11

1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan nước thải y tế

1.1.1. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải y tế

Hình 1.1. Nguồn gốc nước thải y tế

Trong các cơ cở y tế một lượng lớn các chất được sử dụng cho các mục đích y tế

như chẩn đoán điều trị và nghiên cứu. Sau khi sử dụng , các tác nhân chẩn đoán, thuốc

khử trùng và dược phẩm không chuyển hóa được bệnh nhân bài tiết và hiện diện trong

nước thải. Hình thức loại bỏ này có thể gây nguy hiểm cho các sinh vật sống trong nguồn

nước (Emmanuel và cộng sự, 2005).

Các cơ sở y tế xả một lượng đáng kể các hóa chất và các tác nhân vi sinh vật trong

nước thải của họ. Hóa chất có trong nước thải của các cơ sở y tế thuộc các nhóm khác

nhau, chẳng hạn như thuốc kháng sinh, tác nhân tương phản X-quang, thuốc khử trùng và

dược phẩm. Nhiều thành phần trong số các hợp chất hóa học không chịu tác động của

những cách xử lý nước thải thông thường. Chúng tồn tại trong nước bề mặt nơi chúng có

thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh và ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn. Con người đặc

biệt tiếp xúc nhiều bởi các nguồn nước uống sản xuất từ nước bề mặt. Tác nhân vi sinh

vật được đặc biệt quan tâm là các chủng vi khuẩn đa kháng. (Pauwels và cộng sự, 2006).

Theo kết quả phân tích của Sở Tài Nguyên Môi trường TP.HCM, 80% nước thải

từ các cơ sở y tế là nước thải bình thường (tương tự nước thải sinh hoạt) chỉ có 20% là

những chất thải nguy hại bao gồm chất thải nhiễm khuẩn từ các bệnh nhân, các sản phẩm

của máu, các mẫu chẩn đoán bị hủy, hóa chất phát sinh từ trong quá trình giải phẫu, lọc

máu, hút máu, bảo quản các mẫu xét nghiệm, khử khuẩn... Với 20% chất thải nguy hại

12

này cũng đủ để các vi trùng gây bệnh lây lan ra môi trường xung quanh. Đặc biệt, nếu các

loại thuốc điều trị bệnh ung thư hoặc các sản phẩm chuyển hóa của chúng không được xử

lý đúng mà đã xả thải ra bên ngoài sẽ có khả năng gây quái thai, ung thư cho những

người.

1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải y tế

Nước thải bệnh viện chứa các vi sinh vật gây bệnh, dược chất chuyển hóa một

phần, nguyên tố phóng xạ và các chất độc hại khác. Nước thải như vậy nếu không được

điều trị đúng cách có thể gây tổn hại môi trường tự nhiên và tạo ra một sự mất cân bằng

sinh học.

1.1.3. Ảnh hưởng nước thải y tế đến môi trường

Trong nước thải y tế có chứa một hàm lượng lớn chất dinh dưỡng với thành phần

N, P cao khi thải ra môi trường dễ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, một số loại tảo sẽ

phát triển mạnh sử dụng hết oxi trong nước gây ra hiện tượng thiếu oxi cho các sinh vật

khác. Khi tảo phát triển mạnh trên bề mặt nước sẽ giảm độ chiếu sáng xuống các tầng

dưới tầng nước sâu, giảm khả năng quang hợp.

Bên cạnh đó trong nước thải bệnh viện chứa một lượng nhỏ dầu mỡ động vật, khi

xả vào môi trường đất, nước sẽ tạo một lớp che phủ ở bề mặt ngăn cản sự bổ sung oxi

vào môi trường đất, nước, ức chế sự phát triển các các vi sinh vật.

Các chất lơ lửng làm cho nước đục hoặc có độ màu gây mất mĩ quan, hạn chế độ

sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống. Mặt khác, chất rắn lơ lửng lắng xuống với

lượng lớn sẽ gây bồi lắng lòng sông, hạn chế sự di chuyển tàu thuyền, nước có thể gây ứ

động sinh môi trường kị khí tạo thành mùi hôi gây ô nhiễm môi trường.

1.1.4. Ảnh hưởng đến con người

Nước thải từ các phòng phẫu thuật, phòng xét nghiệm, thí nghiệm, từ các nhà vệ

sinh, khu giặt tẩy… với những mầm bệnh truyền nhiễm nguy hiểm ngày đêm chạy thẳng

vào hệ thống thoát nước chung của thành phố mà không qua xử lý, tạo thành những ổ

dịch nguy hiểm.

Kim tiêm có thể gây tổn thương, truyền bệnh cho con người nếu không được thu

gom hợp lý.Chất khử trùng, các hóa chất trong y khoa cũng ảnh hưởng không nhỏ đến

sức khỏe con người, nhất là người sử dụng tiếp xúc với chúng.

13

1.1.5. Các công nghệ xử lí nước thải y tế

Ô nhiễm nước bề mặt là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng tại các

đô thị ở Nepal do việc xả nước thải chưa qua xử lý vào hệ thống sông, biến chúng thành

hệ thống cống rãnh công cộng. Nhà máy xử lý nước thải gần như không tồn tại ở đất

nước ngoại trừ một vài hệ thống trong thung lũng Kathmandu và thậm chí cả những hệ

thống này cũng không hoạt động tốt. Triển khai thành công một vài hệ thống đất ngập

nước kiến tạo trong ba năm qua đã thu hút sự chú ý đến công nghệ đầy hứa hẹn này . Một

hệ thống đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm để xử lý nước thải y tế và một hệ thống

khác xử lý nước xám bây giờ đang trở thành một mô hình thí điểm của các hệ thống đất

ngập nước được xây dựng ở Nepal. Bên cạnh các hệ thống này, năm hệ thống đất ngập

nước kiến tạo đã được thiết kế và một số đang được xây dựng để xử lý nước thải thành

phố Pokhara, nước thải trong Đại học Kathmandu, hai bệnh viện và một trường học. Với

kinh nghiệm hiện tại, một số kiến nghị được chỉ ra để thúc đẩy công nghệ này trong các

nước đang phát triển (Shrestha và cộng sự, 2001).

Hiệu suất của một hệ thống màng phản ứng sinh học ngập nước (MBR) xử lý

nước thải y tế được khảo sát. Hiệu suất khử COD, NH4+-N, và độ đục là 80, 93 và 83%

tương ứng với chất lượng nước thải trung bình của COD nhỏ hơn 25 mg/l, NH4+-N nhỏ

hơn 1,5 mg/l và độ đục nhỏ hơn 3 NTU, Coli Escherichia loại bỏ trên 98%. Nước thải

không có màu và không có mùi. Áp lực màng tăng chậm trong khi hoạt động 6 tháng.

Không có hoạt động làm sạch màng thời gian hoạt động 6 tháng (Wen và cộng sự, 2004).

Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải cho các cơ sở y tế là một thách thức

cho các kỹ sư nước thải. Một hệ thống thí điểm quy mô tích hợp kỵ khí-hiếu khí xử lý

nước thải y tế được xây dựng và hiệu quả của nó đã được đánh giá. Mục đích của nghiên

cứu là việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và giảm đáng kể các vi khuẩn. Hệ thống đã hoạt

động trong 90 ngày. Kết quả cho thấy hệ thống có hiệu quả loại bỏ 95,1% nhu cầu oxy

hóa học (COD) từ nước thải y tế với COD đầu vào đên 700 mg/L, và đầu ra là 34 mg/L.

Việc loại bỏ đáng kể các vi khuẩn gây bệnh đã có kết quả sau khi vận hành hệ thống.

Những lợi thế của hệ thống xử lý nước thải nghiên cứu đối với các dòng nhỏ bao gồm: (I)

đơn giản trong vận hành và bảo dưỡng ; (II) hiệu quả loại bỏ COD và vi khuẩn, và (III)

tiêu thụ năng lượng thấp (Rezaee và cộng sự, 2005).

Ở Trung Quốc, số lượng các bệnh viện đã tăng lên 19.712 vào năm 2008, với lưu

lượng của nước thải y tế đạt 1,29×106 m3/ngày. Màng lọc sinh học (MBR) hiệu quả hơn

14

trong việc loại bỏ vi sinh vật bệnh lý so với hệ thống xử lý nước thải truyền thống. Trong

8 năm qua, hơn 50 hệ thống MBR đã được xây dựng thành công xử lý nước thải bệnh

viện, với công suất từ 20 - 2000 m3/ngày. MBR hiệu quả trong việc tiết kiệm tiêu thụ chất

khử trùng (clo thêm vào có thể giảm còn 1.0 mg/L), rút ngắn thời gian phản ứng (khoảng

1,5 phút, 2,5-5% quá trình xử lý nước thải thông thường), và đạt được một hiệu ứng tốt

với sự ức chế hoạt động các vi sinh vật. Hơn nữa, khi công suất của các nhà máy MBR

tăng 20-1000 m3/ngày, chi phí điều hành của hệ thống giảm mạnh (Liu và cộng sự,

2010).

1.2. Tổng quan về hệ thống sinh học màng MBR

1.2.1. Giới thiệu về bể lọc sinh học

Bể cân bằng...|...Bể sục khí...|...Bể lọc tách bằng màng...|...Bể nước đầu ra

Hình 1.2. Mô hình MBR

Hệ thống MBR được phát triển đầu tiên vào năm 1970 để ứng dụng cho việc xử lý

nước thải đô thị và công nghiệp. MBR là kỹ thuật mới xử lý nước thải kết hợp quá trình

dùng màng lọc với hệ thống bể sinh học thể động bằng quy trình vận hành SBR sục khí 3

ngăn và công nghệ dòng chảy gián đoạn. MBR là sự cải tiến của quy trình xử lý bằng bùn

hoạt tính, trong đó việc tách cặn được thực hiện không cần đến bể lắng bậc 2. Đây là

15

điểm thuận lợi của hệ thống này, vì thế việc loại bỏ bùn lơ lửng và khử trùng phụ thuộc

vào ngưỡng giới hạn của màng

Quy trình xử lý bể sinh học bằng màng MBR có thể loại bỏ chất ô nhiễm và vi sinh

vật rất triệt để nên hiện nay được xem là công nghệ triển vọng nhất để xử lý nước thải.

Nhờ sử dụng màng, các thể cặn được giữ lại trong bể lọc, giúp cho nước sau xử lý

có thể đưa sang công đoạn tiếp theo hoặc xả bỏ / tái sử dụng được ngay.

Vai trò của bể MBR

Tiền xử lý: như lưới lọc, song chắn rác.

Xử lý bậc 1: khử chất hữu cơ, N, P.

Xử lý bậc 2: phân tách hai pha rắn và pha lỏng khi qua màng.

Vai trò của bể lọc tách bằng màng

Cấp đầy dưỡng chất bằng hấp thu lượng amoni và P còn lại.

Khử hết sinh vật còn lại.

Vận hành gián đoạn (7~12 phút chạy, 3 phút ngưng).

Làm sạch màng chỉ bằng thổi khí ngược.

Vận hành liên tục trên 6 tháng, lưu tốc 0.3 m3/m2.ngày.

MBR có thể được vận hành trong thời gian lưu bùn rất lâu SRT từ 5-50 ngày và

mật độ bùn cao trong bể phản ứng và tỷ số F/M thấp (Visvanathan et al., 2000). MBR có

khả năng nitrat hoá hơn quá trình bùn hoạt tính thông thường vì thời gian cho vi khuẩn

nitrat hoá lâu hơn (SRT dài, F/M thấp) và kích thước bùn nhỏ hơn. Bông bùn nhỏ cho

phép quá trình chuyển các chất dinh dưỡng và oxy vào bể nhiều hơn [4]. Sử dụng màng

lọc còn ngăn ngừa sự rửa trôi vi sinh vật nitrat hoá trong thời điểm SRT và HRT ngắn

(Soriano et al., 2003). Hiệu quả khử chất hữu cơ của công nghệ MBR thường rất cao 95%

trong thời gian ngắn.

Công nghệ MBR có 2 hệ thống là màng đặt ngập trong bể phản ứng (iMBR) và

màng đặt ngoài (sMBR). Ứng với nó là hai dạng điều khiển thuỷ lực: bơm và nén khí.

Cấu hình và dạng chuyển động của chất lỏng trong bể phản ứng nào được sử dụng thông

thường phụ thuộc vào quá trình tách sinh khối. Tuy nhiên ở cả hai dạng thiết bị này, quá

trình thẩm thấu và khuếch tán đều diễn ra, và có thể sử dụng với không chỉ mục đích tách

sinh khối ra khỏi nước đã xử lý. Các cấu hình màng sử dụng cho hai dạng thiết bị này

cũng khác nhau. Nhìn chung iMBR có cường độ năng lượng sử dụng thấp hơn so với

sMBR, khi ứng dụng mô hình màng với bơm nằm ngoài bể phản ứng sẽ đòi hỏi năng

16

lượng khoảng gấp đôi so với màng ngập trong nước. Để tận dụng tốt thế năng của dòng

nước trong trường hợp sử dụng sMBR thì đường ống dẫn nước càng dài càng tốt. Không

những thế, sMBR còn có xu hướng tắc màng cao hơn iMBR bởi vì nó thường được vận

hành với thông lượng cao, mà khả năng màng lại tăng theo thông lượng, trường hợp này

gọi là giới hạn thông lượng. Bảng 1 trình bày những thuận lợi và bất bợi của việc đặt

ngập và đặt màng ngoài bể phản ứng MBR.

(a) Màng đặt ngập (b) Màng đặt ngoài

Hình 1.3. Hệ thống màng đặt ngập và màng đặt ngoài bể phản ứng

Bảng 1.1: Những thuận lợi và bất bợi của việc đặt ngập và đặt màng ngoài bể phản ứng

Màng đặt ngập Màng đặt ngoài

Thuận lợi:

Diện tích nhỏ

Điều khiển lượng O2 cần thiết

Ít rửa màng

Chi phí vận hành thấp

Chi phí bơm rửa màng thấp

Năng lượng tiêu thụ thấp

Thuận lợi:

Diện tích nhỏ

Loại bỏ hoàn toàn chất rắn ở đầu ra

Khử trùng đầu ra

Có khả năng vận hành tải trọng cao

Kết hợp loại bỏ COD, chất rắn,

chất dinh dưỡng trong cùng 1 đơn

vị

Bùn sinh ra thấp

Thời gian khởi động nhanh

Không có vấn đề về sự tăng thể

tích

Bất lợi:

Dễ bị tắc màng

Chi phí khí cao

Bất lợi:

Sục khí có giới hạn

Dễ bị tắt màng

17

Giá màng lọc

Chi phí vận hành cao

Chi phí bơm cao

Yêu cầu rửa màng cao

Quá trình phức tạp

1.2.2. Giới thiệu bể sinh học màng nhúng chìm (SMBR)

Là nơi diễn ra song song 2 quá trình:

Phân huỷ hợp chất hữu cơ

Quá trình Nitrat hoá trong điều kiện cấp khí nhân tạo

Quá trình Nitrate hóa là quá trình oxy hóa các hợp chất chứa Nitơ, đầu tiên là

Amonia thành Nitrite sau đó oxy hóa Nitrite thành Nitrate. Quá trình Nitrate hóa

ammonia và khử Nitrate diễn ra trong bể sinh học tiếp xúc theo 3 bước sau:

Bước 1: Ammonium được chuyển thành nitrite được thực hiện bởi Nitrosomonas:

NH4+ + 1.5 O2 NO2

- + 2 H+ + H2O

Bước 2: Nitrite được chuyển thành nitrate được thực hiện bởi loài Nitrobacter:

NO2- + 0.5 O2 NO3

-

Trong bể SMBR vi sinh vật (VSV) hiếu khí (các vi sinh vật sống trong môi trường

có oxy) sẽ sử dụng các chất hữu cơ có trong nước thải như là thức ăn để sinh trưởng và

phát triển thành VSV mới. Một phần chất hữu cơ cũng bị oxi hóa thành khí CO2 và NH3

bằng phương trình phản ứng sau:

Chất hữu cơ + C5H7NO2 (VSV) + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + VSVmới

Nhờ quá trình hoạt động trên của VSV mà các nồng độ chất hữu cơ trong nước thải

sẽ giảm dần đến một mức độ chấp nhận (đạt quy chuẩn xả thải).

Màng sinh học MBR với kích thước lỗ lọc là 0,1µm, diễn ra quá trình phân tách

giữa nước sạch và hỗn hợp bùn hoạt tính, các chất rắn lơ lửng và vi khuẩn gây bệnh, duy

trì mật độ sinh khối cao giúp vi sinh vật hoạt động tốt hơn, nâng cao hiệu suất xử lý.

1.3. Các ứng dụng màng MBR trong xử lý nước thải

1.3.1. Tình hình nghiên cứu thế giới

Nước thải y tế phát sinh từ rất nhiều nguồn khác nhau trong quá trình hoạt động

của bệnh viện như: máu, dịch cơ thể, giặt quần áo bệnh nhân, khăn lau, chăn màn các

18

giường bệnh, súc rửa các vật dụng y khoa, xét nghiệm, giải phẫu, sản nhi, vệ sinh, lau

chùi làm sạch các phòng bệnh… Điểm đặc thù của nước thải y tế là sự lan truyền rất

mạnh các vi khuẩn gây bệnh, nhất là nước thải từ những bệnh viện chuyên về bệnh truyền

nhiễm cũng như khoa lây nhiễm của các bệnh viện khác. Những nguồn nước thải này là

một trong những nhân tố cơ bản có khả năng gây truyền nhiễm qua đường tiêu hóa và

làm ô nhiễm môi trường. Đặc biệt nguy hiểm khi nước thải bị nhiễm các vi khuẩn gây

bệnh có thể dẫn đến dịch bệnh cho người và động vật qua nguồn nước, qua các loại rau

được tưới bằng nước thải. Khi bệnh viện nằm trong đô thị hay khu dân cư đông người,

các dịch bệnh càng có cơ hội phát triển lây lan nhanh chóng.

Trong đó, một số lượng lớn các hợp chất này hiện nay không thể xử lý được bằng

phương pháp xử lý nước thải thông thường, nhiều dạng chất lỏng có nguy cơ lây nhiễm,

truyền bệnh cao. WHO đã tuyên bố rằng 85% chất thải của bệnh viện là không nguy

hiểm, khoảng 10% là nhiễm trùng, và khoảng 5% không lây nhiễm nhưng nguy hiểm.

Loại nước thải này nhất thiết phải được xử lý và khử trùng trước khi thải vào môi trường.

Việc quản lý an toàn và hiệu quả các chất thải y tế đã nhận được nhiều sự chú ý vì

liên quan đến sự gia tăng nguy cơ sức khoẻ đối với nhân viên y tế, bệnh nhân và môi

trường của họ và cho cộng đồng nói chung. Ở Ấn Độ, với việc thực hiện các quy định về

quản lý và xử lý chất thải y tế 1998, trọng tâm chủ yếu là việc xử lý đúng cách, phân chia

và xử lý để giảm nguy cơ rủi ro cho cá nhân và cộng đồng. Hiện nay, việc quản lý nước

thải y tế tại Việt Nam còn một số bất cập và chưa đáp ứng được các quy định hiện hành

về bảo vệ môi trường. Nhiều cơ sở y tế chưa lựa chọn được loại hình công nghệ phù hợp

với điều kiện thực tế của đơn vị để đầu tư hệ thống xử lý nước thải và chưa đáp ứng được

quy chuẩn hiện hành.

Hệ thống MBR có thể được vận hành trong thời gian lưu bùn (SRT) dài (5-50 ngày)

với MLSS cao trong bể phản ứng và tỷ số F/M thấp (Visvanathan và cộng sự, 2000).

MBR có khả năng nitrat hóa cao hơn quá trình bùn hoạt tính thông thường (CAS) vì thời

gian cho vi khuẩn nitrat hóa lâu hơn (SRT dài, F/M thấp) và kích thước bông bùn nhỏ

hơn. Bông bùn nhỏ hơn cho phép quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng và oxy vào trong

nhiều hơn (Gender và cộng sự, 2000). Sự hiện diện của màng lọc trong bể MBR ngăn

ngừa sự rửa trôi vi sinh vật nitrat hóa tại thời điểm SRT và HRT ngắn (Soriano và cộng

sự, 2003) và khuyến khích sự tăng dần của chỉ số tăng trưởng chậm của vi sinh vật, chẳng

hạn vi khuẩn nitrat hóa, và lượng bùn sinh ra rất ít (Muller và cộng sự, 1995; Trouve và

19

cộng sự, 1994; Cicek và cộng sự, 2001) cho thấy quá trình nitrat hóa chậm dần sau 2

ngày lưu bùn, một phần vi khuẩn nitrat bị mất đi. Với tải trọng nitơ trong khoảng 0,1- 3,3

kg NH4+-N/m3.ngày với nồng độ DO khoảng 1 mg/L, hiệu qủa khử NH4

+-N đạt hơn 90%

(Chiemchaisri và cộng sự, 1992). Hiệu quả khử chất hữu cơ thường cao hơn 95% với

HRT ngắn (Holler và cộng sự, 2001; Soriano và cộng sự, 2003). Trong báo cáo của

Soriano và cộng sự (2003), hiệu quả khử cacbon và nitơ trong MBR cao hơn trong CAS,

với thời gian SRT ngắn.

Một loạt các thí nghiệm quy mô trong phòng thí nghiệm đã được thực hiện bởi

Yamamoto và cộng sự (1989) để xác định tính khả thi của việc đặt màng trực tiếp trong

một bể sục khí bùn hoạt tính. Nghiên cứu được thực hiện với một màng dạng sợi với kích

thước lỗ rỗng 0,1 μm, thí nghiệm ngắn hạn với nồng độ MLSS liên tục cho thấy áp lực

hút cao (80 kPa) đã dẫn tới thông lượng giảm nhanh chóng. Trong thời gian thử nghiệm

lâu dài, do lực hút qua module màng mạnh nên liên tục gây ra tắc nghẽn và đặc biệt áp

lực gia tăng lên đến 100 kPa. Một thông lượng ổn định đã được quan sát trong 120 ngày

tại một tải trọng thể tích là 1,5 kg COD/m3.ngày sử dụng hút liên tục tại một áp suất thấp

là 13 kPa. COD loại bỏ hơn 90% và sục khí liên tục. Tuy nhiên, loại bỏ nitrate khác biệt

đáng kể trên 80% và hiệu quả khử nitơ trong khoảng 20-60%. Từ những phân tích sự ảnh

hưởng của nổi bọt khí trên bề mặt, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng màng có khả

năng loại bỏ hoàn toàn COD dạng hòa tan và dạng keo.

Trong quá trình hoạt động trạng thái ổn định, tỉ số F/M là 0,1

kgCOD/kgMLSS.ngày và tải trọng hữu cơ đã được ước tính khoảng 3-4 kgCOD/m3.ngày

để duy trì cả hai thông lượng ổn định trong điều kiện hiếu khí.

Chiemchaisri (1990) nghiên cứu một quá trình bùn hoạt tính với một module màng

với lỗ rỗng là 0,1 μm để xử lí nước thải sinh hoạt với nồng độ thấp. Một sự so sánh được

thực hiện bằng hiệu suất của các bể phản ứng màng trong các điều kiện vận hành khác

nhau, chẳng hạn như không có khí và có khí, với thời gian lưu nước (HRT) khác nhau là

1, 3, và 6 giờ (với thông lượng màng tương ứng 4.17, 1.38, và 0,7 L/m2.h). Quá trình

hoạt động này được khai thác liên tục, 10:10 phút thời gian hoạt động. Các máy khuấy từ

được sử dụng trong điều kiện không cung cấp khí để giữ MLSS luôn ở trong trạng thái lơ

lửng. Các bể phản ứng không có khí đã có một lợi thế hơn các bể hoạt động với điều kiện

có khí tại HRTs ban đầu là 3h và 6h, bởi vì năng lượng thấp hơn được yêu cầu phải cung

20

cấp cho chất lượng nước thải tương tự và ổn định quá trình. Tuy nhiên, tại HRT 1h (hoặc

với thông lượng màng cao hơn, 4,17 L/m2.h) việc cung cấp khí là cần thiết để ngăn ngừa

tắc nghẽn màng. Thông lượng 4,17 L/m2.h có vẻ là một giá trị ranh giới quan trọng giữa

điều kiện gây tắc nghẽn màng và không tắc nghẽn màng.Tại thông lượng thấp hơn, không

có hiện tượng bẩn màng với điều kiện hệ thống được cung cấp khí. Chất lượng nước

thấm qua màng có giá trị COD là độc lập với tải trọng hữu cơ trong khoảng 0,2-2

kgCOD/m3.ngày. Do thời gian lưu bùn dài (SRT) quá trình được ổn định và giá trị COD

tương tự trong tất cả các điều kiện thí nghiệm.

Quá trình lọc màng trực tiếp sử dụng loại màng hollow fiber đặt trong hệ thống

bùn hoạt tính được nghiên cứu trong mô hình thí nghiệm (Chiemchasri và cộng sự,

1992). Hệ thống bao gồm 2 phần, bể sục khí chính và đơn nguyên lọc. Đơn nguyên lọc

với thể tích 10 L được nhúng chìm trong bể sục khí, có thể tích là 62 L. Hai module

màng hollow fiber có kích thước lỗ màng là 0,1 μm, diện tích mỗi module là 0,3 m2 được

lắp trong đơn nguyên lọc. Cánh khuấy được điểu khiển bởi mô tơ tạo thành dòng cross-

flow của hỗn hợp chất lỏng đi xuyên qua bề mặt màng với tốc độ 290 rpm trong chu kì

10 giây theo các hướng so le nhau. Bằng cách cung cấp những điều kiện hỗn loạn cao

trong vùng lọc kết hợp với thổi khí bên trong module màng, bùn tích tụ trên bề mặt màng

và bên trong module sẽ giảm đáng kể. Thông lượng dòng thấm thu được sau 30 ngày vận

hành là 8,33 LMH khi hút liên tục. Mức độ loại bỏ chất hữu cơ tương đối cao (>85%) đã

được quan sát tương ứng với 20,8 g/L và 16,5 g/L COD trong nước thải trong suốt quá

trình sục khí gián đoạn. Mức độ nitrate hóa và khử nitrate khoảng 90% trong suốt quá

trình sục khí gián đoạn tại khoảng DO là 4 – 5 mg/L. Tuy nhiên, với mức độ sục khí như

trên nhưng ở nồng độ DO thấp 1.5 – 2 mg/L, mức độ nitrate hóa và khử nitrate chỉ còn

khoảng 80% tương ứng với 4,9 g/L tổng nitơ trong nước thải.

Muller (1995) đã nghiên cứu xử lý hiếu khí nước thải sinh hoạt bằng mô hình

MBR ngoại vi với lưu bùn hoàn toàn (không thải bùn trong quá trình thực nghiệm). Bùn

hầu như không tạo ra khi MLSS tăng tới 45 – 50 g/L ở tải trọng vận hành là 0,9 – 0,2

kgCOD/m3.ngày. Tỉ số F/M rất thấp (0,021 gCOD/gMLSS.ngày). Hiệu suất xử lý ổn định

và bùn sinh ra có thể đạt được rất thấp.

Song song với quá trình phát triển của hệ thống màng lọc sinh học dạng sợi nhúng

chìm hollow fiber, những nhà nghiên cứu người Nhật đã phát triển hệ thống màng lọc

21

sinh học với màng dạng tấm nhúng chìm ‘Kubota’. Mô hình này được thử nghiệm tại mô

hình pilot ở U.K. (Churchose, 1998; McCann, 1998). Trong hệ thống này những tấm

màng vi lọc cố định trong một hộp hình chữ nhật, được đặt chìm trong bể bùn hoạt tính

và một hệ thống tạo bong bóng khí được đặt phía dưới module màng. Các bông bùn

ngậm khí tăng lên giữa các tấm màng, nó cung cấp vừa đủ lượng bùn tuần hoàn tại bề

mặt màng. Nó tạo ra dòng cross-flow đi từ dưới lên bề mặt màng và giúp ít bẩn màng

nhất. Dòng nước sạch đi ra khỏi hệ thống nhờ một bơm hút có áp suất thấp (0,1 bar) hoặc

nhờ trọng lực. Cách sắp xếp module và hệ thống thổi khí đòi hỏi việc rửa màng thấp. Các

module màng được rửa một lần/năm bằng việc sử dụng một bơm nước rửa ngược. Ngoài

ra hệ thống này còn phải được làm sạch từ hai đến bốn lần trong một năm để cải thiện

thông lượng màng. Hệ thống được thử nghiệm trong xử lý nước thải với cách sắp xếp quá

trình nitrate hóa và khử nitrate với sự khác biệt lớn về chất lượng nước thải (30 – 2100

mg/L BOD và 100 – 4000 COD) (Churchouse, 1998). Nước đầu ra từ quá trình này phù

hợp với tỷ lệ 5:1:1 tương ứng với BOD:SS:NH4+-N với việc loại bỏ 96% COD và BOD.

Lượng bùn trung bình được tạo ra là 0,3 kg/kg BOD, chiếm 40% quá trình tạo bùn hoạt

tính thông thường.

Ueda và cộng sự (1999) đã nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng mô hình pilot

kết hợp hệ thống kị khí/hiếu khí với màng đặt ngập. Điều kiện hoạt động của hệ thống

này được duy trì là: HRT là 13,5h; SRT là 72 ngày; MLSS 10 g/L; tải trọng BOD5 là 0,25

kg/m3.ngày; tải trọng TKN 0,06 kg/m3.ngày và tỉ số F/M là 0,2. Chất lượng nước sau xử

lý rất tốt, có thể đạt được 1,3 mgBOD5/L; không có cặn lơ lửng; coliform/100mL; 7,1

mgTN/L; 0,3 mgNH4+-N/L và 4,6 mgNO3

--N/L.

Hai mô hình MBR và một hệ thống bùn hoạt tính (CAS) cũng được sử dụng trong

việc loại bỏ các hợp chất dược (PhACs) thuộc các nhóm điều trị khác nhau và với các đặc

tính lý hóa đa dạng (Radjenovic và cộng sự, 2009). Hai mô hình MBR thí điểm loại bỏ

được nhiều hơn một số dư lượng thuốc loại bỏ không hiệu quả bằng CAS (ví dụ,

mefenamic acid, indomethacin, diclofenac, propyphenazone, pravastatin, gemfibrozil),

trong khi ở một số trường hợp hoạt động ổn định hơn của một trong những hệ thống

MBR khi kéo dài SRT được chứng minh là gây bất lợi cho việc loại bỏ một số hợp chất

(ví dụ, b-blockers, ranitidine, famotidine, erythromycin). Trong số các dược phẩm gặp

phải trong bùn thải, bùn có thể là một con đường loại bỏ một số hợp chất (ví dụ,

22

mefenamic acid, propranolol, và loratidine). Đặc biệt là trong trường hợp của loratidine

các thực nghiệm xác định hệ số hấp thụ (KDS) là trong khoảng 2214-3321 L/kg (trung

bình). Kết quả thu được trong giai đoạn rắn chỉ ra rằng năng suất MBR xử lý nước thải tỷ

lệ phân hủy sinh học cao hơn có thể làm giảm số lượng các chất ô nhiễm trong bùn.

Ngoài ra, tải trọng tổng sản lượng trong pha nước, rắn của hệ thống xử lý nước thải đã

được tính toán, chỉ ra rằng không có chất nào trong số các dược phẩm ban đầu còn lại bị

phát hiện và bị suy thoái trong thời gian phân hủy yếm khí. Trong số 26 dư lượng thuốc

đi qua hệ thống xử lý nước thải, 20 chất cuối cùng được phát hiện trong bùn được xử lý

để tiếp tục áp dụng trên đất nông nghiệp.

Một bể phản ứng sinh học màng (MBR) với dạng màng sợi rỗng được dùng để xử

lý nước thải được lấy từ bể lắng của hệ thống xử lý nước thải bệnh viện. Hiệu quả xử lý

của mô hình đối với COD, NH4+-N và độ đục đạt lần lượt là 80, 93 và 83%. Tương ứng

với chất lượng nước trung bình của dòng ra COD < 25 mg/L, NH4+-N < 1,5 mg/L. Hiệu

quả loại bỏ E.Coli hơn 98%. Không cần phải làm sạch màng trong thời gian thí nghiệm 6

tháng (Wen và cộng sự, 2004).

Hầu hết các nghiên cứu làm việc với hệ thống MBR hiếu khí đều cho hiệu quả

nitrate hóa gần như hoàn toàn. Tuy nhiên, để khử được nitơ cần có vùng thiếu khí trước

bể sục khí (Gander và cộng sự, 2000). Hoặc theo phát hiện của Genz và cộng sự (2004)

và Yoon và cộng sự (2004), quá trình nitrat hóa và khử nitrate có thể được tiến hành đồng

thời trong MBR bằng cách thêm vào quá trình hóa lý bao gồm keo tụ và hấp phụ. Ahn và

cộng sự (2003) nhận thấy rằng sử dụng quá trình MBR với trình tự điều kiện thiếu khí/

kỵ khí gián đoạn có thể khử photpho đạt trên 90%. Trong nghiên cứu khác của Zhang và

cộng sự (2006) nhận thấy rằng quá trình MBR từng mẻ có thể khử 90 % chất dinh dưỡng

(nitơ và photpho).Trong các hệ thống MBR có thể xử lý được nitơ thì phải có quá trình

nitrate hóa và khử nitrate xảy ra đồng thời. Trong quá trình bùn hoạt tính thông thường,

quá trình nitrat hóa và khử nitrate xảy ra đồng thời khi nồng độ DO thấp. Phương pháp

thường xuyên sử dụng đề loại bỏ nitơ là sự kết hợp của một bể thiếu khí và một bể hiếu

khí nối tiếp nhau, có thể có dòng tuần hoàn nitrate từ bể hiếu khí sang bể thiếu khí.

Một pilot MBR được lắp đặt tại một bệnh viện Thụy Sĩ. Pilot này được nối trực tiếp

với hệ thống thu gom nước thải của bệnh viện. Mục đích của nghiên cứu là loại trừ các

chất ô nhiễm dạng vết (micropolutants) với các nồng độ khác nhau từ nồng độ thấp ng/L

23

đến µg/L. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phân tích tự động SPE-HPLC-MS/MS.

Trong số 68 chất là đối tượng nghiên cứu có 56 dược phẩm (thuốc kháng sinh, thuốc

chống nấm, thuốc chống siêu vi, các chất là phương tiện ion hóa tia X, thuốc kháng viêm,

cytostatics, thuốc lợi tiểu, beta lockers, thuốc mê, thuốc giảm đau, thuốc chống động

kinh, thuốc chống trầm cảm, và những thuốc khác), 10 chất chuyển hóa (metabolites), và

2 chất ức chế ăn mòn. Dòng vào pilot MBR chứa phần lớn các đối tượng nghiên cứu trên.

Hiệu quả loại bỏ các micropolutant được thực hiện thông qua việc lấy mẫu liên tục dòng

chảy vào và ra khỏi pilot MBR. Hiệu quả loại bỏ tổng thể các dược phẩm và chất chuyển

hóa trong pilot MBR là 22%, đối với chất ion hóa là 80%. Nghiên cứu cho thấy rằng

không có sự ức chế bởi các tác nhân kháng khuẩn hoặc chất khử trùng đối với hệ thống

MBR (Kovalove, 2012).

1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Sử dụng màng lọc sinh học MBR để xử lý nitơ, ammonia trong nước thải bệnh

viện: TS Nguyễn Phước Dân, Trưởng Khoa Môi trường Trường ĐH Bách khoa TP Hồ

Chí Minh, vừa thành công trong nghiên cứu dùng bể sinh học màng vi lọc (MBR) để xử

lý nitơ, ammonia trong nước thải. Mô hình này được thiết kế như một chiếc bể lắng bùn

hoạt tính thông thường nhưng bùn hoạt tính sinh trưởng lơ lửng được kết hợp với công

nghệ lọc màng nhằm tách hai pha rắn lỏng ở đầu ra. Vì thế, nồng độ bùn duy trì được rất

cao, thời gian lưu bùn kéo dài để đạt hiệu quả tối ưu trong việc khử nitơ và ammonia.

Theo đó, nước rỉ rác đi vào bể, chạy qua dòng tuần hoàn với 5 bước lọc, các chất cần tách

sẽ được giữ lại, nước thải sau xử lý sẽ được xả ra ngoài. Được biết, hiệu suất của việc lọc

nitơ và ammonia theo phương pháp này lên đến 85%. Hiện nay, TS Nguyễn Phước Dân

đang tiếp tục nghiên cứu để lọc các kim loại nặng

Ứng dụng công nghệ MBR xử lý nước hồ ô nhiễm tại hồ Biển Bạch, TP Ninh

Bình: Hồ Biển Bạch thuộc phường Vân Giang, thành phố Ninh Bình, có chức năng điều

tiết nước mưa, tiếp nhận một phần nước thải cho khu vực thành phố Ninh Bình. Hồ Biển

Bạch có chung đặc điểm với các hồ đô thị khác là đang trong tình trạng quá tải và lão hóa

do không được cải tạo, không có cơ sở hạ tầng môi trường xung quanh và hàng ngày phải

tiếp nhận chất thải từ khu vực dân cư quanh hồ.

Hiện nay, hồ Biển Bạch phải tiếp nhận 200 m3 nước thải sinh hoạt (một phần được

xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại) của khoảng 1.600 dân thuộc các tổ 12, 13, 14 của phường

24

Vân Giang. Tình trạng ô nhiễm môi trường tại hồ Biển Bạch cũng đang ở mức báo động,

theo kết quả quan trắc, giám sát chất lượng môi trường nước từ năm 2005 - 2010 của Sở

Tài nguyên và Môi trường Ninh Bình một số chỉ tiêu như BOD5, COD, NH4+, Coliform

đều cao gấp từ 1,75 - 2,36 lần (theo QCVN 08:2008/BTNMT là Quy chuẩn kỹ thuật quốc

gia về chất lượng nước mặt (loại B1 - nguồn nước mặt có thể sử dụng mục đích nông

nghiệp, nuôi trồng thủy sản). Tháng 10/2011, Trung tâm Tư vấn và Công nghệ Môi

trường đã đưa môđun xử lý nước ô nhiễm vào lắp đặt và vận hành thử nghiệm tại hồ Biển

Bạch, qua quá trình vận hành thử nghiệm, lấy mẫu phân tích chất lượng nước đầu ra cho

thấy, các chỉ tiêu như BOD5, COD, NH3, Coliform đều đạt QCVN 08: 2008/BTNMT loại

A.

Trong thời gian tới, sau khi hoàn thành việc giảm thiểu ô nhiễm chất lượng nước

hồ Biển Bạch, UBND TP. Ninh Bình sẽ chuyển môđun xử lý ô nhiễm tại các hồ khác.

Mô hình xử lý nước sông, hồ ô nhiễm bằng hệ thống môđun di động sử dụng công nghệ

MBR, là công nghệ tiên tiến, hiệu quả xử lý cao, nhằm cải thiện chất lượng nước sông,

hồ bị ô nhiễm, tăng cường khả năng làm sạch và không làm xáo trộn hệ sinh thái. Đặc

biệt với khả năng di động, công nghệ này có thể giúp xử lý các điểm nóng ô nhiễm của

địa phương trong điều kiện mặt bằng và cơ sở hạ tầng quanh hồ không cho phép.

Một nghiện cứu nhằm đánh giá hiệu quả điều trị và bẩn màng của một hệ thống

(MBR) xử lý nước thải dệt nhuộm bằng cách sử dụng Carbon bột hoạt tính (PAC) và

phèn nhôm (PACI – Poly-Aluminum Chloride) (gọi là " giảm bẩn màng") (Thành và

cộng sự, 2012). Hiệu quả và quá trình bẩn màng của MBR khi thêm PAC và PACI được

so sánh với những quá trình MBR thông thường. Các thành phần của thuốc nhuộm và

nước thải dệt nhuộm dao động với nhu cầu oxy hoá học (COD), độ màu và độ đục lần

lượt là 500-2,500 mg/L, 370-2,700 Pt-Co, và 50-370 NTU .Nồng độ MLSS tập trung

trong một MBR dao động từ 6.000 đến 9.000 mg/L. Tỷ lệ MLVSS/MLSS là 0.76. Tải

trọng hữu cơ trong khoảng 1,4-1,7 kg COD/m3 .ngày. Trong hệ thống MBR (không có

thêm các chất làm giảm bẩn màng trong phản ứng sinh học), kết quả cho thấy MBR chỉ

có thể loại bỏ các màu sắc ở một hiệu quả tối đa là 50% và COD là 60-94% trong suốt

thời gian hoạt động. Áp suất chuyển màng (TMP) tăng 2,1-4,4 kPa trong 30 ngày hoạt

động. Khi PAC và PACI đã được thêm vào MBR ở nồng độ 1.000 và 40 mg/L bùn ,

tương ứng, hai hợp chất giúp tăng cường hiệu quả loại bỏ các COD,độ màu, và kiểm soát

bẩn màng. Hiệu suất xử lý của MBR và bẩn màng được nhiều cải thiện so với hệ thống

25

MBR đơn thuần. Hiệu quả loại bỏ màu là 40-80% và 80-90% tương ứng PAC và PACI.

Có một sự khác biệt đáng kể trong hiệu suất khử COD giữa việc bổ sung PAC và PACI.

Trong khi hiệu quả loại bỏ COD dao động 50-94% cho PAC, nó ổn định ở mức khoảng

80-90% cho PACI trong suốt thời gian vận hành. Nói chung, giảm thiểu bẩn màng của

PAC và PACI là gần như tương tự và hiệu quả hơn nhiều so với hệ thống MBR. TMP

tăng chậm từ 2,2-2,9 kPa đến 2,4 -3.0 kPa khi sử dụng PAC và PACI trong 22 ngày hoạt

động. Thực tế này cho thấy rằng PAC và PACI là chất xuất sắc trong kiểm soát bẩn

màng, COD, và loại bỏ độ màu cho MBR xử lý nước thải dệt nhuộm.

Nghiên cứu khảo sát đặc tính nước rỉ rác từ bãi rác Gò Cát tại Thành Phố Hồ Chí

Minh, Việt Nam và việc thực hiện với bể phản ứng sinh học quy mô phòng thí nghiệm

với một màng vi lọc MBR để xử lý nước rỉ rác . Nồng độ COD của nước thải là 39.6-59.8

g/L và 1.1-4.0 g/L tương ứng trong mùa khô (11/2003 – 4/2004) và mùa mưa (5 -8/2004)

cho thấy rằng lượng mưa tập trung của khí hậu gió mùa trong mùa hè tác động đến nước

rỉ rác và những thay đổi trong chất lượng của nó vì tăng cường sự phân hủy và tăng độ

pha loãng . Tỷ lệ BOD / COD hơn 0,68 thuận lợi cho các quy trình xử lý thải sinh học

nhằm xử lý nước rỉ rác. MBR được vận hành trong 90 ngày ở mức tải trọng hữu cơ 1,9-

4,2 mgCOD/L.ngày. Các màng vi lọc giữ cao nồng độ bùn trong bể MBR. Tỉ số F/M là

0,097-0,616 gCOD/gVSS.ngày do nồng độ MLVSS cao. Hiệu quả từ bể MBR cho thấy

hiệu suật loại bỏ COD cao từ 84-97 % trong suốt thời gian thí nghiệm (Sang và cộng sự,

2007).

Một hệ thống xử lí nước thải cho bệnh viện Chợ Rẫy – Thành phố Hồ Chí Minh

bằng công nghệ MBR đã được thiết kế với công suất 4.000m3/ngày. Cho thấy công nghệ

khả thi cao về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế. Qua những đánh giá công nghệ, màng

MBR đã thể hiện được những ưu điểm nổi trội về hiệu quả xử lí. Đây là một công nghệ

mới với tính năng ưu việt, khắc phục được những hạn chế của các công nghệ khác đang

được ứng dụng ở Việt Nam. Chi phí đầu tư xây dựng thấp do đã lược bỏ những công

trình không cần thiết như bể lắng bậc 2, chi phí vận hành thấp, hiệu quả xử lý rất cao,

nước qua xử lý đạt Quy chuẩn QCVN 28:2010/BTNMT cột A.

1.4. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBR

1.4.1. Ưu điểm của kỹ thuật dùng màng lọc tách và công nghệ MBR

Ưu điểm của kỹ thuật dùng màng lọc tách:

26

Không cần bể lắng và giảm kích thước bể nén bùn

Không cần tiệt trùng nhờ đã khử triệt để coliform

Công trình được tinh giản nhờ sử dụng chỉ một bể phản ứng để khử N & P mà

không cần bể lắng, bể lọc và tiệt trùng.

Trong điều kiện thay đổi đột ngột, hệ thống được điều chỉnh cho ổn định bằng kỹ

thuật không sục khí – sục khí – không sục khí.

Khắc phục được các yếu điểm (nén bùn và tạo bọt) trong phương pháp bùn hoạt tính

(dùng màng khử hiệu quả Nutrient và E.coli).

Dễ kiểm soát và bảo trì bằng hệ thống tự động.

Những ưu điểm đã được khẳng định của công nghệ MBR:

Sự ổn định của chất lượng nước sau xử lý

Đáp ứng được tiêu chuẩn rất khắc khe về chất lượng nước đầu ra, như coliform

chẳng hạn.

Nhờ vào hiệu suất khử chất lơ lửng và vi sinh cấp độ cao, nước sau xử lý có thể

được tái sử dụng ngay cho các tòa nhà hay nhà máy nước tuần hoàn.

Có thể được thiết kế để ứng dụng cho nhiều lĩnh vực với những đặc thù riêng và đòi

hỏi chất lượng nước sau xử lý luôn ổn định.

Những điểm tuyệt vời của màng

Tính ưu việt của màng đã được kiểm chứng qua nhiều công trình ứng dụng khác

nhau với phạm vi ứng dụng rộng.

Thiết kế dạng môđun rất hiệu quả và hệ thống giảm thiểu được sự tắc nghẽn.

Màng được chế tạo bằng phương pháp kéo đặc biệt nên rất chắc, sẽ không bị đứt do

tác động bởi dòng khí xáo trộn mạnh trong bể sục khí.

Thân màng được phủ một lớp polymer thấm nước thuộc nhóm hydroxyl. Vì vậy,

màng không bị hư khi dùng chlorine để tẩy rửa màng vào cuối hạn dùng.

Một giải pháp kỹ thuật nhiều lợi ích kinh tế

Giảm giá thành xây dựng nhờ không cần bể lắng, bể lọc và khử trùng.

Tiêu thụ điện năng của công nghệ MBR rất ít so với các công nghệ khác và đã được

cấp bằng chứng nhận “Công nghệ Môi trường Mới”.

Phí thải bùn cũng giảm nhờ tuần hoàn hết ¼ và lượng bùn dư tạo ra rất nhỏ.

Bảo trì thuận tiện

27

Kiểm soát quy trình chỉ cần đồng hồ áp lực hoặc lưu lượng.

Cấu tạo gồm những hộp lọc đơn ghép lại nên thay thế rất dễ. Quá trình làm sạch,

sửa chữa, bảo trì và kiểm tra rất thuận tiện.

Quy trình có thể được kết nối giữa công trình với văn phòng sử dụng, vì thế có thể

điều khiển kiểm soát vận hành từ xa, thậm chí thông qua mạng internet.

1.4.2. Hạn chế của mô hình MBR

Chi phí đầu tư cao, khi màng bị nghẹt phải rửa bằng hoá chất

Nhu cầu năng lượng cao để giữ cho dòng thấm ổn định hoặc tốc độ dòng chảy

ngang trên bề mặt màng cao

Màng lọc sau khi sử dụng một thời gian sẽ bị nghẹt

Giá vận hành cao: chi phí cho năng lượng bơm nước qua màng cao

Phải đối mặt với sự suy giảm thông lượng màng và tắt màng

Mặc dù vậy, với những ưu điểm vượt trội trên thì công nghệ MBR đang được phát

triển mạnh trên thế giới và tại Việt Nam. Đặc biệt MBR được áp dụng cho các khách sạn

lớn, PKĐK, khu thương mại….tại các thành phố lớn hoặc xử lý nước thải 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