Công nghệ MBBR là quá trình xử lý sinh học hiệu quả cao được phát triển dựa trên công nghệ bùn hoạt tính truyền thống và công nghệ màng sinh học. Bể phản ứng MBBR làm việc ở chế đ khuấy tr n hoàn chỉnh, vận hành liên tục và ở đây sinh hối sinh trưởng trên vật liệu mang được giữ ở chế đ chuyển đ ng trong ng nước thải nhờ tác dụng của ngoại lực.
Phương há màng sinh học đệm chuyển đ ng có thể sử dụng trong cả điều kiện hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí phụ thu c vào cách khuấy tr n vật liệu mang. Các giá thể nhựa được thiết kế đặc biệt để giữ vi sinh vật bám nh lơ lửng kh nơi
trong bể phản ứng ua uá trình sục khí, tuần hoàn hoặc khuấy tr n cơ học. Giá thể được đổ đầy từ 25÷67% thể tích chất lỏng trong bể. Thông số này được gọi là đ đổ đầy của giá thể. ưới ch n hay còn gọi là sàng ch n thông thường được n đặt trên tường bể cho hé nước thải đi tới các bước xử lý tiếp theo trong khi giá thể vẫn được giữ lại. Bể phản ứng thực hiện quá trình oxy hóa cacbon (xử lý chất hữu cơ) nitrate hóa, hay kết hợp cả 2 quá trình trên dùng hệ thống cấ h để có thể khuấy tr n đều giá thể và đạt được n ng đ DO mong muốn. Giá thể trong bể thực hiện quá trình denitrification được phân phối đều nhờ hệ thống khuấy tr n cơ h 20].
Bể phản ứng màng sinh học đệm chuyển đ ng (Moving Bed Biofilm Reactors – MBBR) là m t công nghệ đơn giản nhưng hiệu quả, linh hoạt và nhỏ gọn để xử lý nước thải. Công nghệ MBBR có hiệu quả cao trong việc loại bỏ BOD, oxy hóa amoni và các ứng dụng loại bỏ nitơ trong m t loạt cấu hình xử lý khác nhau.
Nguy n t c hoạt động
Nước thải đầu vào đã tối ưu hóa các điều kiện hóa – lý cho sinh trưởng của vi sinh vật được dẫn vào bể phản ứng . inh trưởng của vi sinh vật trên vật liệu mang tạo thành màng sinh học có hoạt tính cao (có thể kể cả vi sinh vật sinh trưởng lơ lửng) đ ng thời tiêu thụ các chất ô nhiễm cần xử lý và tạo ra lượng bùn ư nhất định. Trong bể có hệ thống sục khí và/ hoặc cánh khuấy cơ h để tạo chế đ chuyển đ ng của vật liệu mang tùy theo chế đ làm việc aerobic, anoxic hay anaerobic. Nước sau xử lý được dẫn ra ngoài qua tấm lưới ch n để ngăn vật liệu mang cùng theo ra.
MBBR là sự kết hợp của công nghệ bùn hoạt t nh với hệ thống màng sinh học đ ng thời hạn chế những điểm chưa hiệu uả của hai công nghệ này
- Giống như các uá trình màng sinh học đệm ngậ nước khác, MBBR có các giá thể mang sinh khối có t nh đặc hiệu cao (g m cả hiếu khí, thiếu khí, kỵ khí) do đó sẽ giảm được tối đa thể tích bể phản ứng và nâng cao hiệu suất xử lý.
- Không giống như hầu hết các quá trình màng sinh học đệm ngậ nước khác, MBBR là m t quá trình dòng chảy liên tục không cần rửa ngược để duy trì lưu lượng và hiệu suất o đó chi h ban đầu giảm và vận hành dễ dàng.
- Bể phản ứng đệm chuyển đ ng có tính linh hoạt và sơ đ công nghệ đơn giản tiết kiệm chi phí cho sử dụng bơm trung gian o nước của các bể trong chuỗi công nghệ tự chảy tràn sang bể kế tiếp của quá trình xử lý.
1.4.2. iá thể cho công nghệ MBBR
Nhân tố quan trọng của quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR là các giá thể đ ng 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 sinh học dính bám trên bề mặt của giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt đ ng của vi sinh vật khi những giá thể này lơ lửng trong nước.
Giá thể phải có diện tích bề mặt lớn và có kết cấu bảo vệ để vi sinh vật sinh trưởng nhưng hông bị bong tróc và phải đủ nhẹ để chuyển đ ng mà tiêu tốn t năng lượng. Giá thể thương mại trên thị trường thế giới há đa ạng hong h nhưng trong số đó ng sản phẩm nox Kal nes (hãng Veolia Phá ) tương đối nổi bật hơn ( ảng 1.6). Giá thể thường được chế tạo từ HD polyethylene, nổi nhẹ trên mặt nước và có khối lượng riêng từ 0,94÷0,96 g/cm3. Cả giá thể mới và giá thể đã được màng sinh học bao phủ đều có xu hướng trôi nổi trong môi trường nước tĩnh.
Giá thể có hình trụ với m t số giá chéo nhau bên trong và nhiều lá bên ngoài. Bề mặt riêng của vật liệu mang thương mại khoảng 200÷1200m2/m3 với chiều dài 2÷5 mm và đường kính 9÷64mm. M t thế hệ giá thể mới của hãng Industrial Water Engineers (IWE) - ioChi T được giới thiệu gần đây có bề mặt riêng khá lớn 3000 m2/m3 [26].
Khi vận hành, giá thể được phân phối đ ng đều trong khối chất lỏng nhờ hệ thống cấp khí, tuần hoàn chất lỏng, hay hệ thống khuấy tr n cơ h . àng sinh học chủ yếu phát triển trên bề mặt được bảo vệ bên trong của giá thể. Vì lý do này, diện tích bề mặt riêng của giá thể liệt kê trong bảng 1.6 loại trừ diện tích các khu vực không phải bên trong giá thể.
Bảng 1.6: Giới thiệu một số loại giá thể sử d ng cho hệ thống MBBR trên thế giới [15] [26]
Hãng sản xuất Tên màng Diện t ch bề mặt riêng, khối lư ng, khối lư ng riêng K ch thước (chiều cao, đường k nh) Hình ảnh Veolia Inc. AnoxKaldnesTM K1 500 145 kg/ 0,96 – 0,98 7,2 mm; 9,1mm AnoxKaldnesTM K3 500 145 kg/ 0,96 – 0,98 10 mm; 25mm AnoxKaldnesTM Biofilm Chip (M) 1200 145 kg/ 0,96 – 0,98 2.2 mm; 45mm Infilco Degremont Inc. ActiveCellTM 920 680 3 mm; 45mm ActiveCellTM 515 485 144 kg/ 0,96 15 mm; 22mm Aquise ABC5TM 660 150 kg/ 0,94 – 0,94 12 mm; 12mm Entex Technologies Inc. BioPortzTM 589 14 mm, 18mm Industrial Water Engineers (IWE) BioChipTM MBBR 3000 170 kg/m3 0,8mm; 22 mm
Những nghiên cứu hác nhau đã chứng minh rằng n ng đ sinh khối trên m t đơn vị thể tích của bể là 3÷4 kg SS/m3, giống quá trình xử lý bằng bùn hoạt t nh 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 đ ng xảy ra khi các giá thể chuyển đ ng trong bể lớn, các giá thể va chạm vào nhau, làm cho lớp màng hình thành trong giá thể dễ bong tróc và giảm hiệu quả của quá trình xử lý.
1.4.3. Sàng ch n giá thể
Giá thể được giữ lại trong bể MBBR nhờ sàng hình trụ theo chiều ngang hay sàng phẳng theo chiều dọc. Vùng hiếu h thường dùng sàng hình trụ, vùng hiếm h thường ùng sàng tường phẳng. Sàng hình trụ mở r ng (kéo dài ra) theo chiều ngang vào trong các dòng chảy lên của bong bóng khí tạo ra bởi hệ thống sục khí. Kết quả là, khí sẽ xối vào các mảnh vụn t ch lũy trên bề mặt của sàng. Loại bỏ các mảnh bị giữ lại trên sàng sẽ hỗ trợ cho việc thông nước trong bể. Sàng và các b phận n rá thông thường được chế tạo từ thé hông gỉ 21].
1.4.4. ệ th ng cấp h
Khí khuếch tán có áp suất thấ được sử dụng trong bể MBBR hiếu khí. Dòng h đi vào bể phản ứng thông qua hệ thống các ống dẫn và hệ thống sục h được g n h a ưới của bể. Dòng khí trong bể có 2 mục đ ch là đạt được DO cần thiết và phân phối đều giá thể trong kh p bể MBBR hiếu khí.
Để th c đẩy sự phân phối đ ng đều của giá thể, sự bố tr hung lưới khuếch tán khí và sự s p xế đường ống tạo ra ng nước cu n tuần hoàn như minh họa:
ình 1.1 Mô hình nước cuộn trong bể MBBR hiếu h (b n trái) và ỵ h (b n phải) [20]
1.4.5. ệ th ng huấy trộn cơ h
Bể đề nitrat sử dụng hệ thống khuấy tr n cơ h để khuấy tr n nước thải và phân phối đều giá thể trong bể. Thường sử dụng mô tơ g n chìm như hình 1.7. Hệ thống mô tơ tiên tiến hiện nay thông thường có tốc đ lớn nhất là 120 vòng/phút (rpm - revolutions per minute), và có ít nhất 3 cánh quạt trên mỗi cánh khuấy tr n. Hệ thống khuấy tr n cơ h cần được tính toán tối ưu để đạt được mục tiêu thiết kế và giảm thiểu sự hư hỏng của cánh khuấy do sự mài mòn gây ra từ sự tiếp xúc của cánh khuấy và giá thể chuyển đ ng.
1.4.6. iai đoạn tiền xử lý
Giống với nhiều công nghệ màng sinh học ngậ nước khác, MBBR cần phải có tiền xử lý phù hợp. Sàng ch n và tách cặn tốt là cần thiết để ngăn ngừa sự tích lũy lâu ài của vật liệu trơ hông mong muốn trong MBBR, chẳng hạn như vải vụn, nhựa và cát. Những vật liệu này rất hó để loại bỏ m t hi ch ng đã vào bể phản ứng, bởi vì bể phản ứng được chứa đầy m t phần giá thể.
1.4.7. Một s sơ đ cấu tr c ng với bể phản ứng MBBR
Các yếu tố ảnh hưởng đến quyết định lựa chọn sơ đ công nghệ MBBR: • Những đặc trưng của nước thải;
• Mặt bằng và profile thủy lực đường ống;
• Khả năng cải tạo và tận dụng các công trình đã có; • Mục tiêu xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn đầu ra.
Hiện nay, công nghệ được phát triển với đa ứng dụng điển hình là khử BOD, khử nitơ và hử phôtpho. Bảng 1.7 đưa ra m t số sơ đ công nghệ với bể phản ứng MBBR cho các mục đ ch trên. Bảng 1.7: Một số cấu trúc d ng với bể phản ứng MBBR [21] Khử COD/ BOD 1. Có bổ sung hóa chất eo tụ để xử lý photpho
2. MBBR cao tải 3. tiền xử lý cho bể hản ứng bùn hoạt t nh
Quá trình nitrat hóa
1. ố bể s hụ thu c vào đặc trưng nước thải 2. xử lý bậc ba sau bể hản ứng bùn hoạt t nh 3. T ch hợ MBBR vào cuối bể hản ứng bùn hoạt t nh Khử nitrogen 1. Tiền xử lý N và có thể bổ sung hóa chất eo tụ xử lý P 2. Hậu xử lý N và có thể bổ sung hóa chất eo tụ xử lý P 3. Khử N tổ hợ và có thể bổ sung hóa chất eo tụ xử lý P
4. Hậu xử lý N sau bể hản ứng bùn hoạt tính 5. T ch hợ MBBR vào cuối bể hản ứng bùn hoạt tính Ghi chú: Hình chữ nhật có dấu chữ thập là bể MBBR.
Với những điều kiện thích hợ cho sinh trưởng của vi sinh vật như ngu n dinh ưỡng, khoáng chất, nhiệt đ , pH, DO, các chất kìm hãm và chất đ c, thế oxy hóa khử …, các vi sinh vật sẽ phát triển sinh khối và tiêu thụ các chất ô nhiễm trong nước thải theo những cơ chế khác nhau.
* MBBR tốc độ cao
Bể phản ứng đệm chuyển đ ng có thể được xem xét khi cần m t hệ thống nhỏ gọn, tốc đ cao để đá ứng các tiêu chuẩn xử lý thứ cấp. Trong các ứng dụng tốc đ cao, MBBR hoạt đ ng trong điều kiện tải trọng hữu cơ đầu vào cao, với mục đ ch ch nh là tách loại BOD hòa tan và dễ phân hủy của dòng vào. Vấn đề cần giải quyết là giảm sự bong tróc lớp màng sinh học trong điều kiện tải. Do vậy, MBBR tốc đ cao được kết hợp với quá trình keo tụ và tạo bông, xử lý tuyển nổi, hoặc tách loại chất r n [11].
* MBBR tốc độ trung bình
MBBR tốc đ trung bình được áp dụng như m t hương há xử lý thứ cấp trong chuỗi xử lý. Trong những trường hợ này được thiết kế với tốc đ tải trọng hữu cơ từ đến 10g BOD7/m2.ngày ở 10°C và kết hợp với thêm hóa chất tạo bông để tách loại hot ho và tăng cường tách pha r n.
Ghi chú: BOD5/BOD7 = 0,86.
* MBBR tốc độ thấp
Thiết kế tải trọng thấ nên xem xét đối với bể phản ứng nitrat hóa. Điều này gi đảm bảo rằng tốc đ nitrat hóa cao có thể đạt được trong bể phản ứng đệm chuyển đ ng nitrat hóa và là thiết kế kinh tế nhất.
Lựa chọn tải OD uá cao cho giai đoạn xử lý tách loại hữu cơ trước đó ảnh hưởng đến giai đoạn xử lý nitrat hóa. Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc đ nitrat hóa là 0,8g/m2.ngày khi tải BOD là 2g/m2.ngày và n ng đ oxy hòa tan là 6mg/l nhưng sẽ giảm khoảng 50% nếu tải OD tăng đến 3g/m2.ngày. Trong trường hợp này, người vận hành có thể điều chỉnh bằng cách tăng n ng đ oxy h a tan cao hơn để gi bù đ cho điều kiện bất lợi hoặc tăng thêm giá thể để giảm tốc đ tải trọng diện tích bề mặt. Tuy nhiên điều quan trọng cần lưu ý rằng đây hông hải là lựa chọn hiệu quả về mặt kinh tế khi xem xét thiết kế. Thay vào đó hương há tiếp cận thiết kế ưa th ch sẽ là ước lượng được thiết kế để loại bỏ BOD bằng cách sử dụng tốc đ tải trọng thấp ở mức vừa phải, để có thể đạt được hiệu quả nitrat hóa tối đa trong các .
Khi thiết kế tải trọng thấp quan trọng nhất là lựa chọn tốc đ tải trọng diện tích bề mặt vừa phải, tiếp theo là yếu tố nhiệt đ phù hợp có thể được sử dụng để điều chỉnh tốc đ tải trọng diện tích bề mặt dựa trên nhiệt đ nước thải [10].
Trong đó
LT - tải trọng ở nhiệt đ T, và L10 = 4,5 g/m2.ngày tại 10oC.
1.4.8. T nh toán bể phản ứng MBBR
Quá trình thông thường có thể được tính toán theo các mô hình toán học giành cho các quá trình màng sinh hóa (khuếch tán, thủy phân, hô hấp n i sinh, bong tróc …). Các nhà cung cấp công nghệ MBBR đều áp dụng cách tính này với các sản phẩm của họ [13].
1.4.9. Tổ hợp sinh học MBBR trong ph ng th nghiệm
Hình 1.2 Mô hình hệ th ng MBBR tại ph ng th nghiệm
Ghi chú:
Dấu “+” Đệm chuyển đ ng (moving bed); (1): Bể kị khí;
(2): Bể thiếu khí, tiền xử lý nitơ (Pre-Denitrification); (3): Bể hiếu khí oxy hóa cacbon và nitrat hóa;
(4): Bể hiếu khí nitrat hóa (Nitrification);
(5): Bể thiếu khí, hậu xử lý nitơ (Post-Denitrification); (6): Bể l ng.
Thuyết minh sơ đ công nghệ
Nước rỉ rác được xử lý keo tụ bằng PAC (Poly Aluminium Chloride và kết tủa nitơ theo hương há P ( agnesium – ammonium – hos hate) để tách loại các chất đ c, tạp chất, các muối kim loại nặng, giảm tải lượng amoni trước khi vào cụm bể MBBR. Cụm bể MBBR có 3 vùng: yếm khí (anaerobic), thiếu khí (anoxic) và hiếu h (aerobic). Vùng thiếu h g m 2 bể Pre – anoxic và post – anoxic.
Bể yếm khí có tác dụng hủy phân, chặt nhỏ các chất hữu cơ hân tử lớn thành dạng có phân tử nhỏ hơn hoặc không tan thành dạng tan.
Bể oxic có 2 bậc. M t bậc sẽ khử BOD và m t phần NH4–N, bậc còn lại sẽ tiến hành quá trình nitrat hóa. Oxy hóa amoni riêng rẽ có tính linh hoạt cao dễ kiểm soát hiệu quả của quá trình.
Sử dụng kết hợp bể pre – anoxic và post – anoxic để loại bỏ triệt để lượng nitơ (N) có trong nước thải và tận dụng được ưu điểm về tính kinh tế của bể pre – anoxic (do không phải bổ sung lượng cacbon bên ngoài) và nâng cao hiệu suất của bể post – anoxic.
Bể pre – anoxic: Tiền đề nitrat khử 1 phần trong nước thải do dòng n i tuần hoàn từ bể oxic – nitrat hóa tuần hoàn về và có trong nước thải o đầu vào. Trong điều kiện nước thải có n ng đ BOD5 d i dào, bể tiền xử lý khử N có thể đạt được 50÷70% N bị loại bỏ.
Bể Post – anoxic: Sử dụng ngu n Cacbon bổ sung bên ngoài được đặt sau cụm bể oxic, có nhiệm vụ tăng cường hiệu quả khử nitrat để đạt tới tiêu chuẩn thải đặt ra.
Xử lý yếm khí:
Hoạt đ ng của vi sinh yếm khí tạo ra khí metan và carbon dioxit. Trong quá