Tài liệu Nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn nước thải chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật xử lý sinh học kết hợp lọc màng vi lọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- HOÀNG VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU Ô NHIỄM TỪ NGUỒN NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG VI LỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- HOÀNG VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU Ô NHIỄM TỪ NGUỒN NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG VI LỌC Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Văn Quy TS. Trần Hùng Thuận Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa có ai công bố trong một công trình nào khác. Luận văn này là một phần nghiên cứu trong đề tài cấp bộ: “Nghiên cứu chế tạo modul màng lọc polyme hợp khối phục vụ xử lý nƣớc thải chăn nuôi” do TS. Trần Hùng Thuận làm chủ nhiệm đề tài. Học viên HOÀNG VĂN TUẤN LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS. Trần Văn Quy, Trưởng phòng thí nghiệm khoa Môi trường – Đại học Khoa học Tự nhiên, TS. Trần Hùng Thuận, Giám đốc Trung tâm Công nghệ Vật liệu – Viện Ứng dụng Công nghệ, người đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn đề tài cấp Bộ KHCN: “Nghiên cứu chế tạo modul màng lọc polyme hợp khối phục vụ xử lý nƣớc thải chăn nuôi” do TS. Trần Hùng Thuận làm chủ nhiệm đề tài đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận văn này. Cảm ơn TS. Chu Xuân Quang cán bộ Viện Ứng dụng Công nghệ, NCS. Nguyễn Sáng đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn, cùng toàn thể cán bộ phòng Vật liệu Vô cơ - Trung tâm Công nghệ Vật liệu - Viện Ứng dụng Công nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời tri ân tới các thầy cô giáo trong và ngoài khoa Môi trường đã dìu dắt, truyền đạt kiến thức, dạy bảo tôi trong suốt thời gian theo học tại nhà trường. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, người thân bà bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ trong thời gian qua. Xin cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Học viên HOÀNG VĂN TUẤN MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN.................................................................................... 3 1.1. Tổng quan phương pháp xử lý sinh học trong xử lý nước thải ..................... 3 1.1.1. Phương pháp sinh ho ̣c ky ̣ khí trong xử lý nước thải ......................... 4 1.1.2. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí trong xử lý nước thải ............. 5 1.2. Tổng quan về kỹ thuật lọc màng và ứng dụng trong xử lý nước thải ........... 5 1.2.1. Định nghĩa về màng lo ̣c .................................................................... 5 1.2.2. Phân loại màng lọc ............................................................................ 6 1.2.3. Vật liệu, cấu trúc màng, các thông số màng ..................................... 9 1.3. Đặc tính nước thải chăn nuôi và thực trạng quản lý, xử lý ......................... 12 1.3.1. Tổ ng quan đă ̣c tin ́ h nước thải chăn nuôi lơ ̣n [1,2,3,6] .................... 12 1.3.2. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn [5,7,9] ................ 14 1.4. Xử lý nước thải chăn nuôi bằ ng công nghê ̣ MBR ...................................... 23 1.4.1. Mục tiêu của hệ thống xử lý [8] ...................................................... 25 1.4.2. Đặc điểm các giai đoạn xử lý .......................................................... 26 CHƢƠNG 2 – ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 33 2.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 33 2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 33 2.2.1. Phương pháp thu thâ ̣p số liê ̣u .......................................................... 33 2.2.2. Phương pháp phân tić h đánh giá ..................................................... 33 2.3. Phương pháp thực nghiê ̣m ........................................................................... 35 2.3.1. Nghiên cứu xây dựng, chế ta ̣o hê ̣ xử lý sinh ho ̣c ............................ 35 2.3.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý ................... 43 2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của các yế u tố ................................................. 44 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 46 3.1. Đặc tính của nước thải ................................................................................ 46 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính nước thải đầu .......................................... 47 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của biến thiên nồ ng đô ̣ bùn hoa ̣t tính ......................... 49 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực T ...................................... 51 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ bùn ......................................................... 55 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ sục khí ....................................................... 56 3.7. Đánh giá khả năng tách loại chất rắn lơ lửng .............................................. 58 3.8. Đánh giá chấ t lươ ̣ng nước sau xử lý so với tiêu chuẩ n nước thải ............... 59 3.9. Quá trình lọc và hiện tượng tắc nghẽn màng lọc ......................................... 64 3.10. Đánh giá tính khả thi và khả năng áp dụng trong thực tế .......................... 67 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 71 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. So sánh các vâ ̣t liê ̣u cấ u ta ̣o màng ............................................................... 11 Bảng 2. Thông số nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [2] .......... 13 Bảng 3. Một số loại thực vật thuỷ sinh tiêu biểu ...................................................... 23 Bảng 4. Kết quả xử lý áp dụng MBR ........................................................................ 25 Bảng 5. Đặc tính của nước thải lợn lấy tại điạ chỉ xóm Múi – xã Bích Hòa ............ 46 Bảng 6. Một số đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn đầu vào hệ xử lý ................... 47 Bảng 7 . Mật độ coliform (MPN/100 ml) trước và sau hệ xử lý ............................... 58 Bảng 8. Thông số độ đục (NTU) của nước thải đầu ra hệ xử lý ............................... 58 Bảng 9. So sánh kết quả xử lý của MBR và các phương pháp khác ........................ 64 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Quá trình tách bằng màng .............................................................................. 6 Hình 2. Thông số các loại màng lọc ............................................................................ 7 Hình 3. Modul màng lọc polyme sử dụng phổ biến trong công nghệ MBR ............... 9 Hình 4. Một số cấu trúc của màng ............................................................................ 10 Hình 5. Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm (kỵ) khí ............................... 15 Hình 6. Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay ........... 17 Hình 7 . Quá trình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp MBR ................... 24 Hình 8. Sơ đồ khố i hê ̣ xử lý ..................................................................................... 35 Hình 9. Sơ đồ cấ u ta ̣o hê ̣ thố ng ................................................................................ 36 Hình 10 . Sơ đồ cấ u ta ̣o bể đầ u vào ........................................................................... 37 Hình 11. Sơ đồ cấ u ta ̣o bể yế m khí ........................................................................... 37 Hình 12. Sơ đồ cấ u ta ̣o bể thiếu khí .......................................................................... 38 Hình 13. Giá thể vi sinh trong bể yếm khí ................................................................ 39 Hình 14. Sơ đồ bể hiế u khí ....................................................................................... 39 Hình 15. (a) Nguyên lý làm việc của sợi màng......................................................... 41 Hình 13. Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý của nước thải qua hệ xử lý..................... 48 Hình 14. Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý COD,N-NH4+ theo sự biến thiên.......... 49 Hình 15. Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO3-, N-NO2- theo sự biến thiên ................. 50 Hình 16. Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý COD với các .......................................... 52 Hình 17. Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý N-NH4+ với các ..................................... 53 Hình 18. Đồ thị biến thiên nồng độ N- NO3- với các ................................................ 53 Hình 19. Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO2- với các ................................................. 54 Hình 20. Đồ thị biến thiên áp suất màng khi thay MLSS ......................................... 55 Hình 21. Đồ thị biến thiên áp suất màng với các tốc độ sục khí ............................... 57 Hình 22. Đồ thị biến thiên giá trị pH ........................................................................ 60 Hình 23. Đồ thị biến thiên giá trị COD trong hệ xử lý ............................................. 60 Hình 24. Đồ thị biến thiên nồng độ NH4 trong hệ xử lý ........................................... 61 Hình 25. Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO3- trong hệ xử lý ..................................... 62 Hình 26. Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO2- trong hệ xử lý ...................................... 62 Hình 27. Đồ thị biến thiên nồng độ TP trong hệ xử lý ............................................. 62 Hình 28. Hình ảnh hiện tượng bùn bám gây tắc màng lọc (trái) .............................. 65 Hình 29. Các phương pháp làm sạch màng .............................................................. 67 DANH MỤC VIẾT TẮT BIOGAS Khí sinh học (Biological Gas); HRT Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time); MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng (Mixed Liquor Suspended Solid); MLVSS Hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (Mixed Liquor Volatile Suspended Solid; MBR Hệ thống xử lý vi sinh của nước thải bằng công nghệ lọc màng (Membrance Bio Reacto); SRT Thời gian lưu bùn (Sludge retention time); TP Tổng phốtpho (mg/L); QCVN Quy chuẩn Việt Nam; TCVN Tiêu chuần Việt Nam; TVTS Thực vật thủy sinh; UASB Upflow anearobic sludge blanket - bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí; VSV Vi sinh vật; XLNT Xử lý nước thải. Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nóng bỏng, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng cuộc sống của con người và môi trường sống xung quanh. Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi lợn phát triển với tốc độ rất nhanh nhưng chủ yếu là tự phát và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng trại và kỹ thuật xử lý nước thải đã gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng [8]. Nước thải chăn nuôi là nguồn thải có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, virus, vi trùng, trứng giun sán… Nguồn thải này có nguy cơ gây ô nhiễm tầng nước mặt, nước ngầm và trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc. Đồng thời có thể lây lan một số bệnh cho người và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh vì nước thải chăn nuôi thường có hàm lượng nitơ và phôtpho rất cao và khó xử lý triệt để. Nước thải chứa nhiều nitơ và phốtpho sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng (khi nước có hàm lượng nitơ lớn hơn 30-60 mg/l, phốtpho lớn hơn 4-8 mg/l). Phú dưỡng là sự gia tăng lượng nitơ và phốtpho trong nguồn nước ở các thuỷ vực, gây ra sự bùng phát các thực vật bậc thấp (tảo, rong,…). Vì vậy, tuy các hợp chất nitơ và phốtpho là hết sức cần thiết cho sự sinh trưởng của các sinh vật thuỷ sinh, nhưng khi hàm lượng các chất này vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì nó lại gây ô nhiễm cho nguồn nước. Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi lợn đều để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức. Nồng độ khí H2S và NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30 - 40 lần [3]. Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần. Ngoài ra nước thải chăn nuôi lợn còn có chứa COD, T-N, T-P,... cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép [1,3]. Chính vì vậy có thể thấy rằng ở nước ta, một thực trạng là vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua hoặc bằng các biện pháp đơn lẻ, không hiệu quả và bền vững. Hầu hết các hệ thống hiện nay được triển khai một cách đối phó, không đạt tiêu chuẩn thải, khi sử dụng những công nghệ đơn giản chỉ phù hợp cho xử lý những nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dụng với nguồn nước thải đặc thù này. Nói cách khác các Khóa 19-CHMT 1 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn mô hình xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay tại nước ta mới đạt ở mức làm giảm tải trọng ô nhiễm chứ chưa đạt được các tiêu chuẩn thải theo quy định của tiêu chuẩn ngành chăn nuôi. Chính vì vậy, việc lựa chọn và thực hiên đề tài: “Nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn nƣớc thải chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật xử lý sinh học kết hợp lọc màng vi lọc” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhằm phát triển nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiên tiến xử lý nước thải trong lĩnh vực bảo vệ môi trường tại Việt Nam. Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu khảo sát các thông số cơ bản của quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng vi lọc; - Đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý quy mô phòng thí nghiệm (công suất thiết kế khoảng 45 L/ngày); - Đánh giá tính khả thi và khả năng áp dụng thực tế của hệ thống xử lý. Khóa 19-CHMT 2 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan phƣơng pháp xử lý sinh học trong xử lý nƣớc thải Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, Sunfit, ammonia, Nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại [5,8,10]: - Phương pháp yếm khí, kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy; - Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh gọi là quá trình oxy hó a sinh hóa trong hệ thống xử lý nước thải . Đề thực hiê ̣n quá trin ̀ h này , các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoa ̣n chin ́ h như sau: - Chuyể n các chấ t ô nhiễm từ pha lỏng đế n bề mă ̣t tế bào sinh vâ ̣t ; - Khuế ch tán từ bề mă ̣t tế bào qua màng bán thấ m so sự chênh lê ̣ch nồ ng đô ̣ bên trong và bên ngoài tế bào ; - Chuyên hóa các chấ t trong tế bào vi sinh vâ ̣t , sản sinh năng lươ ̣ng và tổ ng hơ ̣p tế bào mới. Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và các yếu tố vi lượng. Khóa 19-CHMT 3 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn 1.1.1. Phƣơng pháp sinh học ky ̣ khí trong xƣ̉ lý nƣớc thải Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian . Tuy nhiên phương trin ̀ h phản ứng sinh hóa trong điề u kiê ̣n ky ̣ khí có thể biể u diễn đơn giản như sau [5,8,10]: Vi sinh vâ ̣t Chấ t hữu cơ CH 4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn: - Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử; - Giai đoạn 2: acid hóa; - Giai đoạn 3: acetate hóa; - Giai doạn 4 trong quá trình kị khí xử lý nước thải: methan hóa. Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,…trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrate. Vi sinh vật chuyển hóa methan chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí trong xử lý nước thải thành: - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB); Khóa 19-CHMT 4 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process). 1.1.2. Phƣơng pháp xƣ̉ lý sinh học hiế u khí trong xƣ̉ lý nƣớc thải Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn [4,5]: - Oxy hóa các chất hữu cơ; - Tổng hợp tế bào mới; - Phân hủy nội bào. Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí trong bể xử lý nước thải có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều. Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo có thể chia thành: - Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí. Trong số các quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất. - Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate với màng cố định. 1.2. Tổng quan về kỹ thuật lọc màng và ứng dụng trong xử lý nƣớc thải 1.2.1. Định nghĩa về màng lọc Màng được định nghĩa là một thiết bị tạo ngăn cách, cho phép tách chọn lọc các hợp chất. Nói cách khác, một màng lọc ngăn cản chuyển động khối nhưng nó lại cho phép một hoặc nhiều chất đi qua. Tách bằng màng được thực hiện theo nguyên lý vật lý, có nghĩa là những thành phần được tách không có bất kỳ thay đổi nào về hoá học hoặc nhiệt [8,15,16]. Quá trình hoạt động của màng được thể hiện trên Hình 1. Khóa 19-CHMT 5 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn Hình 1. Quá trình tách bằng màng 1.2.2. Phân loại màng lọc Màng lọc có thể được phân loại theo : - Theo kích thước lỗ: màng 0,1 µm, màng 2 nm …; - Theo vật liệu màng: màng polyme, màng gốm, màng kim loại …; - Theo cơ cấu lọc: màng phẳng, màng cuốn, ống thẳng, sợi rỗng – bó sợi …; - Theo cơ chế lọc: 2 cơ chế lọc theo kích thước (MF, UF) và khuếch tán (RO), trung gian: NF; - Phân loại theo động lực của quá trình: 1. Áp lực: RO, NF, UF, MF; tách- lọc khí; màng tách hơi (pervaporation); 2. Thể hóa học: (dialys – thẩm tách, Donan dialys, màng chưng cất); chiết màng (tách dung môi); 3. Điện thế: điện thẩm tách 4. Chênh lệch nhiệt độ: chưng cất màng Khóa 19-CHMT 6 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn Hình 2. Thông số các loại màng lọc Thông thường, màng lọc MF có kích thước lỗ khoảng 0,1 - 10µm, màng UF là 0,002 – 0,1 µm, còn màng NF và RO có kić h thước lỗ nhỏ hơn rấ t nhiề u so với MF và UF . Do đó , quá trình MF và UF có thể có độ thấm cao hơn với áp suất sử dụng nhỏ hơn so với quá trình NF và RO . Hơn nưa, với cơ chế tách loa ̣i , màng áp suấ t thấ p (MF và UF) có thể hình dung như một cái rây lọc nên dẫn đến lỗ rỗng lớn hơn, trong khi màng lo ̣c áp suấ t cao (NF và RO ) không đơn thuầ n chỉ phân lo ại dựa theo kić h thước.  Màng tinh lọc Tinh ( vi ) lọc (MF) dùng để loại bỏ các cặn có kích thước lớn, các đại phân tử được tách ra từ các phân tử lớn khác, protein, hay các mảnh vỡ tế bào. Ứng dụng quan trọng trong lọc nước đơn giản ở các chu trình cuối, ví dụ dùng trong lọc nước Khóa 19-CHMT 7 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn ép trái cây, sữa, rượu vang, bia và dược phẩm vô trùng. Màng tinh lọc hoạt động ở áp suất tương đối thấp.  Màng siêu lọc Siêu lọc (UF) là một quá trình lọc có áp lực loại bỏ dầu, hydroxit kim loại, chất keo, nhũ tương, chất rắn lơ lửng, vi khuẩn, và hầu hết các phân tử lớn từ nước và các dung dịch khác. Màng UF ứng dụng trong lọc dầu, nước ép trái cây, sữa và sữa chua, sơn, dược phẩm, rượu nước uống, và nước thải cấp ba. Màng siêu lọc có kích thước lỗ khoảng 0,01 micron có thể loại bỏ một số virus, trong khi màng tinh lọc có kích thước lỗ khoảng 0,1 micron, chỉ có thể loại bỏ một số loài vi sinh vật không bao gồm virus. Tuy nhiên cả tinh lọc và siêu lọc đều không thể loại bỏ các chất hòa tan, trừ khi các chất này được hấp phụ trước bằng than hoạt tính hoặc được keo tụ bằng phèn nhôm hoặc sắt.  Màng lọc Nano Màng lọc Nano (NF) có kích thước lỗ khoảng 0,001 micron. Có chức năng tương tự như màng thẩm thấu ngược, nhưng thường được sử dụng để loại bỏ các ion đa hóa trị, các chất hữu cơ đơn phân tử, gần như tất cả các virus, hầu hết các vật chất hữu cơ tự nhiên và các muối. Các ion đơn trị như Na, Cl sẽ đi qua nó, do đó nó thường được sử dụng cho quá trình tiền lọc trong khử muối nước mặn. Trong xử lý nước, màng NF có thể được sử dụng để làm mềm nước, loại bỏ thuốc trừ sâu, khử màu.  Màng thẩm thấu ngƣợc Màng thẩm thấu ngược (RO) có kích thước lỗ khoảng 0,0001 micron. Ngoài việc loại bỏ tất cả các phân tử hữu cơ và virus, màng RO loại bỏ hầu hết các ion đơn trị, các khoáng chất có mặt trong nước. do đó màng RO được ứng dụng phổ biến trong khử muối, khử mặn, khử khoáng để sản xuất nước tinh khiết với tính kinh tế cao hơn so với phương pháp chưng cất. Khóa 19-CHMT 8 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn 1.2.3. Vật liệu, cấu trúc màng, các thông số màng Các màng lọc được sử dụng phổ biến nhất là màng gốm và màng polyme. Nói chung, các màng polyme không đắt còn màng gốm có đặc điểm là độ bền đối với hoá chất cao. Nhiều dạng modun khác nhau của màng polyme đã được sử dụng trong xử lý nước thải [8]. Các vật liệu màng lọc polyme phổ biến hiện nay được dùng trong hệ thống MBR có thể kể đến như polysulfone, polypropylene, polyetylene, polyvinylidene fluoride. Tuỳ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, dạng hình học của modun và màng có thể được chế tạo khác nhau cho ứng dụng thực thế chủ yếu ở hai dạng tấm phẳng (flat sheet) và sợi rỗng (hollow fibre) như thể hiện trong Hình 3. (a) (b) Hình 3. Modul màng lọc polyme sử dụng phổ biến trong công nghệ MBR a) modul màng lọc dạng tấm phẳng; b) modul màng lọc dạng sợi rỗng Khi chọn vật liệu màng lọc để ứng dụng cho một số quá trình tách, chúng ta cần phải lưu ý đến một số tiêu chí như độ bền với hoá chất, tính hấp phụ .v.v. Bên cạnh các sản phẩm tự nhiên như là xenlulo axetat, các vật liệu polyme khác như polyamit, polysulfon, polypropylen và polyetylene cũng như các vật liệu gốm thường được sử dụng. Tuỳ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng, những ưu và nhược điểm của các loại vật liệu khác nhau cần được so sánh và đánh giá. Mặc dù màng lọc gốm có một số ưu thế hơn so với màng polyme, nhưng ngày nay các hệ màng ngập nước Khóa 19-CHMT 9 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ 2013 Hoàng Văn Tuấn thường được chế tạo bởi các vật liệu polyme bởi vì thành phần hoá học của những vật liệu này có thể dễ dàng thay đổi để đáp ứng các yêu cầu khác nhau nhằm tiết kiệm chi phí. Cấu trúc bề mặt của các màng lọc có ảnh hưởng quyết định đến tính chọn lọc và khả năng thẩm thấu cũng như các tính chất cơ học như là sức bền đối với áp suất. Một số cấu trúc màng lọc (đồng nhất, không đồng nhất, hay kết hợp) được trình bày ở hình 1.3. Líp ph©n c¸ch Gi¸ Líp t¸ch vµ ®ì Hình 4. Một số cấu trúc của màng Màng lọc đồng nhất có đường kính lỗ xốp đồng đều trong khi đó đường kính lỗ xốp của màng không đồng nhất biến đổi, những lỗ xốp nhỏ hơn quyết định quá trình lọc hệ lơ lửng. Hai loại màng trên có thể được chế tạo từ một loại vật liệu trong khi màng kết hợp composit có ít nhất hai lớp (có thể được chế tạo từ các vật liệu khác nhau). Ngược lại với màng lọc đồng nhất và không đồng nhất, đối với màng kết hợp cơ chế tách được diễn ra trên một lớp trong khi lớp còn lại chịu tác động lực cơ học (chức năng đỡ). Tuỳ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, dạng hình học của module và màng có thể được chế tạo khác nhau cho ứng dụng thực thế. Màng dạng sợi và ống mao dẫn, quá trình lọc thực hiện từ ngoài vào trong do các sợi màng có đường kính từ 0,2 đến 4 mm nên các hạt bẩn có thể gây tắc dòng chảy. Một modun màng sợi hay mao quản có thể gồm nhiều bó màng lọc, bó màng bao gồm một số lớn các sợi màng lọc được bó lại và cố định hai đầu nơi thu nước. Các màng lọc dạng sợi và dạng mao quản nói chung được chế tạo từ polyme mặc dù một số màng lọc mới phát triển được làm từ gốm. Màng lọc dạng ống và tấm phẳng Khóa 19-CHMT 10 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên