Nghiên cứu xác định thông số thiết kế phù hợp của màng MBR cho nước thải sản xuất chitin và đánh giá bẩn màng do độ cứng cao

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000199 537 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ THIẾT KẾ PHÙ HỢP CỦA MÀNG MBR CHO NƢỚC THẢI SẢN XUẤT CHITIN VÀ ĐÁNH GIÁ BẨN MÀNG DO ĐỘ CỨNG CAO Nguyễn Phương Thảo*, Nguyễn Tấn Luật, Phạm Thị Tốt, Nguyễn Phước Dân, Bùi Xuân Thành Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, Đại học Quốc gia VN. * Tác giả chính, email: phuongthao.n96@gmail.com TÓM TẮT Nghiên cứu tiến hành với hệ thống MBR để xử lý nước thải sản xuất chitin được thực hiện ở tải trọng F/M = 0,1 và 0,2 kgCOD/kgMLVSS.ngày, MLSS = 7600 ± 500 mg/L, pH được duy trì 7,2 - 7,5 và nồng độ DO > 3 mg/L. Kết quả cho thấy COD đầu ra ở cả 2 tải trọng F/M đều chưa đạt cột B, QCVN 11-MT:2015/BTNMT trong khi chỉ tiêu NH4 + - N đầu ra phần lớn đều đạt dưới ngưỡng QCVN 11-MT:2015/BTNMT (cột B). Kết quả đo hoạt tính bùn về hiệu quả nitrate hóa và khả năng loại bỏ COD được thực hiện đối với bùn bể MBR sau vận hành 32 ngày và bùn nuôi cấy ban đầu lấy từ nhà máy VNF (Cà Mau) cho thấy khả năng thích nghi và hiệu suất xử lý ô nhiễm trong môi trường có độ muối cao là khá tốt. Kết quả đánh giá sự cân bằng canxi trong quá trình vận hành cho thấy sự ảnh hưởng đáng kể của quá trình bay hơi nước đối với sự gia tăng độ cứng trong nước và quá trình tích lũy canxi trong bùn theo thời gian. Kết quả đánh giá tốc độ bẩn màng qua theo dõi TMP và thông lượng cho thấy nồng độ muối cao gây tác động tiêu cực đáng kể đến hiệu suất làm việc của màng. Ngoài ra, nghiên cứu còn cho thấy các tác động và vai trò của ion canxi trong việc làm chậm quá trình bẩn màng và duy trì ổn định thông lượng màng. Từ khóa: MBR, bẩn màng, nước thải sản xuất chitin. 1. GIỚI THIỆU Trong nước thải sản xuất chitin, lipid chưa thu hồi được và được thải ra hệ thống nước thải. Điều này không chỉ không tận dụng được hiệu quả các sản phẩm tôm mà còn dẫn đến các vấn đề môi trường lớn. Việc khử các thành phần phi chitin để sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản có thể thực hiện bằng phương pháp hóa học, sinh học hoặc hóa học kết hợp với sinh học. Tuy nhiên phương pháp này tạo ra sản phẩm chitin - chitosan có phân tử lượng thấp, độ nhớt thấp, dư lượng hóa chất lớn, ăn mòn thiết bị và đặc biệt gây ra ô nhiễm môi trường rất trầm trọng. Nước thải chitin sẽ chứa hàm lượng rất cao các chất ô nhiễm hữu cơ (COD, TKN, SS), nitơ và photpho. Đến nay các công trình nghiên cứu được công bố về xử lý nước thải chế biến thủy sản, chitin còn tương đối ít, đặc biệt đối với nước thải sản xuất chitin - chitosan. Với đặc tính của nước thải sản xuất chitin lại vô cùng phức tạp và khó xử lý. Công nghệ MBR hiếu khí là một giải pháp để giải quyết vấn đề này với hệ bùn hoạt tính cho quá trình nitrat hóa và khử nitrate xảy ra đồng thời kết hợp màng lọc loại bỏ cặn lơ lửng ra khỏi nước thải. 2.VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1. Nƣớc thải sản xuất chitin Nước thải đầu vào được lấy tại bể điều hòa của nhà máy VNF, KCN Hòa Trung, huyện Cái Nước, tỉnh Cà Mau. Sử dụng axit HCl để điều chỉnh pH thấp hơn 2, đảm bảo thành phần và tính chất của nước không thay đổi trong suốt quá trình vận chuyển và bảo quản. Thành phần và tính chất nước thải được thể hiện trong bảng 2.1.Bùn hoạt tính được lấy từ bể hiếu khí tại nhà máy VNF, Cà Mau với MLSS = 7000 mg/L Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 538 Bảng 2.1. Thành phần và tính chất của nước thải chitin sau lắng STT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị trung bình (n=30) 1 pH - 7,5±0,3 2 Độ mặn ‰ 26 3 COD mg/L 6409 ± 619 4 TKN mg/L 1288 ± 156 5 NH4 + - N mg/L 452 ± 58 6 Độ cứng tổng mg/L 1255 ± 188 7 Canxi mg/L 1063 ± 108 2.2. Mô hình thiết kế bể màng MBR Mô hình bể MBR được làm bằng mica có kích thu ớc L×R×H = 0,4×0,2×0,5 (m), sử dụng module màng đặt chìm là màng vi lọc dạng sợi rỗng (Hình 2.1) làm từ vật liệu PVDF. Ưu điểm của loại màng này là có thể chịu được nồng độ hóa học cao, nhiệt độ cao, dễ làm sạch, độ bền cơ học cao, ít tắc nghẽn, lưu lượng dòng hút cao, tiêu thụ năng lượng thấp. Các thông số màng như Bảng 2.2. 1. Bể chứa nước thải; 2. Bể phản ứng chứa màng MBR; 3. Tủ điện điều khiển chính; 4. Bể chứa đầu ra; 5. Bơm đầu vào; 6. Đồng hồ đo áp suất; 7. Bơm rút nước trong màng; 8. Phao tín hiệu; 9. Hộp lật đo lưu lượng đầu ra; 10. Van đo lưu lượng khí; 11. Máy thổi khí; 12. Máy tính lưu giữ dữ liệu Hình 2.1. Sơ đồ bể màng MBR thiết kế. Bảng 2.2. Thông số module màng Thông số Đơn vị Giá trị Loại - Màng sợi rỗng Vật liệu - PVDF Kích thước lỗ µm 0.4 Đường kính mm 2.8 Chiều dài m 5 Diện tích bề mặt cm 2 108 Số sợi - 5 2.3. Điều kiện vận hành Nước thải được điều chỉnh pH lên 7,5 bằng dung dịch NaOH 1N và cho lắng ít nhất 2 giờ để lấy phần nước trong trên bề mặt đưa vào thùng chứa trước khi được bơm vào bể MBR. Điều kiện vận hành bể MBR được thể hiện ở bảng 2.3. 2.4. Cân bằng độ cứng canxi trong quá trình vận hành MBR Thí nghiệm xác định sự tích lũy độ cứng Ca2+ thông qua việc đánh giá sự cân bằng độ cứng Ca 2+ trong bể MBR, độ cứng tổng đối với nước đầu vào, dòng ra và trong bùn. 2.5 Phƣơng pháp phân tích và xử lý số liệu Phương pháp phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước theo “Standard Methods for the Examination Water and Wastewater 21 st”, 2005. Các phương pháp được trình bày trong bảng 2.4. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 539 Bảng 2.3 Điều kiện vận hành bể MBR Điều kiện vận hành Đơn vị Giá trị Thông lượng màng lít/m2.h 10 Áp suất rửa màng kPa 50 Chế độ sục khí lít/phút 10 HRT ngày 6 F/M kgCOD/kg MLVSS.ngày 0,1 - 0,2 MLVSS mg/L 5.000 SRT ngày 30 Chế độ vận hành bơm màng 8 phút chạy, 2 phút nghỉ Bảng 2.4. Các phương pháp phân tích mẫu nước STT Thông số Đơn vị Phương pháp phân tích 1 pH - SWEWW 4500 - H+ B 2 TDS mg/L SMEWW 2540 B 3 COD mgO2/L SMEWW 5220 C 4 TKN mg/L SMEWW 4500-Norg B 5 NH4 + -N mg/L SMEWW 4500-NH3 B 6 NO3 - -N mg/L SMEWW 4500 B 7 NO2 - -N mg/L SMEWW 4500 B 8 TP mg/L TCVN 6202:1996 9 Độ kiềm mg/L SMEWW 2320 B 10 MLSS mg/L SMEWW 2540 D 11 MLVSS mg/L SMEWW 2540 D 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiệu quả xử lý của hệ thống MBR Hiệu suất xử lý COD, amonia, TKN của hệ thống Sponge MBR lần lượt đạt 92%, 84% và 84%, cho thấy hiệu quả xử lý ammonia cao hơn so với MBR thông thường. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý amonia và TKN giảm đáng kể khi độ mặn nước thải cao (5-60g/L NaCl). Với nước thải chứa đồng thời phenol, nitrosomonas, nitrobacter và nitrospira, ở độ mặn 2 - 5g/l NaCl, hệ thống không có khả năng xử lý hiệu quả ammonia (Munz et al., 2008). 3.2. Đánh giá bẩn màng Hệ thống được đánh giá khả năng bẩn màng qua đồng hồ áp suất TMP, mức độ bẩn màng ngày càng tăng được thể hiện bởi giá trị TMP và lưu lượng dòng thấm. Mức độ bẩn màng và việc rửa màng bằng hóa chất NaOCl. Khả năng lọc màng sinh học với bùn hoạt tính bị ảnh hưởng bởi đặc trưng của chất rắn lơ lững như cặn, sự có mặt của chất đa bào ngoại bào (EPS) và sản phẩm vi sinh hòa tan (SMP). Đồng thời nồng độ canxi cao bám trên mặt ngoài màng với kết quả chụp SEM, EDX. 4. KẾT LUẬN Hệ thống MBR có hiệu quả xử lý COD, TN, amonia tương đối ổn định. MBR là một lựa chọn ưu tiên trong xử lý nước thải sản xuất chitin. Kết quả của quá trình cân bằng canxi cho thấy độ cứng tổng và canxi có xu hướng tích lũy theo thời gian trong bùn càng tăng. Bên cạnh đó, độ mặn và hàm Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 540 lượng canxi, độ cứng tổng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến khả năng xử lý của hệ thống nên cần giai đoạn tiền xử lý nước thải trước khi đưa vào hệ thống sinh học, điều này nhằm giảm hàm lượng chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. P. Đ. Hải,(2011). Nghiên cứu xử lý nước thải từ công nghệ sản xuất chitin cả tiến bằng phương pháp sinh học có thu hồi protein. Maria Diná Afonso, Rodrigo Bórquez, (2012). Review of the treatment of seafood processing wastewaters and recovery of proteins therein by membrane separation processes - Prospects of the ultrafiltration of wastewaters from the fish meal industry, Desalination, 142(1), pp. 29-45. [2]. G.L.Dotto, Gabriela S.Rosa, Mariana Agostini de Moraes, R.F.Weska, Luiz A.A.Pinto, (2013). Treatment of chitin effluents by coagulation-flocculation with chitin and aluminum sulfate, Journal of Environmental Chemical Engineering, 1(1-2), pp. 50-55. [3]. Y. M. Nah, K. H. Ahn, I. T. Yeom, (2000). Nitrogen Removal in Household Wastewater Treatment Using an Intermittently Aerated Membrane Bioreactor, Environmental Technology, 21(1), pp. 107-114. [4]. Kang Chen, Xinhua Wang, Xiufen Li, Jiejie Qian, Xiaolan Xiao, (2011). Impacts of sludge retention time on the performance of submerged membrane bioreactor with the addition of calcium ion, Separation and Purification Technology, 82, pp. 148-155. [5]. Duksoo Jang, Yuhoon Hwang, Hangsik Shin, Wontae Lee, (2013). Effects of salinity on the characteristics of biomass and membrane, Bioresource Technology, 141, pp. 50-56. [6]. Giorgio Mannina, Marco Capodici, Alida Cosenza, Daniele Di Trapani, Gaspare Viviani, (2016). Sequential batch membrane bio-reactor for wastewater treatment: The effect of increased salinity, Bioresour Technol., 209, p. 205-212. [7]. Munz G, Gori R, Cammilli L, Lubello C. (2008). Characterization of tannery wastewater and biomass in a membrane bioreactor using respirometric analysis. Bioresour Technol., 99, 8612-8.