Sử dụng tia cực tím khử trùng nước thải sinh hoạt sau xử lý

Công trình nghiên cứu này đem lại các đánh giá quan trọng về mặt lý thuyết và thực tiễn trong điều kiện Việt Nam trong khử trùng nước thải sinh hoạt sau xử lý bằng tia cực tím

Nước thải sinh hoạt trong các đô thị Việt Nam cần phải được xử lý và khử trùng để giới hạn mức vi sinh vật trước khi xả thải ra môi trường, tuy nhiên việc sử dụng khí clo hoá lỏng để khử trùng tạo ra nhiều sản phẩm phụ (byproducts) ảnh hưởng đến môi trường sinh thái nên cần hạn chế.

Do đó việc sử dụng công nghệ khử trùng bằng tia cực tím cần được nghiên cứu, thực hiện cụ thể trên qui mô thực tế để đánh giá hiệu quả khử trùng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử trùng trong điều kiện nước thải sinh hoạt Việt Nam. Hệ thống khử trùng bằng tia cực tím được lắp đặt thực tế tại nhà máy xử lý nước thải Dĩ An có công suất 20.000 m3/ ngđ tại tỉnh Bình Dương bao gồm hệ thống kênh dẫn nước thải sinh hoạt sau xử lý, phân bố dòng và điều tiết lưu lượng nước phân bố trong kênh, hê thống bóng đèn phát tia cực tím được đặt ngập nước.

Các yếu tố ảnh hưởng có liên quan đến quá trình xử lý như lưu lượng, tính chất nước thải, nhiệt độ, số lượng bóng đèn làm việc, điện năng tiêu thụ, công tác vận hành. Việc nghiên cứu trên mô hình thực tế đã chứng minh hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật, căn cứ tính toán, đưa ra được các thông số cần lưu ý trong thiết kế và vận hành để khử trùng nước thải sinh hoạt cho thị xã Dĩ An trong điều kiện thực tế. Do vậy công trình nghiên cứu này đem lại các đánh giá quan trọng về mặt lý thuyết và thực tiễn trong điều kiện Việt Nam trong khử trùng.

1. GIỚI THIỆU

Khử trùng thường là bước cuối cùng thuộc xử lý bậc cao (Tertiary Treatment) trong dây chuyền xử lý nước thải nước khi xả thải ra môi trường (Paul L . Culler. 2018), mục đích của bước này nhằm loại bỏ các tác nhân truyền nhiễm như vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh và giun sán mà các công trình trong tiền xử lý (Pre-Tretment), xử lý bậc 1 (Primary Treatment) và xử lý bật 2 (Secondary Tretment) không loại bỏ được (Garg, Achal, et al. 2018).

Hình 1 – Dây chuyền xử lý nước thải điển hình (Paul L . Culler. 2018)

Theo tiêu chuẩn Việt Nam, nước thải đầu ra của nhà máy xử lý nước thải không được vượt quá 3000 tổng coliform/100ml dựa theo trung bình các mẫu hàng ngày theo tiêu chuẩn Việt Nam QCVN 14:2008 BTNMT Tiêu chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt cột A và QCVN 40:2011 BTNMT Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp cột A. Trên thế giới, tiêu chuẩn WHO 1989 quy định nước thải xả ra môi trường ≤ 1000 faecal coliform bacteria/100 ml). Tại Mỹ, nước thải sau xử lý ứng dụng cho mục đích tưới tiêu quy định ≤ 1000 faecal coliform bacteria/100 ml cho tưới ngập và ≤ 200 faecal coliform bacteria/100 ml cho tưới phun (Blumenthal, Ursula J., et al., 2000).

Phương pháp khử trùng truyền thống là dùng clo, tuy nhiên clo phản ứng với các chất trong nước thải tạo ra sản phẩm phụ (N-DBP) do sự làm giàu clo trong các hợp chất chứa nitơ (ví dụ: amoniac hoặc nitơ hữu cơ như axit amin và peptide) (Bond et al., 2011) gây nguy hiểm cho môi trường và sức khỏe con người (Wang, Li-Sha et al. 2006). Nhận thức được vấn đề đó, các nhà máy xử lý nước thải trên thế giới trong vài thập kỷ gần đây dần thay đổi sang biện pháp khử trùng từ Clo (dưới dạng NaOCl) sang Ozone, Peracetic Acid (PAA) và ánh sáng tia cực tím (tia UV) (Mezzanotte, V., et al.2007). Kết quả nghiên cứu của Mezzanotte vào năm 2004 cho thấy ngược với các chất khử trùng hóa học tác động lên và phá vỡ màng tế bào, ánh sáng UV gây thiệt hại di truyền do xuyên vào nhân tế bào, khi các sợi ADN của vi khuẩn hấp phụ sẽ bị “đứt, gãy” thành nhiều đoạn dẫn đến vi khuẩn bị bất hoạt – không thể sinh sản (Mezzanotte, Sgorbati and Citterio, 2004).

Hình 2 – Cơ chế hoạt động của chiếu xạ tia UV (Garg, Achal, et al. 2018).

Do đó, việc sử dụng tia cực tím (UV) để khử trùng nước thải ngày càng phổ biến, với nhiều ưu điểm như không thêm bất kỳ hóa chất nào vào nước nên không gây ô nhiễm môi trường. Với tình trạng suy giảm chất lượng nguồn nước sạch như hiện nay, việc đảm bảo an toàn nguồn nước thô đầu vào để sử dụng cho xử lý nước sạch ngày càng dược quan tâm, nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá tính khả thi của ứng dụng UV trong khử trùng nước thải và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử trùng trong điều kiện Việt Nam.

Nghiên cứu tiến hành tại dự án lắp đặt hệ thống khử trùng UV điển hình tại Nhà máy xử lý nước thải Dĩ An – Bình Dương.

2 PHƯƠNG PHÁP NGIÊN CỨU

2.1. Cơ sở lý thuyết

Hàm lượng UV (UV dose)
Bức xạ UV gây ra tổn thương vi sinh vật bằng cách vô hiệu hóa các tế bào. Các đặc điểm quang phổ của các phân tử sinh học khác nhau chứng minh rằng sự hấp thụ bức xạ UV tối đa hóa trong vùng λ = 260nm (Jagger 1967). Bởi vì đỉnh phổ phát xạ thủy ngân ở = 253,7nm, đèn thủy ngân được sử dụng rộng rãi để sản xuất đèn UV thương mại.

Mức độ bất hoạt vi sinh vật là hàm phụ thuộc vào liều lượng năng lượng (UV dose) dưới dạng bức xạ UV theo thời gian tiếp xúc, được thể hiện dưới công thức toán học sau:
(1)
Trong đó:
Nto = Số lượng Coliform ngay sau khi khử trùng UV
No = Số lượng Coliform ngay trước khi khử trùng UV
D = Liều lượng tích lũy của năng lượng theo thời gian tiếp xúc với tia cực tím (UV Dose)
I(t) = Cường độ của bức xạ là một hàm của thời gian
UV Dose là thông số cơ sở để tính toán thiết kế hệ thống UV khử trùng nước.

Các loại đèn UV phổ biến

Cả hai liều bất hoạt (inactivation dosage) và liều tích lũy (cumulative dosage) được tối ưu hóa tại bức xạ UV bước sóng = 254nm. Bảng dưới đây liệt kê một số loại đèn UV phổ biến, thông số kỹ thuật do một số nhà sản xuất trên thế giới đưa ra.

Bảng 1 – Thông số kỹ thuật của một số loại đèn UV phổ biến (EPA 815-R-06-00 7, 2006)

Tại dự án Dĩ An sử dụng đèn UV loại low-pressure mercury amalgam lamps do những ưu điểm như tuổi thọ đèn cao – 8.000 – 12.000h hoạt động và điện năng tiêu thụ thấp.
Độ truyền của tia UV (UVT – UV Transmittance)
Độ truyền của tia UV (%) là thông số thể hiện khả năng của tia UV qua một đơn vị nước thải mà không bị hấp thụ (EPA 815-R-06-007, 2006), hay nói cách thể hiện độ trong, độ màu của nước thải. UVT càng cao thì khả năng khử trùng của chiếu xạ UV càng cao. UVT thông thường của nước thải sau xử lý là 60%.
Công thức tính liều lượng UV – UV Dose (EPA 815-R-06-007, 2006)

Trong đó:

Nto = Số lượng Coliform ngay sau khi khử trùng UV
No = Số lượng Coliform ngay trước khi khử trùng UV
Liều lượng UV Dose ở trên chỉ mới xét đến Mầm bệnh mục tiêu (target pathogens), chưa xét đến hệ số “Validation factor” được tính toán và yêu cầu trong USEPA UV Guidelines, 2006.

Validation factor được tính toán trước cho từng hệ thống sẽ khác nhau tùy thuộc vào:
• Thông số kỹ thuật của đèn UV (tùy thuộc vào nhà sản xuất)
• Sinh vật thử nghiệm (MS2 & T1)
• Sinh vật mục tiêu (Cryptosporidium, Giardia, Virus)

Bảng 2 – Tính liều lượng UV (UV Dose) yêu cầu – (mJ/cm2)

Thông số Male-specific-2 bacteriophage (MS2) và bào tử B. subtilis đã được thử nghiệm trong lịch sử để xác nhận để liều lượng UV (UV dose) cần để tiêu diệt cho Cryptosporidium và Giardia. Do hai loại vi sinh vật này có khả năng chống tia cực tím lớn hơn các loại vi sinh vật khác (Mackey et al. 2006).

Thông số Reduction Equivalent Dose (RED), đơn vị mJ/cm2 là liều lượng đèn UV (UV Dose), RED được tính toán bằng cách sử dụng kết hợp dữ liệu thử nghiệm phản ứng và kết quả chùm tia chuẩn, giá trị RED và các điều kiện thử nghiệm liên quan được sử dụng để các hãng sản xuất đèn UV tạo ra phương trình tính toán thiết kế hệ thống UV (Whitby, G. E., et al., 2013).

MS2 RED (mJ/cm2) được tín toán như sau:

MS2 RED = 10 a× Qb ×〖UVT〗c × (BPL/100) × EOLL × FF

Trong đó:

Q là lưu lượng trên mỗi đèn trên kênh, được tính bằng tổng lưu lượng chia cho số lượng đèn trong kênh (gpm / đèn / kênh),
UVT là độ truyền ánh sáng UV ở bước sóng 254nm (mỗi cm),
BPL là công suất của ballast (được thiết lập là 100%)
EOLL là hệ số tuổi thọ bóng đèn (được đặt là 0,98 cho đèn UV của TrojanUV3000Plus)
FF là hệ số bám bẩn trên ống thạch anh bọc đèn (được đặt là 0,98 cho hệ thống TrojanUV3000Plus)

a, b, c và các hệ số mô hình thu được bằng cách lắp các phương trình để xác nhận các dữ liệu xét nghiệm sinh học, đây là hệ số thực nghiệm do nhà sản xuất đưa ra.
(Quotation 5.9, EPA 815-R-06-00 7, 2006) (2)

2.2. Cơ sở lựa chọn lắp đặt tại dự án tại Nhà máy nước thải Dĩ An

Sơ đồ dây chuyền công nghệ tại nhà máy xử lý nước thải (NMXLNT) Dĩ An – Bình Dương

Hình 3 – Sơ đồ dây chuyền công nghệ tại NMXLNT Dĩ An

Tại dự án Dĩ An – Bình Dương, yêu cầu của thiết kế cho hệ thống khử trùng UV là liều lượng UV Dose phải đạt 27.0 mJ/cm2 (căn cứ vào lượng coliform trước và sau mương khử trùng UV tại dự án). Ngoài ra, yêu cầu hệ thống phải có hai đơn nguyên: một hoạt động và một để dự phòng (nâng cấp, khi cần ngừng hệ thống để bảo hành).

Do đó, hệ thống thiết kế gồm 2 kênh dẫn nước bằng bê tông cốt thép, dàn đèn UV được lắp đặt ngập nước, đảm bảo toàn nước đi khi qua kênh đều tiếp xúc với ánh sáng UV để tiêu diệt vi khuẩn, vi sinh vật trong nước trước khi xả ra môi trường.

TÍnh toán điển hình cho dự án này, sử dụng hệ thống đèn UV Model TrojanUV3000Plus, các thông số làm căn cứ thiết kế của dự án:

Từ công thức trên, MS2 RED tạo ra từ hệ thống TrojanUV3000PlusTM tại Nhà máy xử lý nước thải Dĩ An: MS2 RED= 10axQbx60cx()x0.98×0.95 = 27 (mJ/cm2)

Do đó: Q = 218.7 lít/phút/đèn/kênh

Lưu lượng của mỗi kênh theo thiết kế là Qmax = 1260 m3/h = 21000 lít/phút

Số lượng bóng đèn cần cho mỗi kênh là: n = = 21000/218.7 = 96 đèn

Từ công thức (2) ở trên có thể xác định Hệ thống đèn UV cho dự án như sau:

2.3. Các thông số khác cần quan tâm

UVT – UVT bị ảnh hưởng bởi các thông số chất lượng nước khác trong nước trước hệ thống UV, UVT giảm sẽ dẫn đến liều lượng UV dose không đủ để đạt hiệu quả xử lý. Do đó, các hãng sản xuất đèn UV đều có đưa ra yêu cầu về chất lượng nước khi đi qua hệ thống UV để đảm bảo hiệu năng của đèn, điển hình cho hệ thống TrojanUV3000Plus yêu cầu tổng chất rắn lơ lửng TSS không vượt quá 10 mg/l.

Nhiệt độ – Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phản ứng của vi sinh vật với UV dose rất ít. Đối với vi khuẩn MS2, sự bất hoạt không phụ thuộc vào nhiệt độ (Malley 2000). Đối với E.coli và Candia parapsilosis, UV dose yêu cầu giảm 10% khi nhiệt độ tăng từ 5 lên 35 °C. Và đối với vi khuẩn f2 bacteriophage, UV dose yêu cầu giảm hơn 20% trong cùng khoảng thời gian nhiệt độ (Severin et al. 1983).

Độ pH – Tác động của UV Dose không bị ảnh hưởng trong khoảng pH 6-9 (Malley 2000).

2.4. Các thành phần điển hình của một hệ thống khử trùng nước bằng tia UV

Trong mỗi hệ thống khử trùng nước bằng UV, ngoài đèn UV còn có những thiết bị phụ trụ để đảm bảo hệ thống vận thống hoạt động đạt hiệu quả, ổn định và an toàn.

Trên Thế giới, mỗi nhà cung cấp hệ thống UV sẽ có những điều chỉnh tùy theo công nghệ và ứng dụng cụ thể. Trong phạm vi nghiên cứu này, tác giả chỉ xét đến những thành phần chính lắp đặt tại hệ thống của máy xử lý nước thải Dĩ An – Bình Dương.

Hệ thống đèn tia cực tím UV: Đèn UV được đặt trong một ống thạch anh (Sleeve) để bảo vệ đèn, trên ống thạch anh có hệ thống làm sạch tự động để chống bám bẩn làm giảm hiệu quả truyền tia UV.

Hình 4 – Ống thạch anh bảo vệ đèn và vòng cao su làm sạch tự động

– Hệ thống điều khiển mực nước: Các đèn cần đảm bảo luôn đặt ngập trong nước khi đang sáng, đèn đang sáng để phơi ra không khí sẽ dẫn đến hỏng đèn. Vì vậy việc đảm bảo mực nước trong kênh luôn ở mức an toàn, không quá thấp gây hỏng đèn và không dâng quá cao gây hư hỏng thiết bị điện.

– Tại dự án Dĩ An, công trình xử lý trước Hệ thống Trojan UV là bể xử lý sinh học SBR hoạt động theo mẻ. Do đó nước sau xử lý không thải ra liên tục mà được xả khoảng 4 lần/ngày. Do đó, có hai van cửa phai điều khiển tự động bằng động cơ điện lắp đặt phía cuối mương UV để giữ ổn định mực nước trong hai kênh.

– Các sensor cảm biến mực nước: lấy tín hiệu mực nước để điều khiển van cân chỉnh mực nước đồng thời có chức năng cảnh báo khẩn cấp, tắt toàn bộ đèn khi mực nước hạ quá thấp hoặc tăng cao đột ngột để bảo vệ đèn và thiết bị.

Hình 5 – Mặt cắt mương khử trùng UV tại NMXLNT Dĩ An

3. KẾT QUẢ

Kết quả sau khi lắp đặt hệ thống Trojan UV 3000 Plus

Hình 6 – Hệ thống khử trùng UV trước và khi hoạt động

UVT đo được tại vị trí trước mương UV trung bình là 72%, TSS trong khoảng 5 ÷ 8.5 mg/L. Cả 2 thông số UVT là TSS đều nằm trong khoảng yêu cầu của hệ thống UV là UVT ≥ 60% và TSS ≤ 10 mg/L.

Lượng Total Coliform khi lấy mẫu nước phân tích như sau:

Bảng 5 – Kết quả xử lý coliform của hệ thống khử trùng UV

Kết quả sau khi lắp đặt hệ thống, lượng coliform trong nước giảm từ 35 x 104 (MPN/100 mL) xuống 500-800 (MPN/100 mL). Đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường là phải thấp hơn 3000 (MPN/100 mL).

4. THẢO LUẬN

Kết quả nghiên cứu cho thấy xu hướng chuyển đổi từ clo sang tia cực tím để khử trùng nước thải là hoàn toàn khả thi trong điều kiện Việt Nam. Do clo khi hòa vào nước tạo các byproducts ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và sinh vật nên cần hạn chế.

Tuy nhiên trong quá trình thiết kế công nghệ, cần cân nhắc đến những yếu tố như: UVT, UV Dose, chất lượng nước, mực nước để đảm bảo hệ thống vận hành hiệu quả và an toàn.

Trong các nghiên cứu tiếp, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu ứng dụng UV trong khử trùng cho nước sạch dùng cho ăn uống và sinh hoạt.

Tài liệu tham khảo
– Blumenthal, Ursula J., et al. “Guidelines for the microbiological quality of treated wastewater used in agriculture: recommendations for revising WHO guidelines.” Bulletin of the World Health Organization 78 (2000): 1104-1116.
– Bond, T., Huang, J., Templeton, M.R., Graham, N., 2011. Occurrence and control of nitrogenous disinfection by-products in drinking water – A review. Water Res. 45, 4341–4354.
– Culler, Paul L. “Wastewater Treatment System and Method.” U.S. Patent Application No. 16/051,307.
– Garg, Achal, et al. “Disinfection of Wastewater with Peracetic Acid (PAA) and UV Combined Treatment: A Pilot Study.” Proceedings of the Water Environment Federation 2018.6 (2018): 76-89.
– Lindenauer, Karl G., and Jeannie L. Darby. “Ultraviolet disinfection of wastewater: effect of dose on subsequent photoreactivation.” Water research 28.4 (1994): 805-817.
– Malley, J. 2000. The state of the art in using UV disinfection for waters and wastewaters in North America. Proceedings of ENVIRO 2000 – Australian Water Association (AWA), Sydney, Australia, April 9 – 13.
– Mezzanotte, V., et al. “Wastewater disinfection alternatives: Chlorine, ozone, peracetic acid, and UV light.” Water environment research 79.12 (2007): 2373-2379.
– Ultraviolet Disinfection Guidance Manual for the Final Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule. Washington, DC: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Water (4601), EPA 815-R-06-007; November 2006.
– Whitby, G. E., et al. “Uniform protocol for wastewater UV validation applications.” Water Practice and Technology 8.1 (2013): wpt-2013010.
– Wang, Li-Sha, Hong-Ying Hu, and Chao Wang. “Effect of ammonia nitrogen and dissolved organic matter fractions on the genotoxicity of wastewater effluent during chlorine disinfection.” Environmental science & technology 41.1 (2007): 160-165.