34
Bể phản ứng sinh học kết hợp lọc màng nhúng chìm (iMBR) có thể tích làm việc 45L, gồm 3 bộ phận chính: ngăn thiếu khí (Anoxic) có thể tích 15L, ngăn hiếu khí (Oxic) có thể tích 30L và một modun màng nhúng chìm trong bể hiếu khí. Nƣớc rác sau các quá trình xử lý sơ bộ đƣợc đƣa vào bể Anoxic, sau đó chảy qua ngăn Oxic qua khe hẹp giữa hai ngăn:
Bể Anoxic: diễn ra các quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ và đề nitrat hóa (khử nitrat) trong điều kiện thiếu khí. Bể thiếu khí đƣợc lắp đặt thiết bị khuấy trộn hoạt động tại tốc độ khoảng 100 vòng/phút để duy trì các chất rắn lơ lửng mà không tăng cƣờng sự sục khí dƣ thừa.
Quá trình khử nitrat hóa diễn ra dƣới các điều kiện thiếu khí khi quá trình oxy hóa cacbon hữu cơ diễn ra sử dụng ion nitrat (NO3 ), hình thành nito phân tử (N2) là sản phẩm chính cuối cùng:
10 19 3 10 3 5 2 10 2 3 10
C H O N NO N CO NH OH
Trong phƣơng trình này “C10H19O3N” biểu thị nƣớc thải. Quá trình khử nitrat diễn ra khi các vi sinh vật tùy nghi – các loài xử lý BOD dƣới các điều kiện hiếu khí, có khả năng chuyển hóa nitrat thành khí nito dƣới các điều kiện thiếu khí. Nitrat là chất dinh dƣỡng cần thiết chovi khuẩn dị dƣỡng phân hủy cacbon, Đây là nguyên nhân tại sao nƣớc thải giàu nitrat từ vùng hiếu khí đƣợc tuần hoàn để hòa trộn với nƣớc thải thô. Hầu hết các nhà máy xử lý nƣớc thải MBR thực tế cũng đƣợc thiết kế để đạt đƣợc quá trình khử nitrat [18].
Bể Oxic: diễn ra quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ và quá trình nitrat hóa trong điều kiện cấp khí nhân tạo. Các thiết bị khuyếch tán khí đƣợc đặt tại đáy của bể và tại phía sau điểm cuối của modun màng để cung cấp khí và làm sạch bằng khí. Nồng độ oxy hòa tan đƣợc duy trì trong khoảng từ 3 tới 5 mg/l, đƣợc cấp khí bằng cách điều chỉnh tốc độ sục khí của 3 quả sục khí, mỗi quả sục có lƣu lƣợng cấp khí từ khoảng 3,8 L/phút.
Tổng nito đƣợc loại bỏ nhờ quá trình oxy hóa amoni thành nitrat trong điều kiện hiếu khí, và sự khử nitrat thành khí nito diễn ra trong các điều kiện thiếu khí. Sự hình thành nitrat sinh học từ nito dạng amoni (NH4+) và các điều kiện hiếu khí (quá trình nitrat hóa), diễn ra theo hai giai đoạn riêng biệt:
35 4 2 2 2 2NH 2O 2NO 2H 2H O (amoni → nitrit) 2 2 3 2NO O 2NO (nitrit → nitrat) Tổng quát: NH4 2O2 NO3 H O2
Do bƣớc thứ hai diễn ra với tốc độ nhanh hơn bƣớc đầu tiên, nên nitrit không đƣợc tích lũy trong hầu hết các bể phản ứng sinh học. Tuy nhiên, vì những vi sinh vật này là tự dƣỡng, do đó sự sinh trƣởng của chúng chậm hơn, nên chúng cần SRT tƣơng đối dài để tích lũy và thực hiện quá trình nitrat hóa triệt để. Đây là một ƣu điểm khác của MBR.
Photpho trong nƣớc thải tồn tại ở dạng photphat (octophotphat, photphat ngƣng tụ, photphat hữu cơ), và nó có thể bị loại bỏ bởi sự lắng đọng và/hoặc hấp phụ, hoặc bởi sự hấp thụ bậc cao. Chỉ một lƣợng nhỏ photpho đƣợc sử dụng cho chuyển hóa tế bào và sự sinh trƣởng. Các quá trình kết tủa và hấp phụ yêu cầu pH thích hợp, sự có mặt của các ion sắt hoặc canxi, vv. Quá trình loại bỏ photpho trong hệ thống MBR 2 bậc hiếu khí và thiếu khí đƣợc tăng cƣờng hơn rất nhiều bởi các sinh vật tích lũy photpho (PAOs) đƣợc giữ lại trong bể sinh học, màng MF đóng vai trò nhƣ một rào chắn cơ học giữ lại các PAOs trong bể, sinh khối trong bể không bị mất mát đủ để quá trình loại bỏ photpho xảy ra hiệu quả. Trong điều kiện hiếu khí ở bể oxic, các PAOs tích lũy photpho đơn dƣới dạng photpho trùng ngƣng trong cơ thể (HPO3). Trong điều kiện thiếu khí ở bể anoxic (chỉ có mặt nitrat), quá trình tích lũy photpho cũng xảy ra, vi sinh vật tích lũy photpho có khả năng khử nitrat [37].
Nƣớc sau xử lý qua màng vào trong các sợi rỗng và đƣợc bơm ra ngoài bể chứa bằng bơm dòng thấm. Dòng không khí đƣợc tạo ra dƣới đáy của modun màng để tạo ra sự xáo trộn giúp cọ rửa mặt ngoài các sợi màng, do đó làm giảm sự tích tụ của các chất rắn trên bề mặt màng. Quá trình làm sạch màng đƣợc thực hiện định kỳ để giảm sự tắc màng và duy trì thông lƣợng ổn định cho màng. Modun màng với các sợi rỗng đƣợc làm từ chất liệu Polyvinylidene fluoride (PVDF) với diện tích bề mặt 1 m2 và kích thƣớc lỗ 0,45 µm đã đƣợc sử dụng. Hệ thống hoạt động dƣới điều kiện các màng đƣợc bơm hút chân không áp suất thấp (10 – 15 kPa) bởi bơm tách dòng thấm. Quá trình lọc
36
định kỳ và thời gian nghỉ của màng tƣơng ứng là 60 phút và 10 phút. MBR hoạt động theo chế độ dòng vào liên tục và không xảy ra hiện tƣợng mất mát bùn.
(a) (b)
Hình 2.2. (a) Hệ thống MBR thực nghiệm; (b) Màng MF