Bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa giải pháp trong xử lý triệt để nước thải sinh hoạt hiện nay ở Việt Nam - Phạm Văn Dương

95Số 57-58.2018 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG * Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường Đô thị, Phó GĐ Trung tâm CNHTKT& MTĐT, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội BỂ LỌC VẬT LIỆU LỌC NỔI TỰ RỬA GIẢI PHÁP TRONG XỬ LÝ TRIỆT ĐỂ NƯỚC THẢI SINH HOẠT HIỆN NAY Ở VIỆT NAM Ths. Phạm Văn Dương* Quá trình xử lý sơ cấp và thứ cấp loại bỏ phần lớn các chất hữu cơ (BOD) và chất rắn lơ lửng (SS) trong nước thải. Tuy nhiên, trong một số trường hợp chỉ ra rằng mức độ xử lý này không đủ để đảm bảo xả ra nguồn tiếp nhận hoặc dùng cho tái sử dụng cho các mục đích như dịch vụ đô thị, công nghiệp và nông nghiệp. Vì vậy, các công đoạn xử lý bổ sung được thêm vào trong các nhà máy xử lý nước thải để loại bỏ các chất rắn, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng hoặc chất độc hại [5]. Xử lý triệt để nước thải có thể được định nghĩa là công đoạn xử lý bổ sung cần thiết để loại bỏ các chất lơ lửng cũng như hòa tan trong nước thải dưới nồng độ giới hạn sau công đoạn xử lý bậc 2. Hiện nay, xử lý nước thải triệt để có thể phân thành 3 loại chính như sau: (i) xử lý bậc 3; (ii) xử lý hóa học – cơ học và (iii) xử lý kết hợp sinh học – cơ học [5]. Một cách khác để phân loại xử lý triệt để là dựa vào mục tiêu xử lý như (i) bổ sung chất hữu cơ và loại bỏ chất rắn lơ lửng; (ii) loại bỏ chất dinh dưỡng (N, P); (iii) loại bỏ chất độc hại; (iv) làm giàu oxy và (v) khử trùng. Tóm tắt: Các bể lọc vật liệu nổi đã ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt trên thế giới từ những năm 1961, Việt Nam hiện nay cũng đã bắt đầu có những ứng dụng cho xử lý nước thải sinh hoạt bước đầu khá thành công. Việc ứng dụng bể lọc vật liệu nổi trong xử lý triệt để nước thải sinh hoạt mang lại một số ưu thế trước bể lọc cát truyền thống như: Quy trình rửa lọc đơn giản hơn, không cần trang bị bơm rửa lọc; tiết kiệm năng lượng và nước; tổn thất qua lớp vật liệu lọc nhỏ; cấu tạo bể đơn giản; giảm giá thành đầu tư xây dựng. Bài báo giới thiệu về các nghiên cứu, ứng dụng của bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa với nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học bậc 2 và đề xuất một số giải pháp xử lý triệt để nước thải sinh hoạt tại Việt Nam hiện nay. Từ khóa: Bể lọc, vật liệu lọc nổi, tự rửa, xử lý triệt để, xử lý bậc 3. Abstract: The floating material filter tanks, which have been applied in domestic sewage treatment worldwide since 1961, have been applied succesfully in Vietnam in domestic sewage treatment initially. The application of the floating material filter tanks in complete domestic sewage treatment has some advantages over the traditional sand filter tankers such as: simpler cleaning process, no need to equip cleaning pump, water and energy saving, little losses through filter material, simple tank structure, lower cost of building filter tanks. The article introduces researches, applications of self-cleaning floating material filter tankers to domestic sewage after biologically treated level 2 and proposes some solutions to completely treat the domestic sewage in Vietnam today. Keywords: Filter tank, floating filter materials, self-cleaning, completely treat, level 3. Nhận ngày 01/12/2017, chỉnh sửa ngày 08/12/2017, chấp nhận đăng ngày 20/12/2017. 96 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Trên thế giới, bể lọc vật liệu lọc dạng hạt được sử dụng để xử lý triệt để nước thải rất đa dạng về cấu tạo, kết cấu và nguyên lý hoạt động. Từ các bể lọc nhanh truyền thống đến các bể có cấu tạo đặc biệt khác, nhưng phổ biến hơn cả là các loại bể: (i) Bể lọc trọng lực với vật liệu lọc là cát hoặc than; (ii) Bể lọc vừa làm việc vừa rửa lọc liên tục với dòng nước đi từ dưới lên, vật liệu lọc là cát – Bể lọc Dinasand; (iii) Bể lọc với vật liệu lọc nổi [5]. Bể lọc vật liệu lọc nổi có loại không tự rửa và loại tự rửa. Bể lọc tự rửa có cấu tạo đơn giản, quá trình rửa lọc hoàn toàn tự động dựa trên cơ chế tự động không van, không khóa, không bộ phận chuyển động, vì thế không bị ăn mòn và rất phù hợp với các trạm xử lý nước thải vừa và nhỏ. Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng ở Việt Nam bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa vẫn chưa được nghiên cứu cụ thể với các loại nước thải nói chung và với nước thải sinh hoạt nói riêng. CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VỀ BỂ LỌC VẬT LIỆU LỌC NỔI TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM Các nghiên cứu về bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa Tổng quan về các tài liệu nghiên cứu cho thấy các bể lọc nổi đã phát triển ở Nga, Ucraina về xử lý nước và nước thải từ năm 1961 [3]. Đầu tiên, vật liệu nhựa polystyrene được sử dụng làm vật liệu lọc cho quá trình lọc nhanh. Những bể lọc nổi với vật liệu lọc là polystyrene được ký hiệu là FPZ. Sau đó các bể lọc nổi còn sử dụng các vật lọc nổi khác như polyurethane nghiền, polypylene bọt, nylon, fluoropolymer, polyethylene [2]. Vào những thập niên 70 và 80 của thế kỷ 20, bể lọc nổi cũng đã phát triển ở Trung Quốc, cộng hòa Séc, Nhật Bản [9] và các nước châu Âu khác [6]. Vào cuối thập niên 80, những nghiên cứu và ứng dụng đầu tiên của bộ lọc nổi được sử dụng ở Việt Nam. Hầu hết việc áp dụng FPZ là trong lĩnh vực cấp nước. Đối với quá trình xử lý triệt để nước thải sinh hoạt, bộ lọc FPZ được sử dụng như quá trình xử lý bậc 3 nhằm đạt được quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước thải. Kế thừa các nghiên cứu cơ bản của Nga và Tiệp Khắc, tại Việt Nam các công trình nghiên cứu bể lọc vật liệu nổi (không tự rửa) do các nhà khoa học Việt Nam thực hiện cũng khá sớm. Điển hình là Luận án Phó Tiến sỹ của Phạm Ngọc Thái tại Trường Đại học Bách Khoa BRNO Tiệp Khắc năm 1986 với đề tài “Sử dụng bể lọc vật liệu nổi trong cấp thoát nước cho các đối tượng nhỏ và quân đội”. Đề tài nhánh thuộc chương trình cấp nhà nước 66A-02- 05 năm 1990 “Bể lọc nổi trong công trình xử lý chất lượng nước uống” cũng của tác giả Phạm Ngọc Thái. Năm 1998, tác giả Nguyễn Văn Tín đề cập sử dụng bể lọc vật liệu nổi (không tự rửa) cho dây chuyền khử sắt của nước ngầm công suất nhỏ trong Luận án Tiến sỹ “Nghiên cứu sử dụng bể lọc vật liệu nổi trong dây chuyền cụng nghệ khử sắt nước ngầm bằng phương pháp làm thoáng cho các trạm công suất nhỏ ”. Năm 2001 là “Nghiên cứu quy trình rửa bể lọc vật liệu nổi và các thông số tính toán thiết kế hệ thống rửa bể lọc vật liệu nổi” được PGS.TS. Nguyễn Văn Tín thực hiện trong khuôn khổ đề tài NCKH cấp bộ [3]. Năm 2009, các nghiên cứu về bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa của PGS.TS. Trần Thanh Sơn với đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu công nghệ bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa” mã số ĐTĐL.2009/T2 đã độc lập đặt cơ sở cho việc tính toán thiết kế bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa trong dây chuyền xử lý nước mặt và nước ngầm. Kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép phát triển công nghệ khử sắt tiếp xúc trong lớp vật liệu polystyrene. Hiện tại, có hơn 30 cụm thiết bị xử lý nước sạch được đưa vào vận hành tại khu vực Hà Nội, Hưng Yên và Thái Nguyên [2]. Năm 2016 Luận án Tiến sỹ của Nguyễn Thanh Phong tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội với đề tài “Nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc vật liệu lọc nổi dùng cho các trạm cấp nước quy mô nhỏ ” nghiên cứu đề cập đến xi phông, khóa thủy lực khởi động xi phông của bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa thủy lực [1]. Nghiên cứu của H. H. Ngo and S. Vigneswaran (năm 2007) [6] về quá trình xử lý nước thải trong giai đoạn xử lý bậc 3 bằng bể lọc vật liệu lọc nổi. Mô hình bể lọc sử dụng vật liệu polystyrene với đường kính trung bình là De = 3,8 mm; tỷ trọng là 0,87 g/cm3 và độ rỗng là 36% . Bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa có chiều dày vật liệu lọc 20cm. Hóa chất keo tụ được sử dụng là phèn liều lượng (40-50 mg/l). Thí nghiệm với vận tốc lọc 2,5 m/h và 5,4 m/h. Với thời gian lọc 4h cho kết quả cho hiệu suất xử lý SS là 59% (v=2,5 m/h), 35% (v=5,4 m/h); đặc biệt hiệu suất xử lý PO43 - là 74% (v=2,5 m/h), 61% (v=5,4 m/h). Nghiên cứu chỉ ra rằng bể lọc nổi được sử dụng trong xử lý nước thải bậc 3 sẽ giúp giảm tải ô nhiễm cho bể lọc than hoạt tính ở sau bể lọc nổi. Một nghiên cứu khác của các nhà khoa học Nhật Bản và Trung Quốc Weimin Xie, Qunhui Wang, Guanling Song, 97Số 57-58.2018 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Masao Kondo, Masafumi Teraoka, Yukihide Ohsumi, Hiroaki I. Ogawa (năm 2003) [7]. Quá trình thực nghiệm với nước thải ở giai đoạn xử lý bậc 3. Mô hình bể lọc sử dụng vật liệu polystyrene với đường kính trung bình là De = 4mm. Chiều sâu lớp vật liệu lọc là 1,4m. Kết quả nghiên cứu có thể đạt được khả năng loại bỏ BOD dưới 10 mg/l và tỷ lệ nitrat hóa trên 86% với tải lượng BOD là 0,7 kg/m3 .ngày và tổng nitơ là 0,16 kg /m3. ngày. Nhưng tần suất rửa ngược của mô hình này là quá nhiều 28-36 lần một ngày. Các ứng dụng về bể lọc vật liệu lọc nổi * Trên thế giới Các trạm xử lý được phát triển bởi các nhà khoa học Nga để xử lý triệt để nước thải bằng các bể lọc vật liệu lọc nổi đã làm việc rất ổn định và thành công trong thời gian dài cho các trạm xử lý nước thải công suất từ 2.000 – 100.000 m3/ngđ. Các ưu điểm của bể lọc vật liệu lọc nổi là độ ổn định các thông số về công nghệ khi vận hành, hiệu quả xử lý đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn, đầu tư cơ bản là thấp không cao, các chi phí vận hành và duy tu bảo dưỡng thấp [8]. Kết cấu của các bể lọc này được thể hiện trong hình 2; loại (a) làm việc từ dưới lên; loại (b) làm việc từ trên xuống; loại (c) làm việc với hệ thống thu nước sau xử lý nằm ở giữa lớp VLL và có trang bị hệ thống tự rửa thủy lực. (a) (b) (c) Một trong những trạm xử lý triệt để nước thải đầu tiên để xử lý nước thải sinh hoạt từ cụm xử lý sinh học được cải tạo tại trạm xử lý nước thải của thành phố Rovno, Ukraina. Đặc thù của loại bể lọc này là chúng được trang bị hệ thống tự rửa thủy lực – hệ thống xi phông có đường kính 800mm và hệ thống thu gom nước sạch – hệ thống xi phông đường kính 600mm (dạng bể lọc hình 2c). Sự bố trí tương hỗ lẫn nhau của hệ thống xi phông và các chế độ công nghệ của công trình được liên kết bằng các thông số công nghệ của công tác bể lọc. Bảng 1. Kết quả công tác của các bể lọc vật liệu lọc nổi tại nhà máy Rovno, Ukraina (vận tốc lọc trung bình 6 – 8 m/h ) [8]. Một trạm xử lý triệt để bằng bể lọc vật liệu lọc nổi dạng FPZ- 4 bể (có dạng như hình 2c) nhưng hệ thống thu gom nước sau lọc nằm trong lớp vật liệu lọc. Công suất nhà máy12.000 m3 /ngđ được xây dựng theo thiết kế của Viện nghiên cứu máy thủy lực nông nghiệp Kishnev (Nga). Trong trạm xử lý nước thải bằng sinh học của nhà máy “Máy nông nghiệp Rivnhe” (hình 3) [8]. Đường kính xi phông lấy nước sạch ra là 250mm và đường kính xi phông rửa lọc 350mm. Kết quả vận hành cụm xử lý triệt để nước thải bằng bể lọc vật liệu lọc nổi Hình 1. Bể lọc vật liệu lọc nổi FPZ -3,4 – 150 của Nga [8]. Hình 3. Nhà máy xử lý nước thải “Máy nông nghiệp Rivnhe” [8]. Hình 2. Các dạng bể lọc vật liệu lọc nổi sử dụng trong nhà máy xử lý nước thải công suất từ 2.000 – 100.000 m3/ngđ tại Nga [8]. Số lượng bể lọc 1 2 2 1 1 3 1 Vào 6 13 5,5 12,5 17 10 16 Ra 1,5 1,9 2,5 1,9 2,1 3 4 SS, mgl/l Vào 52,3 48 32 36 42 45,2 40,2 Ra 24,1 21 16 16 20 29 24,1 COD, mg O2/l Vào - 11,5 - - 14,2 8,7 12,2 Ra - 4,5 - - 5,2 3,6 5,8 BOD, mg O2/l Vào - - 0,24 - 1,7 0,14 - Ra - - 0,07 - 0,33 - - NH4+, mg/l 98 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG này đã chứng minh hiệu quả xử lý: Vận tốc lọc trung bình 8-10 m/h; chu kỳ lọc trung bình 24h; thời gian rửa lọc 1-4 phút [8]; Trong suốt 15 năm vận hành bể lọc vật liệu lọc nổi FPZ trong sơ đồ xử lý triệt để nước thải sinh hoạt sau quá trình xử lý sinh học bậc 2 thì không có sự biến dạng của vật liệu lọc nào được phát hiện. Thậm chí việc thiếu những công trình xử lý sơ bộ trước bể lọc vật liệu lọc nổi cũng không làm ảnh hưởng đến hiệu quả và công tác của bể lọc vật liệu lọc [8]. * Tại Việt Nam Các công trình xử lý nước có sử dụng bể lọc vật liệu nổi áp dụng tại Việt Nam được bắt đầu triển khai từ năm 1990 cho đến nay. Đóng góp đáng kể trong ứng dụng vật liệu lọc nổi tại Việt Nam là các nhà khoa học như TS. Trịnh Xuân Lai, PGS.TS. Nguyễn Văn Tín, TS. Phạm Ngọc Thái [3]. Trong xử lý nước thải bể lọc vật liệu lọc nổi ứng dụng ở Việt Nam từ năm 1995 được TS. Trịnh Xuân Lai ứng dụng vào xử lý nước thải Bệnh viện Đa khoa Khánh Hòa, Ninh Thuận, Long Xuyên [4]. Mặc dù các trạm xử lý này hoạt động tốt nhưng cũng không có đánh giá nghiên cứu về các thông số công nghệ của ứng dụng này được công bố. Bể lọc vật liệu lọc nổi AbioF [3] được vào xử lý nước thải với công suất 400m3/ngđ và 600 m3/ngđ tại tỉnh Thái Nguyên được đưa vào hoạt động năm 2015 và 2016 (hình 4); Tuy nhiên bước đầu cho kết quả tốt nhưng vẫn chưa có một nghiên cứu cụ thể nào về các thông số công nghệ của bể AbioF với xử lý triệt để nước thải sinh hoạt. Đánh giá các vấn đề công nghệ còn tồn tại và chưa được đề cập ở các nghiên cứu, ứng dụng của bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa trong xử lý triệt để nước thải sinh hoạt Thực trạng trên cho thấy bể lọc vật liệu lọc nổi được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước sạch và còn ít được nghiên cứu xử lý triệt để trong nước thải sinh hoạt. Bể lọc vật liệu lọc nổi được sử dụng như công trình xử lý bậc 3; Đã có những nghiên cứu về quá trình nitrat hóa của bể lọc nổi trong xử lý nước thải nhưng kết quả nghiên cứu còn rất mờ nhạt; Vận tốc lọc của các nghiên cứu ứng dụng từ 5-15 m/h; Chu kỳ lọc giới hạn trong vòng 10 – 15 h; Hầu hết các nghiên cứu của bể lọc vật liệu lọc nổi trong xứ lý nước thải là sử dụng vật liệu polystyrene với các cỡ hạt khác nhau; Vấn đề gia tăng tổn thất trong xử lý nước thải ít được đề cập trong các nghiên cứu; Chưa có nghiên cứu bể lọc vật liệu lọc nổi xử lý bậc 3 như một công trình xử lý sinh học. GIẢI PHÁP Đề xuất sơ đồ công nghệ có sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa để xử lý triệt để nước thải sinh hoạt (hình 5). Bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF [3] được sử dụng như một công trình xử lý bậc 3 sau bể Aeroten (hình 5.a), sau bể lọc sinh học (hình 5.b), công nghệ AO kết hợp bể lọc AbioF (hình 5.c), công nghệ A2O kết hợp bể lọc AbioF (hình 6.d). Hình 4. Trạm xử lý nước thải sinh hoạt – sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF công suất 400 m3/ngđ và công suất 600 m3/ngđ (dưới) Hình 5. Các sơ đồ công nghệ sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF để xử lý triệt để nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt (a) Aeroten Chất keo tụ hoặc O2 Khử trùng Nước thải ra QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) QCVN 14:2008/BTNMT (cột A) Bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF Bể lắng 1 Bể lắng 2 (b) Nước thải sinh hoạt Bể lọc sinh học Chất keo tụ hoặc O2 Khử trùng Nước thải ra QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) QCVN 14:2008/BTNMT (cột A) Bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF Bể lắng 1 Bể lắng 2 Nước thải sinh hoạt (c) Thiếu khí Hiếu khí Chất keo tụ hoặc O2 NO3 - Khử trùng Nước thải ra QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) QCVN 14:2008/BTNMT (cột A) Bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF Bể lắng 1 Bể lắng 2 Nước thải sinh hoạt (d) Thiếu khíKỵ khí Hiếu khí Chất keo tụ hoặc O2 NO3 - Khử trùng Nước thải ra QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) QCVN 14:2008/BTNMT (cột A) Bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF Bể lắng 1 Bể lắng 2 99Số 57-58.2018 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Trong trường hợp hóa chất keo tụ được cho vào trước bể lọc khi đó bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa AbioF hoạt động là bể lọc tiếp xúc. Còn khi bể lọc được cấp oxi bể lọc vừa lọc cơ học vừa xử lý sinh học. Nước thải sau xử lý đạt quy định tại cột A của QCVN 40:2011/BTNMT hoặc cột A của QCVN 14:2008/BTNMT có thể dùng cho các mục đích dịch vụ đô thị, công nghiệp và nông thôn. KẾT LUẬN Việc ứng dụng bể lọc vật liệu nổi trong xử lý triệt để nước thải sinh hoạt mang lại một số ưu thế trước bể lọc cát truyền thống như đã nêu trên. Để bể lọc AbioF được ứng dụng rộng rãi trong xử lý triệt để nước thải sinh hoạt cần có các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình pilot với nước thải thực sau xử lý sinh học bậc 2. Từ đó xác định được các thông số động học của các quá trình xử lý cơ học, xử lý sinh học, chu kỳ lọc của bể, tổn thất cột áp của bể lọc để làm cơ sở cho việc tính toán các thiết kế bể lọc trong điều kiện ở Việt Nam. Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Thanh Phong (2016), Nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc vật liệu lọc nổi dùng cho các trạm cấp nước quy mô nhỏ, Luận án tiến sỹ kỹ thuật Trường đại học Xây dựng Hà Nội 2. Trần Thanh Sơn (2016), Bể lọc vật liệu lọc nổi trong dây chuyền công nghệ xử lý nước thiên nhiên, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. 3. Trần Thanh Sơn (2013), Nghiên cứu công nghệ tự rửa bể lọc vật liệu lọc nổi xử lý nước cấp cho sinh hoạt, Đề tài nghiên cứu độc lập cấp nhà nước mã số ĐTĐL.2009/ T02, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. 4. Trịnh Xuân Lai (2013), Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. 5. Metcalf & Eddy (2013), Wastewater engineering, Treatment and Resource Recovery, Inc. McGraw-Hill Education, Thirth edition. 6. H. H. Ngo and S. Vigneswaran (2007), Research note application of floating medium filter in water and wastewater treatment with contact – flocculation filtration arrangement, School of Civil Engineering, University of Technology, Sydney, p.o. Box 123, Broadway. 7. Weimin Xie, Qunhui Wang, Guanling Song, Masao Kondo, Masafumi Teraoka, Yukihide Ohsumi, Hiroaki I. Ogawa (2003), Upflow biological filtration with floating filter media, Department of Environmental Science and Engineering, Japan. 8. Н.Н.Гироль (2002), Опыт работы фильтров с плавающей пенополистирольной загрузкой в схемах очистки воды, д-р техн, Наук. Украинский государственный университет водного хозяйства и природопользования, г.Ровно.