XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG CÔNG NGHỆ MBR

Công nghệ XLNT bằng MBR phù hợp để xử lý loại nước thải đô thị và công nghiệp ở các khu vực có yêu cầu xả thải cao, eo hẹp về quỹ đất và không có điều kiện xử lý về bùn cặn.

 Đặc điểm về số lượng, thành phần và tính chất nước thải đô thị

Hiện nay lượng nước thải của 787 đô thị (thời điểm tháng 1/2016) ước tính khoảng 6,5 triệu m3/ngày. Theo dự báo của Bộ Xây dựng thì đến năm 2025 nước ta sẽ có1000 đô thị với số dân 52 triệu (tỷ lệ đô thị hóa 50%) [Bộ Xây dựng, 2015]. Lượng nước thải sinh ước tính bằng 80% lượng nước cung cấp tại các vùng có mức độ phát triển bình thường và bằng 90% tại các vùng phát triển mạnh [Trần Đức Hạ, 2006].

Với mức độ sử dụng nước nằm trong khảng 100 - 150 lít/người/ngày đối với thành phố lớn và 60 đến 100 lít/người/ngày vùng ven đô thì đến năm 2020 lượng nước thải đô thị sẽ xấp xỉ 1,5 triệu m3/ngày.

Hệ thống thoát nước (HTTN) của các đô thị chủ yếu là HTTN chung, đảm nhiệm việc thu gom nước thải sinh hoạt, thương mại dịch vụ, một phần nước thải công nghiệp và nước mưa, nước chảy tràn bề mặt. Xã hội phát triển kéo theo nhu cầu về nước sạch của con người cũng tăng theo để phục vụ cho các mục đích sinh hoạt hàng ngày. Nước thải phát sinh từ các hoạt động của con người thường được xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại tại các hộ nhà dân và sau đó chảy ra hệ thống cống và kênh mương hở trên địa bàn thành phố. Theo Hội Bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam (VACNE) năm 2015, nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng số nước thải ở các thành phố lớn.

Do ảnh hưởng từ lượng nước mưa chảy vào hệ thống cống, lượng nước thải và thành phần tính chất của nó dao động rất lớn theo thời gian trong ngày, và theo các mùa trong năm. Theo các nghiên cứu của Bộ môn Cấp thoát nước - Môi trường nước, trường Đại học Xây dựng, thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc rõ rệt vào đặc điểm HTTN đô thị. Hiện nay số lượng các công trình xử lý nước thải (XLNT) được xây dựng không nhiều và hoạt động không hiệu quả nên lượng nước thải đô thị xử lý đảm bảo các tiêu chuẩn môi trường không đáng kể. Theo số liệu của Ngân hàng Thế giới năm 2013, trên toàn quốc có 19 nhà máy XLNT đô thị đã đi vào vận hành và 31 nhà máy khác đang được xây dựng với tổng công suất khoảng 670.000 m3/ngày [8]. Các số liệu thu thập được cho thấy, đến nay, năm 2015, cả nước có 28 hệ thống thu gom và XLNT đô thị đã được xây dựng và đi vào hoạt động với công suất 670.000 m3/ngày [Hội Cấp thoát nước Việt Nam, 2015]. Tỉ lệ thu gom nước thải để xử lý mới chỉ đạt khoảng 12% lượng nước thải sinh hoạt ở các đô thị (tính theo công suất thiết kế) và khoảng dưới 9,5 % (tính theo công suất vận hành thực tế).

Trong thập niên vừa qua, đầu tư hàng năm vào lĩnh vực vệ sinh môi trường đô thị đạt con số 150 triệu Đô la Mỹ, chiếm 0,45% GDP hàng năm. Đến năm 2020 trên cả nước sẽ tiếp tục có khoảng 60 nhà máy XLNT tập trung được đầu tư xây dựng hoặc đưa vào sử dụng với tổng công suất nước thải theo thiết kế là 1.435.000 m3/ngày [Hội Cấp thoát nước Việt Nam, 2015], 94% người dân sử dụng nhà vệ sinh, trong đó 90% số hộ gia đình sử dụng bể tự hoại làm công trình xử lý tại chỗ, 60% hộ gia đình đấu nối xả nước thải vào HTTN công cộng [Ngân hàng Thế giới, 2013]. Phân bố các nhà máy XLNT đô thị hiện nay và năm 2020 tại các vùng miền được thể hiện trên hình 1.

Việc quan tâm đầu tư nhà máy XLNT cùng với mạng lưới thu gom nước thải tại các đô thị đã góp phần giảm ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên năng lực XLNT tại các đô thị Việt Nam hiện nay chỉ đáp ứng được ở mức rất thấp so với nhu cầu thực tế.

Tại Việt Nam có rất nhiều các dự án đầu tư xây dựng các công trình thoát nước và vệ sinh với nhiều nguồn vốn khác nhau và chủ yếu được thực hiện ở các đô thị lớn như: Dự án thoát nước thành phố Hà Nội, dự án cải tạo và xây dựng HTTN thành phố Vũng Tàu, thành phố Hồ Chí Minh, dự án cải thiện môi trường nước thành phố Huế, dự án bảo vệ môi trường thành phố Hạ Long… nên có rất nhiều các công nghệ XLNT khác nhau đang được ứng dụng vào Việt Nam.

Tuy nhiên các nhà máy XLNT bằng công nghệ bùn hoạt tính (bùn hoạt tính truyền thống, bể phản ứng theo mẻ, mương oxy hóa, bùn hoạt tính theo nguyên tắc kị khí, thiếu khí và hiếu khí) là chủ yếu, chiếm 85% công suất lưu lượng thiết kế của toàn bộ các nhà máy [8].

Ở các đô thị Việt Nam, nước thải chủ yếu được thu gom theo HTTN chung (thu gom cả nước thải và nước mưa). Do đó nước mưa chảy vào HTTN sẽ làm nước thải đầu vào loãng hơn khi chảy về đến nhà máy XLNT. Các dữ liệu thu thập được ở các nhà máy XLNT đô thị cho thấy, nồng độ chất hữu cơ (BOD) trong nước thải đầu vào tiếp nhận từ HTTN chung giao động trong khoảng từ 38 - 101 mg/l. Với nồng độ chất hữu cơ thấp trong nước thải đầu vào, nhiều nhà máy XLNT có công nghệ bùn hoạt tính (bùn hoạt tính truyền thống CAS, công nghệ kỵ khí - thiếu khí - hiếu khí A2O, mương oxi hóa OD và xử lý sinh học theo mẻ SBR), gặp khó khăn trong việc đáp ứng được tiêu chuẩn xử lý nước thải nghiêm ngặt, đặc biệt yêu cầu về chỉ tiêu chất dinh dưỡng [4].

2. Nhu cầu tái sử dụng nước thải đô thị

Hiện nay, vấn đề nước sạch đang là một thách thức đối với nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có cả Việt Nam. Do quá trình công nghiệp hóa ngày càng phát triển, sự bùng nổ dân số ngày càng gia tăng dẫn đến sự thiếu hụt nguồn tài nguyên nước (nước mặt, nước ngầm) cho các hoạt động sản xuất cũng như sinh hoạt của con người. Hơn nữa, môi trường tự nhiên đang bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu. Thiên tai như hạn hán, ngập lụt xảy ra ở nhiều nơi và diễn biến ngày càng phức tạp, gây ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn tài nguyên nước. Vì thế, việc tái sử dụng nước sẽ là biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đền khan hiếm nước trong tương lai.

Khu vực đô thị có tiềm năng cao trong việc tái sử dụng nước thải. Các mục đích tái sử dụng khác nhau đóng góp vai trò quan trọng trong việc sử dụng và tiêu thụ nước sạch. Tái sử dụng nước thải tại khu vực đô thị có thể được thực hiện thông qua nước thải tại các trạm XLNT sinh hoạt tập trung hoặc tại các trạm xử lý phân tán trong khu vực đô thị.

Đặc biệt là nguồn nước thải phát sinh tại các khu vực có mật đô dân cư cao như các khu chung cư, thương mại, văn phòng…, đây có thể xem như là một nguồn nước thay thế cho khu vực đô thị. Các công trình này tiêu thụ một lượng nước khá lơn và đôi khi sử dụng nước chưa thật sự hợp lý. Nước sử dụng cho các mục đích như dội nhà vệ sinh, rửa xe, tưới cây, chữa cháy… không cần thiết phải có chất lượng nước cao như nước dành cho mục đích ăn uống.

Tái sử dụng nước thải trong khu vực đô thị có thể dễ dàng được thực hiện và đem lại nhiều lợi ích. Tại đây phát sinh một lượng lớn nước thải và cũng là nơi trực tiếp tiêu thụ một lượng nước lớn mà không yêu cầu chất lượng nước cao. Hơn nữa, thực hiện việc tái sử dụng nước thải sẽ làm giảm các tác động gây ô nhiễm đến môi trường, giảm lượng nước thải vận chuyển về các trạm xử lý tập trung.

Tại nhiều nơi, các trạm XLNT tập trung luôn yêu cầu mở rộng hoặc có thể xây mới để đáp ứng nhu cầu của đô thị. Bằng cách thực hiện này có thể tiết kiệm được rất nhiều chi phí dành cho vấn đề môi trường đặc biệt là trong vấn đề tiêu thụ nước và tiếp nhận nước thải. Tái sử dụng nước thải có thể được thực hiện tại nhiều lĩnh vực khác nhau ngay tại các đô thị tùy thuộc vào khả năng áp dụng và sự thuận lợi của nó. Ví dụ: bổ sung nguồn nước ngầm, tạo cảnh quan đô thị, nuôi cá hoặc có thể sản xuất nước sạch thông qua các công nghệ xử lý phù hợp.

3. Tính ưu việt của MBR trong công nghệ XLNT

Công nghệ XLNT ở Việt Nam hiện nay (bùn hoạt tính truyền thống, lọc sinh học, hồ sinh học,…) đã có nhiều kết quả tốt, đạt được mức độ xử lý yêu cầu nếu áp dụng nhiều cấp độ. Tuy nhiên, các công nghệ này có một số nhược điểm như chất lượng nước đầu ra phụ thuộc chủ yếu vào quá trình lắng thứ cấp, trong khi hiệu quả lắng tại đây có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng như nồng độ bùn, tải trọng hữu cơ và tải trọng thủy lực đầu vào, nhiệt độ,… Mặt khác, để quá trình lắng diễn ra tốt, nồng độ bùn trong hệ bùn hoạt tính thấp, chỉ dao động 3-5 g/L và điều này giới hạn tải trọng hữu cơ trong bể aeroten, kích thước công trình lớn, chiếm nhiều diện tích đất và không còn phù hợp với các đô thị đang ngày càng đông dân cư hiện nay. Vì vậy, cần phải có một công nghệ mới ưu việt hơn để thay thế là thực sự cần thiết, đảm bảo và nâng cao chất lượng xử lý, đồng thời hạn chế tỷ lệ chiếm đất, phù hợp với vốn đầu tư và trình độ vận hành của cán bộ quản lý.

Công nghệ MBR là công nghệ XLNT tiên tiến được nhiều nước phát triển và áp dụng rộng rãi trong vòng hai thập kỷ qua. MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản trong một đơn nguyên: 1) Phân hủy sinh học chất hữu cơ; 2) Kỹ thuật tách sinh khối vi khuẩn bằng màng vi lọc (micro-filtration). Hệ thống MBR có hai dạng chủ yếu: MBR đặt ngập mà mặt ngoài phần lớn được đặt chìm trong bể phản ứng sinh học hiếu khí và dòng thấm được tháo ra bằng cách hút hoặc bằng áp lực và MBR đặt ở ngoài bể phản ứng (hoặc MBR tuần hoàn), hỗn hợp lỏng được tuần hoàn lại bể phản ứng ở áp suất cao thông qua modul màng. Dòng thấm qua màng bởi vận tốc chảy ngang qua màng cao. Màng được rửa sạch bằng khí, nước rửa ngược và hóa chất. (Hình 2,  sơ đồ công nghệ xử lý nước thải)

 

Như vậy, MBR thay thế công nghệ xử lý bùn hoạt tính truyền thống, kết hợp bể lắng, bể aeroten, bể lọc và màng lọc bằng một hệ thống dây chuyền đơn giản hơn trong xây dựng và vận hành.

Tuy nhiên cũng thấy rằng, so với các công nghệ truyền thống khác đang được ứng dụng tại các trạm xử lý hiện nay thì công nghệ MBR có một số điểm hạn chế như: Sự hình thành màng cặn trên màng làm giảm tốc độ lọc, tăng tổn thất qua màng lọc và tăng chi phí năng lượng của hệ thống bơm, chi phí đầu tư ban đầu lớn, và hệ thống điều khiển tương đối phức tạp. Các rào cản quan trọng nhất để áp dụng rộng rãi hơn công nghệ MBR là chi phí. Tuy nhiên các qui định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt liên quan đến bảo tồn nước ngọt và ngăn chặn ô nhiễm là điều kiện thúc đẩy phát triển công nghệ trong trong 30 - 40 năm qua. Hơn nữa, cả kinh phí đầu tư và chi phí hoạt động của quá trình MBR đã giảm đáng kể trong vòng 15 năm trở lại đây.

4. Ứng dụng công nghệ MBR để xử lý và tái sử dụng nước thải đô thị ở Việt Nam

MBR đã được sử dụng rộng rãi trong XLNT y tế, nước thải công nghiệp hay khu dân cư. Với công nghệ này chất lượng nước sau xử lý rất sạch, có thể tái sử dụng cho mục đích tưới cây, làm mát… Với những ưu thế trên thì việc nghiên cứu để đưa công nghệ màng lọc sinh học trong XLNT vào áp dụng ở Việt Nam là thực sự cần thiết, nhằm góp phần phát triển mở rộng lĩnh vực XLNT, tiếp cận với công nghệ mới thân thiện môi trường, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn, và quan trọng hơn cả là nâng cao chất lượng môi trường sống.

Việt Nam cũng như các quốc gia khác trên toàn thế giới đều đang phải đối mặt với vấn đề khan hiếm nước. Nguồn nước cấp bị khai thác cạn kiệt, không đáp ứng được nhu cầu sử dụng ngày một tăng của xã hội. Vì thế nên việc tái sử dụng nước sẽ là một biện pháp hữu hiệu góp phần giảm áp lực cho ngành nước cấp. Trong Nghị định 80/2014/NĐ-CP về Thoát nước và XLNT cũng đề cập đến lựa chọn công nghệ XLNT phù hợp để có thể tái sử dụng [1].

Tiềm năng ứng dụng của công nghệ tại Việt Nam: tiềm năng tái sử dụng nước, tiêu chuẩn thải cho phép, đặc điểm nước thải, yếu tố thủy lực thời tiết giờ cao điểm, khí hậu, đất đai, chi phí vận hành và đặc điểm cơ sở hạ tầng hiện có sẽ tạo cơ hội cho công nghệ MBR được cạnh tranh, lựa chọn và thay thế nâng cấp cho các nhà máy/ trạm XLNT đô thị và khu công nghiệp.

Trong vòng 5 năm gần đây đã có một số nghiên cứu về MBR được thực hiện ở Việt Nam để XLNT sinh hoạt, công nghiệp, nước rỉ rác,… và cho những kết quả khả quan. Nguyễn Phước Dân (Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh) đã thành công trong việc thử nghiệm tại phòng thí nghiệm dây chuyền MBR 2 kiểu: kiểu đặt ngập màng MBR vào trong bể và kiểu đặt ngoài để xử lý nước rỉ rác. Hiệu suất loại bỏ nitơ và ammoni lên đến 85% [5].

Đỗ Khắc Uẩn, Rajesh Banu và Ick-Tae Yeom, 2010, dựa vào các cân bằng khối lượng đối với cơ chất và sinh khối, nghiên cứu đã thiết lập được phương trình tính sản lượng bùn dư trong hệ thống XLNT bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng. Nghiên cứu này tiến hành thiết lập phương trình động học xác định sản lượng bùn dư trong hệ thống sinh học kết hợp lọc màng khi áp dụng cho XLNT đô thị [6].

Lê Văn Chiều, Cao Thế Hà và Nguyễn Hữu Quyết, 2010, đã triển khai nghiên cứu xử lý nước hồ ô nhiễm ở Hà Nội bằng công nghệ AO, bùn hoạt tính kết hợp màng vi lọc (MBR). Hệ thống MBR thử nghiệm qui mô pilot xử lý một phần nước hồ Kim Liên, Hà Nội (Hồ chứa nước thải sinh hoạt với công suất từ 60 - 100 m3/ngày đêm); chạy thử nghiệm trong 9 tháng và cho kết quả nghiên cứu loại bỏ SS đạt 100%, COD đạt 85%, ammoni đạt 97% và Coliform đạt 99%, đáp ứng QCVN08: 2008/BTNMT [5].

Một trong những nội dung của đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thống XLNT quy mô nhỏ bằng công nghệ MBR” thuộc đề án “Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” do GS.TSKH Trần Hữu Uyển và PGS.TS Trần Đức Hạ chủ trì [7] là nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm hệ thống tích hợp gồm bể lọc ngược kị khí UAF và bể lọc màng sinh học MBR đặt ngập với ổn định kị khí bùn thải có thu hồi khí biogas tạo thành để XLNT có hàm lượng hữu cơ cao.

Nhờ xử lý kị khí phía trước, quá trình xử lý hiếu khí trong bể MBR đảm bảo được COD trong nước thải dòng ra đạt quy định của QCVN 40:2011/BTNMT. Điện năng tiêu thụ trong quá trình XLNT bằng UAF-MBR thấp đồng thời việc ổn định kị khí bùn thải sinh học sẽ tạo ra một lượng khí metan có thể thu hồi để làm nhiên liệu. Mặt khác đối với nước thải hàm lượng hữu cơ cao bể MBR có thể làm việc với nồng độ bùn lớn, nên thể tích công trình nhỏ và lượng bùn dư trong quá trình xử lý giảm đáng kể [7].

Nguyễn Đức Toàn, Phạm Tiến Nhất - Trung tâm Tư vấn và Công nghệ Môi trường, Tổng cục Môi trường, tháng 10/2011, đã ứng dụng công nghệ MBR đưa mô đun màng sinh học để xử lý nước hồ ô nhiễm vào lắp đặt và vận hành thử nghiệm tại hồ Biển Bạch thuộc phường Vân Giang, TP Ninh Bình qua quá trình vận hành thử nghiệm, lấy mẫu phân tích chất lượng nước đầu ra cho thấy, các chỉ tiêu như BOD5, COD, N-NH4, Coliform đều đạt QCVN 08: 2008/BTNMT loại A.

Trần Thị Việt Nga, năm 2013, triển khai nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp bộ “Nghiên cứu phát triển công nghệ màng lọc sinh học trong điều kiện kỵ khí (Anaerobic Membrane Bio-Reactor) để XLNT sinh hoạt trong điều kiện Việt Nam”. Hệ thống MBR triển khai nghiên cứu mô hình XLNT tại trạm XLNT Kim Liên [5].

Với những ưu điểm vượt trội trên thì công nghệ MBR đang được phát triển mạnh trên thế giới và tại Việt Nam. Ở các thành phố, MBR cũng đã được ứng dụng khá nhiều trong XLNT công nghiệp và nước thải sinh hoạt quy mô công suất nhỏ. Ở các thành phố, MBR cũng đã được ứng dụng khá nhiều trong XLNT công nghiệp và nước thải sinh hoạt quy mô công suất nhỏ. Đặc biệt MBR được áp dụng XLNT cho các khách sạn lớn, khu đô thị tập trung, bệnh viện, khu thương mại… tại các thành phố lớn hoặc XLNT đòi hỏi tải trọng hữu cơ và hiệu suất xử lý cao để tiết kiệm diện tích xây dựng cũng như khả năng chịu sự biến đổi tải trọng ô nhiễm hữu cơ vượt trội.

Tại thành phố Hồ Chí Minh, Công ty cổ phần Môi Trường GreenTech đã ứng dụng thành công công nghệ màng sợi rỗng nhúng chìm (Hollow Fiber MBR) của hãng Mitsubishi Rayon để XLNT sinh hoạt khách sạn Caravelle công suất 350m3/ngày, khu dân cư Thành Phố Xanh công suất 150m3/ngày.

Hiện nay trên thị trường Việt Nam cũng đã có một số công ty như Công ty TNHH Nước Vũ trụ, Công ty Cổ phần Môi trường Công nghệ xanh, Công ty TNHH Công nghệ môi trường Cẩm Việt,... kinh doanh màng lọc MBR của các hãng như MOTIMO (Trung Quốc), HEYWL (Malaysia),... Tất cả các nhà cung cấp chủ yếu cung cấp hai loại màng Polypropylene và PVDF (Polyvinydene fluoride).

5. Kết luận

Công nghệ XLNT bằng MBR phù hợp để xử lý loại nước thải đô thị và công nghiệp ở các khu vực có yêu cầu xả thải cao, eo hẹp về quỹ đất và không có điều kiện xử lý về bùn cặn. Cộng nghệ này cũng phù hợp với các trạm XLNT phân tán, trong các khu đô thị mới, các tòa nhà chung cư cao cấp, khách sạn và bệnh viện. Nước thải sau khi xử lý có thể tái sử dụng cho các công trình vui chơi giải trí và vệ sinh cho đô thị.

Tuy nhiên, cho đến nay các ứng dụng MBR để xử lý các loại nước thải sinh hoạt và công nghiệp ở Việt Nam còn ở mức hạn chế. Hiệu quả hoạt động của màng cũng như những vấn đề khó khăn trong vận hành đang là vấn đề đáng quan tâm hiện nay. Để ứng dụng rộng rãi các loại MBR xử lý các loại nước thải đô thị và công nghiệp cần thiết phải xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật cũng như tài liệu hương dẫn tính toán thiết kế chế tạo và vận hành bảo trì các loại công trình và thiết bị cho công nghệ này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PGS.TS Trần Đức Hạ

Viện trưởng Viện Nghiên cứu Cấp thoát nước và Môi trường

 

 

 

 

Viết bình luận

Bạn đã gửi bình luận thành công. Xin cảm ơn!