Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đã hình thành và phát triển hơn 100 năm qua và chủ yếu có các phương pháp sau: bùn hoạt tính hiếu khí, kị khí, kị khí - hiếu khí, kị khí - thiếu khí - hiếu khí, SBR, UASB và kỹ thuật cố định màng sinh học...
Từ những năm 1960 - 1970, người ta đã áp dụng phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí vào xử lý nước thải khí hóa than, cốc hóa, tuy nhiên hiệu quả của quá trình xử lý này không cao, thời gian xử lý kéo dài từ 72 - 96h, thậm chí lên tới 120h. Nước thải khí hóa than có thành phần phenol có nồng độ cao, gây ức chế và kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật trong bùn hoạt tính, ảnh hưởng đến hoạt lực và hiệu suất tiêu thụ các chất gây ô nhiễm của bùn hoạt tính, thậm chí có thể làm cho hệ vi sinh vật trong bể phản ứng không phát triển được.
Đối với quá trình xử lý này thời gian lưu và hiệu quả xử lý NH4+-N có quan hệ mật thiết với nhau. Khi thời gian lưu đủ dài thì hiệu quả của quá trình nitrat hóa, cùng với đó các hợp chất hữu cơ chứa nitơ dễ bị phân hủy hơn. Hiệu suất loại bỏ NH4+-N của phương pháp này có thể đạt tới 90%. Tuy nhiên quá trình vẫn tồn tại một số nhược điểm như: hiệu quả xử lý chất ô nhiễm thấp, hoạt lực của vi sinh vật không ồn định khiến quá trình vận hành khó khăn, khó đạt được tiêu chuẩn xả thải và không đáp ứng được yêu cầu xử lý thực tế. Ngoài ra, phương pháp này còn nhược điểm nữa là thời gian lưu của nước thải kéo dài,
phải cung cấp một lượng lớn không khí dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giá thành xử lý cao.
Trong giai đoạn 1970 - 1980, nước thải khí hóa than được xử lý chủ yếu bằng phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí hai cấp, hoặc hấp phụ - bùn hoạt tính hiếu khí, các công nghệ này cho hiệu quả xử lý không cao, đặc biệt là khả năng loại amoni, COD và độ màu. Quá trình vận hành không ổn định, các điều kiện vận hành như pH và nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả xử lý [37].
Những năm 90 của thế kỷ trước trở lại đây, các nghiên cứu và ứng dụng để xử lý nước thải than khí hóa thường tập trung vào các phương pháp sau: thiếu khí - hiếu khí (AO), A2O, UASB, SBR, FBR...Tuy nhiên các phương pháp AO, A2O bùn hoạt tính và màng sinh học được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn cả.
Công nghệ AO bùn hoạt tính.
Nguyên lý của công nghệ này dựa vào các quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa của vi sinh vật để loại bỏ +
4
N H -N. Với công nghệ AO, tại bể thiếu khí sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ và phản nitrat. Các hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ cung cấp nguồn cacbon, tăng độ kiềm cho quá trình nitrat hóa. Tại bể hiếu khí, sau khi phản ứng nitrat diễn ra, một phần các thành phần -
2
NO ,NO-3và bùn hoạt tính sẽ được hồi lưu lại để tiến hành phản ứng phản nitrat hóa, phần lởn các chất hữu cơ bị phân hủy, đồng thời hoàn thành quá trình nitrat hóa.
Công nghệ A2O (kị khí - thiếu khí - hiếu khí) bùn hoạt tính.
Công nghệ này lợi dụng quá trình axỉt hóa các chất ô nhiễm của phản ứng kị khí để phân hủy các chất ô nhiễm. Nhờ vào quá trình này nồng độ chất ô nhiễm và độc tính của nước thải được giảm thiểu, khả năng phân hủy sinh học được tăng lên. Khi đó hiệu quả quá trình phân hủy sinh học sẽ được tăng lên, khiến cho được hiệu suất loại bỏ NH4+-N của các quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa được nâng cao [13], [29], [43], [50], [51], [52], [58], [59].
Kết quả nghiên cứu của tác giả Min Zhang [32] cho thấy quá trình này có thể loại bỏ COD từ nồng độ 1300 mg/L xuống còn 245 mg/L, NH4+-N từ 190
mg/L xuống còn 19,6 mg/L, hiệu suất xử lý đạt tương ứng là 85,4 và 92%. Tuy nhiên kết quả cuối cùng thì nước thải vẫn chưa đạt tiêu chuẩn xả thải với yêu cầu các chỉ số COD, NH4+-N tương ứng phải nhỏ hơn 100 và 15 mg/L. Để đạt được tiêu chuẩn xả thải, sau toàn bộ quá trình xử lý trên, nhóm tác giả đã phải tiếp tục sử dụng PAC để hấp phụ loại bỏ các chất ô nhiễm trước khi xả thải.
Công nghệ A2O (Anaerobic - Anoxic - Oxic) - màng sinh học lưu động MBBR (Moving Bed Biological Reactor).
Kỹ thuật màng sinh học giá thể lưu động MBBR là bước tiến lớn của kỹ thuật xử lý nước thải. Màng sinh học giá thể lưu động trong bể phản ứng được cấn tạo từ các giá thể đơn lẻ bổ sung vảo bể phản ứng với các tỷ lệ khác nhau. Giá thể được sử dụng có nhiều hình dạng, kích thước trong đó dạng hình cầu và dạng hình lập phương được sử dụng phổ biến bởi vì hai loại giá thể này có ưu điểm: diện tích tiếp xúc với nước thải lớn: từ 400 m2 - 1200 m2, dễ chế tạo, giá thành rẻ, được chế tạo từ các vật liệu nhựa thông dụng trên thị trường.
Khi hệ vi sinh vật trong nước thải tiếp xúc với bề mặt và các lớp bên trong giá thể, sau thời gian 15 - 30 ngày sẽ hình thành nên các màng vi sinh trên giá thể từ ngoài vào trong với mật độ vi sinh vật hữu ích cao. Do điều kiện nồng độ oxi ở các vị trí ngoài, trong khác nhau, do đó trên các giá thể lưu động hệ vi sinh sẽ hình thành nhiều dạng trao đổi chất khác nhau: hiếu khí - thiếu khí - kị khí (từ ngoài vào trong) dẫn đến nâng cao được khả năng phân hủy các chất ô nhiễm của hệ phản ứng.
Bên cạnh đó nhờ có giá thể mà ảnh hưởng tác động của áp lực nước lên hệ vi sinh vật được giảm thiểu tối đa qua đó giúp cho hệ vi sinh vật hoạt động ổn định hơn, cường độ trao đổi chất cao hơn, vì vậy hiệu quả xử lý được nâng cao hơn nhiều so với hệ thống xử lý không có giá thể.
Với hàm lượng không khí cung cấp cho quá trình xử lý hiếu khí đủ đảm bảo để giá thể lưu động tự do trong nước vì giá thể rất nhẹ, xấp xỉ trọng lượng
riêng của nước. Do đó hệ vi sinh vật trên giá thể được di động khắp nơi trong bể (di chuyển theo các phương: lúc lên, lúc xuống, lúc sang trái, lúc sang phải) trong bể phản ứng. Chính nhờ vào các điều kiện này khiến cho hiệu suất tiếp xúc giữa vi sinh vật và chất ô nhiễm được tăng cao, từ đó nâng cao cường độ trao đổi chất và phân hủy các chất thải của hệ vi sinh vật.
Ưu điểm của màng sinh học lưu động MBBR so với màng sinh học truyền thống được chỉ ra trên bảng 1.5. Ngày nay, các giá thể MBBR thương mại được ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt đô thị và nước thải công nghiệp [61], [57], [22], [20], [48].
Công nghệ này có ưu điểm:
1. Do có thể diễn ra đồng thời nhiều quá trình sinh học (kị khí, thiếu khí, hiếu khí, phản nỉtrat-nitrat...) trong một bể phản ứng (đặc biệt là tại bể hiếu khí) nên hiệu quả xử lý cao, nước thải được xử lý triệt để. Nước thải sau xử lý dễ dàng đạt tiêu chuẩn quốc gia.
2. Lượng sinh khối vi sinh lớn có thể nâng cao được hiệu suất xử lý của thiết bị từ đó tiết kiệm được thể tích xây dựng bể phản ứng.
3. Thời gian lắng của bùn hoạt tính nhanh hơn, lượng bùn hoạt tính còn sót lại trong quá trình lưu động thấp.
4. Diện tích xây dựng nhỏ, thiết bị đơn giản khiến cho quá trình vận hành thuận tiện, dễ dàng tăng công suất khi có nhu cầu mà không cần xây dựng thêm hệ thống. Trong xử lý không yêu cầu bổ sung thêm dinh dưỡng.
5. Nâng cao được hiệu suất tiêu thụ các chất hữu cơ của các vi sinh vật dị dưỡng. 6. Khả năng vận hành ổn định, giảm thiểu được tác động của áp lực nước lên hệ vi sinh vật.
7. Có thể tiến hành xử lý với nhiều loại nước thải công nghiệp, đặc biệt là đối với loại nước thải có hàm lượng COD và hàm lượng chất ô nhiễm cao, rất khó phân hủy sinh học.
của các phương pháp sinh học điển hình
TT Đặc tính Kị khí Hiếu khí MBBR
1 Hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ Trung bình Cao Cao 2 Chất lượng nước sau khi xử lý Trung bình Cao Tốt 3 Tải trọng hữu cơ xử lý Cao Trung bình Cao
4 Sản lượng bùn Thấp Cao Cao
5 Lưu giữ sinh khối Thấp Thấp Toàn bộ
6 Yêu cầu chất dinh dưỡng Thấp Cao Cao
7 Yêu cầu độ kiềm Cao Thấp Thấp
8 Yêu cầu năng lượng Thấp Cao Cao
9 Độ nhạy nhiệt độ Thấp Thấp Thấp
10 Thời gian khởi động 2- 4 tháng 2-4 tuần 1 tuần
11 Phục hồi năng lượng Có Không Không
Từ những ưu điểm trên, bằng kết quả thực nghiệm tác giả Seyyed Ali Akbar Nakhli [48] cho thấy hiệu quả xử lý bằng công nghệ A2O màng sinh học lưu động, với nước thải ban đầu có nồng độ phenol tương ứng là: 800 mg/L, sau khi xử lý bằng công nghệ A2O màng sinh học lưu động với thời gian lưu là 18h thì 99% phenol đã được loại bỏ.
Zi Xing Wang [61] sử dụng công nghệ A2O màng sinh học lưu động xử lý nước thải khí hóa than với hiệu suất loại bỏ COD, +
4
N H -N, phenol là 97,4%, 92,8% và 99,7%. Hàm lượng COD, +
4
N H -N, phenol còn lại trong nước thải 71,0 mg/L, 9,6 mg/L và 3,0 mg/L.
Dưới đây là một số hình ảnh về sử dụng màng sinh học giá thể lưu động kết hợp với các phương pháp sinh học để xử lý nước thải.
Hình 1.3: MBBR trong bể kị khí Hình 1.4: MBBR trong bể hiếu khí
Hình 1.5: Công nghệ A2O - MBBR