Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ trong nước thải đô thị bằng công nghệ màng lọc MBR (Membrane Bioreactor)

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 79 
4. Kết luận 
Với đặc điểm rẻ tiền, đơn giản, có thể dễ dàng cài đặt và chạy trên các máy tính cá nhân của 
giảng viên, sinh viên, dễ dàng xây dựng CSDL mới từ các thông tin sẵn có, phần mềm mô phỏng 
Radar được xây dựng như trên hoàn toàn có thể sử dụng trong giảng dạy, huấn luyện, đáp ứng tốt 
các yêu cầu về thực hành của sinh viên khi các điều kiện thực hành còn nhiều hạn chế. 
Thực tế, phần mềm đã được các tác giả thử nghiệm sử dụng trong giảng dạy tại Khoa Hàng 
hải, Trường Đại học Hàng hải và cho kết quả tốt. Trong thời gian tiếp theo, nhóm tác giả sẽ tập trung 
hoàn chỉnh các chức năng mô phỏng như đưa thêm các hệ số về tính chất phản xạ của các bề mặt 
khác nhau, cũng như mở rộng thêm module điều động tàu, module hiển thị cảnh để tăng hiệu quả 
sử dụng cho đào tạo, huấn luyện sinh viên và thuyền viên. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. “Starpath Radar Trainer 3.0”, at “”; 
[2]. Nguyễn Công Vịnh (2005), “Phần mềm mô phỏng radar tàu biển JMA627-6 trên máy tính PC”; 
[3]. Nguyên Thái Dương và cộng sự (2013), Địa văn Hàng hải I,II,III, NXB Giao thông vận tải; 
[4]. NP 735 IALA Maritiem Buoyage System, 7th Edition 2012, ADMIRALTY; 
[5]. J.P.Clarke (2000), The Mariner’s Handbook, The United Kingdom Hydrographic Office. 
Ngày nhận bài: 10/3/2017 
Ngày phản biện: 23/3/2017 
Ngày duyệt đăng: 27/3/2017 
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ 
THỊ BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) 
APPLICATION OF MEMBRANE BIOREACTOR (MBR) TECHNOLOGY FOR 
ORGANIC MATTER TREATMENT IN URBAN WASTEWATER 
NGUYỄN MINH KỲ1,2, TRẦN THỊ TUYẾT NHI3, NGUYỄN HOÀNG LÂM4 
1Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh 
2Trung tâm Phát triển Môi trường và Con người (DfEP) 
3Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh 
4Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 
Tóm tắt 
Công nghệ màng lọc sinh học (MBR) được thí nghiệm áp dụng xử lý nước thải đô thị đạt 
hiệu quả xử lý cao. Đây là một trong những phương pháp tiên tiến và đã được áp dụng xử 
lý thành công nhiều loại nước thải khác nhau từ đô thị cho tới các loại nước thải công 
nghiệp khó xử lý. Mô hình thí nghiệm MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản: Phân 
hủy sinh học chất hữu cơ và kỹ thuật tách sinh khối vi sinh bằng màng. Nhờ nồng độ sinh 
khối cao nên gia tăng hiệu quả xử lý nước thải so với phương pháp truyền thống. Hiệu quả 
xử lý trung bình BOD5, COD tương ứng lần lượt 94,6 và 92,6%. Ưu điểm của MBR có thể 
áp dụng xử lý nguồn nước thải có tải trọng cao. 
Từ khóa: MBR, BOD5, COD, nước thải đô thị, sinh khối, bùn hoạt tính. 
Abstract 
Membrane Bioreactor (MBR) technology was applied urban wastewater treatment and 
achieved highly treatment efficiency. This is one of the advanced methods and has been 
applied successfully for many different industrial and urban wastewater types. MBR 
experimental model is a combination of two basic processes: The organic matter 
biodegradation and microbial biomass separation technique by membrane. The high 
biomass concentration due to increase wastewater treatment efficiency more than 
traditional methods. The average treatment efficiency of BOD5, COD are 94.6 and 92.6%, 
respectively. Advantages of MBR method can be applicabled and treated the highly 
organic load wastewater. 
Keywords: MBR, BOD5, COD, urban wastewater, biomass, activated slugde. 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 80 
1. Đặt vấn đề 
Công nghệ màng lọc sinh học MBR (Membrane Bioreactor) là sự kết hợp quá trình bùn hoạt 
tính sinh học và màng lọc [3]. Đây là một trong những phương pháp tiên tiến, đã được áp dụng xử 
lý thành công nhiều loại nước thải khác nhau từ đô thị cho tới các loại nước thải công nghiệp, y tế 
có thành phần phức tạp và khó xử lý. MBR là sự kết hợp quá trình bùn hoạt tính với màng để tách 
bùn ra khỏi dòng sau xử lý. Với việc sử dụng màng lọc có kích thước lỗ màng dao động từ 0,01-
0,4μm nên vi sinh vật, chất ô nhiễm, bùn bị giữ lại tại bề mặt màng. Đồng thời, bùn sinh học sẽ được 
giữ lại trong bể phản ứng, mật độ vi sinh cao nên nâng cao hiệu suất xử lý chất ô nhiễm [15]. 
Các nghiên cứu trước đây cho thấy tính ưu việt của việc ứng dụng công nghệ MBR xử lý 
nước thải y tế, công nghiệp hay đô thị. Nghiên cứu của Porntip et al., 2006 [8] trên đối tượng nước 
thải chế biến thủy hải sản đạt hiệu quả xử lý BOD5, COD và TOC rất cao, lần lượt tương ứng 99, 85 
và 85%. Quá trình MBR cũng đạt hiệu quả xử lý cao đối với nước thải công nghiệp hóa dầu (Qin et 
al., 2007) [9]. Một số công trình trong nước nghiên cứu xử lý nước thải đô thị/sinh hoạt như của các 
tác giả Đỗ Khắc Uẩn và cs (2010) [11], Trần Đức Hạ và nnk (2012) [4], Trần Thị Việt Nga và cs [7], 
Trần Hữu Uyển và Trần Đức Hạ, 2013 [12] cũng đạt được kết quả khả quan. Trong nghiên cứu này, 
mô hình thí nghiệm MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản (phân hủy sinh học chất hữu cơ 
và kỹ thuật tách sinh khối bằng màng) trong một đơn nguyên nhằm mục đích đánh giá hiệu quả xử 
lý nước thải đô thị. 
2. Phương pháp nghiên cứu 
2.1. Mô hình thí nghiệm 
Bể phản ứng được thiết kế với dung tích hữu ích 36 lít (kích thước L.W.H = 24*20*75cm) và 
module màng nhúng chìm có kích thước lỗ lọc 0,4µm, diện tích bề mặt 0,9 m2 (Mitsubishi, Japan). 
Thời gian lưu bùn (Solids Retention Time, SRT) được kiểm soát theo chế độ 25 ngày. Chu kỳ hoạt 
động và nghỉ của màng lọc với thời gian 10:1 phút. Để duy trì DO >= 2,0 mg/l trong quá trình vận 
hành, nghiên cứu bố trí sử dụng thiết bị cấp khí có lưu lượng 1,7 m3/h. Hiệu suất lọc qua màng 
tương đương 15-20 l/(m2.h). Không khí được cung cấp để vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ, thúc 
đẩy quá trình nitrate hóa và giảm tắc nghẽn màng. Nồng độ MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) 
ban đầu trong bể phản ứng duy trì tương đương 10.000 mg/l. 
Hình 1. Sơ đồ mô hình thí nghiệm 
Bảng 1. Thông số và các giai đoạn vận hành 
Giai 
đoạn 
Ngày thứ 
Lưu 
lượng, 
lít/giờ 
HRT, giờ SRT, ngày 
OLR, 
kgCOD/m3.ngày 
1 1-30 4 9,0 25 1,7 
2 31-60 8 4,5 25 3,4 
3 61-90 12 3,0 25 5,1 
4 91-121 16 2,25 25 6,8 
Mô hình nghiên cứu tiến hành điều chỉnh pH dao động trong khoảng 6,5-8,0 và vận hành trong 
thời gian 121 ngày với chế độ HRT khác nhau để đánh giá hiệu quả xử lý BOD5 và COD. Trong quá 
trình vận hành chỉ rửa súc màng bằng nước sạch, sục khí bề mặt và không bổ sung dinh dưỡng 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 81 
cũng như không kiểm soát F/M. Thí nghiệm với dòng nước thải: 4, 8, 12, 16 lít/giờ. Tương ứng thời 
gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time, HRT) lần lượt 9,0; 4,5; 3,0 và 2,25 giờ.Tải trọng hữu 
cơ (Organic Loading Rate, OLR) dao động trong khoảng 1,7 đến 6,8 kgCOD/m3.ngày. 
2.2. Phương pháp phân tích 
Phương pháp phân tích các thông số chất lượng nước theo phương pháp chuẩn APHA, 2005 
[1]. Tần suất đo đạc các chỉ tiêu chất lượng nước được thực hiện 3 lần/tuần. Các giá trị pH, nhiệt 
độ, DO được đo bằng thiết bị đo nhanh. Trong đó, pH đo bằng máy cầm tay WTW 340i (Đức) và DO 
xác định bằng thiết bị đo nhanh cầm tay (Oron, Mỹ). Xác định chỉ tiêu BOD5 bằng phương pháp ủ 
trong tủ cấy ở điều kiện 200C và 5 ngày (Tủ ủ BOD Aqualytic, Đức). Hàm lượng COD đo bằng máy 
quang phổ UV-VIS, theo phương pháp SMEWW 5220-D:2005. Nồng độ MLSS, MLVSS (Mixed 
Liquor Volatile Suspended Solids) được xác định theo phương pháp trọng lượng (lọc bằng giấy lọc 
có kích thước 0,45µm rồi sấy khô đến khối lượng không đổi ở các nhiệt độ 1050C và 5500C). 
3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 
3.1. Thông số vận hành và ưu điểm của công nghệ MBR 
Nước thải nghiên cứu được lấy từ một số khu dân cư ở TP. Hồ Chí Minh. Nước thải nghiên 
cứu có thành phần và hàm lượng các chất ô nhiễm được thể hiện ở bảng 2. 
Bảng 2. Kết quả chất lượng nước thải đô thị và giới hạn cho phép 
TT Chỉ tiêu Đơn vị 
Kết quả QCVN 
14:2008/BTNMT 
(Cột A) Mean SD 
1 pH - 7,6 0,4 5-9 
2 DO mg/l 1,1 0,13 ≥2a 
3 BOD5 mg/l 312 14,5 30 
4 COD mg/l 630 27,8 75b 
5 Nito tổng mg/l 33 4,7 20b 
6 Photpho tổng mg/l 21 3,2 4b 
Chú thích: QCVN 14:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt 
aQCVN 39:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước dùng cho tưới tiêu 
bQCVN 40:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (cột A) 
Hình 2. Nồng độ sinh khối và chỉ số F/M trong bể phản ứng theo các tải trọng 
Thông số pH được duy trì trong khoảng giá trị từ 6,7 đến 8,4 và có trung bình bằng 7,5 
(SD=0,44; n=41). Trong khi, hàm lượng oxy hoà tan (DO) biến thiên từ 3,7 đến 6,5 mg/l và có trung 
bình 4,8 mg/l (SD=0,92; n=41). Nhiệt độ bể phản ứng trung bình 35,20C (SD=1,84; n=41), các giá trị 
thấp nhất - cao nhất lần lượt tương ứng 28,70C và 44,30C. Nhìn chung, nồng độ MLSS trung bình 
bể phản ứng được duy trì tương đương 10,913,1 ± 2089,7 mg/l. Nồng độ MLSS theo các giai đoạn 
vận hành thí nghiệm có giá trị lần lượt 10431,1 ± 1114,5 (OLR1); 11092,5 ± 1887,0 (OLR2); 11403,5 
± 2501,9 (OLR3) và 10773,4 ± 2756,8 mg/l (OLR4). Nồng độ MLSS cao được duy trì trong bể phản 
ứng gia tăng hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm. 
0.000
0.010
0.020
0.030
0.040
0
5000
10000
15000
20000
1 7
1
3
1
9
2
5
3
1
3
7
4
3
4
9
5
5
6
1
6
7
7
3
7
9
8
5
9
1
9
7
1
0
3
1
0
9
1
1
5
1
2
1
N
ồ
n
g
 đ
ộ
 s
in
h
 k
h
ố
i,
 m
g
/l
Ngày
MLSS
MLVSS
F/M
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 82 
Ngoài ra, giá trị biến thiên nồng độ MLVSS cũng được thể hiện ở hình 2. Cụ thể, trong các 
giai đoạn vận hành tương ứng lần lượt 7603,8±712,4 (OLR1); 8202,5±1968,5 (OLR2); 
8603,5±2370,5 (OLR3); 7873,4±2463,3 mg/l (OLR4). Hoạt động vận hành có tỷ số F/M khá thấp và 
dao động từ 0,005 đến 0,034 (ngày-1). Quá trình tạo bùn thấp trong điều kiện F/M thấp cũng được 
khẳng định trong nghiên cứu của Huang et al., 2001 [5]. Thông thường, giá trị F/M thấp do sinh khối 
được giữ lại để duy trì nồng độ MLSS ở mức độ cao (Metcalf & Eddy, 2003) [6]. Việc áp dụng công 
nghệ màng lọc sinh học (MBR) có những ưu điểm và có thể sử dụng để xử lý nước thải đô thị 
(Rosenberger et al., 2002) [10]. 
3.2. Khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ 
Hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ chủ yếu nhờ vào hoạt động của bùn hoạt tính trong bể phản 
ứng và một phần nhỏ là kết quả của quá trình lọc màng [13]. Lưu lượng không khí cấp cho bể phản 
ứng là nhân tố chủ đạo ảnh hưởng mạnh mẽ đến hoạt động sinh hóa loại bỏ BOD5 và COD. Hiệu 
quả xử lý trung bình BOD5, COD tương ứng lần lượt 94,6 và 92,6%. Phần chi tiết giá trị thông số 
BOD5, COD trước và sau xử lý trong suốt thời gian 121 ngày vận hành được thể hiện ở hình 3. Hàm 
lượng BOD5 khảo sát dao động trong khoảng 250 - 361 mg/l. Kết quả sau xử lý dao động từ 8,7 đến 
29,0 mg/l. Kết quả COD đầu vào dao động mức khá cao (từ 468 đến 702 mg/l), tuy nhiên COD đầu 
ra có kết quả khá thấp (≤57,0 mg/l). Trong khi, theo như QCVN 14:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ 
thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt (Cột A), ngưỡng giới hạn cho phép đối với các chỉ tiêu BOD5, 
COD lần lượt là 30 và 75 mg/l. Điều này cho thấy tiềm năng công nghệ MBR có thể áp dụng cho 
mục đích xử lý và tái chế nước thải bảo vệ môi trường. 
Hình 3. Sự thay đổi hàm lượng và hiệu suất xử lý chất hữu cơ trong quá trình vận hành 
Trong điều kiện tuổi bùn cao đạt được do thời gian lưu bùn (SRT) lớn (25 ngày) cho phép qúa 
trình khoáng hóa hoàn toàn các chất hữu cơ thô dễ phân hủy sinh học trong nước thải. Hiệu quả xử 
lý COD cao tương ứng với sự gia tăng nồng độ MLSS trong bể phản ứng. Nồng độ MLSS có vai trò 
quan trọng trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ (Xing et al., 2000) [13]. Hiệu quả xử lý 
BOD5 tăng theo thời gian khi tăng tải trọng hữu cơ từ 1,7 (tương ứng hiệu suất 93,2%) lên 6,8 
kgCOD/m3.ngày (tương đương 95,6%). Tương tự đối với hàm lượng COD, hiệu suất cũng có xu 
hướng tăng nhẹ từ 91,9% (giai đoạn 1) lên 93,1% (giai đoạn 3) và sau đó giảm nhẹ xuống ở giai 
đoạn 4 (92,9%). Chi tiết hiệu suất xử lý BOD5 và COD theo các tải trọng khác nhau được trình ở các 
bảng 3. 
Kết quả nghiên cứu được thể hiện ở hình 3 cho thấy hiệu suất xử lý các các hợp chất hữu cơ 
của công nghệ MBR cao. Nghiên cứu của Xing et al., 2001 [14] trên nước thải đô thị cũng có kết 
quả loại COD rất tốt, hiệu suất xử lý đạt 95%. Hiệu suất loại BOD5 thấp nhất đạt 90,5% (ngày thứ 7) 
và cao nhất lên tới 97,1% (ngày thứ 106). Trong khi mức độ xử lý COD dao động từ 89,6% (ngày 
thứ 34) đến 94,9% (ngày thứ 91). Trong bể phản ứng MBR hiếu khí, hàm lượng COD giảm thiểu là 
kết quả của quá trình sản sinh các hợp chất dễ bay hơi và giải phóng trong điều kiện hiếu khí [2]. 
84.0
86.0
88.0
90.0
92.0
94.0
96.0
98.0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1 7
1
3
1
9
2
5
3
1
3
7
4
3
4
9
5
5
6
1
6
7
7
3
7
9
8
5
9
1
9
7
1
0
3
1
0
9
1
1
5
1
2
1
C
h
ấ
t 
h
ữ
u
 c
ơ
, 
m
g
/l
Ngày
CODi
CODe
BOD5i
BOD5e
H(BOD5,%)
H(COD,%)
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 83 
Bảng 3. Hiệu quả xử lý BOD5 và COD theo các tải trọng khác nhau 
OLR 
Kết 
quả 
BOD5 COD 
BOD5 vào BOD5 ra H, % COD vào 
COD 
ra 
H, % 
OLR1=1,7 
kgCOD/m3.ngày 
Mean 317,7 21,4 93,2 604,0 48,5 91,9 
SD 18,0 4,7 1,7 58,4 4,3 0,9 
OLR2=3,4 
kgCOD/m3.ngày 
Mean 317,2 17,7 94,4 616,9 46,6 92,4 
SD 24,0 4,8 1,6 51,1 5,9 1,2 
OLR3=5,1 
kgCOD/m3.ngày 
Mean 291,6 13,6 95,3 591,5 40,1 93,1 
SD 17,7 3,3 1,0 57,5 7,1 1,5 
OLR4=6,8 
kgCOD/m3.ngày 
Mean 303,3 13,4 95,6 633,8 44,7 92,9 
SD 8,1 4,4 1,5 35,3 5,2 0,7 
4. Kết luận 
Nghiên cứu áp dụng công nghệ màng lọc sinh học (MBR) xử lý nước thải đô thị có hiệu quả 
xử lý BOD5, COD cao và ổn định. Hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ đáp ứng yêu cầu Quy chuẩn kỹ thuật 
quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN14:2008/BTNMT. Hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm có xu 
hướng tăng dần khi lần lượt tăng tải trọng hữu cơ. Ưu điểm của công nghệ MBR là duy trì nồng độ 
MLSS ổn định, cao và tạo điều kiện để vi sinh xử lý chất ô nhiễm cũng như được thấm lọc qua màng 
có kích thước khe nhỏ. Đây là công nghệ thích hợp cho việc ứng dụng thiết kế hệ thống xử lý nước 
thải đô thị nhằm mục đích kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ môi trường. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. APHA, AWWA, WEF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st Ed., 
American Public Health Association, Washington DC, 2005. 
[2]. Barker, P. S., Dold, P. L., “Sludge production and oxygen demand in nutrient removal activated 
sludge systems”, Water Science and Technology, 34:43-50, 1996. 
[3]. Baker, R.W., Membrane Technology and Application, 2nd Ed., Jonh Wiley & Sons Ltd, USA, 2004. 
[4]. Trần Đức Hạ, Trần Thị Việt Nga, Trần Hoài Sơn, “Ứng dụng công nghệ AO-MBR để xử lý nước 
thải sinh hoạt Hà Nội”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Viện KH&CN Việt Nam, 50(2B):40-47, 
2012. 
[5]. Huang, X., Gui, P. and Qian, Y., “Effect of sludge retention time on microbial behaviour in a 
submerged membrane bioreactor”, Process Biochem., 36:1001–1006, 2001. 
[6]. Metcalf & Eddy, Wastewater engineering treatment and reuse, 4th Ed., McGraw Hill, 2003. 
[7]. Trần Thị Việt Nga, Trần Hoài Sơn, Trần Đức Hạ, “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng phương 
pháp sinh học kết hợp màng vi lọc”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 13:35-41, 2012. 
[8]. Porntip, C.S., Jansongkod, K., Anthony, P., & Christelle, W., “Benefits of MBR in seafood 
wastewater treatment and water reuse: study case in Southern part of Thailand”, Desalination., 
200:712-714, 2006. 
[9]. Qin, J.J., Oo, M.H., Tao, G., & Kekre, K.A., “Feasibility study on petrochemical wastewater 
treatment and reuse using submerged MBR”, Journal of Membrane Science, 293:161–166, 
2007. 
[10]. Rosenburger, S., Kruger, U., Witzig, W., Manz, W., Szewzyk, U., Kraume, M., “Performance of 
a Bioreactor with Submerged membranes for Anaerobic Treatment of Municipal Waste Water”, 
Water Research., 36(2):413-420, 2002. 
[11]. Đỗ Khắc Uẩn, Rajesh Banu, Ick- Tae Yeom, “Đánh giá các ảnh hưởng của thông số động học 
và điều kiện vận hành đến sản lượng bùn dư trong hệ thống xử lý nước thải đô thị bằng phương 
pháp sinh học kết hợp với lọc màng”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 
4(39):25-33, 2010. 
[12]. Trần Hữu Uyển, Trần Đức Hạ, “Nghiên cứu chế tạo hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ bằng 
công nghệ MBR”, Báo cáo đề tài NCKH cấp Nhà nước, Đề án Phát triển ngành công nghiệp 
môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, Hà Nội, 2013. 
[13]. Xing C.H., Tardieu E., Qian Y., Wen W.H., “Ultrafiltration membrane bioreactor for urban 
wastewater reclamation”. J. Membr. Sci., 177:73–82, 2000.