1. Giới thiệu về công nghệ MBBR

Như đã phân tích ở trên, các loại nước thải giàu chất hữu cơ và nitơ như: nước thải chăn nuôi, nước thải chế biến mủ cao su, nước thải lò giết mổ gia súc, nước thải chế biến thủy sản ngoài các thành phần ô nhiễm dầu mỡ, SS, chất hữu cơ, phốt pho thì thành phần ô nhiễm nitơ cũng rất cao. Vì vậy, để xử lý được tất cả các thành phần ô nhiễm này đòi hỏi phải có sự kết hợp nhiều phương pháp, quá trình20 trong đó pha thiếu khí không thể không có. Đây là pha chính để xử lý có hiệu quả thành phần ô nhiễm nitơ trong nước thải.

MBBR có thể được thiết kế cho các cơ sở mới để loại bỏ BOD / COD hoặc loại bỏ nitơ từ các dòng nước thải. Hiện tại các nhà máy áp dụng công nghệ bùn hoạt tính có thể được nâng cấp để có thể khử nitơ và phospho hoặc BOD /COD ở lưu lượng lớn. Các vi khuẩn nuôi cấy sử dụng các chất hữu cơ hòa tan, từng bước trưởng thành trong môi trường đó.

MBBR là một dạng của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bởi lớp màng sinh học (biofilm). Trong quá trình MBBR, lớp màng biofilm phát triển trên giá thể lơ lửng trong lớp chất lỏng của bể phản ứng. Những giá thể này chuyển động được trong chất lỏng là nhờ hệ thống sục khí cung cấp oxy cho nước thải.

Công nghệ MBBR là công nghệ kết hợp giữa các điều kiện thuận lợi của quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí và bể lọc sinh học. Bể MBBR hoạt động giống như quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí trong toàn bộ thể tích bể. Đây là quá trình xử lý bằng lớp màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá mang mà những giá mang này lại di chuyển tự do trong bể phản ứng và được giữ bên trong bể phản ứng được đặt ở cửa ra của bể. Bể MBBR không cần quá trình tuần hoàn bùn giống như các phương pháp xử lý bằng màng biofilm khác, vì vậy nó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính trong bể, bởi vì sinh khối ngày càng được tạo ra trong quá trình xử lý. Bể MBBR gồm 2 loại: bể hiếu khí và bể thiếu khí.

Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR

Trong bể hiếu khí sự chuyển động của các giá thể được tạo thành do sự khuyếch tán của những bọt khí có kích thước trung bình được từ máy thổi. Trong khí đó ở bể thiếu khí thì quá trình này được tạo ra bởi sự xáo trộn của các giá thể trong bể bằng cánh khuấy. Hầu hết các bể MBBR được thiết kế ở dạng hiếu khí có lớp lưới chắn ở cửa ra, ngày nay người ta thường thiết kế lớp lưới chắn có dạng hình trụ đặt thẳng đứng hay nằm ngang.

2. Giá thể động

Nhân tố quan trọng của quá trình xử lý này là các giá thể động có lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt. Những giá thể này được thiết kế sao cho diện tích bề mặt hiệu dụng lớn để lớp màng biofin dính bám trên bề mặt của giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật khi những giá thể này lơ lững trong nước.

Kaldnes Miljϕteknologi AS đã phát triển những giá thể động có hình dạng và kích thước khác nhau. Tùy thuộc vào đặc tính quá trình tiền xử lý, tiêu chuẩn xả thải và thể tích thiết kế bể thì mỗi loại giá thể có hiệu quả xử lý khác nhau. Hiện tại trên thị trường thì có 6 loại giá thể khác nhau: K1, K2,K3, Natrix và Biofin Chip, AION.

Các dòng giá thể MBBR

Bảng thông số kỹ thuật của các dòng giá thể MBBR

Tất cả các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn so với tỷ trọng của nước, tuy nhiên mỗi loại giá thể có tỷ trọng khác nhau. Điều kiện quan trọng nhất của quá trình xử lý này là mật độ giá thể trong bể, để giá thể có thể chuyển động lơ lửng ở trong bể thì mật độ giá thể tối đa trong bể MBBR nhỏ hơn 67%. Trong mỗi quá trình xử lý bằng màng sinh học thì sự khuyếch tán của chất dinh dưỡng (chất ô nhiễm) ở trong và ngoài lớp màng là nhân tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý, vì vậy chiều dày hiệu quả của lớp màng cũng là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Chiều dày của lớp màng trên giá thể động thông thường phải nhỏ hơn 10m, điều này có nghĩa là chiều dày của lớp màng rất mỏng để các chất dinh dưởng khuếch tán vào bề mặt của lớp màng. Để đạt được điều này độ xáo trộn của giá thể trong bể là nhân tố rất quan trọng để có thể di chuyển các chất dinh dưỡng lên bề mặt của màng và đảm bảo chiều dày của lớp màng trên giá thể mỏng.

Những nghiên cứu khác nhau đã chứng minh rằng nồng độ sinh khối trên một đơn vị thể tích của bể là 3 – 4 kg SS/m3, giống như quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính lơ lửng. Vì vậy, tải trọng thể tích của bể lớn do sinh khối hình thành trên lớp màng biofilm cao.

Hiện tượng bào mòn các giá thể động xảy ra khi các giá thể chuyển động trong bể lớn, các giá thể va chạm vào nhau, làm cho lớp màng hình thành trong giá thể dễ bong tróc va giảm hiệu quả của quá trình xử lý.

3. Lớp màng biofilm

Lớp màng biofim là quần thể các vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể. Chủng loại vi sinh vật trong màng biofilm tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt tính lơ lửng. Hầu hết các vi sinh vật trên màng biofilm thuộc loại dị dưởng (chúng sử dụng cacbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế. Các vi sinh vật tùy tiện có thể sử dụng oxy hòa tan trong hỗn hợp nước thải, nếu oxy hòa tan không có sẵn thì những vi sinh vật này sử dụng Nitric/Nitrat như là chất nhận điện tử. Tại bề mặt của màng biofilm và lớp chất lỏng ứ động để phân lập lớp màng biofilm với chất lỏng được xáo trộn trong bể phản ứng. Chất dinh dưỡng và oxy khuếch tán qua lớp chất lỏng ứ động từ hỗn hợp chất lỏng xáo trộn trong bể MBBR tới lớp màng biofilm. Trong khi chất dinh dưởng và oxy khuếch tán thông qua lớp ứ đọng tới lớp màng biofilm, sự phân hủy sinh học sản xuất ra những sản phẩm khuếch tán từ lớp màng biofilm tới hỗn hợp chất lỏng được xáo trộn trong bể MBBR. Quá trình khuếch tán vào và ra lớp màng biofilm vẫn tiếp tục xảy ra. Khi các vi sinh vật phát triển, sinh khối phát triển và ngày càng dày đặc. Bề dày của sinh khối ảnh hưởng đến hiệu quả hòa tàn oxy và chất bề mặt

trong bể phản ứng đến các quần thể vi sinh vật.

Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng của lớp màng biofilm là lối vào đầu tiên để oxy hòa tan và chất bề mặt khuếch tán qua màng biofilm. Khi oxy hòa tan và chất bề mặt khuếch tán qua mỗi lớp nằm phía sau so với lớp ngoài cùng của màng biofilm thì sẽ được các vi sinh vật tiêu thụ nhiều hơn so với ở lớp biofilm phía trước. Sự giảm nồng độ oxy hòa tan qua lớp màng biofilm đã tạo ra các lớp hiếu khí, tùy tiện, thiếu khí trên màng biofilm.

Những hoạt động vi sinh vật khác nhau xảy ra trong mỗi lớp màng này vì những vi sinh vật đặc trưng phát triển trong những môi trường khác nhau trên biofilm. Ví dụ như các vi sinh vật trong mỗi lớp màng biofilm sẽ có một mật độ thích hợp nhất đối với môi trường oxy hoặc cơ chất trong lớp màng này. Ở lớp màng phía trên của màng biofilm khi nồng độ oxy hóa tan và nồng độ cơ chất cao thì số lượng vi sinh vật hiếu khí sẽ chiếm ưu thế. Ở lớp biofilm ở sâu hơn khi nồng độ oxy và cơ chất giảm thì những vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế hơn những vi sinh vật khác. Trong những lớp này, quá trình Nitrat hoát xảy ra khi Nitrat trở thành chất nhận điện tử đối với vi sinh vật tùy tiện. Vì vậy, những vi sinh vật ở lớp

màng biofilm hay dính bám trên bề mặt giá thể sẽ bị ảnh hưởng bởi sự khuyếch tán oxy và cơ chất giảm dần qua lớp màng. Khi những vi sinh vật dính bám trên lớp màng biofilm ban đầu yếu thì hoạt động xáo trộn những giá thể đó sẽ bị rửa trôi lớp màng biofilm ra khỏi giá thể.

4. Các yếu tố ảnh huởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR

4.1. Giá thể

Diện tích thực tế của giá thể lớn, do đó nồng độ biofilm cao trong bể xử lý đến dẫn thể tích bể nhỏ. Theo các báo cáo cho thấy, nồng độ biofilm dao động từ 3000 - 4000 gTSS/m3, tương tự với những giá trị có được trong quá trình bùn hoạt tính với tuổi bùn cao. Điều này được suy ra rằng, vì tải trọng thể tích trong MBBR cao hơn gấp vài lần trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính nên sinh khối sinh ra trong bể MBBR cao hơn nhiều.

Mật độ của các giá thể trong bể MBBR nhỏ hơn 70% so với thể tích nước trong bể, với 67% là giá trị đặc trưng [10]. Tuy nhiên mật độ của giá thể được yêu cầu dựa trên đặc tính của nước thải và mục tiêu xử lý cụ thể. Giá trị thấp hơn 67% thường được sử dụng.

4.2. Độ xáo trộn

Yếu tố khác có ảnh hưởng đến hiệu suất là dòng chảy và điều kiện xáo trộn trong bể xử lý. Độ xáo trộn thích hợp là điều kiện lý tưởng đối với hiệu suất của hệ thống. Lớp màng biofilm hình thành trên giá thể rất mỏng, phân tán và vận chuyển cơ chất và oxy đến bề mặt biofilm. Vì vậy, lớp màng biofilm dày và mịn không được mong đợi đối với hệ thống. Độ xáo trộn thích hợp có tác dụng loại bỏ những sinh khối dư và duy trì độ dày thích hợp cho biofilm. Độ dày của biofilm nhỏ hơn 100 micromet đối với việc xử lý cơ chất luôn được ưu tiên. Độ xáo trộn thích hợp cũng duy trì vận tốc dòng chảy cần thiết cho hiệu suất quá trình. Độ xáo trộn cao sẽ tách sinh khối ra khỏi giá mang và chính vì vậy sẽ làm giảm hiệu suất

của quá trình xử lý. Thêm vào đó, sự va chạm và sự ma sát của giá thể trong bể phản ứng làm cho biofilm tách rời khỏi bề mặt phía ngoài của giá thể Kaldnes (giá mang được sử dụng thực nghiệm). Vì điều này, giá mang MBBR được cung cấp với các rìa bên ngoài để bảo vệ sự hao hụt của biofilm và đẩy mạnh sự phát triển của biofilm.Diện tích bề mặt của các rìa bên ngoài không được tính vào diện tích thực tế của biofilm. Diện tích trung bình hiệu quả của giá mang MBBR được báo cáo là khoảng 70% tổng diện tích bề mặt để màng biofilm dính bám vào giá thể ở phía bên ngoài ít hơn của giá mang.

Một trong những nghiên cứu nhằm ước lượng các loại khuẩn trong hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt được tiến hành bởi M. Hotchkiss năm 1923. Kết quả là đã tìm thấy nhiều loại vi khuẩn khác nhau ở độ sâu khác nhau trong bể lọc. Các nhóm vi khuẩn bao gồm: vi khuẩn khử nitrate, sulfate tạo thành từ protein, phân hủy anbumin, khử sulfate, oxy hóa sulfite được tạo thành từ các protein nhiều nhất ở độ sâu 0,3m và giảm dần qua lớp lọc; vi khuẩn khử sulfate hiện diện nhiều ở bề mặt và vi khuẩn oxy hóa sulfua có nhiều nhất ở độ sâu 1,6m; các dạng vi khuẩn nitrit gia tăng theo độ sâu và có số lượng lớn hơn các dạng vi khuẩn nitrate.

4.3. Tải trọng thể tích

Vì sự không thể xác định chính xác diện tích thực được bao bọc bởi biofilm trên bề mặt của giá mang, người ta đưa ra hiệu suất quá trình theo thể tích bể phản ứng thay vì diện tích bề mặt giá thể. Tuy nhiên, việc đánh giá thể tích bể phản ứng có thể là hệ thống được so sánh với những hệ thống khác mà sử dụng toàn bộ thể tích bể phản ứng để xử lý.

Nếu chỉ xử lý thứ cấp, hiệu quả tải tương đương 4-5 kgBOD5 / m3.ngày đến 12-15 kgBOD5 /m3.ngày ở mức 67% giá mang được lấp đầy (cung cấp 335 m2 diện tích bề mặt giá thể trên m3 thể tích bể phản ứng). Những giá trị BOD5 không có trong tiêu chuẩn của Hoa Kỳ. Tuy nhiên, chúng phù hợp với Phương pháp tiêu chuẩn của Nauy và những ứng dụng của chúng đối với việc thiết kế bể phản ứng ở Mỹ phải được thực hiện một cách thận trọng. Rusten đã báo cáo rẳng 60g 5/ngày tương đương với 70 g BOD5/ngày, mặc dù nó không được cụ thể hóa xem thử giá trị BOD nào là giá trị tổng hoặc là giá trị hòa tan được. Mặc dù vậy, sự quy đổi này sẽ được sử dụng để đổi các giá trị tải thành giá trị BOD5 cơ bản.

4.4. Những thuận lợi và hạn chế

- Thuận lợi

Giảm chi phí hoạt động, tự động, dễ vận hành và bảo trì;
Phù hợp với hệ thống quy mô nhỏ có thể được sản xuất hàng loạt với một phạm vi khác nhau của lưu lượng dòng chảy;
Tiết kiệm một lượng đáng kể lao động và tiền bạc để điều tra, thiết kế, xây dựng, lắp đặt;
Mật độ vi sinh vật xử lý trên một đơn vị thể tích cao: Mật độ vi sinh vật xử lý trên một đơn vị thể tích cao hơn so với hệ thống xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính lơ lửng, vì vậy tải trọng hữu cơ của bể MBBR cao hơn;
Ổn định theo biến tải
Chủng loại vi sinh vật xử lý đặc trưng: lớp màng biofilm phát triển tùy thuộc vào loại chất hữu cơ và tải trọng hữu cơ trong bể xử lý;
Phát sinh bùn ít;
Hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và notơ cao;

- Hạn chế