Bài viết trình bày và bàn luận các nguyên nhân và yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng nghẹt màng đồng thời đưa ra các giải pháp để khắc phục hiện tượng nghẹt màng trong bể MBR.
TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Số (32) - Thaùng 9/2015 Hiện tượng nghẹt màng bể MBR (Membrane Bioreactor) biện pháp khắc phục Membrane fouling in MBR (Membrane Bioreactor) and fouling control opproaches ThS Trương Thị Bích Hồng, Trường Đại học Phạm Văn Đồng M.Sc Truong Thi Bich Hong, Pham Van Dong University Tóm tắt Công nghệ MBR ứng dụng rộng rãi để xử lý thành phần hữu loại nước thải khác Tuy nhiên, tượng nghẹt màng bể BMR làm gia tăng chi phí vận hành bảo dưỡng Bài báo trình bày bàn luận nguyên nhân yếu tố ảnh hưởng đến tượng nghẹt màng đồng thời đưa giải pháp để khắc phục tượng nghẹt màng bể MBR Các kết nghiên cứu đưa kết luận bùn, tế bào vi khuẩn, sản phẩm tiết vi khuẩn thành phần ô nhiễm không phân hủy nước thải thành phần có khả gây nghẹt màng Tuy nhiên, tượng chế gây nghẹt màng bể MBR đến nhiều tranh luận Nhiều nghiên cứu ứng dụng biện pháp vật lý (như rửa ngược, sục khí ) biện pháp hóa học (như bổ sung chất hấp phụ, polymer, chất keo tụ ) để giảm nguy nghẹt màng Từ khóa: bể MBR, tượng nghẹt màng, bùn, sản phẩm vi khuẩn dung dịch (SMP)… Abstract MBR technology has widespread applications in treatment of organic substances in various wastewaters Howerver, membrane fouling in MBR increases operating and maintaining cost This review summarized and discussed causes and factors in MBR that influence membrane fouling and simultaneously gave membrane fouling control strategies in MBR Most of studies have identified that microbial floc, individal microbial cells, microbial metabolic products and non-degraded matters in wastewater are considered as potential foulants However, membrane fouling phenomena and mechanisms in MBR are still in argument Many reseachers have applied physical approaches (e.g., backwashing, air blowing) and chemical opproaches (e.g., addition of adsorbing materials, polymers and coagulants) to control membrane fouling Keywords: MBR - membrane bioreactor, membrane fouling, microbial floc, SMP - soluble microbial products… Đặt vấn đề Công nghệ MBR bao gồm bể phản ứng sinh học mô đun màng đặt bên bên bể phản ứng Các vi sinh vật bể phản ứng có vai trị phân hủy hợp chất nhiễm nước thải cịn mơ đun màng đóng vai trị thay cho bể lắng hai bể bùn hoạt tính thơng thường để tách bùn thành phần có phân tử lớn khỏi dịng thấm Cơng nghệ MBR có hai dạng bao gồm MBR có mơ đun màng đạt ngập chìm MBR có mơ đun màng đặt bên ngồi bể phản ứng (Hình 1) MBR có mơ đun màng đặt bên vận hành áp suất trực tiếp với tuần hoàn bùn liên tục cho chất lượng nước tốt hạn chế tác động 60 TRƯƠNG THỊ BÍCH HỒNG hoạt tính bể phản ứng (Saddoud, 2006) Tuy nhiên, trình vệ sinh màng MBR có mơ đung màng đặt bên ngồi dễ thực so với MBR có mơ đun màng đặt ngập chìm bùn đến chất lượng nước đầu (Saddoud, 2006) Tuy nhiên loại hình tiêu thụ lượng nhiều bơm hoạt động áp suất cao vận tốc dòng qua màng cao để giảm nguy nghẹt màng đồng thời tạo lực cắt lớn làm bùn vỡ giảm Hình Bể MBR có màng đặt bên bên ngồi bể phản ứng Cơng nghệ MBR có nhiều ưu điểm so với cơng nghệ bùn hoạt tính thơng thường chất lượng nước đầu cao với hiệu xử lý COD lên đến 90-95% loại bỏ vi khuẩn, vi rút nên dùng thay cho bể khử trùng; tiết kiệm diện tích khơng cần bể lắng hai; trì nồng độ sinh khối cao bể phản ứng lên đến 8000 mg/l, cao gấp đơi so với q trình bùn hoạt tính thơng thường (Yamamoto, 1989; Euda, 1997) Với ưu điểm với phát triển công nghệ màng, công nghệ MBR ứng dụng phổ biến để xử lý nhiều loại nước thải khác nước thải đô thị, nước thải công nghiệp nước thải có nồng độ chất hữu cao nước rỉ rác Tuy nhiên, trở ngại lớn để ứng dụng công nghệ MBR thường xảy tường nghẹt màng làm giảm hiệu suất lọc tăng chi phí bảo dưỡng vận hành Việc tìm nguyên nhân chế gây nghẹt màng cần thiết để đề giải pháp thích hợp nhằm hạn chế vấn đề nghẹt màng bể MBR Hiện tượng nghẹt màng bể MBR nghiên cứu cho tượng nghẹt màng phân tử hịa tan làm bít lỗ rỗng màng hay hạt chất keo bám dính hình thành lớp bánh bề mặt màng (Bae, 2005; Defrance, 2000) Trong giai đoạn đầu, phân tử có kích thước nhỏ làm nghẹt thu hẹp lỗ rỗng màng, sau phân tử có kích thước lớn hình thành lớp bánh bám bề mặt màng Theo thời gian, phần tử khác tiếp tục làm bít lỗ rỗng lớp bánh làm cho tượng nghẹt màng trầm trọng Màng bị nghẹt làm gia tăng trở lực TMP (transmembrane pressure) cần phải tiến hành vệ sinh để loại bỏ thành phần gây nghẹt màng tăng chi phí vận hành bảo dưỡng 2.2 Các thành phần gây nghẹt màng Các nghiên cứu cho tất thành phần có mặt bể MBR, bao gồm: bơng bùn, tế bào vi khuẩn, sản phẩm tiết vi khuẩn thành phần không phân hủy nước thải thành phần gây nghẹt màng Trong đó, hợp chất EPS (extracellular polymeric substances), sản phẩm tiết vi khuẩn coi nguyên nhân gây nghẹt màng (Wu, 2011) EPS chứa hợp chất hữu khác bao gồm polysaccarit, protein, lipid, axit nucleic bio-polymer EPS tồn dạng lơ lửng hay hòa 2.1 Hiện tượng chế gây nghẹt màng Hiện tượng chế gây nghẹt màng vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm ứng dụng công nghệ MBR Các 61 HIỆN TƯỢNG NGHẸT MÀNG TRONG BỂ MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC thấp so với tải trọng hữu cao (2,28 gCOD/L.ngày) hàm lượng EPS phát sinh cao tăng tải trọng chất Các nghiên cứu đưa kết luận tỷ lệ F/M (Food/Microorganism) cao (khi tải trọng chất hàm lượng dinh dưỡng cao) tạo điều kiện thuận lợi cho trình tổng hợp tế bào vi khuẩn sản sinh nhiều chất tiết vi khuẩn làm gia tăng tượng nghẹt màng bể MBR (Wu, B., 2011) Sự khác nguồn cacbon chất dinh dưỡng nước thải đầu vào ảnh hưởng đến tượng nghẹt màng 2.3.2 Hàm lượng oxy hòa tan (DO disolved oxygen) Thành phần vi sinh vật thay đổi không đáng kể thay đổi hàm lượng oxy hịa tan khoảng thích hơp Tuy nhiên, hàm lượng DO giảm thấp (< 0,5 mg/L) làm thay đổi thành phần vi khuẩn (gia tăng q trình sinh trưởng vi khuẩn nitrat hóa) làm giảm tính đa dạng lồi vi khuẩn chiếm ưu bể MBR Gao cộng cho hàm lượng DO thấp tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát sinh EPS làm gia tăng bám dính chúng bề mặt màng gây tượng nghẹt màng (Gao, 2011) Một số nghiên cứu khác cho hàm lượng DO thấp làm giảm kích thước bơng bùn, bơng bùn có kích thước nhỏ dễ hình thành lớp bánh nén chặt bề mặt màng làm gia tăng trở lực màng (Jin, 2006) 2.3.3 Nhiệt độ Trong bể MBR, vi sinh vật sử dụng enzym chúng để thủy phân phân hủy chất, mức độ hoạt động enzym lại nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ Một số enzym thích nghi nhiệt độ cao (phosphataza esteraza) cịn số enzym (glucosidaza) có hoạt tính mạnh nhiệt độ thấp Hoạt tính enzym giảm làm giảm khả phân hủy chất vi sinh vật dẫn đến gia tăng tích tụ hàm lượng chất tan dung dịch đồng thời bám dính bề mặt vi khuẩn bơng bùn EPS khó phân hủy sinh học có độ nhớt cao nên dễ bám dính gây nghẹt màng Dựa vào phân bố hợp chất EPS, hỗn hợp chất lỏng khuấy trộn bể MBR phân chia thành hai phần: bùn thành phần chất keo chất hòa tan dung dịch Các nghiên cứu gần nổ lực để xác định mức độ gây nghẹt màng thành phần, nhiên kết chưa thống Một số nghiên cứu cho bơng bùn thành phần gây nghẹt màng (Bae, 2005; Defrance, 2000) Trong đó, nghiên cứu khác xác định thành phần hòa tan chất keo dung dịch yếu tố gây nghẹt màng (Chang, 2005; Zhang, 2010) Các kết không thống nghiên cứu tiến hành với điều kiện khác chế độ vận hành, tính chất nước thải đầu vào loại màng lọc 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tượng nghẹt màng Hiện tượng nghẹt màng bùn, sản phẩm tiết vi khuẩn thành phần không phân hủy nước thải tạo Tính chất nước thải đầu vào, điều kiện vận hành (hàm lượng oxy hòa tan, nhiệt độ, chế độ vận hành, ) loại màng lọc ảnh hưởng lớn đến thành phần, tính chất chất gây nghẹt màng ảnh hưởng đến tượng nghẹt màng bể MBR 2.3.1 Tính chất nước thải đầu vào Thành phần tính chất nước thải đầu vào yếu tố ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật bể MBR ảnh hưởng đến tượng nghẹt màng Nghiên cứu Wu cộng đưa kết luận thành phần vi khuẩn bể MBR thay đổi theo tải trọng hữu khác (Wu, 2011) Ở tải trọng hữu thấp (0,57 gCOD/L.ngày) trung bình (1,14 gCOD/L.ngày), mức độ nghẹt màng 62 TRƯƠNG THỊ BÍCH HỒNG kích thước lỗ màng dùng xử lý nước thải 0,02 – 0,5µm Biện pháp khắc phục tượng nghẹt màng bể phản ứng bám dính vào màng gây tượng nghẹt màng Nhiệt độ khơng ảnh hưởng đến tính chất bơng bùn (như độ nhớt kích thước bơng bùn) mà cịn ảnh hưởng đến q trình phát sinh EPS Miyoshi cộng cho giảm nhiệt độ từ 21,5 xuống 12,7°C, hàm lượng polysaccarit protein gia tăng đáng kể bể MBR (Miyoshi, 2009) Do nhiệt độ thấp gia tăng nguy nghẹt màng 2.3.4 Chế độ vận hành Chế độ vận hành ổn định cần thiết để trì hiệu trình Tuy nhiên, thực tế, trình vận hành khơng ổn định xảy dao động nước thải theo mùa, việc cấp nước đầu vào bị gián đoạn, pH hàm lượng oxy hịa tan thay đổi hay thải bùn khơng đặn Các vi sinh vật thích nghi với thay đổi cách phát triển loại vi sinh vật phù hợp thay đổi trình tổng hợp trao đổi chất chúng Thành phần vi khuẩn bể MBR thay đổi thành phần nước thải, tải trọng hữu thời gian lưu bùn thay đổi hiệu trình ổn định (Wu, B., 2011) Mặt khác, tải trọng chất không ổn định làm gia tăng hàm lượng polysaccarit bể phản ứng tăng tượng nghẹt màng 2.3.5 Tính chất màng Tính chất màng bao gồm tính chất bề mặt, vật liệu kích thước lỗ màng Màng kị nước bền với nhiệt độ hóa chất dễ bị nghẹt so với màng ưa nước Do người ta thường hiệu chỉnh bề mặt màng kị nước cách phủ lên bề mặt polymer ưa nước để giảm nguy nghẹt màng tăng tốc độ dòng thấm Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước lỗ màng đến hiệu lọc nguy nghẹt màng, He cộng (2005) kết luận kích thước lỗ màng ảnh hưởng đến hiệu xử lý trình MBR Theo Jeison cộng (2007) 3.1 Kiểm sốt nghẹt màng bơng bùn 3.1.1 Biện pháp vật lý Biện pháp vật lý thường sử dụng để loại bỏ bùn bám bề mặt màng cách rửa ngược, sục khí, sử dụng sóng siêu âm hay rung động (Lin, 2010) Những nghiên cứu gần cho thấy giải pháp sử dụng để kiểm soát nghẹt màng dựa vào rung động từ Quá trình rung động vận hành gián đoạn (2 phút bậc, phút tắt) làm giảm tốc độ nghẹt màng với lưu lượng dòng thấm cao (14–26 L/m2.h) tiêu thụ lượng (2,03 kWh/m3) thấp so với bể MBR thông thường (6,06 kWh/m3) (Bilad, 2012) 3.1.2 Biện pháp hóa học Biện pháp hóa học thường sử dụng để kiểm sốt phát triển bám dính màng vi sinh bề mặt màng (Xiong, 2010) Các nghiên cứu gần cho có mặt phân tử ngoại bào đóng vai trị việc hình thành màng vi sinh nước thải Ví dụ N-acyl homoserine lactone (AHL) diện bể MBR tiết EPS gây nghẹt màng Do đó, việc thêm acylaza vào bể MBR để giảm hoạt tính AHL giải pháp có khả giảm nghẹt màng (Yeon, 2009) Xu Liu sử dụng 2,4-dinitrophenol (DNP) để giảm tượng nghẹt màng DNP phá vỡ trao đổi chất vi sinh vật tăng cường trình tách màng vi sinh khỏi màng lọc (Xu Liu, 2011) 3.2 Kiểm soát nghẹt màng sản phẩm vi khuẩn dung dịch (SMP) Để kiểm soát tượng nghẹt màng gây thành phần SMP, biện pháp hiệu quan trọng giảm nồng độ chúng bể MBR Tối ưu hóa điều kiện vận hành kiểm soát hàm 63 HIỆN TƯỢNG NGHẸT MÀNG TRONG BỂ MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC lượng oxy hòa tan thời gian lưu bùn (SRT - sludge retention time) đồng thời vận hành ổn định trình coi giải pháp để kiểm soát tượng nghẹt màng Ngoài ra, biện pháp làm giảm tương tác thành phần dung dịch với màng giảm nguy nghẹt màng Việc thêm vật liệu hấp phụ (như than hoạt tính, zeolite) chất keo tụ, đông tụ (như polyamide, polyaluminum chloride, diatomite) vào bể MBR để hấp phụ kết tủa chất dung dịch giải pháp hiệu để kiểm soát tượng nghẹt màng gây nên thành phần SMP Việc thêm diatomite (50 mg/L) vào bể MBR nâng cao hiệu trình (tốc độ nghẹt màng giảm từ 0,47kPa/ngày xuống 0,11 kPa/ngày) nhờ vào việc giảm chất keo mịn chất hòa tan bể phản ứng Johir cộng cho cacbon hoạt tính dạng hạt xử lý hiệu chất hữu amino axit, biopolymer, hợp chất axit humic, axit fulvic giảm trở lực tổng từ 51.1011m−1 xuống 20 1011m−1 (Johir, 2011) Koseoglu cộng so sánh hiệu chất phụ gia tích điện dương cho thấy hiệu xử lý SMP lên đến 72% biopolymer cation (Koseoglu, 2012) Teychene sử dụng hạt nano trơ (polystyrene latex, melamine) để thay đổi hình thái lớp bánh bám bề mặt màng (chẳng hạn từ lớp bánh nén chặt có lỗ rỗng nhỏ thành lớp bánh nén có lỗ rỗng lớn hơn) để gia tăng khả lọc màng (Teychene, 2011) Bên cạnh giải pháp đưa việc lựa chọn loại màng thích hợp làm tăng hiệu tính ổn định màng Kết luận Từ trình MBR thương mại hóa (1960), chế gây nghẹt màng biện pháp kiểm soát nghẹt màng nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Nhiều biện pháp giảm nghẹt màng đưa từ tối ưu hóa trình vận hành đến điều chỉnh hoạt động vi khuẩn Việc xác định thành phần gây nghẹt màng sở để xác định biện pháp kiểm sốt nghẹt màng hiệu Mặt dù có nhiều nổ lực để kiểm soát tượng nghẹt màng bể MBR nhiên giải pháp cụ thể thích hợp trường hợp thực tế tính khả thi kinh tế chưa rõ ràng phức tạp trình MBR Trong tương lai cần có thêm nghiên cứu chức loài vi khuẩn liên quan đến nghẹt màng, thành phần gây nghẹt màng tính khả thi biện pháp giảm nghẹt màng TÀI LIỆU THAM KHẢO Process Biochem, 40, 1307–1314 Bae, T.H.; Tak, T.M., (2005), “Interpretation of fouling characteristics of ultrafiltration membranes during the filtration of membranebioreactror mixed liquor”, J Membr Sci., 264, 151–160 Choo, K.-H.; Kang, I.-J.; Yoon, S.-H.; Park, H.; Kim, J.-H.; Adiya, S.; Lee, C.-H., (2000), “Approaches to membrane fouling control in anaerobic membrane bioreactors”, Water Science & Technology, Vol 41, No 10/11, p.363 Bilad, M.R.; Mezohegyi, G.; Declerck, P.; Vankelecom, I.F., (2012), “Novel magnetically induced membrane vibration (MMV) for fouling control in membrane bioreactors”, Water Res, 46, 63–72 Defrance, L.; Jaffrin, M.Y.; Gupta, B.; Paullier, P.; Geaugery, V., (2000), “Contribution of various constituents of activated sludge to membrane bioreactor fouling”, Bioresour Technol., 73, 105–112 Chang, I.S.; Kim, S.N., (2005), “Water treatment using membrane filtration - Effect of biosolids concentration on cake resistance”, Gao, D.-W.; Fu, Y.; Tao, Y.; Li, X.-X.; Xing, M.; Gao, X.-H.; Ren, N.-Q., (2011), “Linking 64 TRƯƠNG THỊ BÍCH HỒNG 15 Teychene, B.; Guigui, C.; Cabassud, C., (2011), “Engineering of an MBR supernatant fouling layer by fine particles addition: A possible way to control cake compressibility”, Water Res., 45, 2060–2072 microbial community structure to membrane biofouling associated with varying dissovled oxygen concentrations”, Bioresour Technol., 102, 5626–5633 He, Y.; Xu, P.; Li, C.; Zhang, B., (2005), “High-concentration food waste treatment by an anaerobic membrane bioreactor”, Water Res, 39, 4110–4118 16 Ueda, T.; Hata, K.; Kikuoka, Y.; Seino, O., (1997), “Effects of aeration on suction pressure in a submerged membrane bioreactor”, Wat.Res., Vol 31, No 3, pp.489-494 Jeison, D.; Van Lier, J.B., (2007), “Thermophilic treatment of acidified and partially acidified wastewater using an anaerobic submerged MBR: factors governing long term operational flux”, Water Res, 41, 3868–3879 17 Wu, B.; Yi, S.; Fane, A.G., (2011), “Microbial community developments and biomass characteristics in membrane bioreactors under different organic loadings”, Bioresour Technol., 102, 6808–6814 Jin, Y.L.; Lee, W.N.; Lee, C.H.; Chang, I.S.; Huang, X.; Swaminathan, T., (2006), “Effect of DO concentration on biofilm structure and membrane filterability in submerged membrane bioreactor”, Water Res., 40, 2829–2836 18 Wu, B.; Yi, S.; Fane, A.G., (2011), “Microbial behaviors involved in cake fouling in membrane bioreactors under different solids retention times”, Bioresour Technol., 102, 2511–2516 10 Johir, M.A.H.; Aryal, R.; Vigneswaran, S.; Kandasamy, J.; Grasmick, A., (2011), “Influence of supporting media in suspension on membrane fouling reduction in submerges membrane bioreactor (SMBR)”, J Membr Sci., 374, 121–128 19 Xiong, Y.; Liu, Y., (2010), “Biological control of microbial attachment: A promising alternative for mitigating membrane biofouling”, Appl Microbiol Biotechnol., 86, 825–837 20 Xu, H.; Liu, Y., (2011), “Control and cleaning of membrane biofouling by energy uncoupling and cellular communication”, Environ Sci Technol., 45, 595–601 11 Koseoglu, H.; Yigit, N.O.; Civelekoglu, G.; Harman, B.I.; Kitis, M., (2012), “Effects of chemical additives on filtration and rheological characteristics of MBR sludge”, Bioresour Technol., 117, 48–54 21 Yamamoto, K.; Hiasa, M.; Mahmood, T.; Matsuo, T., (1989), “Direct Solid-liquid Separation Using Hollow Fiber Membrane in An Activated Sludge Aeration Tank”, Wat Sci Tech., Vol 21, Brighton, pp 43-54 12 Lin, J.C.T.; Lee, D.J.; Huang, C., (2010), “Membranefouling mitigation: Membrane cleaning”, Sep Sci Technol., 45, 858–872 13 Miyoshi, T.; Tsuyuhara, T.; Ogyu, R.; Kimura, K.; Watanabe, Y., (2009), “Seasonal variation in membrane fouling in membrane bioreactors (MBRs) treating municipal wastewater”, Water Res., 43, 5109–5118 22 Yeon, K.M.; Cheong, W.S.; Oh, H.S.; Lee, W.N.; Hwang, B.K.; Lee, C.H.; Beyenal, H.; Lewandowski, Z., (2009), “Quorum sensing: A new biofouling control paradigm in a membrane bioreactor for advanced wastewater treatment, Environ”, Sci Technol., 43, 380–385 14 Saddoud, A.; Ellouze, M.; Dhouib, A.; Sayadi, S., (2006), “A Comparative Study on the Anaerobic Membrane Bioreactor Performance During the Treatment of Domestic Wastewaters of Various Origins”, Environmental Technology, 27(9): p 991-999 Ngày nhận bài: 26/5/2015 23 Zhang, J.; Zhou, J.; Liu, Y.; Fane, A.G., (2010), “A comparison of membrane fouling under constant and variable organic loadings in submerge membrane bioreactors”, Water Res., 44, 5407–5413 Biên tập xong: 15/9/2015 65 Duyệt đăng: 20/9/2015 ... Hiện tượng chế gây nghẹt màng vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm ứng dụng công nghệ MBR Các 61 HIỆN TƯỢNG NGHẸT MÀNG TRONG BỂ MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC thấp so với tải... nghẹt màng gây thành phần SMP, biện pháp hiệu quan trọng giảm nồng độ chúng bể MBR Tối ưu hóa điều kiện vận hành kiểm soát hàm 63 HIỆN TƯỢNG NGHẸT MÀNG TRONG BỂ MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) VÀ BIỆN... gCOD/L.ngày), mức độ nghẹt màng 62 TRƯƠNG THỊ BÍCH HỒNG kích thước lỗ màng dùng xử lý nước thải 0,02 – 0,5µm Biện pháp khắc phục tượng nghẹt màng bể phản ứng bám dính vào màng gây tượng nghẹt màng Nhiệt