Đặc tính sinh học của màng
Nói chung, sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng quá trình màng vi sinh vật tƣơng đối lớn. Nồng độ sinh khối khoảng 20 – 40 kg/m3
trong thiết bị tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m3
trong thiết bị lọc ngập nƣớc, và 5 – 7 kg/m3 trong thiết bị lọc nhỏ giọt. Mặt khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ít bùn dƣ hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn. Thƣơng số của tổng chất rắn sinh học (S) và lƣợng bùn dƣ hàng ngày (S) cho ta thời gian lƣu bùn (hay tuổi bùn AS):
;
Tuổi bùn AS cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý. Trong trạng thái tĩnh, bùn dƣ trong hệ thống cân bằng với lƣợng bùn lấy ra khỏi hệ thống.
Trong quá trình màng vi sinh vật, lƣợng chất rắn sinh học trong thiết bị xử lý lớn, và nếu lƣợng bùn dƣ nhỏ thì AS sẽ rất lớn. Do đó, số lƣợng loài vi sinh vật trong màng trở nên phong phú, và vi sinh vật chiếm vai trò cao hơn trong chuỗi thức ăn. Hơn nữa, một hệ sinh thái với hệ vi sinh vật đa dạng cao là một hệ thống ổn định với hiệu quả xử lý ổn định. Những loài vi khuẩn sử dụng cơ chất đồng hoá chậm hay cơ chất có giá trị phát triển sinh khối thấp sẽ có tốc độ phát triển nhỏ tƣơng ứng. Nhƣ vậy, quá trình màng vi sinh vật có những ƣu điểm lớn trong quá trình loại bỏ những cơ chất nhƣ vậy.
Đặc tính về sự loại bỏ cơ chất
Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng nhƣ bùn hoạt tính. Sự khác biệt chủ yếu ở 2 quan điểm:
- Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học đƣợc điều chỉnh bởi 2 yếu tố: sự khuếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng. Quá trình khuếch tán sẽ là quá trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới 1 giá trị đủ lớn. Quá trình khuếch tán là 1 quá trình hoá lý, ít chịu ảnh hƣởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học nhƣ trao đổi chất hay tiêu thụ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật, do đó sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt độ ít hơn so với quá trình vi sinh vật lơ lửng và khả năng xử lý ổn định hơn.
S S AS
SVTH: Lê Quốc Ân 23
- Quan điểm thứ 2 liên quan đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng, cũng nhƣ vấn đề liên quan đến sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán. Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễ hoà trộn với vi sinh vật và đƣợc tiêu thụ trao đổi chất ngay lập tức. Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn hầu nhƣ không thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuếch tán phân tử của cơ chất tỉ lệ nghịch với khối lƣợng phân tử của chúng, hệ số khuếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lƣợng phân tử nhỏ hơn nhiều so với những hợp chất có khối lƣợng phân tử nhỏ. Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng, và trƣớc khi có thể xâm nhập vào màng, quá trình thuỷ phân phải đƣợc diễn ra trƣớc để bẽ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn.
Một số đặc tính khác
-Vận hành hoạt động của thiết bị xử lý
Ƣu điểm quan trọng nhất của quá trình màng vi sinh vật so với quá trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý. Trong việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính, có rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì nhƣ ổn định nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bông bùn cho những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dòng nƣớc xử lý, tuần hoàn bùn và loại bỏ bùn dƣ…. Đặc biệt, sự phát triển quá mức của vi khuẩn filamentous nhƣ Sphaelotius natans, beggiatoa…làm khả năng lắng của bùn và gây khó khăn cho quá trình vận hành hệ thống. Trái lại, trong quá trình màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành nhƣ trên hầu nhƣ không cần phải quan tâm tới. Trong khi bể lắng sau thiết bị xử lý bằng bùn hoạt tính còn có nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ có tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học - lớp màng bị bong ra trong nƣớc thải ra khỏi thiết bị xử lý, mà không có ảnh hƣởng gì tới hoạt động của thiết bị màng vi sinh vật. Lƣợng bùn dƣ nhỏ nhƣ đã đề cập tới ở những phần trên, do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh, có tác dụng làm giảm rắc rối trong quá trình vận hành hệ thống, và còn làm cho hệ thống xử lý nhỏ hơn .
Tuy nhiên, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng của công trình xử lý trong quá trình vận hành thấp. Thí dụ, đối trong công trình bùn hoạt tính, nồng độ bùn trong công trình xử lý có thể đƣợc điều chỉnh thông qua lƣợng bùn tuần hoàn từ bể lắng, thời gian lƣu bùn có thể tăng lên trong quá trình loại bỏ nitơ, và các điều kiện vận hành có thể đƣợc điều
SVTH: Lê Quốc Ân 24
chỉnh thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitơ. Thế nhƣng đối với quá trình màng vi sinh vật không thể điều khiển chính xác sinh khối trong hệ thống, các chủng vi sinh vật bởi vì không có một phƣơng pháp hiệu quả nào đƣợc phát triển nhằm điều khiển quá trình này. Và có thể nói rằng, những điều kiện để điều khiển vận hành hệ thống vi sinh vật duy nhất là chỉ lƣợng nƣớc đầu vào và cƣờng độ sục khí (nếu có).
- Khởi động nhanh chóng
Trong quá trình bùn hoạt tính, thời gian khởi động - khoảng thời gian cần thiết để đạt đƣợc hiệu quả ổn định, cần tối thiểu là 1 tháng, và thông thƣờng là 2 tháng. So sánh với quá trình màng vi sinh vật, thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với lọc sinh học nƣớc và thiết bị tiếp xúc quay, và cần một thời gian hơi dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt. Nguyên nhân làm cho thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh vật ngắn hơn là: hầu hết sinh khối sinh ra tích luỹ lại mà không bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động, khi màng vi sinh vật còn mỏng. Cũng vì vậy mà việc khôi phục vận hành cũng rất nhanh ngay cả khi một lƣợng lớn sinh khối bị suy giảm do một lý do nào đó. Quá trình cũng chịu đựng sự thay đổi lớn bất thƣờng về tải trọng hữu cơ.
- Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm
Có thể giải thích trên hai quan điểm về khả năng loại bỏ nhƣng cơ chất phân huỷ chậm của quá trình màng vi sinh vật. Những cơ chất có chứa các loại hợp chất hữu cơ nhƣ Polyvinyl Alcohol (PCA), Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS), ligin, các hợp chất clo hữu cơ …, hay các chất vô cơ nhƣ nitrat, tuy cyanid, … Những hợp chất này đều là các chất có thể phân huỷ sinh học, tuy nhiên tốc độ phân huỷ rất chậm, và tốc độ tăng trƣởng của các loại vi sinh vật sử dụng các hợp chất đó làm cơ chất chính rất thấp. Thí dụ nhƣ tốc độ tăng trƣởng của vi khuẩn nitơ Nitosomons chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của
Escherichia coli. Các loại vi sinh vật có tốc độ tăng trƣởng nhỏ có khả năng phát triển trong màng vi sinh vật. Vì vậy, đây là một nguyên nhân mà quá trình màng có khả năng loại bỏ các loại cơ chất phân huỷ chậm. Nguyên nhân thứ hai liên quan đến tỉ lệ của bề dày màng hiệu quả với bề dày tổng của màng. Nói chung, tốc độ tiêu thụ một cơ chất chậm liên quan so sánh với sự vận chuyển bởi quá trình khuếch tán phân tử của nó, độ sâu nó có thể vào trong màng vi sinh vật, tƣơng ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả. Nói cách khác, thậm chí nếu tốc độ tiêu thụ một cơ chất nhỏ thì lƣợng vi sinh cần thiết sẽ lớn tƣơng ứng, và ngƣợc lại. Vì vậy, sự khác biệt về khả năng phân huỷ sinh học
SVTH: Lê Quốc Ân 25
sẽ không ảnh hƣởng trực tiếp tới tốc độ tiêu thụ của màng vi sinh vật. Do đó, màng vi sinh vật thích hợp để xử lý những loại nƣớc thải có chứa những cơ chất phân hủy sinh học chậm.
- Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm
Cả tốc độ khuếch tán và phản ứng sinh học đều giảm khi nhiệt độ giảm và mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học quan trọng hơn sự khuếch tán. Năng lƣợng hoạt hoá đƣợc dùng để đánh giá mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học vào nhiệt độ, năng lƣợng càng lớn thì sự phụ thuộc càng cao. Năng lƣợng hoạt hoá của khuếch tán phân tử chừng vài kcal/mol trong khi đó năng lƣợng hoạt hoá của phản ứng sinh học khoảng20-30 kcal/mol. Do đó, ngay cả khi nhiệt độ nƣớc thải xuống thấp tốc độ tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật cũng không ảnh hƣởng lớn bằng bản thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại, với động lực phản ứng giống nhƣ đối với cơ chất phân huỷ sinh học chậm. Bởi vì tốc độ khuếch tán phân tử giảm chậm hơn nhiều tốc độ phản ứng – theo nhiệt độ. Ngƣợc lại, khi nhiệt độ nƣớc thải tăng, tốc độ tiêu thụ cơ chất cũng không tăng nhiều nhƣ phản ứng sinh học nội. Vậy hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật ổn định, ít phụ thuộc vào sự biến thiên nhiệt độ.
Tƣơng tự nhƣ vậy, hiệu quả xử lý cũng ổn định khi tải lƣợng ô nhiễm biến đổi. Khi tải lƣợng đầu vào tăng lên, nồng độ cơ chất trên bề mặt màng tăng tƣơng ứng dẫn tới bề dày của lớp màng hiệu quả tăng theo. Kết quả là hiệu xuất xử lý đƣợc giữ ổn định.
- Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp
Thực nghiệm cho thấy không thể xử lý nƣớc thải có nồng độ BOD thấp hơn 20 mg/l bằng bùn hoạt tính, vì rất khó duy trì giá trị MLSS và hiệu quả xử lý. Tuy nhiên, đối với quá trình màng vi sinh vật, chỉ cần nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết để duy trì sự trao đổi chất (giá trị rất thấp), nƣớc thải với nồng độ cơ chất thay đổi trong khoảng rộng đƣợc xử lý hiệu quả. Hơn nữa, nƣớc thải với nồng độ càng thấp càng dễ xử lý.
-Thiết bị xử lý đa dạng
Mặc dù có tên chung, hay cùng những đặc tính làm sạch nƣớc, quá trình màng vi sinh vật có sự đa dạng về thiết bị. Trong mỗi loại thiết bị lọc ngập nƣớc, tiếp xúc quay hay lọc nhỏ giọt, hình dạng, kích thƣớc, vật liệu, phƣơng pháp sắp xếp bố trí vật liệu đệm cũng rất đa dạng. Mặc dù không có sự khác biệt nhiều về diện tích bề mặt riêng (diện tích màng/thể tích thiết bị)
SVTH: Lê Quốc Ân 26
giữa các loại thiết bị trên, nhƣng đối với thiết bị sử dụng vật liệu lơ lửng có diện tích bề mặt màng lớn hơn nhiều, và tƣơng ứng là tải trọng hữu cơ cũng lớn hơn. Hơn nữa, những loại thiết bị trên có thể áp dụng đƣợc cho cả quá trình hiếu khí và kị khí, trừ thiết bị lọc nhỏ giọt. Vì vậy, quá trình màng vi sinh vật có thể dùng để xử lý nhiều loại nƣớc thải khác nhau. Cụ thể, thiết bị sử dụng vật liệu đệm dùng để lý nƣớc thải có nồng độ hữu cơ từ vài trăm tới vài nghìn mg/l vì chúng thích hợp với tải lƣợng cao. Lọc sinh học ngập nƣớc thiết bị tiếp xúc quay và lọc nhỏ giọt thích hợp xử lý nƣớc thải nồng độ thấp, từ vài chục tới vài trăm mg/l, hay dùng làm thiết bị xử lý bậc hai.
Quá trình màng vi sinh vật không những đa dạng về chủng loại, phƣơng cách áp dụng, điều kiện vận hành nhƣ đã đề cập ở trên, mà còn có nhiều ƣu điểm về cấu tạo và vận hành khác.Tuy nhiên quá trình màng vi sinh vật còn có những nhƣợc điểm nhƣ sau:
- Không có khả năng điều khiển sinh khối
Thông thƣờng không dễ dàng để điều khiển sinh khối trong màng vi sinh vật. Hơn nữa, sự tăng bề dày màng vựơt quá một gía trị bề dày hiệu quả không đóng góp gì vào việc xử lý ô nhiễm, mà còn làm giảm diện tích hiệu quả của màng vi sinh vật và thời gian lƣu nƣớc trong thiết bị xử lý. Không có khả năng kiểm soát đƣợc sinh khối do không thể kiểm soát đƣợc thời gian lƣu bùn và do đó cũng không thể kiểm soát đƣợc các loài vi sinh vật có trong màng. Trong quá trình bùn hoạt tính để ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn nitơ hoá, nhằm kìm hãm quá trình nitrat hoá, thời gian lƣu bùn chỉ cần rút ngắn lại.
Ngƣợc lại, để thúc đẩy quá trình nitrat hoá hay phát triển protozoa và metazoa chỉ cần tăng thời gian lƣu bùn bằng cách giảm lƣợng bùn dƣ lấy ra.Vì vậy hoàn toàn có thể điều khiển đƣợc các loài vi sinh trong bùn. Đối với quá trình màng vi sinh vật, sự đa dạng sinh học cao, dẫn tới chuỗi thức ăn đƣợc kéo dài và làm giảm lƣợng bùn dƣ. Không có phƣơng pháp nào đƣợc phát triển để kiểm soát lƣợng vi sinh trong màng, và do đó, sự phát triển quá mức của một số vi sinh vật cỡ lớn nhƣ Daphnia hay Nais sẽ xâm chiếm bậc cao trong chuỗi thức ăn và làm giảm khả năng xử lý của hệ thống vì chúng ăn một lƣợng lớn các vi sinh khác và sản sinh ra các sản phẩm bền, khó lắng trong nƣớc đầu ra. Do vậy, quá trình màng vi sinh vật có rất ít các yếu tố điều khiển, có nghĩa là dễ vận hành, nhƣng cũng khó để vận hành trong một điều kiện tốt.
SVTH: Lê Quốc Ân 27
Trong quá trình màng vi sinh vật, các yếu tố điều khiển quá trình làm sạch nƣớc là sự vận chuyển cơ chất và oxy vào màng vi sinh vật và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh. Trong đa số trƣờng hợp, sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng (sự hạn chế khuếch tán), nồng độ cơ chất trở thành yếu tố điều khiển phản ứng làm sạch. Màng vi sinh vật càng dày, nồng độ oxy trong nƣớc thải càng cao thì tốc độ phản ứng càng cao. Nồng độ oxy hoà tan phải đƣợc duy trì cao trong nƣớc thải trong thiết bị lọc sinh học, do đó năng lƣợng sục khí cũng phải cao tƣơng ứng. Vì vậy, để hạn chế ảnh hƣởng của quá trình khuếch tán, diện tích màng vi sinh phải đủ lớn, tƣơng ứng với lƣợng sinh khối đủ lớn. Tóm lại, cần phải sử dụng vật liệu lọc có diện tích bề mặt riêng lớn. Thêm vào đó vận tốc nƣớc chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn để duy trì bề dày lớp màng đủ nhỏ để tăng cƣờng khả năng khuếch tán của cơ chất và oxy vào trong lớp màng, tƣơng ứng với năng lƣợng để bơm nƣớc tiêu tốn hơn. Hơn nữa, cần phải thiết kế thiết bị xử lý sao cho vận tốc nƣớc chảy đều mọi nơi trong khối vật liệu đệm.