Biofilm tầng tĩnh được ứng dụng rất phổ biến trong xử lý nước thải nhiễm dầu bởi sự đơn giản trong vận hành hệ thống cũng như đem lại hiệu quả trong quá trình xử lý. Kỹ thuật biofilm tầng tĩnh thường sử dụng các vật liệu mang đơn giản, rẻ tiền có những đặc điểm phù hợp (diện tích bề mặt lớn, bề mặt gồ ghề, …) cho sự tạo biofilm của vi sinh vật như sỏi nhẹ, xốp mút, sơ dừa và một số vật liệu polymer [61].
Trên thực tế ở các hệ thống xử lý sinh học để tăng hiệu quả xử lý thì việc sục khí để bổ sung oxygen tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động là cần thiết. Hơn nữa quá trình phân hủy hiếu khí các thành phần dầu diễn ra trong thời gian ngắn hơn rất nhiều so với phân hủy kỵ khí, nên trong công nghệ biofilm nói chung việc ưu tiên sử dụng các chủng vi sinh vật hiếu khí được triển khai ở hầu hết các hệ thống xử lý [62]. Trong kỹ thuật biofilm tầng tĩnh tùy thuộc vào chủng vi sinh vật sử dụng mà các tấm bùn được cung cấp không khí trong quá trình xử lý hoặc không. Một số công nghệ sử dụng tấm bùn kỵ khí như upflow anaerobic sludge blanket (UASB), công nghệ sử dụng tấm bùn có cung cấp không khí như biological aerated filter (BAF). Các hệ thống
được đề xuất trong xử lý nước thải nhiễm dầu cũng khá đa dạng, trong đó có sự kết hợp giữa việc sử dụng hệ thống màng (các tấm bùn) với xử lý bằng vi sinh vật ở dạng bùn hoạt tính hay dạng tế bào tự do; hoặc kết hợp giữa UASB với BAF. Tong và cs [63] đề xuất một hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu áp dụng kỹ thuật biofilm tầng tĩnh kết hợp với sử dụng bùn hoạt tính đem lại khả năng xử lý 64% COD sau 18h, hệ thống đem lại hiệu quả xử lý tốt các thành phần n- alkanes (C15 – C23). Zou [64] sử dụng hệ thống bao gồm 01 hệ thống các tấm bùn kỵ khí ngược dòng (Upflow anaerobic sluge blanket – UASB) và 02 hệ thống tấm bùn hiếu khí (Biological aerated filter - BAF) cho hiệu quả xử lý 90,2% ammonia nitrogen, 90,8% dầu tổng số và 86,5% PAH.
Hình 1.5. Hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu áp dụng kỹ thuật biofilm tầng tĩnh [63]
(1-Đường cấp nước thải; 2-Bể điều hòa; 3-Van điều chỉnh; 4-Máy bơm; 5-Van cấp dinh dưỡng; 6-Bể xử lý bằng bùn hoạt tính; 7-Bể lắng; 8-Bể xử lý bằng màng sinh học; 9-Hệ thống tấm bùn; 10-Đầu nước thải ra; 11-Bơm sục khí; 12-Van xả bùn)
Trong công nghệ biofilm một trong những yếu tố quyết định đến hiệu quả xử lý đó chính là khả năng khuếch tán của các vật chất ô nhiễm trong nước thải vào hệ thống màng sinh học, ở các kỹ thuật lọc ngang, lọc ngược dòng và lọc xuôi nước thải được tiếp xúc với tấm bùn theo một chiều nhất định nên sự khuếch tán của chất ô nhiễm diễn ra theo chiều chuyển động của dòng chảy. Để tăng hiệu quả xử lý của biofilm tầng tĩnh, công nghệ đĩa quay sinh học (RBCs) được nghiên cứu và ứng dụng. Trong công nghệ RBCs các tấm bùn được gắn trên một rotor quay giúp tăng khả năng khuếch tán chất ô nhiễm vào hệ thống màng sinh học cũng như tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động, từ đó tăng hiệu quả và thời gian xử lý ô nhiễm. Hệ thống đĩa quay sinh học RBC sử dụng biofilm đơn chủng Pseudomonas alkanolytica ATCC 21034 được ứng dụng trong xử lý các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu, kết quả xử lý đạt 87,9% lượng dầu tổng số với 4 hệ thống đĩa quay, hiệu suất xử lý đạt cao nhất ở nồng độ dầu tổng số trong nước thải là 2% v/v [60].
Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng mặc dù cùng sử dụng tác nhân vi sinh vật trong xử lý nhưng công nghệ biofilm đem lại hiệu quả xử lý cao hơn hẳn so với các phương pháp sinh học hiện tại đang ứng dụng. Biofilm chủng nấm men Candida tropicalis trên vật liệu mang sỏi có khả năng phân hủy nhanh và hiệu quả các thành
phần của dầu diesel, hiệu quả xử lý đạt 98% sau 10 ngày cao hơn hẳn so với nấm men ở dạng tự do hiệu quả xử lý chỉ đạt 80% ở cùng thời gian xử lý [65]. Tác giả Chavan & Mukherji [66] đã sử dụng biofilm đơn chủng vi khuẩn Burkholderia cepacia trong xử lý nước thải nhiễm dầu diesel, kết quả cho hiệu quả xử lý trên
95% các thành phần n-ankane từ C9-C20 sau 15 ngày xử lý.
Bằng việc kết hợp được sự an toàn và hiệu quả của phương pháp xử lý sinh học trong xử lý nước thải nhiễm dầu, công nghệ biofilm đã tạo nên một bước tiến trong nâng cao hiệu quả xử lý của phương pháp sinh học. Và ngay cả các hệ thống thiết kế ứng dụng công nghệ biofilm cũng được nghiên cứu cải tiến để tăng hiệu quả xử lý cũng như đơn giản hơn trong quá trình vận hành hệ thống.
Kỹ thuật biofilm chuyển động sử dụng các vật liệu xốp (hoặc không xốp) có diện tích bề mặt lớn. Các vật liệu này được thiết kế sao cho dễ dàng chuyển động lơ lửng trong bể phản ứng dưới tác động của dòng chảy chất lỏng và hệ thống sục khí. Kỹ thuật biofilm chuyển động kết hợp hài hòa giữa việc đơn giản trong điều kiện vận hành và hiệu quả xử lý cao bằng việc sử dụng các vật liệu có diện tích bề mặt lớn. So với kỹ thuật tầng tĩnh, kỹ thuật biofilm chuyển động có hiệu quả xử lý cao hơn 3-4 lần, nhưng chỉ bằng 70-80% so với kỹ thuật tầng lưu thể. Kỹ thuật biofilm chuyển động hiện nay được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải ở quy mô nhỏ (dưới 100.000 gallon/ ngày tương đương khoảng 378.500 lít/ngày) [67].
Hệ thống MBBR khá đơn giản nên dễ dàng thiết kế cũng như thuận lợi trong quá trình vận hành. Shokohi và cs [68] thiết kế hệ thống MBBR để xử lý nước thải nhiễm dầu chỉ bao gồm 2 pha xử lý theo mẻ, ở pha đầu tiên nước thải nhiễm dầu được đưa thẳng vào bể xử lý chứa hệ thống biofilm vi sinh vật được cố định trên vật liệu mang Kaldness, sau đó chuyển sang pha lắng cặn. Hệ thống đem lại hiệu quả xử lý đạt 98,9% COD sau 24h. Cũng sử dụng hệ thống có thiết tương tự với vật liệu mang là sỏi nhẹ, Delnavaz và cs [69] đã tiến hành xử lý nước thải nhiễm các amin thơm như: aniline, para-diaminobenzene và para-aminophenol đạt hiệu quả xử lý 90% COD sau 15 ngày xử lý. Hệ thống MBBR sử dụng polyurethane làm vật liệu
mang biofilm vi sinh vật được thiết kế để xử lý nước thải của nhà máy lọc dầu đem lại hiệu quả xử lý cao 96% formandehyde, 79% phenol và 94% lượng dầu tổng số trong nước thải [70]. Một số báo cáo khác về ứng dụng MBBR trong xử lý nước thải nhà máy lọc dầu cho thấy hệ thống MBBR cho hiệu quả xử lý cao trong thời gian ngắn. Sayahzadeh và cs [71] đã ứng dụng hệ thống MBBR để xử lý nước thải của nhà máy lọc dầu đem lại hiệu quả xử lý đạt 29% sau 22h với nồng độ hydrocarbon tổng số trong nước thải là 278 mg/l. Báo cáo của Lin [72] cho thấy hệ thống MBBR cho khả năng xử lý 67,3% COD, hệ thống sử dụng K3 làm vật liệu mang vi sinh vật trong quá trình xử lý.
Hình 1.6. Hệ thống xử lý nước thải bằng kỹ thuật MBBR [68]
(1- Bể cấp nước thải; 2- Bơm; 3- Bể phản ứng; 4- Hệ thống sục khí; 5- Bể lắng)
(a) Vật liệu mang Kaldness (b) Vật liệu mang sỏi nhẹ
Hình 1.7. Một số loại vật liệu mang sử dụng trong hệ thống MBBR [73]
Trong phương pháp xử lý sinh học nói chung, mặc dù đem lại hiệu quả xử lý cao, thân thiện với môi trường sinh thái và tiết kiệm chi phí, tuy nhiên phương pháp sinh học cũng có một số những hạn chế như: hiệu quả xử lý tùy thuộc vào chủng vi sinh vật cũng như các điều kiện ngoại cảnh (nhiệt độ, pH, nồng độ chất tan, …). Khi nồng độ dầu quá lớn trong nước thải, việc chọn lọc được những chủng vi sinh vật có khả năng vừa thích nghi với nồng độ dầu cao cũng như đem lại hiệu quả xử lý là một công việc khó khăn. Thay vào đó việc kết hợp các phương pháp khác nhằm làm
giảm nồng độ dầu cao đầu vào, chuyển công nghệ MBRs thành một pha của quá trình xử lý sẽ là một giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý cũng như tích hợp được những ưu điểm của các phương pháp khác nhau và loại bỏ được những nhược điểm của chúng.
Trong kỹ thuật biofilm chuyển động, một số cải tiến cũng đã được nghiên cứu ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu có nồng độ cao. Schneider và cs [74] đã áp dụng một hệ thống kết hợp giữa 3 công nghệ: công nghệ oxy hóa nâng cao AOPs, công nghệ hấp phụ và công nghệ MBBR để xử lý nước thải nhiễm dầu của các nhà máy lọc dầu. Hệ thống bao gồm 3 pha xử lý: oxy hóa các thành phần dầu bằng ozone, hấp phụ bằng than hoạt tính và cuối cùng nước thải được đưa vào bể xử lý MBBR. Hiệu quả xử lý lên tới 89% COD, N-NH4 sau 6h xử lý, lượng carbon hữu cơ hòa tan (DOC) được xử lý đạt 75%. Một số hệ thống đã được thương mại hóa trong xử lý nước thải nói chung và cả nước thải nhiễm dầu là sự kết hợp giữa công nghệ MBBR và công nghệ tuyển nổi áp lực DAF, nhược điểm lớn nhất của DAF trong xử lý nước thải nhiễm dầu đó chính là khả năng loại bỏ các thành phần dầu hòa tan, trong khí đó công nghệ MBBR nói riêng và phương pháp sinh học nói chung có khả năng loại bỏ tốt các thành phần dầu hòa tan trong nước. Trong xử lý nước thải có nồng độ dầu cao, có khả năng đe dọa đến khả năng sinh trưởng, phát triển của các chủng vi sinh vật thì việc ứng dụng một công nghệ vật lý như DAF là cần thiết để làm giảm một hàm lượng đáng kể dầu trong nước thải trước khi đưa vào xử lý triệt để bằng phương pháp sinh học.
1.3.3.2. Ứng dụng của biofilm trong xử lý ô nhiễm dầu ở Việt Nam
Tại Việt Nam những nghiên cứu đã phát hiện các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong dầu khá đa dạng. Những phát hiện trong giai đoạn đầu đã công bố nhiều chủng vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas, Acinetobacter có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt giúp tăng khả năng phân hủy
dầu [75, 76]. Những nghiên cứu tiếp theo ngày càng cho thấy sự đa dạng về vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu tại Việt Nam. Nghiên cứu của Lại Thúy Hiền và cs [77, 78] đã định danh được nhiều chủng vi khuẩn và nấm men có khả năng phân hủy mạnh các thành phần hydrocarbon trong dầu thuộc các chi Rhodococcus ruber,
Acinetobacter calcoaceticus, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus megatherium, Janibacter marinus, Ochrobactrum cytisis, Rhodotorula glutinis và Hortaea
wernecki. Đây cũng là các chi vi khuẩn, nấm men được thế giới nghiên cứu và sử
dụng nhiều trong phân hủy sinh học các thành phần hydrocarbon trong dầu. Trong đó phát hiện 3 chủng từ 3 chi mới Janibacter marinus, Ochrobactrum cytisis và
Hortaea wernecki mà thế giới chưa công bố về khả năng phân hủy dầu.
Nghiên cứu của Bùi Thị Kim Anh [79] đã chứng minh tập hợp vi sinh vật thuộc nhóm γ-proteobacteria, trong đó định danh được chủng alcanivorax borkumensis có vai trò quan trọng trong việc xử lý các thành phần hydrocarbon no
và PAH trong dầu. Từ các mẫu bùn đất nhiễm dầu tại Quân khu 7 đã phân lập được 6 chủng vi khuẩn và nấm men có khả năng phân hủy 93% dầu sau 9 ngày thử nghiệm, các chủng thuộc các chi Chryseobacterium, Pichia và Candida [80].
Những phát hiện về các chủng vi sinh vật ở Việt Nam có khả năng phân hủy các hợp chất phenol và hydrocarbon thơm cũng rất đa dạng. Tại sân bay Biên Hòa đã phân lập được bốn chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces có khả năng sản sinh enzyme laccase, các chủng này phân hủy được 72% pyren, 48,3% anthracen sau 7 ngày nuôi lắc [81]. Nghiên cứu của Đặng Thị Cẩm Hà và cs [82, 83] đã phát hiện nhiều chủng nấm sợi, xạ khuẩn thuộc chi Aspergillus, Streptomyces và vi khuẩn thuộc chi Brevibacillus có khả năng phân hủy tốt các hợp chất phenol và hợp chất hữu cơ thơm đa vòng PAH. Tác giả Cung Thị Ngọc Mai và cs [84] đã phân lập được chủng vi khuẩn Rhodococcus pyridinovorans từ khu công nghiệp vừa và nhỏ Từ Liêm, Hà Nội có khả năng phân hủy 92,5% phenol với nồng độ ban đầu 150ppm sau 7 ngày nuôi cấy. Chủng vi khuẩn Rhodococcus sp. XL6.2 có khả năng xử lý lên đến 97,81% xylene sau thời gian ngắn là 24h nuôi cấy, chủng vi khuẩn trên được phân lập từ mẫu bùn lắng của hệ thống xử lý nước thải của trường Đại học Cần Thơ [85].
Tuy vậy, những nghiên cứu về ứng dụng biofilm trong xử lý nước thải nhiễm dầu tại Việt Nam mới ở phạm vi trong phòng thí nghiệm. Những nghiên cứu đầu tiên, trong quá trình nghiên cứu về chất hoạt hóa bề mặt sinh học đã xác định được các chủng vi sinh vật bao gồm Candida tropicalis VT09, Acinetobacter haemolyticus
QN15 và Bacillus subtilis HY01 có khả năng tạo biofilm rất tốt. Các chủng này còn thể hiện khả năng phân huỷ dầu tốt hơn đáng kể trong điều kiện tạo màng sinh học. Sau 24h nuôi cấy, ở dạng tạo màng sinh học, 83, 75 và 38% dầu thô Malaysia đã được phân huỷ bởi các chủng tương ứng là VT09, QN15 và HY01. Trong khi ở dạng tự do chỉ 38, 35 và 30% dầu thô được phân huỷ [86]. Các nghiên cứu tiếp theo đã
chứng minh các chủng vi khuẩn vừa có khả năng tạo biofilm và có khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong dầu ở Việt Nam khá đa dạng. Nghiên cứu của Vũ Thị Thanh và cộng sự [87] đã phân lập được chủng vi khuẩn Bacillus megaterium DX3 tại kho xăng dầu Đỗ Xá, Thường Tín, Hà Nội có khả năng tạo biofilm và phân hủy 99,95% phenol với nồng độ ban đầu là 150 mg/l trong môi trường khoáng sau 7 ngày nuôi cấy ở 30oC. Tác giả Nhi Công và cs [88] đã xác định được bốn chủng vi khuẩn có khả năng tạo biofilm tốt, và phân hủy trên 70% các thành phần phenol, PAH với nồng độ ban đầu 150 mg/l trong điều kiện phòng thí nghiệm, các chủng vi khuẩn được xác định thuộc các chi Bacillus, Pseudomonas và Acinetobacter.
Nghiên cứu của Cung Thị Ngọc Mai [89] đã phân lập được 3 chủng vi khuẩn tại kho xăng dầu Đức Giang bao gồm ĐGP2, ĐGP4 và ĐGP8 có khả năng tạo biofilm tốt sau 24h nuôi cấy. Các chủng vi khuẩn này cho thấy hiệu suất phân hủy phenol đạt 99,3% sau 7 ngày nuôi trong môi trường Gost dịch có bổ sung 150 mg/l phenol. Tại các mẫu nước thải từ kho xăng dầu Đỗ Xá, Thường Tín, Hà Nội và ở Quảng Ngãi đã phân lập được các chủng vi khuẩn bao gồm Rhodococcus sp. BN5 và
Acinetobacter sp. QND10 vừa có khả năng tạo biofilm tốt, vừa có khả năng phân hủy
dầu DO và các thành phần n-alkane đạt hiệu suất trên 70% sau 7 ngày với hàm lượng dầu ban đầu là 28.050 mg/l [90, 91]. Tác giả Nhi Công và cs [86] đã đánh giá khả năng tạo biofilm một số chủng vi khuẩn và nấm men phân huỷ dầu, phân lập từ các mẫu nước biển bị ô nhiễm dầu ở Thanh Hoá và Vũng Tàu. Kết quả cho thấy, đã xác định được các chủng thuộc các chi như Candida, Acinetobacter, Bacillus, Rhodococcus... là những chủng vừa tạo màng sinh học vừa có khả năng phân huỷ và
chuyển hoá các thành phần dầu mỏ rất tốt. Hơn thế nữa, sau 24h nuôi cấy, ở dạng tạo biofilm chúng còn có khả năng phân huỷ dầu tốt hơn ở dạng tế bào tự do planktonic. Nghiên cứu của Cung Thị Ngọc Mai [92] đã sàng lọc được 7 chủng vi khuẩn và 2 chủng nấm men bao gồm Rhodococcus sp. BQN11, Paracoccus sp. DG25,
Ochrobactrum sp. DGP2, Pseudomonas sp. DGP4, Pseudomonas sp. DGP8, Acinetobactersp. QND10, Rhodococcus sp.VTPG5 Candida viswanathii TH1 và Candida sp. TH4 vừa có khả năng tạo biofilm tốt vừa phân hủy mạnh các thành phần
PAH trong nước thải nhiễm dầu, kết quả thử nghiệm cho thấy biofilm các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy trên 80% phenol và PAH tổng số sau 14 ngày xử lý ở mô hình 50 lít trong điều kiện phòng. Không chỉ có khả năng phân hủy tốt các thành