Đồng phân hủy xử lý chất thải rắn hữu cơ có thể phân hủy sinh học và nước thải sinh hoạt sử dụng công nghệ màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR)

 Hóa học & Kỹ thuật môi trường 
 ĐỒNG PHÂN HỦY XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ 
 CÓ THỂ PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC SINH HỌC KỴ KHÍ (AnMBR) 
 Bùi Hồng Hà*, Nguyễn Tấn Thông, Trần Minh Sơn, Thái Huỳnh Chân Phương, 
 Lê Văn Tân, Hà Minh Anh, Võ Thanh Hằng, Nguyễn Phước Dân 
 Tóm tắt: Nghiên cứu này đánh giá khả năng đồng phân hủy kỵ khí chất thải 
 rắn hữu cơ có thể phân hủy sinh học và nước thải sinh hoạt bằng một mô hình 
 lọc màng sinh học kỵ khí (AnMBR) quy mô phòng thí nghiệm bao gồm một bể 
 xáo trộn hoàn toàn và một bể màng UF. Thí nghiệm được dựa trên sự phát thải 
 của nước thải sinh hoạt (150 lít/người /ngày) và chất thải rắn hữu cơ (0,72 
 kg/người/ngày). Chất thải rắn hữu cơ được lấy từ rác thải nhà bếp có TVS 212 ± 
 12 g/kg ướt, và TKN 2,6 ± 0.1 g/kg ướt; nước thải sinh hoạt được lấy từ căn hộ 
 có thành phần điển hình là COD 522 ± 66 mg/L, TSS 856 ± 122 mg/L, TKN 73,6 
 ± 8,8 mg/L. Hiệu suất xử lý COD đạt 54% và 82% tương ứng với thời gian lưu 
 thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. Sản lượng khí sinh học cao hơn 3,38 L/ngày tại thời 
 gian lưu thủy lục 36 giờ ứng với 0,18 m3/kgCOD xử lý; 1,85 L/ngày tại thời gian 
 lưu thủy lực 24 giờ ứng với 0,12 m3/kgCOD xử lý. 
Từ khóa: Màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR); Đồng phân hủy kỵ khí; Chất thải rắn hữu cơ; Nước thải sinh 
hoạt; Sản lượng khí sinh học. 
 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
 Từ năm 2013 đến nay, các công nghệ xử lý nước thải mới đều tập trung vào thu 
hồi năng lượng và tái sử dụng nguồn nước. Màng lọc sinh học kỵ khí (AnMBR) 
được coi là một sự lựa chọn hấp dẫn trong việc xử lý nước thải vì lợi thế vượt trội 
so với phương pháp xử lý kỵ khí thông thường và màng lọc sinh học hiếu khí [1]. 
Việc lọc màng đã được chứng mình là một công nghệ đầy hứa hẹn, nước thải đô 
thị được cô đặc để tăng hiệu suất sinh khí sinh học. Hơn nữa, chất lượng của dòng 
thấm có thể được tái sử dụng hoặc thải ra một cách an toàn. Màng lọc có thể loại 
bỏ 91,1% COD [2]. Tùy thuộc vào đặc điểm của nước thải, các loại nước thải khác 
nhau mà hàm lượng COD sẽ có các giới hạn khác nhau. Hiệu quả xử lý COD cũng 
dao động từ 76% - 99% [3]. 
 Raijinikanth Rajagopal và các cộng sự đã tiến hành một nghiên cứu, mục tiêu 
của nghiên cứu này là đánh giá tính khả thi của việc đồng phân hủy nước thải đen 
và chất thải thực phẩm. Nước thải đen và nước thải xám được phân loại từ nguồn 
thải, chủ yếu để tạo điều kiện cho việc thu gom và xử lý tiếp theo, thu hồi và tái sử 
dụng tài nguyên. Một loạt các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, đồng phân hủy nước 
thải và chất thải thực phẩm cho thấy lượng khí mê-tan cao (0,54 – 0,9 lCH4/gVS), 
cao hơn nước thải hoặc chất thải nhà bếp được phân hủy riêng lẻ. Việc đồng phân 
hủy kỵ khí được tiến hành trong các mô hình quy mô phòng thí nghiệm, được liên 
tục cung cấp cơ chất [4]. 
 Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu vềphân hủy nước thải với chất thải rắn 
hữu cơ. Nghiên cứu của Nguyễn Công Vũ (2015) sử dụng một bể phân hủy kỵ khí 
để đồng phân hủy chất thải nhà bếp kết hợp với nước thải cô đặc. Kết quả cho thấy 
công suất sinh khí sinh học trung bình là 0,66 ± 0,2 m3/kgVS, hiệu quả loại bỏ 
COD 65 ± 10%, VS 78 ± 5% [5]. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Tuyết (2015) về nước 
thải sinh hoạt và chất thải gia đình cũng cho thấy hiệu quả xử lý COD cao (79%) 
212 B. H. Hà, N. T. Thông, , “Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
và VS (85%), năng suất khí sinh học là 0,70 ± 0,15 m3/kgVS [6]. Một nghiên cứu 
khác của Trần Văn Cương (2015) sử dụng màng UF cô đặc nước thải cho thấy chất 
lượng nước đầu ra đáp ứng với lượng xả và 90% nồng độ bùn. Đây là một tiềm 
năng lớn cho việc sản xuất khí sinh học [7]. 
 Các nhà nghiên cứu trong nước và nước ngoài đã nghiên cứu về công nghệ 
AnMBR và đồng phân hủy, nhưng chưa có nghiên cứu về công nghệ đồng phân 
hủy sử dụng màng lọc sinh học kỵ khí để xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước 
thải sinh hoạt. Bài báo này đã khảo sát công nghệ đồng phân hủy bằng màng lọc 
sinh học kỵ khí đối với việc xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt. 
Sau đó, đánh giá hiệu quả xử lý COD, khả năng sản xuất khí sinh học và một số 
chỉ tiêu khác. 
 2. THỰC NGHIỆM 
2.1. Vật liệu 
2.1.1. Mô hình màng lọc sinh học kỵ khí, gồm 
 Một bể kỵ khí được làm bằng vật liệu Polyethersulfone, có đường kính 20cm 
và chiều cao 40cm, tương ứng với thể tích làm việc là 10 lít. 
 Một bể kỵ khí chứa màng UF được làm bằng vật liệu Polyethersulfone có kích 
thước dài x rộng x cao là 20cm x 20cm x 40cm với dung tích 10 lít. 
 Hình 1. Mô hình thí nghiệm màng lọc sinh học kỵ khí. 
2.1.2. Nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ 
 Bảng 1. Tính chất nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ đầu vào. 
 Nước thải sinh hoạt Chất thải rắn hữu cơ 
STT Chỉ tiêu 
 Đơn vị Giá trị (n=10) Đơn vị Giá trị (n=8) 
 1 pH - 6,1 ± 0,5 - - 
 2 COD mg/l 522 ± 66 - - 
 3 TKN mg/l 73,6 ±8,8 g/kg ướt 2,6 ± 0,1 
 4 N-NH4 mg/l 15 ± 2,3 g/kg ướt 0,24 ± 0,04 
 5 TP mg/l 3,8 ± 0,9 g/kg ướt 1,2 ± 0,2 
 6 TS mg/l 856 ± 122 g/kg ướt 230 ± 13 
 7 VS mg/l 433 ± 139 g/kg ướt 212 ± 12 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 213
 Hóa học & Kỹ thuật môi trường 
2.1.3. Mô hình thí nghiệm 
 Chất thải rắn hữu cơ sau khi được xay nhuyễn sẽ được phối trộn chung với 
nước thải sinh hoạt theo tỉ lệ 0,72 kg chất thải rắn hữu cơ [8] với 150 lít nước thải 
sinh hoạt [9]. Hỗn hợp chất thải rắn hữu cơ và nước thải sinh hoạt được cấp vào bể 
kỵ khí bằng bơm định lượng thông qua tín hiệu điều khiển của phao mực nước. 
Trong bể kỵ khí, hỗn hợp chất thải ban đầu và bùn kỵ khí được xáo trộn đều bằng 
máy khuấy. Hỗn hợp sau đó sẽ tự chảy sang bể kỵ khí chứa màng. Tại đây quá 
trình phân huỷ kỵ khí được tiếp tiếp tục diễn ra và dòng thấm được hút ra khỏi bể 
bằng màng lọc UF thông qua bơm nhu động với thời gian hoạt động 08 phút, nghỉ 
02 phút. Quá trình hút của màng được kiểm soát thông qua đồng hồ đo áp suất 
chuyển màng. Để đảm bảo nồng độ bùn tại 2 bể tương đương nhau, một bơm định 
lượnglượng sẽsẽ hoạthoạt độngđộng liênliên tụctục đểđể húthút bùnbùn từtừ bể kỵ khí chứa màngmàng UFUF quayquay vềvề bểbể kỵkỵ 
khí. Khí sinh học sinh ra từ bể kỵ khí chứa màng UF sẽ được nội tuần hoàn bằng 
máy thổi khí chân không thổi vào module màng. Khí sinh học sinh ra từ 2 bể sẽ 
được dẫn ra ngoài qua bình cân bằng áp trước khi dẫn khí sinh học qua thiết bị đo 
lưu lượng khí (hộp lật). 
 Lưu lượng dòng thấm được đo bằng thiết bị đo lưu lượng nước (hộp lật nước), 
lưu lượng khí sinh ra được đo bằng thiết bị đo lưu lượng khí (hộp lật khí). 
 Mô hình thí nghiệm được mô tả trong hình 2: 
 Hình A7: Mô 
 Hình 2. Sơ đồ công nghệ mô hình thí nghiệm. 
2.1.4. Thông số vận hành 
 Bảng 2. Thông số vận hành hệ thống AnMBR. 
 Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị 
pH pH - 7,0 ± 0,2 
Thông lượng màng J l/m2.h 5,2 3,5 
Lưu lượng nước thải QN l/ngày 19,2 14,4 
Khối lượng chất thải rắn hữu cơ QR gướt/ngày 92 69 
Thời gian lưu thủy lực HRT h 24 36 
Nhiệt độ phòng t oC 28 - 35 28 – 35 
214 B. H. Hà, N. T. Thông, , “Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
2.1.5. Các thông số phân tích 
 Các thông số phân tích được thực hiện theo quy trình phân tích của tài liệu 
Standard Method for Water and Wastewater. Các thông số: pH, COD, TS, TVS và 
 +
lưu lượng khí sinh học được phân tích 2 ngày/lần; các thông số: TP, TKN, NH4 
được phân tích 4 ngày/lần. Các mẫu phân tích được lấy vào buổi sáng, sau khi 
kiểm tra hệ thống hoạt động bình thường. 
 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1. pH 
 Biến thiên giá trị pH được thể hiện trong hình 3. Giá trị pH đầu vào trung bình 
là 6,4. Với thời gian lưu nước 24 giờ, giá trị pH đầu ra trung bình là 7,7. Với thời 
gian lưu nước là 36 giờ, giá trị pH đầu ra trung bình là 7,9. 
 Giá trị pH bị ảnh hưởng bởi lượng chất thải rắn hữu cơ. pH là một tham số 
quan trọng ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và phát triển của vi khuẩn Mê-tan, việc 
sản sinh khí Mê-tan bị ức chế trong môi trường axit. 
 Hình 3. Sự biến thiên pH với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. 
3.2. TS đầu vào và TVS đầu vào 
 Do các mẫu nước thải sinh hoạt, chất thải rắn hữu cơ được lấy vào các thời 
điểm khác nhau, dẫn đến có sự chênh lệch về nồng độ đầu vào của mô hình thí 
nghiệm. Sự chênh lệch TS và TVS được thể hiện như sau: 
3.2.1. TS đầu vào 
 HRT = 24 HRT = 36 giờ 
 Hình 4. TSvào với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 215
 Hóa học & Kỹ thuật môi trường 
 Giá trị TSvào có giá trị trung bình là 1.678 mg/l ( từ 1.584 mg/l đến 1.759 mg/l). 
Sự chênh lệch giá trị TSvào giữa các mẫu được thể hiện trong hình 4. 
3.2.2. TVS đầu vào 
 Giá trị TVSvào trung bình là 1.156 mg/l (từ 1.024 mg/l đến 1.252 mg/l). Sự 
chênh lệch giá trị TVSvàogiữa các mẫu được thể hiện trong hình 5. 
 Hình 5. TVSvào với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. 
3.3. Biến thiên COD 
 Sự biến thiên COD được thể hiện trong hình 6. Giá trị COD đầu vào trung bình 
là 1382 mg/l.Với thời gian lưu nước là 24 giờ, COD đầu ra có giá trị trung bình là 
637 mg/l, hiệu suất xử lý COD trung bình là 54%. Với thời gian lưu thủy lựclà 36 
giờ, COD đầu ra có giá trị trung bình là 253 mg/l, hiệu suất xử lý COD trung bình 
là 82%. 
 Hình 6. Hiệu quả xử lý COD với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. 
3.4. Biến thiênTổng ni-tơ Kjeldahl (TKN) 
 Hình 7. Hiệu quả xử lý TKN với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. 
216 B. H. Hà, N. T. Thông, , “Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 Sự biến thiên tổng nitơ Kjeldahl (TKN) được thể hiện trong hình 7. Tổng nitơ 
Kjeldahl đầu vào trung bình là 119,4 mg/l. 
 Với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ, TKN sau khi thí nghiệm là 82,5 mg/l. 
Hiệu suất xử lý trung bình là 32%. Với thời gian lưu thủy lưc là 36 giờ, TKN sau 
khi thí nghiệm là 74,86 mg/l. Hiệu suất xử lý trung bình là 37%. 
 +
3.5. Biến thiên amoni(NH4 ) 
 Sự biến thiên Amoni được thể hiện trong hình 8. Giá trị amoni đầu vào trung 
bình là 14,6 mg/l. Với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ, giá trị amoni đầu ra trung 
bình 55,1 mg/l. Giá trị amoni đầu ra tăng trung bình -256%. 
 Với thời gian lưu thủy lực là 36 giờ, amoni đầu ra có giá trị trung bình 61,9 
mg/l. Giá trị amoni đầu ra tăng trung bình -384%. 
 Trong quá trình phân tích nước thải hỗn hợp và các chất thải rắn hữu cơ, nitơ 
trong chất thải không tồn tại ở dạng amoni, nhưng nitơ tồn tại ở dạng khác trong 
thịt, cá, rau quả ... và các chất khác trong chất thải rắn hữu cơ. Quá trình axit hóa 
trong phản ứng kỵ khí tạo ra amoni, dẫn đến giá trị amoni đầu ra cao hơn đầu vào 
 70
 200 %
 60
 50 %
 40 -200 %
 30 -400 %
 20 -600 %
 NH4+ (mg/l)NH4+ 10 -800 %
 0 -1000 %
 0 4 8
 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 65 69 73 77 81 85 89 93 97
 Hiệu quảHiệu xử NH4+ lý (%)
 101 105 109 113 117 121
 HRT = 24 giờ HRT = 36 giờ 
 Thời gian (ngày)
 NH4+ in NH4+ out NH4+ removal efficiency
 +
Hình 8. Sự biến thiên Amoni (NH4 ) với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. 
3.6. Biến thiên tổng phốt-pho (TP) 
 8 100%
 7
 80%
 6
 5 60%
 4 40%
 TP (mg/l)TP 3
 20%
 2
 1 % suấtHiệu xử lý TP (%)
 0 4 8
 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 65 69 73 77 81 85 89 93 97
 101 105 109 113 117 121
 HRT = 24 giờ HRT = 36 giờ 
 Thời gian (ngày)
 TP in TP out TP removal efficiency
Hình 9. Sự biến thiên tổng phốt-pho với thời gian lưu thủy lực là 24giờ và 36 giờ. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 217
 Hóa học & Kỹ thuật môi trường 
 Sự biến thiên tổng phốt-pho (TP) được thể hiện trong hình 9. Giá trị TP đầu 
vào trung bình là 5,7 mg/l. Với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ, TP đầu ra có giá trị 
trung bình 3,4 mg/l, hiệu suất xử lý tổng phốt-pho trung bình là 39%. Với thời gian 
lưu thủy lực là 36 giờ, TP đầu ra có giả trị trung bình là 2,8 mg/l, hiệu suất xử lý 
tổng phốt-pho trung bình là 51%. 
3.7. Sản lượng khí sinh học 
 Sản lượng khí sinh học được thể hiện trong hình 10. Sản lượng khí sinh 
họcsinh ra là 3,38 lít/ngày tại thời gian lưu thủy lực là 36 giờ, tương ứng với 0,18 
m3/kgCOD xử lý, sản lượng khí sinh học là 1,85 lít/ngày tại thời gian lưu thủy lực 
là 24 giờ, tương ứng với 0,12 m3/kgCOD. 
 05
 )
 04
 03
 02
 01
 Lượng khíLượng sinh(L học Biogas, Biogas,
 00
 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58
 Ngày 
 Hình 10. Sản lượng khí sinh học. 
 4. KẾT LUẬN 
 Màng UF được vận hành với thông lượng lọc là 5,2 L/m2/h and 3,5 L/m2/h 
tương ứng với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. Hiệu suất xử lý COD 
đạt 54% và 82% tương ứng với thời gian lưu thủy lực là 24 giờ và 36 giờ. Sản 
lượng khí sinh học cao hơn 3,38 L/ngày tại thời gian lưu thủy lục 36 giờ ứng 
với 0,18 m3/kgCOD xử lý; 1,85 L/ngày tại thời gian lưu thủy lực 24 giờ ứng với 
0,12 m3/kgCOD xử lý. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ màng lọc sinh học kỵ 
khí (AnMBR) đem lại hiệu quả cao trong xử lý chất thải rắn hữu cơ và nước 
thải sinh hoạt. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Sheng Chang, Anaerobic Membrane Bioreactors (AnMBR) for Wastewater 
 Treatment, Advances in Chemical Engineering and Science, 2014 
[2]. Mezohegyi, G. Bilad, M.R., and Vankelecom, I.F.J, Direct sewage up-
 concentration by submerged aerated and vibrated membranes, Bioresources 
 Technology, 1-7, 2012 
[3]. George Skouteris, Daphne Hermosilla, Patricio López, Carlos Negro, Ángeles 
 Blanco, Anaerobic membrane bioreactors for wastewater treatment:A review. 
 Chemical Engineering Journal, 198 - 199, 138 – 148, 2013 
[4]. Raijinikanth Rajagopal, Jun Wei Lim, Yu Mao, Chia-Lung Chen, Jing-Yuan 
 Wang, Anaerobic co-digestion of source segregated brown water (feces-
218 B. H. Hà, N. T. Thông, , “Đồng phân hủy xử lý lọc sinh học kỵ khí (AnMBR).” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 without-urine) and food waste: For Singapore context, Science of The Total 
 Enviroment, 2013 
[5]. Nguyen Cong Vu, Do Tan An, Nguyen Ngoc Thuy Quynh, Bui Xuan Thanh, 
 Nguyen Phuoc Dan, HeleeDe Wever, Ludo Diels. Household-scale application 
 of SEWER PLUS technology for energy production using co-digestion of 
 organic solid waste and concentrate from ultrafiltration process. 
[6]. Nguyen Thi Tuyet, Application of technology to concentrate domestic 
 wastewater by UF membrane in combination with the biodegradation of 
 domestic waste of laboratory scale waste, 2015 
[7]. Tran Van Cuong, Evaluate the recovery of organic matter from waste water by 
 UF membrane with a dirty control regime by continuous backwash, Master 
 thesis (2013 – 2015) 
[8]. Bộ Tài nguyên và môi trường (2011). Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 
 – Chất thải rắn. 
[9]. Quyết định (2013). Quyết định phê duyệt quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế 
 - xã hội thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2025. Số: 
 2631/QĐ-TTg. 
 ABSTRACT 
 CO-ANAEROBIC TREAMENT OF URBAN BIODEGRADABLE ORGANIC 
 WASTE AND SEWAGE USING ANAEROBIC MEMBRANE BIOREACTOR 
 This study aimed to evaluate possibility of anaerobic co-treatment of 
 biodegradable solid waste and domestic wastewater by a lab-scale 
 anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) consisting of a complete mixing 
 tank followed by UF membrane tank. The experiment was based on emission 
 factors of domestic wastewater (150 L/capita/day) and organic solid waste 
 (0.72 kg/capita/day). Organic waste collected from kitchen waste contained 
 COD 127 ± 20 g/kg w.w, TVS 212 ± 12 g/kg w.w, and TKN 2.6 ± 0.1 g/kg 
 w.w, whereas domestic wastewater which was taken from an apartment had 
 typical composition of COD 522 ± 66 mg/L, TSS 856 ± 122 mg/L, TKN 73.6 
 ± 8.8 mg/L. The COD removal rates were 54% and 82%, respectively. The 
 biogas production was higher of about 3.38 L/day at 36 hours corresponding 
 to 0.18 m3/kgCOD removed, while biogas production was about 1.85 L/day 
 at 24 hours corresponding to 0.12 m3/kgCOD removed. 
Keywords: Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR), Anaerobic co-digestion, Organic waste, Domestic 
wastewater, Biogas production. 
 Nhận bài ngày 18 tháng 8 năm 2017 
 Hoàn thiện ngày 06 tháng 9 năm 2017 
 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 9 năm 2017 
Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường (ITE)/ Viện KH-CNQS. 
 * Email: buihonghavittep@yahoo.com. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 219