STVN – Công nghệ xử lý nước bằng kỹ thuật màng vi sinh bám dính (MBF) kết hợp với màng vi sinh bán chuyển động (S-MBBR) là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay để xử lý nước thải và nước sạch.
Ts. Trịnh Xuân Đức
Tóm tắt:
Xử lý nước thải được thực hiện qua nhiều công đoạn và quá trình sinh học. Trong giai đoạn xử lý sinh học, việc loại bỏ chất hữu cơ và amoniac được thực hiện trong các bể phản ứng kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí. Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố như oxy hòa tan, nhiệt độ, pH, tốc độ tải, thời gian lưu thủy lực và áp suất nước. Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong nước thải tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng, cạnh tranh với các sinh vật tự dưỡng về oxy, chất dinh dưỡng và không gian. Sự hiện diện của chất hữu cơ làm giảm tốc độ nitrat hóa trong các bộ lọc sinh học. Nghiên cứu tác động của cacbon hữu cơ đến quá trình oxy hóa amoni bằng hệ thống phản ứng màng sinh học di động (MBBR) cho thấy hiệu quả của quá trình nitrat hóa giảm đáng kể khi tỷ lệ COD/N tăng từ 2 lên 3 và giảm nhẹ hơn nữa khi tỷ lệ đạt 4 và 5. Kết quả thực nghiệm cũng chỉ ra quá trình khử nitrat diễn ra đồng thời trong bể phản ứng thiếu khí. Hiệu suất khử nitrat tăng lên khi nồng độ carbon hữu cơ cao hơn.
1.Đặt vấn đề
Xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh là chuyển hóa tạp chất hữu cơ hòa tan và dạng keo thành các hợp chất bền, không gây ô nhiễm môi trường [1]. Xử lý nước thải, có hai loại vi sinh vật chính tham gia trong điều kiện hiếu khí: vi sinh tự dưỡng và vi sinh dị dưỡng [2]. Cả hai loại này đều sử dụng oxy phân tử để thực hiện phản ứng oxy hóa và sản xuất năng lượng, nhưng khác nhau ở nguồn cacbon để xây dựng tế bào. Vi sinh tự dưỡng sử dụng cacbon vô cơ như CO2 và HCO3–, trong khi vi sinh dị dưỡng sử dụng cacbon hữu cơ [2]. Vi sinh dị dưỡng oxy hóa chất hữu cơ thành các sản phẩm bền như H2O và CO2, trong khi vi sinh tự dưỡng oxy hóa amoni thành nitrat thông qua quá trình nitrat hóa [2]. Vi sinh tự dưỡng được gọi là Nitrifier [2].
Trong một hệ thống xử lý nước thải, vi sinh dị dưỡng sử dụng nhiều oxy hơn và chiếm không gian sống nhiều hơn vi sinh tự dưỡng, dẫn đến giảm hoạt tính của vi sinh tự dưỡng [3]. Mật độ vi sinh tự dưỡng trong hệ thống giảm khi tỉ lệ chất hữu cơ và nitơ tăng [3]. Do khí hậu ấm ở Việt Nam, tỉ lệ C/N trong nước thải sinh hoạt thấp hơn so với các nước có khí hậu lạnh, vì vậy cần tập trung xử lý thành phần nitơ trong nước thải [4]. Xử lý chất hữu cơ dễ hơn xử lý hợp chất nitơ, do vi sinh tự dưỡng phát triển chậm và bị cạnh tranh mạnh bởi vi sinh dị dưỡng [4].
Phương pháp thông dụng trong xử lý nước thải là kỹ thuật bùn hoạt tính, đã được sử dụng trong hơn 100 năm [5]. Tuy có những ưu điểm như dễ vận hành và tích lũy kinh nghiệm, nhưng quá trình này có hiệu quả thấp do không thể tập trung vi sinh vật với mật độ cao và chỉ phù hợp cho xử lý cấp hai, tức là tách các chất hữu cơ tan [5].
Phương pháp lọc sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi sinh có thể tăng mật độ vi sinh trên một đơn vị thể tích lên đến 10 lần so với kỹ thuật bùn hoạt tính, đồng thời cải thiện hiệu quả xử lý nước thải [6]. Màng vi sinh còn thực hiện quá trình tự chọn lọc và tăng cường mật độ của vi sinh vật có tốc độ phát triển chậm [6]. Tuy nhiên, việc cung cấp đủ chất dinh dưỡng và oxy cho vi sinh vật trong màng là một thách thức vận hành [6].
Các kỹ thuật phản ứng tầng lưu thể và tầng vi sinh chuyển động được nghiên cứu và phát triển để thúc đẩy quá trình chuyển khối trong hệ thống xử lý [7]. Các kỹ thuật này nhằm khắc phục nhược điểm của kỹ thuật màng vi sinh khác như lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học và lọc ngập tầng tĩnh [7]. Kỹ thuật tầng chuyển động có hiệu quả thấp hơn tầng lưu thể do diện tích chất mang thấp hơn, nhưng lại có vận hành đơn giản và phù hợp với qui mô xử lý vừa và nhỏ ở Việt Nam [7]. Trong khi đó, kỹ thuật tầng lưu thể đòi hỏi trình độ tự động hóa cao [7].
Kỹ thuật MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) là một kỹ thuật được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải [8]. MBBR sử dụng vật liệu mang có kích thước lớn để tránh quá trình lắng và có khả năng tập trung cao vi sinh Nitrifier trong mang để thực hiện quá trình khử nitrat [8]. Kỹ thuật này có ưu điểm vượt trội như tăng hiệu quả xử lý, tiết kiệm chi phí xây dựng và vận hành [8].
Nghiên cứu về oxy hóa đồng thời chất hữu cơ và amoni sử dụng kỹ thuật MBBR là mục tiêu nghiên cứu của công trình này, nhằm thiết kế các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt có hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí xây dựng và vận hành [9]. Kỹ thuật MBBR cho phép tập trung vi sinh vật với mật độ cao trong vật liệu mang có kích thước lớn, đồng thời thực hiện quá trình khử nitrat trong điều kiện hiếu khí của hệ thống xử lý [9]. MBBR đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải khác nhau và cũng được sử dụng để nâng cấp hiệu suất và chất lượng nước thải sau xử lý của các hệ thống hiện có [9].
2.PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Vật liệu mang vi sinh DHY01
Vật liệu mang vi sinh DHY01 là dạng mút xốp được làm từ nhựa polyuretan, sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh chuyển động (MBBR). Vật liệu này có những đặc trưng quan trọng như sau: có hình khối lập phương với kích thước mỗi cạnh là 1xax1 cm, khối lượng riêng biểu kiến là 33 g/l, khối lượng riêng thực là 0,97 g/l, và diện tích bề mặt khoảng 8000m2/m3. Polyurethan có độ bền cao và có thể hoạt động trong nước thải. So với các loại vật liệu mang khác sử dụng trong cùng kỹ thuật (như các loại vật liệu mang của hãng Kaldnes với diện tích bề mặt khoảng 300 – 600 m2/m3), polyurethan có diện tích bề mặt và độ xốp lớn hơn rất nhiều.
Cố định vi sinh trên vật liệu mang
Để tăng tốc quá trình xử lý sinh học trong xử lý nước thải, một phương pháp được sử dụng là việc rút ngắn thời gian nuôi cấy vi sinh bằng cách sử dụng chế phẩm sinh học – chế phẩm vi sinh được sản xuất tại Viện Công nghệ Môi trường. Chế phẩm này có dạng khan và vi khuẩn được gắn kết trên giá thể mang là than hoạt tính. Đây là một hỗn hợp gồm hai chủng vi khuẩn an toàn cho con người và môi trường, bao gồm Nitrosomanas và Nitrobacter. Mật độ vi sinh trong chế phẩm này đạt ít nhất 108 CFU/g cho mỗi loại vi khuẩn, và thường được sử dụng trong khoảng từ 1-5 kg/m3. Quá trình phát triển vi sinh ổn định sau khoảng từ 2-4 tuần ở nhiệt độ 20-300C và 4-6 tuần ở nhiệt độ từ 12-180C [10][12].
Việc đánh giá mật độ vi sinh trong chất mang làm nhằm theo dõi sự phát triển của vi sinh. Thông số này được đo định kỳ, mỗi 10 ngày một lần, kể từ khi bắt đầu quá trình nuôi cấy [11].
Trong thí nghiệm, mật độ vi sinh được đánh giá bằng phương pháp mang vi sinh chuyển động, sử dụng vật liệu mang DHY01 với kích thước 1x1x1 cm và hàm lượng chất phụ gia CaCO3 là 20%. Đồng thời, duy trì pH trong khoảng 7,8 – 8,5 để đảm bảo ổn định quá trình nuôi cấy [13]. Trong quá trình xử lý nước thải, để thúc đẩy hiệu quả xử lý sinh học, cần áp dụng các biện pháp nhằm giảm thời gian nuôi cấy vi sinh. Một trong những giải pháp được sử dụng là sử dụng chế phẩm sinh học – chế phẩm vi sinh do Viện Công nghệ Môi trường sản xuất. Chế phẩm này có dạng khan và chứa vi khuẩn được gắn kết trên giá thể mang là than hoạt tính. Đây là một hỗn hợp bao gồm hai chủng vi khuẩn an toàn, bao gồm Nitrosomanas và Nitrobacter. Mật độ vi sinh trong chế phẩm này ít nhất là 108 CFU/g đối với mỗi loại vi khuẩn và thường được sử dụng trong khoảng từ 1-5 kg/m3. Quá trình phát triển vi sinh ổn định sau khoảng từ 2-4 tuần ở nhiệt độ 20-30oC và 4-6 tuần ở nhiệt độ từ 12-18oC [10][12].
Một yếu tố quan trọng trong quá trình xử lý nước thải là đánh giá mật độ vi sinh trong chất mang để theo dõi quá trình phát triển của vi sinh. Việc đánh giá này được tiến hành định kỳ, mỗi 10 ngày một lần, từ khi bắt đầu quá trình nuôi cấy [11].
Mô tả thí nghiệm
Mô tả thí nghiệm được thực hiện dựa trên đặc trưng của nước thải sinh hoạt. Nước thí nghiệm được tạo thành bằng cách pha chế các hóa chất với các nồng độ như sau: amoni (25-30 mgN/l), chất hữu cơ tan COD (50-150 mgO2/l), phôtpho (3-7 mgP/l), độ kiềm (300-400 mgCaCO3/l), và các nguyên tố vi lượng khác.
Hệ thí nghiệm bao gồm hai bình phản ứng hiếu khí nối tiếp và một bình lọc. Cả hai bình phản ứng đều có hình dạng trụ, mỗi bình hiếu khí có dung tích hiệu dụng 3 lít. Bên trong mỗi bình hiếu khí, có một thiết bị sục khí được bố trí. Vật liệu mang được sử dụng chiếm 20% thể tích của mỗi bình phản ứng. Dưới tác dụng của dòng khí, vật liệu mang di chuyển đều và chiếm toàn bộ thể tích của bình phản ứng. Bình lọc có dung tích 5 lít và sử dụng vật liệu lọc là polysteren có hình cầu, màu trắng với đường kính 1 đến 2mm( diện tích bề mặt 1150m2/m3).
Thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ phòng và lưu lượng dòng chảy được điều chỉnh bằng một bơm định lượng. Các thông số cần xác định trong quá trình thí nghiệm bao gồm: pH, amoni, nitrit, nitrat, chất hữu cơ hòa tan COD, phôtpho, độ kiềm và độ đục. Các phương pháp phân tích các thông số này được thực hiện theo tài liệu tham khảo số [14].
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nghiên cứu tập trung vào đánh giá tốc độ oxy hóa amoni trong điều kiện biến động của chất hữu cơ. Để đánh giá tốc độ oxy hóa, hai phương trình động học được sử dụng: phương trình động học tổng quát bậc n (biểu thức 1) và phương trình
động học Monod (biểu thức 2). Phương trình Monod cho thấy tốc độ tăng tuyến tính theo nồng độ amoni trong vùng nồng độ thấp (khi k >> C) và tốc độ đạt giá trị tối đa ở một vùng nồng độ nào đó (k << C). Phương trình Monod chỉ có khả năng thể hiện bậc phản ứng nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Công thức phản ứng được biểu diễn như sau:
v = k.C^n (1)
v = (v_max * C) / (k_M + C) (2)
Trong đó:
v: Tốc độ phản ứng, mg/(l.giờ)
C: Nồng độ amoni, mg/l
k: Hằng số tốc độ
n: Bậc phản ứng
v_max: Tốc độ phản ứng lớn nhất
k_M: Hằng số bán bão hòa (khi k_M = C thì v = 0.5 * v_max)
Trong biểu thức (1), k thể hiện hoạt tính của vi sinh, trong khi biểu thức (2) thể hiện hoạt tính của vi sinh thông qua v_max.
Tốc độ phản ứng trong kỹ thuật dòng liên tục khuấy trộn đều được tính bằng công thức:
v = Co.X.θ/V
Trong đó:
v là tốc độ phản ứng, tính bằng mg/(l.giờ)
Co là nồng độ chất hữu cơ (theo khối lượng), tính bằng mg/l
X là khối lượng vi sinh, tính bằng g
θ là thời gian lưu (thời gian mà chất tham gia phản ứng được giữ lại trong hệ thống), tính bằng giờ
V là thể tích hệ thống, tính bằng lít.
Trong quá trình thí nghiệm, tỉ lệ COD/NH4+-N được thay đổi để đánh giá hiệu quả nitrat hóa và khử nitrat do ảnh hưởng của chất hữu cơ. Với mỗi tỉ lệ COD/NH4+-N khác nhau, lưu lượng dòng vào cũng được điều chỉnh để đo tốc độ nitrat hóa [15,16]. Hiệu quả khử nitrat được tính bằng cách so sánh nồng độ nitơ ban đầu (T-N) và nồng độ nitơ cuối cùng (T-N) sau quá trình xử lý, và được tính theo phần trăm của tổng nitơ ban đầu (T-N).
Trong quá trình nghiên cứu, các tỉ lệ COD/NH4+-N khác nhau đã được thay đổi để đánh giá hiệu quả nitrat hóa và khử nitrat do ảnh hưởng của chất hữu cơ. Đồng thời, lưu lượng dòng vào cũng được điều chỉnh để đo tốc độ nitrat hóa. Công thức tính hiệu quả khử nitrat được biểu diễn như sau:
Hiệu quả khử nitrat = [(T-N)đầu – (T-N)cuối] * 100% / (T-N)đầu
1.Quá trình nitrat hóa
Từ số liệu động học thu được là nồng độ amoni đầu ra, thời gian lưu thủy lực, hiệu suất phản ứng, tính được tốc độ phản ứng tại các điểm tương ứng. Tốc độ phản ứng được xử lý theo phương trình (1) và (2), từ đó tính được các giá trị k, n, kM, vmax. Kết quả thu được ghi trong bảng sau:
Bảng 1: Các giá trị động học k, n, kM, vmax
Hình 3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và nồng độ amoni đầu ra tương ứng với các nồng độ COD đầu vào khác nhau (biểu diễn theo phương trình (1))
Từ kết quả thí nghiệm, có thể rút ra các nhận xét theo biểu diễn số liệu phương trình (1) cho thấy hằng số tốc độ k và bậc phản ứng n có các giá trị như sau:
– Khi tỉ lệ COD/N tăng từ 2 đến 5 (tương ứng với giá trị COD tăng từ 50 đến 125 mgO2/l), hằng số tốc độ k có các giá trị lần lượt là 8,3925; 7,3237; 7,1541; 7,1268; 8,2955. Bậc phản ứng n có các giá trị là 0,1228; 0,1133; 0,0748; 0,0691.
Khi tỉ lệ COD/N tăng, hằng số tốc độ k và bậc phản ứng n của phản ứng giảm. Điều này có thể được giải thích như sau:
– Thứ nhất, do vi sinh dị dưỡng phát triển nhanh hơn vi sinh tự dưỡng gấp 4-5 lần, vi sinh tự dưỡng chỉ có thể cạnh tranh khi nguồn cơ chất của vi sinh dị dưỡng đã được tiêu thụ hết.
– Thứ hai, do vi sinh oxy hóa chất hữu cơ phát triển mạnh hơn, nó chiếm vùng không gian phía bên ngoài của lớp màng vi sinh, trong khi vi sinh oxy hóa amoni nằm ở lớp bên trong. Để quá trình nitrat hóa diễn ra, amoni và oxy phải khuếch tán vào lớp màng vi sinh nitrat hóa bên trong. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào độ dày của lớp màng vi sinh dị dưỡng. Khi nồng độ chất hữu cơ thấp, lớp màng vi sinh mỏng, quá trình khuếch tán cơ chất diễn ra nhanh và thuận lợi. Ngược lại, khi nồng độ chất hữu cơ tăng, độ dày của lớp màng vi sinh dị dưỡng lớn, dẫn đến tốc độ khuếch tán cơ chất từ môi trường bên ngoài vào lớp màng vi sinh diễn ra chậm. Ngoài ra, trong quá trình khuếch tán, nồng độ cơ chất (đặc biệt là oxy) giảm do vi sinh dị dưỡng tiêu thụ, khi amoni khuếch tán vào lớp vi sinh nitrat hóa, quá trình nitrat hóa không diễn ra hoặc diễn ra chậm do sự thiếu oxy hoặc nồng độ oxy rất thấp.
– Hằng số tốc độ k ở hai tỉ lệ COD/N = 2 và 3 có sự chênh lệch lớn hơn so với tỉ lệ COD/N = 4 và 5. Khi tăng tỉ lệ COD/N, sự chênh lệch về k và n giảm, tức là tốc độ phản ứng trở nên ít nhạy hơn khi giá trị COD tăng. Lý do là khi nồng độ cơ chất của vi sinh dị dưỡng đạt đến một giới hạn, mức độ tiêu thụ cơ chất của vi sinh cũng đã đạt đến giới hạn. Nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất, tốc độ tiêu thụ cơ chất sẽ không tăng nữa và đạt đến mức bão hòa [17].
2.Quá trình khử nitrat
Quá trình xử lý nước thải nhằm giảm nồng độ nitrat đã được nghiên cứu và áp dụng một cách khoa học. Trong nguồn nước thải ban đầu, chỉ có chất amoni là hợp chất chứa nitơ duy nhất. Trong quá trình oxy hóa, chất amoni chuyển hóa thành nitrit và nitrat. Sau quá trình này, nước thải chứa các hợp chất nitơ gồm amoni (chưa hoàn toàn chuyển hóa), nitrit và nitrat. Sự chênh lệch về nồng độ nitơ giữa trước và sau quá trình xử lý nước thải được coi là kết quả của quá trình khử nitrat. Hiệu quả của quá trình khử nitrat được trình bày chi tiết trong bảng sau:
Bảng 2: Hiệu quả khử nitrat tương ứng với từng tỉ lệ COD/N khác nhau.
Quá trình xử lý nước thải có liên quan đến việc khử nitrat đạt hiệu quả cao thông qua một số bước và yếu tố quan trọng. Bình thứ nhất chiếm 50% tổng quá trình khử nitrat trong hệ, và hiệu quả khử nitrat được tăng lên khi nồng độ chất hữu cơ tăng [18]. Trong quá trình này, nitrit và nitrat đóng vai trò chất oxy hóa, trong khi chất hữu cơ đóng vai trò chất khử. Tốc độ khử nitrat phụ thuộc vào nồng độ chất khử và chất oxy hóa [19].
Ngoài ra, để quá trình khử nitrat diễn ra, cần duy trì nồng độ oxy thấp. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng quá trình khử nitrat xảy ra trong bình hiếu khí với nồng độ oxy khoảng 5-6 mgO2/l (20). Do đó, vùng chất liệu mang phải có những khu vực thiếu oxy (nồng độ oxy rất thấp), nơi mà quá trình khử nitrat diễn ra. Bình hiếu khí thứ nhất có quá trình khử nitrat mạnh mẽ do nồng độ chất hữu cơ cao, trong khi bình hiếu khí thứ hai có quá trình khử yếu hơn do lượng chất hữu cơ không đáng kể [21].
Trong bình lọc, quá trình phân hủy nội sinh từ hai bình hiếu khí tạo ra nguồn chất hữu cơ để tiếp tục quá trình khử nitrat. Bình lọc đóng vai trò không chỉ trong việc xử lý chất rắn lơ lửng (SS) mà còn trong việc tăng cường quá trình khử nitrat [22].
Kỹ thuật màng sinh học tầng chuyển động đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải chứa cả amoni và chất hữu cơ. Với kỹ thuật này, quá trình khử nitrat xảy ra trực tiếp trong bình hiếu khí, loại bỏ nhu cầu thiết kế bể thiếu khí và hệ tuần hoàn bùn nước. Điều này mang lại sự tiết kiệm chi phí cho xây dựng và vận hành hệ thống [23].
