ sục khí:
Sục khí đóng một vai trò kép trong MBR hiếu khí, cung cấp oxi cho các quá trình sinh học và giúp tách các chất bẩn bám trên bề mặt màng. Oxi được cung cấp thông qua sục khí tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học và tổng hợp tế bào của sinh khối. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tăng tốc độ sục khí trong MBR dẫn đến giảm tắc nghẽn màng. Trong một nghiên cứu để điều tra tác động của tốc độ sục khí lên sự tắc nghẽn màng trong MBR đặt chìm, Yigit và cộng sự báo cáo rằng việc tăng tốc độ sục khí tác động tích cực đến việc kiểm soát tắc nghẽn [85]. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng tích cực đó đã giảm đi đáng kể khi MLSS tăng lên. Tốc độ sục khí trong nghiên cứu nằm trong khoảng 3 L không khí/phút.m2 đến 12 L không khí/phút.m2.
Tốc độ sục khí cao giúp giảm tắc nghẽn màng thông qua hoạt động rửa, và có tác động đến các đặc tính sinh khối. Tốc độ sục khí cao có liên quan đến sự phá vỡ bùn và việc sản xuất SMP sau đó, làm tăng tiêu thụ năng lượng dẫn đến tăng chi phí vận hành. Do đó, cần phải tìm ra cường độ sục khí tối ưu để tạo ra sự cân bằng giữa các yếu tố này. Khi vượt quá cường độ sục khí tới hạn sẽ làm tăng sự tắc nghẽn của màng do lớp cắt làm vỡ các cặn lớn. Về vấn đề này, Nywening và Zhou đã nghiên cứu hiệu quả của việc sục khí màng với quy mô thí điểm hoạt động ở một loạt các dòng thấm, cường độ sục khí sục rửa và tần suất sục khí tuần hoàn [86]. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một mối quan hệ thực nghiệm rất hữu ích liên quan đến khả năng chống bám bẩn có thể đảo ngược ổn định với các dòng thấm bền vững và tốc độ sục khí. Trong MBR
được sục khí gián đoạn, amoni được nitrat hóa hầu hết thành nitrat và hầu hết các phốt phát được loại bỏ trong giai đoạn hiếu khí (sục khí), nơi nitrat tích lũy được khử nitơ hoàn toàn trong giai đoạn thiếu khí (không sục khí) và phốt pho (P) được hấp thụ. Việc loại bỏ P đạt được bằng cách thải bùn sau giai đoạn hiếu khí khi sinh khối chứa nhiều polyphosphat (polyP).
Thời gian lưu thủy lực:
Thời gian lưu thủy lực (HRT) liên quan tới khả năng xử lý nước ô nhiễm. HRT có thể là yếu tố gián tiếp cho sự tắc nghẽn màng vì nó xác định, cùng với các thông số vận hành khác, các đặc tính của bùn. Hầu hết các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng khi HRT giảm, tốc độ bám màng trong MBRs [87] tăng lên do sự gia tăng độ nhớt của bùn và nồng độ EPS. Sự giảm HRT kích thích sự giải phóng EPS từ các tế bào vi khuẩn. Ngoài ra, sự giảm HRT gây ra sự gia tăng nồng độ MLSS và độ nhớt bùn là những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến điều kiện động lực học của hệ thống MBR. Nhóm nghiên cứu của Isma đã áp dụng quá trình MBR và đánh giá sự tắc nghẽn màng lọc trong nước thải tổng hợp tại các điều kiện HRT và SRT khác nhau [88]. Nghiên cứu đã sử dụng SRT trong 4, 15 và 30 ngày với HRT lần lượt là 4, 8 và 12 giờ, phát hiện ra rằng tắc nghẽn màng thấp hơn và TMP tăng chậm hơn được quan sát thấy ở SRT dài nhất (30 ngày) và lâu nhất HRT là 12 giờ.
Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate – OLR):
Đây là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học đối với nước thải. Zhang đã nghiên cứu ảnh hưởng của OLR đối với sự bám bẩn của màng bằng cách sử dụng hai hệ thống MBR ở quy mô phòng thí nghiệm giống nhau hoạt động trong 162 ngày với SRT là 30 ngày [89]. Báo cáo chỉ ra rằng tắc nghẽn màng trong giai đoạn ban đầu tại MBR với OLR thay đổi quan trọng hơn MBR với OLR không đổi. Tuy nhiên, ở trạng thái ổn định MBR (khi hệ thống MBR dần ổn định về nồng độ sinh khối và loại bỏ TOC), xu hướng tắc nghẽn rõ ràng đã đảo ngược với ít tắc nghẽn màng hơn quan sát thấy đối với OLR thay đổi.
Trong một nghiên cứu của Johir về tải trọng hữu cơ đối với sự tắc nghẽn màng trong thiết bị màng MBR trong điều kiện OLR từ 0,5 ÷ 3,0 kg COD/m3 ngày tại HRT: 8 giờ và SRT: 40 ngày không đổi [90]. Đánh giá khả năng xử lý đã chỉ ra tỉ lệ bám bẩn cao hơn được quan sát thấy ở OLR cao hơn (OLR: 2,75 ÷ 3,0 kg COD/m3 ngày).